Measuring and evaluating system for surface morphology of sapphire substrates

Chang-cai CUI; Cheng YANG; Zi-qing LI; Bu-gang XUE

doi:10.37188/OPE.20212911.2556

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Measuring and evaluating system for surface morphology of sapphire substrates

Modern Applied Optics | 更新时间：2022-01-25

- Measuring and evaluating system for surface morphology of sapphire substrates
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 11, Pages: 2556-2566(2021)
- 作者机构：
  
  华侨大学制造工程研究院，福建厦门 361021
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212911.2556
  CLC： TH742
- Received：19 April 2021，
  
  Revised：06 May 2021，
  
  Published：15 November 2021
- 稿件说明：
移动端阅览
崔长彩,杨成,李子清等.蓝宝石衬底表面形貌检测和评价系统[J].光学精密工程,2021,29(11):2556-2566.

CUI Chang-cai,YANG Cheng,LI Zi-qing,et al.Measuring and evaluating system for surface morphology of sapphire substrates[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2556-2566.
崔长彩,杨成,李子清等.蓝宝石衬底表面形貌检测和评价系统[J].光学精密工程,2021,29(11):2556-2566. DOI： 10.37188/OPE.20212911.2556.

CUI Chang-cai,YANG Cheng,LI Zi-qing,et al.Measuring and evaluating system for surface morphology of sapphire substrates[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2556-2566. DOI： 10.37188/OPE.20212911.2556.

摘要

为实现对蓝宝石衬底加工过程的质量监控，开发了一套蓝宝石衬底表面形貌检测和评价专用系统。基于经典垂直扫描白光干涉技术，利用其干涉图像的波动性，采用图像十字截面的灰度值方差作为清晰度评价函数，以实现系统的自动对焦；参考国家标准GB/T 29505-2013推荐的衬底测量点数及其位置分布，针对不同尺寸的蓝宝石衬底，依据同一层单位圆相邻圆心的距离来增加相应的测量点数；选取了二维、三维粗糙度评价参数作为系统评价参数，并对多点位置的粗糙度做统计参数分析。用

为0.1，0.2，0.4，0.8 μm的标准件对系统进行误差补偿，得到误差补偿方程，之后，用商业仪器3D光学轮廓仪Zygo7300进行对比实验，对

为0.8 μm标准件的5个不同位置进行了对比测量，两者测量的

值的误差为

0.012~0.011 μm；误差补偿完成后，分别对2英寸和4英寸蓝宝石衬底进行测量和评价分析。实验结果表明：该测量系统的精度为纳米级，能够实现不同尺寸蓝宝石衬底表面形貌的测量与分析，以及表面质量分布的评价。

Abstract

To monitor the quality of sapphire substrate processing， a specific system for sapphire substrate surface morphology measurement and evaluation was developed. The classic vertical scanning white light interference technology was adopted. Based on the fluctuation of the interference images， the cross-section variance calculation method was used as the definition evaluation method to realize the automatic focusing of the system. Referring to the substrate measurement points and their location distribution recommended by the national standard GB/T 29505-2013， the corresponding measurement points for different sizes of sapphire substrates were increased according to the distance between adjacent centers of the same layer unit circle. Two-dimensional and three-dimensional roughness evaluation parameters were selected as the system evaluation parameters. The multi-point location roughness statistical parameters were analyzed. The error of the system was compensated by standard parts with

values of 0.1， 0.2， 0.4， and 0.8 μm， and the error compensation equation was obtained. The commercial 3D optical profilometer Zygo7300 was used to perform comparative experiments， and five different positions of the standard part with 0.8 μm

were measured. The error range of

measured by the two interferometers is

0.012-0.011 μm. After the error compensation， the 2-inch and 4-inch sapphire substrates were measured and evaluated. The experimental results show that the accuracy of the measurement system has a nanometer level， and it can measure and analyze the surface morphology of sapphire substrates with different sizes as well as evaluate the surface quality distribution.

