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OM 光学显微镜

Optical Microscopy

光学显微镜(Optical Microscope, OM)是透过可见光照射样品表面,利用可见光对样品表面进行照射,透过反射、散射与光学对比差异,快速揭露元件、材料与结构的宏观形貌,提供后续分析的重要基准点。在故障分析、制程开发与材料研究流程中,OM 是 第一线的观察工具,协助工程师以最短时间掌握样品整体状况,并决定后续是否需要进入 SEM、FIB 或 TEM 等更高解析技术。

OM 技术原理
可见光成像、光学绕射极限与解析度特性

光学显微镜利用 可见光(波长 400–700 nm) 进行照射,当光线与样品表面互动产生反射或散射,就会形成不同的影像对比。然而,可见光的波长较长,因此 OM 的理论解析度(即两点能被分辨之最小距离)仅约 0.2 μm,这也使 OM 的 最高有效放大倍率约为 1000X,OM 的功能不在「解析纳米细节」,而在「迅速取得完整的宏观结构状况」,是所有深入分析的起点。

 

  • 虽然解析度不及电子显微镜(SEM/TEM),,但 OM 拥有显著的优势:
  • 视野大:能快速扫描大面积区域,是判断制程一致性与大范围缺陷的最佳工具。
  • 高速度:适合做量产监控、制程比对及失效定位。
  • 高容忍度:适用于金属层、硅片、封装体、PCB、截面、Delayer 等多种样品。
  • 非破坏性:不需真空、不需金属镀膜,能在样品原始状态下快速进行观察。
OM 分析应用
从材料、截面到制程诊断的关键工具

光学显微镜(OM)虽无法解析纳米尺度细节,但其 高视野、高速度、低破坏性与高容忍度 的特性,使其成为电子、半导体与材料领域最常使用、最具即时性价值的观察方式。以下为 OM 在产业中最具代表性的分析用途与工程场景说明:

 

1. 截面结构观察(Cross-section Analysis)

截面制备后透过 OM,可清楚观察样品的整体结构排列与界面行为,是封装、PCB、模组与材料工程最常用的初步结构检查方法。

 

可观察内容 应用情境
  • 金属层厚度:比对设计规格、确认镀层均匀性与制程稳定度。
  • VIA / TSV 结构完整性:检查填孔完整度、侧壁形貌、铜柱或通孔是否有空洞、偏移或收缩。
  • 焊料形貌与润湿行为:评估焊点是否均匀、是否出现 Voids、IMC 层(介金属化合物)是否异常。
  • 封装界面观察:包含:die attach 面、molding 充填、underfill 分布等。
  • 材料间脱层、裂缝与破坏行为:用于定位失效位置,判断机械 / 热应力造成之损伤。
  • 封装(Package)开发与结构验证

  • PCB/PCBA 焊点品质检查

  • WLCSP、BGA、QFN 的封装检查

  • RA 可靠度后的结构破坏分析(Drop、TC、HTS 后)

2. IC 去层次(Delayer)结构确认

Delayer 分析(平面式去层次)是在不破坏芯片运作逻辑的前提下,逐层去除金属与介电层以观察内部电路结构,OM 是 IC 分层分析中最重要的初步观察与流程监控工具。

 

可观察内容 应用情境
  • 金属层布局(Metal Routing):确认每一层金属是否如设计排列、是否有断线、短路、烧毁与偏蚀。
  • 电路完整性(Integrity Check):确保去层过程没有造成破坏,并确认待分析位置是否正确。
  • 制程残留(Process Residue)或干蚀刻异常:如 polymer 残留、残膜没清洁干净、局部腐蚀等。
  • 大面积缺陷定位:过电压导致的烧毁、金属迁移(Electromigration)造成的 hotspot、金属开路、黑化、烧焦
  • IC 设计验证、竞品比较
  • 故障分析(FA)定位开路 / 短路异常
  • 制程比对或批次差异分析
  • ESD、EOS、Latch-up 失效后的初步定位

3. Precipitate Free Zone(PFZ)分析

PFZ 是金属材料(如铝合金)在热处理或应变后,于晶界附近出现的析出物空乏区,是金属材料工程的重要参数,用于判断热处理影响与材料劣化。

 

可观察内容 应用情境
  • PFZ 的宽度与分布
  • Al 合金微观组织变化
  • 析出物对材料强度、延展性与可靠度之影响
  • 铝线(Al Wire)接合(Wire Bond)评估
  • 封装材料可靠度分析

  • 铝金属沉积制程品质监控

  • 热处理后结构变化评估

  • 长期可靠度试验(HTS、HTOL、Burn-in)后材料劣化

4. 差排线、蚀刻异常与晶体缺陷观察

OM 能迅速辨识晶体成长、热处理或蚀刻制程造成的表面缺陷,是晶圆前段制程(FEOL)与材料研究的重要检查项目。

 

可观察内容 应用情境
  • 差排线:来自晶体生长缺陷或应力造成之错位。
  • 过蚀刻(Over-etch)导致的凹痕与形貌变化:反映干蚀刻、湿蚀刻制程是否正常。
  • 制程残痕、表面轮廓(Profile):用于确认蚀刻速率、侧蚀(Undercut)、刻蚀均匀度等。
  • 晶体破裂、滑移(Slip)、镀层剥离等宏观缺陷
  • 晶圆 FEOL 制程监控

  • 材料热处理失效机制分析

  • RA 可靠度后晶体破坏确效

  • 高温应力造成之晶体滑移观察

5. 氧化叠差(Oxidation Induce Stacking Fault, OISF)研究

氧化叠差是在高温氧化制程中,因双晶缺陷或晶体缺陷扩散所产生的 stacking faults。OM 能清楚呈现氧化叠差的分布与扩散轮廓,是硅晶圆材料的重要品质指标,用于生长与氧化制程分析。

 

可观察内容 应用情境
  • OISF 环的位置与半径
  • 缺陷扩散行为
  • 晶圆氧化步骤造成的位错变化
  • SOI 与特殊基板之缺陷分布
  • 硅晶圆来料品质检验

  • 氧化制程改善评估

  • 硅材料供应商比较

  • SOI(Silicon On Insulator)材料分析

闳康科技 OM 设备能力
支援多模态光学成像,满足不同材料与制程需求

闳康科技配置多款 OM 光学显微镜,覆盖从低倍率大视野观察,到高倍率细微结构辨识的完整成像能力,可深入呈现材料结构、表面形貌与制程特征,满足半导体、封装、材料工程等不同领域的观察需求。

  • 图|(a) 50-1000X (b) 100-500X / 40-200X / 5-75X (c)50-1000X 

  • 图|(a) Metal (b) Poly (c) OD/AA

倍率 倍率范围 应用
50–1000X 高倍率,用于 IC 去层次、金属层结构、界面观察、微小缺陷检测(如 over-etch、IMD 异常等)。 高解析度结构比对、微小缺陷与制程异常定位、Delayer 精细层分析
100–500X 中高倍率,用于 PCB/PCBA 焊点、封装界面、薄膜厚度与金属分布分析。 焊点 IMC、封装界面、金属层与导线形貌
40–200X 中倍率,用于晶粒分析、Delayer 分层位置确认、初步结构检查。 结构分层确认、晶粒分析、蚀刻轮廓扫描
5–75X 低倍率大视野,用于外观检查、截面扫描、晶圆破裂、封装剥离等宏观缺陷定位。 外观检查、截面大视野、封装破坏、晶圆瑕疵扫描
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