CN103487441B - 一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法 - Google Patents
一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103487441B CN103487441B CN201310438287.1A CN201310438287A CN103487441B CN 103487441 B CN103487441 B CN 103487441B CN 201310438287 A CN201310438287 A CN 201310438287A CN 103487441 B CN103487441 B CN 103487441B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- phase
- silicon wafer
- gradient
- phase place
- distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 47
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 47
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 3
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 13
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 1
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 1
- 208000013201 Stress fracture Diseases 0.000 description 1
- 239000003082 abrasive agent Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001447 compensatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 238000001303 quality assessment method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
- Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法，该方法将相位偏折轮廓术（PMD）用于硅晶片的面形测量中。基于PMD的镜面物体三维面形测量方法是一种高灵敏、高精度、快速、非相干的光学全场测量技术，并且实验装置简单，主要包括计算机、数码相机和显示屏。将PMD用于硅晶片面形测量中可以直接得到晶片表面的梯度分布，仅需对梯度求导数即可得到硅片表面的曲率分布，通过曲率分布检测缺陷，也可以对梯度积分得到硅片表面的高度数据，观测三维形貌。本发明的主要增益：提供了一种高精度、快速的全场测量技术对硅晶片表面缺陷检测和面形测量。
Description
技术领域
本发明涉及将基于相位偏折轮廓术的三维测量方法用于硅片的缺陷检测以及面形测量的技术领域。
背景技术
随着精密光学加工，汽车喷漆，工业制造和产品质量检测的发展，人们日益迫切地希望能够对镜面或类镜面反射物体进行精确测量，如对自由曲面的镜面或透镜（如眼镜）的检测，对汽车表面等喷漆质量的控制（桔皮现象），精密器件表面加工质量评估等。通过对各种镜面或类镜面表面的测量分析，可以得到相应制造过程中各种参数（如打磨转速，打磨材料，机械振动等）对表面加工质量的影响，可以为提高改进加工工艺提供参考。特别需要关注的是半导体工业中光滑晶片表面加工质量的检测，集成电路（IC）的发展离不开高精度表面质量的硅晶片，半导体制造中需通过线切割方式将硅锭切成薄片并进行抛光，由于晶片硬度大、断裂强度低，采用线切割方式时容易留下锯痕、产生边角崩裂。其中，硅晶体光伏电池对晶片切割工艺和抛光质量要求很高，往往需要晶片进行如表面微小裂痕、锯痕（微米量级）、平坦度、表面粗糙度（纳米量级）等的实时测量。
目前对硅晶片的测量主要有接触式三坐标测量仪、光学扫描、干涉仪和反射莫尔法等。但是，这些测量系统都对测量条件要求较高或是测量速度较慢或是测量精度不高，不适合半导体晶片的高精度三维面形检测，如接触式三坐标机测量时间相当长（通常数小时以上），而且可能破坏待测物体表面，干涉仪通常只能测量类平面或球面物体，无法测量自由曲面物体。若采用干涉仪测量类平面或自由曲面物体，需要设计复杂并且昂贵的光学补偿元件，难以用于在线检测。反射莫尔法需要测量系统中产生莫尔条纹，对测量系统要求高。
近年来，提出了一种基于相位偏折轮廓术的镜面物体三维测量方法。该方法是在显示器上显示正弦条纹图，经过被测镜面或类镜面物体反射后条纹会发生变形。相机拍摄下变形图样，得到相位分布，计算出被测量的梯度分布，进而重建被测镜面或类镜面物体表面。基于相位偏折轮廓术的镜面物体三维测量方法是一种高灵敏、非相干的光学全场测量技术，可对任何材质的自由面形光滑表面（如各种非球面镜片，抛光的金属表面，汽车和飞机喷漆表面、液面等）进行快速和高精度的曲率分布以及三维形貌测量。该方法利用普通非相干光源，但具有接近于干涉仪的测量精度，且无需精密的机械扫描装置，可靠性和耐用性更高，成本更低。对环境温度变化、振动不敏感。将该方法引入硅晶片的缺陷检测以及面形测量中将会得到非常好的效果。
发明内容
本发明公开了一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，该方法将相位偏折轮廓术（PMD）用于硅晶片的面形测量中。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于PMD的硅晶片缺陷检测和面形测量方法，其特征在于包括以下几个步骤：
A.设置实验测量系统：系统主要包括数码相机，显示屏、待测物体、控计算机及支架。调整系统使数码相机能通过待测物体硅晶片观测到显示屏上的条纹。
B.通过计算机控制显示屏产生标准的水平方向和垂直方向的正弦条纹，数码相机拍摄通过wafer反射的变形条纹，水平方向和垂直方向的变形条纹可以表示为：
其中I表示相机记录的光强分布，A是背景光强，B是调制度分布，f0(x,y)是载频的频率函数，是与硅晶片表面梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下：
上式表示硅晶片表面梯度两个方向的分量与水平方向及垂直方向梯度相关的相位的关系，式中Ly为显示屏到待测物体的距离，P为显示屏上正弦条纹的周期。
C.对采集到的条纹图像中的相位信息进行分析解调。下式为得到的某帧相移图像表达式：
