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蓝宝石衬底检验与自动化技术的应用研究

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吴丽琼周志豪刘建飞戴坤森李鹏陈辉煌

摘要：Ⅲ-Ⅴ族GaN基材料和器件的外延层选择生长在蓝宝石衬底上，主要是蓝宝石衬底具有高稳定性，其生产技术成熟以及机械强度高，易于处理和清洗等优点，该行业已进入大尺寸量产及高精度制造的品质要求，故蓝宝石衬底应用到自动化检验设备是必然发展的趋势。自动化检测技术满足了蓝宝石衬底的广泛检测项目和要求，为衬底制造业的品质和效率作保障。本文介绍蓝宝石衬底应用自动化检测技术，探讨检测技术与自动化装置在制造业上的作用意义，以及自动化检测分类应用。

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.

關键词：蓝宝石衬底;检测技术;自动化

Key words： sapphire substrate;detection technology;automation

中图分类号：TN247? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）22-0203-02

0? 引言

自动化检测技术的研究与应用，不仅具有重要的理论基础，符合当前及未来我国科技发展的战略，而且紧密关联着国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造有着重要的意义[1]。蓝宝石衬底生产车间利用检测仪器或综合测试方法检测，以确定衬底质量和技术要求的目标值是否达到制程规定的标准而进行测量作业。检测是制造过程中必不可少的辅助手段，对目标对象按照流程进行的活动，通过检测作业能对衬底的制程实施控制进行一系列调整和补偿动作，使报废品与返工率降到最低，保证衬底质量形成过程的稳定性。综上所述，先进自动化制造系统中，检测是衬底质量保证体系的测量技术支撑，自动化检测技术更是效率与品质同步提升的保障。

1? 衬底检测的类别

1.1 接触与非接触检测的应用

接触检测（Contact measurement）通常采用探针（Probe）或其他具有可校准的规块装置，与衬底表面接触后可得到精准的数值指标[2-4]。常见的有原子力显微镜（AFM）、表面粗糙分析仪（Roughness）与接触式量表（Gauge）等。AFM和粗糙度仪器为用于检测微小物体的图形形貌，作为判断区域性或线性的粗糙度及表面特徵，相关参数如Ra（平均粗糙度）以及Rt（最大深度）等。Ra与Rt是用以观察当研磨加工后表面粗糙度的表徵值，若Ra与Rt改变则可能对于后续工艺造成影响。量表则可粗略的测量衬底厚度与局域平坦度（Total Thickness Variation， TTV）等参数的量测，相關使用照片图1所示。

非接触检测（Non-Contact measurement）检测时感应器不与衬底直接接触，可提高检测效率以及节约维护成本，一般常见的有光学、超音波等原理方法。在蓝宝石衬底常见的非接触检测如平坦度（Flatness）检测，穿透率（Transmittance）检测等。以常见的平坦度量测为例：此利用光的特性照射待测物的表面，不同波长的光有着不同的对焦高度的理论，控制白光源，通过光纤传送到探头，然后探头将白光色散的光，聚焦成一排离散的焦距，再由控制器分析从待测物反射的光谱强度，来捕捉到非常精准的距离读数。

1.2 离线检测与在线检测

制程生产中确定检测的最佳时机点是品质控制上关键的环节。根据检测时机的不同，制造过程检测可分为离线检测（Off-line detection）、在线过程中检测（In-line detection）和在线过程后检测（Post-line detection）。

衬底离线检测是在加工过程中脱离加工生产线的行为，适用于下列状况：①制造的过程能力在设计目标要求的公差范围内;②产出率较高的流程;③生产时间短而生产过程输出状况稳定，超规的风险比例低;④当在线检测成本高时。但离线检测的缺点有：不能及时发现线上生产存在的质量问题，检测出的质量问题反馈信息存在延迟性，易造成大量不良品的产出。衬底为例，检验站点需在加工后进行外观缺陷检查以及表面平坦度量测，这种检测方式相较在线检测会有较长的周期，使在制品（Work in process，WIP）较高，也有可能当检测异常发生时的回查延迟性不佳。

在线检测是指检测机台、装置、系统或检测工作站在空间上被集成于衬底制造过程中，制造过程与检测过程没有时间上的延迟或只有很短的时间延迟。因此，依据检测是否与制造过程有时间延迟，在线检测分为在线过程中检测和在线过程后检测。

在线过程中检测是指衬底在机台加工作业时，伴随的机台监控机制可即时检测出机台异常状态，并即时调整机台加工参数。其主要优点是可以对正在加工的衬底即时进行修正与补偿质量缺陷的活动，以消除不良品的产生。例如衬底在加工机台上作业时可用红外温度枪量测即时的盘面温度，温度偏高或偏低均会影响加工品质，加工过程的温度检测可进行即时调整，以避免温度异常所造成的不良产品。

