藍(lán)寶石襯底檢驗與自動化技術(shù)的應(yīng)用研究

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)成熟以及機械強度高，易于處理和清洗等優(yōu)點，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)用到自動化檢驗設(shè)備是必然發(fā)展的趨勢。自動化檢測技術(shù)滿足了藍(lán)寶石襯底的廣泛檢測項目和要求，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)用自動化檢測技術(shù)，探討檢測技術(shù)與自動化裝置在制造業(yè)上的作用意義，以及自動化檢測分類應(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;檢測技術(shù);自動化

Key words： sapphire substrate;detection technology;automation

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

0? 引言

自動化檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用，不僅具有重要的理論基礎(chǔ)，符合當(dāng)前及未來我國科技發(fā)展的戰(zhàn)略，而且緊密關(guān)聯(lián)著國民經(jīng)濟的實際情況，對促進(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)車間利用檢測儀器或綜合測試方法檢測，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)行測量作業(yè)。檢測是制造過程中必不可少的輔助手段，對目標(biāo)對象按照流程進(jìn)行的活動，通過檢測作業(yè)能對襯底的制程實施控制進(jìn)行一系列調(diào)整和補償動作，使報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)自動化制造系統(tǒng)中，檢測是襯底質(zhì)量保證體系的測量技術(shù)支撐，自動化檢測技術(shù)更是效率與品質(zhì)同步提升的保障。

1? 襯底檢測的類別

1.1 接觸與非接觸檢測的應(yīng)用

接觸檢測（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改變則可能對于后續(xù)工藝造成影響。量表則可粗略的測量襯底厚度與局域平坦度（Total Thickness Variation， TTV）等參數(shù)的量測，相關(guān)使用照片圖1所示。

非接觸檢測（Non-Contact measurement）檢測時感應(yīng)器不與襯底直接接觸，可提高檢測效率以及節(jié)約維護成本，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如平坦度（Flatness）檢測，穿透率（Transmittance）檢測等。以常見的平坦度量測為例：此利用光的特性照射待測物的表面，不同波長的光有著不同的對焦高度的理論，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物反射的光譜強度，來捕捉到非常精準(zhǔn)的距離讀數(shù)。

1.2 離線檢測與在線檢測

制程生產(chǎn)中確定檢測的最佳時機點是品質(zhì)控制上關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)檢測時機的不同，制造過程檢測可分為離線檢測（Off-line detection）、在線過程中檢測（In-line detection）和在線過程后檢測（Post-line detection）。

襯底離線檢測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)時間短而生產(chǎn)過程輸出狀況穩(wěn)定，超規(guī)的風(fēng)險比例低;④當(dāng)在線檢測成本高時。但離線檢測的缺點有：不能及時發(fā)現(xiàn)線上生產(chǎn)存在的質(zhì)量問題，檢測出的質(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，檢驗站點需在加工后進(jìn)行外觀缺陷檢查以及表面平坦度量測，這種檢測方式相較在線檢測會有較長的周期，使在制品（Work in process，WIP）較高，也有可能當(dāng)檢測異常發(fā)生時的回查延遲性不佳。

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

在線過程中檢測是指襯底在機臺加工作業(yè)時，伴隨的機臺監(jiān)控機制可即時檢測出機臺異常狀態(tài)，并即時調(diào)整機臺加工參數(shù)。其主要優(yōu)點是可以對正在加工的襯底即時進(jìn)行修正與補償質(zhì)量缺陷的活動，以消除不良品的產(chǎn)生。例如襯底在加工機臺上作業(yè)時可用紅外溫度槍量測即時的盤面溫度，溫度偏高或偏低均會影響加工品質(zhì)，加工過程的溫度檢測可進(jìn)行即時調(diào)整，以避免溫度異常所造成的不良產(chǎn)品。

在線過程后檢測是加工后立即進(jìn)行測量，可用半自動方式或全自動化方式來完成，并采用全檢和概率抽檢方式，其檢測結(jié)果可以用來控制下一批襯底的加工制造，對生產(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)行下機襯底表面品質(zhì)的抽檢，避免因為離線檢測的延遲性而造成連續(xù)性的異常。

