摘要

在半導體制程線寬持續收窄、光電面板分辨率不斷攀升、先進封裝與精密鍍膜產業對膜層均勻性要求日益嚴苛的背景下，膜厚測量正經歷從“接觸式抽檢”到“非接觸式全檢”的范式轉移。本文系統梳理了非接觸式膜厚測量的基本概念與技術譜系，深入解析了反射光譜法、白光干涉法、共軛焦法及激光三角測距等主流光學量測技術的物理原理與適用邊界，并基于實際制程場景討論了技術選型的關鍵考量因素。文章指出，非接觸式膜厚測量的核心挑戰并非“如何測到”，而是“如何在不同材料、不同環境、不同速度下測得準、測得穩”——這要求技術選型從“唯精度論”回歸到對材料特性、環境干擾與系統整合的綜合評估。

關鍵詞：非接觸式測量；膜厚；反射光譜；白光干涉；光學量測；制程監控

1 引言：當“觸碰”成為風險

在精密制造的世界里，“測”與“傷”往往只有一線之隔。

過去數十年間，探針式輪廓儀、分厘卡、刮痕法——這些依賴物理接觸的測量工具——曾是膜厚表征的主力軍。然而，當產業界將產品尺寸推向微米乃至納米級別時，接觸式測量的局限性變得愈發尖銳：軟質涂層會被壓出痕跡，光學薄膜表面會留下刮傷，晶圓上的精密圖形可能因一次不慎的探針接觸而報廢。更關鍵的是，在高速自動化產線中，接觸式測量受限于機械運動速度，難以實現真正的全檢覆蓋。

非接觸式膜厚測量的價值由此凸顯。它不直接觸碰待測物，而是通過光學、電磁、聲學等物理原理獲取膜層信息。這種“光而不觸”的量測方式，不僅能降低樣品受損風險，更能滿足高速產線對即時監控與高頻采樣的需求。本文將從物理原理出發，系統解析非接觸式膜厚測量的技術譜系、應用邏輯與選型框架，為研發與品管人員提供一套可落地的決策參考。

2 非接觸式膜厚測量的基本概念與技術譜系

2.1 何為“非接觸”？

非接觸式測量，是指在不直接碰觸待測物的前提下，通過光學、電磁、電容或其他感測原理獲取物件物理參數的一類技術總稱。在膜厚測量領域，常見的非接觸技術路徑包括：

• 光學類：反射光譜法、白光干涉法、共軛焦法、激光三角測距、橢偏儀等

• 電磁類：渦電流法（適用于導電金屬材料）、電容式感測

• 聲學類：超聲波法（受溫度、濕度與空氣密度影響較大）

其中，光學類方法因其高精度、高速度和非材料接觸特性，成為半導體、光電面板與精密鍍膜產業的主流選擇。

2.2 一個容易被忽視的真相：非接觸≠萬能

需要特別留意的是，非接觸式測量雖然可應用于多種材料表面，但并不代表任何材質都能用同一種技術完成量測。

不同感測原理會受到材料導電性、透明度、反射率、表面粗糙度、膜層結構與環境條件的顯著影響。例如，渦電流感測主要適用于導電金屬材料；光學量測則需考量表面反射特性與光源干擾；電容式感測對環境潔凈度與介電特性較為敏感。因此，選擇非接觸式膜厚測量設備時，不能只看精度數字，更要回到實際材料、制程環境與檢測目的進行綜合評估。

3 核心光學量測技術的物理原理與適用邊界

3.1 反射光譜分析法（Reflectometry）：多層膜的“指紋解譯”

反射光譜分析法是目前膜厚測量領域應用廣泛的技術之一。其物理基礎是薄膜多光束干涉原理：當寬譜光垂直入射到薄膜表面時，在“空氣-薄膜”與“薄膜-基板”兩個界面處分別產生反射光，兩束反射光之間存在光程差 Δ = 2nd（n 為薄膜折射率，d 為膜厚）。這一光程差隨波長變化而產生干涉圖譜——干涉譜的振蕩頻率與膜厚直接相關，振蕩幅度則與折射率等光學常數相關。

技術優勢：

• 適合透明、半透明薄膜、多層膜與光學鍍膜分析

• 可同步解析膜厚、折射率 n 與消光系數 k

• 測量速度快，通常在秒級完成

關鍵限制：

• 需建立準確的光學模型；若膜層結構或材料參數設定不準，會影響判讀結果

• 對于厚度極薄（＜10nm）的薄膜，反射光譜振蕩周期不足，信息量受限

• 多層膜解析時，各層光學參數的耦合可能帶來擬合不確定性

在實務應用中，反射光譜法已能夠實現單層及復雜多層透明/半透明薄膜的絕對厚度、折射率與消光系數同步解析。部分先進設備甚至可對30層以上的復合多層結構進行實用解析。

3.2 白光干涉法（White Light Interferometry）：低相干性的“高精度標尺”

