微結構量測的關鍵技術

微結構對薄膜附著力的提升 

在各種應用領域中，特別是製造業，要提升膠對薄膜的附著能力，增加表面的微結構（Microstructure）是一種有效的方法。而表面微結構的設計與生產結果，則會影響微結構對實際附著的增強效率。常見的微結構應用領域包括： 

1. 半導體與電子產業：晶圓、封裝相關製程（probe card、微影製程）

2. PCB 電路板微孔與焊接點：顯示器薄膜與 OLED 結構

3. 精密光學與材料：光學透鏡表面微結構（micro lens array）

4. 光學鍍膜厚度測量：玻璃、金屬、陶瓷材料的表面粗糙度分析

5. 微機電系統（MEMS）：加速度計、陀螺儀內部結構

6. 微流體裝置：醫療檢測晶片 

圖1：Probe Card 

量測微結構的重要性與挑戰 

微結構（Microstructure）的量測挑戰主要來自其尺寸通常在微米（μm）到奈米（nm）等級，肉眼無法直接觀察，需依賴顯微鏡或精密量測儀器，微結構類型包括： 

• 凹槽、凸起、圓弧、孔洞：如半導體晶片上的電路結構

• 薄膜層、鍍層厚度：如光學濾光片、多層膜材料

• 微小通道或網格：如微流道晶片、MEMS裝置

• 粗糙度與表面紋理：如金屬表面加工、塑膠模具 

圖2：深度20µm的薄膜端面結構 

因此，生產的薄膜表面微結構是什麼狀態，例如外觀形貌是否符合設計、高低差必須控制在多少範圍、圓弧的曲率半徑、峰谷的間距等，就需要藉由量化量測來確認現況，並訂定允收規範，達到製程控制的目的。 

3D 輪廓量測的重要性

現行微結構的量測主要採用 3D 輪廓量測，因為傳統影像系統只能獲取平面資訊，即使透過對焦方式獲取高度，景深範圍內的影像皆會清楚呈現，導致量測誤差成為最大問題。另一種方式則是雷射對焦，雖能獲得高度資訊，但若要對整個表面進行完整掃描，時間成本過高，因此影像系統無法獨立完成完整的 3D 量測，常見的 3D 量測技術包括：

• 白光干涉儀：適用於奈米級（nm）高精度量測

• 共軛焦顯微鏡：適用於透明與非透明樣品的 3D 量測

• 電子顯微鏡（SEM、TEM）：可提供超高解析影像，但需可導電物質或樣品前處理

而要量測透明薄膜上的表面微結構，甚至是想知道透明微結構在薄膜上的厚度，則以共軛焦顯微鏡較適合。

微結構量測利器-共軛焦顯微鏡三大特點 

圖3：雷射共軛焦顯微鏡運作原理與運作方式

（圖左）共軛焦原理示意圖：對焦（黃色），非對焦（紅色和藍色虛線）

（圖中）影像堆疊；（圖右）樣品2.5D表面輪廓

資料來源

1. 提升 Z軸解析度的關鍵技術

共軛焦顯微鏡與一般光學顯微鏡最大的不同，在於光源與攝影機收光前設有小孔，使只有特定路徑的光能被收集。這項技術進一步壓縮景深（原本僅2~3µm），讓 Z軸（高度）方向的解析度提升至奈米（nm）等級。

2. 避免錯誤訊號的精準成像

由於小孔遮蔽效果與短景深的特性，影像僅限於對焦區域才能接收到反射訊號，能夠明確區分不同層的訊號。這可有效避免透光材料造成的誤判，像是來自更底層的反射光被錯誤識別為表面訊號，進而影響量測結果。

3. Z軸切層掃描的量測方式

共軛焦顯微鏡採用固定視野，對 Z軸高度進行切層掃描。以量測0.18mm PET 薄膜厚度為例，先將焦點設定在表面，然後每隔 0.01µm 深度拍攝一張影像，連續拍攝至 0.2mm 深度。最終，在0.00mm 與 0.18mm 位置偵測到兩個強烈的反射訊號，即可準確測得薄膜厚。 

圖4：切層掃描示意圖

案例分享-如何量測薄膜微結構？

想要量測薄膜微結構，必須先取得微結構的輪廓。使用共軛焦顯微鏡掃描Z軸拍攝多張影像後，會將光強度轉化為灰階值訊號，並結合座標系統可得到灰階影像（圖5），再搭配色彩渲染處理可得到彩色高度圖（圖6）。灰階影像可快速檢視外觀，並確認是否有光強過曝的區域，過曝可能導致數據失真、高度誤判及額外的雜訊；彩色高度圖可視為等高線圖，因此可根據顏色快速判斷形貌的高低起伏。 

圖5（左圖）：灰階影像、圖6（右圖）：彩色高度圖 

在有了整體的輪廓數據和影像後，我們就可以根據需求，制定分析方式和量測位置。以圖6為例，若我們想知道這些陣列微結構排列是否正交，則可以分別通過對橫向與縱向排列的單元取剖面線，計算此兩條直線的夾角是否為90度即可。若想知道每個單元的間距、高度，可以將剖面線展開，做各峰值間距與高度量測。峰值的取得在未有演算法前，必須由手動抓取，因此重現性會較差。

圖7：剖面線及量測 

除灰階影像及彩色高度圖這種以2D形式展現的平面圖外，由於有三維座標，因此可以將三維座標各點標示並相連，形成 3D輪廓圖（圖8）。3D輪廓圖可根據想觀察的視角調整，使立體形貌與各特徵的相對位置可以更直觀地觀察，不需要在腦中憑空想像。 

圖8：薄膜微結構的一致性比較

既然可以得到3D整個輪廓和剖面線的數據，在製造時的一致性當然就可以被量化檢驗。例如想要知道本次生產的微結構，在膜上不同區域的成型狀態是否一致，我們可以使用剖面線比較的小工具，在不同區域分別取一條剖面線並交疊，調整比較基準一致後，即可快速比較（圖9）。 

圖9：剖面線比較圖 

而我們有整個面的數據，能做線的比較，自然也能做面的比較。例如兩個面的高度與成型位置是否一致，可將兩個輪廓的彩色高度圖在基準對位後直接相減，即可得到兩輪廓的差異彩色高度圖 (圖8.)，從圖中可看出兩輪廓的峰值具有高度差，峰谷處的位置有錯位，且此錯位還是陣列的軸向夾角差異造成，使得最低的藍色區域在左半邊中，左上方較多左下方較少，右邊則相反。 

圖10：表面輪廓比較

共軛焦顯微鏡作為現代微結構量測的核心工具，不僅能提供高精度的表面分析，還能顯著提升製程控制與產品品質。無論是半導體、光學材料還是薄膜技術，這項先進技術都能幫助您突破量測瓶頸，實現無與倫比的準確度和可靠性。