关于我们在湿法热氧化工艺中的专有实时原位监测技术
每套湿法热氧化系统都可以通过其提供的数据以及提供这些数据的时机来描述。在传统的定时炉中，工艺数据包括温度、水流量和经过时间：这些是晶圆状态的间接指标，虽然可以连续获取，但无法直接测量关键参数——即实际器件结构上的实际孔径尺寸。在ALOXTEC系统中，工艺数据包括对整个晶圆表面上氧化前沿推进情况的直接、实时、空间分辨的测量，这些数据可在工艺进行过程中，在台面级别实时获取，且不会中断氧化循环。
这一差异直接源于一种专为III-V族半导体湿法热氧化过程的原位光学计量而从零开始设计的硬件架构。本页介绍了该架构：其五个组成部分、各自的计量能力，以及它们如何作为嵌入炉腔内的集成测量系统协同工作。
该系统所实现的工艺控制逻辑——特别是“停于光孔”（Stop-on-Aperture）终点检测算法及其对良率的影响——在“氧化层光孔控制与原位监测”页面中有详细说明。该系统生成的测量输出及其在工艺质量评估中的作用，则在“表征与映射”页面中有详细说明。ALOXTEC 原位视觉系统的硬件架构（该架构支持“停在光阑处”功能）在“实时原位监测系统”页面中有详细说明。该页面重点介绍了工艺控制逻辑、其消除的失效模式，以及对良率和生产稳定性的定量影响。
在缺乏原位监测的情况下，无法观察到晶圆在湿法热氧化过程中的状态。由于炉腔处于密封状态，晶圆处于工艺温度下，且氧化前沿正通过埋入式外延层向侧向推进，因此无法从外部观察到这一过程。要了解具体发生了什么，唯一的方法就是完成整个工艺，待晶圆冷却后将其从炉腔中取出，并在单独的计量设备上进行测量。
这种后处理方法存在三项结构性局限，这些局限既影响良率，也延长了工艺开发周期。首先，任何均匀性偏差、过氧化或终点误差，都只能在问题发生后才被检测到，而此时该晶圆已无法进行修正。其次，计量步骤会为每次工艺运行增加周期时间、操作风险和设备成本。第三，从测量到工艺修正的反馈循环至少需要一个完整的晶圆周期，这意味着系统性工艺漂移在被检测并修正之前，可能会影响多个晶圆。
ALOXTEC 解决这一问题的方法是架构层面的，而非渐进式的。ALOXTEC系统并非通过提高后处理计量精度或优化定时氧化模型的校准来解决问题，而是将完整的光学测量功能直接集成到炉膛内部，并在整个氧化过程中实时运行。这并非一项附加功能：它是ALOXTEC技术的核心设计原则，视觉系统的每个组件都旨在服务于这一目标。
这一设计选择在计量学上具有重要意义。在晶圆离开腔室之前，即可获得工艺质量数据。均匀性梯度是在其形成过程中被检测到的，而非在工艺运行完成后才被检测到。终点判定基于测得的孔径尺寸，而非模型预测。此外，生成完整晶圆级测量图的后氧化表征扫描，是在同一工艺周期内完成的，无需任何额外的处理或计量步骤。
ALOXTEC 原位成像系统由五个软硬件组件构成，每个组件均具有独特且不可替代的计量功能。它们作为一个集成系统协同工作：X/Y/Z 系统提供空间定位，双摄像头配置可同时在两个空间尺度上进行光学测量，单色仪将测量范围扩展至波长域，而图案识别软件则能实时将光学图像转换为定量计量数据。
| 系统组件 | 技术功能 | 计量能力 |
| X/Y/Z 运动系统 | 电动三轴定位平台，可在氧化过程中驱动视觉系统在晶圆表面上方移动。通过可编程扫描轨迹，实现全晶圆空间覆盖。 | X/Y/Z系统是实现全晶圆测量的基础。与仅在单一代表性位置测量氧化情况的定点监测系统不同，ALOXTEC设备可在整个晶圆表面上自由扫描。这意味着每个被监测的台面都会贡献到孔径图中，而不仅仅是少数几个参考点。由此获得的测量空间分辨率反映了实际器件结构的台面间距，而非外部计量设备的采样密度。 |
