CN111457856B - 一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置,属于薄基片变形测量技术领域。包括二维运动平台、控制机构和负压机构;二维运动平台上设有重液槽和激光三角位移传感器;激光三角位移传感器的激光发射窗口和接收窗口正下方设有弯折玻璃;重液槽内设有重液和负压机构的三个球铰式负压吸嘴。用于薄基片变形测量时,被测薄基片的密度和重液的密度相等;被测薄基片由三个球铰式负压吸嘴吸附,完全浸没于重液中,被测薄基片的重力与重液的浮力完全相等,被测薄基片的重力不对自身的实际变形有影响,通过激光三角位移传感器扫描测量即可得到被测薄基片的实际变形。本发明不需要额外利用有限元软件仿真计算,测量成本显著降低。
Description
技术领域
本发明属于薄基片变形测量技术领域,具体涉及一种薄基片变形的测量装置。
背景技术
薄基片为力学中的薄板,一般呈圆形、矩形或其它形状,其厚度尺寸远小于平面尺寸,厚度与平面尺寸的比值通常小于五分之一 。因此,薄基片的刚性差,在外力作用下极易产生变形。薄基片在半导体行业中应用广泛,如单晶硅片、碳化硅基片等。薄基片在加工过程中会产生损伤,表面微观组织发生变化,引入残余应力,使薄基片产生弯曲变形。薄基片变形数据可以用于优化加工工艺,是评价薄基片加工工艺质量的重要基础。
由于薄基片属于板壳结构,刚性差,变形测量过程中极易受到支撑方式和外界环境,如振动、气流和重力等的影响,其中薄基片重力严重影响薄基片变形的测量结果。因此,设计适用于薄基片变形的测量装置是准确获得变形数据的基础。
在目前的薄基片变形测量装置中,薄基片放置于三个确定位置的支撑球上,利用有限元分析仿真计算重力附加变形,从总变形减去计算的重力附加变形,得出薄基片自身实际变形。但是当硅片发生分叉时,两者不具有叠加关系,该方法不再适用,且计算繁琐。或将被测物体部分浸入液体中,被测面在空气中,下表面在液体中。但此方法要求物体被测表面在空气中,无法测量变形量大于厚度的薄基片,且会引入表面张力附加变形。或将薄基片浸没于密度小于基片的液体中,三点圆锥销支撑,透明平板消除液面扰动,借助于液体浮力克服部分重力影响。此种方法仍然存在重力影响,且位移传感器测量存在折射误差。这些实验装置中,重力变形始终会对变形测量结果产生影响,需要进行大量分离重力附加变形的计算。
发明内容
为了实现无须借助有限元仿真软件,直接测量得到任意大变形量的薄基片的真实变形,本发明提供一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置。
一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置包括二维运动平台8和控制机构,二维运动平台8的工作台面上设有重液槽3,重液槽3内设有用于测量的重液4,二维运动平台8的横梁上通过安装板2设有激光三角位移传感器1,所述激光三角位移传感器1的下端面对着下方的重液槽3;所述控制机构包括电脑和主控制器。
所述安装板2上的下部固定设有弯折玻璃5,所述激光三角位移传感器1的激光发射窗口和接收窗口正对着下方的弯折玻璃5;所述弯折玻璃5由两块平板玻璃连接组成,两块玻璃长度相等,弯折玻璃5的一侧玻璃与入射光束相垂直,另一侧玻璃与反射光束相垂直;弯折玻璃5上表面在重液4的液面之上,弯折玻璃5下表面在重液4中;
还包括负压机构,负压机构包括三个球铰式负压吸嘴7和负压控制机构;
所述三个球铰式负压吸嘴7均布设于重液槽3内底部,三个球铰式负压吸嘴7的进气口分别通过软气管9连接着负压控制机构的工作口,三个球铰式负压吸嘴7的吸嘴向上;
被测薄基片的密度和重液4的密度相等;
用于薄基片变形测量时,释放气源18,启动真空发生器10,被测薄基片由三个球铰式负压吸嘴7吸附,完全浸没于重液4中,被测薄基片的重力与重液4的浮力完全相等,被测薄基片的重力不对自身的实际变形有影响,通过激光三角位移传感器1扫描测量即可得到被测薄基片的实际变形。
进一步限定的技术方案如下:
所述弯折玻璃5的两侧边之间的夹角为100-150度,弯折玻璃5的厚度h为3mm、宽度L为5mm,两侧边长度m相等均为3-5mm。
所述球铰式负压吸嘴7包括吸嘴12和支撑座;所述吸嘴12的上部为喇叭口状,吸嘴12的下部为球体,吸嘴12的喇叭口和球体之间设有贯通的气道;与吸嘴12上的球体配合所述支撑座上设有球座,所述支撑座上设有连通球座的气孔;吸嘴12和支撑座通过球体和球座的配合活动连接,实现吸嘴12在支撑座上的自由转动。
所述支撑座包括上支座13和下支座14;与吸嘴12的球体配合的上支座13上部设有球座,上支座13上开设有贯通球座的气孔;所述下支座14为管状,下支座14的一端呈法兰盘状;上支座13的下部固定连接着下支座14的法兰端。
所述吸嘴12的喇叭口直径为8-12mm,吸嘴12的球体直径为3-5mm。
所述吸嘴12的材料为硅胶,所述支撑座的材料为聚酰胺塑料。
所述真空发生器10为管径4mm的真空发生器。
所述负压控制机构机构包括第一换向阀19、第二换向阀21和真空发生器10;所述第一换向阀19的工作口连通着真空发生器10的进口,所述第二换向阀21的进口连通着真空发生器10的出口;所述第一换向阀19为二位四通机械换向阀,所述第二换向阀21为二位二通机械换向阀。
本发明的有益技术效果体现在以下方面:
(1)采用本发明的测量装置,可以完全消除测量过程中重力对被测薄基片变形的影响,无需建立在重力附加变形与实际变形叠加的基础上进行重力附加变形分离计算,可适用于包括变形分叉的各种变形形式的薄基片变形测量。测量直接得到被测薄基片的变形,不需要额外利用有限元软件仿真计算,测量成本显著降低。
(2)重液的密度与被测薄基片的密度相同时,被测薄基片处于悬浮状态,位置极易发生窜动,本发明采用球铰式负压吸嘴吸附固定被测薄基片,利用薄板抗压强度远大于抗弯强度的力学特性,使得固定被测薄基片时不引入额外的弯矩,不影响被测薄基片本身的变形。
(3)本发明利用两块分别与入射光与反射光垂直的玻璃消除液面扰动与折射误差,激光三角位移传感器可直接得到薄基片变形位移数据。本发明实质是利用气-固、固液界面替代气-液界面保证传播稳定,而弯折玻璃两个面与发射光束与反射光束垂直,光束继续直线传播,读数与其在空气中测量结果相同,可以直接得到被测薄基片的真实变形数据。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为图1的局部剖视图;
图3为弯折玻璃结构示意图;
图4为球铰式负压吸嘴结构示意图;
图5为图4的剖视图;
图6为采用平板玻璃测量时的激光光路图;
图7为采用弯折玻璃测量时的激光光路图;
图8为负压控制机构的使用状态结构简图;
图9为抛光后的直径200mm,厚度为317μm的被测薄硅片自身真实变形图;
图10为直径200mm,厚度为317μm的被测薄硅片的重力附加变形图。
上图中序号:激光三角位移传感器1、安装板2、重液槽3、重液4、弯折玻璃5、被测薄硅片6、球铰式负压吸嘴7、二维运动平台8、软气管9、真空发生器10、吸嘴12、上支座13、下支座14、透明平板15、液体16、被测物体17、气源18、第一换向阀19、第二换向阀21。
具体实施方式
下面结合附图,通过实施例对本发明作进一步地描述。
参见图1,一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置包括二维运动平台8、控制机构和负压机构;二维运动平台8的工作台面上开设有重液槽3,重液槽3内设有用于测量的重液4。二维运动平台8的横梁上通过安装板2安装着激光三角位移传感器1,激光三角位移传感器1的下端面对着下方的重液槽3。控制机构为包括电脑和主控制器,主控制器的包含运动控制卡与传感器控制器。传感器控制器型号为LK-G5001V。激光三角位移传感器1的型号为LK-H022K。
参见图2,安装板2上的下部固定安装着弯折玻璃5。
参见图3,弯折玻璃5由两块平板玻璃连接组成,两块玻璃之间的夹角为140度,弯折玻璃5的厚度h为3mm、宽度L为5mm,两块玻璃长度m相等均为3mm。
