【新启航】高温环境下碳化硅 TTV 厚度在线测量系统的设计与实现

一、引言

在碳化硅（SiC）材料的高温制备与加工过程中，总厚度偏差（TTV）是评估衬底质量的关键指标。然而，高温环境会使碳化硅材料产生热膨胀、物理化学性质改变等现象，导致 TTV 测量难度大幅增加。传统测量方法难以满足高温在线测量需求，设计并实现适用于高温环境的碳化硅 TTV 厚度在线测量系统，对保障碳化硅产品质量、优化生产工艺具有重要意义。

二、系统设计需求分析

高温环境下，测量系统需克服高温对设备硬件的影响，如传感器性能衰退、电路元件失效等问题。同时，为实现实时监测，系统需具备快速采集、处理和传输数据的能力，在高温环境下保证测量数据的准确性和稳定性 。此外，考虑到工业生产场景，系统还需具备良好的抗干扰性、可维护性，能够适应复杂的工业环境。

三、关键技术选型

3.1 耐高温传感器选型

光学传感器在高温环境下具有独特优势，如光纤布拉格光栅（FBG）传感器 。其基于光的波长调制原理，对温度变化敏感，可通过测量波长漂移反映碳化硅表面形貌变化，进而计算 TTV 厚度。FBG 传感器具有抗电磁干扰、耐高温（可达 500℃以上）、体积小等特点，适用于高温环境下的非接触测量 。此外，红外测温与成像技术结合的传感器，可利用红外辐射原理获取碳化硅表面温度分布与厚度信息，在高温测量中也展现出良好的应用潜力 。

3.2 数据处理与传输技术

为保证数据在高温环境下的可靠传输，采用耐高温的光纤通信技术 。光纤具有传输带宽大、损耗低、抗干扰能力强的特点，能够避免高温环境中电磁干扰对数据传输的影响。在数据处理方面，选用耐高温的高性能处理器，搭配实时操作系统，结合滤波、降噪算法对采集到的原始数据进行处理，消除高温引起的信号噪声，提高 TTV 厚度测量的准确性 。

四、系统结构设计

4.1 硬件系统设计

硬件系统主要包括测量探头、信号调理模块、数据采集模块和控制模块 。测量探头采用耐高温材料封装，集成耐高温传感器，确保在高温环境下稳定工作。信号调理模块对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波等处理；数据采集模块将模拟信号转换为数字信号；控制模块负责协调各模块工作，并与上位机进行通信 。同时，为应对高温，对硬件系统进行散热设计，采用耐高温散热材料和高效散热结构，如散热片与强制风冷相结合的方式，保证系统在高温环境下正常运行。

4.2 软件系统设计

软件系统实现数据采集控制、处理分析以及与上位机的交互功能 。在数据采集控制方面，编写程序实现对传感器的驱动与参数配置；数据处理分析模块利用算法对采集数据进行处理，计算碳化硅 TTV 厚度；上位机交互界面提供实时数据显示、历史数据查询、报警设置等功能，方便操作人员监控测量过程 。此外，软件系统还具备自诊断功能，能够实时监测系统运行状态，发现故障及时报警。

五、系统性能测试与优化

在实验室模拟高温环境，对系统进行性能测试 。测试内容包括测量精度、重复性、响应时间等指标 。通过改变温度环境，对比不同温度下系统测量结果与标准值的差异，分析高温对测量精度的影响 。根据测试结果，对系统硬件参数和软件算法进行优化调整，如优化传感器安装位置、改进滤波算法等，进一步提高系统在高温环境下的测量性能。

高通量晶圆测厚系统运用第三代扫频OCT技术，精准攻克晶圆/晶片厚度TTV重复精度不稳定难题，重复精度达3nm以下。针对行业厚度测量结果不一致的痛点，经不同时段测量验证，保障再现精度可靠。​

我们的数据和WAFERSIGHT2的数据测量对比,进一步验证了真值的再现性：

（以上为新启航实测样品数据结果）

该系统基于第三代可调谐扫频激光技术，相较传统双探头对射扫描，可一次完成所有平面度及厚度参数测量。其创新扫描原理极大提升材料兼容性，从轻掺到重掺P型硅，到碳化硅、蓝宝石、玻璃等多种晶圆材料均适用：​

对重掺型硅，可精准探测强吸收晶圆前后表面；​

点扫描第三代扫频激光技术，有效抵御光谱串扰，胜任粗糙晶圆表面测量；​

通过偏振效应补偿，增强低反射碳化硅、铌酸锂晶圆测量信噪比；

（以上为新启航实测样品数据结果）

支持绝缘体上硅和MEMS多层结构测量，覆盖μm级到数百μm级厚度范围，还可测量薄至4μm、精度达1nm的薄膜。

（以上为新启航实测样品数据结果）

此外，可调谐扫频激光具备出色的“温漂”处理能力，在极端环境中抗干扰性强，显著提升重复测量稳定性。

（以上为新启航实测样品数据结果）

系统采用第三代高速扫频可调谐激光器，摆脱传统SLD光源对“主动式减震平台”的依赖，凭借卓越抗干扰性实现小型化设计，还能与EFEM系统集成，满足产线自动化测量需求。运动控制灵活，适配2-12英寸方片和圆片测量。