基於閃頻疊紋法之晶圓翹曲量測技術

前言

在LED 量產的主流技術—有機金屬化學氣 相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）中，因其原料選擇多、成本低且維修便 利，廣受業界採用。在製程中，晶圓置於高速旋 轉平台上，若基底翹曲將導致表面高度不均，影 響磊晶品質，降低良率與發光效率。翹曲主因有 兩個，其一是磊晶時因腔體溫度變化，造成薄膜 與基板熱膨脹係數不同而產生熱應力；另一是薄 膜由氣態轉為固態沉積時體積劇變，加上材料性 質差異與結構缺陷，導致本質應力[1][2]。為抑制 翹曲，製程中須嚴控溫度並即時量測旋轉中晶圓 形貌，以提升品質與良率。

相關表面形貌量測技術

常見的表面形貌量測技術分為接觸式與非接 觸式兩類，其中非接觸式在解析度與準確性上均 優於接觸式，且不會造成表面磨損。因此，商用 表面輪廓量測多以光學非接觸式量測技術為主。 現今常用的光學量測技術包括光學干涉儀、三角量測法、投影法以及疊紋法，以下將分別介紹。

光學干涉儀是一種利用光在空間中相疊產生 干涉條紋原理所發展的量測技術，藉由分析干涉 條紋的相位變化，即可推算出所需的物理量。此 技術已廣泛應用於多種量測領域，如幾何誤差校 正與折射率量測等；亦有許多學者提出各式干涉 儀架構，以量測待測物的表面形貌。在Michelson 干涉儀量測法中，Kocsányi 等人[3] 於1985 年提 出一基於Michelson 干涉儀架構之量測矽晶圓於薄 膜沉積後因本質應力所引起的變形的研究。雷射 光源經兩組擴束鏡後入射至待測晶圓，反射光由 下方CCD 接收形成量測訊號，並與自上方反射鏡 回來的參考訊號疊加產生干涉。當基板因應力變 形時，干涉條紋位置將隨之偏移，依據條紋位移 數即可計算出晶圓的翹曲量。在複合式干涉儀中， Lai 等人[4] 於2007 年提出一種結合 Michelson 與 Mach-Zehnder 架構的創新干涉儀技術，如圖1 所示。系統以532 nm 雷射二極體為光源，透過 Michelson 干涉儀將物光與參考光疊加，由相位變 化計算高度變化。為抑制環境擾動，另設Mach- Zehnder 干涉儀測得環境誤差，與Michelson 干涉儀所得相位相減以獲得精確表面高度。在弦波相 位調制干涉儀中，O. Sasaki 等人[5] 於1986 年應 用該技術量測鑽石刀具切削後鋼盤及塊規的表面 形貌。此方法利用壓電致動器驅動平面鏡產生弦 波振動，進而對光源進行相位調製，並由 CCD 相 機擷取干涉條紋，解析出待測物的表面輪廓。雖 然干涉儀具備高解析度與高靈敏度等優點，但其 量測距離受限於雷射的同調長度，且不易實現大 範圍量測。

三角量測法結構簡單、量測速度快且可適用 於多種材質與表面條件，因此在工業檢測與自動 化量測領域被廣泛應用。在雷射三角量測法中， França 等人[6] 於 2005 年以該技術為基礎，開 發出一套三維掃描量測系統。傳統雷射三角量測 法多透過移動雷射或待測物來生成掃描效果，而 França 等人則改以移動相機的方式，擴大量測系 統的覆蓋範圍，實現三維掃描量測功能。在單光 束三角量測法中，Sinha [7] 於 1978 年提出將此方 法應用於量測鍍覆於矽晶圓上的介質膜應力。其 作法為將矽基板置於位移平台上，並以雷射光源經角稜鏡反射後投射至待測晶圓；反射光則再經 角稜鏡與反射鏡引導至螢幕。透過量測光點的偏 移量，可計算出曲率半徑，進而推算晶圓的翹曲 高度。在雙光束及三光束三角量測法中，Kobeda 等人[8] 於 1986 年指出，單光束方法因重現性不 足而導致可靠度偏低，遂提出一種雙光束量測技 術，以提升量測精度與穩定性，其系統架構如圖2 所示。氦氖雷射光源經分光鏡（BS1）分成兩束光， 調整左右反射鏡後，使兩束反射光平行入射至分 光鏡（BS2），並由BS2 反射至螢幕形成參考光點； 同時，BS2 透射的兩束平行光入射至矽晶圓表面， 反射光再經 BS2 反射至第三面鏡（M3），最後投射 至螢幕形成量測光點。Hearne 等人[9] 在1998 年 使用三光束法量測鍍GaN 薄膜之藍寶石基板之曲 率半徑，透過多光束的方法提升量測之重現性及 精準度。雖然三角量測法具備架構簡單且架設容 易等優點，但其解析度受限於位置感測器（PSD） 或 CCD 的像素，通常僅能維持在次微米等級，與 干涉儀等技術相比仍有差距。