发布日期：2025/7/22 3D表面形貌
发布单位：iST宜特
选错量测分析手法，可能让你产品良率下滑、工艺误判、重工延宕，甚至导致整批报废。随着AI芯片、CoWoS、HPC等先进工艺快速推进，每个关键工序都依赖高精度的表面形貌量测。问题是，不同样品适用的分析手法差很大，你真的选对了吗？
3D表面形貌
随着 AI 芯片、高效能运算（HPC）、CoWoS 等先进封装技术蓬勃发展，对工艺控制与量测精度的要求也愈加严格。从晶圆制造、蚀刻、镀膜，到晶粒封装与模块整合，每一道工序都仰赖表面形貌量测技术，协助掌握质量异常与工艺稳定度。
什么是「表面形貌量测」？简单来说，就是测量样品表面的微观高低起伏、粗糙度、曲率、平整度等几何特性。这些数据有助于了解材料或工艺是否稳定、是否有异常，进而影响后续良率与产品可靠性。
若使用不适当的量测分析手法，不仅容易误判缺陷来源、重工重测，更可能延迟时程、增加成本，甚至导致良率低落、产品可靠性下滑。在宜特实验室协助众多工程师的经验中，「选错分析手法」是常见的痛点之一。
依照产品应用的不同，本篇小学堂将整合四大先进表面量测分析手法，逐一介绍其使用情境与限制，协助工程师找对方法，事半功倍。
3D表面形貌
3D表面形貌
在半导体产业中，光学显微镜 (OM) 和接触式粗糙度仪一直是表面观察与基础量测不可或缺的工具。然而，这些工具在应对AI 芯片、高效能运算（HPC）、CoWoS等精细结构时，逐渐面临了分辨率不足、接触式探针可能对脆弱样品造成损伤、以及在高速开发周期中量测效率和准确度不足等挑战。
正是在这些对高精度、非接触与高效率量测有严格需求的领域，多项先进的表面形貌量测技术应运而生，为解决工艺中的瓶颈提供了关键支持。以下我们将为您一一介绍。
一、表面3D轮廓量测仪(Surface 3D Profiler): 适合封装、模块、PCB和高段差产品
表面3D轮廓量测仪分析手法，专为解决传统量测效率低与人为误差的痛点而设计，提供非接触式，且可快速扫描大面积的3D量测服务。主要是利用光学投影的原理在样品表面产生条纹投影光线，样品的高低差会使条纹产生变化，再透过已知入射角度计算出对应的阶差，最终建构出完整的立体3D形貌。
操作简便，只需将样品放上载物台，即可自动完成面积、高度与表面曲率的精密扫描，提供多点的表面高度和面曲率、尺寸等，包含连续性和非连续性表面，且无须繁琐的前处理。搭配内建自动定位与高分辨率算法，能大幅提升数据稳定性与重复性，有效消除人为干扰。
图一：相较于传统量测，表面3D轮廓量测仪可一键式完成表面形貌量测。
（图片来源：宜特科技）宜特目前配备的表面3D轮廓量测仪，搭载 Fringe Projection 与 HDR 扫描技术，对于高反光（如 CoWoS、Wafer）、低反射（如黑色封装材）样品或透明样品，具备内建补偿功能设定，可以正常获取数据之外，最大量测范围可达 300×150×70 mm，数据点数高达 2,500 万点，无论是小型晶粒还是大型模块皆可覆盖。重复精度达 0.4 μm（高度）与 ±5 μm（宽度），广泛应用于硅晶圆（Wafer）、裸晶（Bare die）、封装、覆晶球栅数组封装（BGA）、电容组件（Capacitor）、IC芯片、被动组件、晶粒尺寸封装（CSP）、印刷电路板（PCB）、组装电路板（PCBA）、无引脚扁平封装（QFN）、连接器（Connector）、测试插座（Socket）等多种样品，适合试产件到量产线的全流程品管与工艺监控。
图二：宜特配备的表面3D轮廓量测仪，透过一次扫描阶高块(右图)，透过分析操作即可获取面上所有需求的阶差、面尺寸。
（图片来源：宜特科技）
图三：宜特配备的表面3D轮廓量测仪，可自动撷取出BGA锡球区域，并计算出每颗锡球的高度和整体共面性，有效协助确认组件含球区的翘曲形貌。
