CN103278103B - 一种薄基片变形的测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种薄基片变形的测量方法与装置，属于物体变形的测量方法与装置领域，涉及对薄基片变形的测量方法与装置。该测量方法是将被测量的薄基片浸没于密度与之相近的液体中，采用固定销限定薄基片在液体中水平位置，在空气与液体交界处放置高平面度和平行度的透明平板，透明平板上表面在液体表面之上，透明平板下表面在液体表面之下。采用光学位移传感器扫描测量薄基片的表面位移。测量装置中，光学位移传感器通过安装板固定在竖直平移台上，薄基片由三个锥形销支撑限位，整体固定于溶液中。本发明有效减少薄基片测量过程中重力附加变形的影响，可准确测量厚度较小而平面尺寸较大的薄基片变形，测量结果准确可靠。<!--1-->
Description
技术领域
本发明属于物体变形的测量方法与装置领域，具体涉及对一种薄基片变形的测量方法与装置。
背景技术
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，如集成电路制造中的大直径超薄硅片，即直径大于200mm，厚度小于0.2mm。LED制造中的大直径超薄单晶蓝宝石基片，即直径大于100mm，厚度小于0.2mm，单晶SiC基片的尺寸直径大于3英寸，厚度小于0.3mm以及平板显示器制造中的超薄，即厚度小于0.1mm的不锈钢基板和玻璃基板等。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面型，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件变形，直接影响薄基片变形测量的结果。
日本OkumuraHirosh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，且要求薄基片正反面两次测量时的支撑位置相同，实际操作中较难保证，此外由于基片正反两面加工应力状态不同，重力附加变形亦不同。日本的KanzakiToyoki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面积较大的薄基片；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。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。
发明内容
本发明针对薄基片变形测量的技术难题以及现有测量技术的缺点，发明一种减少重力附加变形影响的薄基片翘曲或弯曲变形测量方法与装置。本发明将薄基片浸没于密度与之接近的液体中，借助于液体浮力克服重力影响，从而有效减小薄基片变形测量中的重力附加变形，同时消除液体表面张力的影响，保证测量结果准确可靠。
本发明所采用的技术方案是一种薄基片变形的测量方法与装置，测量方法中，将被测量的薄基片浸没于密度与之接近的液体中，采用固定销限定薄基片在液体中的水平位置，在传感器与薄基片之间安装透明平板，如玻璃、石英、蓝宝石等平面光学窗口，透明平板上表面在液体表面之上，透明平板下表面在液体表面之下，通过空气与液体交界处的透明平板消除液面扰动，采用光学位移传感器扫描测量薄基片的表面位移，通过计算机控制二维运动平台进行薄基片表面位移的扫描测量，根据二维运动平台的坐标值与光学位移传感器的读数，使用软件拟合成薄基片表面三维形貌图，计算和确定薄基片的实际翘曲和弯曲变形，测量方法的具体步骤如下：
（1）配置溶液5，溶液5的密度为ρs，薄基片2的体积为V，密度为ρf，薄基片2的重力为ρfgV，将薄基片2整体浸没于溶液5中时，薄基片在液体中受到的浮力为ρsgV，薄基片2所受到的合力为：ρfgV-ρsgV，当两者密度接近时，薄基片2因受重力产生的附加变形可极大程度减少；
（2）将薄基片2整体浸没于上述溶液5中，薄基片由三个锥形销6支撑限位；
（3）光学位移传感器1安装在薄基片2的上方，将透明平板3安装在传感器与薄基片2之间，透明平板3上表面在液体表面之上，透明平板3下表面在液体表面之下；
（4）测量开始前调节竖直平移台9使薄基片2位于光学位移传感器1测量范围内，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1扫描测量整个薄基片2表面。
（5）根据二维运动平台的坐标值与光学位移传感器的读数，使用软件拟合成薄基片表面三维形貌图，计算和确定基片的实际翘曲和弯曲变形。
该测量方法采用的测量装置中，光学位移传感器1通过安装板4固定在竖直平移台9上，竖直平移台9固定在二维运动平台7上；槽8内装有溶液5，薄基片2由三个锥形销6支撑限位，整体固定于溶液5中，透明平板3固定于安装板4上，透明平板3上表面在溶液5表面之上，透明平板3下表面在溶液5表面之下。当薄基片2的平面尺寸较小时，采用平面尺寸大于薄基片2的透明平板10，透明平板10由支撑杆11支撑限位，透明平板10上表面在溶液5表面之上，透明平板10下表面在溶液5表面之下。
该方法采用的溶液5为氯化锌盐溶液、偏钨酸锂盐溶液或偏钨酸钠盐溶液；光学位移传感器1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；透明平板为高平面度和平行度的平板，平板的厚度保证其具有足够刚度。透明平板对光学传感器的光束透明，材质均匀，可采用玻璃、石英、蓝宝石等光学窗口。
本发明的有益效果是采用本发明的上述测量方法和测量装置后，可减少薄基片测量过程中重力附加变形的影响，可准确测量厚度较小而平面尺寸较大的薄基片变形，测量结果准确可靠。
附图说明
