吳麗瓊 周志豪 劉建飛 戴坤森 李鵬 陳輝煌

摘要：Ⅲ-Ⅴ族GaN基材料和器件的外延層選擇生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，主要是藍(lán)寶石襯底具有高穩(wěn)定性，其生產(chǎn)技術(shù)成熟以及機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗等優(yōu)點(diǎn)，該行業(yè)已進(jìn)入大尺寸量產(chǎn)及高精度制造的品質(zhì)要求，故藍(lán)寶石襯底應(yīng)用到自動(dòng)化檢驗(yàn)設(shè)備是必然發(fā)展的趨勢(shì)。自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)滿足了藍(lán)寶石襯底的廣泛檢測(cè)項(xiàng)目和要求，為襯底制造業(yè)的品質(zhì)和效率作保障。本文介紹藍(lán)寶石襯底應(yīng)用自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，探討檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置在制造業(yè)上的作用意義，以及自動(dòng)化檢測(cè)分類應(yīng)用。

Abstract： The epitaxial layers of III-Ⅴ group GaN-based materials and devices are grown on sapphire substrates， mainly because sapphire substrates have high stability， mature production technology and high mechanical strength， and are easy to handle and clean. The industry has entered the quality requirements of large-scale mass production and high-precision manufacturing， so the application of sapphire substrates to automated inspection equipment is an inevitable development trend. The automated inspection technology meets the extensive inspection items and requirements of sapphire substrates， and guarantees the quality and efficiency of the substrate manufacturing industry. This article introduces the application of automatic detection technology for sapphire substrates， discusses the significance of detection technology and automated devices in the manufacturing industry and the application of automatic detection classification.

關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石襯底;檢測(cè)技術(shù);自動(dòng)化

Key words： sapphire substrate;detection technology;automation

中圖分類號(hào)：TN247? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）22-0203-02

0? 引言

自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用，不僅具有重要的理論基礎(chǔ)，符合當(dāng)前及未來我國(guó)科技發(fā)展的戰(zhàn)略，而且緊密關(guān)聯(lián)著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的實(shí)際情況，對(duì)促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造有著重要的意義[1]。藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)車間利用檢測(cè)儀器或綜合測(cè)試方法檢測(cè)，以確定襯底質(zhì)量和技術(shù)要求的目標(biāo)值是否達(dá)到制程規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。檢測(cè)是制造過程中必不可少的輔助手段，對(duì)目標(biāo)對(duì)象按照流程進(jìn)行的活動(dòng)，通過檢測(cè)作業(yè)能對(duì)襯底的制程實(shí)施控制進(jìn)行一系列調(diào)整和補(bǔ)償動(dòng)作，使報(bào)廢品與返工率降到最低，保證襯底質(zhì)量形成過程的穩(wěn)定性。綜上所述，先進(jìn)自動(dòng)化制造系統(tǒng)中，檢測(cè)是襯底質(zhì)量保證體系的測(cè)量技術(shù)支撐，自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)更是效率與品質(zhì)同步提升的保障。

1? 襯底檢測(cè)的類別

1.1 接觸與非接觸檢測(cè)的應(yīng)用

接觸檢測(cè)（Contact measurement）通常采用探針（Probe）或其他具有可校準(zhǔn)的規(guī)塊裝置，與襯底表面接觸后可得到精準(zhǔn)的數(shù)值指標(biāo)[2-4]。常見的有原子力顯微鏡（AFM）、表面粗糙分析儀（Roughness）與接觸式量表（Gauge）等。AFM和粗糙度儀器為用于檢測(cè)微小物體的圖形形貌，作為判斷區(qū)域性或線性的粗糙度及表面特徵，相關(guān)參數(shù)如Ra（平均粗糙度）以及Rt（最大深度）等。Ra與Rt是用以觀察當(dāng)研磨加工后表面粗糙度的表徵值，若Ra與Rt改變則可能對(duì)于后續(xù)工藝造成影響。量表則可粗略的測(cè)量襯底厚度與局域平坦度（Total Thickness Variation， TTV）等參數(shù)的量測(cè)，相關(guān)使用照片圖1所示。

非接觸檢測(cè)（Non-Contact measurement）檢測(cè)時(shí)感應(yīng)器不與襯底直接接觸，可提高檢測(cè)效率以及節(jié)約維護(hù)成本，一般常見的有光學(xué)、超音波等原理方法。在藍(lán)寶石襯底常見的非接觸檢測(cè)如平坦度（Flatness）檢測(cè)，穿透率（Transmittance）檢測(cè)等。以常見的平坦度量測(cè)為例：此利用光的特性照射待測(cè)物的表面，不同波長(zhǎng)的光有著不同的對(duì)焦高度的理論，控制白光源，通過光纖傳送到探頭，然后探頭將白光色散的光，聚焦成一排離散的焦距，再由控制器分析從待測(cè)物反射的光譜強(qiáng)度，來捕捉到非常精準(zhǔn)的距離讀數(shù)。

