CN110926397A - 一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法 - Google Patents

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Abstract

一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，包括以下步骤：装夹圆孔薄膜；拟合圆孔薄膜上下表面圆孔；调整上下传感器垂直于工作面；拟合圆孔薄膜上下表面圆孔圆心；调整上下传感器共轴对准；完成上下传感器位姿标定。一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，利用透明圆孔薄膜的圆孔特征在实现上下传感器对准的同时，实现上下传感器同轴度评定，调整上下传感器共轴；利用透明圆孔薄膜的透明性，保证上下传感器测量同一点，完成传感器间距标定，避免引入第三方测厚仪器的不确定度；透明圆孔薄膜集上下传感器同轴调整、对准和间距标定功能于一体，使得共焦测厚中上下传感器的位姿标定更方便、更高效。

Description

一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，更具体的说，特别涉及一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法。
背景技术
自支撑薄膜在微电子、半导体器件、集成电路等精密制造领域有着广泛的应用。薄膜膜厚是影响薄膜性能的关键参数之一，因此需要对其进行准确测量。共焦测厚法是一种用于对自支撑薄膜膜厚的常用测量方法，共焦测厚中双传感器的位姿标定直接影响厚度测量的准确性。目前常用的位姿标定方法是使用缝宽为10微米的十字标记调整上下两传感器对准，使用已知厚度的标准薄膜或量块对两传感器间距进行标定，其中细缝十字标记无法评定上下传感器的同轴度，并且标准薄膜或量块的使用会引入第三方测厚仪器的测量误差。
因此，现有技术存在的问题，有待于进一步改进和发展。
发明内容
（一）发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种利用透明圆孔薄膜的圆孔特征对上下传感器同轴度进行评定，并调整上下传感器共轴对准，再利用透明圆孔薄膜的透明性对两传感器间距进行标定的共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法。
（二）技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，包括以下步骤：
步骤一：装夹圆孔薄膜；
步骤二：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔；
步骤三：调整上下传感器垂直于工作面；
步骤四：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔圆心；
步骤五：调整上下传感器共轴对准；
步骤六：完成上下传感器位姿标定。
其中，所述步骤二中还包括上下传感器分别扫描圆孔薄膜上下表面。
其中，所述步骤三中还包括寻找圆孔薄膜上下表面边界特征点；计算上下传感器偏转角。
其中，所述步骤四中还包括：上下传感器二次扫描圆孔薄膜上下表面。
其中，所述步骤五中还包括：计算上下传感器水平偏移。
其中，所述步骤六中还包括：上下传感器同时测量圆孔薄膜同一表面同一点。
（三）有益效果：本发明提供一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法具有以下优点：
1、利用透明圆孔薄膜的圆孔特征在实现上下传感器对准的同时，实现上下传感器同轴度评定，调整上下传感器共轴；
2、利用透明圆孔薄膜的透明性，保证上下传感器测量同一点，完成传感器间距标定，避免引入第三方测厚仪器的不确定度；
3、透明圆孔薄膜集上下传感器同轴调整、对准和间距标定功能于一体，使得共焦测厚中上下传感器的位姿标定更方便、更高效。
附图说明
图1是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的步骤流程图；
图2是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的透明圆孔薄膜纵切面示意图；
图3是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的透明圆孔薄膜俯视图；
图4是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的薄膜装夹薄片示意图；
图5是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的共焦测厚系统示意图；
图6是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的拟合表面圆孔示意图；
图7是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的传感器偏转角度测量原理图；
图8是本发明一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法的传感器间距标定原理图。
100-圆孔薄膜；101-通孔；200-薄膜装夹薄片；201-定位孔；300-传感器。
具体实施方式
下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
附图是本发明的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。
一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤一：装夹圆孔薄膜；
步骤二：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔；
步骤三：调整上下传感器垂直于工作面；
步骤四：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔圆心；
步骤五：调整上下传感器共轴对准；
步骤六：完成上下传感器位姿标定。
其中，所述步骤二中还包括上下传感器分别扫描圆孔薄膜上下表面。
其中，所述步骤三中还包括寻找圆孔薄膜上下表面边界特征点；计算上下传感器偏转角。
其中，所述步骤四中还包括：上下传感器二次扫描圆孔薄膜上下表面。
其中，所述步骤五中还包括：计算上下传感器水平偏移。
其中，所述步骤六中还包括：上下传感器同时测量圆孔薄膜同一表面同一点。
步骤一：装夹圆孔薄膜的具体操作为：
圆孔薄膜100如图2、图3所示，所述圆孔薄膜100设有通孔101，所述通孔101优选为圆形。所述圆孔薄膜100为透明圆孔薄膜。
