半導(dǎo)體設(shè)備視覺清晰化技術(shù)研究

楊 帆，高 岳，孫廣翔

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

藍(lán)寶石（Sapphire）晶體因?yàn)槠湓诠鈱W(xué)和化學(xué)上的良好性能，因而可以被應(yīng)用于各種高要求的領(lǐng)域。藍(lán)寶石的物理性能也較為優(yōu)秀，在高溫下（約2 000 ℃）依然可以保持其高強(qiáng)度、高硬度的機(jī)械性能，不僅如此藍(lán)寶石還具有耐沖刷的特性，能夠防止化學(xué)腐蝕。藍(lán)寶石具有的這些優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的方方面面，更成為了光電子產(chǎn)業(yè)中不可或缺的材料。

藍(lán)寶石的一個(gè)重要用途就是應(yīng)用于LED 相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)中。LED 照明有傳統(tǒng)照明所不具有的體積、價(jià)格和環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，在迅速地壓縮著傳統(tǒng)照明市場(chǎng)份額。世界著名照明廠商如Phillips, Orsam 等都在爭(zhēng)相進(jìn)入LED 產(chǎn)業(yè)。由于LED 產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，2010年全球藍(lán)寶石的用量就達(dá)到4 400萬片。而根據(jù)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟預(yù)測(cè)到2015年，中國(guó)LED 產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)6 000 億元人民幣。

1 研究背景

通常，在LED 生產(chǎn)工藝中，藍(lán)寶石主要作為GaN 材料生長(zhǎng)以及外延的襯底。

藍(lán)寶石襯底有許多的優(yōu)點(diǎn)：首先，藍(lán)寶石襯底可以提高內(nèi)量子效率，減少反向漏電流，提高LED 壽命；其次，藍(lán)寶石襯底界面將光多次散射，增加了光的出射角，從而提高了光的提取效率。因此，大多數(shù)工藝一般都以藍(lán)寶石作為襯底。

藍(lán)寶石同時(shí)也是高亮度發(fā)光二極管(HB LED) 非常好的襯底材料。目前這些高亮度的發(fā)光二極管已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在廣告燈、交通燈、儀表燈及手術(shù)燈等領(lǐng)域。隨著高亮度發(fā)光二極管應(yīng)用的日益廣泛，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用量非常大。

目前，襯底片的生產(chǎn)廠家主要集中在美國(guó)、日本及俄羅斯。具有“綠色照明光源”之稱的HB-LED，由于節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，已成為各國(guó)積極發(fā)展的方向。經(jīng)過發(fā)光材料及制造工藝的不斷改善，發(fā)光效率不斷提高，制造成本的下降，使得半導(dǎo)體照明替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈是勢(shì)不可擋。

2 傳統(tǒng)顯微鏡在LED 產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的問題

在LED 等產(chǎn)業(yè)的工藝中，由于藍(lán)寶石襯底的半透明性，以及透明電極層等因素，有時(shí)再加上遮擋物，例如Mask 等的存在，致使藍(lán)寶石基片無法對(duì)傳統(tǒng)顯微鏡的頂部照明光線進(jìn)行正常反射，造成普通的顯微鏡很難甚至完全無法看清基片上的圖形，這對(duì)LED 工藝中很多步驟造成了致命的影響，因此無論是手動(dòng)還是自動(dòng)加工設(shè)備，顯微鏡成像的精確程度與成品率都有直接的關(guān)系。而要想藍(lán)寶石基片在半導(dǎo)體設(shè)備上得以應(yīng)用，藍(lán)寶石基片的視覺清晰化問題必須得以解決。

目前，在我國(guó)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備中，還未有針對(duì)藍(lán)寶石襯底而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，因此應(yīng)用于LED 生產(chǎn)的全自動(dòng)設(shè)備還只是少數(shù)，大量LED 加工設(shè)備依舊依賴進(jìn)口。藍(lán)寶石襯底圖形的清晰化作為一項(xiàng)必要技術(shù)，必須在國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備上得到長(zhǎng)足的發(fā)展，才能使國(guó)產(chǎn)設(shè)備具備與進(jìn)口設(shè)備抗衡的條件。

3 傳統(tǒng)解決方案對(duì)比

3.1 頂部環(huán)形照明

相較于傳統(tǒng)的顯微鏡照明方式，頂部環(huán)形照明在目前顯微鏡照明中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)照明光源使用鹵鎢燈等單光源，通過聚光鏡、視場(chǎng)鏡等反射到需要觀察的區(qū)域。而這種燈由于壽命、強(qiáng)度以及光線等因素，使得在半導(dǎo)體加工設(shè)備顯微鏡照明中逐漸被LED 環(huán)形照明所取代，LED 燈成本低廉，穩(wěn)定可靠，能耗小，光線準(zhǔn)直性強(qiáng)，同時(shí)，各種顏色可以通過各色LED 燈調(diào)色而成，因此得到行業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)可。

