CN117168322A - 一种基于单目偏折术的晶圆检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，包括如下步骤：S1、搭建偏折测量装置，该测量装置包括屏幕、相机和载物台，屏幕和相机呈倾斜角度设置在载物台的两侧；S2、将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标统一在同一个坐标系下；S3、建立相机和屏幕的像素对应关系；以及S4、获取待测晶圆表面信息，对待测晶圆表面面形进行检测工作。本发明可有效检测晶圆的表面，包括表面翘曲和亚毫米级缺陷等，且装置简单可靠，操作简单，实用性强，对实现晶圆质量检测具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及光学工程技术领域，具体涉及一种基于单目偏折术的晶圆检测方法。
背景技术
随着汽车电子、智能手机等前沿应用领域的快速发展，国内集成电路市场迅速扩大，集成电路产业进入快速发展期，晶圆是制造集成电路最基本的材料之一，晶圆翘曲度和缺陷在集成电路的制造过程中起到关键性的作用，直接影响着集成电路工艺的良品率。目前常用的干涉测量方法对于镜面反射的表面有效，但其量程较小，对环境干扰敏感，不适合工业现场的测量条件。因此，需要寻找其他测量方法来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单目偏折术的晶圆检测方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，包括如下步骤：
S1、搭建偏折测量装置，该测量装置包括屏幕、相机和载物台，屏幕和相机呈倾斜角度设置在载物台的两侧；
S2、将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标统一在同一个坐标系下；
S3、建立相机和屏幕的像素对应关系；以及
S4、获取待测晶圆表面信息，对待测晶圆表面面形进行检测工作。
进一步地，所述将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标统一在同一个坐标系下的具体方法为：
获得相机和载物台之间的坐标转换关系A；
获得相机和屏幕之间的坐标转换关系B；以及
通过坐标转换关系A和坐标转换关系B将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标建立在同一个坐标系下。
进一步地，所述获得相机和载物台之间的坐标转换关系A的具体方法为：
将已知厚度的标定板放置在载物台上，通过相机拍摄标定板图像并进行特征点提取，计算得到相机坐标系和标定板坐标系的空间位置信息；以及
将载物台坐标系建立在标定板坐标系的设定位置处，得到相机坐标系和载物台坐标系之间的外参数，从而确定相机和载物台之间的坐标转换关系A。
进一步地，所述获得相机和屏幕之间的坐标转换关系B的具体方法为；
将一个标准平面反射镜放置在载物台上，在屏幕上显示圆点阵列的参考图案；
利用相机拍摄标准平面反射镜反射的参考图案虚像，并从图像中识别出圆斑；以及
通过PnP方法计算出计算出相机坐标系与屏幕坐标系之间的外参数，从而确定相机和屏幕之间的坐标转换关系B。
进一步地，所述相机坐标系和载物台坐标系之间的外参数具体为旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m。
进一步地，所述相机坐标系与屏幕坐标系之间的外参数具体为旋转矩阵Rc2s与平移向量Tc2s。
进一步地，所述建立相机和屏幕的像素对应关系的具体方法为；
将待测晶圆放置在载物台上，并控制屏幕向待测晶圆表面投射编码的正弦灰度条纹；
相机采集待测晶圆表面反射出到屏幕上的显示图案；
解码图像，获得待测晶圆表面反射的相位信息；以及
将相位信息转换为屏幕的实际光斑坐标，建立相机和屏幕的像素对应关系。
进一步地，所述获取待测晶圆表面信息，对待测晶圆表面面形进行检测工作的具体方法为：
建立光线追踪模型，通过相机光线追迹确定待测晶圆表面的测量点初始位置；
通过模拟光线的传播路径，得到待测晶圆表面的梯度分布，进一步对梯度分布进行积分，重构待测晶圆表面的面形；以及
将测量结果可视化，评估待测晶圆的表面质量，对待测晶圆表面面形进行检测工作。
进一步地，所述PnP方法的目标函数定义如下；
式中，h为旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m，(u,v)为根据模型求解的特征点坐标，(u’,v’)是拍摄图片提取的特征点坐标。