1.2 離線檢測(cè)與在線檢測(cè)

制程生產(chǎn)中確定檢測(cè)的最佳時(shí)機(jī)點(diǎn)是品質(zhì)控制上關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)檢測(cè)時(shí)機(jī)的不同，制造過程檢測(cè)可分為離線檢測(cè)（Off-line detection）、在線過程中檢測(cè)（In-line detection）和在線過程后檢測(cè)（Post-line detection）。

襯底離線檢測(cè)是在加工過程中脫離加工生產(chǎn)線的行為，適用于下列狀況：①制造的過程能力在設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的公差范圍內(nèi);②產(chǎn)出率較高的流程;③生產(chǎn)時(shí)間短而生產(chǎn)過程輸出狀況穩(wěn)定，超規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)比例低;④當(dāng)在線檢測(cè)成本高時(shí)。但離線檢測(cè)的缺點(diǎn)有：不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)線上生產(chǎn)存在的質(zhì)量問題，檢測(cè)出的質(zhì)量問題反饋信息存在延遲性，易造成大量不良品的產(chǎn)出。襯底為例，檢驗(yàn)站點(diǎn)需在加工后進(jìn)行外觀缺陷檢查以及表面平坦度量測(cè)，這種檢測(cè)方式相較在線檢測(cè)會(huì)有較長(zhǎng)的周期，使在制品（Work in process，WIP）較高，也有可能當(dāng)檢測(cè)異常發(fā)生時(shí)的回查延遲性不佳。

在線檢測(cè)是指檢測(cè)機(jī)臺(tái)、裝置、系統(tǒng)或檢測(cè)工作站在空間上被集成于襯底制造過程中，制造過程與檢測(cè)過程沒有時(shí)間上的延遲或只有很短的時(shí)間延遲。因此，依據(jù)檢測(cè)是否與制造過程有時(shí)間延遲，在線檢測(cè)分為在線過程中檢測(cè)和在線過程后檢測(cè)。

在線過程中檢測(cè)是指襯底在機(jī)臺(tái)加工作業(yè)時(shí)，伴隨的機(jī)臺(tái)監(jiān)控機(jī)制可即時(shí)檢測(cè)出機(jī)臺(tái)異常狀態(tài)，并即時(shí)調(diào)整機(jī)臺(tái)加工參數(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)正在加工的襯底即時(shí)進(jìn)行修正與補(bǔ)償質(zhì)量缺陷的活動(dòng)，以消除不良品的產(chǎn)生。例如襯底在加工機(jī)臺(tái)上作業(yè)時(shí)可用紅外溫度槍量測(cè)即時(shí)的盤面溫度，溫度偏高或偏低均會(huì)影響加工品質(zhì)，加工過程的溫度檢測(cè)可進(jìn)行即時(shí)調(diào)整，以避免溫度異常所造成的不良產(chǎn)品。

在線過程后檢測(cè)是加工后立即進(jìn)行測(cè)量，可用半自動(dòng)方式或全自動(dòng)化方式來完成，并采用全檢和概率抽檢方式，其檢測(cè)結(jié)果可以用來控制下一批襯底的加工制造，對(duì)生產(chǎn)制造過程進(jìn)行改善。在襯底加工的應(yīng)用案例如拋光作業(yè)過程進(jìn)行下機(jī)襯底表面品質(zhì)的抽檢，避免因?yàn)殡x線檢測(cè)的延遲性而造成連續(xù)性的異常。

1.3 自動(dòng)化的在線檢測(cè)

在線檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)襯底良率控制的首要環(huán)節(jié)，但因檢測(cè)程序的繁瑣以及人工檢測(cè)的主觀因素等困難，在襯底作業(yè)過程中應(yīng)用自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)是生產(chǎn)效率和品質(zhì)提升的保障，并成為生產(chǎn)制造業(yè)質(zhì)量信息獲取的主要手段。襯底生產(chǎn)過程中保證設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)在制不滯留的情況下，對(duì)厚度與平坦度等襯底品質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)或間斷的即時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控等。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理排查后做出工藝決策（如制程改善、反饋調(diào)節(jié)補(bǔ)償、停機(jī)等），以保證制造過程中襯底產(chǎn)出良率處于最佳狀態(tài)。其中自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過探針等檢測(cè)元件將襯底形貌轉(zhuǎn)化為信號(hào)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算邏輯進(jìn)行處理，最終將信號(hào)以數(shù)據(jù)報(bào)表輸出[5]。

