2025 年 3 月出版
科儀新知 第 242 期
人物專訪
卓越組織基業長青的領導人：國家同步輻射研究中心 – 徐嘉鴻主任 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林麗娥
半導體的量測技術與設備是驅動半導體開發出新薄膜製程、新材料與新結構發展的關鍵。緣此，《科儀新知》242 期推出「半導體製程檢測設備與 in-situ 技術」專題，介紹透過各式不同波長光源進行半導體領域相關的分析技術。光，是人類觀察及研究大自然最重要的工具。如有更新或更強的光源，更是可以開拓出嶄新的科學研究領域與促進大發現。國家同步輻射研究中心 (國輻中心) 同時擁有兩座頂尖的同步加速器光源設施 – 台灣光源 (Taiwan Light Source, TLS) 與台灣光子源 (Taiwan Photon Source, TPS)，是國家推動基礎科學研究的重要設施，以尖端的加速器光源分析技術，協助各界在材料、物理、化學、生醫等領域進行前瞻科學探索。本期人物專訪特別邀請國輻中心 – 徐嘉鴻主任，以其自身研究、管理經驗，與讀者分享同步光源在前瞻學術研究上的應用、台灣首座 X 光光束線建造過程以及未來國輻中心的營運規劃。
半導體製程檢測設備與 in-situ 技術
「半導體製程檢測設備與 in-situ 技術」專題介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
柯志忠
半導體量檢測技術與設備是驅動新穎薄膜製程、新材料與新結構等元件發展重要關鍵，因此國研院國家儀器科技研究中心 (國儀中心) 以推動臺灣半導體設備自研自製為重要使命，本專刊同時也呼應自動化學門「量測檢測及半導體設備」次領域研究主題，促成產學研界對半導體量檢測之認識及投入研發，因此國儀中心本期特藉由《科儀新知》專業科普平台，邀請敝人擔任客座主編規劃「半導體製程檢測設備與 in-situ 技術」專題，期集結各領域學者專家分享半導體領域分析技術，進一步拓展半導體量檢測研發之能見度。
隨著半導體元件發展，對於超薄元件形貌、成分與結構檢測要求日益增高，以 X-ray 檢測取得能譜分析、繞射與散射及影像技術，已成為檢測先進半導體材料之關鍵，因此擁有兩座頂尖同步加速器光源設施之國家同步輻射研究中心 (國輻中心) 成為國家推動基礎科學研究的研發基地，近來更利用加速器光源分析技術協助國內半導體進行前瞻材料探索。緣此，特別邀請國輻中心首位女性首長－徐嘉鴻主任，作為「人物專訪」受訪嘉賓。徐主任分享同步光源在前瞻學術研究上的應用、其參與臺灣首座 X 光光束線建造過程以及未來國輻中心的營運規劃。透過專訪，瞭解徐主任如何在研究與行政不斷轉換的職場環境中歷練出能力與經驗，成為卓越領導人持續帶領國輻中心基業長青。本專題同時收錄國輻中心鄭澄懋組長團隊及林智敏助理研究員等人文章，題目分別為「X 光光電子能譜技術之半導體電子結構分析及應用」及「X 光散射技術之半導體檢測應用」，簡介 X 光能譜技術協助產學界評估新穎半導體材料電子結構與應用潛力，而 X 光散射成像技術可以幫助解析細微結構，為潛在半導體材料關鍵尺寸之非破壞性檢測方法。
除收錄上述文章，本期亦邀請國立臺灣大學機械工程學系－陳亮嘉特聘教授團隊分享其「針對次微米級高深寬比微結構關鍵尺寸量測之創新式深紫外光波長掃描式散射術與系統」研究成果，提出結合 DUV 光譜式反射術與波長掃描瞳面影像散射術的混合量測系統以解決高深寬比結構帶來的挑戰。本次更邀請世界知名之流量控制器製造商 HORIBA Taiwan / 台灣堀場股份有限公司－志水徹資深工程師撰文分享「電漿和非電漿製程中 in-situ 製程監控技術」及介紹「線上即時監控前驅物與雜質的 NDIR 氣體監測儀」，兩篇文章講述目前半導體業界如何利用光譜技術進行半導體製程即時反應監測與控制。
國儀中心亦針對半導體臨場檢測技術，提出新興研究成果，包括：陳建維副研究員等人「原子級半導體製程整合 in-situ 檢測設備技術」為國內首建「極淺層成分分析與製程模組整合技術」，可在製程結束後於真空環境下將樣品傳遞至 XPS 分析腔體，可避免外界水氧氣等汙染樣品表面組成，並兼具角解析功能；林志豪副研究員「3D 光場成像技術於工業製程臨場檢測應用」一文，說明國儀中心所研發之技術可檢測傳統 PCB 與晶圓凸塊的立體結構，亦可修改現有設計製作原始平面解析度 2 μm，原始深度解析度 5 μm 的光場成像系統，預期可以用於檢測下世代的半導體封裝微凸塊結構，提供快速的產線全檢服務。
