GB/T 29507-2013 硅片平整度、厚度及总厚度变化测试 自动非接触扫描法

　　ICS 29. 045 H 80

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 29507—2013

　　硅片平整度、厚度及总厚度变化测试

　　自动非接触扫描法

　　Testmethod formeasuringflatness,thicknessand totalthicknessvariation

　　on silicon wafers—Automated non-contactscanning

　　2013-05-09发布 2014-02-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 29507—2013

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)提出并归 口 。

　　本标准起草单位 :上海合晶硅材料有限公司 、有研半导体材料股份有限公司 。

　　本标准主要起草人 :徐新华 、王珍 、孙燕 、曹孜 。

　　Ⅰ

　　GB/T 29507—2013

　　硅片平整度、厚度及总厚度变化测试

　　自动非接触扫描法

　　1 范围

　　本标准规定了直径不小于 50 mm ,厚度不小于 100 μm 的切割 、研磨 、腐蚀 、抛光 、外延或其他表面状态的硅片平整度 、厚度及总厚度变化的测试 。

　　本标准为非破坏性 、无接触的自动扫描测试方法 ,适用于洁净 、干燥硅片的平整度和厚度测试 ,且不受硅片的厚度变化 、表面状态和硅片形状的影响 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注明 日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 14264 半导体材料术语

　　3 术语和定义

　　3. 1 GB/T 14264界定的术语和定义适用于本文件 。

　　3. 2 硅片平整度参数的缩写及定义见表 1。

　　表 1 硅片平整度参数的缩写及定义

　　缩写

　　测试方法

　　基准面

　　基准面

　　测试参数

　　基准面构成

　　区域

　　GBIR

　　(globalflatness back side reference plane

　　idealrange)

　　总的

　　背表面

　　理想背表面

　　质量合格区

　　TIR

　　GF3R

　　(globalflatness frontside reference plane

　　3 points range)

　　总的

　　正表面

　　三点构成的基准面

　　TIR

　　GF3D

　　(globalflatness frontside reference 3

　　points deviation)

　　总的

　　正表面

　　三点构成的基准面

　　FPD

　　GFLR

　　(globalflatness frontside reference plane

　　least-squares range)

　　总的

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　质量合格区

　　TIR

　　1

　　GB/T 29507—2013

　　表 1 (续)

　　缩写

　　测试方法

　　基准面

　　基准面

　　测试参数

　　基准面构成

　　区域

　　GFLD

　　(globalflatness frontleastsquares

　　deviation)

　　总的

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　质量合格区

　　FPD

　　SBIR

　　(site flatness back side reference plane

　　globalidealrange)

　　局部

　　背表面

　　理想背表面

　　质量合格区

　　TIR

　　SBID

　　(site flatness back side reference plane

　　globalidealdeviation)

　　局部

　　背表面

　　理想背表面

　　质量合格区

　　FPD

　　SF3R

　　(site flatness globalfrontside reference plane 3 points range)

　　局部

　　正表面

　　三点构成的基准面

　　TIR

　　SF3D

　　(site flatness globalfrontside

　　reference plane 3 points deviation)

　　局部

　　正表面

　　三点构成的基准面

　　FPD

　　SFLR

　　(site flatness globalfrontside reference

　　plane leastsquares range)

　　局部

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　质量合格区

　　TIR

　　SFLD

　　(site flatness globalfrontside reference

　　plane leastsquares deviation)

　　局部

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　质量合格区

　　FPD

　　SFQR

　　(site flatness frontside reference plane

　　site leastsquares range)

　　局部

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　局部区域

　　TIR

　　SFQD

　　(site flatness frontside reference plane

　　leastsquares deviation)

　　局部

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　局部区域

　　FPD

　　SFSR

　　(site flatness frontsub-side reference

　　plane site leastsquares range)

　　局部

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　次局部区域

　　TIR

　　SFSD

　　(site flatness frontsub-side reference

　　plane leastsquares deviation)

