style="width:9.02669in;height:4.93224in" /> 本文是学习GB-T 32280-2022 硅片翘曲度和弯曲度的测试 自动非接触扫描法. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
本文件描述了利用两个探头在硅片表面自动非接触扫描测试硅片的翘曲度和弯曲度的方法。
本文件适用于直径不小于50 mm, 厚度不小于100μm
的洁净、干燥的硅片，包括切割、研磨、腐蚀、
抛光、外延、刻蚀或其他表面状态的硅片，也可用于砷化镓、碳化硅、蓝宝石等其他半导体晶片翘曲度和
弯曲度的测试。
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文
件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于
本文件。
GB/T 6619 硅片弯曲度测试方法
GB/T6620 硅片翘曲度非接触式测试方法
GB/T 14264 半导体材料术语
GB/T 16596 确定晶片坐标系规范
GB/T 14264 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
典型片 representative wafer
利用翻转的方法进行重力校正的与被测晶片具有相同的标称直径、标称厚度、基准结构和结晶取向
的代表性晶片。
3.2
参考片 reference wafer
用以确定是否符合测试设备操作说明中重复性要求的标有翘曲度和弯曲度参数值的晶片。
注：参数值是使用测试设备通过大量重复测试获得的平均值，或者是基于设备重复性研究的统计值。
3.3
翘曲度 warp
在质量合格区内，
一个自由无夹持的晶片中位面相对参照平面的最大和最小距离之差。
3.4
弯曲度 bow
自由无夹持晶片中位面的中心点与中位面基准面间的偏离。
注
： 中位面基准面是由指定的小于晶片标称直径的直径圆周上的三个等距离点决定的平面。
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将被测晶片放置在平坦、洁净的吸盘或晶片边缘夹持装置上，沿规定的图形在两个相对的探头之间
运动，两个探头同时对晶片的上下表面进行扫描，获得一组晶片上下表面分别到最近的探头间的距离
数据。
对应扫描的每一点，得到一对X 和 Y
坐标相同的距离数值；成对的位移数值用于构造一个中位面，
而在中位面上的重力效应的校正是通过从一个典型片测量值或理论值减去一个重力校正值得到的，也
可以通过翻转晶片重复扫描进行校正。从合适的中位面构造一个最小二乘法基准面，计算每对测量点
上的基准面偏离。翘曲度即为最大的正数和最小的负数间的代数差，弯曲度即为中心位置的中位面与
晶片三点构成的基准面的代数差，而三点基准面是由被修正的中位面的特定点构成的。
注：
晶片的翘曲可能是由于晶片的上下表面不相同的应力造成的，所以不可能通过测量其中一个面确定翘曲度。
中位面包含了向上、向下或两者都有的曲度，在某些情况下，中位面是平的，因此，翘曲度为零或正数值，弯曲
度则是一个带正号或负号的数值。
除另有规定外，应在下列环境中进行测试：
a) 温度：23℃±5℃;
b) 湿度：不大于65%;
c) 根据要求选择，宜使用不低于GB/T 25915.1 中6级洁净间；
d) 防止震动及电磁干扰。
6.1
在扫描测试期间，任何探头间或探头沿测试轴的相对运动都会产生横向位置等效测试数据误差。
晶片相对于探头测试轴的振动也会引入误差。为了使上述误差降低到最小，测试系统提供了特征分析
及校正程序。设备内部的监控系统也可以用来校正重复和非重复的系统机械误差，如未能提供这样的
校正可能会导致误差。
6.2
测试系统晶片夹持装置的差异可能引入测试差异。本测试方法允许使用不同的晶片夹持装置，相
同的晶片在不同的晶片夹持装置中会得到不同的几何形状结果。
6.3 数据点的数量及其间距不同可能影响测试结果。
6.4
本方法不受晶片厚度及表面加工状态的影响。因设备具有一定的厚度测试(结合翘曲度和弯曲
度)范围，无需调整即可满足要求。如果校准或被测晶片厚度超出测试范围，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。
6.5
使用重力补偿时，被测晶片与用于重力补偿的晶片在直径、厚度、表面状态、晶向等各种方面的差
别都可能引起重力补偿结果的差异。对于不同直径和厚度引起的重力补偿错误的预计见附录A。
如果
