CN103543162A - 一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测方法及装置，属于材料表面缺陷及厚度的检测方法及装置。所述装置采取的具体技术方案是：装置包括工装、控制柜、计算机和连接缆线；工装、控制柜、计算机通过连接缆线顺序连接。所述装置的检测原理：利用绿色激光的透射原理间接反馈平面片材的高度值信号，通过一系列公式计算出半导体片材的表面缺陷及厚度。所述检测方法包括：测试平台水平校准方法、激光发生器和激光接收器同步运行的方法、半导体片材表面缺陷及厚度的检测方法，半导体片材表面缺陷及厚度的计算方法。该检测装置简单、实用、易于操作、检测精度高、重复性好、样品要求低、杂质及污染影响小，非常适合科研需求。

Description

一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测材料表面缺陷及厚度的方法及装置，具体说是一种半导体片材的表面缺陷及厚度的检测方法及装置。

背景技术

随着科技的进步，半导体在人们日常生活中已经获得广泛应用。由于半导体片材对表面要求高，其表面缺陷及厚度对后续制备工艺及性能影响较大，因此对半导体片材的表面缺陷及厚度进行检测并及时处理，尤其是表面凸起、针刺、切割后及退火前后的翘曲度变化、局部硬质点等，能有效提高半导体片材性能与效率，为工艺改善提供技术支持；同时，半导体片材的检测一般不宜采用直接接触，以免造成半导体的划伤及污染。目前，非接触式测量方法包括电容法、光学反射法、微波反射法等，已经在半导体片材上获得广泛应用。电容法是指将样品置入两个平板电容之间，假设半导体样品的相对介电常数恒定，通过对上下平板电容输入交流高频信号，在半导体片材和电容间产生高频电场，通过电流的变化，根据电容公式，计算平板电容与样品间的距离以及样品的厚度，由于大的平板电容计算误差较大，该方法只适合小样品及小的表面缺陷样品；由于杂质及灰尘等因素容易造成样品介电常数的变化，使得重复性较低；且样品的厚度也造成一定误差，一般厚度越大误差越大。光学反射法是指对样品表面发射一束平行光，通过对反射光的信号收集，并计算分析，从而得到样品厚度及表面缺陷信息，这种方法受表面状况影响较大，如果表面粗糙，光散射大，导致接收信号弱，无法测量；样品对平行光斑要求高，使得该方法一般只适用小样品的测试。微波法是指采用微波辐射，对反射的微波信号进行收集并分析处理，得到样品的表面缺陷及厚度，该方法对样品表面要求也极高。

发明内容

本发明的目的是针对现有半导体片材表面缺陷及厚度检测存在的问题，提出一种安装简便、测试稳定、精度高的半导体片材的表面缺陷及厚度检测方法及装置，解决现有技术的可重复性差、样品要求高、杂质及污染影响大、片厚不宜大的问题。

本发明具有检测方法和装置的解决方案，该检测装置包括工装、控制柜、计算机和连接缆线，工装、控制柜和计算机通过连接缆线顺序连接。

所述的工装包括：控制面板、激光发生器、激光接收器、测试平台、保护装置、同步运行系统、测试平台支撑及水平调节系统、动力系统和底板；工装的所有构件均安装在底板上，在工装的前面连接有控制面板，在工装的上端连接有激光发生器、激光接收器、测试平台和保护装置，在工装的内部连接有同步运行系统、测试平台支撑及水平调节系统和动力系统。

所述的控制面板包括：左信号灯、自动/手动切换键、启动键、复位键、紧急按钮、激光传感器控制器和右信号灯；左信号灯、自动/手动切换键、启动键、复位键、紧急按钮、激光传感器控制器和右信号灯均连接在控制面板上，以对检测装置进行控制。