　　局部

　　正表面

　　最小二乘法构成的基准面

　　次局部区域

　　FPD

　　2

　　GB/T 29507—2013

　　4 方法提要

　　将被测硅片放置在平坦 、洁净的小吸盘上 , 吸盘带动硅片沿规定的图形在两个相对的探头之间运动 ,两个探头同时测试得到一对位移数据 ,构成厚度的数据组(t[x,y]) 。 当硅片背表面是理想平面时 ,数据组描述了硅片的正表面 。该数据组可以产生所需的一个或多个参数 ,需要测量平整度时 ,在硅片背表面或正表面构建一个符合要求的基准面和焦平面 。计算并报告硅片的厚度 、总厚度变化以及相对于背表面或正表面基准面和焦平面的平整度 、局部平整度参数 。

　　5 干扰因素

　　5. 1 在测试扫描期间 ,任何探头间或探头沿探头轴的相对运动都会产生横向位置等效测试数据误差 。

　　5. 2 大多数设备具有一定的厚度测试(结合翘曲度)范围 ,无需调整即可满足要求 。如果校准或测试试样超出测试范围 ,可能产生错误的结果 。操作者可通过设备的超量程信号得知这一情况 。

　　5. 3 数据点的数量及其间距不同可能影响测试结果 。

　　5. 4 测试局部平整度时 ,选择测试是否包括硅片边缘的不完整区域 ,将影响局部平整度的测试值 ,可通过插值技术减少这种影响 。

　　5. 5 选择基准面不同 ,得到的平整度的值可能不同 。

　　5. 6 本方法对硅片背表面微观颗粒相对敏感 。

　　6 仪器设备

　　6. 1 硅片夹持装置 :例如吸盘或硅片边缘夹持装置 ,该装置的材质和尺寸可由测试双方协商确定 。

　　6. 2 多轴传输系统 ,提供了硅片夹持装置或探头在垂直于测试轴的几个方向的可控移动方式 。该移动应允许在合格质量区域内以指定的扫描方式收集数据 ,且可设定采样数据点的间距 。

　　6. 3 探头部件 ,带有一对非接触位移传感探头 ,具体要求如下 :

　　a) 探头应能独立探测晶片的两个表面到距之最近探头的距离 a 和 b;

　　b) 探头将被分别安装在硅片两面 ,并使两探头相对 ;

　　c) 两探头同轴 ,且其共同轴为测试轴 ;

　　d) 校准和测试时探头距离 D 应保持不变 ;

　　e) 位移分辨率应小于或等于 10 nm;

　　f) 探头传感器尺寸为 4 mm×4 mm ,或由测试双方确定 。

　　探头支持装置和指示单元(见图 1) 。

　　图 1 硅片、探头、设备示意图

　　3

　　GB/T 29507—2013

　　6. 4 控制系统 ,包括数据处理器及合适的软件 。测试设备应具有程序输入选择清单的功能 ; 可以 自动按照操作者设定的条件进行测量 、数据处理 ,并根据操作者的设置数值对硅片分类 。必要的计算应可在设备系统内部自动完成 ,并可直接显示测量结果 。

　　6. 5 数据报告分辨率应为 10 nm 或更小 。

　　注 : 精确的局部平整度测量需要测量邻接的定位点 , 足 以 详 细 地 显 示 表 面 布 局 。推 荐 局 部 平 整 度 测 量 使 用 一 个 和邻近点分隔 2 mm 或更少的数据点阵列 。也推 荐 使 用 数 据 组 去 计 算 局 部 平 整 度 , 这 时 数 据 取 自 每 个 局 部 区 域的拐角处并且沿着每个局部的边界 ,使得有效局部尺寸等于这局部尺寸区域 。

　　6. 6 硅片传输系统 ,包括硅片的自动装载和分类功能 。

　　7 测量步骤

　　7. 1 参数设置(根据需要选择测试硅片厚度、总厚度变化、平整度)

