簡介

薄膜是現代半導體元件不可或缺的一環，但每一道沉積、成長、鍵合或製程處理的薄膜，都可能在晶圓中引入機械應力。當這些應力過大或不一致時，其影響可能遠遠超出薄膜沉積本身，進而造成晶圓翹曲、裂痕、剝離、疊對誤差、晶圓搬運問題、良率損失，以及後續製程的不穩定。

MTI Instruments Proforma™ 300iSA 半自動量測系統，可提供評估上述風險所需的整片晶圓厚度與形狀等數據。透過量測製程步驟前後的晶圓幾何形狀，工程師可以量化曲率變化，並利用既有的薄膜應力關係式，計算及追蹤以兆帕（MPa）為單位的應力。

這套實用的非接觸式方法可用於製程特性分析，協助半導體製造商、材料研究人員及封裝團隊及早識別與應力相關的問題，避免這些問題進一步演變成高成本的生產問題。

為什麼薄膜應力很重要

薄膜應力是存在於沉積或經過製程處理的薄膜層內部之機械作用力，通常以兆帕（MPa）表示，可分為：

  • 拉伸應力（Tensile）：薄膜傾向於向內拉扯晶圓表面。
  • 壓縮應力（Compressive）：薄膜傾向於向外推擠晶圓表面。
  • 平衡或低應力（Balanced or Low Stress）：薄膜對晶圓造成的變形極小。

拉伸應力或壓縮應力本身並不代表一定不可接受。在許多元件結構中，受控的應力程度是刻意設計且不可或缺的。真正需要關注的是無法控制的應力變化，例如應力過高、晶圓與晶圓之間產生差異、晶圓不同位置的應力不一致，或在製程調整後出現非預期的變化。

即使是很小的曲率變化，也可能具有重要影響。隨著晶圓厚度持續降低、元件架構日益複雜，以及製程窗口變得更加嚴格，薄膜特性與晶圓幾何形狀之間的關係也變得越來越重要。

為什麼應力量測很重要

應力量測不只是材料特性分析的一環，更是一項重要的製程控制工具。透過追蹤兆帕（MPa）等級的應力數據趨勢，工程團隊可以監控薄膜沉積的穩定性、比較不同製程配方、驗證新材料、評估供應商的一致性，並在良率受到影響之前，依據數據採取適當的修正措施。

量測的挑戰

薄膜應力並不是直接將探針接觸薄膜表面來量測。相反地，通常是透過薄膜造成基板曲率變化的方式來推算薄膜應力。

晶圓在製程開始前具有可量測的形狀。經過薄膜沉積、蝕刻、熱處理、化學機械平坦化（CMP）、鍵合或其他製程步驟後，其形狀可能發生變化。基準晶圓與製程後晶圓之間的曲率差異，即可作為應力計算的重要輸入參數。

為了取得具意義的量測結果，量測系統必須具備：

  • 晶圓表面的高重複性量測能力
  • 足夠的空間涵蓋範圍，以進行整片晶圓的特性分析
  • 非接觸式量測，以避免對脆弱表面造成風險
  • 一致且可重複的掃描模式
  • 實用的數據匯出功能，便於工程分析與製程紀錄

Proforma™ 300iSA 採用全晶圓、非接觸式電容式量測技術，可滿足上述需求。系統可對半導體及半絕緣晶圓執行半自動掃描，並產生詳細的晶圓幾何形狀數據，包括厚度、厚度變異、翹曲（Bow）、彎曲（Warp）、Sori、局部平坦度（Site Flatness）及全域平坦度（Global Flatness）。

其全晶圓掃描能力特別適用於應力特性分析流程，因為僅進行局部量測，可能無法完整呈現薄膜沉積或製程異常所造成的整體變形模式。

Proforma iSA 如何支援應力分析

Proforma™ 300iSA 採用 MTI 的 Push-Pull 電容式量測技術，可在不接觸晶圓的情況下進行全晶圓量測。透過使用者自訂以及符合 ASTM／SEMI 規範的掃描模式，系統可產生整片晶圓的三維影像與表格報告，並可匯出數據以進行進一步分析。

