先進封裝之非破壞量檢測技術發展與應用趨勢

前言：檢測技術成為先進封裝的關鍵瓶頸

根據國際半導體產業協會（SEMI）2025 年 7 月的預測報告 [1]，2024 年全球半導體製造設備總銷售額達 1,169 億美元，預計 2025 年將成長至 1,255 億美元，年增率 7.4%。其中，檢測與量測設備的比重持續上升，顯示先進製程與封裝的良率控制需求快速提升。在 CoWoS、InFO 及 SoIC 等高密度整合技術推動下，封裝結構已由平面式轉向多層異質堆疊。此發展不僅增加了對層間鍵合與對位精度的要求，也使傳統破壞式分析方法無法滿足即時製程監控需求。非破壞檢測與疊層量測的整合技術（NDT+Overlay Metrology Integration）因此成為確保晶片可靠度與製程穩定度的關鍵解方。

伴隨晶片尺寸縮小與整合層數倍增，封裝後段製程的可觀測性逐漸成為限制產能提升與良率改善的主要瓶頸。從設計導入（Design-in）到製程監測（In-line Metrology），量測精度已直接影響晶片間互連的一致性與信號完整性（Signal Integrity）。特別是在異質堆疊（Heterogeneous Integration）架構中，任何層間對位誤差或鍵合空洞都可能導致電性不匹配或熱傳導不均，進而影響高頻封裝模組（如 HBM 與 AI 加速器）之效能穩定性。過去封裝製程的檢測主要依賴離線抽樣與破壞式截面分析（如 FIB 或 SEM），雖能提供高解析度影像，但無法即時回饋製程異常。隨著產線自動化與資料化的推進，產業界逐漸轉向以非破壞式量測（NDT）結合 AI 分析為核心的新一代智慧檢測架構。紅外穿透成像、聲學顯微鏡、太赫茲反射光譜與 X-ray CT 等技術的結合，使得封裝內部結構得以三維化重建與即時監控。

半導體封裝疊對計量技術的演進與創新

1. 紅外光學與多波長量測技術

可見光疊層量測受限於厚矽基板的不透明性，而紅外光學（Infrared Optical Metrology）能在 1–5μm 波段內穿透矽材料。Goto 等人 [2] 開發的紅外疊層量測系統在晶圓鍵合後即可即時檢測對位誤差，其重複性誤差低於 5nm，展現優異的精度與可靠性。

此外，多波長快照衍射（Multi-spectral Snapshot Diffraction）與光譜分析法可有效降低層間干涉與變形誤差。Levinski 等人 [3] 透過光譜分析疊層方法提升量測穩健性，而 Chen 等人 [4] 以快照衍射技術實現高通量疊層檢測，已應用於 3D NAND 與混合鍵合製程中。

2. AI 輔助的目標定位與形狀擬合

隨著封裝結構幾何愈趨複雜，傳統邊緣偵測難以應對微小變形。Wang 等人 [5] 提出結合深度學習與形狀擬合的亞像素演算法，可自動辨識多層對位標靶之形變中心，定位誤差低於 10nm。Grechin 等人 [6] 則將人工智慧導入影像式疊層計量（Imaging-based Overlay），成功抑制雜訊並校正非線性偏移，已在實際封裝製程中達成 10nm 等級的對準精度。

3. 虛擬計量與智慧採樣控制

虛擬計量（Virtual Metrology, VM）結合統計建模與機器學習，可在未實際量測的情況下預測疊層誤差與製程異常。Tin 等人 [7] 於 2021 年提出可行性架構，後續 Van Dijk 等人 [8] 進一步拓展至智慧採樣（Smart Sampling）與異常檢測（Excursion Detection），顯示其可顯著降低量測成本並提升良率。

DOI:10.30256/JIM.202601_(514).0011