白光干涉法與反射光譜法共享干涉的物理基礎，但二者在信息處理邏輯上存在本質差異。與具有極長相干長度的單色激光不同，白光的相干長度極短（通常僅為微米量級）。這一特性使得白光干涉儀能夠精確定位光程差為零的位置——只有當參考光與樣品反射光的光程差小于相干長度時才會產生干涉條紋。

技術優勢：

• 適合固體表面、微結構、階高與表面粗糙度分析

• 具備三維表面形貌重建能力

• 垂直分辨率可達納米級

關鍵限制：

• 對振動、表面反射狀態與平臺穩定性較敏感

• 通常需搭配穩定的量測環境與隔震措施

• 對于高吸收或不透明膜層，反射信號可能不足

白光干涉法在半導體晶圓翹曲檢測、MEMS微結構形貌分析等場景中具有不可替代的優勢。

3.3 共軛焦技術（Confocal / Chromatic Confocal）：聚焦位置的“精準判官”

共軛焦技術的核心原理是只接收聚焦位置的有效光訊號。通過共焦針孔或色散鏡組，系統能夠精準判定表面高度、透明材料界面位置或微小階高。

技術優勢：

• 具備較高的垂直解析能力，適合高精度量測需求

• 對高反射表面和透明材料均具備良好的適應性

關鍵限制：

• 不同材料反射率與結構仍會影響訊號品質，不能視為不受材質限制

• 高倍率光學條件下景深范圍縮小，對環境震動敏感

3.4 激光三角測距法（Laser Triangulation）：大范圍位移的“快速反應部隊”

激光三角測距法的工作原理類似人眼的立體視覺——激光投射到物體表面形成光斑，接收端通過判讀光斑位置變化來計算距離或高度。

技術優勢：

• 適合較大工作距離與較快量測速度的制程

• 適用于多數不透明固體表面、機構件位移與高度差檢測

關鍵限制：

• 容易受到表面粗糙度、反射率、傾斜角度與雜散光影響

• 高反光、透明或低反射表面需重新評估光學條件

3.5 四大技術的綜合比較

4 從實驗室到產線：非接觸式膜厚測量的應用邏輯

4.1 精度與范圍的“取舍之道”

在自動化制程與精密工程設計中，量測精度與有效量測范圍往往需要取得平衡。當制程要求更高解析度或更細微的厚度變化判讀時，系統可容許的量測范圍、光學焦深與工作距離往往會隨之縮小。這不是單一設備的技術缺陷，而是光學量測在解析度、焦深、訊號穩定性與樣品表面條件之間的物理權衡。

因此，選擇非接觸式光學量測方案時，不建議只追求“大范圍”或“高精度”的單一規格，而應依照材料表面狀態、膜層厚度變化、產線速度與制程公差進行整體評估。

4.2 多層透明膜的挑戰：當反射信號來自“四面八方”

在晶圓、光學玻璃、手機面板與特種涂層制程中，多層透明或半透明薄膜的堆疊極為常見。這類結構的核心測量挑戰在于：不同界面會同時產生反射訊號。若量測系統無法有效區分訊號來源，就容易受到背面反射、雜散光或基板反光的影響，造成膜厚判讀不穩定。

實務中，降低干擾通常需要綜合施策：

• 光學幾何設計：通過特定入射角控制，減少非目標反射光的進入

• 寬譜光源與高分辨率光譜儀：提升光譜信息的分辨能力

• 先進算法：通過光學模型擬合，將復雜疊層中各組分的光學貢獻逐一分解

4.3 環境因素：被低估的“隱形變量”

非接觸式光學量測對環境條件的敏感性往往被低估。以下幾個因素尤其值得關注：

• 振動：高倍率光學條件下，微小的平臺晃動即可導致焦點偏移，影響量測穩定性

• 溫度：不僅影響樣品尺寸的熱膨脹，還會改變材料折射率

• 環境光源：雜散光可能干擾光譜信號的采集

• 空氣擾動：對于長光程測量，空氣折射率的波動可能引入誤差

在規劃產線檢測點時，除了量測精度之外，也需要同步評估廠房環境、設備整合條件與品管判讀需求。

5 非接觸式膜厚測量的設備選型框架

5.1 選型的三層邏輯

非接觸式膜厚測量設備的選型不應止于比較規格參數，而應遵循三層遞進邏輯：

第一層：確認“測什么”