所述的测试平台支撑及水平调节系统包括：水平校准螺母、锁紧装置和受力块；在受力块上连接有水平校准螺母和锁紧装置，校准螺母位于测试平台四个角落处。

所述的同步运行系统包括：激光发生器、激光接收器、导轨、横梁、轨道滑块、支撑块、固定杆、电动缸和动力块；两根导轨和电动缸平行等间距固定在底板上，通过轨道滑块和支撑块将导轨与横梁连接起来，通过固定杆将横梁固定在动力块上，而动力块则同电动缸相连，横梁两端安装有激光发生器和激光接收器，伺服电机的输出轴与电动缸输入轴连接，当伺服电机给电动缸提供动力时，则电动缸带动激光发生器和激光接收器同步运行。

所述的片材检测方法是：通过同步运行系统将绿色激光发生器和激光接收器固定在横梁上，在伺服电机带动下，动力系统推动横梁在两根平行的导轨左右来回运动，带动激光发生器和激光接收器同步运行，当开启激光发生器和接收器时，激光发生器发射一束平行激光，对校准好的测试平台上的样品进行水平连续扫描，激光接收器接收样品相对高度值的信号，并通过数据线将相应的数据传输到计算机，通过软件计算得到样品的表面针刺高度、凸点高度、翘曲值和样品厚度，并实时显示；整个工装的电源动力及程序控制由控制柜提供并保证设备正常运行，可实现全程自动控制；自动控制采用基于PLC编辑的程序作为主控CPU，编译各流程的控制程序，控制柜与工装采用RS232建立通信，通过控制柜控制工装的运行；信号采集与分析处理过程在工装、控制柜和计算机中进行，工装中数据采集卡收集的数据通过RS232通信传输给计算机，通过计算机的软件分析半导体片材表面缺陷和厚度信息。

所述的计算是：基准面定义为测试平台；上表面相对高度值定义为样品上表面到测试平台高度；下表面相对高度值定义为样品下表面到测试平台的高度；厚度定义为取点处的上表面相对高度值与下表面相对高度值之差；平均厚度定义为所有取点值处的厚度的平均值；总厚度偏差定义为所有取点处的厚度最大值与厚度最小值之差；凸点/针刺值定义为上表面相对高度值最大值与内部平均值之差，内部平均值定义为去除上表面相对高度值的前10%和后10%之后的平均值，如果连续5个取样点（可自行定义）偏离上表面相对高度值的内部平均值则可定义为一个凸点/针刺；当有多个凸点/针刺，利用上述方法分别计算；计算程序基于Labview编写，可图示化显示。具体计算方法如下：

上表面相对高度值：h_1',h_2′,···,h_n′

下表面相对高度值：h₁,h₂,···,h_n

厚度：h₁₀＝h_1'-h₁,h₂₀＝h_2'-h₂,···,h_n0＝h_n′-h_n

平均厚度： $\stackrel{\‾}{h}=\frac{(h_{10}+h_{20}+...+h_{n0})}{n}$

总厚度偏差：TTV＝max(h₁₀,h₂₀,…,h_n0)-min(h₁₀,h₂₀,…,h_n0)

内部平均厚度值： ${\stackrel{\‾}{h}}_1=\mathrm{Trimmean}(A_{1^{\′}}:A_{n^{\′}},0.2)$

针刺/凸点高度：

所述的翘曲度计算方法：为了与国家标准对翘曲度的定义保持一致（GB/T6619-1995），定义基准面相对高度值为0，定义中平面相对高度值为下表面相对高度值与厚度一半值之和，则翘曲度（Warp）定义为样品中平面到基准面的最大值与最小值之差；翘曲度（Bow）定义为下表面到基准面距离的最大值；通过对样品90°或270°旋转，可对样品进行多角度测试，并将样品翘曲度、上表面形状进行三维图形化显示。

中平面相对高度值：h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2

翘曲度：

Bow＝max(h₁,h₂,…,h_n)

Warp＝max(h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2)-min(h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2)。

