半导体精密制造检测选型白皮书 —— 基于 LTC 系列光谱共焦技术的应用解决方案
技术支持单位： 泓川科技（ChuanTech）
摘要（Executive Summary）
随着晶圆制造从前道光刻工艺逐步过渡到后道先进封装（Advanced Packaging），器件制程不断逼近物理极限，3D 堆叠技术（如 Chiplet 和 SiP）的广泛应用，使半导体行业对尺寸测量（Metrology）与缺陷检测（Inspection）的精度要求，从微米级提升至纳米级。
传统的 2D 机器视觉系统以及三角反射式激光传感器，在面对诸如透明薄膜、高抛光镜面、以及深孔台阶结构（如 TSV）等复杂表面时，存在显著的物理局限。本白皮书系统阐述了光谱共焦位移传感器的工作原理，并基于 LTC 系列产品的性能参数，为半导体制造过程中的关键测量环节提供高精度、高效率的选型建议与解决方案。
第一章：半导体检测的即时挑战
在传统激光三角与成像技术难以胜任的环境下，光谱共焦技术正逐渐成为主流选择。当前行业面临的挑战主要体现在以下几个方面：
多层透明材料的干扰： 半导体制造过程中，涉及光刻胶、晶圆减薄、Bonding 胶层等多种透明介质。传统激光传感器因上下表面多重反射而失效，无法获取有效测量数据。
极端表面特性的处理： 从切割后粗糙的晶圆表面，到 CMP 处理后的纳米级镜面，以及 BGA 锡球的高反光球面，传统传感器常因光饱和或漫反射信号过弱而无法有效工作。
高密度与微型空间限制： 随着封装密度的提升，检测设备内部为传感器预留的空间日益有限，对传感器的 Stand-off Distance 与体积提出更高要求。
第二章：关键技术核心与工作原理
2.1 测量原理
LTC 系列光谱共焦传感器基于“色散共焦”原理进行工作，其核心流程如下：
色散编码： 控制器内置白光光源，通过光纤传输至光瞳，再经由定制色散透镜组，将不同波长的光沿轴向分布，形成一条沿轴的“彩虹光带”。
共焦滤光： 只有在目标表面聚焦的特定波长光，可以高效通过针孔光阑（Pinhole）进入光谱分析单元。未聚焦的光则被阻挡。
数据解算： 光谱仪解析返回信号中最强波长（Peak），结合预设的“波长-位移”映射关系，直接输出高精度的位移值 Z。
2.2 技术相对优势（对比传统激光位移）
| 比对维度 | 光谱共焦技术（LTC Series） | 激光三角反射技术 | 优势解析 |
|---|---|---|---|
| 感光路径 | 同轴（Coaxial） | 非同轴视角 | 无死角无盲区检测，适用于 Wire Bonding 与 TSV 深孔底部检测。 |
| 透明材质适应性 | 支持多峰值分析 | 测量失败率高 | 可同时解析顶面与底面反射波峰，实现单侧测量晶圆厚度，误差控制在 100nm 至 0.8μm 范围。 |
| 表面反射适应性 | 兼容镜面与吸光面 | 对高反光敏感 | LTC2400 型号最大入射角达 ±60°，适合 BGA 与 Solder Ball 表面测量。 |
第三章：半导体选型关键参数分析
在传感器集成于半导体制造设备的过程中，需重点考虑探头尺寸、测量精度及系统扩展能力。
3.1 微型探头选型（适用于狭小空间）
许多 Bonding 机台的内部空间已固定，传感器常需在集成后进行安装。
- 推荐型号： LTCR 系列（径向/轴向）
- 外径： 小至 Φ3.8mm（例如 LTCR1500N），适用于机械手与 Wire Bonder 焊针缝隙中的引线框架检测。
- 特殊配置： 提供 90° 径向出光版本，可解决 Wafer 边缘轮廓测量难题。
3.2 纳米级厚度与 TTV（总厚度变化）测量
在晶圆减薄工艺中，厚度一致性是关键质量指标。
- 推荐型号： LTC100B / LTC400
- 线性精度： ±0.12 µm 以内（LTC400）
- 重复精度： 3nm - 12nm（静态指标）
- 满足晶圆厚度均一性检测的 <1µm 公差需求。
3.3 高节拍与多通道控制器方案
在 Factory Automation（FA）环境中，测量系统不仅要确保精度，还需匹配产线的高 UPH（每小时产出）。
- 控制器推荐： LT-CCH
- 通道数： 最高支持 16 通道并行测量
- 采样率： 最高 32kHz（单通道）
- 通信接口： 原生支持 EtherCAT（100Mbps）及高速以太网，便于与上位机进行实时数据交互与 3D 重建。
第四章：典型应用场景与解决方案
基于 LTC 系列产品的技术参数，可适用于下列半导体制造环节：
4.1 晶圆厚度与表面粗糙度测量
- 挑战： 晶圆研磨后非常薄，且表面镜面化，需一次性完成平面度检测。
- 解决方案： 采用双探头上下对射或单侧透射方案。
- 推荐型号： LTC600 / LTC1200
- 支撑数据： 支持高角度（±32.5°）测量，可适应 Wafer 翘曲变化。
4.2 先进封装中的点胶与 Underfill 高度检测
- 挑战： 透明填充胶可能穿透光线，激光无法识别实际胶面高度。
- 解决方案： 利用光谱共焦技术区分胶面与基板反射波峰。
- 推荐型号： LTC-7000 系列（远距型），避免探头受到胶体挥发影响。
4.3 金属线键合高度与回流焊引脚共面度检测
- 挑战： 金/铜线直径微米级，且为高反光的圆柱面；SOP 引脚密集。
- 解决方案： 利用 LTC100B 提供的 2.7μm 小光斑，实现金线高度测量。
- 技术优势： 同轴光路可深入测量引脚间隙，确保共面性，避免虚焊。
4.4 液位与光刻胶湿膜厚度控制（RDL 工艺）
- 文档支持： 光谱共焦技术已被用于油膜厚度测量。
- 原理说明： 不需计算折射率，直接通过液面与 wafer 表面反射波峰间距离，推导出膜厚。
第五章：技术指标综述与实施建议
5.1 环境适应性与安装设计
- 分体式结构： 控制器置于电气柜内，仅通过光纤将无源测量头送入机台，避免热气流影响 Wafer 形变。
- 光纤跳线： 可选超细 0.4mm 接头，适用于 AOI 扫描平台。
5.2 软件集成与二次开发
- 配套软件： TSConfocalStudio 或 C++/C# DLL 开发包
- 系统集成： LTC Sensor DLL 可嵌入 OEM 控制软件，实现闭环控制（测量-反馈-调整）。
结语
在半导体行业向 2nm 与超高密度封装演进的背景下，LTC 系列光谱共焦位移传感器凭借其纳米级分辨率、对镜面与透明材质的兼容性，以及支持多通道高速采集的控制器，有效解决了传统测量手段的诸多瓶颈。
对于晶圆前道检测（如膜厚、台阶高度）或后道封装（如 Micro-Bump、Wire Loop）环节，建议优先选用 LTC600（标准高精度型）或 LS-CCP（多通道型）组合，以提高检测良率与系统可靠性。