被测晶片的晶向与用于重力补偿晶片的晶向不同，重力补偿引入的测量值与实际值偏差可达15%。
6.6
重力可以改变晶片形状，本文件包含了几种消除重力影响的方法，包括典型片翻转的方法。实行
重力补偿，不同的方法和不同的实施水平可能会得到不同的测试结果。
6.7
当使用典型片翻转的方法进行重力补偿时，典型片的翘曲度和弯曲度过大可能给测试结果带来影
响。建议按照设备商推荐的要求进行。
6.8 选择基准面不同，得到的翘曲度和弯曲度的值可能不同。按 GB/T6620 和
GB/T 6619 使用背表
面3点作为基准面测试翘曲度和弯曲度，背表面作为基准面测试翘曲度和弯曲度的结果中包含了厚度
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差异。本方法使用中位面做基准面时，消除了这一影响，使用最小二乘法平面拟合基准面降低了三点平
面计算参考点位置时选择不同点带来的差异。使用特殊的校准或补偿技术，可最大限度地减少重力造
成的晶片畸变的影响。
7.1
晶片夹持装置，采用吸盘或晶片边缘夹持装置，该装置的类型和尺寸可由测试双方协商确定。
7.2
多轴传输系统，提供晶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。
7.3
探头部件，带有一对非接触位移传感探头、探头支持装置和指示单元，如图1所示，且应满足下列
要求：
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) 将探头分别安装在晶片两面，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) 位移分辨率应不大于100 nm;
f) 典型的探头传感器尺寸为4 mm×4mm 或 2 mm×2mm, 也可由测试双方确定；
g) 数据指示分辨率应不大于100 nm。
7.4
采用典型片翻转或晶片翻转的重力补偿方法，测试应在同一位置进行，因此测试系统应在每个方
向提供精确的定位。
7.5
控制系统，包括数据处理器及合适的软件。测试系统应具有程序输入及选择清单的功能，可以按
照操作者设定的条件自动进行测试、数据处理，并根据操作者的设置数值对晶片分类。必要的计算应在
设备系统内部自动完成，并可直接显示测试结果。
7.6 晶片传输系统，包括晶片的自动装载和分类功能。
style="width:9.02669in;height:4.93224in" />
测量轴
标引序号说明：
a —— 探头 A 与最近的晶片表面(晶片上表面)的距离；
b — 探头 B 与最近的晶片表面(晶片下表面)的距离；
D — 探头 A 和探头 B 间的距离；
t — 晶片厚度；
Zm— 测量点上Z 轴的中位面距离。
图 1 探头部件示意图
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8.1.1
根据需要选择测试晶片的参数，例如：直径、晶片厚度、数据显示和输出方式等。
8.1.2 选择下列重力校正方法中的 一种：
a) 翻转典型片的方法；
b) 翻转晶片的方法；
c) 理论模型的方法。
8.1.3
对自动测试设备，可进行基准面的选择，构成基准面的点应位于合格质量区内：
a) 最小二乘法拟合的基准面(bf);
b) 背表面3点拟合的基准面(3p)。
8.1.4 通过规定边缘去除(EE) 尺寸选择合格质量区(FQA)。
8.2.1 用翘曲度不大于20μm 且弯曲度不大于10 μm
的参考片确定由测试设备测得的翘曲度与参考 片翘曲度间的
一致程度，二者之间的偏差△p 的可接受水平由供需双方协商确定。△ 按 公 式
( 1 ) 计算：
△wap =warpreference — warpsample ………………………… (1)
式 中 ：
△wap — 测试晶片翘曲度与参考片翘曲度之间的偏差，单位为微米(μm);
warprferenee—— 参考片的翘曲度，单位为微米(μm);
warpample — 测试晶片的翘曲度，单位为微米(μm)。
注：如果测试设备也用来测试其他参数，如除翘曲度外还测试平整度和厚度变化，参考片的翘曲度值可以被列入由
GB/T 29507 指定的参考片的系列数据中。
8.2.2 执行
一个校准设备的测量因子和其他常数的程序设置。如果使用翻转典型片的方法校正重力，
校准过程也确定了设备的机械信号和晶片上的重力效果，建议使用设备商推荐的校准方法对设备进行
校准。
将测试晶片正表面朝上放入测试设备进行测试，确定和记录每个测量点两探头间的距离及每个探
