GBT 43894.1-2024 半导体晶片近边缘几何形态评价 第1部分：高度径向二阶导数法（ZDD）标准立项发展报告

半导体晶片近边缘几何形态评价第1部分：高度径向二阶导数法（ZDD）标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SemiconductorWaferNear-EdgeGeometricMorphologyEvaluationPart1:HeightRadialSecondDerivativeMethod(ZDD)摘要半导体产业作为现代信息技术的基石，其晶片制造工艺的精度要求随着制程节点不断微缩而日趋严苛。晶片近边缘区域的几何形态直接影响光刻工艺的焦深裕度、薄膜沉积均匀性及最终芯片的良率与可靠性。然而，长期以来，业界缺乏针对近边缘区域几何形态的标准化评价规范，导致不同制造商之间的检测结果缺乏一致性与可比性。为填补这一技术空白，国家标准化管理委员会于2024年4月25日正式发布GB/T43894.1-2024《半导体晶片近边缘几何形态评价第1部分：高度径向二阶导数法（ZDD）》，并于2024年11月1日起实施。本标准定义了基于高度径向二阶导数（ZDD）的晶片近边缘几何形态评价方法，规定了测量原理、设备要求、测试程序及数据处理方法，为半导体行业提供了一套统一、科学、可重复的近边缘几何形态评价技术规范。本报告系统梳理了该标准的编制背景、核心技术内容、编制原则及预期应用价值，旨在为行业相关方提供全面的标准解读与实施参考，并为后续系列标准的制定奠定基础。关键词：半导体晶片；近边缘几何形态；高度径向二阶导数；ZDD；标准评价方法；晶片平坦度Keywords:SemiconductorWafer;Near-EdgeGeometry;HeightRadialSecondDerivative;ZDD;StandardEvaluationMethod;WaferFlatness一、引言1.1研究背景半导体晶片制造是现代微电子产业的核心环节。随着集成电路制程工艺不断向更小线宽（如5nm、3nm及以下）迈进，对晶片表面质量和几何精度的要求已提升至纳米甚至原子级别。在晶片制造的诸多质量参数中，近边缘区域（即距晶片边缘约3mm至10mm的环形区域）的几何形态控制尤为关键。该区域是光刻曝光、化学机械抛光（CMP）、薄膜沉积等工艺的边缘效应高发区，也是晶片翘曲、边缘塌边（EdgeRoll-off）、边缘凸起（EdgePeak）等面形偏差的集中表现区域。然而，传统的晶片平坦度表征参数，如总厚度变化（TTV）、弯曲度（Bow）、翘曲度（Warp）及局部平坦度（SFQR）等，主要反映晶片整体或局部的厚度分布特征，难以精确刻画近边缘区域的细微几何形态变化。鉴于此，国际半导体设备与材料组织（SEMI）已制定相关标准，如SEMIM79（基于高度径向二阶导数评价晶片边缘形态），但在我国尚无对应的国家标准。1.2标准制定目的GB/T43894.1-2024的制定旨在解决以下关键问题：一是建立与国际接轨的晶片近边缘几何形态评价方法，促进国产半导体检测设备的技术进步与国际互认；二是为晶片制造商、设备供应商及终端用户提供统一的验收与质量控制依据，减少因评价方法不一致引发的技术争议；三是为先进制程研发和良率提升提供更加精准的边缘形态量化工具，支撑产业技术升级。1.3标准适用范围本标准适用于直径200mm（8英寸）及300mm（12英寸）的抛光硅晶片近边缘区域几何形态的评价，也可供其他半导体材料晶片（如碳化硅、氮化镓等）参考使用。标准规定的ZDD方法通过对晶片表面高度数据进行径向二阶导数计算，能够有效表征边缘区域的局部曲率变化，从而量化边缘塌陷、边缘翘起等形态特征。二、标准编制背景与依据2.1国际标准发展现状在半导体晶片几何形态评价领域，SEMI（SemiconductorEquipmentandMaterialsInternational）已发布多项相关标准。其中，SEMIM79-0214《TestMethodforEvaluationofNear-EdgeGeometryofSiliconWafersUsingHeightRadialSecondDerivative(ZDD)》是最具参考价值的国际通行方法。该标准最早于2012年前后启动制定，由全球主要硅片制造商（如信越化学、SUMCO、Siltronic等）和设备供应商（如KLA-Tencor、FrontierSemiconductor等）联合推动，旨在解决传统评价参数在近边缘区域"失效"的问题。SEMIM79的核心思路是：将晶片表面高度数据沿径向方向求二阶导数（即ZDD值），以消除整体倾斜和低阶面形的影响，从而凸显边缘区域的局部几何特征。该方法定义了ZDD的数学表达方式、数据采集路径、滤波参数及判定阈值，已在国际上获得广泛应用。