由上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：
本发明可有效检测晶圆的表面，包括表面翘曲和亚毫米级缺陷等，且装置简单可靠，操作简单，实用性强，对实现晶圆质量检测具有重要意义。
附图说明
图1为本发明偏折测量装置结构示意图；
图2为本发明标定板示意图；
图3为相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标建立在同一个坐标系的示意图；
图4为本发明方法的流程图；
图5为待测晶圆表面的面形可视化图。
图中：屏幕1、相机2、载物台3、标定板4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，包括如下步骤:
步骤一、如图1所示，搭建偏折测量装置，该测量装置包括屏幕1、相机2和载物台3，屏幕和相机呈倾斜角度设置在载物台的两侧，这样的布局有助于实现晶圆全口径测量且确保测量系统的紧凑性；
步骤二、在载物台上放置一个棋盘格的标定板4，该标定板由10×10个棋盘格组成，角点间距为10mm，厚度为1mm，且上下表面平行度良好，如图2所示，这个标定板可以提供一个已知的参考平面，用于确定相机和载物台之间的坐标转换关系，辅助建立待测晶圆表面在测量坐标系的名义面形方程以及建立相机和屏幕之间的坐标转换关系，具体为：
使用相机拍摄标定板的图像，并利用图像处理算法提取出标定板上的角点(即特征点提取)，通过这些角点，可以计算出相机的内参数(如焦距、主点位置等)和畸变系数，同时，通过PnP方法，可以获得相机坐标系和标定板坐标系之间的外参数(即得到空间位置信息)，并将载物台坐标系建立在标定板坐标系的Z＝-1mm的位置处，将标定板坐标系的Z＝-d作为载物台坐标系的XY平面，其他坐标与标定板一致，即可得到相机坐标系和载物台坐标系之间的外参数，该外参数具体为旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m，这些参数可以描述相机和载物台之间的准确对应关系，从而实现相机和载物台之间的坐标转换关系A的确定；
在完成相机和载物台的标定后，将一个标准平面反射镜放置在载物台上，这个反射镜具有表面平整度优于λ/4和上下表面平行度优于3的特性，厚度为10mm；在屏幕上显示一个9×9小尺寸圆点阵列，圆心间距为15mm，这个阵列作为参考图案；利用相机拍摄标准平面反射镜反射的参考图案虚像，并从图像中识别出圆斑，通过PnP方法计算出计算出相机坐标系与屏幕坐标系之间的外参数，该外参数具体为旋转矩阵Rc2s与平移向量Tc2s，从而确定相机和屏幕之间的坐标转换关系B；完成整个测量系统的标定工作；
其中PnP方法的目标函数定义如下；
该问题采用高斯牛顿法或Levenberg-Marquardt法进行迭代求解，式中，h为旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m，(u,v)为根据模型求解的特征点坐标，(u’,v’)是拍摄图片提取的特征点坐标；
通过坐标转换关系A和坐标转换关系B将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标建立在同一个坐标系下，如图3所示，从而实现测量结果的精确计算。
步骤三、将待测晶圆放置在载物台上，采用计算机控制屏幕向待测晶圆表面投射编码的正弦灰度条纹，条纹周期为64个，这些条纹可以通过计算机生成；相机采集待测晶圆表面反射出到屏幕上的变形条纹图像，通过相位解调技术解码图像，获得待测晶圆表面反射的相位信息，将相位信息转换为屏幕的实际光斑坐标，建立相机和屏幕的像素对应关系。
步骤四、建立光线追踪模型，由于已知晶圆的厚度信息，结合载物台的空间位置，可以直接通过相机光线追迹实现被测晶圆表面的测量点初始位置确定；对于一个输入的相机像素C，它的像素坐标[uc,vc]T对应的世界坐标系坐标为[xc,yc,zc]T。反射点P在名义面形(由载物台坐标系限定晶圆表面位置)上，它的坐标由反射光线r与名义面形的方程f(x,y)相交得到，引入距离参数τ描述反射点P沿着方向r到相机像素C的距离，因此反射点P的坐标满足以下公式：
[xp,yp,zp]T＝τr+[xc,yc,zc]T；