　　7. 1. 1 硅片的中心点厚度

　　硅片的中心点厚度为硅片的标称厚度 。

　　7. 1. 2 总厚度变化的测试模式选择

　　7. 1. 2. 1 5 点 。

　　7. 1. 2. 2 扫描方式 。

　　7. 1. 3 平整度参数的测量模式选择

　　7. 1. 3. 1 总平整度(G)

　　总平整度(G)选择如下 :

　　a) 范围(总指示读数 ,TIR)(R) ;

　　b) 偏差(焦平面偏差 ,FPD)(D) 。

　　7. 1. 3. 2 局部平整度(S)

　　局部平整度(S)选择如下 :

　　a) 指示读数(TIR) — 每个局部区域局部平整度指示读数的值或最大值 ,或两者 ;

　　b) 偏差(FPD) — 每个局部区域局部平整度偏差的值或最大值 ,或两者 ;

　　c) 图形或者柱状图显示部分或全部数值的分布 。

　　如果确定选择局部平整度 ,需定义 :

　　a) 局部区域的尺寸 ;

　　b) 局部区域相对 FQA 中心的位置 ;

　　c) 局部区域相互之间的位置 ,例如直线模式或者错层模式 ;

　　d) 选择是否包含局部不完整区域 。

　　7. 1. 3. 3 基准面的选择

　　7. 1. 3. 3. 1 构成基准面的点应位于合格质量区内 。基准面选择如下 :

　　a) 正表面(F)

　　b) 背表面(B)

　　7. 1. 3. 3. 2 对总平整度测试 ,可选择如下三个基准面之一 :

　　a) 理想背表面(I) ;

　　4

　　GB/T 29507—2013

　　b) 正表面三点平面(3) ;

　　c) 正表面最小二乘法平面(L) 。

　　7. 1. 3. 3. 3 对于选择总基准面的局部平整度测试 ,可选择如下三个基准面之一 :

　　a) 理想背表面平面(I) ;

　　b) 正表面三点平面(3) ;

　　c) 正表面最小二乘法平面(L) 。

　　7. 1. 3. 3. 4 对于选择局部基准面的局部平整度测试 ,可选择如下基准面 :

　　在局部区域内对正表面进行最小二乘法拟合平面(Q) 。

　　7. 1. 3. 3. 5 对于使用次局部区域基准面的扫描局部平整度测试 ,可选择以下基准面 :

　　在次局部区域对正表面进行最小二乘法拟合平面(S) 。

　　7. 1. 3. 4 合格质量区域的选择

　　通过规定边缘去除 EE尺寸选择合格质量区域(FQA) 。

　　注 : 有关硅片平整度参数的缩写定义及依据平整度确定网络方法参见附录 A,平整度的选择参照表 1。

　　7. 2 校准及校准用参考片

　　7. 2. 1 参考片的总厚度变化值(TTV) 、平整度应有一组确定的值 ,该组数值用来判定测试设备所测得的数据与参考片数值的一致性 。

　　7. 2. 2 参考片自身标有一组厚度或平整度参数的数据组(RDS) ,其中每个参数值是通过大量重复测试获得的平均值 ,且是在排除了所有可能的干扰因素之后依照本方法校正后重新得到的数据 。

　　7. 2. 3 使用测试设备测试参考片 ,获得参考片测试数据组(SDS) 。

　　7. 2. 4 将同一参数的两数据组相减 ,获得差值数据组(DDS) ,见式(1) 。

　　DDS包含很多数值 ,表示设备测试值与参(DDS)片(R)标(D)称(S)值之(-SD)间(S)的差值 。DDS(…)数… 值… 用… 设)

　　备测试之间的一致程度和可接受水平 。

　　最简单的用于衡量是否可接受的标准是差异的最大值 , 即 DDS的最大绝对值 。它代表测试结果与参考片的值之间最大的不一致程度 。 只有设备的测试差异最大值小于这个值时才认为设备是可用的 。更多复杂的计算也可用于判断测试是否可接受 。例如 ,可使用参数值的 DDS统计分析(平均值 ,标准偏差等)的柱状图 。这些数据与可接受限相比较或提供对差异的性质和来源的进一步分析 , 或者两者都有 ,可接受水平由测试双方商定 。