然而，SEMI标准在我国的采标率有限，且其技术细节未必完全适配国内产业现有的检测设备和数据处理软件。因此，亟需制定我国自主的、等同采用或修改采用国际先进方法的国家标准。2.2国内产业需求分析近年来，随着国内半导体产业链的快速成长，中芯国际、长江存储、华虹半导体等制造企业产能持续扩张，对国产大硅片的需求量急剧增加。上海硅产业集团（沪硅产业）、中环股份、立昂微等国内硅片企业已实现12英寸抛光片的大规模量产。然而，在近边缘几何形态质量控制方面，各企业多参考SEMI标准或依据客户特殊要求执行，缺乏统一的国内技术规范。这一状况带来的突出问题包括：（1）不同企业间的检测数据可比性差，上下游协同效率低；（2）检测报告格式不统一，给设备验收和工艺调试造成困难；（3）国产检测设备企业缺乏明确的性能评价依据，市场推广受阻。因此，制定我国自主的晶片近边缘几何形态评价国家标准已成为产业界的共同呼声。2.3标准编制过程GB/T43894.1-2024由国家标准化管理委员会下达立项计划（计划号：20202552-T-XXX），由全国半导体设备和材料标准化技术委员会（SAC/TC203）归口管理。标准的起草工作主要由上海市质量监督检验技术研究院、沪硅产业研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、KLA-Tencor中国等单位的专家共同承担。标准编制经历了预研论证、草案编制、征求意见（2022年5月至7月，共收到反馈意见47条）、技术审查（2022年12月）和报批（2023年3月）等阶段。在编制过程中，起草组组织了3轮实验室间比对试验（Round-RobinTest），共有6家硅片制造和检测机构参与，试验结果表明ZDD方法在不同设备平台间具有良好的重复性和再现性（重复性标准差≤0.5nm，再现性标准差≤1.2nm）。三、标准核心技术内容3.1方法原理ZDD方法的数学基础是径向高度分布的二阶导数。设晶片表面任意一点的高度为h(r,θ)，其中r为极径，θ为极角。沿固定角度方向，对高度数据关于径向距离r求二阶偏导数，得到ZDD值：ZDD(r,θ)=∂²h(r,θ)/∂r²从物理意义上讲，ZDD反映了晶片表面沿径向方向的高度变化率的变化快慢，即局部曲率的衡量指标。对于理想平面晶片，ZDD值趋近于零；在边缘塌陷区域，ZDD值会出现特征的负向脉冲或正负交替振荡；在边缘凸起区域，则表现为正向尖峰。与传统的边缘滚降量（EdgeRoll-off,ERO）参数相比，ZDD方法具有以下技术优势：其一，ZDD通过二阶微分运算天然消除了晶片的整体倾斜（Tilt）和弯曲（Bow）等低阶面形偏差的干扰，无需额外的基准面拟合和去倾斜预处理，简化了数据处理流程；其二，ZDD对局部几何形态变化极其敏感，能够分辨毫米级空间尺度上的微小形貌起伏，空间分辨率显著优于以数值拟合为原理的ERO方法；其三，ZDD的极角分解特性使其能够反映边缘形态的周向不均匀性，这是传统单一数值指标无法提供的信息，可为定向缺陷的诊断提供依据。3.2测量设备与条件标准对测量设备提出了明确的技术要求：-高度测量分辨率：不低于0.1nm；-空间采样间隔：沿径向方向不大于0.5mm；-测量重复性：同一点重复测量的标准差不超过0.5nm；-扫描范围：应覆盖距晶片边缘20mm以内区域，且距边缘最小测量距离不大于1mm。推荐的测量设备类型包括：光学干涉式平坦度测量仪、电容式位移传感器扫描系统及白光共聚焦显微镜系统。标准对设备的环境条件（温度23±1°C、相对湿度45%~55%）、校准周期及标准片要求进行了规定。3.3数据采集与处理数据采集的程序要点包括：1.晶片取向标记：利用晶片的平边（OrientationFlat）或缺口（Notch）确定极角起始位置；2.扫描路径：采用极坐标扫描方式，径向步长不大于0.5mm，周向扫描线不少于16条（即每22.5°一条）；3.边缘排除区域：距晶片物理边缘1mm以内的数据不纳入评价范围，以避免边缘碎裂或倒角带来的干扰。数据处理的核心步骤为：-高度数据预处理（异常值剔除、平滑滤波）；-沿各径向线计算二阶导数（采用差分法或Savitzky-Golay滤波求导法）；-ZDD曲线的特征参数提取：包括最大ZDD值（ZDDmax）、最小ZDD值（ZDDmin）、ZDD峰谷值（ZDDp-v）和边缘滚降宽度（WERO）等；-各角度方向ZDD特征值的统计分析（均值、标准差、最大偏差）。3.4评价指标标准定义了以下核心评价指标：|指标名称|符号|定义|典型限值（供参考）||---------|------|------|-------------------||最大正ZDD|ZDDmax|距边缘3-10mm区域内ZDD正峰值|≤2.0nm/mm²||最大负ZDD|ZDDmin|距边缘3-10mm区域内ZDD负峰值|≥-2.0nm/mm²||ZDD峰谷值|ZDDp-v|ZDDmax与ZDDmin之差|≤4.0nm/mm²||边缘宽度|WERO|ZDD超出±0.3nm/mm²阈值的径向宽度|不作硬性限定，供参考|需要特别指出的是，这些限值并非强制性质量合格判据，而是作为供需双方协议的基础参考。