在线过程后检测是加工后立即进行测量，可用半自动方式或全自动化方式来完成，并采用全检和概率抽检方式，其检测结果可以用来控制下一批衬底的加工制造，对生产制造过程进行改善。在衬底加工的应用案例如抛光作业过程进行下机衬底表面品质的抽检，避免因为离线检测的延迟性而造成连续性的异常。

1.3 自动化的在线检测

在线检测是实现衬底良率控制的首要环节，但因检测程序的繁琐以及人工检测的主观因素等困难，在衬底作业过程中应用自动化检测技术是生产效率和品质提升的保障，并成为生产制造业质量信息获取的主要手段。衬底生产过程中保证设备运行、生产在制不滞留的情况下，对厚度与平坦度等衬底品质参数指标进行连续或间断的即时检测、监控等。经过数据分析处理排查后做出工艺决策（如制程改善、反馈调节补偿、停机等），以保证制造过程中衬底产出良率处于最佳状态。其中自动检测系统通过探针等检测元件将衬底形貌转化为信号，通过数学计算逻辑进行处理，最终将信号以數据报表输出[5]。

采用自动化在线检测技术有助于减少不良和物料消耗，减少在线返工的返工率，降低生产成本，以及减少停机检测时间和加工设备调整时间，提高衬底产出率。实现自动化在线检测有两种途径：一种是在机台设备上安装自动检测装置;另一种是在自动生产线上设置自动检测工位。

自动化在线检测技术的主要发展优势有：①多元化。从单缺陷检测到多缺陷综合检测;从单机检测到整个制造系统;从单因素检测到检测、监控和控制循环系统;从大批量单一生产检测到应用于中小批量多品种生产检测。②智能化。利用计算机智能化功能，保证在线检测系统能迅速适应制造过程的参数状态变化，并排除外界干扰。③自动在线检测装置的模块化、标准化、通用化和集成化，有利于低成本、扩大适用范围。同时，制造系统中的各个自动检测装置不是独立存在，而是集成检测系统，相互之间能够实现质量信息共享与交换。

在蓝宝石衬底生产线上，可将多种检测装置串联在一条流水线上，均可实现了在线与离线检测。衬底晶片通过传送带等介质的运输，各个检测装置在最短时间内获得衬底各方面参数的数值。软件通过各量测数据下达指令给机械手臂进行分片，从而实现各参数指标进行自动判定衬底的品质并分类。应用各种自动化检测设施对自动化制造产品的整个制造过程，可适时检测设备通过对不同信息的收集、定性分析将制造中出现的问题、数据、形状、尺寸问题等。通过计算机数字化技术的应用而呈现，使技术工程师根据不足及时对产品进行改进，进一步提高制造目标提高生产精度提高产品质量。同时利用自动化检测技术及时改进，不仅可有效避免人为工作的失误而且更精准对制造过程起到一个监督、检测作用，进而提高产品的精度，确保产品的质量[6]。衬底作业自动检测流水线应用范例如图3所示，所设计案例是应用在抛光后检测，第1个检测站点为崩边检验，利用3组相机进行上面、侧面以及下面检验;其次为衬底平坦度检测，目的在于检测出衬底正面的平坦度，如Thickness/TTV/Warp/Bow等。最后是检验外观，如刮伤与坑洞等缺陷，以视觉辨识功能将衬底的表面图像信息提取、处理及数据输出。

2? 结束语

随着现代技术的不断发展，越来越多的自动化检测设备应用在蓝宝石衬底行业，不仅可以提高该行业的自动化水平和程度，亦可减少作业过程中人员因素造成的崩破裂等不良损失，可以提高生产过程与检测设备的可靠性，多元化检测仪器组成的自动化检测设备操作简单，精准稳定，应用于外观质量检测上，提高了产品设备检测的效率，及时发现产品外观缺陷，对于产业的产品质量发展将更具有竞争力。

参考文献：

[1]王进京，韩胜光.自动化机械制造系统中应用检测技术的实践探索[J].科技与企业，2016（8）.

[2]王晓雨.试论检测自动化技术在机械制造系统中的应用[J].河南科技，2014（1）.

[3]赵晶晶，王明路.检测技术在自动化机械制造系统中的应用探讨[J].中国设备工程，2018（3）.

[4]冯建珊.浅析检测技术在自动化机械制造系统中的应用[J].华东科技，2014（1）.

[5]马登龙.机械自动化技术及其在机械制造中的应用研究[J].中国高新区，2018（11）.

[6]胡晓芳，曲杰.检测技术在自动化机械制造系统中的应用研究[J].电子测试，2016（3）.

作者简介：吴丽琼（1993-），女，福建泉州人，本科，资深工程师，研究方向为自动化检测;周志豪（通讯作者）（1981-），男，台湾彰化人，博士研究生，研究方向为平坦化技术、自动化技术、统计分析。

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