　　7. 3 测量

　　将硅片放在测量设备上 ,开始测试 。

　　7. 4 测试结果计算

　　7. 4. 1 使用厚度[t(x,y)]的原理 ,用结果数据组计算硅片的厚度和平整度 ,详见附录 B。

　　7. 4. 2 硅片的厚度 、总厚度变化和所需的平整度参数的计算可由设备内部自动计算并直接显示 。

　　8 报告

　　报告应包含以下内容 :

　　a) 日期 、时间和测试温度 ;

　　b) 操作者 ;

　　5

　　GB/T 29507—2013

　　c) 测试实验室 ;

　　d) 测试设备 ,包括硅片夹持装置的直径 、数据点间距 、传感器尺寸和测试方法 ;

　　e) 测试片信息 :包括硅片编号 、直径 、中心厚度和规定的边缘去除区域 EE;

　　f) 硅片厚度 ;

　　g) 总厚度变化 ;

　　h) 平整度 ,可选择由以下一个或多个描述方法 :

　　1) 总平整度 ;

　　2) 测试中局部平整度的最大值 ;

　　3) 局部平整度的百分数 , 即允许局部平整度小于或等于设定值的比例 ;

　　i) 作为仲裁测试 ,报告应包含每片测试硅片的标准偏差 ,有需要时 ,如测试了局部平整度 ,列出所有测试硅片的所有局部平整度的分布情况 。

　　9 精密度

　　9. 1 本方法的精密度是经过三个实验室的测试比对确定的 ,测试硅片试样共 30片 ,硅片直径100 mm、 125 mm 和 150 mm 三种规格 。

　　9. 2 单个实验室 精 密 度 : 厚 度 不 大 于 0. 24 μm (R3S) ; TTV 不 大 于 0. 33 μm (R3S) ; SBIR 不 大 于0. 17μm (R3S) 。

　　9. 3 多个实验室 精 密 度 : 厚 度 不 大 于 1. 00 μm (R3S) ; TTV 不 大 于 0. 40 μm (R3S) ; SBIR 不 大 于0. 39μm (R3S) 。

　　6

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　依据平整度确定网络和 SEMIMF 1530-0707标准中精密度

　　A. 1 平整度确定网络

　　平整度确定网络见图 A. 1。

　　图 A. 1 平整度确定网络

　　A. 2 SEMIMF 1530-0707精密度

　　A. 2. 1 对直径 200 mm 的 23片单面抛光片进行了巡回测试 ,这些片分为三个不同的处理工艺 ,所有片的正表面都是裸硅 。其中两个背表面是裸硅 ,另一个背表面有氧化层 。

　　A. 2. 2 在八个实验室测量了厚度 ,在其中的六个测量了平整度 。共 23个片子 。 每一片都在自动测量系统依据本标准进行测量 。

　　A. 2. 3 所有测试数据都是在规定了边缘去除 3 mm 获得的 。

　　A. 2. 4 平整度值是在定义了 15× 15的局部 ,X 和 Y 轴相对硅片中心偏移 7. 5 mm 时计算获得的 。在

　　7

　　GB/T 29507—2013

　　这 137个局部阵列中 ,精密度统计来源于四种选择 :两个完整的局部位于中心区域 。两个不完整区域沿着 FQA 的边界 ,如表 A. 1所示 , 图 A. 2展示了全部的 137个局部阵列 。

　　表 A. 1 局部区域信息

　　局部区域数量

　　局部区域类型

　　硅片上位置

　　69

　　完整的

　　中心点

　　73

　　完整的

　　从中心点 60 mm(0°)

　　75

　　包括不完整的

　　FQA边界(0°)

　　135

　　包括不完整的

　　切 口 (270°)