（图片来源：宜特科技）二、白光干涉仪（White Light Interferometer, WLI）：适用于大尺寸、非透光材料样品
白光干涉仪 (WLI) 是利用光学干涉的原理(图四)，在建设性干涉条纹的间距等于固定波程差，即可应用于计算高度，以形成表面高低起伏的立体3D形貌(图五)，并进而计算出粗糙度，能提供奈米级高度分辨率的非接触式量测。因为是采用光学显微镜，适合应用在较巨观的样品上，如待测物尺寸大于一百微米(100um)以上、甚至于数个毫米(mm)均可采用此方式量测。
WLI大多应用在金属或线路，以及塑料等不透光材料的表面形貌量测，透光材料如玻璃等就不适用。或是若待测物在表面无法进一步镀金属来进行WLI量测时，就必须考虑使用其他分析技术。
图六为金属表面经过酸洗后的表面粗糙度量测约三百微米(300um)见方的结果，平均粗糙度(Ra)在一微米(1um)以上。
图四： 白光干涉条纹
图五：3D表面形貌
图六：2D/1D表面形貌与分析粗糙度Ra数值。
（图四~图六来源：宜特科技)三、原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）：适用于晶圆及玻璃材料样品
原子力显微镜 (AFM)，是使用奈米等级曲率半径的硅探针，进行表面扫描以取得高低起伏的形貌，可针对极平坦的样品或高分子软性材料（如：光阻)，进行表面粗糙度量测，常应用于晶圆或玻璃清洗、镀膜、蚀刻前后等表面数十微米范围的微观分析。
近年来更大量运用在集成电路上化学机械研磨(CMP)、线路重布(RDL)与凸块下金属化(UBM)工艺，在蚀刻工艺前、后相关的研究，均使用AFM做表面的量测监控，如果粗糙度异常将会导致后续覆盖薄膜的剥落，甚至是可靠性的问题发生。
如图七为高分子材料聚酰亚胺(PI)二微米(2um)见方的表面形貌，平均粗糙度(Ra)仅约八奈米(8nm)。为了进行实验前后的比较，必须在不破坏晶圆片的状态下做量测，因此AFM设备的规格除了能提供基本的特性量测外，样品载台尺寸还必须兼容300mm以上的空间，方能满足十二吋晶圆的量测需求。
图七：AFM量测表面形貌与分析平均粗糙度、SAD百分比、Rq和Ra等数值。
(图片来源：宜特科技)四、阴影迭纹法（Shadow Moiré）：适用于封装载板或PCB的热翘曲分析
阴影迭纹法（Shadow Moiré），透过光栅与样品表面形成的干涉条纹来进行样品翘曲变形的量测，特别适用于封装载板或PCB的热变形与翘曲分析。由于近年异质材料结合与3D封装的大量需求，热效应导致不同材料间因热膨胀系数差异而影响接合的质量，因此受热工艺前后的样品整体高度变化分析变得极其重要。Shadow Moiré适合大组件如CoWos、PCB的量测，其清楚的可视化，加上快速的分析数据，对于PCB SMT工艺的研发帮助极大。
图八：透过IC与PCB表面量测数据的3D迭合分析（左图），可可视化观察整体形貌匹配情况，清楚量化间隙变化。透过空间差异等高图（右图），快速掌握整体接合区的分布情形，颜色代表对应的高度差，有效辨识潜在不良对位或翘曲区域。
(图片来源：宜特科技)
上述主要先进表面形貌量测技术，可单独使用亦可相互搭配运用。在多层异质整合结构（如 CoWoS、Fan-Out）产品中，宜特实验室也建议，可结合WLI + AFM或3D Profiler + Shadow Moiré，达到大面积+局部细节的双重掌握。
面对AI芯片、高速运算、高阶封装等日新月异的挑战，选择对的量测工具将直接影响开发效率与产品良率。透过本期小学堂的介绍，是不是让您对表面形貌分析手法有更多了解呢？感谢您长久以来对宜特的支持，如果想获得本文提及的四大先进量测分析工具表，请回信至 marketing_tw@istgroup.com，宜特将尽速提供给您。
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