從矽到系統：半導體量測在製造流程中的關鍵角色

一、 晶圓量測：從品質監控到製程優化的核心戰略

在 3nm 甚至更精密的製程節點，晶圓上任何微小的偏差都可能導致電晶體效能下降甚至失效。因此，晶圓量測（Wafer Metrology，亦稱半導體計量學）已從單純的品質檢查，升級為確保良率 (Yield)、控制成本和縮短產品上市時間的核心戰略工具。

1.1 量測與良率的數學關係

計量學數據是建立製程控制模型（如 APC, Advanced Process Control）的基礎。例如，光刻後的線寬 (CD) 偏差 ΔCD 會直接影響電晶體的驅動電流 Ion​，進而影響電路時序和功耗。精準的晶圓量測能夠最小化這些製程可變性 (Process Variation)，直接服務於良率提升。

1.2 晶圓量測的雙重職責

• 製程監控 (Monitoring)： 確保製程參數（如薄膜厚度、刻蝕深度）在規定的規格範圍內。

• 設備校正 (Correction)： 將量測數據即時反饋給製造機台，實現閉環控制 (Closed-Loop Control)，進行參數微調，這是製程控制的關鍵。

二、 晶圓半導體量測在關鍵製程中的應用細節

2.1 關鍵尺寸（CD）與圖案結構測量

CD 測量是晶圓量測中最具挑戰性的環節。它不僅要求測量平面線寬，還需要表徵複雜的 3D 結構。

• CD-SEM 的極限與優勢： CD-SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscope) 提供了高解析度圖像。然而，在測量高深寬比 (High Aspect Ratio) 的深槽結構或 FinFET/GAA 的側壁時，傳統 CD-SEM 容易受到電子束陰影效應影響。

  
  

• 散射法 (OCD) 的崛起： 光學散射測量 (Optical Critical Dimension, OCD) 透過分析晶圓表面的光散射光譜，結合模型擬合 (Model Fitting)，能夠快速且非接觸地提取出側壁角度、高度和線寬等多個參數，成為先進製程中不可或缺的晶圓量測技術。

2.2 疊對精度 (Overlay) 與光刻對準

疊對精度的偏差是導致多層結構短路或開路的主要原因。

• 測量原理： 利用專門設計的疊對靶（如 Box-in-Box, Bar-in-Bar），透過光學顯微或散射技術，精準量化上下兩層圖案的相對位移。

• 戰略價值： 疊對量測數據是直接用於調整光刻機（Scanner/Stepper）的重要輸入，是 製程控制系統的核心要素。

2.3 薄膜與材料分析

薄膜沉積（Deposition）和化學機械平坦化（CMP）需要精確的厚度和組成控制。

• 橢圓偏振術 (Ellipsometry)： 透過測量反射光偏振態的變化，精確測量奈米級薄膜的厚度和折射率。

• X 射線螢光分析 (XRF)： 快速且非破壞性地確定薄膜中的元素組成和濃度，對於摻雜和金屬化製程至關重要。

三、 技術進步：提升晶圓量測效率與智慧化

為應對摩爾定律帶來的數據量和精度挑戰，計量學正走向智慧化和整合化。

3.1 虛擬計量學 (Virtual Metrology, VM) 的實踐

虛擬計量利用 AI/ML 技術來處理大量的製程設備數據 (Equipment Data)。

• 核心價值： VM 通過訓練模型來預測工藝品質，顯著減少對物理晶圓量測的需求和等待時間（Time-to-Result），解決了傳統測量耗時性和經濟性的挑戰。

• 進階應用： 多步驟 VM 能夠整合上游製程的數據，進一步提高預測的準確性和魯棒性。

3.2 整合計量系統與即時控制

將半導體量測設備直接整合到製程機台中，實現 原位計量 (In-situ Metrology)。

• 優勢： 這種整合允許在製程進行中或剛剛結束時進行即時測量，為 製程控制 提供最快的回饋，是未來高階製造工廠的必然趨勢。

四、 結論：晶圓量測的未來挑戰與本土力量

隨著 3D IC 封裝、異質整合 (Heterogeneous Integration) 和極紫外光 (EUV) 光刻的普及，晶圓量測面臨的挑戰將進一步加劇，包括：極高深寬比結構的測量、隨機效應的量化、以及數據分析與模型複雜性。

4.1 本土力量：全豐光電（Bueno Optics）的解決方案

在應對這些挑戰方面，台灣本土企業如和全豐光電（Bueno Optics）扮演了關鍵角色。其核心技術精準對應了先進製程的量測需求：

• 應對 3D 結構測量 — 3D 白光干涉量測儀： 全豐利用3D 白光干涉技術，實現對半導體晶圓、精密模具及薄膜材料的微米級高度、形貌結構進行高精度、非接觸式的表面測量，解決了傳統方法對晶圓表面可能造成的損壞問題。

• 應對製程監控 — 智能晶圓厚度與輪廓量測： 針對晶圓研磨、減薄等環節，提供非接觸式電容感測系統，精準監控晶圓弓度、翹曲度及厚度均勻性，數據可直接用於 製程控制 的快速調整。

• 應對智慧化 — 自動化與數據整合： 設備具備全自動量測和 AI 智能邊界取點功能，提供自動化分析報告（SPC），使量測數據能穩定地串聯到機台和資料庫，完全符合虛擬計量 (VM) 和工業 4.0 的要求。

持續投資於如虛擬計量和高精度光學技術，是確保良率提升和維持技術領先的關鍵。這些本土技術的發展，不僅強化了台灣在半導體供應鏈中的韌性，也為全球的晶圓量測提供了高效率、高精度的實用解決方案。

敬請期待下一篇：《光學量測的基礎：奈米尺度的非接觸式探測》，我們將詳細解析半導體製造中最常用的非接觸式量測技術及其原理。