| 低倍率摄像头 | 广角光学通道可在整个氧化过程中提供连续的晶圆级视图。与高倍通道同步运行。 | 低倍摄像头通道为晶圆级测量提供了空间背景：它实时捕捉整个晶圆上的氧化进度分布，使系统能够检测到运行过程中形成的大规模均匀性梯度，而不是在运行完成后才检测到。该通道还为将高倍摄像头定位到特定的、感兴趣的台面位置提供了参考框架。 |
| 高倍摄像头 | 用于台面级成像。能够分辨单个VCSEL或EEL台面结构，并以超高的空间分辨率和极小的光阑尺寸偏差追踪氧化前沿的推进。 | 高倍通道提供了确定孔径尺寸所需的测量精度。它以足够的空间分辨率解析台面侧壁处的氧化前沿位置，从而能够以超高的精度追踪孔径闭合过程，从而实现“氧化层孔径控制”页面中所述的“孔径停止”终点检测。双摄像头架构允许两个空间层面同时运行：晶圆级背景和台面级精度在整个工艺运行过程中始终可用。 |
| 单色仪 | 一种波长选择性光学元件，用于隔离窄光谱带用于成像的光学元件。可调谐至正在处理的VCSEL结构的发射波长。 | 单色仪的功能使测量达到了质的飞跃：它允许系统在氧化过程中实时直接成像VCSEL结构的光学发射。随着氧化物光阑的形成以及腔体的有效折射率发生变化，发射波长会发生偏移。 单色仪会持续捕捉这种偏移，提供覆盖整个晶圆的实时波长图，该图直接反映氧化进程的进展。此测量无需额外设备，无需转移晶圆，也不会中断氧化过程。 |
| 自动图案识别软件 | 用于识别台面结构的图像处理和机器学习算法，记录其坐标和尺寸，并在整个运行过程中跟踪每个台面处氧化前沿的推进情况。 | 图案识别是软件层，负责将光学图像转换为计量数据的软件层。在工艺开始时，软件会自动识别晶圆上的所有台面结构无需手动定义模板或操作员输入。在运行过程中，系统会持续计算每个被追踪台面的氧化前沿位置，提取孔径、圆度和氧化深度，并将这些数值输入到“Stop-on-Aperture”控制算法中。无需手动设置是实际生产中的必要要求：在高通量生产环境中，针对每片晶圆的操作员配置无法满足批量生产的周期时间限制。 |
将视觉系统集成到炉腔内是一项非同小可的工程挑战。该系统必须在接近工艺温度、含有水蒸气和砷化氢的氛围中，面对持续时间和温度曲线各异的工艺周期，仍能可靠运行，且在运行之间无需任何维护干预。
通过一个经过特殊设计的观察窗，可实现对晶圆表面的光学观测，该观察窗能确保在整个工艺窗口内保持光学清晰度。X/Y/Z运动系统经过专门设计，可在数千次定位循环中保持重复性，确保在运行初始化时注册的测量坐标在整个运行过程中以及连续的工艺循环中始终保持准确。 所有与工艺环境接触的机械和光学组件均经过精心选型和认证，确保符合所有 ALOXTEC 设备所用工艺条件下湿法热氧化工艺的热、化学和机械要求。
ALOXTEC视觉系统与其他原位监测方法之间最具决定性的架构差异，在于全晶圆空间覆盖与定点测量之间的区别。这一区别决定了系统在工艺过程中能够了解和无法了解的
| 监测维度 | 定点原位监测 | ALOXTEC 全晶圆原位监测 |
| 空间覆盖范围 | 单个测量点，或晶圆上的少数固定位置。假设参考点的氧化进程能代表整个晶圆的情况。 | 整个晶圆表面。X/Y/Z系统扫描晶圆上所有被监测的台面，为每个被测芯片提供具有空间分辨率的氧化进程测量数据。 |