　　图 A. 2 200 mm 硅片上边缘去除 3 mm, 15 mm × 15 mm 局部区域阵列

　　A. 2. 5 本次确定精密度的研究中 ,实验室 、样片以及测量的数目符合 ASTM E 691规定的要求 。

　　A. 2. 6 置信水平 95%时实验室内重复性(r)和实验室间再现性(R)的统计见表 A. 2。

　　表 A. 2 不同参数测量统计

　　参 数

　　平均值/μm

　　r/μm

　　R/μm

　　最小值

　　最大值

　　最小值

　　最大值

　　最小值

　　最大值

　　中心点厚度

　　714. 86

　　735. 87

　　0. 028

　　0. 085

　　0. 563

　　1. 039

　　TTV

　　0. 94

　　2. 39

　　0. 026

　　0. 091

　　0. 100

　　0. 292

　　69区域 SBIR

　　0. 09

　　0. 24

　　0. 010

　　0. 012

　　0. 017

　　0. 095

　　73区域 SBIR

　　0. 14

　　0. 54

　　0. 013

　　0. 026

　　0. 015

　　0. 037

　　75区域 SBIR

　　0. 29

　　1. 16

　　0. 017

　　0. 093

　　0. 109

　　0. 243

　　135区域 SBIR

　　0. 20

　　1. 05

　　0. 015

　　0. 068

　　0. 035

　　0. 892

　　A. 2. 7 图 A. 3~ 图 A. 8分别显示了对硅片的中心点厚度 、TTV 和四个不同取点的 SBIR参数的平均值的重复性(r)和实验室间再现性(R) 。

　　8

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　　9

　　表 A. 3 中心点厚度平均值重复性和再现性

　　表 A. 5 69区域 SBIR 重复性和再现性

　　表 A. 7 75区域 SBIR 重复性和再现性

　　

　　表 A. 4 总厚度变化平均值重复性和再现性

　　表 A. 6 73区域 SBIR 重复性和再现性

　　表 A. 8 135区域 SBIR 重复性和再现性

　　GB/T 29507—2013

　　附 录 B (规范性附录)测试结果计算

　　使用厚度[t(x,y)]的原理 ,用结果数据组计算硅片的厚度和平整度 。

　　B. 1 概述

　　硅片的厚度 、总厚度变化和所需的平整度参数的计算可由设备内部自动计算并直接显示 。

　　以下提供的离线计算是为显示完整的程序 。

　　B. 2 厚度

　　B. 2. 1 硅片厚度由两探头间的距离以及探头与之最近的硅片表面的距离决定 。 在每个测试位置 ,所有的间距之和都包含在 D 中 ,每个测试位置的厚度按式(B. 1)计算 :

　　t(x,y) = D(x,y) - [a(x,y) +b(x,y)] ………………………( B. 1 )

　　式中 :

　　D — 探头 A,B之间的距离 ;

　　a — 探头 A 和与之最近的硅片表面间的距离 ;

　　b — 探头 B 和与之最近的硅片表面间的距离 ;

　　t — 硅片厚度 。

　　B. 2. 2 硅片中心点的厚度作为硅片的标称厚度

　　B. 2. 3 总厚度变化(TTV) : 由硅片上厚度最大值与厚度最小值相减得到的式(B. 2)计算 :

　　TTV=tmax - tmin …………………………( B. 2 )

　　B. 3 平整度的确定

　　B. 3. 1 根据数据组 t(x,y)集做出基准面 。

　　注 : 使用厚度数据组 t(x,y)基准面 ,相当于设置了晶片背表面的每个点为 Z轴原点 ,如 SEMIM20 中所定义 ,则每点的 Z值相当于该点的厚度 。这相当于规定了晶片的背表面需放置在一个理想的吸盘上 。

　　基准面表示形式如式(B. 3) :

　　Zref =aRx+bRy+ cR …………………………( B. 3 )

