一种消除重力影响的薄基片变形测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及物体变形测量方法技术领域，具体涉及一种消除重力影响的薄基片变形测量方法。
【背景技术】
[0002]薄基片为力学中的薄板，几何特征是圆形、矩形或其它形状，其厚度尺寸远小于平面尺寸，薄基片在加工过程中容易产生翘曲或弯曲变形，为了检测薄基片的加工变形，或者优化加工工艺以减小加工变形，需要对薄基片的变形进行测量。由于薄基片的刚度很低，其变形测量受到支撑方式和外界环境，如振动、气流和重力的影响，在采用隔振和气流屏蔽的情况下，重力的影响成为不容忽视的因素。目前已有的测量方法测量基片变形时，是将薄基片以平台支撑水平放置、三点支撑水平放置、单点夹持竖直吊装放置或三点径向支撑竖直放置等，翘曲或弯曲变形的薄基片会在重力作用下产生附加变形，直接影响薄基片变形测量结果。
[0003]日本的Kanzaki Toyoki等人在专利号为JP2000234919A的“平面度测量方法与装置”发明专利中，发明了一种利用干涉仪测量透明和半透明物体平面度的方法。测量中将被测量物体部分浸入液体中，被测物体的上表面在空气中，下表面在液体中。采用此方法测量物体变形时，需要物体被测表面在液体表面之上，无法测量厚度较小而变形较大的薄基片；并且，由于被测物体部分浸入液体中会受到液体表面张力作用，引入表面张力附加变形，同时，该方法还存在离子污染问题。因此需要减小或消除重力附加变形以及消除液体表面张力附加变形的测量方法来准确地测量薄基片变形。
[0004]日本的Okumura Hirosh在专利号为JP2002243431A的“硅片翘曲度测量方法”发明专利中，发明了三点支撑反转测量方法，薄基片由三点支撑水平放置，测量薄基片一个表面的轮廓形貌后反转薄基片，再次测量薄基片另一个表面的轮廓形貌。在假设薄基片正反面测量时所受重力附加变形相同的情况下，通过计算得出无重力附加变形的薄基片表面轮廓形貌，确定薄基片的变形。此方法操作费时，且要求薄基片以及支撑点位置相对于正反翻转轴完全对称，否则翻转后薄基片重力附加变形不同，无法进行算术运算。对称性要求需要保证支撑机构的装配精度，限制了三点支撑方法的使用范围，另外需要额外的薄基片定心机构来保证薄基片中心处于正反测量翻转轴上，并且一些薄基片如硅片，强度较弱，定心操作中一般需要在边缘施加力使之移动至中心，增加了硅片破碎的风险。因此，需要对支撑机构无精度要求，无需定心机构的消除重力附加变形的薄基片变形方法。
【发明内容】
[0005]本发明针对以上提出的现有测量方法引入表面张力附加变形、存在离子污染、支撑机构装配精度要求高和需要额外定心机构的问题，而研究设计一种消除重力影响的薄基片变形测量方法。本发明采用的技术手段如下:
[0006]—种消除重力影响的薄基片变形测量方法，所述薄基片由三个支撑球支撑，包括以下步骤:
[0007]①通过测量确定三个支撑球的位置；
[0008]②将待测的薄基片放置于三个支撑球上，确定薄基片的厚度、位置和轮廓信息；
[0009]③将步骤①和步骤②测得的三个支撑球的位置信息和薄基片的厚度、位置和轮廓信息输入至有限元分析软件中，进行重力附加变形仿真，计算重力附加变形；
[0010]④扫描测得薄基片的总变形，总变形减去步骤③计算的重力附加变形，得出薄基片真实变形。
[0011]进一步地，步骤①使用光学位移传感器进行测量，将光学位移传感器固定一轴坐标，沿另一轴扫描测量支撑球轮廓，对轮廓数据进行最小二乘圆拟合，圆中心坐标即为支撑球在该移动轴方向上的中心坐标，用同样的方法测得该支撑球另一轴方向的中心坐标；用同样的方法测得另外两个支撑球的位置坐标。
[0012]如果不采用圆拟合，直接采用支撑球轮廓最高点误差较大，这是因为支撑球轮廓最高点斜率为零，传感器读数跳动影响较大，而距离中心较远处，支撑球轮廓斜率较大，同样的读数跳动影响小，通过拟合可以显著提高支撑球中心的精度。
[0013]进一步地，步骤②中薄基片的位置使用光学位移传感器进行测量，将光学位移传感器固定一轴坐标，沿另一轴扫描薄基片，从薄基片内部直至外部无读数，对测量数据进行边缘曲线和表面直线的最小二乘拟合，表面直线与边缘曲线的交点为薄基片的边缘点，对边缘点进行最小二乘拟合，得出薄基片的位置与轮廓。
