光學量測的基礎：奈米尺度的非接觸式探測原理與應用

一、 光學量測的戰略必要性與核心優勢

在高度精密的晶圓量測領域，任何形式的物理接觸都可能對奈米結構造成破壞。因此，光學量測（Optical Metrology）以其獨特的優勢成為半導體製造中製程控制的首選方法。它利用光波與晶圓表面物質的交互作用進行分析。

1.1 光學量測如何超越接觸極限

• 非接觸性與無損分析： 這是光學方法的根本優勢，尤其在檢測極薄膜或複雜光刻結構時，避免了對產品的損傷或污染。

• 高吞吐量與 In-line 應用： 由於光速和非掃描特性，光學儀器通常具備極高的測量速度，適合用於線上 (In-line) 快速監控，實現高效的閉環製程控制。

二、 核心技術 I：薄膜測量雙雄

薄膜沉積（如氧化層、氮化層、金屬層）是晶片製造的基礎。準確測量這些奈米層的厚度和光學常數至關重要。

2.1 光譜反射儀 (Spectroscopic Reflectometry, SR)：干涉原理測厚度

• 物理基礎： 儀器發射廣譜白光，當光線穿過多層薄膜時，會在各界面發生反射。這些反射光波相互疊加形成干涉現象。

• 工作原理深化： SR 測量的是反射光強度與波長的函數關係（反射光譜）。通過分析光譜中的峰值和谷值，並結合菲涅爾方程 (Fresnel Equations) 計算模型，即可精準反推出奈米薄膜厚度。

• 應用場景： 常用於測量單層或簡單多層的透明或半透明薄膜，如光阻、氧化層和氮化層。

  
  

2.2 橢圓偏振術 (Ellipsometry, EL)：光的偏振態測材料

• 物理基礎： EL 測量光波在反射（或透射）後偏振態的改變。這種改變對薄膜的厚度和光學常數（折射率 $n$ 和消光係數 $k$）極為敏感。

• 關鍵參數： 橢偏儀測量兩個基本參數：振幅比 $\Psi$ 和相位差 $\Delta$。其關係由反射係數比值決定：$$\tan(\Psi) e^{i\Delta} = \frac{r_p}{r_s}$$（$r_p$ 和 $r_s$ 分別為平行和垂直於入射面的反射係數。）

• 高階應用： 橢偏術能測量單原子層級的極薄膜，特別適用於測量 High-k 或 Low-k 材料的材料組成和薄膜的非均勻性。

三、 進階應用：光學關鍵尺寸 (OCD) 與散射法

隨著線寬遠小於可見光波長，傳統光學成像已無法直接測量。OCD 技術應運而生，突破了衍射極限。

3.1 OCD (Scatterometry)：突破衍射極限的 3D 結構測量

• 原理： 當光線射向週期性奈米結構（例如光柵），光波與結構交互作用後會產生散射現象，散射光的強度和角度分佈包含了結構的幾何信息。

• 模型擬合與 3D 結構： OCD 測量散射光譜，並利用複雜的計算機模型（如 RCWA, Rigorous Coupled Wave Analysis）進行逆向模型擬合。

• 戰略價值： 通過模型擬合，可同時提取出多個關鍵尺寸（CD、側壁角度、圓角半徑），是目前量產中最可靠的 FinFET、GAA 等複雜奈米結構形貌測量的晶圓量測技術。

四、 總結與挑戰：3D 形貌測量與本土技術銜接

這些主流的光學量測技術（SR, EL, OCD）構成了現代半導體製造的基石。然而，隨著製程尺寸不斷縮小，它們也面臨新的挑戰：模型準確性、新材料參數難以建立，以及缺乏直接的 3D 表面形貌數據。

4.1 突破挑戰：以白光干涉為核心的本土解決方案

傳統光譜量測主要關注薄膜的垂直厚度，但對於複雜的 3D 結構、微凸塊 (Micro-bump) 或表面粗糙度，則需要更高解析度的形貌測量。

和全豐光電（Bueno Optics）的核心技術，如 3D 白光干涉量測儀，正是針對這一痛點的實用解決方案：

• 技術對應： 白光干涉法（White Light Interferometry）屬於進階光學測量，它利用寬頻光干涉的原理，在非接觸的前提下，實現奈米級的垂直解析度，精準測量晶圓表面的高度、形貌和粗糙度。

• 製程價值： 這項技術在先進封裝（如 CoWoS 的 RDL 結構）、微機電系統（MEMS）以及光刻後的光阻結構測量中至關重要，提供了主流 SR/EL 技術無法提供的三維形貌數據。

  
  

透過像全豐光電這樣掌握高階光學技術的企業，將 SR、EL 等基礎技術與 3D 形貌測量結合，才能為複雜的奈米製程提供全面的晶圓量測解決方案。