發稿日期：112年4月26日
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為提升臺灣在智慧製造的核心技術能力，國科會積極推動次世代智慧製造關鍵技術之研發。在國科會長期支持下，國立臺灣大學機械系陳亮嘉教授帶領跨域、跨國研發團隊，成功運用自動化光學技術創新、高精密量測平台、光機設備核心技術、人工智慧AI演算法等，建立半導體自動光學檢測技術聯盟團隊，專精於先進自動化光學檢測產業及其它精密工業之線上自動光學檢測設備之研發，同時整合產、學、研發展創新之「半導體封裝製程線上智能化自動光學檢測關鍵檢測系統」，以創新光學量測原理為基礎，運用深紫外寬頻光源作為光學偵測，藉機器學習演算進行反向優化最佳化，針對多項關鍵尺寸量測突破技術瓶頸，其開口尺寸可達到次微米、深寬比達15倍之境界，超越世界半導體先進封裝界所需之技術指標。
技術缺口形成全球競爭關鍵突破所在
隨著半導體產業的發展，帶動積體電路持續往更小的尺寸發展，各項技術不斷地推陳出新。在 IC 封裝的立體化趨勢中，其中特別具有挑戰性的量測對象是 3D 封裝與 3D ICs 的核心要角-矽穿孔 (through silicon via, TSV)。矽穿孔為先進封裝中的關鍵技術，被用於實現晶片間的垂直整合。其製程初期的蝕刻階段會在矽基板上形成數量極多且高深寬比的盲孔，而盲孔的深度、直徑、側壁粗糙度、甚至孔底形貌等，都會直接影響成品的導電特性以及製程良率優劣。這些關鍵尺寸都是TSV 製程中在線上進行快速量測的重要特徵。而這些直徑僅達微米甚至次微米等級，其深寬比又普遍大於 10 倍的細長孔，目前一線的量測技術均已難以獲得令人滿意的量測能力與效率。根據SEMI未來5年的技術需求預測，次微米孔之深寬比會繼續增加到 15 倍，甚至更高，其進階的線上量測技術已成為全球一線半導體業者迫切需要的關鍵技術突破項目，更是台灣發展關鍵自主量測技術與設備的重要時刻。
突破量測技術瓶頸之嶄新光學技術發展
目前業界多採用掃描式電子顯微鏡對矽穿孔的橫切面進行關鍵尺寸量測，其對樣品具破壞性且相當耗時。為克服目前對於矽穿孔製程控制的挑戰，研究團隊提出嶄新的AI-powered光學量測技術，開發出可深入高深比盲孔的創新光機架構，以物理光學模擬為基礎及AI深度學習優化等技術的整合，突破習用光學技術受結構深寬比的限制，可高速偵測出高深比盲孔的多項精密關鍵尺寸資訊。
AI-powered光學量測技術以光譜反射法及散射量測法為基礎，其技術優勢在於運用雷射寬頻光源作為光學偵測方式，以所開創之演算方式進行AI深度學習之反向優化最佳化工程，深具發展創新性光學演算法之優勢， 在最小可量測孔徑與最大可量測深寬比已有技術突破，具體發展出數套創新性光學關鍵尺寸量測(OCD)系統與技術，目前已可達到世界上領先的微米級矽穿孔關鍵尺寸之量測能力，並獲得實際結果之驗證，系統可以即時量測多個關鍵尺寸資訊，其深度量測的訊噪比 (SNR) 與使用非同調光源的情況相比，實際驗證可提升約28 倍，已達領先世界的技術水準。研究成果已申請台灣發明專利及美國專利，同時在設備合作開發方面，已獲得多家國內自動光學檢測設備廠商多年期產學合作計畫以及技術轉移。
技轉接棒產品化、業界實例驗證，進行產品與技術落地最後一哩路
研究團隊整合台大、陽明交大、台科大以及北科大、國研院台灣儀器科技研究中心、國際一線半導體製造廠商，以及致茂電子、均豪精密、揚明光學等廠商，發展多項具突破性量測技術與系統。目前陸續獲國內一線的半導體業者之實例驗證測試機會，在設備合作開發方面已獲數家設備商多年期產學合作以及先期技術轉移，所開發深紫外量測模組將與超精密晶圓量測平台進行整合，以進場域測試。此關鍵技術的突破將可為我國高科技產業帶來雄厚的競爭力，使台灣半導體科技產業在國際上的優勢地位將愈形鞏固。
參考資料：
1. Wilson Chien, Komal Thakur, Guo-Wei Wu, Fu-Sheng Yang, Liang-Chia Chen,” New critical dimension optical metrology for submicron high-aspect-ratio structures using spectral reflectometry with supercontinuum laser illumination,” SPIE Europe 2022.
2. Wei-Hsin Chein, Komal Thakur, Fu-Sheng Yang, Zi-Ying Fu, and Liang-Chia Chen,” DUV optical microscopy for measuring high-aspect-ratio sub-micron structures,” ASPEN 2022.
3. Zih-Ying Fu, Wei-Hsien Chien, Fu-Sheng Yang, Liang-Chia Chen*, “Artificial-neural-network-assisted DUV scatterometry for OCD on HAR sub-micron structures,” SPIE Metrology, Inspection, and Process Control XXXVII, AL23 SPIE Advanced Lithography + Patterning, 2023.
4. Fu-Sheng Yang, Zih-Ying Fu, Liang-Chia Chen*, “AI-guided OCD metrology for single HAR sub-micron via measurement,” SPIE Metrology, Inspection, and Process Control XXXVII, AL23 SPIE Advanced Lithography + Patterning, 2023.
5. Wei-Yun Lee, Liang-Chia Chen*, “AI-guided optical-model-based superresolution for semiconductor CD metrology,” SPIE Metrology, Inspection, and Process Control XXXVII, AL23 SPIE Advanced Lithography + Patterning, 2023.
合影左起為國立臺北科技大學製造科技研究所何昭慶教授、國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心陳峰志副主任、國立臺灣大學機械工程學系陳亮嘉教授、國科會工程處李志鵬處長、致茂電子股份有限公司事業部鄭子彥副總經理、致茂電子股份有限公司事業部翁義龍處長及國立臺灣大學工業工程學研究所藍俊宏副教授