| 均匀性检测 | 无法实时检测晶圆级均匀性梯度。梯度仅在完成工艺后的晶圆进行后处理计量后才会显现。 | 在工艺运行过程中，可实时检测到均匀性梯度的变化。中心至边缘以及方位角方向的氧化速率差异可实时显示，从而实现即时工艺反馈。 |
| 终点判定依据 | 工艺终止由参考点的氧化状态触发。如果参考点不能代表整片晶圆的情况，则终点判定将系统性地误判实际孔径分布。 | 工艺终止是基于分布在晶圆上的、一组具有代表性的参考台面所测得的孔径触发的，从而确保终点判定能真实反映实际的晶圆级氧化进度。 |
| 后处理计量要求 | 需要进行完整的工艺后计量，以表征整个晶圆上的氧化层孔径分布。这会增加周期时间、设备成本和操作风险。 | 在氧化周期内，在卸载晶圆之前，会进行完整的晶圆级表征。工艺控制的标准步骤中不需要工艺后计量。 |
| 波长测量 | 在固定点配置下，若无额外的专用计量设备和晶圆转移，则无法实现。 | 通过集成单色仪通道，可在氧化运行期间对晶圆表面进行实时发射波长成像。无需额外设备或晶圆转移。 |
全晶圆监测的实际意义在于，ALOXTEC 系统可在工艺运行的每个时刻获取晶圆上氧化进程的完整空间分布。这些信息用于三个不同的目的：通过“光阑停止”（Stop-on-Aperture）进行实时终点检测、在活性氧化阶段进行实时均匀性监测，以及在终点时进行完整的氧化后表征。 对于仅在单个或少数参考点进行监测的定点监测系统而言，上述任何功能均无法实现。
ALOXTEC视觉系统的单色仪功能实现了ALOXTEC设备独有的测量能力：在氧化过程进行期间，对晶圆表面VCSEL发射波长进行实时、空间分辨的映射。
随着湿法热氧化将 AlGaAs 层转化为 AlOx，VCSEL 光学腔的有效折射率也会发生变化。由于腔体的共振波长由光程长度决定，而光程长度是有效折射率在腔体深度上积分的函数，因此折射率的变化会导致发射波长发生偏移。 通过在工艺运行过程中，利用单色仪对VCSEL的发射光进行一系列波长的成像，该系统可绘制出每个被测台面处局部发射波长随氧化进程变化的分布图。
原位波长图具有两项独特的计量功能，这是任何后处理测量都无法提供的。首先，它提供了晶圆上 EPI 质量变化的实时指标。由于发射波长由腔体结构决定，因此在等效氧化深度下发射波长的局部变化反映了外延层厚度或组成的局部变化，从而揭示了仅凭氧化深度图无法与工艺引起的变异区分开的 EPI 不均匀性。
其次，它能够对波长敏感的应用进行直接工艺控制。 在为特定WDM信道设计的数据通信VCSEL中，发射波长必须落在规定的窗口范围内，以确保在部署的光学系统中实现信道对准。能够在氧化过程中实时监测波长，并将其与孔径尺寸测量结果相关联，使工艺工程师能够直接掌握每种特定外延结构的波长-孔径关系，而无需单独进行后处理波长映射步骤
ALOX GEN1.4L自动版和 GEN2.0 HV Auto 系统均支持完整的 SECS/GEM 连接功能。 SECS/GEM（SEMI设备通信标准/通用设备模型）是半导体制造设备与晶圆厂主系统（制造执行系统，MES）之间通信的行业标准协议套件。ALOXTEC设备系列中对该协议的实现，使系统能够全面融入一级半导体制造所特有的、由主系统控制的自动化生产环境。
SECS/GEM 接口并非数据记录的附加功能。它是 ALOXTEC系统作为节点集成到晶圆厂生产自动化基础设施中的机制，支持用于配方管理、工艺控制和实时数据流的双向通信。
| 功能 | 生产线集成优势 | |
| SEMI E30 (GEM) |