• 材料是透明、半透明還是不透明？

• 膜層結構是單層還是多層？層數多少？

• 預期的厚度范圍是多少？（1nm ~ 100μm 區間內，不同技術的適用性差異顯著）

第二層：明確“在哪測”

• 實驗室研發分析，還是產線在線監控？

• 環境條件是否可控？（溫度、振動、潔凈度）

• 測量速度要求如何？（秒級、毫秒級還是微秒級？）

第三層：評估“怎么用”

• 是否需要與自動化產線整合？

• 數據是否需要接入SPC系統或MES？

• 操作人員的技術背景如何？

5.2 典型場景的設備匹配

研發與高階分析場景：需要光學模型演算法，能夠以非破壞方式同步解析單層及復雜多層透明/半透明薄膜的絕對厚度、折射率與消光系數。顯微分光膜厚儀（如OPTM系列）可在微區（最小光斑約3μm）實現高精度測量，量測范圍從1nm到數十微米。

產線在線監控場景：需要高速、高精度的實時檢測能力。部分設備已實現μSec級的高速量測，適用于CMP研磨、玻璃薄化等制程。對于晶圓等大尺寸基板，自動Mapping量測功能可實現高WPH（每小時產出量）的全域厚度一致性監控。

現場抽檢與機動量測場景：手持式光學膜厚計打破了傳統儀器體積龐大、移動不便的限制，讓品管與現場工程師能夠在不刮傷工件的前提下快速讀取表面涂層與薄膜厚度。

6 結語：量測即制程

在精密制造時代，量測已不再是產品完成后的“附加檢查”，而是嵌入制程本身的“控制節點”。非接觸式膜厚測量技術的價值，不僅在于它“不接觸”——避免刮傷與污染——更在于它能夠在高速產線中持續提供穩定、可重復的數據，讓工程端能夠在制程偏移發生之前捕捉到異常信號。

然而，技術本身并不能自動解決問題。非接觸式膜厚測量的有效性，取決于量測原理與制程條件的正確匹配——是反射光譜法還是白光干涉法？是實驗室分析還是產線監控？是秒級測量還是微秒級響應？每一個選擇背后，都是對材料特性、環境干擾、系統整合與品管需求的深度理解。

“光而不觸”是一種測量方式，更是一種制造哲學——它提醒我們：測量，是讓被測物感受不到測量的存在，而讓制程工程師看到最真實的真相。

高精度非接觸式量測設備推薦

若企業正在評估非接觸式精密膜厚量測設備，可進一步參考大冢科技的膜厚儀產品頁面。大冢科技提供多種膜厚量測設備，包含顯微分光膜厚量測儀、手持式光學膜厚計、分光干涉式晶圓測厚儀，以及產線或實驗室應用的相關膜厚量測方案，可依照研發分析、現場抽檢或產線監控等不同情境進行選型。

研發與高階分析的優選：OPTM膜厚計系列

專為實驗室研發與高精密品管設計，具備光學模型演算法，能以非破壞方式，同步解析單層及復雜多層透明／半透明薄膜的絕對厚度、折射率與消光系數。

靈活機動與現場量測的創新利器：Smart手持式膜厚計系列

打破傳統儀器體積龐大、移動不便的限制，全新推出適合彈性機動操作的智慧型手持式膜厚計Pro 版。讓品管與現場工程師隨手即測，在不刮傷工件的前提下，以良好的重現性快速讀取表面涂層與薄膜厚度，是彈性抽檢與現地品管的實用選擇。

超高速嵌入式量測：SF3系列

以μSec等級的高速量測進行即時檢測，量測對象包括晶圓、玻璃、樹脂層等厚度，特別適合在各類需要高速、高精度量測的產線，例如：CMP研磨、玻璃剪薄等制程中。

 Standalone型晶圓厚度量測&產線上膜厚量測設備TE series

從從傳統或特殊制程用的4吋、6吋晶圓，到主流晶圓廠的8吋、12吋晶圓，TE系列皆擁有成熟的對應實績。
搭配非接觸式、高精度mapping 自動量測功能，實現高WPH（每小時晶圓產出量）。

在非接觸式光學量測中，膜厚量測是相當典型的應用之一。無論是半導體制程、光學鍍膜、玻璃基板、樹脂層或實驗室研發樣品，膜層厚度都會影響后續制程穩定性與產品品質。因此，除了選擇合適的量測原理，也要確認設備是否能對應實際樣品條件、制程速度與品管需求。