藍寶石襯底檢驗與自動化技術的應用研究

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寶石襯底上，主要是藍寶石襯底具有高穩定性，其生產技術成熟以及機械強度高，易于處理和清洗等優點，該行業已進入大尺寸量產及高精度制造的品質要求，故藍寶石襯底應用到自動化檢驗設備是必然發展的趨勢。自動化檢測技術滿足了藍寶石襯底的廣泛檢測項目和要求，為襯底制造業的品質和效率作保障。本文介紹藍寶石襯底應用自動化檢測技術，探討檢測技術與自動化裝置在制造業上的作用意義，以及自動化檢測分類應用。

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.

關鍵詞：藍寶石襯底;檢測技術;自動化

Key words： sapphire substrate;detection technology;automation

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

0? 引言

自動化檢測技術的研究與應用，不僅具有重要的理論基礎，符合當前及未來我國科技發展的戰略，而且緊密關聯著國民經濟的實際情況，對促進企業技術進步、傳統工業技術改造有著重要的意義[1]。藍寶石襯底生產車間利用檢測儀器或綜合測試方法檢測，以確定襯底質量和技術要求的目標值是否達到制程規定的標準而進行測量作業。檢測是制造過程中必不可少的輔助手段，對目標對象按照流程進行的活動，通過檢測作業能對襯底的制程實施控制進行一系列調整和補償動作，使報廢品與返工率降到最低，保證襯底質量形成過程的穩定性。綜上所述，先進自動化制造系統中，檢測是襯底質量保證體系的測量技術支撐，自動化檢測技術更是效率與品質同步提升的保障。

1? 襯底檢測的類別

1.1 接觸與非接觸檢測的應用

接觸檢測（Contact measurement）通常采用探針（Probe）或其他具有可校準的規塊裝置，與襯底表面接觸后可得到精準的數值指標[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，作為判斷區域性或線性的粗糙度及表面特徵，相關參數如Ra（平均粗糙度）以及Rt（最大深度）等。Ra與Rt是用以觀察當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）等參數的量測，相關使用照片圖1所示。

非接觸檢測（Non-Contact measurement）檢測時感應器不與襯底直接接觸，可提高檢測效率以及節約維護成本，一般常見的有光學、超音波等原理方法。在藍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，來捕捉到非常精準的距離讀數。

1.2 離線檢測與在線檢測

制程生產中確定檢測的最佳時機點是品質控制上關鍵的環節。根據檢測時機的不同，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線的行為，適用于下列狀況：①制造的過程能力在設計目標要求的公差范圍內;②產出率較高的流程;③生產時間短而生產過程輸出狀況穩定，超規的風險比例低;④當在線檢測成本高時。但離線檢測的缺點有：不能及時發現線上生產存在的質量問題，檢測出的質量問題反饋信息存在延遲性，易造成大量不良品的產出。襯底為例，檢驗站點需在加工后進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，也有可能當檢測異常發生時的回查延遲性不佳。

在線檢測是指檢測機臺、裝置、系統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時，伴隨的機臺監控機制可即時檢測出機臺異常狀態，并即時調整機臺加工參數。其主要優點是可以對正在加工的襯底即時進行修正與補償質量缺陷的活動，以消除不良品的產生。例如襯底在加工機臺上作業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，加工過程的溫度檢測可進行即時調整，以避免溫度異常所造成的不良產品。

在線過程后檢測是加工后立即進行測量，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，其檢測結果可以用來控制下一批襯底的加工制造，對生產制造過程進行改善。在襯底加工的應用案例如拋光作業過程進行下機襯底表面品質的抽檢，避免因為離線檢測的延遲性而造成連續性的異常。

