干货 | 半导体工艺测量设备如何“校准”？详解三种计量技术

随着半导体器件向高集成度、高密度和高性能方向发展，器件尺寸不断缩小，对生产工艺的监控要求也越来越高。为此，需要围绕整个半导体工艺线开展计量保障技术研究，建立完善的量值溯源体系，确保工艺参数准确可靠。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

半导体工艺线的计量技术研究以“测什么、怎么测、如何测得准”为主线，重点研究工艺设备和测量设备。其中，测量设备在前道晶圆制造、后道封装测试、尺寸测量、缺陷检测等环节中发挥着关键作用，能够提供高准确度、高速度、高稳定性的测量方案。

开展测量设备计量技术研究，有助于实现设备量值的统一与准确，进而提升半导体工艺线的整体性能。具体包括：监测和识别工艺缺陷、分析工艺问题、提高良品率、适应不同生产阶段的需求。

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常见测量设备及其对应工序

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半导体工艺包括晶圆制备、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、扩散、化学机械抛光、金属化、封装测试等。每道工序都配备相应的测量设备，常见的有：

不同测量设备对应的半导体工艺

国内外多家计量机构（如NIST、PTB、中国计量科学研究院等）已开展相关研究，研制计量标准器、搭建可溯源装置、开发校准方法，确保测量结果准确可靠。

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探针式台阶仪

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台阶仪测量原理

台阶仪是一种接触式表面形貌测量仪器，用于测量台阶高度或表面轮廓，常用于沟槽刻蚀工艺。其工作原理是：触针沿样品表面滑动，表面起伏使触针上下运动，传感器将位移转换为电信号，经处理后得到表面轮廓数据。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

台阶高度样板

校准台阶仪使用的标准器为台阶高度样板，范围在10 nm到100 μm之间。其制备工艺包括热氧化、涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶、溅射等。定值装置采用纳米级激光干涉仪，测量值可溯源至激光波长。

台阶仪校准数据

校准依据JJF（军工）129—2017《台阶仪校准规范》，主要评价水平方向和垂直方向的示值误差及重复性。通过重复测量台阶高度样板，比较标准值与测量值，判断仪器性能。

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椭偏仪

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椭偏仪测量原理

椭偏仪用于监测薄膜工艺，基本原理是利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通过菲涅尔公式获得薄膜参数与偏振态的关系，从而计算薄膜的折射率和厚度。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域，在材料光学特性分析领域具有重要地位。

研制的2~1 000 nm膜厚标准样片

校准使用的标准器为膜厚样板，范围在2～1000 nm，通常通过氧化工艺制备。氧化过程在氧化炉中严格控制温度、时间和湿度。定值装置常用X射线光电子光谱仪（XPS）或光谱型椭偏仪。

椭偏仪校准数据

校准依据JJG（军工）14—2011《光学薄膜折射率和厚度测试仪》检定规程，主要计量参数包括膜厚和折射率。通过重复测量样片中心点，取平均值与标准值比较，评价测量准确度。

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四探针测试仪

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四探针测试仪测量原理

四探针测试仪采用直流四探针法，通过外侧两根探针通电流、中间两根探针测电压，根据理论公式计算样品的电阻率。Flexfilm费曼仪器四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

校准使用的标准器为电阻率样板，采用区熔硅单晶气相掺杂技术制备，通过控制掺杂气体浓度实现电阻率精准控制。电阻率值可溯源至电流值。

方阻示值误差

校准依据JJG508—2004《四探针电阻率测试仪》检定规程，主要参数为方阻示值误差。某型号仪器的方阻示值误差控制在3%以内，测量准确度较高。

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计量技术管控体系决策机制

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为更好监测半导体工艺流程，需要建立计量技术管控体系决策机制。该机制通过采集多维度计量数据和设备运行维护数据，建立计量数据模型库。在质量管控软件中，增加各类测量设备的计量数据模块，通过调取数据反映仪器的重复性和稳定性。借助数学模型，可以识别关键参数和合格判据，科学决策设备的计量管控周期和应急计量需求，形成基于数据的管控机制。该机制在设备采购、验收、使用、维护等各环节提供精准保障。

半导体测量设备在质量控制、工艺监控、缺陷检测、参数测量、工艺优化等方面发挥着重要作用。开展计量技术研究，核心在于研究校准方法、研制可溯源的标准装置和关键参数标准器，形成完整的计量技术体系。同时，建立基于数据的计量管控决策机制，有助于科学管理设备使用周期，为半导体工艺线的稳定运行提供有力保障。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量 

Flexfilm费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《典型半导体工艺测量设备计量技术》

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