最小橫向偏擺的光學 Z 軸掃描

1. 應用背景

半導體晶圓與大面積平面顯示器（FPD）基板的表面平坦度檢測，是先進封裝與顯示器製造中製程管控的關鍵步驟。奈米等級的局部高度變化、翹曲與段差，直接影響後段製程良率——例如先進封裝中混合鍵合（hybrid bonding）與晶粒對晶圓（die-to-wafer）貼放所要求的平坦度容差，或 FPD 微影的對焦裕度預算。

沒有任何表面是完美的。奈米尺度的局部高度變化、翹曲與段差，是半導體製造中必須面對的常見缺陷。為了長期維持製程穩定性，隨著特徵間距（pitch）持續縮小，往往必須量測每一片基板的個別缺陷，以便在後續製程步驟中加以修正。當追求越來越小的結構時，混合鍵合、先進封裝的晶粒對晶圓貼放、或 FPD 微影等製程，都需要可靠且精密的量測方法來量測表面形貌。

表面平坦度量測通常以干涉式或共軛焦顯微技術進行：由一座精密 Z 軸平台帶動物鏡掃過對焦或干涉條紋掃描範圍，光學系統同步記錄表面形貌。因此，Z 軸平台直接決定了設備可達成的景深涵蓋範圍。更關鍵的是：透鏡在 Z 掃描期間的任何橫向移動或旋轉，都會使被成像基板區域的影像產生隨位置變化的偏移——從而製造出與真實表面特徵無法區分的形貌假影。因此，帶動透鏡系統的致動器必須具備完美的 Z 軸直線運動。

2. 定位需求

在這個 OEM 檢測平台案例中，五項參數被列為硬性限制：

參數	規格
Z 軸行程	500 μm
Z 軸定位解析度	≤ 5 nm
繞 X／Y 軸傾斜角（Tip／Tilt），全 Z 行程	≤ 5 μrad
基板平面橫向（XY）偏擺，全 Z 行程	≤ 50 nm
標準 MIPOS 之橫向偏擺（參考值）	≤ 350 nm

500 μm 的 Z 行程由受檢基板的總厚度變異（TTV）與翹曲決定。5 nm 的 Z 解析度，是為了讓定位器不會在光學量測的雜訊底線之上引入量化誤差造成的假影。50 nm 的橫向偏擺上限，則由檢測感測器的光學像素尺寸與客戶所允許的量測不確定度範圍設定——超過此門檻，Z 掃描期間成像區域的橫向位移將主導高度圖雜訊。

作為參考：標準 MIPOS 500 在相同 Z 行程下的橫向偏擺約為 350 nm——對顯微鏡自動對焦完全足夠，但約為此檢測應用可容忍值的 7 倍。

3. OEM 客製優化

為了在保有完整 500 μm Z 行程與 ≤5 nm Z 解析度的前提下達成 50 nm 橫向偏擺目標，piezosystem jena 在兩個層面實施了針對性改進。

3.1 機構設計

標準 MIPOS 500 的一體成形撓性導引機構，以「寄生運動最小化」為首要目標、透過有限元素分析重新設計。修改涵蓋：平行四邊形撓性對的對稱性與剛性比、繞寄生（離軸）軸的旋轉剛性、以及移動部件的質量平衡，以降低 Z 平移與 X/Y 偏移之間的離軸耦合。目標是把主要的橫向與旋轉誤差壓到遠低於客戶允許的量測不確定度範圍。此外，亦採用對加工公差較不敏感的設計參數，以降低固態鉸鏈加工差異的影響。

3.2 製造流程

與外部供應商的長期夥伴關係建立了充分互信，得以導入新的加工製程來縮小加工公差。這帶來：線切割放電加工（wire-EDM）撓性結構更嚴格的幾何公差、更精準的壓電疊層配對篩選以最小化遲滯不對稱性、以及搭配製程中量測的受控組裝程序，確保一致的軸向預壓，並將殘留的橫向偏移降至最低。全數檢驗（100%）驗證了標準製造條件下的高良率與製程穩定性，確認此設計具有良好的製造穩定性與可靠度。

4. 驗證方法

每一台 OEM 單元出貨前，都以兩套獨立的干涉量測基準進行驗證：

• 邁克生干涉儀（Z 軸）：採用以穩頻 HeNe 雷射為基準的邁克生干涉儀，量測全 500 μm 行程的指令位置與實際 Z 軸位移，驗證次奈米等級的線性度、重現性與解析度，可溯源至雷射波長。
• 白光（低同調）干涉儀（橫向偏擺）：透過安裝於 MIPOS 上的物鏡對一片校準平坦基板成像，在全 Z 行程中追蹤表面特徵，於多個 Z 設定點提取基板平面的橫向位置，以行程中的最大橫向偏移作為 XY 偏擺數值。選用白光干涉而非單色條紋分析，是因為寬頻同調包絡可在長 Z 範圍內消除 2π 相位模糊，並可直接取得參考表面的形貌資訊。

每台產品均隨附實測驗證紀錄。

5. 總結

為此檢測平台開發的 OEM 版 MIPOS 500，同時交付 500 μm Z 行程、5 nm Z 解析度、5 μrad 的繞 X／Y 軸傾斜角、以及基板平面 ≤50 nm 的橫向偏擺——這是標準型錄產品所沒有的規格組合。此改進透過機構設計與製造流程的協同變更達成，並以可溯源的邁克生與白光干涉基準完成驗證。其成果是一款客戶可直接整合進晶圓與平面顯示器平坦度測試設備的 Z 軸定位器，效能可預期、且有量測文件背書。