头到最近的晶片表面的距离a 和 b 。
根据事先确定的翻转晶片或者典型片的方法，对中位面进行重力
校正，使用最小二乘法对扫描的所有测量点数据拟合构建一个中立补偿的中位面作为基准面，由此计算
晶片的翘曲度和弯曲度。
9.1
测试结果的计算通常由设备系统内部自动完成，为显示完整的计算程序，以下提供离线计算过程。
9.2
沿扫描路径间距测量两个探头间和每个探头到最近的晶片表面的一对距离数据。
9.3 设 定 Z 轴原点在两个探头 A 和 B 的中点。
9.4 找出晶片每 一 测量点上 Z 轴的中位面距离Zm,Zm
按公式(2)或公式(3)计算：
style="width:2.15326in;height:0.58674in" /> ………………………… (2)
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style="width:2.38014in;height:0.60654in" /> (3)
公式(2)与公式(3)相加，得到公式(4)、公式(5):
style="width:4.02002in;height:0.61336in" /> (4)
style="width:1.38674in;height:0.58652in" /> (5)
式中：
Zm— 测量点上Z 轴的中位面距离，单位为微米(μm);
D — 探 头 A 和 B 间的距离，单位为微米(μm);
a 探头 A 与最近的晶片表面(晶片上表面)的距离，单位为微米(μm);
b — 探头 B 与最近的晶片表面(晶片下表面)的距离，单位为微米(μm);
t — 晶片厚度，单位为微米(μm)。
9.5 晶片正表面朝上时的测量值称为中位点 Zmor。
9.6 翻转晶片，即晶片背表面朝上时的测量值称为中位点Zm。
9.7 对使用典型片或晶片翻转方法，对中位面进行重力校正，可得 Zmviy,
按公式(6)计算：
style="width:2.27347in;height:0.63338in" /> ………………………… (6)
式中：
Zmviy— 重力校正后的中位面距离，单位为微米(μm)。
注：Zmviy是典型片的形状效果记忆抵消了重力的影响，因此它是重力校正后的测量值。
a) 利用翻转典型片的方法抵消重力影响后被测晶片的测量值Zom
按公式(7)计算。
style="width:3.89998in;height:0.61996in" /> (7)
式中：
Zom—
利用翻转典型片的方法抵消重力影响后被测晶片的测量值，单位为微米(μm)。
注：翻转典型片方法不仅与 一
阶重力影响有关，也与其他影响因素有关，如晶片边缘轮廓、形貌及机械参数特性等，
这些可能影响测量值。
b) 翻转晶片的方法，从每个测量点的Zmor值减去重力校正后的中位面距离
Zmviy, 相当于将翻转 前后每点的测量值取差值。
c) 理论模型的方法，应用理论模型得到重力校正，近似的校正可参考附录 A
计算。
9.9
使用最小二乘法对扫描的所有测量点数据拟合构建一个重力补偿的中位面作为基准面，基准面
Z 的计算见公式(8):
Zef=agx+bky+cR (8)
式中，ag 、bg.Cg为常数，选择ag、bg,CR 常数值，使公式(9)的数值最小：
style="width:4.61333in;height:0.61996in" /> ( 9)
9.10 扫描路径中所有点的 Z 基准面偏差 RPD 按公式(10)计算：
RPD=Zom—Ze
9.11 晶片翘曲度 warp 按公式(11)计算：
warp=RPDmx—RPDmin
式中：
(10)
(11)
RPDmax——Zo 基准面偏差 RPD 的最大值(最正);
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RPDmin——Zm 基准面偏差 RPD 的最小值(最负)。
9.13 以三点位置作为基准面计算弯曲度时，这三点位于GB/T16596
坐标系中的90°、210°和330°,而 在GB/T 16596
确定的坐标系中，晶片的主基准面是在270°(见图2)。这些点是在同一半径，以三点做
基准面时，点的半径值r 按公式(12)计算：
rsp=rnom d 。 … … … ………… (12)
式中：
r— 以三点做基准面时，点的半径，单位为毫米(mm);
rmom——晶片的标称半径，单位为毫米(mm);
d。 — 晶片半径距离边缘的距离，单位为毫米(mm)。
注：d。通常选用6 mm。
