最小横向偏摆的光学 Z 轴扫描

1. 应用背景

半导体晶圆与大面积平面显示器（FPD）基板的表面平坦度检测，是先进封装与显示器制造中制程管控的关键步骤。奈米等级的局部高度变化、翘曲与段差，直接影响后段制程良率——例如先进封装中混合键合（hybrid bonding）与晶粒对晶圆（die-to-wafer）贴放所要求的平坦度容差，或 FPD 微影的对焦裕度预算。

没有任何表面是完美的。奈米尺度的局部高度变化、翘曲与段差，是半导体制造中必须面对的常见缺陷。为了长期维持制程稳定性，随着特征间距（pitch）持续缩小，往往必须量测每一片基板的个别缺陷，以便在后续制程步骤中加以修正。当追求越来越小的结构时，混合键合、先进封装的晶粒对晶圆贴放、或 FPD 微影等制程，都需要可靠且精密的量测方法来量测表面形貌。

表面平坦度量测通常以干涉式或共轭焦显微技术进行：由一座精密 Z 轴平台带动物镜扫过对焦或干涉条纹扫描范围，光学系统同步记录表面形貌。因此，Z 轴平台直接决定了设备可达成的景深涵盖范围。更关键的是：透镜在 Z 扫描期间的任何横向移动或旋转，都会使被成像基板区域的影像产生随位置变化的偏移——从而制造出与真实表面特征无法区分的形貌假影。因此，带动透镜系统的致动器必须具备完美的 Z 轴直线运动。

2. 定位需求

在这个 OEM 检测平台案例中，五项参数被列为硬性限制：

参数	规格
Z 轴行程	500 μm
Z 轴定位解析度	≤ 5 nm
绕 X／Y 轴倾斜角（Tip／Tilt），全 Z 行程	≤ 5 μrad
基板平面横向（XY）偏摆，全 Z 行程	≤ 50 nm
标准 MIPOS 之横向偏摆（参考值）	≤ 350 nm

500 μm 的 Z 行程由受检基板的总厚度变异（TTV）与翘曲决定。5 nm 的 Z 解析度，是为了让定位器不会在光学量测的杂讯底线之上引入量化误差造成的假影。50 nm 的横向偏摆上限，则由检测感测器的光学像素尺寸与客户所允许的量测不确定度范围设定——超过此门槛，Z 扫描期间成像区域的横向位移将主导高度图杂讯。

作为参考：标准 MIPOS 500 在相同 Z 行程下的横向偏摆约为 350 nm——对显微镜自动对焦完全足够，但约为此检测应用可容忍值的 7 倍。

3. OEM 客制优化

为了在保有完整 500 μm Z 行程与 ≤5 nm Z 解析度的前提下达成 50 nm 横向偏摆目标，piezosystem jena 在两个层面实施了针对性改进。

3.1 机构设计

标准 MIPOS 500 的一体成形挠性导引机构，以「寄生运动最小化」为首要目标、透过有限元素分析重新设计。修改涵盖：平行四边形挠性对的对称性与刚性比、绕寄生（离轴）轴的旋转刚性、以及移动部件的质量平衡，以降低 Z 平移与 X/Y 偏移之间的离轴耦合。目标是把主要的横向与旋转误差压到远低于客户允许的量测不确定度范围。此外，亦采用对加工公差较不敏感的设计参数，以降低固态铰链加工差异的影响。

3.2 制造流程

与外部供应商的长期伙伴关系建立了充分互信，得以导入新的加工制程来缩小加工公差。这带来：线切割放电加工（wire-EDM）挠性结构更严格的几何公差、更精准的压电叠层配对筛选以最小化迟滞不对称性、以及搭配制程中量测的受控组装程序，确保一致的轴向预压，并将残留的横向偏移降至最低。全数检验（100%）验证了标准制造条件下的高良率与制程稳定性，确认此设计具有良好的制造稳定性与可靠度。

4. 验证方法

每一台 OEM 单元出货前，都以两套独立的干涉量测基准进行验证：

• 迈克生干涉仪（Z 轴）：采用以稳频 HeNe 雷射为基准的迈克生干涉仪，量测全 500 μm 行程的指令位置与实际 Z 轴位移，验证次奈米等级的线性度、重现性与解析度，可溯源至雷射波长。
• 白光（低同调）干涉仪（横向偏摆）：透过安装于 MIPOS 上的物镜对一片校准平坦基板成像，在全 Z 行程中追踪表面特征，于多个 Z 设定点提取基板平面的横向位置，以行程中的最大横向偏移作为 XY 偏摆数值。选用白光干涉而非单色条纹分析，是因为宽频同调包络可在长 Z 范围内消除 2π 相位模糊，并可直接取得参考表面的形貌资讯。

每台产品均随附实测验证纪录。

5. 总结

为此检测平台开发的 OEM 版 MIPOS 500，同时交付 500 μm Z 行程、5 nm Z 解析度、5 μrad 的绕 X／Y 轴倾斜角、以及基板平面 ≤50 nm 的横向偏摆——这是标准型录产品所没有的规格组合。此改进透过机构设计与制造流程的协同变更达成，并以可溯源的迈克生与白光干涉基准完成验证。其成果是一款客户可直接整合进晶圆与平面显示器平坦度测试设备的 Z 轴定位器，效能可预期、且有量测文件背书。