OM 光學顯微鏡

Optical Microscopy

光學顯微鏡(Optical Microscope, OM)是透過可見光照射樣品表面,利用可見光對樣品表面進行照射,透過反射、散射與光學對比差異,快速揭露元件、材料與結構的宏觀形貌,提供後續分析的重要基準點。在故障分析、製程開發與材料研究流程中,OM 是 第一線的觀察工具,協助工程師以最短時間掌握樣品整體狀況,並決定後續是否需要進入 SEM、FIB 或 TEM 等更高解析技術。

OM 技術原理
可見光成像、光學繞射極限與解析度特性

光學顯微鏡利用 可見光(波長 400–700 nm) 進行照射,當光線與樣品表面互動產生反射或散射,就會形成不同的影像對比。然而,可見光的波長較長,因此 OM 的理論解析度(即兩點能被分辨之最小距離)僅約 0.2 μm,這也使 OM 的 最高有效放大倍率約為 1000X,OM 的功能不在「解析奈米細節」,而在「迅速取得完整的宏觀結構狀況」,是所有深入分析的起點。

 

  • 雖然解析度不及電子顯微鏡(SEM/TEM),,但 OM 擁有顯著的優勢:
  • 視野大:能快速掃描大面積區域,是判斷製程一致性與大範圍缺陷的最佳工具。
  • 高速度:適合做量產監控、製程比對及失效定位。
  • 高容忍度:適用於金屬層、矽片、封裝體、PCB、截面、Delayer 等多種樣品。
  • 非破壞性:不需真空、不需金屬鍍膜,能在樣品原始狀態下快速進行觀察。
OM 分析應用
從材料、截面到製程診斷的關鍵工具

光學顯微鏡(OM)雖無法解析奈米尺度細節,但其 高視野、高速度、低破壞性與高容忍度 的特性,使其成為電子、半導體與材料領域最常使用、最具即時性價值的觀察方式。以下為 OM 在產業中最具代表性的分析用途與工程場景說明:

 

1. 截面結構觀察(Cross-section Analysis)

截面製備後透過 OM,可清楚觀察樣品的整體結構排列與界面行為,是封裝、PCB、模組與材料工程最常用的初步結構檢查方法。

 

可觀察內容 應用情境
  • 金屬層厚度:比對設計規格、確認鍍層均勻性與製程穩定度。
  • VIA / TSV 結構完整性:檢查填孔完整度、側壁形貌、銅柱或通孔是否有空洞、偏移或收縮。
  • 焊料形貌與潤濕行為:評估焊點是否均勻、是否出現 Voids、IMC 層(介金屬化合物)是否異常。
  • 封裝界面觀察:包含:die attach 面、molding 充填、underfill 分布等。
  • 材料間脫層、裂縫與破壞行為:用於定位失效位置,判斷機械 / 熱應力造成之損傷。
  • 封裝(Package)開發與結構驗證

  • PCB/PCBA 焊點品質檢查

  • WLCSP、BGA、QFN 的封裝檢查

  • RA 可靠度後的結構破壞分析(Drop、TC、HTS 後)

2. IC 去層次(Delayer)結構確認

Delayer 分析(平面式去層次)是在不破壞晶片運作邏輯的前提下,逐層去除金屬與介電層以觀察內部電路結構,OM 是 IC 分層分析中最重要的初步觀察與流程監控工具。

 

可觀察內容 應用情境
  • 金屬層佈局(Metal Routing):確認每一層金屬是否如設計排列、是否有斷線、短路、燒毀與偏蝕。
  • 電路完整性(Integrity Check):確保去層過程沒有造成破壞,並確認待分析位置是否正確。
  • 製程殘留(Process Residue)或乾蝕刻異常:如 polymer 殘留、殘膜沒清潔乾淨、局部腐蝕等。
  • 大面積缺陷定位:過電壓導致的燒毀、金屬遷移(Electromigration)造成的 hotspot、金屬開路、黑化、燒焦
  • IC 設計驗證、競品比較
  • 故障分析(FA)定位開路 / 短路異常
  • 製程比對或批次差異分析
  • ESD、EOS、Latch-up 失效後的初步定位

