CN103487441B - 一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法 - Google Patents
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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。
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