白皮书: 过程内微米级精确度厚度检测平台

基板是一种重要的产品，是许多芯片产品的基本元件之一。基板产品由三层组成。两个金属层和一个正温度系数 (PTC) 层被层压在一起。图 1 显示了基板制造过程的示意图。厚度是基板质量最重要的参数，直接影响到性能。如果最终产品的厚度不达规，我们没有返工机会，必须放弃所有产品。

在实际生产中，操作员需要调整两个滚子之间的距离，以控制厚度。问题往往出现在转换过程中。在整个产品系列中，存在 9 种不同厚度的部件的编号。通常情况下，厚度会频繁发生变化，每天转换两次。

转换的成本非常高。由于没有在线厚度检测设备，当前转换基于离线检测。操作员需要首先生产一些样品，停止机器，切下样品进行离线破坏性检测。操作员将重复这个过程，直到得到满意的结果。这是手动微米级调整，难度很高且耗时。

要开发一个在线基板厚度检测系统，应考虑解决三个难题： 

1) 微米级精确度

2) 动态检测 

3) 非接触式检测

我们开创了一个厚度检测平台，可执行过程内、达微米级精确度、非接触式的动态检测。我们使用激光技术来执行非接触式检测。为了达到精确度要求，我们进行了一次 DoE，以了解动态检测的关键影响因素是什么，以及如何实现动态检测的精确度要求。平台通过了 GR&R 认证。

图 4 显示了大致的平台构成：紫色部分表示基板。两个激光传感器，一个向上，一个向下，安装在一个 C 形传感器安装框架中，它们配合运行以执行厚度检测。由伺服电机驱动的两个轴来回移动 C 形框架。 轴安装在大理石框架上，以提高稳定性。大理石通常用作高精度测量系统（例如协调测量机）底座。 大理石框架下面是电气控制柜。

开始进行生产后，基板连续向 X 方向经过检测站，向上的激光传感器和向下的激光传感器沿 Y 方向移动，形成一个锯齿形的检测轨迹，如图 4 下方所示。

基于两个传感器的厚度检测理论如图 5 所示。两个激光传感器用于检测传感器与物体之间的距离。L 为两个传感器之间的距离，A 是由向上的激光传感器测量的距离，B 是由向下的激光传感器测量的距离，基板的厚度为 

                                                      厚度 = L-A-B                                  (1)

为了在实际生产中应用方程 (1)，我们需要确保在检测过程中检测环境完全满足方程 (1) 的条件。然而，实际制造环境中存在着各种噪声资源，包括激光传感器的误差、基板振动、基板旋转、传感器运动和产品运动，因此很难直接应用方程 (1)。 

我们建立了一个 DoE 平台，用于分析每个影响因素的影响。DoE 平台基于一个 6 轴机器人，重复性为 0.02 mm。操纵装置末端的夹子可以操纵基板样品，模拟振动、旋转、垂直运动和水平运动。除机器人外，高精度激光传感器作为一种关键设备，具有 0.02 微米的重复性和 1.2 微米的精确度。水平移动传感器的轴具有 0.001 mm 的重复性。系统的固有精确度足以满足要求。但是，外部环境可能会降低固有精确度，因此该 DoE 的目的是找到减少影响和恢复固有精确度的方法。

我们进行了三种实验：

• 静态测试：产品和传感器都是静态的，以测试系统的重复性和精确度。这是系统的固有精确度
• 动态测试：测试产品旋转、振动、产品水平运动和产品垂直运动的影响，并找出各因素与精确度之间的关系
• 真实产品测试：真实产品 GR&R 认证

本文介绍了有关一个过程内微米级精度检测平台的创新，内容包括平台概述，非接触式激光技术，动态检测校准算法，软件和 GR&R 认证。我们详细阐述了如何在 DoE 实验和科学分析的基础上提高系统精确度。 

该平台的优势包括过程内、微米级精确度、动态和非接触式的特点。检测平台直接集成到制造生产线中，并向操作员显示实时检测数据。该系统的检测精确度达到微米级，通过了 GR&R 认证。动态检测可用于各种各样的产品。我们以激光技术为基础，实现了非接触式检测。

该平台有望在将来用于需要厚度检测的其他类型的产品，同时，该平台可以进行改进，以覆盖更快的生产线和更广泛的产品。