style="width:4.94656in;height:4.54674in" />
图2 构成基准面三点的角度
9.14
通过在扫描模式中最接近三点的重力补偿中位面数据，建立一个三点基准面，三点作基准面的坐
标按公式(13)计算：
×3=agx+bky+cR₃ ………………………… (13)
式中：
Z ref3 — 三点作基准面的坐标；
ags、bg₃ 、Cm — 常数值。
9.15 晶片的弯曲度，按公式(14)计算：
bow=xom(0,0)-xes(0,0) … ………………… (14)
式中：
Zom(0,0)—— 晶片中心点的中位面坐标；
(0,0)—— 修正后晶片中心点基准面的指标。
9.17
对仲裁或其他测量，晶片被测量次数大于一次时，计算被测晶片在所有测量范围的最大值、最小
值、标准偏差、平均值。
9.18 记录晶片测量标准偏差和其他测试双方约定的测量数据。
单个实验室使用四台不同型号的非接触全自动扫描设备(包含了不同探头尺寸、选择不同参考面以
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及不同的取样间距和不同的设备精度),对直径200 mm、 翘曲度范围12μm～72μm
的10片硅片进行
了每片3次的重复性测试，同一硅片在同一基准面测试的标准偏差\<1.5 μm。
使用八台不同型号的非
接触全自动扫描设备(包含了不同探头尺寸、选择不同参考面以及不同的取样间距和不同的设备精度),
对直径150 mm、 翘曲度范围3μm～14μm、 弯曲度范围-7μm～7μm
的10片硅片进行了每片10次
的重复性测试，同一硅片在同一基准面测试的标准偏差\<1.4 μm,
同一硅片在同一基准面测试的翘曲
度最大差值\<6μm, 测试的弯曲度最大差值\<6 μm。
对14片直径150 mm、 翘曲度范围5μm～47μm
的硅单晶抛光片，在4家实验室进行巡回测试，测
试时使用不同的典型片和参考片进行校准和修正。同一硅单晶抛光片翘曲度测试的标准偏差\<1.8μm,
最大差值\<4μm。
对14片直径150mm、 弯曲度范围1μm～14μm
的硅单晶抛光片，在3家实验室进行巡回测试，测
试时使用不同的典型片和参考片进行校准和修正。同一硅单晶抛光片弯曲度测试的标准偏差\<0.3
μm,
最大差值\<0.5μm。
SEMI MF1390-1014 中翘曲度测试的精密度见附录 B。
试验报告应包含以下内容：
a) 测试日期、时间；
b) 测试环境；
c) 操作者；
d) 测试实验室；
e) 测试设备，包括晶片夹持装置的类型、数据点间距、重力修正方法；
f) 测试晶片信息，包括晶片编号、直径、标称厚度、标称边缘去除(EE);
g) 翘曲度和弯曲度测试结果；
h)
如作为仲裁测试，试验报告应包含测试晶片的翘曲度和弯曲度的标准偏差、测试统计信息以及
测试双方约定的内容；
i) 本文件编号。
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(资料性)
典型片和被测晶片间由于直径和厚度的差异带来的测量误差
A. 1 支撑硅片的中心，边缘由于重力下垂或倾斜引起的偏差按公式(A. 1)
计算：
style="width:3.42011in;height:0.63338in" /> ……………… ……… (A.1)
式中：
s — 偏差，单位为微米(μm);
k — 几何常数(0.5854);
g— 重力加速度(980 cm/s²);
d— 硅片密度(2.329 g/cm³);
D— 硅片标称直径，单位为毫米(mm);
E- 杨氏模量，1.6×10¹²达因/cm²;
t — 硅片标称厚度，单位为微米(μm);
K— 比例常数，7.83×10-³μm³/mm'。
A.2 表 A. 1 给出了SEMIM1-0215 中100 mm～300 mm
的标称直径和厚度的硅片由于地球引力引入
的下垂估计值。
表 A.1 100 mm～300 mm 标称直径和厚度的硅片的下垂估计值
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表 A.2
给出了重力影响下直径和厚度的标称值的微小相对变化。重力引起的直径的变化按公式
(A.2) 计算：
style="width:1.56012in;height:0.61996in" />
重力引起的厚度的相对变化按公式(A.3) 计算：
style="width:1.71997in;height:0.63338in" />
… …………… …… (A.2)
