一种消除重力影响的薄基片变形测量方法

摘要

本发明公开了一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：通过测量确定三个支撑球的位置；将待测的薄基片放置于三个支撑球上，确定薄基片的厚度和位置；将测得的三个支撑球的位置信息和薄基片的厚度、轮廓与位置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；扫描测得薄基片的总变形，总变形减去计算的重力附加变形，得出薄基片真实变形。本发明无离子污染，不使用液体，不产生表面张力附加变形；对支撑球的位置没有要求，不要求支撑机构的装配精度；不需要额外定心机构来保证薄基片中心处于正反测量翻转轴上。

说明书

技术领域

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

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。

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。

日本的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

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：

一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：

①通过测量确定三个支撑球的位置；

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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；

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。

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。

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。

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：

1、无离子污染，不使用液体，不产生表面张力附加变形；

2、对支撑球的位置没有要求，不要求支撑机构的装配精度；

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

图1是本发明实施例使用的测量装置结构示意图。

图2是本发明实施例的薄基片支撑状态俯视示意图。

图3是本发明实施例的变形叠加原理示意图。

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。

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。

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。

图7是本发明实施例中测量边缘点位置的原理示意图。

图8是本发明实施例中测量薄基片边缘点的拟合曲线图。

图9是图8的局部放大图。

图10是本发明实施例直接测得的薄基片总变形图。

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。

图12是本发明实施例的薄基片真实变形图。

具体实施方式

一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：

①通过测量确定三个支撑球的位置；

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；

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；

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。

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1上方设 有二维运动平台7，工作平台1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。

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至有限元仿真模型中，计算薄基片3 的重力附加变形，实际变形减去重力附加变形得到薄基片3的真实变形。

如图2-3所示，薄基片3的重力附加变形由三个支撑球2的位置与薄基片3 的位置唯一确定，对于薄基片3上一坐标为(x,y)的点A(x,y)，s(x,y)为测量获 得的薄基片3变形值；同时也是薄基片真实变形值w(x,y)和重力附加变形值g(x,y) 的叠加。因此，薄基片3自由状态下薄基片真实变形值w(x,y)可以通过s(x,y)减 去g(x,y)获得。

步骤①使用光学位移传感器进行测量，如图4所示，支撑球2位于二维运 动平台7的下方，光学位移传感器4到支撑球2的距离用Z表示，则可知支撑 球顶点(最高点)距光学位移传感器4距离最近为Z_min，由此只需测出离光学位 移传感器4最近的点也即是最高点就能确定支撑球2的位置。对于一个支撑球2 来说，当扫描路径是线性时轮廓为圆形。因此，为了减少读数波动的影响采用 圆拟合支撑球2的轮廓。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2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2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2的位置坐标。

如图5-6所示，沿x向和y向扫描测量支撑球的轮廓。对于激光三角传感器， 读数是基于被测物体上的光斑在检测器上成像中心的位置。当沿x向测量支撑 球的顶点时，光斑在检测器上光强分布会随着x坐标发生变化，产生较大的误 差。而且支撑球轮廓最高点斜率为零，传感器读数跳动影响大，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，如图5所示，需要采用拟合的方式消除干扰。而沿y向扫 描支撑球的轮廓时，虽然没有大的读数变化，但是仍然有跳动的影响，通过拟 合可大幅提高支撑球中心的寻找精度。

如图7-9所示，步骤②中薄基片的位置使用光学位移传感器进行测量，薄基 片的位置信息可以通过薄基片边缘点的坐标拟合得到。因此关键技术就是确定 薄基片的边缘点5位置，薄基片3位于光学位移传感器4的下方，将光学位移 传感器固定一轴坐标，沿另一轴扫描薄基片，薄基片3上的点到光学位移传感 器4的距离用Z’表示，具体实施时，用光学位移传感器4从薄基片靠近边缘的 一点开始沿X向薄基片边缘扫描，直至扫描到边缘外无读数，为了消除传感器 读数波动的影响，将薄基片3表面拟合为直线，薄基片3的边缘点5即为薄基 片表面轮廓和边缘轮廓所形成的交点，对测量数据进行边缘曲线和表面直线的 最小二乘拟合，边缘曲线如图8和图9中的实曲线部分所示，表面直线如实直 线部分所示，图8和图9中用圆圈标出的部分即为边缘点5，获得多个边缘点5 后，对边缘点5进行最小二乘拟合，得出薄基片的轮廓和位置。当边缘点5数 量越少时，其精度受边缘点5的精度影响越大，对于圆形薄基片，测量三个以 上边缘点5的位置，优选测量五个以上边缘点5，利用边缘点5的坐标数据进行 最小二乘圆拟合，得出薄基片的轮廓信息，并反求其中心位置坐标。对于矩形 基片，选取一边测量两个以上边缘点5，进行最小二乘直线拟合，再选取下一边 测量两个以上边缘点5进行直线拟合，以此类推。每个边的位置确定后，在有 限元中建立该平板的模型。多边形的基片方法同理。

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；

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。

测量支撑球顶点时，首先固定x坐标，沿着y方向扫描支撑球获得支撑球 一个轮廓，对获得的轮廓数据进行圆的拟合找出支撑点的y坐标，然后反过来， 固定y坐标沿着x方向扫描支撑球获得支撑球的另一个轮廓，用同样的方法获 得支撑点的x坐标。获得钢球中心坐标后，固定一中心坐标值，沿另一个坐标 方向扫描支撑球，利用软件拟合得到支撑球最高点高度值。

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。为了提高精度现有技 术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。

如图10-12所示，是测量一个双面抛光硅片的实例。图10是设备直接扫描 硅片得到的总变形，图11是将支撑球位置以及硅片厚度与位置输入有限元模型 中计算得到的重力附加变形，图12是总变形减去重力附加变形后得到的硅片真 实变形。从图10与图11对比可以看出，由于硅片厚度较小，重力附加变形大 于硅片真实变形，如右上角标尺所示，重力附加变形范围大约40微米，而硅片 真实变形范围小于10微米，重力的影响必须去除。确定支撑球位置以及硅片厚 度与位置后，减去重力附加变形后得到了硅片的真实变形。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。