然而，在應(yīng)用于藍(lán)寶石襯底加工工藝時(shí)，藍(lán)寶石襯底的半透明性，以及在生產(chǎn)工藝中最高可達(dá)5 次的套刻，使得這種顯微鏡對(duì)于每道步驟中不同的摻雜物質(zhì)都要有良好的適應(yīng)性。否則，在顯微鏡下將很難進(jìn)行精細(xì)對(duì)準(zhǔn)操作，如圖1所示。

圖1 普通環(huán)形照明效果圖

圖1是在某型半導(dǎo)體設(shè)備上，使用頂部垂直照明所觀察到最清晰的成像效果，從圖中可以看出，藍(lán)寶石襯底上的標(biāo)記與底色之間灰度非常接近，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備調(diào)試水平的不同、基片的不同以及生產(chǎn)環(huán)境等影響，成像效果相較于實(shí)驗(yàn)室肯定更為模糊，這將在實(shí)際應(yīng)用中給對(duì)準(zhǔn)帶來極大的困難。

3.2 底部照明（實(shí)驗(yàn)基于有ITO 膜的環(huán)節(jié)）

針對(duì)于頂部環(huán)形照明無法適應(yīng)光刻工藝中采用藍(lán)寶石襯底所出現(xiàn)的問題，有人提出了底部照明的方案。

由于藍(lán)寶石基片具有半透明特性，因此，從基片底部進(jìn)行照射，光線可以在一定程度上透過基片，同時(shí)又不會(huì)有大量的光線直射入顯微鏡物鏡，不會(huì)對(duì)操作人員眼睛造成影響。當(dāng)?shù)撞抗饩€透過藍(lán)寶石基片時(shí)，經(jīng)過刻蝕產(chǎn)生的圖形與基底的薄厚產(chǎn)生差異，使得光線透射上來后，圖形區(qū)域與底色產(chǎn)生明顯的灰度差，提高了可辨識(shí)性。但是在大部分加工設(shè)備上，藍(lán)寶石基片一定需要被緊緊吸附于承片臺(tái)上，因此底部照明光源必須安裝在承片臺(tái)上表面之下，然而設(shè)備在使用時(shí)，基片上的可視區(qū)域即底部照明的區(qū)域一定越大越好，這就與承片臺(tái)真空孔產(chǎn)生了嚴(yán)重的矛盾。如果底部照明區(qū)域過大，就必須在承片臺(tái)上開出很大的出光孔，這將使得藍(lán)寶石基片無法很好地吸附在承片臺(tái)表面，而如果想保證良好的吸附效果，承片臺(tái)上的出光孔就不能開的太多太大，而這樣又會(huì)導(dǎo)致基片可視區(qū)域狹小。同時(shí)，由于生產(chǎn)工藝中一定存在碎片，碎片形狀的不確定性，也會(huì)對(duì)承片臺(tái)出光孔的位置帶來極大的困難。

3.3 圖像梯度拉伸

通過照明的方法來解決圖形清晰化問題并不能獲得良好的效果，因此，圖像處理技術(shù)成為了一種新的解決問題的途徑。

由圖1可以看出，造成藍(lán)寶石襯底上的圖形無法分辨的問題，其原因主要是基片上的圖形與底色灰度過于接近所致。因此圖像處理的重點(diǎn)主要集中于對(duì)比度增強(qiáng)方面。

對(duì)比度增強(qiáng)，最直接簡(jiǎn)單的方法就是直接對(duì)圖像的灰度梯度進(jìn)行拉伸，即分段線性灰度變換。分段線性灰度變換可以將感興趣的灰度范圍線性擴(kuò)展，相對(duì)抑制不感興趣的灰度區(qū)域。設(shè)f(x，y)為原圖像，灰度范圍為[0，Mf]，g(x，y)為修正圖像，灰度范圍為[0，Mg]：

對(duì)圖像灰度曲線更改的效果，如圖2所示。

圖2 灰度曲線拉伸原理圖

圖像灰度梯度區(qū)域的拉伸，必將使得其他區(qū)域灰度的壓縮。然而，藍(lán)寶石基片上的圖形與襯底的灰度十分接近，實(shí)際上只有幾個(gè)灰度的差別，因此要想把這么接近的灰度拉伸到適當(dāng)?shù)姆秶?，將?dǎo)致其他區(qū)域細(xì)節(jié)的大量丟失，嚴(yán)重影響了觀察效果，如圖3所示。

圖3 梯度拉伸方法效果圖

3.4 圖像直方圖均衡化

直方圖均衡化實(shí)質(zhì)上是減少圖像的灰度級(jí)以換取對(duì)比度的加大。然而，在均衡過程中，原來的直方圖上頻數(shù)較小的灰度級(jí)被歸入很少幾個(gè)或一個(gè)灰度級(jí)內(nèi)，因此不但得不到對(duì)比度增強(qiáng)的效果，反而會(huì)使圖像層次感丟失，如圖4所示。

圖4 直方圖均衡化方法效果圖

4 基于直方圖歸一化方法的圖像清晰化研究

直方圖歸一化是灰度級(jí)變換的常用方法。是將原始圖像的灰度級(jí)拉寬至整個(gè)灰度域，這樣的方法既不會(huì)造成圖像細(xì)節(jié)的丟失，同時(shí)還可以提升圖像整體的層次感。