参见图7,激光三角位移传感器1的激光发射窗口和接收窗口正对着下方的弯折玻璃5;弯折玻璃5的一侧边与入射光束相垂直,另一侧边与反射光束相垂直;弯折玻璃5上表面在重液4的液面之上,弯折玻璃5下表面在重液4中,见图2。
激光三角位移传感器1的入射光束经过弯折玻璃5的一侧传播到被测薄基片6的表面,从被测薄基片6的表面反射到弯折玻璃5的另一侧,再返回至激光三角位移传感器1的接收器。通过弯折玻璃5,空气扰动引入的液面高低变化不会影响光束的传播路径,扫描效率更高,测量结果更加稳定可靠。
负压机构包括三个球铰式负压吸嘴7和负压控制机构。
参见图2,三个球铰式负压吸嘴7均布设于重液槽3内底部。
参见图4和图5,球铰式负压吸嘴7包括吸嘴12和支撑座。吸嘴12的材料为硅胶,支撑座的材料为聚酰胺塑料。吸嘴12的上部为喇叭口状,吸嘴12的下部为球体,吸嘴12的喇叭口和球体之间设有贯通的气道。吸嘴12的喇叭口直径为10mm,吸嘴12的球体直径为4mm。支撑座包括上支座13和下支座14;与吸嘴12的球体配合的上支座13上部开设有球座,上支座13上开设有贯通球座的气孔;下支座14为管状,下支座14的一端呈法兰盘状;上支座13的下部固定连接着下支座14的一法兰端。吸嘴12和支撑座通过球体和球座的配合活动连接,实现吸嘴12在支撑座上的自由转动。三个球铰式负压吸嘴7通过软气管9连接着负压控制***,三个球铰式负压吸嘴7向上。
参见图8,负压控制机构包括第一换向阀19、第二换向阀21和真空发生器10。第一换向阀19的工作口连通着真空发生器10的进口,第二换向阀21的进口连通着真空发生器10的出口。第一换向阀19为二位四通机械换向阀,第二换向阀21为二位二通机械换向阀。真空发生器10为管径4mm的真空发生器,型号为VML054M5C。
被测薄基片6为直径为200mm、厚度为317μm的薄硅片;被测薄基片6的密度和重液4的密度相等;重液4为浓度2.329g•cm-3的偏钨酸锂溶液。在重液4中,被测薄基片6所受浮力和自身的重力完全抵消。
用于薄基片变形测量时,释放气源18,启动真空发生器10,被测薄基片6由三个球铰式负压吸嘴7吸附,完全浸没于重液4中;被测薄基片6的上表面距离重液4的液面之间的距离为10mm。
释放气源18,启动真空发生器10,气体经过第一换向阀19上位、真空发生器10、第二换向阀21下位,产生负压,使吸嘴12的内外形成压力差,在这个压力差的作用下,吸嘴12吸附固定被测薄基片6。测量结束后,将第一换向阀19调于下位,第二换向阀21调于上位,气体直接进入吸嘴,无气压差,吸嘴12松开被测薄基片6。
当被测薄基片6变形时,通过吸嘴12和支撑座之间的球铰链连接,吸嘴12以适应被测薄基片6吸附表面的倾斜而自由转动,使吸嘴12对被测薄基片6始终保持只有一个法向力,由于被测薄基片6的抗压强度远大于抗弯强度,吸嘴12在负压状态时不会产生额外的弯矩,故不会改变或阻碍被测薄基片6的变形。
二维运动平台8按照设定的轨迹进行X方向或Y方向的二维运动,激光三角位移传感器1扫描被测薄基片6的表面,先沿Y方向扫描,到达边缘后,沿X向移动扫描,间隔4mm,再沿Y方向扫描,重复上述X方向或Y方向的扫描直至将整个被测薄基片6的表面扫描完成,扫描信号由与电脑连接的主控制器读取。根据二维运动平台8的XY坐标值与光学三角位移传感器1的读数记录三维坐标数据,拟合得到被测薄基片6的表面三维形貌图,确定被测薄基片6的实际变形。
参见图6,是采用透明平板15时的漫反射线路图,激光三角位移传感器1发出的光束经过空气到透明平板15和透明平板15到液体16的折射探测到F点,再经过液体16和透明平板15反射回激光三角位移传感器1,理论探测点为F点,实际中,激光三角位移传感器1默认光始终在空气中传播,如图中虚线所示,默认探测的点为E点,所得到的数据与实际位移值不一致。
参见图7,是本发明采用弯折玻璃5时被测薄基片6变形测量的激光光路图,激光三角位移传感器1的激光光束通过弯折玻璃5法线直射在被测薄基片6上,当被测薄基片6从位置C移动至位置D时,探测器上的图像光点位置则相应改变。使用弯折玻璃5成本小,消除不同介质界面折射带来的误差。