式中α为相移大小，N步相移法即采集N步等间距相移图像进行最小二乘求解，总的相移量是2π，α即为2π/N。φ(x,y)的最小二乘解如下：
D.去载频，通过C得到的相位是总相位，包含载频相位和硅晶片表面梯度相关的相位载频去除可通过减参考面法、拟合法或标定的方法。
E.由C和D得到的是截断的，需要将展开到连续分布。
F.得到连续的后，利用A中的相位梯度关系可以得到硅晶片表面的梯度分布数据。对梯度分布微分可以得到硅晶片表面的曲率分布，曲率信息可以用于缺陷检测；对梯度积分可以得到硅晶片表面三维形貌。
本发明具备以下有益效果：
本发明最突出的是首次将相位偏折轮廓术用于硅晶片表面的缺陷检测以及面形测量中。在本发明公开的相位偏折轮廓术用于硅晶片表面测量实验中，成功高效的得到了缺陷的位置和表面面形，该方法相对于其他方法具有高灵敏、高精度、快速等优点。
附图说明
图1是硅晶片测量的系统图
图2显示了本例的测试物体和变形条纹
图3表示水平方向梯分量相关的相位
图4显示了硅晶片上水平方向的曲率以及若干缺陷点
图5和图6表示在缺陷点上曲率的一行数据值对
图7表示重建后的硅晶片面形，图8为系统流程方框图。
具体实施方式
本发明公开了一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，该方法将相位偏折轮廓术（PMD）用于硅晶片的面形测量中。下面结合附图和具体实施例子对发明的实施方案具体说明。
步骤一：设置实验测量系统：系统主要包括相机、显示屏、待测物体、控制电脑及支架。调整系统使相机能通过待测物体硅晶片观测到显示屏上的条纹。如图1。
步骤二：通过电脑控制显示屏产生标准的水平方向和垂直方向的正弦条纹，相机拍摄通过wafer反射的变形条纹。本例中CCD相机是Manta G-125B/C，相机使用50mm的定焦镜头(Computar M5018-MP2).
步骤三：相位解调和相位展开后得到wafer表面梯度相关的相位，然后根据PMD中的相位梯度关系得到硅晶片表面的梯度分布。图二显示了本例的测试物体和变形条纹，图三表示水平方向梯分量相关的相位。对梯度求导得到曲率分布，进而对硅晶片表面缺陷检测，图四显示了硅晶片上水平方向的曲率以及若干缺陷点，图五和图六表示在缺陷点上曲率的一行。对两个方向的梯度分量积分可以得到硅晶片表面的高度数据，图七表示重建后的硅晶片面形。
Claims (1)
1.一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，包括以下几个步骤：
步骤1、设置测量系统，由计算机控制在显示屏上生成强度呈正弦分布的条纹图像，数码相机通过硅晶片来观察经过调制的显示屏虚像，硅晶片表面的梯度信息将被调制在变形条纹的相位中；
步骤2、对变形条纹进行相位解调得到变形条纹的相位，解调到的相位是截断的，将其载频去除，然后将其进行相位展开；
步骤3、得到展开相位后，通过PMD的相位梯度关系获得硅晶片表面的梯度信息；
步骤4、对梯度分布求导得到硅晶片表面的曲率分布，曲率信息用于缺陷检测；对梯度积分得到硅晶片表面三维形貌；
所述步骤1中由计算机控制在显示屏上生成强度呈正弦分布的条纹图像其为标准的水平方向和垂直方向的正弦条纹，数码相机拍摄通过硅晶片反射的水平方向和垂直方向的变形条纹，水平方向和垂直方向的变形条纹表示为：
水平方向：
垂直方向：
其中I表示相机记录的光强分布，A是背景光强，B是调制度分布，f0(x，y)是载频的频率函数，是与硅晶片表面梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下：
上式表示硅晶片表面梯度两个方向的分量与水平方向及垂直方向梯度相关的相位的关系，式中Ly为显示屏到待测物体的距离，P为显示屏上正弦条纹的周期；
所述步骤2中，对采集到的条纹图像中的相位信息进行分析解调，得到总相位；
下式为得到的某帧相移图像表达式：
In(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)·cos[φ(x，y)+αn]
式中α为相移大小，N步相移法即采集N步等间距相移图像进行最小二乘求解，总的相移量是2π，α即为2π/N，φ(x，y)的最小二乘解如下：
所述总相位，包含载频相位和硅晶片表面梯度相关的相位对总相位进行载频去除，载频去除采用减参考面法、拟合法或标定的方法；
所述步骤2中将其进行相位展开具体包括以下步骤：对比截断相位图中相邻两点的相位值，若后一点的相位值减前一点的相位值大于π，则后一点的相位减2π，若差值小于-π，则后一点的相位值加2π，否则相位值不变。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310438287.1A CN103487441B (zh) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | 一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310438287.1A CN103487441B (zh) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | 一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103487441A CN103487441A (zh) | 2014-01-01 |
| CN103487441B true CN103487441B (zh) | 2015-09-30 |
Family
ID=49827833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310438287.1A Expired - Fee Related CN103487441B (zh) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | 一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103487441B (zh) |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103727895B (zh) * | 2014-01-16 | 2017-02-22 | 电子科技大学 | 基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法 |
| JP6316068B2 (ja) | 2014-03-31 | 2018-04-25 | 国立大学法人 東京大学 | 検査システムおよび検査方法 |
| JP6433268B2 (ja) * | 2014-03-31 | 2018-12-05 | 国立大学法人 東京大学 | 検査システムおよび検査方法 |