有益效果，本发明采用了绿色激光技术，通过收集平行激光对样品相对高度的透射信号，并采用一系列公式计算出半导体片材的表面缺陷和厚度。整个装置结构布局合理，使得安装、维护方便，检测方法简单、安全可靠、精度高、重复性好，可有效提高分析效率，可以有效保证产品质量，非常适合实验室及研发部门的科研需求，尤其适合半导体片材厚度、凸点高度、针刺高度、翘曲度等的测量，如蓝宝石基片、硅片、砷化镓基片、YAG基片、石英基片、碳化硅基片等凸点/针刺、翘曲度、厚度检测；也适合于平面绝缘子的针刺及厚度、小的平面钢材针刺及厚度等的测量。本发明解决了下述技术问题：1）高平整度测试平台，本装置采用大理石平台；2）高度同步运行的激光发生器和激光接收器，以保证信号及时接收且不遗漏；3）便利的水平校准和方法，以保证测试的准确性；4）可视化的软件分析测试系统。

本发明与前述的背景技术相比，具有如下优点：

1）检测原理不同，本发明是基于绿色激光面扫描后的样品轮廓图形，并对图形进行分析从而得到样品厚度及表面缺陷数据，本发明可重复性高、样品要求低、杂质及污染几乎无影响、片厚影响也不大。

2）本发明结构简单、易于操作，可对测量数据进行数据处理，并保存于计算机，以便后续分析处理。

3）本发明既可实现手动定点检测也可自动检测，非常适合实验室或研发部门使用。

4）本发明还可拓展到其它领域，尤其是小型平面片材的检测，如绝缘片、钢片等。

附图说明

图1本发明的整理体结构图。

图2本发明的工装正视图。

图3本发明的工装俯视图。

图4本发明的工装内部结构示意图。

图5为本发明的半导体片材的凸起/针刺示意图。

图6为本发明的半导体片材的翘曲度示意图。

图7为本发明的蓝宝石的上表面高度实测曲线图。

图8为本发明的退火后蓝宝石的下表面高度实测曲线图。

图9为本发明的退火后蓝宝石的厚度实测变化曲线图。

图中，1、工装；2、控制柜；3、计算机；4、连接缆线；1-1、控制面板；1-2、左信号灯；1-3、自动/手动切换键；1-4、启动键；1-5、复位键；1-6、紧急按钮；1-7、激光传感器控制器；1-8、右信号灯；1-9、激光发生器；1-10、激光接收器；1-11、样品；1-12、测试平台；1-13、保护装置；1-14、导轨；1-15、同步运行系统；1-16、测试平台支撑及水平调节系统；1-17、动力系统；1-18、横梁；1-19、底板；1-20、水平校准螺母；1-21、锁紧装置；1-22、受力块；1-23、轨道滑块；1-24、支撑块；1-25、固定杆；1-26、电动缸；1-27、动力块。

具体实施方式

实施例1：本发明具有检测方法和装置的解决方案，该检测装置包括工装1、控制柜2、计算机3和连接缆线4，工装1、控制柜2和计算机3通过连接缆线4顺序连接。图1、图2、图3和图4说明本发明的检测方法和装置的解决方案。

所述的工装1包括：控制面板1-1、激光发生器1-9、激光接收器1-10、测试平台1-12、保护装置1-13、同步运行系统1-15、测试平台支撑及水平调节系统1-16、动力系统1-17和底板1-19。工装1的所有构件均安装在底板1-19上，在工装1的前面连接有控制面板1-1，在工装1的上端连接有激光发生器1-9、激光接收器1-10、测试平台1-12和保护装置1-13，在工装1的内部连接有同步运行系统1-15、测试平台支撑及水平调节系统1-16和动力系统1-17。

