半導體晶圓越做越薄，厚度控制愈發關鍵。對 IC、LED、太陽能電池和 MEMS 等器件而言，晶圓厚度直接影響后續堆疊加工及器件一致性與質量穩定性。然而，傳統測厚方法難以同時兼顧精度與表面保護，尤其在切割、蝕刻與拋光環節中反復裝卸更會增加損傷風險。光子灣激光共聚焦顯微鏡的非接觸檢測方案，正是為解決這一問題而提出的。

晶圓厚度非接觸測量重要性

現有方法各有局限：譜域干涉法不確定度較高，波長調諧干涉法受耦合誤差影響，邁克爾遜干涉法重復性僅約 2 μm，接觸式電感法極易損傷表面，雙面干涉儀則需頻繁拆裝。因此，真正適合晶圓場景的方案須同時滿足高精度、無損傷、可重復三點，激光共焦測量恰好滿足這些要求。

激光共焦實現晶圓厚度測量

共焦峰值定位

方法的核心不是直接量出厚度，而是分別定位晶圓上下表面的共焦響應峰值。共焦系統隨軸向離焦產生強度變化，形成鐘形響應曲線；當測量光束聚焦在表面時信號達到峰值，據此實現層析定焦。

把“光學厚度”換成“物理厚度”

光線穿過晶圓內部受折射率影響，下表面的光學位置并非物理坐標。通過光線追跡模型，將上下表面光學厚度轉換為真實物理厚度，并計入折射率和半孔徑角等參數的影響，嚴謹地換算出晶圓真實厚度。

測量系統與工作路徑

系統由激光器、擴束系統、PBS、1/4 波片、物鏡、針孔、探測電路和音圈納米位移臺組成。激光經擴束后通過物鏡聚焦于晶圓表面，返回光經 PBS 分離并通過針孔濾除雜散光，由探測電路采集。音圈納米位移臺驅動物鏡進行軸向精密掃描，配合 514 倍細分光柵尺實現 1 nm 位移識別，完成上下表面定焦。

關鍵參數優化與材料適配

數值孔徑（NA）、會聚鏡焦距和針孔半徑是影響性能的關鍵參數，經仿真優化實現了分辨力與工作距離的平衡。針對硅（Si）等材料選用 1064 nm 波長和 NA=0.75 物鏡，工作距 12 mm；針對碳化硅（SiC）等選用 633 nm 波長和 NA=0.55 物鏡，工作距8.7 mm，確保對多種半導體材料的良好適應性。

實驗結果驗證

分辨力優于 5 nm

通過峰值檢測算法與高信噪比設計（SNR=300），系統軸向光學分辨力優于 5 nm，為納米級厚度控制提供了堅實基礎。

量程達 5.7 mm

音圈納米位移臺配合精密光柵反饋，軸向掃描范圍達 5.7 mm，滿足不同厚度晶圓測量需求，較大工作距離也降低了碰撞風險。

重復性優于 100 nm

對 Si、GaAs、GaN、Al?O?、SiC 和 HR-SiC 六種晶圓的測試表明，厚度重復性均優于100 nm，其中 Si 晶圓為 71 nm，SiC 為 90 nm，系統穩定性經嚴格環境補償和誤差修正得到保障。

單次測量小于 400 ms

優化后的掃描與計算流程使單次測量時間小于 400 ms，充分滿足產線在線檢測的效率

要求。

與傳統方案相比的優勢和場景

非接觸特性消除了機械損傷風險，有效保護晶圓表面完整性，特別適合已減薄的敏感工件；相比干涉法，激光共焦受環境干擾更小、重復性更高，且能直接在托盤吸附狀態下完成測量，減少裝卸引入的誤差。

應用場景

激光共焦晶圓厚度測量技術已成功應用于 Si、GaAs、GaN、SiC 等多種材料晶圓的厚度檢測，為不同世代半導體工藝提供統一解決方案。研發階段支持精確工藝驗證和材料特性分析，產線上則可實現質量控制和在線測量，幫助工程師實時優化拋光、減薄等關鍵步驟。

激光共焦方法將峰值定位、軸向掃描和光線追跡串成完整鏈路，實現了優于 5 nm 分辨力、5.7 mm 量程、100 nm 級重復性和小于 400 ms 的快速測量，其價值已不止于科研意義，更貼近實際工藝與在線檢測需求。

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應對多樣化測量場景，符合ISO25178標準測量，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準測量任務，提供值得信賴的高質量數據。

l 超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察

l 提供粗糙度、幾何輪廓、結構、頻率、功能等五大分析技術

l 采用針孔共聚焦光學系統，高穩定性結構設計

l 提供調整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數據處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為精密測量提供表征技術支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準把控，成為推動多領域技術升級的重要光學測量工具。