图1是薄基片变形的测量装置总图，图2是采用小面积透明平板时薄基片变形测量装置局部图，图3是采用大面积透明平板时薄基片变形测量装置局部图。其中：1为光学位移传感器，2为薄基片，3为透明平板，3a为透明平板3上表面，3b为透明平板3下表面，4为安装板，5为溶液，5a为溶液5液面，6为锥形销，7为二维运动平台，8为槽，9为竖直平移台，10为透明平板，11为支撑杆，12为工作台，13为右立柱，14为右滑架。
图4是测量装置扫描路径示意图，X、Y为坐标轴。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。附图1、2是本发明的实施例1，光学位移传感器1采用激光三角位移传感器，薄基片2为减薄硅片，光学位移传感器1通过安装板4固定在竖直平移台9上，测量前调节竖直位移台9的位置，使薄基片2处于光学位移传感器1的测量范围之内。竖直平移台9固定于二维运动平台7上，在二维运动平台7中，右滑架14可以在右立柱13上移动，右立柱13安装于工作台12上；溶液5采用氯化锌溶液，盛放于槽8内，调配溶液5溶质浓度使其密度接近薄基片2的密度，将薄基片2放置于溶液5中，由三个锥形销6支撑限定，整体固定于溶液5中。薄基片2的重力为：ρfgV，在溶液中受到的浮力为：ρsgV，薄基片2所受到的合力为：ρfgV-ρsgV，当两者密度接近时，薄基片2所受重力附加变形可极大程度减少。薄基片2上方空气与液体交界处放置透明平板3，，透明平板3为高平面度和平行度的玻璃平板，具有一定厚度，平板的厚度保证其具有足够刚度。透明平板3对光学传感器1的光束透明，材质均匀。透明平板3固定于安装板4上，透明平板3上表面3a在液面5a之上，透明平板3下表面3b在溶液5中。透明平板3可以消除液面扰动对光束传播的影响，使测量结果更加稳定可靠。
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1扫描测量薄基片2表面，先沿Y方向扫描减薄硅片，到达边缘后，沿X向移动扫描间隔，再沿Y方向扫描减薄硅片，重复上述步骤直至将整个减薄硅片表面扫描完成。根据二维运动平台的坐标值与光学位移传感器的读数，通过计算机使用软件拟合成薄基片表面三维形貌图，计算并确定基片的实际翘曲和弯曲变形，扫描路径如附图4所示。
附图3是本发明采用大面积透明平板时薄基片变形测量实施例，当薄基片2面积较小时，采用大面积透明平板10测量薄基片变形，透明平板10由支撑杆11支撑限定，整体固定于溶液5中。测量过程中透明平板10保持静止。其它步骤与上一实施例相同。
本发明测量方法简捷、操作方便，可消减或去除减薄硅片测量过程中因重力附加变形的影响，并且测量结果准确可靠。
Claims (4)
1.一种薄基片变形的测量方法，其特征是，将被测量的薄基片浸没于密度与之接近的液体中，采用固定销限定薄基片在液体中水平位置，在传感器与薄基片之间安装透明平板，透明平板为高平面度和平行度的玻璃平板，平板的厚度保证其具有足够刚度，透明平板对光学传感器的光束透明，材质均匀，透明平板上表面在液体表面之上，透明平板下表面在液体表面之下，通过空气与液体交界处的透明平板消除液面扰动，采用光学位移传感器扫描测量薄基片的表面位移，通过计算机控制二维运动平台进行薄基片表面位移的扫描测量，根据二维运动平台的坐标值与光学位移传感器的读数，使用软件拟合成薄基片表面三维形貌图，计算和确定基片的实际翘曲和弯曲变形；测量方法的具体步骤如下：
1)配置溶液(5)，溶液(5)的密度为ρs；薄基片(2)的体积为V，密度为ρf，薄基片(2)的重力为ρfgV；将薄基片(2)整体浸没于溶液(5)中时，薄基片在液体中受到的浮力为ρsgV，薄基片(2)所受到的合力为：ρfgV-ρsgV，当两者密度接近时，薄基片(2)因受重力产生的附加变形减少；
2)薄基片由三个锥形销(6)支撑限位，并将薄基片(2)整体浸没于上述溶液(5)中；
3)光学位移传感器(1)安装在薄基片(2)的上方，将透明平板(3)安装在传感器与薄基片(2)之间，透明平板(3)上表面在液体表面之上，透明平板(3)下表面在液体表面之下；
4)测量开始前，调节竖直平移台(9)使薄基片(2)位于光学位移传感器(1)测量范围内，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(1)扫描测量整个薄基片(2)表面；先沿Y方向扫描减薄硅片，到达边缘后，沿X向移动扫描间隔，再沿Y方向扫描半导体晶片，重复上述步骤直至将整个半导体晶片表面扫描完成；
5)根据二维运动平台的坐标值与光学位移传感器的读数，使用软件拟合成薄基片表面三维形貌图，计算和确定基片的实际翘曲和弯曲变形。
2.根据权利要求1所述一种薄基片变形的测量方法，其特征是，该测量方法采用的测量装置中，光学位移传感器(1)通过安装板(4)固定在竖直平移台(9)上，竖直平移台(9)固定在二维运动平台(7)上；槽(8)内装有溶液(5)，薄基片(2)由三个锥形销(6)支撑，并整体固定于溶液(5)中，透明平板(3)固定在安装板(4)上，透明平板(3)上表面在溶液(5)表面之上，透明平板(3)下表面在溶液(5)表面之下；当薄基片(2)的平面尺寸较小时，采用平面尺寸大于薄基片(2)的透明平板(10)，透明平板(10)由支撑杆(11)支撑限位；并且，透明平板(10)上表面在溶液(5)表面之上，透明平板(10)下表面在溶液(5)表面之下。
3.根据权利要求1或2所述一种薄基片变形的测量方法，其特征在于，该方法采用的溶液(5)为氯化锌盐溶液、偏钨酸锂盐溶液或偏钨酸钠盐溶液。
4.根据权利要求3所述一种薄基片变形的测量方法，其特征在于，测量方法中的光学位移传感器(1)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；透明平板采用玻璃、石英或蓝宝石。
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