薄膜装夹薄片200如图4所示，中心设有圆孔，所述圆孔的直径大于所述圆孔薄膜100的通孔101的直径，所述圆孔薄膜100的通孔101置于所述圆孔内，所述圆孔为待测圆孔薄膜100的扫描区域。薄膜装夹薄片200对角线两端分别设有定位孔201，所述定位孔201为圆形，所述定位孔201的直径小于所述圆孔的直径，所述定位孔201用于薄膜装夹薄片200的安装定位。
使用时，用两片所述薄膜装夹薄片200夹住所述圆孔薄膜100，所述通孔101透过所述薄膜装夹薄片200中心的圆孔放置，所述薄膜装夹薄片200通过所述定位孔201平行安装于工作台上，随工作台移动。
步骤二：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔；
共焦测厚系统包括分别设置在所述圆孔薄膜100上下两侧的传感器300，如图5所示，其中，所述传感器300为光谱共焦位移传感器。用设置在所述圆孔薄膜100上方的所述传感器300扫描所述圆孔薄膜100的上表面，用设置在所述圆孔薄膜100下方的所述传感器300扫描所述圆孔薄膜100的下表面。
从上述共焦测厚系统中传感器300获取Z轴位置信息和从工作台获取X轴、Y轴位置信息，具体X轴、Y轴、Z轴位置如图6、图7所示。拟合所述圆孔薄膜100上下表面通孔，具体的说，利用最小二乘法拟合所述圆孔薄膜100上下表面通孔的位置特征数据，拟合表面通孔如图6所示。
步骤三：调整上下传感器垂直于工作面；
在拟合表面通孔101图像中，由于所述传感器300相对于工作台法线方向有一定的倾角，上下面拟合圆边界并不重合，所述通孔101内侧会留下月牙形残影，如图6中灰色区域所示。利用通孔101边界特征点拟合圆获取通孔圆心点O，（具体的说，利用最小二乘法拟合所述通孔101边界特征点，获取通孔圆心点）寻找（月牙形残影）灰度区域的两端点A、B，连接AB过O点做垂线交于C点，交通孔边界于D点。
传感器300偏转角度测量原理如图7所示，图中特征点C、D同图6，图中E点是D点在所述圆孔薄膜100下表面的对应点。传感器水平方向的偏转角为
Figure 915789DEST_PATH_IMAGE001
，垂直方向的偏转角为
Figure 56920DEST_PATH_IMAGE002
。
Figure 617215DEST_PATH_IMAGE003
(1)
Figure 388862DEST_PATH_IMAGE004
(2)
Figure 401817DEST_PATH_IMAGE005
(3)
其中，x，y值是工作台的示值，z是传感器的示值。利用式(1)、(2)和(3)可以分别计算出上下传感器的偏转角αu、βu、αd、βd。
利用计算得出的αu、βu、αd、βd，再借助外部传感器角度调整机构可调整上下传感器垂直于工作面。
步骤四：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔圆心；
在传感器调整垂直于工作面后，再次用上传感器扫描所述圆孔薄膜100上表面，用下传感器扫描所述圆孔薄膜100下表面。
在上述操作中从传感器获取Z轴位置信息和从工作台获取X轴、Y轴位置信息拟合圆孔薄膜100上下表面通孔，获得上下表面拟合圆圆心Ou、Od。
步骤五：调整上下传感器共轴对准；
利用步骤四获得的拟合圆圆心Ou、Od，可计算出传感器X轴方向上的偏移量
Figure 284322DEST_PATH_IMAGE006
和Y方向上的偏移量
Figure 699123DEST_PATH_IMAGE007
。
Figure 703988DEST_PATH_IMAGE008
(4)
Figure 141923DEST_PATH_IMAGE009
(5)
根据计算得出的
Figure 624857DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 97426DEST_PATH_IMAGE007
，借助传感器位移调整机构可调整上下传感器共轴对准。
步骤六：完成上下传感器位姿标定。
在调整上下传感器共轴对准后，利用透明圆孔薄膜的透明性，可以使得上下传感器同时测量所述圆孔薄膜100同一表面同一点。
传感器间距标定原理如图8所示。在上下传感器同时测量所述圆孔薄膜 100同一表面同一点后，上传感器示值Zu，通过折射率补偿后变为Z′u，下传感 器示值Zd，上下传感器间距为Δz。
Δz＝Z′u+Zd (6)
此时，薄膜厚度的测量值为传感器间距标定值减去两个传感器对对应的薄膜上下表面的测量示值。
一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，采用透明圆孔薄膜对共焦测厚中双传感器位姿进行标定，透明圆孔薄膜是在透明薄膜基础上垂直打孔制作而成。通过上下传感器扫描透明圆孔薄膜的圆孔特征，可实现上下传感器同轴度评定，进而可调整上下传感器垂直于工作面，再次扫描圆孔特征可实现上下传感器对准；利用透明圆孔薄膜的透明性，可以保证上下传感器测量同一平面同一点，通过对折射率因素的补偿，可在不使用标准薄膜或量块的前提下完成传感器间距标定，避免引入第三方测厚仪器的不确定度。
以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (6)

1.一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：装夹圆孔薄膜；
步骤二：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔；
步骤三：调整上下传感器垂直于工作面；
步骤四：拟合圆孔薄膜上下表面圆孔圆心；
步骤五：调整上下传感器共轴对准；
步骤六：完成上下传感器位姿标定。
2.根据权利要求1所述一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，其特征在于，所述步骤二中还包括上下传感器分别扫描圆孔薄膜上下表面。
3.根据权利要求1所述一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，其特征在于，所述步骤三中还包括寻找圆孔薄膜上下表面边界特征点；计算上下传感器偏转角。
4.根据权利要求1所述一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，其特征在于，所述步骤四中还包括：上下传感器二次扫描圆孔薄膜上下表面。
5.根据权利要求1所述一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，其特征在于，所述步骤五中还包括：计算上下传感器水平偏移。
6.根据权利要求1所述一种共焦测厚中双传感器位姿的透明圆孔标定方法，其特征在于，所述步骤六中还包括：上下传感器同时测量圆孔薄膜同一表面同一点。
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