CN112697063B - 一种基于显微视觉的芯片应变测量方法 - Google Patents

一种基于显微视觉的芯片应变测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于显微视觉的芯片应变测量方法，包括：在芯片上选取至少两个已知参考点；获取每两所述参考点之间的实际距离；在所述芯片变形前后分别获取所述参考点位置处的高倍显微图像；计算所述高倍显微图像中各参考点变形前后的相对位移；利用所述相对位移表征所述芯片的应变。本申请实施例提供的基于显微视觉的芯片应变测量方法，直接利用微纳加工在芯片表面留下的瑕疵或已知结构的特殊位置作为应变测量的初始距离，突破了该初始距离受显微镜视场大小的限制。并且，本方法直接利用特征点的像素坐标值，将测量精度大大提高。本申请实施例提供的基于显微视觉的芯片应变测量方法可测得的微小应变为，满足微小应变测量要求。

Description

一种基于显微视觉的芯片应变测量方法
技术领域
本申请一般涉及半导体测试技术领域，具体涉及一种基于显微视觉的芯片应变测量方法。
背景技术
芯片由于结构尺寸极度微小，因此测量其微小应变极为困难。现有技术中，测量芯片微小应变的方法，分为接触测量法和非接触测量法。
接触测量法通常会破坏待测量结构，比如在芯片上的薄膜制作微结构指针，芯片变形时引起指针的旋转，根据指针的旋转量来测量微小应变。为不破坏待测结构，需采用非接触测量方法。
非接触测量方法中，由于芯片尺寸较小，大多利用显微镜获得高分辨率数字图像，然后采用数字散斑法或网格法测量应变。散斑法需在待测结构上制作散斑，采用数字图像处理方法识别子区域的变形。但这种方法在微纳尺度时，散斑制作比较困难。网格法是在芯片上制作网格，芯片变形时引起网格的变形，通过测量网格的变形来测量应变。
以上两种方法具有以下缺点：1，散斑法采用子区域变形和网格法利用网格变形来测量应变，均依赖于区域的变形，不能精确到某个像素点；2，均需要在样品芯片上制作微纳尺度的图样，制作困难； 3，对应变的测量均在同一个视场区域内，即应变测量的初始距离被限制在同一视场区域内。由于放大倍数越大，视场越小，则应变测量的初始距离越小。因此即便放大倍数很大，亦无法测得微小应变，详细说明如下。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于显微视觉的芯片应变测量方法，可以利用高倍显微镜来测量芯片极微小变形，提高测量精度。
本申请提供了一种基于显微视觉的芯片应变测量方法，包括：
在芯片上选取至少两个已知参考点；
获取每两所述参考点之间的实际距离；
在所述芯片变形前后分别获取所述参考点位置处的高倍显微图像；
计算所述高倍显微图像中各参考点变形前后的相对位移；
利用所述相对位移表征所述芯片的应变。
在一些实施例中，所述参考点为所述芯片表面上已存在的点，所述参考点选自芯片微纳加工工艺中产生的瑕疵点或者已知的微纳结构特殊点。
在一些实施例中，“获取每两所述参考点之间的实际距离”包括：
若两个所述参考点均选自已知的微纳结构特殊点，则两所述参考点之间的实际距离为定值；或者，
若两个所述参考点中至少一个参考点为芯片微纳加工工艺中产生的瑕疵点，则两所述参考点之间的实际距离通过显微镜获得。
在一些实施例中，“两所述参考点之间的实际距离通过显微镜获得”包括：
调节显微镜倍数，使两所述参考点位于同一视野内；
在所述芯片变形之前获取两所述参考点位于同一视野的初始图像；
计算两所述参考点之间的实际距离。
在一些实施例中，“在所述芯片变形前后分别获取所述参考点位置处的高倍显微图像”包括：
在所述芯片变形前，调节显微镜放大倍数，对所述参考点位置处进行放大，每一视野中只存在一个所述参考点；
在所述芯片变形前后分别获取所述同一参考点相同视野位置处的高倍显微图像。
在一些实施例中，“所述同一参考点相同视野位置处”包括：
通过电子显微镜承片台对芯片平移进行视野调整，记录每一参考点在测量芯片变形前视野的调整位置；当获取芯片变形后的视野时，将电子显微镜承片台调整至同一位置。
在一些实施例中，“所述同一参考点相同视野位置处”包括：
分别获取所述芯片变形前后的同一参考点位置处的高倍显微图像；
利用数字图像相关尺度不变算子特征点提取算法对获取的芯片变形后的图像进行特征匹配；
对获取的所述高倍显微图像进行同一参考点相同视野化处理。
在一些实施例中，“计算所述高倍显微图像中各参考点变形前后的相对位移”包括：
修正所述高倍显微图像的坐标轴，获得各参考点在芯片变形前后的坐标位置；
计算各参考点在芯片变形前后在坐标轴方向的相对位移。
进一步地，“利用所述相对位移表征所述芯片的应变”，表征公式为：
Figure 210949DEST_PATH_IMAGE001
其中，ε为芯片应变值，