关键词

Keywords

references

LINHART J . Research on thermophysical and optical properties of sapphire and other high-temperature oxides with assistance of an optical furnace ［J］. Journal of Synthetic Crystals ， 2005 ， 34 （ 6 ）： 986 - 998 . doi: 10.1016/j.molcatb.2005.02.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.molcatb.2005.02.001

KONDO T ， KITANO T ， SUZUKI A ， et al . Advantages of the moth-eye patterned sapphire substrate for the high performance nitride based LEDs ［J］. Physica Status Solidi （c）， 2014 ， 11 （ 3/4 ）： 771 - 774 . doi: 10.1002/pssc.201300492 http://dx.doi.org/10.1002/pssc.201300492

HUANG X H ， LIU J P ， FAN Y M ， et al . Improving InGaN-LED performance by optimizing the patterned sapphire substrate shape ［J］. Chinese Physics B ， 2012 ， 21 （ 3 ）： 037105 . doi: 10.1088/1674-1056/21/3/037105 http://dx.doi.org/10.1088/1674-1056/21/3/037105

JIN X M ， CHAVOOR G ， LIU G B . Study of patterned sapphire substrate and SiO 2 array in GaN LED ［C］. SPIE OPTO. Proc SPIE 10554 ， Light-Emitting Diodes： Materials， Devices， and Applications for Solid State Lighting XXII， San Francisco， California， USA ， 2018 ， 1055 ： 105541G . doi: 10.1117/12.2285389 http://dx.doi.org/10.1117/12.2285389

MAZHEI A A ， USPENSKIY A A ， ERMALENOK V G . Dynamic analysis of the hydro-pneumatic front axle suspension of agriculture tractor ［C］. SAE 2006 Commercial Vehicle Engineering Congress & Exhibition ， Chicago， USA ， 2006 . doi: 10.4271/2006-01-3526 http://dx.doi.org/10.4271/2006-01-3526

CAI Z X ， GAO X Y ， YANG W ， et al . Study on fiber laser cutting of sapphire substrate ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2015 ， 52 （ 8 ）： 081403 . doi: 10.3788/lop52.081403 http://dx.doi.org/10.3788/lop52.081403

WANG X ， LU C D ， WEN D H . Experimental study on the precision lapping of sapphire substrate ［J］. Advanced Materials Research ， 2011 ， 215 ： 291 - 294 . doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.215.291 http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.215.291

YIN S H ， WANG Y Q ， LI Y P ， et al . Experimental study on magnetorheological chemical polishing for sapphire substrate ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2016 ， 52 （ 5 ）： 80 - 87 . doi: 10.3901/jme.2016.05.080 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2016.05.080

LEE K A ， KIM O H ， LEE E S . Study on fabrication of a large concave mirror surface using a swing-arm type profilometer ［J］. Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers ， 2008 ， 7 （ 3 ）： 41 - 46 .

CHENG C H ， HUNG S K ， LIN C H . Design of a dual- probe profilometer ［C］. 2014 International Conference on Manipulation， Manufacturing and Measurement on the Nanoscale （3M-NANO）. 2731，2014 ， Taipei， Taiwan， China. IEEE ， 2014 ： 66 - 69 . doi: 10.1109/3m-nano.2014.7057334 http://dx.doi.org/10.1109/3m-nano.2014.7057334

徐晓明，周海，黄传锦，等 . 蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺研究［J］. 机械设计与制造， 2018 （ 6 ）： 236 - 238， 242 . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2018.06.063 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2018.06.063

XU X M ， ZHOU H ， HUANG CH J ， et al . Study on planarization process of sapphire substrate surface ［J］. Machinery Design & Manufacture ， 2018 （ 6 ）： 236 - 238， 242 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2018.06.063 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2018.06.063

WANG L J ， HU ZH G ， YU Y Q ， et al . Evaluation of double-sided planetary grinding using diamond wheels for sapphire substrates ［J］. Crystals ， 2018 ， 8 （ 7 ）： 262 . doi: 10.3390/cryst8070262 http://dx.doi.org/10.3390/cryst8070262

杨海成，王银惠，梁志强，等 . 蓝宝石磨削表面微观形貌特征研究［J］. 新技术新工艺， 2018 （ 3 ）： 68 - 72 .