為了延續摩爾定律 (Moore's law) 產學研各界試著從設計、材料或設備等不同製程環節著手調整及精進。然而，每一步的微小變化都可能會影響晶片的性能，如何透過檢測技術針對晶片和元件進行微觀尺度上的準確評估和分析，進行品管與製程回饋調控變得十分重要。盼透過本期作者群深入淺出的介紹下，激發讀者與產業夥伴對半導體製程檢測設備之研究想法與啟發，共同維持臺灣半導體發展的競爭力、持續創新和提高產能。
針對次微米級高深寬比微結構關鍵尺寸量測之創新式深紫外光波長掃描式散射術與系統 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
楊福生, 林元琦, 吳旻儒, 洪彥鴻, 郭柏辰, 陳亮嘉
隨著半導體 3D 封裝技術的發展，進而使高深寬比 RDL 與 TSV 結構已經成為各層間關鍵訊號傳導通道，進而使市場上亟需一套完整的量測流程用於該類微結構之各項關鍵尺寸量測。本研究提出了一種結合 DUV 光譜式反射術與波長掃描瞳面影像散射術的混合量測系統來解決高深寬比結構帶來的挑戰。經與 FIB/SEM 量測結果相比，本團隊所提出的混合式量測策略於量測各項關鍵尺寸時的量測偏差皆小於 3%，確認本系統具備量測此類高深寬比微結構的量測能力。
X 光光電子能譜技術之半導體電子結構分析及應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
鄭澄懋, 莊子弘, 莊霈于
利用愛因斯坦於一百年前提出的光電效應所發展出的各種光電子能譜技術已經廣泛應用在各種半導體電子結構分析與特性檢測上，本文將介紹各種 X 光光電子能譜與顯微技術之原理與其應用在二維半導體與異質結構介面之電子結構量測。除此之外，對於電子具有的特殊自旋特性，其分析檢測方式也將一併介紹。
X 光散射技術之半導體檢測應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林智敏, 翁世璋
X 光散射技術 (X-ray scattering techniques) 涵蓋多種非破壞性 (non-destructive) 分析方法，被廣泛應用於材料的結構分析以及其物理和化學性質的研究。常見技術包括：X 光繞射 (X-ray diffraction, XRD)、小角與廣角 X 光散射 (small-/wide-angle X-ray scattering, SAXS/WAXS)、X 光反射率 (X-ray reflectivity, XRR)、X 光拉曼散射 (X-ray Raman scattering, XRS)、康普頓散射 (Compton scattering)，以及共振與非共振非彈性 X 光散射 (resonant/Nonresonant inelastic X-ray Scattering, RIXS/NRIXS) 等。根據散射過程中的能量轉移特性，這些技術可大致分為彈性散射 (elastic scattering) 和非彈性散射 (inelastic scattering)。本文將重點討論 X 光彈性散射技術在半導體檢測中的應用，這些技術主要針對材料的微結構分析，為半導體製程中的奈米尺度結構表徵提供關鍵資訊。
電漿和非電漿製程中 in-situ 製程監控技術 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
志水 徹
隨著半導體元件的小型化和製程的複雜化，in-situ 製程監控技術變得越來越重要。其中，蝕刻製程中的終點控制技術是最先進製程技術節點的關鍵技術之一。光學發射光譜 (OES) 作為電漿乾蝕刻的監測工具而廣為人知。本文介紹了 OES 技術及其在實際製程中的應用範例。也介紹了不依賴電漿發射光譜，而是在腔體排氣管路中使用副產物測量的最新製程監控技術。
線上即時監控前驅物與雜質的 NDIR 氣體監測儀 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
志水 徹
用載流氣體傳送前驅物蒸氣的方法稱為 bubbling method，在 CVD/ALD 製程穩定性上有時會遇到技術挑戰。為解決此問題，專門設計了一款線上 NDIR (nondispersive infrared) 氣體監測儀，用於監控商用化的前驅物及其所含的雜質。該研究針對兩種不同鋼瓶，觀察了前驅物與雜質的行為，包括閒置時間的影響。研究結果顯示，使用線上 NDIR 氣體監測儀監測前驅物，可得知於不同鋼瓶間的差異性及製程開始前的前驅物狀態和穩定所需的時間，幫助提高生產良率。