所述的控制面板1-1包括：左信号灯1-2、自动/手动切换键1-3、启动键1-4、复位键1-5、紧急按钮1-6、激光传感器控制器1-7和右信号灯1-8。左信号灯1-2、自动/手动切换键1-3、启动键1-4、复位键1-5、紧急按钮1-6、激光传感器控制器1-7和右信号灯1-8均连接在控制面板上，以对整个检测装置进行控制。左信号灯1-2警示激光系统正从右向左运动；自动/手动切换键1-3实现自动检测和手动检测切换功能；启动键1-4实现设备启动及自检测功能；复位键1-5实现数据归零及重新检测功能；紧急按钮1-6实现紧急状况下暂停设备运行功能；激光传感器控制器1-7是实现激光参数设定功能；右信号灯1-8警示激光系统正从左向右运动。

所述的同步运行系统1-15包括：激光发生器1-9、激光接收器1-10、导轨1-14、横梁1-18、轨道滑块1-23、支撑块1-24、固定杆1-25、电动缸1-26和动力块1-27。两根导轨1-14和电动缸1-26平行等间距固定在底板1-19上，通过轨道滑块1-23和支撑块1-24将导轨1-14与横梁1-18连接起来，通过固定杆1-25将横梁1-18固定在动力块1-27上，而动力块则同电动缸1-26相连，横梁两端安装有激光发生器1-9和激光接收器1-10，伺服电机的输出轴与电动缸输入轴连接，当伺服电机给电动缸提供动力时，则电动缸带动激光发生器和激光接收器同步运行。

所述的测试平台支撑及水平调节系统1-16包括：水平校准螺母1-20、锁紧装置1-21和受力块1-22；在受力块1-22上连接有水平校准螺母1-20和锁紧装置1-21，校准螺母正好位于测试平台1-12四个角落处，水平校准好之后采用锁紧装置将水平调整系统锁死，以降低测试过程中波动造成的测试误差。为了方便校准，本发明通过滑动块将垂直操作转换成水平操作，水平调节结果采用空白试验和高精度水平仪进行检验。

所述的检测方法是：通过同步运行系统1-15将绿色激光发生器1-9和激光接收器1-10固定在横梁1-18上，在伺服电机带动下，动力系统1-17推动横梁在两根平行的导轨1-14上左右来回运动，带动激光发生器和激光接收器同步运行，当开启激光发生器和接收器时，激光发生器发射一束平行激光，对校准好的测试平台上的样品1-11进行水平连续扫描，激光接收器接收样品相对高度值的信号，并通过数据线4将相应的数据传输给计算机3，通过软件计算得到样品的表面针刺高度、凸点高度、翘曲值和样品厚度，并通过计算机实时显示。整个设备的电源动力及程序控制由控制柜2提供并保证设备正常运行，可实现全程自动控制。自动控制采用基于PLC编辑的程序作为主控CPU，编译各流程的控制程序，控制柜2与工装1采用RS232建立通信，通过控制柜控制工装的运行；信号采集与分析处理过程在工装1、控制柜2和计算机3中进行，工装1中数据采集卡收集的数据通过RS232通信传输给计算机3，通过计算机的软件分析半导体片材表面缺陷和厚度信息。

自动控制程序如下：

1、开机自检子程序

开机程序自动复位，回到初始位置，并对测试平台往返扫描一次，超出仪器精度范围，则自动报警，提醒用户进行水平系统及同步运行系统检测，确保测试平台在一个误差允许的范围内，确保激光发生器和激光接收器同步运行，从而保证测量精度。

2、测试子程序

测试子程序是整个程序的主要执行部分，正常工作在测量状态，但定时检验测试平台的水平可确保测试结果的准确性及设备的状态稳定。测试方法为启动开关自检，自检正常后，按下暂停键，将样品置于测试平台上，设定运行速度及取点数，启动开关，激光发生器和激光接收器开始同步运行，并记录数据，测试结束后保存数据。由于是非接触测试，因此对样品无损伤，且激光发生器和激光接收器同样品也不接触，因此长期使用也不会对设备有任何损坏。

3、计算子程序

计算子程序是实现可视化的关键，可对测试结果以图形化显示，并对检测数据进行分析，计算出单点厚度、平均厚度、总的厚度偏差、针刺/凸点高度和翘曲度高度。样品厚度计算示意图和样品凸点/针刺计算示意图见图5，翘曲度计算示意图见图6。