采用自動(dòng)化在線檢測(cè)技術(shù)有助于減少不良和物料消耗，減少在線返工的返工率，降低生產(chǎn)成本，以及減少停機(jī)檢測(cè)時(shí)間和加工設(shè)備調(diào)整時(shí)間，提高襯底產(chǎn)出率。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線檢測(cè)有兩種途徑：一種是在機(jī)臺(tái)設(shè)備上安裝自動(dòng)檢測(cè)裝置;另一種是在自動(dòng)生產(chǎn)線上設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)工位。

自動(dòng)化在線檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展優(yōu)勢(shì)有：①多元化。從單缺陷檢測(cè)到多缺陷綜合檢測(cè);從單機(jī)檢測(cè)到整個(gè)制造系統(tǒng);從單因素檢測(cè)到檢測(cè)、監(jiān)控和控制循環(huán)系統(tǒng);從大批量單一生產(chǎn)檢測(cè)到應(yīng)用于中小批量多品種生產(chǎn)檢測(cè)。②智能化。利用計(jì)算機(jī)智能化功能，保證在線檢測(cè)系統(tǒng)能迅速適應(yīng)制造過程的參數(shù)狀態(tài)變化，并排除外界干擾。③自動(dòng)在線檢測(cè)裝置的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和集成化，有利于低成本、擴(kuò)大適用范圍。同時(shí)，制造系統(tǒng)中的各個(gè)自動(dòng)檢測(cè)裝置不是獨(dú)立存在，而是集成檢測(cè)系統(tǒng)，相互之間能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量信息共享與交換。

在藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)線上，可將多種檢測(cè)裝置串聯(lián)在一條流水線上，均可實(shí)現(xiàn)了在線與離線檢測(cè)。襯底晶片通過傳送帶等介質(zhì)的運(yùn)輸，各個(gè)檢測(cè)裝置在最短時(shí)間內(nèi)獲得襯底各方面參數(shù)的數(shù)值。軟件通過各量測(cè)數(shù)據(jù)下達(dá)指令給機(jī)械手臂進(jìn)行分片，從而實(shí)現(xiàn)各參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)判定襯底的品質(zhì)并分類。應(yīng)用各種自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)施對(duì)自動(dòng)化制造產(chǎn)品的整個(gè)制造過程，可適時(shí)檢測(cè)設(shè)備通過對(duì)不同信息的收集、定性分析將制造中出現(xiàn)的問題、數(shù)據(jù)、形狀、尺寸問題等。通過計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用而呈現(xiàn)，使技術(shù)工程師根據(jù)不足及時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高制造目標(biāo)提高生產(chǎn)精度提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)利用自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)及時(shí)改進(jìn)，不僅可有效避免人為工作的失誤而且更精準(zhǔn)對(duì)制造過程起到一個(gè)監(jiān)督、檢測(cè)作用，進(jìn)而提高產(chǎn)品的精度，確保產(chǎn)品的質(zhì)量[6]。襯底作業(yè)自動(dòng)檢測(cè)流水線應(yīng)用范例如圖3所示，所設(shè)計(jì)案例是應(yīng)用在拋光后檢測(cè)，第1個(gè)檢測(cè)站點(diǎn)為崩邊檢驗(yàn)，利用3組相機(jī)進(jìn)行上面、側(cè)面以及下面檢驗(yàn);其次為襯底平坦度檢測(cè)，目的在于檢測(cè)出襯底正面的平坦度，如Thickness/TTV/Warp/Bow等。最后是檢驗(yàn)外觀，如刮傷與坑洞等缺陷，以視覺辨識(shí)功能將襯底的表面圖像信息提取、處理及數(shù)據(jù)輸出。

2? 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用在藍(lán)寶石襯底行業(yè)，不僅可以提高該行業(yè)的自動(dòng)化水平和程度，亦可減少作業(yè)過程中人員因素造成的崩破裂等不良損失，可以提高生產(chǎn)過程與檢測(cè)設(shè)備的可靠性，多元化檢測(cè)儀器組成的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，精準(zhǔn)穩(wěn)定，應(yīng)用于外觀質(zhì)量檢測(cè)上，提高了產(chǎn)品設(shè)備檢測(cè)的效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品外觀缺陷，對(duì)于產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)展將更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王進(jìn)京，韓勝光.自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)中應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)的實(shí)踐探索[J].科技與企業(yè)，2016（8）.

[2]王曉雨.試論檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].河南科技，2014（1）.

[3]趙晶晶，王明路.檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)設(shè)備工程，2018（3）.

[4]馮建珊.淺析檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].華東科技，2014（1）.

[5]馬登龍.機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)及其在機(jī)械制造中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)高新區(qū)，2018（11）.

[6]胡曉芳，曲杰.檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)試，2016（3）.

作者簡(jiǎn)介：吳麗瓊（1993-），女，福建泉州人，本科，資深工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化檢測(cè);周志豪（通訊作者）（1981-），男，臺(tái)灣彰化人，博士研究生，研究方向?yàn)槠教够夹g(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析。