原子級半導體製程整合 in-situ 檢測設備技術 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
陳建維, 張展源
本技術將 X 射線光電子能譜儀 (X-ray photoelectron spectrometer, XPS) 結合原子層沉積系統 (atomic layer deposition, ALD)、原子層蝕刻系統 (atomic layer etching, ALE) 和快速高溫退火系統 (rapid thermal processing, RTP) 等先進製程模組，並搭配自主開發的晶圓傳輸系統，使樣品可於各模組間進行真空傳輸。除了具備設備自動化的優勢外，最主要目的是要最大程度避免晶片在送至分析腔體的傳送過程中與大氣接觸，利用高真空的條件排除外在環境對晶片表面可能產生的物理、化學或是其它汙染等影響，進而取得最接近樣品原始狀態的真實數據。我們在此平台上已驗證了低含氧 ALD 薄膜製程的開發，這是過往單機型的 ALD 設備在沉積此類對水氧高敏感的薄膜製程時難以突破的瓶頸。除此之外，包含薄膜的硫化、氟化、退火乃至電漿還原等製程也藉由與近臨場成分分析技術的搭配，得到高可靠度的化學能譜變化或是成分分析結果，而透過本技術與傳統非臨場分析方法的對照，在多項數據都呈現出此分析方法確實能克服部份環境的影響與干擾。
3D 光場成像技術於工業製程臨場檢測應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林志豪, 陳銘福, 林儀豪
光場包含光線平面位置與行進方向的資訊，可用於紀錄與還原待測物的三維形貌。本文介紹了光場成像系統架構、光學系統設計原理及物體深度偵測與三維影像還原的方法。和其他三維光學檢測技術相比，光場成像系統架構相對簡單，成本較低且拍攝速度快，但在某些光照環境下效果可能較不理想。以國儀中心自行建置的光場成像實體系統對 PCIE 卡 PIN 腳拍攝測試結果顯示：照明光源均勻性對深度偵測準確性有明顯影響，故國儀中心建置使用 Blender 光場成像模擬附加元件的模擬環境，以模擬不同光源環境的深度偵測之效果。光源於待測物表面產生的反射眩光會大幅影響深度偵測的準確度，但若使用額外的光學系統將光源成像在待測物表面上，則可降低光源對深度偵測的干擾。本文提出一個外部環形光源加上特殊內同軸照明的架構，內同軸照明模組使用均勻平面光源，此光源經主鏡頭前群成像在待測物上，除了可避免同軸光源的鏡像干擾深度偵測之外，還能避免和主鏡頭機構產生干涉。環形光源可照亮待測物表面的傾斜結構，以增加可拍攝待測物的種類。但若要進行更精準的特徵尺寸或缺陷檢測，仍需針對目標待測物的特性來客製設計與製作光源模組，以優化系統
偵測三維半導體封裝缺陷的效能。
科儀專欄
利用 Fabry-Pérot 雷射干涉儀實現線型馬達移動平台裝置之位移即時訊號補償回授控制 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林益呈, 曾奕凱
隨著半導體晶圓尺寸的逐漸增大，對高精度、大範圍運動控制的需求也顯著提升。本文利用德國 attocube 公司所生產的 IDS3010 雷射干涉儀進行線型馬達移動平台裝置的位移即時訊號補償回授控制。IDS3010 是基於 Fabry-Pérot 干涉儀原理的高精度位移測量裝置，其利用本身儀器內的感測探頭第一次反射及目標複歸反射器的第二次反射來形成一個干涉腔體，在目標物的移動之下多次反射雷射光所產生的相位差來計算其位移量。在即時補償方面，IDS3010 具備有量測數據即時輸出之功能，提供 HSSL、AquadB、Sin-Cosine、Linear Analog 及 Biss-C 五種輸出格式可自行選擇，可與市售的伺服馬達驅動器進行匹配，同時更具備高達 25 MHz 的數據輸出頻率，具備亞納米級分辨率，並且能在極高動態範圍內提供穩定的測量數據。相較於裝設在移動平台上的增量式光學尺，實驗結果顯示，若使用 IDS3010 雷射干涉儀作為即時補償回饋訊號來源時，可顯著提升移動平台的重複定位精度和精準度，對於半導體製程中的精密定位至關重要。