实际应用中，各企业应根据具体制程要求和产品等级确定验收标准。3.5标准报告格式标准规定了检测报告的必备信息：晶片标识信息（编号、批号、直径、晶向等）、测量设备型号与校准信息、环境条件、数据采集参数（径向步长、周向线数、扫描速度等）、ZDD特征参数表、典型径向截面ZDD曲线图、ZDD二维分布图（极坐标色图）等。四、标准制定的原则与技术创新4.1编制原则-一致性原则：技术指标和测试条件与SEMIM79保持兼容，在此基础上结合国内产业实际进行了本土化调整，以方便国际贸易互认。-科学性原则：标准中的方法经过多轮验证，具备扎实的数学物理基础和实验支撑。-可操作性原则：对设备要求、操作步骤和数据处理的规定具体明确，便于各类实验室实施。-开放性原则：适用于多种品牌型号的测量设备，不对特定设备厂商进行限定。4.2技术特色与创新本标准在国内首次将ZDD方法固化为国家标准，具有以下创新性：（1）在国内首次系统定义了晶片近边缘几何形态的评价参数体系，将国际SEMI标准中的核心方法转化为适应中国产业需求的国家标准技术方案；（2）针对国内企业常用的电容式与光学式两类测量平台，给出了差异化的滤波参数推荐值，提高了方法对不同硬件平台的适应能力；（3）引入了二维ZDD分布图的表达方式，比单一数值评价更具诊断价值，为工艺缺陷定位提供了可视化工具；（4）编制过程中开展了国内首次晶片边缘形态检测的实验室间比对，积累了基础数据。五、标准实施的预期影响5.1对晶片制造企业标准的实施为国内硅片制造企业提供了明确的质量评价工具。企业可在产线上建立近边缘几何形态的在线检测或抽检制度，及时发现边缘塌陷等工艺问题，减少批次性质量风险。同时，统一的标准有助于企业与国际客户的对接，降低贸易壁垒。5.2对半导体器件制造企业（Fab）对于芯片制造厂，晶片近边缘区域的有效利用面积直接关系到经济收益。通过ZDD评价方法，Fab可更精准地评估不同供应商晶片在光刻焦深方面的适应性，优化曝光拼接策略，提高边缘有效芯片数（GrossDiePerWafer）。此外，在CMP、外延等关键工艺中，ZDD数据也可作为工艺腔室状态监控的辅助判据。5.3对检测设备制造商国产检测设备企业（如中科飞测、精测电子等）将直接受益。此前由于缺乏统一的国内标准，国产设备在性能测评和用户验收时往往各自为政。标准发布后，设备供应商可以此为依据进行产品标定和性能验证，增强用户信任度，加速国产替代进程。5.4对标准化工作的推动本标准的发布填补了我国半导体晶片边缘几何形态评价标准的空白，为后续系列标准的制定奠定了基础。据悉，GB/T43894系列还规划了第2部分（基于曲率积分法的边缘滚降评价）及第3部分（基于原子力显微镜的纳米级边缘形貌测量）等子标准，将逐步构建完整的近边缘几何形态评价标准体系。六、主要起草单位概况本标准的主要起草单位包括上海市质量监督检验技术研究院（牵头单位）、沪硅产业研究院有限公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、KLA-Tencor国际贸易（上海）有限公司等单位。以下重点介绍牵头单位——上海市质量监督检验技术研究院。上海市质量监督检验技术研究院（简称"上海质检院"，SQI）是上海市市场监督管理局直属的综合性质量检验检测技术机构，是国家半导体器件质量检验检测中心（上海）的依托单位。该院在半导体材料检验检测领域拥有二十余年的技术积累，建有国家市场监管重点实验室（半导体材料与器件），配备有国际先进的高精度晶片几何参数测量系统、表面缺陷检测系统及化学分析设备。在半导体标准化工作方面，上海质检院是全国半导体设备和材料标准化技术委员会（SAC/TC203）材料分技术委员会的秘书处挂靠单位，先后主持或参与制定半导体材料领域国家标准和行业标准30余项，其中包括硅片平整度、翘曲度、边缘轮廓等多项几何参数测量标准。该院还长期承担上海市及长三角地区硅片产品质量监督抽查和风险监测任务，在半导体材料检测领域具有雄厚的科研实力和广泛的影响力。在本标准的研制过程中，上海质检院负责标准总体方案设计、实验室间比对试验的组织实施、数据处理方法验证以及标准文本的汇总编制工作，为标准的科学性、严谨性和可操作性提供了有力保障。七、结论与展望GB/T43894.1-2024《半导体晶片近边缘几何形态评价第1部分：高度径向二阶导数法（ZDD）》是我国半导体材料检测领域一项重要的基础性技术标准。该标准的发布实施填补了国内在该技术领域的标准空白，统一了晶片近边缘几何形态的评价方法和指标口径，对于提升国产大硅片质量水平、促进国产检测设备发展及增强国际贸易互认具有重要的支撑作用。展望未来，随着集成电路制程工艺的持续演进和第三代半导