一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法，该方法将相位偏折轮廓术（PMD）用于硅晶片的面形测量中。基于PMD的镜面物体三维面形测量方法是一种高灵敏、高精度、快速、非相干的光学全场测量技术，并且实验装置简单，主要包括计算机、数码相机和显示屏。将PMD用于硅晶片面形测量中可以直接得到晶片表面的梯度分布，仅需对梯度求导数即可得到硅片表面的曲率分布，通过曲率分布检测缺陷，也可以对梯度积分得到硅片表面的高度数据，观测三维形貌。本发明的主要增益：提供了一种高精度、快速的全场测量技术对硅晶片表面缺陷检测和面形测量。
【专利说明】—种用于硅晶片缺陷检测和面形测量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及将基于相位偏折轮廓术的三维测量方法用于硅片的缺陷检测以及面形测量的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着精密光学加工，汽车喷漆，工业制造和产品质量检测的发展，人们日益迫切地希望能够对镜面或类镜面反射物体进行精确测量，如对自由曲面的镜面或透镜(如眼镜)的检测，对汽车表面等喷漆质量的控制(桔皮现象)，精密器件表面加工质量评估等。通过对各种镜面或类镜面表面的测量分析，可以得到相应制造过程中各种参数(如打磨转速，打磨材料，机械振动等)对表面加工质量的影响，可以为提高改进加工工艺提供参考。特别需要关注的是半导体工业中光滑晶片表面加工质量的检测，集成电路(IC)的发展离不开高精度表面质量的硅晶片，半导体制造中需通过线切割方式将硅锭切成薄片并进行抛光，由于晶片硬度大、断裂强度低，采用线切割方式时容易留下锯痕、产生边角崩裂。其中，硅晶体光伏电池对晶片切割工艺和抛光质量要求很高，往往需要晶片进行如表面微小裂痕、锯痕(微米量级)、平坦度、表面粗糙度(纳米量级)等的实时测量。
[0003]目前对硅晶片的测量主要有接触式三坐标测量仪、光学扫描、干涉仪和反射莫尔法等。但是，这些测量系统都对测量条件要求较高或是测量速度较慢或是测量精度不高，不适合半导体晶片的高精度三维面形检测，如接触式三坐标机测量时间相当长(通常数小时以上)，而且可能破坏待测物体表面，干涉仪通常只能测量类平面或球面物体，无法测量自由曲面物体。若采用干涉仪测量类平面或自由曲面物体，需要设计复杂并且昂贵的光学补偿元件，难以用于在线检测。反射莫尔法需要测量系统中产生莫尔条纹，对测量系统要求闻。
[0004]近年来，提出了一种基于相位偏折轮廓术的镜面物体三维测量方法。该方法是在显示器上显示正弦条纹图，经过被测镜面或类镜面物体反射后条纹会发生变形。相机拍摄下变形图样，得到相位分布，计算出被测量的梯度分布，进而重建被测镜面或类镜面物体表面。基于相位偏折轮廓术的镜面物体三维测量方法是一种高灵敏、非相干的光学全场测量技术，可对任何材质的自由面形光滑表面(如各种非球面镜片，抛光的金属表面，汽车和飞机喷漆表面、液面等)进行快速和高精度的曲率分布以及三维形貌测量。该方法利用普通非相干光源，但具有接近于干涉仪的测量精度，且无需精密的机械扫描装置，可靠性和耐用性更高，成本更低。对环境温度变化、振动不敏感。将该方法引入硅晶片的缺陷检测以及面形测量中将会得到非常好的效果。
【发明内容】
[0005]本发明公开了一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，该方法将相位偏折轮廓术(PMD)用于硅晶片的面形测量中。
[0006]本发明通过以下技术方案实现:一种基于PMD的硅晶片缺陷检测和面形测量方法，其特征在于包括以下几个步骤:
[0007]A.设置实验测量系统:系统主要包括数码相机，显示屏、待测物体、控计算机及支架。调整系统使数码相机能通过待测物体硅晶片观测到显示屏上的条纹。
[0008]B.通过计算机控制显示屏产生标准的水平方向和垂直方向的正弦条纹，数码相机拍摄通过wafer反射的变形条纹，水平方向和垂直方向的变形条纹可以表示为:
[0009]
【权利要求】
1.一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，包括以下几个步骤: 步骤1、设置测量系统，由计算机控制在显示屏上生成强度呈正弦分布的条纹图像，数码相机通过硅晶片来观察经过调制的显示屏虚像，硅晶片表面的梯度信息将被调制在变形条纹的相位中； 步骤2、对变形条纹进行相位解调得到变形条纹的相位，解调到的相位是截断的，将其载频去除，然后将其进行相位展开； 步骤3、得到展开相位后，通过PMD的相位梯度关系获得硅晶片表面的梯度信息； 步骤4、.对梯度分布求导得到硅晶片表面的曲率分布，曲率信息用于缺陷检测；对梯度积分得到硅晶片表面三维形貌。
2.根据权利要求1所述的一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，其特征在于:所述步骤I中由计算机控制在显示屏上生成强度呈正弦分布的条纹图像其为标准的水平方向和垂直方向的正弦条纹，数码相机拍摄通过硅晶片反射的水平方向和垂直方向的变形条纹，水平方向和垂直方向的变形条纹可以表示为:
水平方向:K (I, y) = A (X，v) + B (X，v).cos [2ττ/0 (χ, j) j 十 φχ (χ, ν)]
垂直方向:/,.(x, ν) = ^(.τ, ν) + Β(χ, ν).cos[2ττ/0 (χ, ν) ν + ψ}, (χ, ν)] 其中I表示相机记录的光强分布，A是背景光强，B是调制度分布，LUy)是载频的频率函数，PV)是与硅晶片表面梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下:
3.根据权利要求1所述的一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，其特征在于:所述步骤2中，对采集到的条纹图像中的相位信息进行分析解调，得到总相位； 下式为得到的某帧相移图像表达式:
4.根据权利要求3所述的一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，其特征在于:所述总相位，包含载频相位(U)和硅晶片表面梯度相关的相位W(U),对总相位进行载频去除，载频去除采用减参考面法、拟合法或标定的方法。
5.根据权利要求3所述的一种用于硅晶片缺陷检测以及面形测量的方法，其特征在于:所述步骤2中将其进行相位展开具体包括以下步骤:对比截断相位图中相邻两点的相位值，若后一点的相位值减前一点的相位值大于η，则后一点的相位减2π，若差值小于-π ,则后一点的相位值加2 π，`否则相位值不变。
【文档编号】G01B11/24GK103487441SQ201310438287
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】岳慧敏, 吴雨祥, 刘永, 赵必玉, 张博, 易京亚, 欧中华 申请人:电子科技大学