通用设备模型。定义了半导体制造设备在主机通信、状态机管理和事件报告方面的标准行为。 | 确保ALOXTEC系统向晶圆厂主机系统（MES）提供可预测且标准化的接口。由于设备行为符合已知标准，而非需要开发定制协议，因此缩短了设备上线时间，并将集成风险降至最低。 |
| SEMI E37 (HSMS) |
高速消息服务。定义了基于 TCP/IP 的 SECS-II 消息传输层协议。 | 支持 ALOXTEC 系统与晶圆厂主机之间的高吞吐量、低延迟通信。实时工艺和测量数据可流式传输至 MES，不会因通信瓶颈而影响数据的完整性或及时性。 |
| SEMI E40 | 工艺管理标准。定义了工艺任务、控制任务和工艺配方在设备与主机之间如何进行管理和通信。 | 从晶圆厂主机自动加载工艺配方，消除了在设备端手动选择工艺配方的需求，从而消除了生产中操作员可能出错的潜在来源。系统会根据批次单自动加载正确的工艺配方，无需操作员干预。 |
| SEMI E42 | 工艺配方管理。定义了设备与主机之间工艺配方上传、下载、验证及管理的标准。 | 工艺配方可在晶圆厂层面进行集中管理，确保生产线中的所有ALOXTEC 系统均运行经过验证且受版本控制的配方。配方变更将通过标准管理层进行分发和追踪。 |
除了工艺配方和报警管理外，SECS/GEM接口还支持在氧化工艺运行期间，将工艺和测量数据持续、实时地流式传输至晶圆厂MES系统。这包括工艺参数曲线（温度、水流量、腔室压力随时间的变化），由视觉系统生成的实时光阑测量数据，以及在工艺结束时获得的完整的氧化后表征数据集。
在MES层级获取该数据流，可实现单片晶圆级别的工艺可追溯性、针对孔径均匀性和批次间重复性的批次级统计过程控制，以及基于原位测量结果的自动化下游批次处置。对于运营全自动化生产的一线VCSEL制造商而言，这种集成能力是ALOXTEC设备在量产环境中部署的先决条件。
本页所述的原位视觉系统已集成于ALOXTEC全系列设备中。ALOXTEC的四款设备均采用相同的核心光学测量架构，包括X/Y/Z系统、双摄像头配置、单色仪和图案识别软件。 这种架构的一致性对工艺开发和技术转移产生了直接影响：在研究环境中使用 ALOX GEN1.4L手动 表征的工艺，所生成的测量数据类别和格式，与在量产中运行于 ALOX GEN2.0 HV Auto 上的相同工艺完全一致。
關於視覺系統的量測結果、製程結束時產生的五張量測圖，以及它們在評估製程品質與管理績效方面的作用，詳情請參閱「特性分析與圖譜」頁面。
实时原位监测从根本上改变了生产环境中湿法热氧化工艺的控制方式。通过测量工艺过程中晶圆的实际状态，而非从间接参数推断，它使工艺控制从预测性转变为确定性。以下问题涉及原位监测技术的原理、局限性和优势。
美国伯克利大学和英国威尔士的卡迪夫大学同意让我们使用他们的ALOX系统进行演示。在工艺方面，我们得益于CNRS/LAAS顾问提供的技术和科学支持
系统分析与架构实验室（LAAS）是法国国家科学研究中心（CNRS）下属的一个研究单位，隶属于工程与系统科学研究所（INSIS）以及信息科学与相互作用研究所（INS2I）
位于CITRIS总部大楼——苏塔尔贾·戴大楼（Sutardja Dai Hall）内的Marvell NanoLab，拥有超过15,000平方英尺的100级和1000级洁净室
KTP项目提供专业知识和资金支持，帮助组织摆脱固有的工作模式，尝试能够提升绩效、降低成本的新思路和新流程.
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