[0014]对于光学传感器，高度的确定是由在被测物体上的光斑位置确定的，但测量边缘时，光斑不可再简化为光点，高度值误差较大，因此通过拟合的方式确定薄基片表面直线与边缘曲线的交点作为薄基片的边缘点，可以消除边缘点高度测量误差的影响，提高边缘点寻找的精度。
[0015]进一步地，步骤②中薄基片的厚度使用光学位移传感器进行测量，首先测得支撑球的顶点坐标，再测量支撑球处放置薄基片后高度，放置薄基片后的高度与支撑球顶点的高度差为薄基片的厚度；
[0016]在放置薄基片前，光学位移传感器固定一轴坐标，沿另一轴扫描测量支撑球轮廓，对轮廓数据进行最小二乘圆拟合，圆中心坐标为支撑球在该移动轴方向上的中心坐标，将光学位移传感器的一轴固定在中心坐标上，沿另一轴扫描测量支撑球轮廓，最小二乘圆拟合扫描轮廓，最高点为支撑球顶点；或者扫描测量两条以上的支撑球轮廓，对测量数据进行最小二乘球拟合，得到支撑球顶点坐标；然后测量支撑球处放置薄基片后高度。
[0017]当让薄基片放置于平面上，通过一个传感器测量薄基片厚度时，由于自身的变形，薄基片与参考平面中间有空隙，测量误差较大。为了提高精度一般采用双传感器测量，两个传感器分布于薄基片的两侧，通过一个标准厚度的基片标定两个传感器的距离，然后测量薄基片的厚度。采用此种方法需要两个传感器，增加了测量成本，而且需要标准厚度的基片标定，操作繁琐。本专利中的方法，薄基片由三个支撑球支撑，两者接触状态唯一，不存在空隙，且仅需单个传感器，无需标准厚度基片的标定。
[0018]进一步地，所述光学位移传感器为激光三角传感器、激光共聚焦传感器或白光共聚焦传感器。
[0019]与现有技术比较，本发明所述的一种消除重力影响的薄基片变形测量方法具有以下优点:
[0020]1、无离子污染，不使用液体，不产生表面张力附加变形；
[0021]2、对支撑球的位置没有要求，不要求支撑机构的装配精度；
[0022]3、薄基片放置位置灵活，不需要额外定心机构来保证薄基片中心处于三个支撑球中心。
【附图说明】
[0023]图1是本发明实施例使用的测量装置结构示意图。
[0024]图2是本发明实施例的薄基片支撑状态俯视示意图。
[0025]图3是本发明实施例的变形叠加原理示意图。
[0026]图4是本发明实施例中测量支撑球顶点位置的原理示意图。
[0027]图5是本发明实施例中对支撑球沿X方向扫描的拟合曲线图。
[0028]图6是本发明实施例中对支撑球沿y方向扫描的拟合曲线图。
[0029]图7是本发明实施例中测量边缘点位置的原理示意图。
[0030]图8是本发明实施例中测量薄基片边缘点的拟合曲线图。
[0031]图9是图8的局部放大图。
[0032]图10是本发明实施例直接测得的薄基片总变形图。
[0033]图11是本发明实施例的有限元计算薄基片重力附加变形图。
[0034]图12是本发明实施例的薄基片真实变形图。
【具体实施方式】
[0035]—种消除重力影响的薄基片变形测量方法，所述薄基片由三个支撑球支撑，包括以下步骤:
[0036]①通过测量确定三个支撑球的位置；
[0037]②将待测的薄基片放置于三个支撑球上，确定薄基片的厚度、位置和轮廓信息；
[0038]③将步骤①和步骤②测得的三个支撑球的位置信息和薄基片的厚度、位置和轮廓信息输入至有限元分析软件中，进行重力附加变形仿真，计算重力附加变形；
[0039]④扫描测得薄基片的总变形，总变形减去步骤③测得的重力附加变形，得出薄基片真实变形。
[0040]如图1所示，本实施例使用的测量装置包括工作平台1，工作平台I上方设有二维运动平台7，工作平台I上放置有支撑球2，光学位移传感器4采用激光三角位移传感器4，薄基片3为薄基片，光学位移传感器4通过安装板9固定在二维运动平台7上，测量前调节二维运动平台7的位置，使薄基片3处于光学位移传感器4的测量范围之内。所述光学位移传感器4为激光三角传感器、激光共聚焦传感器或白光共聚焦传感器。
[0041]二维运动平台7按照设定的轨迹进行X、y向二维运动，光学位移传感器4扫描测量薄基片3表面，光学位移传感器4起始位于薄基片中心点，开始扫描后直接向y向正向移动到薄基片边缘点5处然后开始按Z字形扫描整个薄基片。根据二维运动平台7的坐标值与光学位移传感器4的读数，通过计算机拟合成薄基片3表面三维形貌图，计算并确定基片的实际翘曲和弯曲变形。将前面测量获得的支撑球与薄基片位置与厚度反馈