發佈日期：2025/7/22 3D表面形貌
發佈單位：iST宜特
選錯量測分析手法，可能讓你產品良率下滑、製程誤判、重工延宕，甚至導致整批報廢。隨著AI晶片、CoWoS、HPC等先進製程快速推進，每個關鍵工序都依賴高精度的表面形貌量測。問題是，不同樣品適用的分析手法差很大，你真的選對了嗎？
3D表面形貌
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3D表面形貌
隨著 AI 晶片、高效能運算（HPC）、CoWoS 等先進封裝技術蓬勃發展，對製程控制與量測精度的要求也愈加嚴格。從晶圓製造、蝕刻、鍍膜，到晶粒封裝與模組整合，每一道工序都仰賴表面形貌量測技術，協助掌握品質異常與製程穩定度。
什麼是「表面形貌量測」？簡單來說，就是測量樣品表面的微觀高低起伏、粗糙度、曲率、平整度等幾何特性。這些數據有助於了解材料或製程是否穩定、是否有異常，進而影響後續良率與產品可靠度。
若使用不適當的量測分析手法，不僅容易誤判缺陷來源、重工重測，更可能延遲時程、增加成本，甚至導致良率低落、產品可靠度下滑。在宜特實驗室協助眾多工程師的經驗中，「選錯分析手法」是常見的痛點之一。
依照產品應用的不同，本篇小學堂將整合四大先進表面量測分析手法，逐一介紹其使用情境與限制，協助工程師找對方法，事半功倍。
在半導體產業中，光學顯微鏡 (OM) 和接觸式粗糙度儀一直是表面觀察與基礎量測不可或缺的工具。然而，這些工具在應對AI 晶片、高效能運算（HPC）、CoWoS等精細結構時，逐漸面臨了解析度不足、接觸式探針可能對脆弱樣品造成損傷、以及在高速開發週期中量測效率和準確度不足等挑戰。
正是在這些對高精度、非接觸與高效率量測有嚴格需求的領域，多項先進的表面形貌量測技術應運而生，為解決製程中的瓶頸提供了關鍵支援。以下我們將為您一一介紹。
一、表面3D輪廓量測儀(Surface 3D Profiler): 適合封裝、模組、PCB和高段差產品
表面3D輪廓量測儀分析手法，專為解決傳統量測效率低與人為誤差的痛點而設計，提供非接觸式，且可快速掃描大面積的3D量測服務。主要是利用光學投影的原理在樣品表面產生條紋投影光線，樣品的高低差會使條紋產生變化，再透過已知入射角度計算出對應的階差，最終建構出完整的立體3D形貌。
操作簡便，只需將樣品放上載物台，即可自動完成面積、高度與表面曲率的精密掃描，提供多點的表面高度和面曲率、尺寸等，包含連續性和非連續性表面，且無須繁瑣的前處理。搭配內建自動定位與高解析度演算法，能大幅提升數據穩定性與重複性，有效消除人為干擾。
圖一：相較於傳統量測，表面3D輪廓量測儀可一鍵式完成表面形貌量測。
（圖片來源：宜特科技)宜特目前配備的表面3D輪廓量測儀，搭載 Fringe Projection 與 HDR 掃描技術，對於高反光（如 CoWoS、Wafer）、低反射（如黑色封裝材）樣品或透明樣品，具備內建補償功能設定，可以正常獲取數據之外，最大量測範圍可達 300×150×70 mm，資料點數高達 2,500 萬點，無論是小型晶粒還是大型模組皆可覆蓋。重複精度達 0.4 μm（高度）與 ±5 μm（寬度），廣泛應用於矽晶圓（Wafer）、裸晶（Bare die）、封裝、覆晶球柵陣列封裝（BGA）、電容元件（Capacitor）、IC晶片、被動元件、晶粒尺寸封裝（CSP）、印刷電路板（PCB）、組裝電路板（PCBA）、無引腳扁平封裝（QFN）、連接器（Connector）、測試插座（Socket）等多種樣品，適合試產件到量產線的全流程品管與製程監控。
圖二：宜特配備的表面3D輪廓量測儀，透過一次掃描階高塊(右圖)，透過分析操作即可獲取面上所有需求的階差、面尺寸。
（圖片來源：宜特科技)
圖三：宜特配備的表面3D輪廓量測儀，可自動擷取出BGA錫球區域，並計算出每顆錫球的高度和整體共面性，有效協助確認元件含球區的翹曲形貌。