Figure 813575DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 452367DEST_PATH_IMAGE003
分别为两参考点在芯片变形前后X坐标轴方向的相对位移，
Figure 473675DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 412681DEST_PATH_IMAGE005
分别为两参考点在芯片变形前后Y坐标轴方向的相对位移，L为两所述参考点之间的实际距离。
在一些实施例中，所述方法还包括：
在所述芯片上选取至少三个已知参考点，多次测量并计算获得所述芯片的应变数据，并以应变数据的平均值作为芯片应变测量结果；和/或
对所述芯片划分区域，在每一区域内选取至少两个已知参考点，多次测量并计算获得所述芯片的应变数据，并以应变数据的平均值作为芯片应变测量结果。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请实施例提供的基于显微视觉的芯片应变测量方法，直接利用微纳加工在芯片表面留下的瑕疵或已知结构的特殊位置作为应变测量的初始距离，突破了该初始距离受显微镜视场大小的限制。同时，避免了在芯片上涂覆辅助图样，消除了在微纳尺度上制作散斑或网格的困难。并且，本方法直接利用特征点的像素坐标值，将测量精度大大提高。本申请实施例提供的基于显微视觉的芯片应变测量方法可测得的微小应变为，满足微小应变测量要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请的实施例提供的一种基于显微视觉的芯片应变测量方法的原理示意图；
图2为本申请的实施例提供的一种基于显微视觉的芯片应变测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
随着半导体行业的不断进步，微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)得到了极大发展。MEMS器件通常采用芯片组件的形式进行封装制造。芯片组件通常由多种不同的纳米材料组成，材料的弹性模量和热膨胀系数不同，导致整个芯片内部会引起热变形，影响整个芯片的工作响应及服役寿命。因此，在微纳尺度下对芯片的热变形进行精确测量，对了解芯片材料的力学性能和变形特性、指导微纳器件的设计和制造、分析芯片的失效机制具有重要意义。
请详见图1和2，一种基于显微视觉的芯片应变测量方法，包括：
S1、在芯片上选取至少两个已知参考点；
S2、获取每两所述参考点之间的实际距离；
S3、在所述芯片变形前后分别获取所述参考点位置处的高倍显微图像；
S4、计算所述高倍显微图像中各参考点变形前后的相对位移；
S5、利用所述相对位移表征所述芯片的应变。
在步骤S1中，所述参考点为所述芯片表面上已存在的点，所述参考点选自芯片微纳加工工艺中产生的瑕疵点或者已知的微纳结构特殊点。
在本申请实施例中，采用芯片表面上已有的特征点作为计算芯片应变时的参考点，避免了在芯片上涂覆辅助图样，消除了在微纳尺度上制作散斑或网格的困难，不额外增加工艺或者不破坏芯片结构。
在步骤S2中，“获取每两所述参考点之间的实际距离”包括：
若两个所述参考点均选自已知的微纳结构特殊点，则两所述参考点之间的实际距离为定值；或者，
若两个所述参考点中至少一个参考点为芯片微纳加工工艺中产生的瑕疵点，则两所述参考点之间的实际距离通过显微镜获得。
值得注意的是，若两个参考点均为芯片上的结构特殊点，则在芯片设计时，参考点之间的距离为定值，可以采取设计值，当然，若无法得知设计值时，可以通过显微镜进行测量并进行计算。
在一些实施例中，“两所述参考点之间的实际距离通过显微镜获得”包括：
调节显微镜倍数，使两所述参考点位于同一视野内；
在所述芯片变形之前获取两所述参考点位于同一视野的初始图像；
计算两所述参考点之间的实际距离。
需要说明的是，在本申请实施例中图像的获取，可以采用全景相机实现，全景相机指的是除了显微镜系统的显微镜物镜之外，还可以安装在显微镜系统上或显微镜系统中的相机，以记录通常透射辐射的样本载体的整体图像。本申请实施例中提到的全景相机通常包括图像传感器。例，采用CCD 照相机或CMOS 相机，在进行图像处理时像点的尺寸可为CCD芯片或CMOS传感器的像素尺寸。
还需要说明的是，在显微镜装置中，放大系统的放大倍数值通常可以自由地、平稳地调节。参考点之间的实际尺寸可通过当前选择的放大倍数值以及获取的图像来确定。
作为示例性说明的是，对获取的显微图像进行处理，通过Canny 算子对栅格板显微图像进行边缘提取，计算出平行栅格之间的距离。利用平行栅格之间的距离除以显微镜的放大倍数，即可获得平行栅格之间的实际距离。