所述的厚度、平均厚度、针刺/凸点高度计算方法：基准面定义为测试平台；上表面相对高度值定义为样品上表面到测试平台高度；下表面相对高度值定义为样品下表面到测试平台的高度；厚度定义为取点处的上表面相对高度值与下表面相对高度值之差；平均厚度定义为所有取点值处的厚度的平均值；总厚度偏差定义为所有取点处的厚度最大值与厚度最小值之差；凸点/针刺值定义为上表面相对高度值最大值与内部平均值之差，内部平均值定义为去除上表面相对高度值的前10%和后10%之后的平均值，如果连续5个取样点（可自行定义）偏离上表面相对高度值的内部平均值则可定义为一个凸点/针刺；当有多个凸点/针刺，利用上述方法分别计算；计算程序基于Labview编写，可图示化显示。具体计算方法如下：

上表面相对高度值：h_1',h_2′,···,h_n′

下表面相对高度值：h₁,h₂,···,h_n

厚度：h₁₀＝h_1'-h₁,h₂₀＝h_2′-h₂,···,h_n0＝h_n′-h_n

平均厚度： $\stackrel{\‾}{h}=\frac{(h_{10}+h_{20}+...+h_{n0})}{n}$

总厚度偏差：TTV＝max(h₁₀,h₂₀,…,h_n0)-min(h₁₀,h₂₀,…,h_n0)

内部平均厚度值： ${\stackrel{\‾}{h}}_1=\mathrm{Trimmean}(A_{1^{\′}}:A_{n^{\′}},0.2)$

针刺/凸点高度：

所述的翘曲度计算方法：为了与国家标准对翘曲度的定义保持一致（GB/T6619-1995），定义基准面相对高度值为0，定义中平面相对高度值为下表面相对高度值与厚度一半值之和，则翘曲度（Warp）定义为样品中平面到基准面的最大值与最小值之差；翘曲度（Bow）定义为下表面到基准面距离的最大值；通过对样品90°或270°旋转，可对样品进行多角度测试，并将样品翘曲度、上表面形状进行三维图形化显示。

中平面相对高度值：h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2

翘曲度：

Bow＝max(h₁,h₂,…,h_n)

Warp＝max(h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2)-min(h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2)

图7为蓝宝石的上表面相对高度实测变化曲线，从图中可以计算蓝宝石的上表面相对高度平均值为503.6μm，上表面相对高度的内部平均值为502.7μm，上表面相对高度值最大值为522μm，针刺高度为19.3μm。图8给出的是退火后蓝宝石的下表面相对高度实测变化曲线，图9给出的是退火后蓝宝石的厚度实测变化曲线，从图中可知下表面相对高度值的最大值和最小值分别为31μm和0μm，则可计算其翘曲度Bow为31μm，Warp为33μm，总厚度偏差为14μm。

Claims (7)

1.一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测装置，其特征在于：所述的装置由工装、控制柜、计算机和连接缆线四部分组成，各部分之间的连接关系是：工装、控制柜和计算机通过连接缆线顺序连接。

2.根据权利要求1所述的一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测装置，其特征在于：所述的工装包括：控制面板、激光发生器、激光接收器、测试平台、保护装置、同步运行系统、测试平台支撑及水平调节系统、动力系统和底板；工装的所有构件均安装在底板上，在工装的前面连接有控制面板，在工装的上端连接有激光发生器、激光接收器、测试平台和保护装置，在工装的内部连接有同步运行系统、测试平台支撑及水平调节系统和动力系统。

3.根据权利要求2所述的一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测装置，其特征在于：所述的控制面板包括：左信号灯、自动/手动切换键、启动键、复位键、紧急按钮、激光传感器控制器和右信号灯；左信号灯、自动/手动切换键、启动键、复位键、紧急按钮、激光传感器控制器和右信号灯均连接在控制面板上。