参见图9,一抛光后的直径200mm、厚度317μm的被测薄基片6,自身真实变形量约为10μm,其变形规律明显。
参见图10,是将被测薄基片6放置于三个两两间隔120°距离薄基片中心66mm的支撑球上时的重力附加变形,变形量接近50μm。
由图9和图10可见,重力附加变形远大于自身真实变形,而通过本发明装置利用重液的浮力可以完全消除该重力附加变形,且无须进行有限元计算。
本发明可以完全消除重力对被测薄基片变形测量的影响,激光光束直线传播,不发生折射,直接测量得到被测薄基片真实变形,无须借助于有限元仿真软件,结果准确可靠,成本低。
Claims (4)
1.一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置,包括二维运动平台(8)和控制机构,二维运动平台(8)的工作台面上设有重液槽(3),重液槽(3)内设有用于测量的重液(4),二维运动平台(8)的横梁上通过安装板(2)设有激光三角位移传感器(1),所述激光三角位移传感器(1)的下端面对着下方的重液槽(3);所述控制机构包括电脑和主控制器;其特征在于:
所述安装板(2)上的下部固定设有弯折玻璃(5),所述激光三角位移传感器(1)的激光发射窗口和接收窗口正对着下方的弯折玻璃(5);所述弯折玻璃(5)由两块平板玻璃连接组成,两块玻璃长度相等,弯折玻璃(5)的一侧玻璃与入射光束相垂直,另一侧玻璃与反射光束相垂直;弯折玻璃(5)上表面在重液(4)的液面之上,弯折玻璃(5)下表面在重液(4)中;
所述弯折玻璃(5)的两侧边之间的夹角为100-150度;
还包括负压机构,负压机构包括三个球铰式负压吸嘴(7)和负压控制机构;
所述三个球铰式负压吸嘴(7)均布设于重液槽(3)内底部,三个球铰式负压吸嘴( 7)的进气口分别通过软气管( 9)连接着负压控制机构的工作口,三个球铰式负压吸嘴(7)的吸嘴向上;
所述球铰式负压吸嘴(7)包括吸嘴(12)和支撑座;所述吸嘴(12)的上部为喇叭口状,吸嘴(12)的下部为球体,吸嘴(12)的喇叭口和球体之间设有贯通的气道;与吸嘴(12)上的球体配合所述支撑座上设有球座,所述支撑座上设有连通球座的气孔;吸嘴(12)和支撑座通过球体和球座的配合活动连接,实现吸嘴(12)在支撑座上的自由转动;
所述支撑座包括上支座(13)和下支座(14);与吸嘴(12)的球体配合的上支座(13)上部设有球座,上支座(13)上开设有贯通球座的气孔;所述下支座(14)为管状,下支座(14)的一端呈法兰盘状;上支座(13)的下部固定连接着下支座(14)的法兰端;
所述吸嘴(12)的材料为硅胶,所述支撑座的材料为聚酰胺塑料;
所述负压控制机构包括第一换向阀(19)、第二换向阀(21)和真空发生器(10);所述第一换向阀(19)的工作口连通着真空发生器(10)的进口,所述第二换向阀(21)的进口连通着真空发生器(10)的出口;所述第一换向阀(19)为二位四通机械换向阀,所述第二换向阀(21)为二位二通机械换向阀;
被测薄基片的密度和重液(4)的密度相等;
用于薄基片变形测量时,释放气源(18),启动真空发生器(10),被测薄基片由三个球铰式负压吸嘴(7)吸附,完全浸没于重液(4)中,被测薄基片的重力与重液(4)的浮力完全相等,被测薄基片的重力不对自身的实际变形有影响,通过激光三角位移传感器(1)扫描测量即可得到被测薄基片的实际变形。
2.根据权利要求1所述的一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置,其特征在于:所述弯折玻璃(5)的厚度h为3mm、宽度L为5mm,两侧边长度m相等均为3-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置,其特征在于:所述吸嘴(12)的喇叭口直径为8-12mm,吸嘴(12)的球体直径为3-5mm。
4.根据权利要求1所述的一种完全消除重力影响的薄基片变形测量装置,其特征在于:所述真空发生器(10)为管径4mm的真空发生器。
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