在步骤S3中，“在所述芯片变形前后分别获取所述参考点位置处的高倍显微图像”包括：
在所述芯片变形前，调节显微镜放大倍数，对所述参考点位置处进行放大，每一视野中只存在一个所述参考点；
在所述芯片变形前后分别获取所述同一参考点相同视野位置处的高倍显微图像。
需要说明的是，在微纳尺度，数字图像相关方法可与不同空间分辨率的数字成像设备(如光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等)结合，在本申请实施例中可以采用一种显微镜或者多种显微镜结合的方式进行放大测量。
其中，在一些实施例中，“所述同一参考点相同视野位置处”包括：
通过电子显微镜承片台对芯片平移进行视野调整，记录每一参考点在测量芯片变形前视野的调整位置；当获取芯片变形后的视野时，将电子显微镜承片台调整至同一位置。
其中，在另一些实施例中，“所述同一参考点相同视野位置处”包括：
分别获取所述芯片变形前后的同一参考点位置处的高倍显微图像；
利用数字图像尺度不变特征变换算法对获取的芯片变形后的图像进行特征匹配；
对获取的所述高倍显微图像进行同一参考点相同视野化处理。
在具体实施时，对获取的图像进行采样处理，或者图像中的重叠区域或者重叠的参考位置，然后选取指定大小的区域作为重叠区域，对图像进行再处理，将同一参考点的图像处理为同一视野下的图像。当然，在具体设置时还可以采用其他的方式完成相同视野化拼接处理，本申请并不严格限制处理技术。
作为示例性说明的，相同视野化拼接的主要工作为图像配准和图像融合，配准是融合的基础。现有的图像配准算法可以大致分为三类：基于模板(或者说是基于灰度值)的方法、基于特征的匹配方法和基于域变换的方法。其中基于模板方法的思想是比较模板与图像块之间的像素灰度值；基于特征的匹配是目前应用最广泛的方法，描述图像信息的特征通常包含图像的轮廓、点、线和区域等；基于域变换的方法通常是将图像的空间域转换为频率域进行配准计算，如小波变换等方法。
尺度不变特征变换(SIFT)算法首先在尺度空间进行特征检测，并确定关键点的位置和关键点所处的尺度，然后使用关键点邻域梯度的主方向作为该点的方向特征，以实现算子对尺度和方向的无关性。SIFT特征是图像的局部特征，其对旋转、尺度缩放、亮度变化保持不变性，对视角变化、仿射变换、噪声也保持一定程度的稳定性。
在步骤S4中，“计算所述高倍显微图像中各参考点变形前后的相对位移”包括：
修正所述高倍显微图像的坐标轴，获得各参考点在芯片变形前后的坐标位置；
计算各参考点在芯片变形前后在坐标轴方向的相对位移。
需要说明的是，在计算高倍显微图像中各参考点变形前后的相对位移时，其核心计算是显微图像中的灰度值，只要灰度图发生偏移，图像传感装置便可以计算出各参考点在图像中的偏移量。
在步骤S5中，“利用所述相对位移表征所述芯片的应变”，表征公式为：
Figure 875891DEST_PATH_IMAGE001
其中，ε为芯片应变值，
Figure 1978DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 92556DEST_PATH_IMAGE003
分别为两参考点在芯片变形前后X坐标轴方向的相对位移，
Figure 886069DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 502602DEST_PATH_IMAGE005
分别为两参考点在芯片变形前后Y坐标轴方向的相对位移，L为两所述参考点之间的实际距离。
如图1所示，将芯片放置于承片台(chuck)上，O1，O2分别为芯片上微纳加工工艺留下的瑕疵点或已知的微纳结构特殊点。当O1，O2为微纳加工工艺留下的瑕疵时，其应变测量初始距离L由小放大倍数显微镜获得；当O1，O2为已知微纳结构特殊点时，其应变测量初始距离L为已知。
然后在芯片变形前后分别对O1，O2两点利用高倍显微镜拍照。因放大倍数改变，在低倍下的O1，O2两点在高倍放大下将成为单独一个区域，在变形前和变形后O1区域中，采用数字图像中特征点处理方法，找出O1区域中某特征点A，变形后位于A’,根据A’相对于A移动的像素个数，结合每个像素所对应的物理距离，得到A’相对于A的距离分别为
Figure 381565DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 479096DEST_PATH_IMAGE004
；同理，变形前区域O2某特征点位于B，变形后位于B’，采用前述相同方法，得到B’相对于B的距离分别为
Figure 127115DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 185988DEST_PATH_IMAGE005