（圖片來源：宜特科技)二、白光干涉儀（White Light Interferometer, WLI）：適用於大尺寸、非透光材料樣品
白光干涉儀 (WLI) 是利用光學干涉的原理(圖四)，在建設性干涉條紋的間距等於固定波程差，即可應用於計算高度，以形成表面高低起伏的立體3D形貌(圖五)，並進而計算出粗糙度，能提供奈米級高度解析度的非接觸式量測。因為是採用光學顯微鏡，適合應用在較巨觀的樣品上，如待測物尺寸大於一百微米(100um)以上、甚至於數個毫米(mm)均可採用此方式量測。
WLI大多應用在金屬或線路，以及塑膠等不透光材料的表面形貌量測，透光材料如玻璃等就不適用。或是若待測物在表面無法進一步鍍金屬來進行WLI量測時，就必須考慮使用其他分析技術。
圖六為金屬表面經過酸洗後的表面粗糙度量測約三百微米(300um)見方的結果，平均粗糙度(Ra)在一微米(1um)以上。
圖四： 白光干涉條紋
圖五：3D表面形貌
圖六：2D/1D表面形貌與分析粗糙度Ra數值。
(圖四~圖六來源：宜特科技)三、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）：適用於晶圓及玻璃材料樣品
原子力顯微鏡 (AFM)，是使用奈米等級曲率半徑的矽探針，進行表面掃描以取得高低起伏的形貌，可針對極平坦的樣品或高分子軟性材料（如：光阻)，進行表面粗糙度量測，常應用於晶圓或玻璃清洗、鍍膜、蝕刻前後等表面數十微米範圍的微觀分析。
近年來更大量運用在積體電路上化學機械研磨(CMP)、線路重布(RDL)與凸塊下金屬化(UBM)製程，在蝕刻製程前、後相關的研究，均使用AFM做表面的量測監控，如果粗糙度異常將會導致後續覆蓋薄膜的剝落，甚至是可靠度的問題發生。
如圖七為高分子材料聚醯亞胺(PI)二微米(2um)見方的表面形貌，平均粗糙度(Ra)僅約八奈米(8nm)。為了進行實驗前後的比較，必須在不破壞晶圓片的狀態下做量測，因此AFM設備的規格除了能提供基本的特性量測外，樣品載台尺寸還必須相容300mm以上的空間，方能滿足十二吋晶圓的量測需求。
圖七：AFM量測表面形貌與分析平均粗糙度、SAD百分比、Rq和Ra等數值。
（圖片來源：宜特科技）四、陰影疊紋法（Shadow Moiré）：適用於封裝載板或PCB的熱翹曲分析
陰影疊紋法（Shadow Moiré），透過光柵與樣品表面形成的干涉條紋來進行樣品翹曲變形的量測，特別適用於封裝載板或PCB的熱變形與翹曲分析。由於近年異質材料結合與3D封裝的大量需求，熱效應導致不同材料間因熱膨脹係數差異而影響接合的品質，因此受熱製程前後的樣品整體高度變化分析變得極其重要。Shadow Moiré適合大元件如CoWos、PCB的量測，其清楚的視覺化，加上快速的分析數據，對於PCB SMT製程的研發幫助極大。
圖八：透過IC與PCB表面量測數據的3D疊合分析（左圖），可視覺化觀察整體形貌匹配情況，清楚量化間隙變化。透過空間差異等高圖（右圖），快速掌握整體接合區的分布情形，顏色代表對應的高度差，有效辨識潛在不良對位或翹曲區域。
（圖片來源：宜特科技）
上述主要先進表面形貌量測技術，可單獨使用亦可相互搭配運用。在多層異質整合結構（如 CoWoS、Fan-Out）產品中，宜特實驗室也建議，可結合WLI + AFM或3D Profiler + Shadow Moiré，達到大面積+局部細節的雙重掌握。
面對AI晶片、高速運算、高階封裝等日新月異的挑戰，選擇對的量測工具將直接影響開發效率與產品良率。透過本期小學堂的介紹，是不是讓您對表面形貌分析手法有更多了解呢？感謝您長久以來對宜特的支持，如果想獲得本文提及的四大先進量測分析工具表，請回信至 marketing_tw@istgroup.com，宜特將盡速提供給您。
相關工程問題，歡迎洽詢03-579-9909 分機6436張先生/Andy，Email: web_BLR@istgroup.com, marketing_tw@istgroup.com。