| CN104251687B (zh) * | 2014-10-11 | 2017-05-03 | 盐城工学院 | 一种基于镜面图像处理的零件表面平整度检测方法 |
| CN104279980A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-14 | 电子科技大学 | 一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统 |
| CN104596464B (zh) * | 2015-01-26 | 2017-05-17 | 南京理工大学 | 基于径向扫描结合环向扫描的摆臂轮廓面形检测方法 |
| US10304178B2 (en) * | 2015-09-18 | 2019-05-28 | Taiwan Semiconductor Manfacturing Company, Ltd. | Method and system for diagnosing a semiconductor wafer |
| CN105258653B (zh) * | 2015-10-27 | 2017-10-27 | 电子科技大学 | 一种用于遥控器键盘上色状况合格性的自动检测方法 |
| CN105424710A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-03-23 | 上海斐讯数据通信技术有限公司 | 一种电子设备屏幕检测方法及装置 |
| CN105627942A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-06-01 | 华南理工大学 | 一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置及其方法 |
| CN105783775B (zh) * | 2016-04-21 | 2018-05-11 | 清华大学 | 一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法 |
| CN106705897B (zh) * | 2016-12-23 | 2021-06-08 | 电子科技大学 | 曲面电子显示屏用弧形玻璃面板缺陷检测方法 |
| CN106841237A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-06-13 | 电子科技大学 | 一种电子显示屏玻璃盖板表面缺陷检测系统及方法 |
| CN107144240A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-09-08 | 电子科技大学 | 一种检测玻璃面板表面缺陷的系统及方法 |
| US10360671B2 (en) * | 2017-07-11 | 2019-07-23 | Kla-Tencor Corporation | Tool health monitoring and matching |
| CN107726996A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-02-23 | 刘丹佶 | 一种基于条纹投影原理的物体三维面形测量系统及方法 |
| CN107830814B (zh) * | 2017-10-16 | 2020-09-11 | 北京科技大学 | 一种基于光度学的测量表面变形的方法 |
| CN107884414B (zh) * | 2017-11-03 | 2019-12-27 | 电子科技大学 | 一种剔除灰尘影响的镜面物体表面缺陷检测系统及方法 |
| CN108020557B (zh) * | 2017-12-18 | 2020-11-24 | 北京航天测控技术有限公司 | 一种基于激光扫描的车体喷涂质量自适应检测方法 |
| CN108181320A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-19 | 广州锋立技术服务有限公司 | 工件表面缺陷识别、检测的方法、装置与系统 |
| CN108489421A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-09-04 | 四川大学 | 一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置 |
| CN108413894A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-08-17 | 四川大学 | 一种剪切错位绝对测量的相位测量偏折术方法 |
| CN108426539A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-08-21 | 四川大学 | 一种基于双频正交光栅投影检测反射元件面形的方法 |
| CN109506590B (zh) * | 2018-12-28 | 2020-10-27 | 广东奥普特科技股份有限公司 | 一种边界跃变相位误差快速定位方法 |
| CN109870129A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-11 | 中国计量大学 | 一种基于相位偏折原理的晶圆表面粗糙度检测装置 |
| CN110057841A (zh) * | 2019-05-05 | 2019-07-26 | 电子科技大学 | 一种基于透射结构光的缺陷检测方法 |
| CN110530293A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-12-03 | 中国计量大学 | 一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置 |
| CN111323434B (zh) * | 2020-03-16 | 2021-08-13 | 征图新视(江苏)科技股份有限公司 | 相位偏折术在玻璃缺陷检测的应用 |
| CN113240636B (zh) * | 2021-05-08 | 2022-06-21 | 苏州天准科技股份有限公司 | 表面waviness智能检测方法、系统、存储介质和终端设备 |
| CN115655151B (zh) * | 2022-12-08 | 2023-03-10 | 常州微亿智造科技有限公司 | 基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置及方法 |
