引言：絕緣體上硅（SOI）晶圓被廣泛用于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）和CMOS集成電路的制造。在硅襯底和頂層硅之間使用絕緣層，通過減少電損耗來提升器件性能，優(yōu)于傳統(tǒng)的硅襯底器件。SOI晶圓具有更強(qiáng)的抗輻射能力，使其不易發(fā)生軟錯(cuò)誤。更高的密度也增加了良率，從而提高了晶圓利用率。SOI晶圓的其他優(yōu)勢(shì)還包括對(duì)溫度的依賴性降低以及更少的天線效應(yīng)問題。在MEMS應(yīng)用中，埋氧層允許實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特特性的懸空薄膜。在本應(yīng)用說明中，使用了一臺(tái)ThetaMetrisis FR-Scanner對(duì)SOI晶圓的三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行厚度映射。

手段與方法：被測(cè)樣品是一片4英寸的SOI晶圓，頂層為熱氧化SiO?層：SiO?/Si/SiO?/Si。所有測(cè)量均由一臺(tái)FR-Scanner工具完成，其工作光譜范圍為370-1020nm，能夠測(cè)量厚度范圍從12nm到90μm的薄膜。該工具通過旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)并在其上方線性移動(dòng)光學(xué)頭（極坐標(biāo)掃描），以極高的速度掃描待測(cè)樣品，且無需彎曲反射探頭。通過FR-Monitor生成的圖案（針對(duì)4英寸晶圓）包含169個(gè)點(diǎn)，位于（R, theta）位置，整個(gè)掃描過程耗時(shí)不到30秒。

結(jié)果：下圖展示了在 FR-Monitor 軟件中觀察到的、在隨機(jī)點(diǎn)位測(cè)得的所有各層典型的記錄反射光譜（黑線）與擬合反射光譜（紅線），以及各層的映射輪廓。所有三層的厚度是同時(shí)測(cè)量的。顏色編碼直觀地顯示了每層厚度的均勻性，并提供了大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，例如：標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均厚度值、符合用戶設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的合格點(diǎn)位數(shù)量等。

在計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)及表示點(diǎn)位分布時(shí)，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算參數(shù)排除部分點(diǎn)位。這些被排除的點(diǎn)被視為“極端”點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)以非預(yù)期的方式影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因此用戶可以選擇將其排除。例如，在上述展示的器件層（硅層）映射輪廓中，168個(gè)點(diǎn)位中有120個(gè)點(diǎn)位于該范圍內(nèi)，這意味著晶圓的合格區(qū)域占其總面積的71.4%，在二維圖表中以特定顏色標(biāo)示。

結(jié)論：利用 FR-Scanner 對(duì) SOI 晶圓所有各層（SiO? 和 Si 層）的厚度進(jìn)行了同步映射評(píng)估。FR-Scanner 是一種快速且精準(zhǔn)的解決方案，可用于通過掃描方式對(duì)大面積區(qū)域或預(yù)選位置上的單層薄膜或疊層薄膜進(jìn)行表征。

問題解答

Q1: 這篇應(yīng)用說明的主要目的是什么？
A: 該文檔旨在展示如何使用 ThetaMetrisis FR-Scanner 工具，對(duì)硅-絕緣體-硅（SOI）晶圓進(jìn)行快速、高精度的全場(chǎng)厚度測(cè)繪。該工具能夠同時(shí)測(cè)量并映射SOI晶圓中所有三層（頂層SiO?、頂層硅、埋氧層BOX）的厚度分布。

Q2: 什么是SOI晶圓？為什么其各層厚度如此重要？
A: SOI（Silicon-On-Insulator）晶圓是一種特殊的半導(dǎo)體襯底，結(jié)構(gòu)為 Si / SiO? (BOX) / Si。中間的二氧化硅（BOX）層作為絕緣體，能顯著提升器件性能（如降低功耗、減少寄生電容、提高抗輻射能力等）。各層（尤其是頂層硅和BOX層）的厚度均勻性直接決定了最終芯片或MEMS器件的良率和性能一致性，因此需要精確控制和表征。