1.3 自動化的在線檢測

在線檢測是實現(xiàn)襯底良率控制的首要環(huán)節(jié)，但因檢測程序的繁瑣以及人工檢測的主觀因素等困難，在襯底作業(yè)過程中應(yīng)用自動化檢測技術(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)備運行、生產(chǎn)在制不滯留的情況下，對厚度與平坦度等襯底品質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)或間斷的即時檢測、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)補償、停機等），以保證制造過程中襯底產(chǎn)出良率處于最佳狀態(tài)。其中自動檢測系統(tǒng)通過探針等檢測元件將襯底形貌轉(zhuǎn)化為信號，通過數(shù)學(xué)計算邏輯進(jìn)行處理，最終將信號以數(shù)據(jù)報表輸出[5]。

采用自動化在線檢測技術(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，以及減少停機檢測時間和加工設(shè)備調(diào)整時間，提高襯底產(chǎn)出率。實現(xiàn)自動化在線檢測有兩種途徑：一種是在機臺設(shè)備上安裝自動檢測裝置;另一種是在自動生產(chǎn)線上設(shè)置自動檢測工位。

自動化在線檢測技術(shù)的主要發(fā)展優(yōu)勢有：①多元化。從單缺陷檢測到多缺陷綜合檢測;從單機檢測到整個制造系統(tǒng);從單因素檢測到檢測、監(jiān)控和控制循環(huán)系統(tǒng);從大批量單一生產(chǎn)檢測到應(yīng)用于中小批量多品種生產(chǎn)檢測。②智能化。利用計算機智能化功能，保證在線檢測系統(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自動在線檢測裝置的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和集成化，有利于低成本、擴大適用范圍。同時，制造系統(tǒng)中的各個自動檢測裝置不是獨立存在，而是集成檢測系統(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，可將多種檢測裝置串聯(lián)在一條流水線上，均可實現(xiàn)了在線與離線檢測。襯底晶片通過傳送帶等介質(zhì)的運輸，各個檢測裝置在最短時間內(nèi)獲得襯底各方面參數(shù)的數(shù)值。軟件通過各量測數(shù)據(jù)下達(dá)指令給機械手臂進(jìn)行分片，從而實現(xiàn)各參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行自動判定襯底的品質(zhì)并分類。應(yīng)用各種自動化檢測設(shè)施對自動化制造產(chǎn)品的整個制造過程，可適時檢測設(shè)備通過對不同信息的收集、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。通過計算機數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用而呈現(xiàn)，使技術(shù)工程師根據(jù)不足及時對產(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。同時利用自動化檢測技術(shù)及時改進(jìn)，不僅可有效避免人為工作的失誤而且更精準(zhǔn)對制造過程起到一個監(jiān)督、檢測作用，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)自動檢測流水線應(yīng)用范例如圖3所示，所設(shè)計案例是應(yīng)用在拋光后檢測，第1個檢測站點為崩邊檢驗，利用3組相機進(jìn)行上面、側(cè)面以及下面檢驗;其次為襯底平坦度檢測，目的在于檢測出襯底正面的平坦度，如Thickness/TTV/Warp/Bow等。最后是檢驗外觀，如刮傷與坑洞等缺陷，以視覺辨識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

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的自動化檢測設(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)過程與檢測設(shè)備的可靠性，多元化檢測儀器組成的自動化檢測設(shè)備操作簡單，精準(zhǔn)穩(wěn)定，應(yīng)用于外觀質(zhì)量檢測上，提高了產(chǎn)品設(shè)備檢測的效率，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品外觀缺陷，對于產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)展將更具有競爭力。

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作者簡介：吳麗瓊（1993-），女，福建泉州人，本科，資深工程師，研究方向為自動化檢測;周志豪（通訊作者）（1981-），男，臺灣彰化人，博士研究生，研究方向為平坦化技術(shù)、自動化技術(shù)、統(tǒng)計分析。