在應力特性分析中，系統會先於製程開始前建立精確的基準數據，再於相關製程步驟完成後重新量測晶圓。透過比較兩組數據，工程師即可判定晶圓曲率的變化量。

由於 Proforma™ 300iSA 能夠擷取整片晶圓的數據，工程團隊不僅可以檢視整體曲率的變化，也能分析晶圓變形的形狀與分布。這有助於區分均勻性的製程偏移與局部性問題，例如邊緣效應、沉積不均、晶圓搬運造成的損傷，或治具相關的變形。

 

薄膜應力特性分析流程

假設一名製程工程師正在評估一套新的 PVD 沉積製程配方。其目標是確認調整後的功率設定，是否會使薄膜應力產生足以造成後續微影製程或晶圓搬運風險的變化。

工程師首先選取具代表性的一組晶圓，並建立可重複執行的 Proforma™ 300iSA 掃描配方。每片晶圓在沉積前先進行量測，以建立各自的基準狀態。完成沉積後，再對相同晶圓進行第二次掃描。

接著比較製程前後的數據，以計算每片晶圓的曲率變化。工程師再套用選定的基板常數、實際量測的薄膜厚度，以及應力模型，計算出最終的 MPa 應力值。所得數據可能揭示多項重要狀況：

  • 新配方所產生的平均應力低於原先配方
  • 晶圓與晶圓之間的應力變異正在增加
  • 晶圓邊緣的特性與晶圓中心區域不同
  • 某一腔體產生具有重複性的曲率特徵，而其他腔體則未出現
  • 薄膜厚度的變化，而非沉積化學條件，才是造成應力變化的原因

這種方法可將「晶圓翹曲變得更加嚴重」這類概略性的觀察，轉化為可重複、可量化的工程指標，進而追蹤其趨勢，並與製程條件進行關聯分析。

主要應用

從薄膜沉積與 CMP，到先進封裝、來料驗證及材料研究，全晶圓應力特性分析可為半導體工程團隊提供一致的方法，用於識別及控制由製程所造成的晶圓幾何形狀變化。

透過在關鍵製程步驟前後量測曲率、翹曲（Bow）、彎曲（Warp）、厚度及平坦度，工程師可以更早發現製程變異，更有信心地比較不同製程條件，並降低對良率、可靠度及生產穩定性的影響。

為什麼選用 Proforma™ 300iSA

Proforma™ 300iSA 提供具備高重複性的非接觸式量測基礎，可用於可靠的應力趨勢追蹤。系統結合整片晶圓幾何形狀量測、一致的掃描方法以及可匯出的數據，協助工程師從單片晶圓的量測結果，進一步建立具有實際應用價值的製程分析依據。

如下所示，各項功能共同支援更完善的應力特性分析流程——從保護高價值晶圓表面、套用可重複的量測配方，到檢視整片晶圓的形狀分布、比較具可比性的材料條件，以及建立完整的量測結果紀錄，以支援長期趨勢分析與製程控制限值的建立。

結論

薄膜應力可能影響半導體製造的幾乎每一個階段，從薄膜沉積、微影製程，一直到封裝與可靠度。以兆帕（MPa）為單位量測並追蹤薄膜應力，可讓製程團隊更早、更具體地掌握晶圓的行為與變化。

Proforma™ 300iSA 提供進行基於曲率的應力分析所需的數據。透過比較晶圓的基準幾何形狀與製程後的幾何形狀，工程師可利用既有的應力模型計算薄膜應力、識別製程變異，並針對製程配方、材料、設備及品質控制做出更有數據依據的決策。

透過全晶圓掃描、可重複的量測流程以及可匯出的數據，Proforma™ 300iSA 可協助將晶圓曲率從後續製程才發現的問題，轉化為可加以控制的製程變數。