一、引言

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，以其卓越的物理化學(xué)性能，在新能源汽車、軌道交通、5G 通信等關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的作用。然而，SiC 材料硬度高、脆性大的特性，給其襯底切割加工帶來了極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)切割方法存在切割精度低、效率慢、厚度均勻性差等問題，嚴(yán)重制約了 SiC 器件的性能與生產(chǎn)規(guī)模。在此背景下，開發(fā)基于機(jī)器視覺的碳化硅襯底切割自動對刀系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)厚度均勻性控制，對推動 SiC 產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動對刀系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺模塊、運(yùn)動控制模塊、切割執(zhí)行模塊和控制系統(tǒng)組成。機(jī)器視覺模塊采用高分辨率工業(yè)相機(jī)與定制光學(xué)鏡頭，實(shí)時采集切割區(qū)域圖像。運(yùn)動控制模塊通過精密電機(jī)與絲杠導(dǎo)軌，精準(zhǔn)控制切割刀具的位置與進(jìn)給速度。切割執(zhí)行模塊根據(jù)不同切割工藝（如金剛線切割、激光切割等）選擇相應(yīng)刀具。控制系統(tǒng)整合各模塊信息，實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。

三、機(jī)器視覺對刀原理與實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像采集與預(yù)處理

工業(yè)相機(jī)以固定幀率采集切割區(qū)域圖像，圖像經(jīng)灰度化、濾波、增強(qiáng)等預(yù)處理操作，提升圖像質(zhì)量，凸顯襯底與刀具邊緣特征，為后續(xù)特征提取做準(zhǔn)備。例如，采用高斯濾波去除圖像噪聲，直方圖均衡化增強(qiáng)圖像對比度。

3.2 特征提取與匹配

利用邊緣檢測算法（如 Canny 算法）提取襯底邊緣輪廓與刀具特征點(diǎn)。通過模板匹配技術(shù)，將實(shí)時采集圖像中的刀具特征與預(yù)先存儲的標(biāo)準(zhǔn)刀具模板進(jìn)行匹配，確定刀具實(shí)際位置與姿態(tài)。當(dāng)檢測到刀具位置偏差時，控制系統(tǒng)計(jì)算補(bǔ)償量并發(fā)送指令給運(yùn)動控制模塊，實(shí)現(xiàn)刀具自動調(diào)整。

四、厚度均勻性控制策略

4.1 進(jìn)給量動態(tài)調(diào)節(jié)

碳化硅襯底切割過程中，依據(jù)切割深度、刀具磨損狀態(tài)等因素動態(tài)調(diào)整進(jìn)給量。切割起始階段，材料表面完整，刀具與材料接觸狀態(tài)穩(wěn)定，可采用較大進(jìn)給量提高加工效率。隨著切割深入，刀具磨損加劇，材料內(nèi)部應(yīng)力分布改變，此時逐步減小進(jìn)給量，能有效控制切割力在合理范圍，維持材料均勻去除，保證厚度均勻性。構(gòu)建以切割深度為自變量，進(jìn)給量為因變量的梯度調(diào)節(jié)函數(shù)，通過傳感器實(shí)時監(jiān)測切割深度、刀具振動、切割力等參數(shù)，將數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)依據(jù)預(yù)設(shè)的梯度調(diào)節(jié)模型，動態(tài)調(diào)整進(jìn)給量。

4.2 切割參數(shù)優(yōu)化

通過實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式，建立切割參數(shù)（如切割速度、進(jìn)給量、切割功率等）與厚度均勻性的映射關(guān)系模型。利用該模型，針對不同規(guī)格的碳化硅襯底，優(yōu)化切割參數(shù)組合，使切割過程中材料去除均勻，降低厚度偏差。例如，對于較薄的襯底，適當(dāng)減小切割速度與進(jìn)給量；對于硬度更高的碳化硅材料，調(diào)整切割功率與冷卻條件，確保切割過程穩(wěn)定，提升厚度均勻性。

高通量晶圓測厚系統(tǒng)運(yùn)用第三代掃頻OCT技術(shù)，精準(zhǔn)攻克晶圓/晶片厚度TTV重復(fù)精度不穩(wěn)定難題，重復(fù)精度達(dá)3nm以下。針對行業(yè)厚度測量結(jié)果不一致的痛點(diǎn)，經(jīng)不同時段測量驗(yàn)證，保障再現(xiàn)精度可靠。?

我們的數(shù)據(jù)和WAFERSIGHT2的數(shù)據(jù)測量對比,進(jìn)一步驗(yàn)證了真值的再現(xiàn)性：

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

該系統(tǒng)基于第三代可調(diào)諧掃頻激光技術(shù)，相較傳統(tǒng)雙探頭對射掃描，可一次完成所有平面度及厚度參數(shù)測量。其創(chuàng)新掃描原理極大提升材料兼容性，從輕摻到重?fù)絇型硅，到碳化硅、藍(lán)寶石、玻璃等多種晶圓材料均適用：?

對重?fù)叫凸?，可精?zhǔn)探測強(qiáng)吸收晶圓前后表面；?

點(diǎn)掃描第三代掃頻激光技術(shù)，有效抵御光譜串?dāng)_，勝任粗糙晶圓表面測量；?

通過偏振效應(yīng)補(bǔ)償，增強(qiáng)低反射碳化硅、鈮酸鋰晶圓測量信噪比；

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

支持絕緣體上硅和MEMS多層結(jié)構(gòu)測量，覆蓋μm級到數(shù)百μm級厚度范圍，還可測量薄至4μm、精度達(dá)1nm的薄膜。

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

此外，可調(diào)諧掃頻激光具備出色的“溫漂”處理能力，在極端環(huán)境中抗干擾性強(qiáng)，顯著提升重復(fù)測量穩(wěn)定性。

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

系統(tǒng)采用第三代高速掃頻可調(diào)諧激光器，擺脫傳統(tǒng)SLD光源對“主動式減震平臺”的依賴，憑借卓越抗干擾性實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，還能與EFEM系統(tǒng)集成，滿足產(chǎn)線自動化測量需求。運(yùn)動控制靈活，適配2-12英寸方片和圓片測量。