YANG H CH ， WANG Y H ， LIANG ZH Q ， et al . Research on sapphire surface microstructure processed by diamond grinding wheel ［J］. New Technology & New Process ， 2018 （ 3 ）： 68 - 72 . （in Chinese）

张克华，文东辉，鲁聪达，等 . 蓝宝石衬底双面研磨的材料去除机理研究［J］. 中国机械工程， 2008 ， 19 （ 23 ）： 2863 - 2866 . doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2008.23.022 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-132X.2008.23.022

ZHANG K H ， WEN D H ， LU C D ， et al . Research on the material removal mechanism of dual-lapping sapphire substrate ［J］. China Mechanical Engineering ， 2008 ， 19 （ 23 ）： 2863 - 2866 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2008.23.022 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-132X.2008.23.022

LUO S ， SASAKI O ， CHEN Z ， et al . Exact surface profile measurement without subtracting dispersion phase through Fourier transform in a white-light scanning interferometer ［J］. Applied Optics ， 2018 ， 57 （ 4 ）： 894 - 899 . doi: 10.1364/AO.57.000894 http://dx.doi.org/10.1364/AO.57.000894

VO Q ， FANG F Z ， ZHANG X D ， et al . Surface recovery algorithm in white light interferometry based on combined white light phase shifting and fast Fourier transform algorithms ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 29 ）： 8174 . doi: 10.1364/AO.56.008174 http://dx.doi.org/10.1364/AO.56.008174

张以谟，井文才，张红霞，等 . 数字化白光扫描干涉仪的研究［J］. 光学精密工程， 2004 ， 12 （ 6 ）： 560 - 565 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2004.06.002 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2004.06.002

ZHANG Y M ， JING W C ， ZHANG H X ， et al . Computerized white light scanning interferometer and the application ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2004 ， 12 （ 6 ）： 560 - 565 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2004.06.002 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2004.06.002

邹文栋，黄长辉，欧阳小琴，等 . 合金韧窝断口三维微观形貌的白光相移干涉检测重构及分形表征［J］. 中国机械工程， 2010 ， 21 （ 22 ）： 2675 - 2678 . doi: 10.1016/S1875-5372(10)60130-0 http://dx.doi.org/10.1016/S1875-5372(10)60130-0

ZOU W D ， HUANG CH H ， OUYANG X Q ， et al . White light phase-shifting interferometer detection， reconstruction and fractal characterization of alloy dimple fracture 3D microstructure ［J］. China Mechanical Engineering ， 2010 ， 21 （ 22 ）： 2675 - 2678 . （in Chinese） . doi: 10.1016/S1875-5372(10)60130-0 http://dx.doi.org/10.1016/S1875-5372(10)60130-0

MA S ， QUAN C ， ZHU R ， et al . Micro-profile measurement based on windowed Fourier transform in white-light scanning interferometry ［J］. Optics Communications ， 2011 ， 284 （ 10/11 ）： 2488 - 2493 . doi: 10.1016/j.optcom.2011.01.041 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2011.01.041

LUO S ， SASAKI O ， CHEN Z ， et al . Utilization of complex-valued signals in a white-light scanning interferometer for accurate measurement of a surface profile ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 15 ）： 4419 - 4425 . doi: 10.1364/AO.56.004419 http://dx.doi.org/10.1364/AO.56.004419

KIM M G ， PAHK H J . Fast and reliable measurement of thin film thickness profile based on wavelet transform in spectrally resolved white-light interferometry ［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing ， 2018 ， 19 （ 2 ）： 213 - 219 . doi: 10.1007/s12541-018-0024-0 http://dx.doi.org/10.1007/s12541-018-0024-0

崔长彩，余卿，张遨，等 . 金刚石砂轮表面形貌测量系统［J］. 光学精密工程， 2014 ， 22 （ 12 ）： 3167 - 3174 . doi: 10.3788/OPE.20142212.3167 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20142212.3167