1.3 自動化的在線檢測

在線檢測是實現襯底良率控制的首要環節，但因檢測程序的繁瑣以及人工檢測的主觀因素等困難，在襯底作業過程中應用自動化檢測技術是生產效率和品質提升的保障，并成為生產制造業質量信息獲取的主要手段。襯底生產過程中保證設備運行、生產在制不滯留的情況下，對厚度與平坦度等襯底品質參數指標進行連續或間斷的即時檢測、監控等。經過數據分析處理排查后做出工藝決策（如制程改善、反饋調節補償、停機等），以保證制造過程中襯底產出良率處于最佳狀態。其中自動檢測系統通過探針等檢測元件將襯底形貌轉化為信號，通過數學計算邏輯進行處理，最終將信號以數據報表輸出[5]。

采用自動化在線檢測技術有助于減少不良和物料消耗，減少在線返工的返工率，降低生產成本，以及減少停機檢測時間和加工設備調整時間，提高襯底產出率。實現自動化在線檢測有兩種途徑：一種是在機臺設備上安裝自動檢測裝置;另一種是在自動生產線上設置自動檢測工位。

自動化在線檢測技術的主要發展優勢有：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;從單因素檢測到檢測、監控和控制循環系統;從大批量單一生產檢測到應用于中小批量多品種生產檢測。②智能化。利用計算機智能化功能，保證在線檢測系統能迅速適應制造過程的參數狀態變化，并排除外界干擾。③自動在線檢測裝置的模塊化、標準化、通用化和集成化，有利于低成本、擴大適用范圍。同時，制造系統中的各個自動檢測裝置不是獨立存在，而是集成檢測系統，相互之間能夠實現質量信息共享與交換。

在藍寶石襯底生產線上，可將多種檢測裝置串聯在一條流水線上，均可實現了在線與離線檢測。襯底晶片通過傳送帶等介質的運輸，各個檢測裝置在最短時間內獲得襯底各方面參數的數值。軟件通過各量測數據下達指令給機械手臂進行分片，從而實現各參數指標進行自動判定襯底的品質并分類。應用各種自動化檢測設施對自動化制造產品的整個制造過程，可適時檢測設備通過對不同信息的收集、定性分析將制造中出現的問題、數據、形狀、尺寸問題等。通過計算機數字化技術的應用而呈現，使技術工程師根據不足及時對產品進行改進，進一步提高制造目標提高生產精度提高產品質量。同時利用自動化檢測技術及時改進，不僅可有效避免人為工作的失誤而且更精準對制造過程起到一個監督、檢測作用，進而提高產品的精度，確保產品的質量[6]。襯底作業自動檢測流水線應用范例如圖3所示，所設計案例是應用在拋光后檢測，第1個檢測站點為崩邊檢驗，利用3組相機進行上面、側面以及下面檢驗;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、處理及數據輸出。

2? 結束語

隨著現代技術的不斷發展，越來越多的自動化檢測設備應用在藍寶石襯底行業，不僅可以提高該行業的自動化水平和程度，亦可減少作業過程中人員因素造成的崩破裂等不良損失，可以提高生產過程與檢測設備的可靠性，多元化檢測儀器組成的自動化檢測設備操作簡單，精準穩定，應用于外觀質量檢測上，提高了產品設備檢測的效率，及時發現產品外觀缺陷，對于產業的產品質量發展將更具有競爭力。

參考文獻：

[1]王進京，韓勝光.自動化機械制造系統中應用檢測技術的實踐探索[J].科技與企業，2016（8）.

[2]王曉雨.試論檢測自動化技術在機械制造系統中的應用[J].河南科技，2014（1）.

[3]趙晶晶，王明路.檢測技術在自動化機械制造系統中的應用探討[J].中國設備工程，2018（3）.

[4]馮建珊.淺析檢測技術在自動化機械制造系統中的應用[J].華東科技，2014（1）.

[5]馬登龍.機械自動化技術及其在機械制造中的應用研究[J].中國高新區，2018（11）.

[6]胡曉芳，曲杰.檢測技術在自動化機械制造系統中的應用研究[J].電子測試，2016（3）.

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、自動化技術、統計分析。