CN102853787A - 表面高反材料平面度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面高反材料平面度测量装置及方法，所述方法采用测量力恒定可控的接触式测头，测量时接触式测头水平布局，接触式测头的探针水平动作，被测物垂直水平面布局，正好与探针相互垂直。能够解决以往半导体、太阳能、光学玻璃等行业中材料表面具有高亮度反光特性的高端产品平面度采用非接触式测量时因表面微观结构对激光光束反射角度造成较大影响、直接导致测量精度下降、难以满足高精度测量需求等问题。

Description

表面高反材料平面度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体、太阳能、光学玻璃等行业产品精密测量技术领域，特别涉及一种表面高反材料平面度测量装置及方法。

背景技术

在半导体、太阳能、光学玻璃等行业中，有大量产品表面具有高亮度反射特性。如半导体行业中的芯片基材，厚度一般在0.3mm以下，材料为不锈钢片、镍片、镍合金片、电铸片等，根据性能要求不同，需要经过电铸、电镀、抛光、蚀刻等工序，最后才能加工成成品，无论是原材料、半成品或是成品，其表面均呈高亮反射特性。而太阳能行业中的晶圆（wafer），本身由4层材料构成，第1层为wafer层、第2层为粘合剂、第3层为玻璃、第4层为胶带，各层之间通过压合工艺制作成wafer成品，要保证最终成品厚度均匀性，就需要控制各层相互压合后的厚度均匀性，尤其是wafer层和玻璃层，表面均具有高亮度反射甚至透明特性。光学玻璃行业中的各类镜片，除自身为透明材质外，同样具有高亮度反射特性。随着市场对该行业产品性能提出越来越高的要求，这些基础材料的平面度等重要特征的质量控制越来越严格，以确保最终成品的性能和可靠性。

针对这些具有高亮度反射特性的材料，以往平面度测量方法一般均是通过非接触式测量方法来进行测量，测量原理如图1所示，通过激光位移传感器发生一束光，打在材料表面，再呈一定角度发射，被激光位移传感器信号接收窗口接收，如果材料表面凸凹不平，则会直接反映到接收窗口，并通过内部标尺测定微观变化距离，从而最终测量到被测物表面平面度特性。但针对高亮度发射特性的材料，其表面微观结构表现为类似“皱纹”状特性，这种微观结构尺寸往往在10um甚至更小范围内，但足以对激光光束反射角度造成较大影响，直接导致测量精度下降，难以满足高精度测量需求。

发明内容

为了至少解决上述问题之一，本发明一方面提出了一种表面高反材料平面度测量方法，其特征在于，所述方法采用测量力恒定可控的接触式测头，测量时接触式测头水平布局，接触式测头的探针水平动作，被测物垂直水平面布局，正好与探针相互垂直。

作为上述技术方案的优选，所述方法采用横向布局的接触式测头，测量时接触式测头的右侧探针从水平方向在吹气气压和精密弹簧作用下向右伸出并与被测物表面接触，测量过程中保持测量力可控，这样测量力作用在被测物表面时，刚好与该点处自身重力方向相互垂直，同时还避免了测头自身重力影响，并通过气压技术和精密弹簧，精确控制接触在被测物表面的测量力，最大限度地规避了采用接触式测头给被测物带来表面损伤及碎裂的风险。

作为上述技术方案的优选，所述接触式测头的左侧对称安装有另一个探针，该探针时刻与其左侧的标准块保持接触，该标准块表面与Y轴和Z轴运动方向平行，在进行平面度测量时，实时补偿Y轴和Z轴运动误差，避免因轴系误差对测量精度产生影响。

本发明另一方面提出了一种表面高反材料平面度测量装置，其特征在于，包括真空吸盘，接触式测头，Z轴动板，Y轴动板和标准块，所述真空吸盘垂直布局，所述Y轴动板水平布局，所述Z轴动板垂直固定于Y轴动板上，所述接触式测头固定于Z轴动板上并处于水平状态。

作为上述技术方案的优选，所述接触式测头两侧对称安装有左侧探针和右侧探针。

本发明又一方面提出了一种根据上述装置测量表面高反材料平面度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测量前，让真空吸盘将被测物吸附固定好；

S2：让Y轴动板和Z轴动板带动接触式测头运动，左、右探针分别在标准块和被测物表面进行扫描测量，测量数据实时被探针对应的激光位移传感器读出并保存；

S3：控制***驱动Y轴动板和Z轴动板运动，确保探针扫描上被测物表面各点，从而能得到被测物表面各点的测量值；

S4：通过测量软件对这些点进行拟合计算，仿真出被测物表面形貌，从而计算出该形貌中各点最大值和最小值，两者的差值即为被测物表面的最终平面度。

本发明提出的表面高反材料平面度测量装置及方法，能够解决以往半导体、太阳能、光学玻璃等行业中材料表面具有高亮度反光特性的高端产品平面度采用非接触式测量时因表面微观结构对激光光束反射角度造成较大影响、直接导致测量精度下降、难以满足高精度测量需求等问题。并通过设置与驱动接触式测头平行的标准块，实时检测轴系带动接触式测头扫描到各点处的轴系运动误差，进一步提高了测量精度，提供了该类产品平面度测量优化解决方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明背景技术的表面微观结构对反射光束影响示意图；

图2为本发明实施例的表面高反材料平面度测量装置结构示意图。

图中标号：1-具有微观结构的被测物，2-实际反射光束，3-收光窗口，4-激光位移传感器，5-发光窗口，6-理论反射光束，7-发射光束，8-真空吸盘，9-Y轴线性度，10-Z轴线性度，11-Z轴动板，12-标准块，13-Y轴动板，14-接触式测头，15-被测物。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明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作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。