　　式中 :

　　aR,bR,cR — 常数 ,选择如式(B. 4)和式(B. 5)所示 :

　　a) 对于理想背表面基准面 :

　　aR =bR =cR = 0 …………………………( B. 4 )

　　b) 对于最小二乘法基准面 :

　　∑ [t(x,y) - (aRx+bRy+ cR )] 2 …………………………( B. 5 ) x,y

　　选择 aR,bR ,cR 应使式(B. 5)差值最小 ,而基准面区域的选择应遵循 : 当选择总平整度时为整个合格质量区域 , 当选择局部时为合格质量区域中局部区域的那部分 , 当选择次局部区域时为合格质量区域中次局部区域的那部分 。

　　10

　　GB/T 29507—2013

　　c) 对于三点基准面 ,如式(B. 6) :

　　t(x1 ,y1 ) =aRx1 +bRy1 + cR t(x2 ,y2 ) =aRx2 +bRy2 + cR

　　t(x3 ,y3 ) =aRx3 +bRy3 + cR

　　

　　… … … … … … … … … …

　　

　　( B. 6 )

　　其中(x1,y1 ) 、(x2,y2 )和(x3,y3 )均匀分布于距硅片边缘 3mm 处的圆周上 。

　　注 : aR 和 aF 分别提供了基准面和焦平面的在 X 方向的斜率 ,bR 和 bF 分别 提 供 了 基 准 面 和 焦 平 面 在 Y 方 向 的 斜率 ,cR 和 cF 分别提供了该点从晶片背表面到基准面和焦平面中心点的距离 。

　　B. 3. 2 构成焦平面 ,利用数据集 t(x,y)计算偏差参数,焦平面表示如式(B. 7) :

　　Zfocal =aFx+bFy+ cF …………………………( B. 7 )

　　焦平面与基准面平行 ,所以在任何情况下都有

　　aF =aR,bF =bR

　　当总焦平面与相应的基准面一致时 ,

　　cF =cR

　　一个局部或次局部区域焦平面用相应的基准面取代时 ,

　　cF =t(x0 ,y0 ) - (aFx0 +bFy0 )

　　式中 :

　　x0 ,y0 分别是局部或次局部区域中心点的坐标 。

　　B. 3. 3 通过式(B. 8)确定各点厚度与基准面或焦平面间差异

　　f(x,y) =t(x,y) - (aix +biy + ci) …………………………( B. 8 )

　　此处下标i取 R或 F,取决于使用的是基准面或焦平面 , (x,y) 位于合格质量区域 ,无论是选择局部 ,或次局部区域 ,分别对应于总的 、局部 、次局部参数的测定 。

　　B. 3. 4 通过式(B. 9)确定范围(也称 TIR) 。

　　TIR= f(x,y) max -f(x,y) min …………………………( B. 9 )

　　式中 :

　　f(x,y) max— 规定的(x,y)范围内,f(x,y)的最大值 ;

　　f(x,y) min — 规定的(x,y)范围内,f(x,y)的最小值 。

　　在这种情况下 ,使用焦平面或基准面所得结果相同 。

　　注 : GBIR,用理想背表面做基准面时的平整度 TIR,它等于 TTV。然而 ,TTV能够从 t(x,y)数据组获得而不必构造基准面 。

　　B. 3. 5 使用焦平面 确 定 焦 平 面 偏 差(FPD) 。 FPD取|f(x,y) min |和 |f(x,y) max |两 者 中 大 的 值 。若 |f(x,y) max |>|f(x,y) min |, 则 在 值 前 添 加 “+ ”号 ; 若 |f(x, y) min |> |f(x, y) max |, 则 在 值 前 添 加“- ”号 。

　　B. 3. 6 记录测定值 。

　　B. 3. 7 用于仲裁或其他测试时 ,如果测试不止一次 ,计算每片被测硅片的最大值 、最小值 、标准偏差 、平均值和测试范围 。依据测试双方的商定记录标准偏差和其他统计参数 。