CUI CH C ， YU Q ， ZHANG A ， et al . Measurement system of surface topography for diamond grinding wheel ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2014 ， 22 （ 12 ）： 3167 - 3174 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20142212.3167 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20142212.3167

ARENDS A A ， GERMAIN T M ， OWENS J F ， et al . Simultaneous reflectometry and interferometry for measuring thin-film thickness and curvature ［J］. The Review of Scientific Instruments ， 2018 ， 89 （ 5 ）： 055117 . doi: 10.1063/1.5021704 http://dx.doi.org/10.1063/1.5021704

王生怀，徐风华，陈育荣，等 . 一种表面结构多尺度融合测量系统［J］. 中国机械工程， 2018 ， 29 （ 6 ）： 705 - 711， 719 . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2018.06.011 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.06.011

WANG SH H ， XU F H ， CHEN Y R ， et al . A kind of multi-scale integration measurement system for surface textures ［J］. China Mechanical Engineering ， 2018 ， 29 （ 6 ）： 705 - 711， 719 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2018.06.011 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.06.011

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 中华人民共和国推荐性国家标准：硅片平坦表面的表面粗糙度测量方法 GB/T 29505-2013 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2014 . doi: 10.3969/j.issn.1006-9364.2013.08.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-9364.2013.08.001

General Administration of Quality Supervision ， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China ， Standardization Administration of the People's Republic of China . National Standard （Recommended） of the People's Republic of China： Test method for measuring surface roughness on planar surfaces of silicon wafer . GB/T 29505-2013 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2014 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1006-9364.2013.08.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-9364.2013.08.001

蒋向前 . 新一代GPS标准理论与应用［M］. 北京：高等教育出版社， 2007 .

JIANG X Q . Theory and Applications of New-generation Geometrical Product Specifications ［M］. Beijing ： Higher Education Press ， 2007 . （in Chinese）

GADELMAWLA E S ， KOURA M M ， MAKSOUD T M A ， et al . Roughness parameters ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2002 ， 123 （ 1 ）： 133 - 145 . doi: 10.1016/s0924-0136(02)00060-2 http://dx.doi.org/10.1016/s0924-0136(02)00060-2

刘泊，齐兴华，张明 . 表面三维轮廓的粗糙度评定［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 10 ）： 135 - 140 .

LIU B ， QI X H ， ZHANG M . Roughness evaluation of 3D surface profile ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 . 24 （ 10 ）： 135 - 140 . （in Chinese）

GUO T ， LI F ， CHEN J P ， et al . Multi-wavelength phase-shifting interferometry for micro-structures measurement based on color image processing in white light interference ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2016 ， 82 ： 41 - 47 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2016.02.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.02.003

张倩，崔长彩，周晓林，等 . 垂直扫描白光干涉测量数据处理算法分析［J］. 湖北汽车工业学院学报， 2010 ， 24 （ 1 ）： 42 - 45， 49 . doi: 10.3969/j.issn.1008-5483.2010.01.011 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1008-5483.2010.01.011

ZHANG Q ， CUI CH C ， ZHOU X L ， et al . Research on vertical scanning white-light interferometric and interferogram processing algorithms ［J］. Journal of Hubei Automotive Industries Institute ， 2010 ， 24 （ 1 ）： 42 - 45， 49 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1008-5483.2010.01.011 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1008-5483.2010.01.011

Views

655

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Surface crack depth detection of sapphire substrate two-sided lapping

Research on post-processing polishing technology of pulse compression gratings with high laser damage threshold

Preparation and application of semi-fixed abrasive lapping plates with cecullar structure

Comparison of grinding characteristics of different crystal surfaces for sapphire

Surface topography signal separation with double density wavelet transform

Related Author

ZHOU Zhihao

XIE Binhui

CHEN Yu

HU Zhongwei

PENG Fuxin

JIANG Chen

HONG Xiaolan

Wen-shan WANG

Related Institution

Fujian Jing'An Opto.Electronics Co.， Ltd

School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology

Institute of Manufacturing Engineering, Huaqiao University

Engineering Research Center of Brittle Materials Machining, Huaqiao University

哈尔滨工业大学

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