… … … … … … … … …(A.3)
由公式(A.4) 得到重力效应的相对变化是直径相对变化的4倍，由公式(A.5)
得到重力效应的相对
变化是厚度相对变化的2倍。
style="width:1.26653in;height:0.60654in" />
style="width:1.40011in;height:0.60016in" />
… … … … … … … … … …( A.4)
…… ………………… (A.5)
表 A.2～ 表 A.6 给出了极端情况下，100 mm～300
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mm 标称直径硅片的直径和厚度的允许偏差范
围内重力效应的误差。
表 A.2 300 mm
标称直径不同厚度硅片的重力引入误差示例
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|---|---|---|---|
| 299.8 mm | 300.0 mm | 300.2 mm | |
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表 A.3 200 mm
标称直径不同厚度硅片的重力引入误差示例
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|---|---|---|---|
| 199.8 mm | 200.0 mm | 200.2 mm | |
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表 A.4 150 mm标称直径不同厚度硅片的重力引入误差示例
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|---|---|---|---|
| 149.8 mm | 150.0 mm | 150.2 mm | |
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表 A.5 125 mm
标称直径不同厚度硅片的重力引入误差示例
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|---|---|---|---|
| 124.5 mm | 125.0 mm | 125.5 mm | |
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表 A.6 100 mm标称直径不同厚度硅片的重力引入误差示例
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|---|---|---|---|
| 99.5 mm | 100.0 mm | 100.5 mm | |
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(资料性)
SEMI MF1390-1014 中翘曲度测试的精密度
B.1 测试中23个直径200 mm
的圆形硅抛光片，是采用三种不同的工艺过程进行加工的，且所有硅片
正表面都是裸片，其中两种工艺过程加工的硅片背表面也是裸片，另一种工艺过程加工的硅片背表面有
氧化层。
B.2
在8个实验室完成上述23片硅片翘曲度的测量，硅片的翘曲度测量值范围见表
B.1。 这 2 3 片 硅
片，每片都在同一天在自动测量系统上连续测量了3次(盒对盒3次)。
B.3 所有测量数据都是在边缘去除3 mm 的要求下获得的。
B.4 SEMI MF1390- 1014 中确定精密度的实验室和样品的最小数目按 ASTM
E691 的规定进行。
B.5
统计是在95%包含区间范围对同一样品进行两次测量做出的，实验室内部的重复性和实验室之
间的再现性见表 B.1。
B.6 图 B. 1 给出了相对翘曲度平均值的实验室内部重复性(r)
和实验室间再现性(R)。
表 B.1 翘 曲 度 测 量 值 范 围
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style="width:9.97336in;height:4.55994in" />
平均 warp/μm
图 B.1 翘曲度平均值的重复性、再现性
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