| CN117782903B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-05-24 | 天津铸金科技开发股份有限公司 | 基于物相分析法检测金属颗粒粉末质量缺陷的方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002500369A (ja) * | 1997-12-31 | 2002-01-08 | ザ リサーチ ファウンデーション オブ ステイト ユニヴァーシティ オブ ニューヨーク | デジタル・ビデオ投影システムを使用して三次元表面輪郭描画を行う方法および装置 |
| US6639685B1 (en) * | 2000-02-25 | 2003-10-28 | General Motors Corporation | Image processing method using phase-shifted fringe patterns and curve fitting |
| CN1945204A (zh) * | 2006-10-19 | 2007-04-11 | 上海大学 | 镜面物体表面三维轮廓测量装置和方法 |
| TWI414748B (zh) * | 2009-01-23 | 2013-11-11 | Univ Nat Taipei Technology | 同步色相相移轉換方法以及其三維形貌量測系統 |
| CN102183214B (zh) * | 2011-03-03 | 2014-03-26 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种大口径非球面镜结构光检测方法 |
-
2013
- 2013-09-24 CN CN201310438287.1A patent/CN103487441B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103487441A (zh) | 2014-01-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103487441B (zh) | 一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法 | |
| CN103727895B (zh) | 基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法 | |
| CN109357632B (zh) | 一种镜面物体三维形貌测量方法及装置 | |
| CN106705897B (zh) | 曲面电子显示屏用弧形玻璃面板缺陷检测方法 | |
| CN101711354B (zh) | 检测衬底上表面缺陷的方法以及使用该方法的设备 | |
| Bothe et al. | High-resolution 3D shape measurement on specular surfaces by fringe reflection | |
| CN104111036A (zh) | 一种基于双目视觉的镜面物体测量装置及方法 | |
| Huang et al. | Fast full-field out-of-plane deformation measurement using fringe reflectometry | |
| CN104279980A (zh) | 一种基于智能拍照手机的镜面三维面形测量系统 | |
| Windecker et al. | Optical roughness measurements using extended white-light interferometry | |
| US20140293291A1 (en) | Wafer Shape and Thickness Measurement System Utilizing Shearing Interferometers | |
| CN102183214A (zh) | 一种大口径非球面镜结构光检测方法 | |
| WO2017019338A1 (en) | Hybrid phase unwrapping systems and methods for patterned wafer measurement | |
| TW201723422A (zh) | 光滑物體的量測系統及其量測方法 | |
| WO2004072629A1 (en) | System and method for inspection of silicon wafers | |
| US20140333936A1 (en) | Thickness measuring system and method for a bonding layer | |
| CN111765851A (zh) | 基于双屏透射显示的镜面物体三维形貌测量方法及装置 | |
| Daffara et al. | Multiscale roughness analysis by microprofilometry based on conoscopic holography: A new tool for treatment monitoring in highly reflective metal artworks | |
| Guo et al. | Experimental investigation of a modified Beckmann–Kirchhoff scattering theory for the in-process optical measurement of surface quality | |
| TW201323859A (zh) | 表面缺陷檢測裝置及其量測方法 | |
| CN103438803A (zh) | 计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法 | |
| WO2016107573A1 (zh) | 一种预对准测量装置和方法 | |
| Lowitzsch et al. | Vision and modeling of specular surfaces | |
| US9816942B2 (en) | Device and method for inspecting semiconductor materials | |
| Rose et al. | Specific design requirements for a reliable slope and curvature measurement standard |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150930 |