精準掌握 EPI 膜厚：非破壞量測的關鍵解方

作者利泓科技
日期2026-01-02
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在先進半導體與功率元件製程中，外延層（ Epitaxial Layer, Epi ）膜厚控制早已不只是製程參數之一，而是直接影響元件電性、可靠度與良率的關鍵因子。

本文將從 Epi 膜厚的重要性、主流量測技術比較、IR 量測的實務挑戰，一路深入到 FTIR 搭配自動化 Wafer Mapping 的實際量測與分析流程，協助工程師建立一套穩定、可擴展的外延膜厚分析思維。

為什麼外延層（Epi）膜厚如此重要？

外延層是指在單晶基板上，透過氣相成長製程所沉積的高品質單晶薄膜，其厚度與摻雜濃度可被精準控制。相較於傳統整體摻雜的基板結構，外延層提供了一個高度可設計的主動區域，使工程師能依據應用需求進行客製化調整。

透過精準控制 Epi 膜厚，可帶來以下效益：

  • 有效掌握電晶體臨界尺寸與內部電場分佈

  • 抑制 CMOS 電路中的閂鎖效應（Latch-up）與寄生效應

  • 提升高功率、高頻、射頻元件的穩定性與可靠度

也因此，Epi 製程雖然成本較高，卻廣泛應用於 SiC 功率元件、RF 元件、先進邏輯與高可靠度半導體製程中。

常見的 Epi 膜厚量測技術有哪些？

外延層(EPI)膜厚的量測方法多元，常見技術包含FTIR紅外光譜、掃描式電子顯微鏡(SEM)橫截面觀察、X光反射(XRR)、椭偏儀(Ellipsometry)以及在特定情況下輔助使用的SEM。FTIR是目前最常見的非破壞量測方式之一，特別適用於Si與SiC基板，可透過干涉訊號分析快速取得微米等級膜厚，具備高效率與自動化掃描的優勢；SEM則提供直接觀察截面結構的能力，適合用於研發驗證。

透過紅外光譜分析，FTIR不僅可用於量測膜厚，還能提供其他關鍵資訊。例如，自由載子濃度會影響反射光譜的特徵，藉此可間接推估摻雜濃度的分佈。除此之外，FTIR也能同步獲得表面材料的紅外光吸收特徵，有助於進一步辨識化學組成。若已知膜厚資訊，亦可反向推算材料的折射率(n)與消光係數(k)等光學常數，從而建構更完整的材料光學模型。

更多FTIR在晶圓上的應用

使用 IR 量測 Epi 膜厚的實務挑戰

在使用紅外光(IR)技術進行EPI膜厚量測時，經常會面臨來自樣品本身的多項挑戰，例如吸光特性、表面反射率、結構厚度、材質性質或顏色等因素，這些都可能導致訊號微弱、干涉條紋不明顯，進而影響干涉週期的解析與膜厚計算的穩定性。

以實務經驗來說，部分深色或具高吸收率的材料(如SiC晶圓)在量測上相較於傳統Si晶圓更容易出現訊號雜訊比(SNR)不足、穿透率下降等情況，對量測設備的感度與穩定性提出更高要求。因此，配備高靈敏度與高穩定性偵測能力的FTIR系統，是確保量測可靠性與結果重現性的關鍵因素。

打造專為晶圓應用優化得智慧量測系統

Thermo Fisher的FTIR機型在同級產品中展現領先的靈敏度表現，能有效捕捉低反射率樣品的微弱干涉訊號，並帶來多項實質效益：

  • 降低背景雜訊干擾:提升分析準確度
  • 縮短掃描次數與量測時間:強化實驗效率與產出(Output)
  • 延長偵測器壽命:偵測器電流不需要放大至高倍率
  • 拓展樣品適用範圍:即使高吸收率或粗糙表面的樣品亦能穩定量測

這些特點讓使用者即便面對多種具挑戰性的Wafer材料，也能快速且穩定取得清晰的EPI膜厚數據，無論應用於研發驗證還是製程控管，皆可大幅提升作業效率與數據可信度。

為滿足外延膜厚量測中對於高靈敏度、自訂掃描與全自動分析的實務需求，採用Thermo Scientific iS50 FTIR搭配Pike Technologies Map300自動定位平台，提供業界廣泛驗證的高穩定度量測解決方案。

系統搭配圖像化量測介面，使用者可依據實際需求自訂點位位置與數量，進行多點式Epi膜厚量測與 mapping 分析。

了解更多機台規格資訊

從量測點到膜厚數據：實際分析流程解析

如右圖所示，系統可在晶圓樣品上任意設定掃描點的角度與半徑，精準鎖定特定區域進行分析，對於非均勻膜層分布評估、邊緣厚度變異偵測等挑戰具有高度應用價值，有效提升整體製程監控效率與樣品數據可信度。

當量測點位設定完成後，系統將自動依序進行紅外光反射量測，並針對每一點即時輸出原始干涉圖(Interferogram)。
這些干涉訊號反映了樣品表面與界面之間的光學干涉行為，為後續膜厚的計算提供關鍵依據。
透過紅外光量測所獲得的原始干涉圖(Interferogram)，可直接反映系統的靈敏度與樣品干涉訊號的品質，顯示樣品在紅外光照射下的結構特徵與干涉行為。
為進一步取得具備物理意義的反射率圖譜(Reflectance Spectrum)，系統會將樣品量測結果與參考基板(Reference substrate)進行比對，並經由背景校正與傅立葉轉換等光譜處理程序，轉換為反射率百分比(%R)隨波數變化的曲線圖。

此反射率圖譜可作為多種膜厚分析演算法的輸入依據，例如 Fringes週期分析、Curve Fitting模擬擬合，以及 Cepstrum等計算方法，進一步推算外延層的厚度與光學參數，對應不同材料結構與應用需求皆能提供高準確度的量測結果。此外，透過多種演算法計算結果的交叉比對，亦可強化數據的可信度，協助使用者辨識異常點位、優化演算模型，或建立長期製程監控的統計基準。

穩定、彈性、可擴展的 Epi 膜厚量測解決方案

  • Thermo FTIR iS50高訊噪比設計，清晰呈現微弱干涉訊號：
    特別適用於高吸收材料(如:SiC)等難量樣品，維持量測穩定性。
  • 全自動 XY 掃描與極座標定位功能：
    對應各尺寸晶圓，支援自動mapping、大範圍或局部特定點量測。
  • 結合 OMNIC 軟體平台，從干涉圖到反射率圖一鍵轉換

無論是研發開發、進出料檢驗，或量產製程監控，Thermo iS50 搭配 Map300 所打造的量測平台，皆可提供高速、可重現且具擴展性的EPI膜厚分析與晶圓材料評估解決方案。

此系統特別適用於膜厚均勻性檢測、界面結構控制，以及高吸收材料的量測需求，對於 SiC 功率元件製造商、LED 外延廠與半導體製程研發單位而言，是提升品質與效率的理想工具。

延伸應用補充：Grazing Angle ATR 配件

針對薄膜樣品或低吸收材料的表面敏感性分析，亦可選配           Grazing Angle ATR 配件進行補充量測。
此配件採用斜入射幾何設計，可提升紅外光在樣品表面的穿透深度與干涉靈敏度，適用於極薄膜層或具表面吸附結構之樣品，    補足傳統 ATR 或反射量測的限制。
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