本发明一方面的实施例提出了一种表面高反材料平面度测量方法，该方法采用测量力恒定可控的高精度接触式测头来进行高反材料平面度测量，完全排除了非接触式测量所存在的问题，另外，为了避免测量过程中因被测物自身重力、测头探针自身重力等影响，测量时接触式测头水平布局，接触式测头的探针水平动作，被测物垂直水平面布局，正好与探针相互垂直。这样探针和被测物自身重力作用方向完全与探针测量力作用方向相垂直，最大限度地避免以往接触式测量时测力不可控及外力干扰作用对测量精度的影响。

在本发明的一个实施例中，所述方法采用横向布局的接触式测头，测量时接触式测头的右侧探针从水平方向在吹气气压和精密弹簧作用下向右伸出并与被测物表面接触，测量过程中保持测量力可控，这样测量力作用在被测物表面时，刚好与该点处自身重力方向相互垂直，同时还避免了测头自身重力影响，并通过气压技术和精密弹簧，精确控制接触在被测物表面的测量力，最大限度地规避了采用接触式测头给被测物带来表面损伤及碎裂的风险。

在本发明的一个实施例中，所述接触式测头的左侧对称安装有另一个探针，该探针时刻与其左侧的标准块保持接触，该标准块表面与Y轴和Z轴运动方向平行，在进行平面度测量时，实时补偿Y轴和Z轴运动误差，避免因轴系误差对测量精度产生影响。

本发明另一方面的实施例提出了一种表面高反材料平面度测量装置，其特征在于，包括真空吸盘8，接触式测头14，Z轴动板11，Y轴动板13和标准块12，所述真空吸盘8垂直布局，被测物15通过真空吸盘8吸附固定，且可调节接触式测头14左右两个探针的垂直度。所述Y轴动板13水平布局，所述Z轴动板11垂直固定于Y轴动板13上，所述接触式测头14固定于Z轴动板11上并处于水平状态。右侧探针保持与被测物表面保持垂直，而左侧探针与平行于Y轴的标准块相互垂直。标准块具有极高的平面度，当接触式测头随着Y轴前后移动或是随着Z轴上下移动时，Y轴和Z轴在各自运动方向上的线性度误差波形如图2中Y轴线性度9和Z轴线性度10所示。测量时，左侧探针通过气压和精密弹簧向左伸出，保持与标准块表面接触，从而可通过左侧探针后部的激光位移传感器精确读出Y轴和Z轴在各自运动方向上的线性度误差。而右侧探针同样通过气压和精密弹簧向右伸出，保持与被测物表面接触，且可通过吹气压力控制表面测量力大小，以免对被测物表面造成损伤。

在本发明的一个实施例中，所述接触式测头两侧对称安装有左侧探针和右侧探针。

本发明又一方面的实施例提出了一种根据上述装置测量表面高反材料平面度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测量前，让真空吸盘将被测物吸附固定好；

S2：让Y轴动板和Z轴动板带动接触式测头运动，左、右探针分别在标准块和被测物表面进行扫描测量，测量数据实时被探针对应的激光位移传感器读出并保存，假设右侧探针运动到被测物表面的A点，此时从左侧探针对应的激光位移传感器读取的误差值为ΔX1，右侧探针对应的激光位移传感器读取的测量值为ΔX2，则实际该点测量值X1=ΔX2-ΔX1，进而实现对轴系精度的实时补偿。；

S3：控制***驱动Y轴动板和Z轴动板运动，确保探针扫描上被测物表面各点，从而能得到被测物表面各点的测量值；

S4：通过测量软件对这些点进行拟合计算，仿真出被测物表面形貌，从而计算出该形貌中各点最大值和最小值，两者的差值即为被测物表面的最终平面度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种表面高反材料平面度测量方法，其特征在于，所述方法采用测量力恒定可控的接触式测头，测量时接触式测头水平布局，接触式测头的探针水平动作，被测物垂直水平面布局，正好与探针相互垂直。

2.如权利要求1所述的表面高反材料平面度测量方法，其特征在于，所述方法采用横向布局的接触式测头，测量时接触式测头的右侧探针从水平方向在吹气气压和精密弹簧作用下向右伸出并与被测物表面接触，测量过程中保持测量力可控。

3.如权利要求1所述的表面高反材料平面度测量方法，其特征在于，所述接触式测头的左侧对称安装有另一个探针，该探针时刻与其左侧的标准块保持接触，该标准块表面与Y轴和Z轴运动方向平行，在进行平面度测量时，实时补偿Y轴和Z轴运动误差，避免因轴系误差对测量精度产生影响。

4.一种表面高反材料平面度测量装置，其特征在于，包括真空吸盘，接触式测头，Z轴动板，Y轴动板和标准块，所述真空吸盘垂直布局，所述Y轴动板水平布局，所述Z轴动板垂直固定于Y轴动板上，所述接触式测头固定于Z轴动板上并处于水平状态。

5.如权利要求4所述的表面高反材料平面度测量装置，其特征在于，所述接触式测头两侧对称安装有左侧探针和右侧探针。

6.一种测量表面高反材料平面度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测量前，让真空吸盘将被测物吸附固定好；

S2：让Y轴动板和Z轴动板带动接触式测头运动，左、右探针分别在标准块和被测物表面进行扫描测量，测量数据实时被探针对应的激光位移传感器读出并保存；

S3：控制***驱动Y轴动板和Z轴动板运动，确保探针扫描上被测物表面各点，从而能得到被测物表面各点的测量值；

S4：通过测量软件对这些点进行拟合计算，仿真出被测物表面形貌，从而计算出该形貌中各点最大值和最小值，两者的差值即为被测物表面的最终平面度。

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