通過Matlab 對(duì)圖1所示的電極圖形進(jìn)行灰度直方圖的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（如圖5所示），可以看到，實(shí)際成像的灰度范圍大都局限于150～200，而其他的灰度范圍并沒有得到利用。因此，如果把整個(gè)直方圖依照比例拉伸至0～255 的灰度范圍內(nèi)，可以明顯提升圖像的質(zhì)量，如圖6所示。

圖5 原始圖像直方圖統(tǒng)計(jì)

圖6 修正直方圖統(tǒng)計(jì)

通過直方圖拉伸的方法我們可以看到（如圖7所示），圖像質(zhì)量得到的大幅提升，電極圖形與底色之間的灰度差已經(jīng)較為明顯，可以輕松的獲得區(qū)分。

5 基于直方圖歸一化結(jié)合同態(tài)增晰方法研究

同態(tài)增晰不同于之前的空域處理方法，而是一種頻率域的圖像增強(qiáng)，即依據(jù)不同要求，通過設(shè)計(jì)出各種低通、高通、帶通數(shù)字濾波器，達(dá)到圖像增強(qiáng)效果。

圖7 直方圖歸一化處理效果圖

從圖像成形的過程來看, 可以將圖像看成是照射光和反射光的乘積。經(jīng)傅里葉變換后, 兩者是卷積關(guān)系而難以分開，即：f(x，y)=i(x，y)r(x，y)。同態(tài)濾波正好解決了這個(gè)問題, 其圖像增強(qiáng)效果十分明顯。

反射分量r(x，y) 反映圖像的內(nèi)容, 它隨圖像細(xì)節(jié)的不同在空間作快速變化, 是頻域的高頻分量。入射分量i(x，y)在空間上常具有緩慢變化的特點(diǎn), 是頻域中的低頻分量。采用同態(tài)分析方法,就是先對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，把2 個(gè)相乘的分量變?yōu)? 個(gè)相加的分量, 它們分別代表了圖像的高頻分量和低頻分量。

z(x，y)=lnf(x，y)=lni(x，y)+lnr(x，y)

兩邊取傅里葉變換, 那么有：

F(z(x，y))=F(lni(x，y))+F(lnr(x，y))

即Z(u，v)=Fi(u，v)+Fr(u，v)

典型的同態(tài)增晰步驟是：原圖先經(jīng)對(duì)數(shù)變換和快速傅里葉變換，變?yōu)轭l率域中的2 個(gè)分離的變量，然后根據(jù)不同需要，選用不同的傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的增強(qiáng)。經(jīng)過頻域處理的圖像再經(jīng)快速傅里葉逆變換及指數(shù)變換, 就可得到增強(qiáng)的圖像。處理框圖，如圖8所示。

通過空域變換的直方圖歸一化結(jié)合頻域變換的同態(tài)增晰方法，相較于其他的方法，可以獲得最好的增強(qiáng)效果。如圖9所示，我們可以明顯的看出，相較于原始圖像，增強(qiáng)后的圖像對(duì)比度強(qiáng)，層次分明，易于辨識(shí)，完全達(dá)到了預(yù)期處理的效果。

圖8 典型的同態(tài)增晰步驟

圖9 直方圖歸一化結(jié)合同態(tài)增晰方法效果圖

6 總 結(jié)

本文介紹了一種針對(duì)藍(lán)寶石襯底在半導(dǎo)體加工設(shè)備應(yīng)用時(shí)的視覺清晰化技術(shù)，通過直方圖歸一化結(jié)合同態(tài)增晰方法解決由于藍(lán)寶石襯底的半透明性，以及透明電極層等因素，致使藍(lán)寶石基片無法對(duì)傳統(tǒng)顯微鏡的頂部照明光線進(jìn)行正常反射，造成普通LED 加工設(shè)備上的顯微鏡很難、甚至完全無法看清基片上的圖形的問題。這個(gè)問題的解決，使國(guó)產(chǎn)設(shè)備也可以對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行作業(yè)，對(duì)LED 相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)有重要意義。

參考資料：

[1]于萬波.基于MATLAB 的圖像處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]岡薩雷斯(Gonzalez R.C.).數(shù)字圖像處理（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.39-63.

[3]趙秋宇，王曉紅，張德喜.可增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的改進(jìn)的直方圖均衡化算法[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008(4)：601-603.

[4]朱永松，國(guó)澄明.基于相關(guān)系數(shù)的相關(guān)匹配算法的研究[J].信號(hào)處理，2003，19(6)：531-534.

[5]JONG-SEN LEE.Digital image enhancement and noise filtering by use of local statistics[J].IEEE Trans on Pattern Anal and Machine Intell，1980，PAMI-2(2)：165-168.

[6]許飛，施曉紅.Matlab 應(yīng)用圖像處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.1-5.

[7]高嚴(yán)平.圖像增強(qiáng)算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2005.

[8]洪明堅(jiān).圖像增強(qiáng)的自適應(yīng)直方圖修正算法研究及其應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2002.