3. Precipitate Free Zone(PFZ)分析

PFZ 是金屬材料(如鋁合金)在熱處理或應變後,於晶界附近出現的析出物空乏區,是金屬材料工程的重要參數,用於判斷熱處理影響與材料劣化。

 

可觀察內容 應用情境
  • PFZ 的寬度與分布
  • Al 合金微觀組織變化
  • 析出物對材料強度、延展性與可靠度之影響
  • 鋁線(Al Wire)接合(Wire Bond)評估
  • 封裝材料可靠度分析

  • 鋁金屬沉積製程品質監控

  • 熱處理後結構變化評估

  • 長期可靠度試驗(HTS、HTOL、Burn-in)後材料劣化

4. 差排線、蝕刻異常與晶體缺陷觀察

OM 能迅速辨識晶體成長、熱處理或蝕刻製程造成的表面缺陷,是晶圓前段製程(FEOL)與材料研究的重要檢查項目。

 

可觀察內容 應用情境
  • 差排線:來自晶體生長缺陷或應力造成之錯位。
  • 過蝕刻(Over-etch)導致的凹痕與形貌變化:反映乾蝕刻、濕蝕刻製程是否正常。
  • 製程殘痕、表面輪廓(Profile):用於確認蝕刻速率、側蝕(Undercut)、刻蝕均勻度等。
  • 晶體破裂、滑移(Slip)、鍍層剝離等宏觀缺陷
  • 晶圓 FEOL 製程監控

  • 材料熱處理失效機制分析

  • RA 可靠度後晶體破壞確效

  • 高溫應力造成之晶體滑移觀察

5. 氧化疊差(Oxidation Induce Stacking Fault, OISF)研究

氧化疊差是在高溫氧化製程中,因雙晶缺陷或晶體缺陷擴散所產生的 stacking faults。OM 能清楚呈現氧化疊差的分布與擴散輪廓,是矽晶圓材料的重要品質指標,用於生長與氧化製程分析。

 

可觀察內容 應用情境
  • OISF 環的位置與半徑
  • 缺陷擴散行為
  • 晶圓氧化步驟造成的位錯變化
  • SOI 與特殊基板之缺陷分布
  • 矽晶圓來料品質檢驗

  • 氧化製程改善評估

  • 矽材料供應商比較

  • SOI(Silicon On Insulator)材料分析

閎康科技 OM 設備能力
支援多模態光學成像,滿足不同材料與製程需求

閎康科技配置多款 OM 光學顯微鏡,覆蓋從低倍率大視野觀察,到高倍率細微結構辨識的完整成像能力,可深入呈現材料結構、表面形貌與製程特徵,滿足半導體、封裝、材料工程等不同領域的觀察需求。

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

  • 圖|(a) Metal (b) Poly (c) OD/AA

倍率 倍率範圍 應用
50–1000X 高倍率,用於 IC 去層次、金屬層結構、界面觀察、微小缺陷檢測(如 over-etch、IMD 異常等)。 高解析度結構比對、微小缺陷與製程異常定位、Delayer 精細層分析
100–500X 中高倍率,用於 PCB/PCBA 焊點、封裝界面、薄膜厚度與金屬分布分析。 焊點 IMC、封裝界面、金屬層與導線形貌
40–200X 中倍率,用於晶粒分析、Delayer 分層位置確認、初步結構檢查。 結構分層確認、晶粒分析、蝕刻輪廓掃描
5–75X 低倍率大視野,用於外觀檢查、截面掃描、晶圓破裂、封裝剝離等宏觀缺陷定位。 外觀檢查、截面大視野、封裝破壞、晶圓瑕疵掃描
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