4.根据权利要求2所述的一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测装置，其特征在于：所述的测试平台支撑及水平调节系统包括：水平校准螺母、锁紧装置和受力块；在受力块上连接有水平校准螺母和锁紧装置，校准螺母位于测试平台四个角落处。

5.根据权利要求2所述的一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测装置，其特征在于：所述的同步运行系统包括：激光发生器、激光接收器、导轨、横梁、轨道滑块、支撑块、固定杆、电动缸和动力块；两根导轨和电动缸平行等间距固定在底板上，通过轨道滑块和支撑块将导轨与横梁连接起来，通过固定杆将横梁固定在动力块上，而动力块则同电动缸相连，横梁两端安装有激光发生器和激光接收器，伺服电机的输出轴与电动缸输入轴连接。

6.权利要求1所述的一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测装置的检测方法，其特征在于：片材检测方法是：通过同步运行系统将绿色激光发生器和激光接收器固定在横梁上，在伺服电机带动下，动力系统推动横梁在两根平行的导轨左右来回运动，带动激光发生器和激光接收器同步运行，当开启激光发生器和接收器时，激光发生器发射一束平行激光，对校准好的测试平台上的样品进行水平连续扫描，激光接收器接收样品相对高度值的信号，并通过数据线将相应的数据传输到计算机，通过软件计算得到样品的表面针刺高度、凸点高度、翘曲值和样品厚度，并实时显示；整个工装的电源动力及程序控制由控制柜提供并保证设备正常运行，可实现全程自动控制；自动控制采用基于PLC编辑的程序作为主控CPU，编译各流程的控制程序，控制柜与工装采用RS232建立通信，通过控制柜控制工装的运行；信号采集与分析处理过程在工装、控制柜和计算机中进行，工装中数据采集卡收集的数据通过RS232通信传输给计算机，通过计算机的软件分析半导体片材表面缺陷和厚度信息。

7.根据权利要求6所述的一种半导体片材的表面缺陷及厚度分析检测装置的检测方法，其特征在于：所述的计算是：厚度为取点处的上表面相对高度值与下表面相对高度值之差；平均厚度为所有取点值处的厚度的平均值；总厚度偏差定义为所有取点处的厚度最大值与厚度最小值之差；凸点/针刺值为其上表面相对高度值最大值与内部平均值之差，内部平均值定义为去除上表面相对高度值的前10%和后10%之后的平均值，如果连续5个取样点偏离上表面相对高度值的内部平均值则可定义为一个凸点/针刺；当有多个凸点/针刺，利用上述方法分别计算；计算程序基于Labview编写，可进行自动检测，并图示化显示；具体计算方法如下：

厚度计算：h₁₀＝h_1'-h₁,h₂₀＝h_2′-h₂,···,h_n0＝h_n′-h_n

平均厚度： $\stackrel{\‾}{h}=\frac{(h_{10}+h_{20}+...+h_{n0})}{n}$

总厚度偏差：TTV＝max(h₁₀,h₂₀,…,h_n0)-min(h₁₀,h₂₀,…,h_n0)

内部平均厚度： ${\stackrel{\‾}{h}}_1=\mathrm{Trimmean}(A_{1^{\′}}:A_{n^{\′}},0.2)$

针刺/凸点高度：

所述的翘曲度计算方法：为了与国家标准对翘曲度的定义保持一致（GB/T6619-1995），以测试平台为基准面，并定义基准面相对高度值为0时，则翘曲度（Warp）定义为样品中平面到基准面的最大值与最小值之差；翘曲度（Bow）定义为下表面到基准面距离的最大值；通过对样品0°、90°、180°或270°旋转，可对样品进行多角度测试，并将样品翘曲度、上表面形状进行三维图形化显示；

翘曲度：

Bow＝max(h₁,h₂,…,h_n)

Warp＝max(h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2)-min(h₁+h₁₀/2,h₂+h₂₀/2,…,h_n+h_n0/2)。

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