。
在本申请实施例中，所述方法还包括：
S6、在所述芯片上选取至少三个已知参考点，多次测量并计算获得所述芯片的应变数据，并以应变数据的平均值作为芯片应变测量结果；和/或
S7、对所述芯片划分区域，在每一区域内选取至少两个已知参考点，多次测量并计算获得所述芯片的应变数据，并以应变数据的平均值作为芯片应变测量结果。
需要说明的是，以上步骤S6和步骤S7可以采用其中一种方式或者多种方式的结合，当然，为了提高测量结果的精度，还可以采用其他方式优化测试数据，例如对测试获得的应变数据进行数据清洗，或者多次测量进行分布曲线的描述以获得更优的测试结果。
在本申请实施例中，通常，L可达厘米级，在显微镜放大1000倍，显微图像像素为500万像素时，最小变形可达到20-30纳米，则可测得的微小应变为，满足微小应变测量要求。
需要理解的是，术语“ 长度”、“ 宽度”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“ 第一”、“ 第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“ 第一”、“ 第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“ 多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (5)

1.一种基于显微视觉的芯片应变测量方法，其特征在于，包括：
在芯片上选取两个已知参考点，所述参考点为所述芯片表面上已存在的点，所述参考点选自芯片微纳加工工艺中产生的瑕疵点或者已知的微纳结构特殊点；
获取两所述参考点之间的实际距离；
在所述芯片变形前后分别获取所述参考点位置处的高倍显微图像，包括：
在所述芯片变形前，调节显微镜放大倍数，对所述参考点位置处进行放大，每一视野中只存在一个所述参考点；
在所述芯片变形前后分别获取同一所述参考点相同视野位置处的相同倍数的高倍显微图像；其中，所述相同视野位置处为通过电子显微镜承片台对芯片平移进行视野调整，记录每一参考点在测量芯片变形前视野的调整位置；当获取芯片变形后的视野时，将电子显微镜承片台调整至同一位置；
利用数字图像尺度不变特征变换算法对获取的芯片变形后的图像进行特征匹配；
对获取的所述高倍显微图像进行同一参考点相同视野化处理；
计算所述高倍显微图像中各参考点变形前后的相对位移，包括：修正所述高倍显微图像的坐标轴，获得各参考点在芯片变形前后的坐标位置；
计算各参考点在芯片变形前后在坐标轴方向的相对位移；
利用所述相对位移表征所述芯片的应变。
2.根据权利要求1所述的基于显微视觉的芯片应变测量方法，其特征在于，所述获取两所述参考点之间的实际距离，包括：
若两个所述参考点均选自已知的微纳结构特殊点，则两所述参考点之间的实际距离为定值；或者，
若两个所述参考点中至少一个参考点为芯片微纳加工工艺中产生的瑕疵点，则两所述参考点之间的实际距离通过显微镜获得。
3.根据权利要求2所述的基于显微视觉的芯片应变测量方法，其特征在于，所述两所述参考点之间的实际距离通过显微镜获得，包括：
调节显微镜倍数，使两所述参考点位于同一视野内；
在所述芯片变形之前获取两所述参考点位于同一视野的初始图像；
计算两所述参考点之间的实际距离。
4.根据权利要求1所述的基于显微视觉的芯片应变测量方法，其特征在于，所述利用所述相对位移表征所述芯片的应变，表征公式为：
Figure 963277DEST_PATH_IMAGE001
其中，ε为芯片应变值，
Figure 889645DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 969596DEST_PATH_IMAGE003
分别为两参考点在芯片变形前后X坐标轴方向的相对位移，
Figure 57638DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 855830DEST_PATH_IMAGE005
分别为两参考点在芯片变形前后Y坐标轴方向的相对位移，L为两所述参考点之间的实际距离。
5.根据权利要求1所述的基于显微视觉的芯片应变测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述芯片上选取至少三个已知参考点，多次测量并计算获得所述芯片的应变数据，并以应变数据的平均值作为芯片应变测量结果；和/或
对所述芯片划分区域，在每一区域内选取至少两个已知参考点，多次测量并计算获得所述芯片的应变数据，并以应变数据的平均值作为芯片应变测量结果。
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