通过模拟光线的传播路径，得到待测晶圆表面的梯度分布，进一步对梯度分布进行积分，重构待测晶圆表面的面形；将测量结果可视化，如图5所示，以直观地评估晶圆的表面质量，并检测出可能存在的缺陷，例如凹陷、凸起或其他形状的缺陷，这些结果可以帮助确定晶圆的翘曲度，并进行进一步的分析和改进。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于，包括如下步骤:
S1、搭建偏折测量装置，该测量装置包括屏幕、相机和载物台，屏幕和相机呈倾斜角度设置在载物台的两侧；
S2、将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标统一在同一个坐标系下；
S3、建立相机和屏幕的像素对应关系；以及
S4、获取待测晶圆表面信息，对待测晶圆表面面形进行检测工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标统一在同一个坐标系下的具体方法为：
获得相机和载物台之间的坐标转换关系A；
获得相机和屏幕之间的坐标转换关系B；以及
通过坐标转换关系A和坐标转换关系B将相机坐标、屏幕坐标和载物台坐标建立在同一个坐标系下。
3.根据权利要求2所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述获得相机和载物台之间的坐标转换关系A的具体方法为：
将已知厚度的标定板放置在载物台上，通过相机拍摄标定板图像并进行特征点提取，计算得到相机坐标系和标定板坐标系的空间位置信息；以及
将载物台坐标系建立在标定板坐标系的设定位置处，得到相机坐标系和载物台坐标系之间的外参数，从而确定相机和载物台之间的坐标转换关系A。
4.根据权利要求2所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述获得相机和屏幕之间的坐标转换关系B的具体方法为；
将一个标准平面反射镜放置在载物台上，在屏幕上显示圆点阵列的参考图案；
利用相机拍摄标准平面反射镜反射的参考图案虚像，并从图像中识别出圆斑；以及
通过PnP方法计算出计算出相机坐标系与屏幕坐标系之间的外参数，从而确定相机和屏幕之间的坐标转换关系B。
5.根据权利要求3所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述相机坐标系和载物台坐标系之间的外参数具体为旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m。
6.根据权利要求4所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述相机坐标系与屏幕坐标系之间的外参数具体为旋转矩阵Rc2s与平移向量Tc2s。
7.根据权利要求1所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述建立相机和屏幕的像素对应关系的具体方法为；
将待测晶圆放置在载物台上，并控制屏幕向待测晶圆表面投射编码的正弦灰度条纹；
相机采集待测晶圆表面反射出到屏幕上的显示图案；
解码图像，获得待测晶圆表面反射的相位信息；以及
将相位信息转换为屏幕的实际光斑坐标，建立相机和屏幕的像素对应关系。
8.根据权利要求1所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述获取待测晶圆表面信息，对待测晶圆表面面形进行检测工作的具体方法为：
建立光线追踪模型，通过相机光线追迹确定待测晶圆表面的测量点初始位置；
通过模拟光线的传播路径，得到待测晶圆表面的梯度分布，进一步对梯度分布进行积分，重构待测晶圆表面的面形；以及
将测量结果可视化，评估待测晶圆的表面质量，对待测晶圆表面面形进行检测工作。
9.根据权利要求4所述的一种基于单目偏折术的晶圆检测方法，其特征在于：所述PnP方法的目标函数定义如下；
式中，h为旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m，(u,v)为根据模型求解的特征点坐标，(u’,v’)是拍摄图片提取的特征点坐标。
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| CN202311125290.8A Pending CN117168322A (zh) | 2023-09-01 | 2023-09-01 | 一种基于单目偏折术的晶圆检测方法 |
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