一种非接触式高精密晶片面型测量仪器及其测量计算方法

摘要

本发明提出的一种非接触式高精密晶片面型测量仪器及其测量计算方法，测量仪器包括台面、移动载台、滑动导轨和激光测距感测器，被测晶片放置在移动载台，通过滑动导轨实现左右前后的移动，激光测距感测器测量与被测晶片上下端面的距离，并通过科学的测量计算方法，得出面型测量相关数据，本发明的特点在于，能够做到高精度数据测量，得到的数据十分精确，能够精确到0.01um，各结论数据误差极小，同时本发明有效的将厚度测量和面型测量相结合，通过网状采集点的方式，进行测量和数据分析；打破了传统的单线和单点的测量方式，降低了测量误差，从而提高了数据的真实性。

说明书

技术领域

本发明涉及晶片面型测量，特别是一种非接触式高精密晶片面型测量仪器及其测量计算方法。

背景技术

晶片厚度测量仪器分为接触式和非接触式测量，但是在传统的测量中，只能够单点测量，并不能有效测量整个晶片的厚度分布以及差异，现在大多数晶片在进行晶片面型测量时，所使用的晶片面型测量仪器，多是采用的接触式的方法，通过机械位移的变化以计算晶片单面的面型。该测量计算方法只能够以单线测量的方式计算面型的变化；却不能反应晶片整体的面型变化趋势。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种非接触式高精密晶片面型测量仪器及其测量计算方法。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是:

一种非接触式高精密晶片面型测量仪器，其特征在于，包括台面、移动载台、滑动导轨和激光测距感测器，所述台面为大理石台面，其一侧设有横梁，所述移动载台包括上移动载台和下移动载台，所述下移动载台的中部镂空，所述上移动载台的中部设有支撑孔，所述支撑孔呈圆形，其所呈的圆形的周边设有3个晶片支撑脚，所述3个晶片支撑脚固定设置，并呈正三角形分布，所述滑动导轨数量为3个，包括第一滑轨、第二滑轨和第三滑轨，所述激光测距感测器包括发射器和接收器，激光测距感测器数量为2个，分别为上感测器和下感测器；

所述第一滑轨数量2个，水平对称固定设置于台面上，所述下移动载台滑动设置于第一滑轨上，所述第二滑轨水平固定设置于下移动载台的上端面上，所述上移动载台滑动设置于第二滑轨上，所述第三滑轨竖直固定设置于横梁中部，所述台面的中部设有凹槽，所述下感测器设置于凹槽内，所述上感测器通过固定杆与第三滑轨连接；

进一步的，所述上感测器和下感测器相对设置，并在同一地面垂直线上；

进一步的，所述3个晶片支撑脚所构成的平面与水平面平行；

进一步的，所述上感测器和下感测器的连线与3个晶片支撑脚所构成的平面为垂直关系；

进一步的，所述第一滑轨和第二滑轨的滑动导向方向互相垂直。

一种非接触式高精密晶片面型测量计算方法，其特征在于，包括以下四个部分：

1、测量原理：放置被测晶片到支撑孔的晶片支撑脚上，通过调节第一导轨和第二导轨，使被测晶片位于上感测器的下方，测量被测晶片下端面与凹槽之间的竖直距离，根据此竖直距离，调节并固定下感测器，使下感测器与被测晶片下端面之间的距离达到5-10cm，同时通过调节第三滑轨，使上感测器与被测晶片上端面之间的距离达到5-10cm，启动激光测距感测器，激光测距感测器的发射器向被测晶片射出一束激光，激光到达被测晶片，被发生反射，反射的激光被接收器接受，随后根据计时器测得到激光束从发射到接收的时间，计算出发射器到目标的距离，在通过左右前后滑动移动载台，得到多组距离数据，最后根据计算公式，得出厚度、整体平均厚度、整体厚度差、翘曲度和凹陷程度的数据，进而对被测晶片的面型进行判断；

2、测量：（1）设定：以三个晶片支撑脚所呈的正三角形的中心作为测量中心，得坐标（X0,Y0），此时，未放置晶片，上感测器和下感测器距(X0,Y0)坐标的距离为(a0,b0)，a0对应上感测器与坐标（X0,Y0）的距离，b0对应下感测器与坐标（X0,Y0）的距离；设定上感测器距下感测器距离固定，距离为s；放置被测晶片，多次移动移动载台，每次移动载台移动后，激光测距感测器测量和采集相应的距离数据，定为(a1,b1)，(a2,b2)，(a3,b3)，(a4,b4)...…(an,bn)；根据对数据精度的需求，可调整距离数据的收集次数；

3、根据计算公式计算具体数据：（1）厚度：测量中心的厚度T中，对应坐标为（X0,Y0）时，上感测器和下感测器实际测得的数据（a中+b中），T中=s-(a中+b中)；整体平均厚度：Tavg={∑[s-(an+bn)]}/n，n≥1；（2）整体厚度差H：计算晶片上厚度最大与厚度最小的差值，H=max{[s-(a1+b1)],……,[s-(an+bn)]}-min{[s-(a1+b1)],……,[s-(an+bn)]}；（3）翘曲度：计算晶片在基准面上整体面型变化值W，n次测量的硅片厚度分别为T1=s-(a1+b1)，T2=s-(a2+b2)，T3=s-(a3+b3)，……，Tn=s-(an+bn)；得到变化量w1=(b1+T1/2)-(b中+T中/2)，w2=(b2+T2/2)-(b中+T中/2)，……，wn=(bn+Tn/2)-(b中+T中/2)；最后得到翘曲度W=max(w1，w2，w3，……，wn)-min(w1，w2，w3，……，wn)；（4）凹陷程度B：以三个晶片支撑脚构成的面以上Tavg/2距离的面为基准面，计算晶片中心(X0,Y0)距离基准面的距离为晶片的凹陷程度，凹陷程度：B=(a0-Tavg/2)–(a中+T中/2)；B会出现正负值的现象，当值为正值，则晶片上表面突起；反之则凹陷；

4、晶片面型判断：根据以上测量的数据进行晶片面型判断，（1）整体厚度差：反映晶片的厚度差异，H越大，晶片厚度分布差异越大；（2）翘曲度/凹陷程度：反映晶片的面型变化趋势，主要有几下几种面型分布：面型很平坦：W接近于B，且W、B接近于0；晶片呈现“碗状”面型：W接近于B，当W、B的值越大，晶片的凹陷程度越大；晶片呈现S型面型：B接近于0，当W值越大，说明晶片的弯曲程度越大。

上述的一种非接触式高精密晶片面型测量计算方法，其中，所述距离数据(an,bn)与s存在以下关系，2/3×s＜an+bn＜s。

本发明的有益效果为：

本发明提出的一种非接触式高精密晶片面型测量仪器及其测量计算方法，其特点在于：

（1）本发明在进行距离数据测量时，能够做到高精度数据测量，得到的数据十分精确，能够精确到0.01um；

（2）测量稳定性高，经过测试，对于厚度的测量，数据误差能够控制在0.15um以内，对于厚度差的测量计算，数据误差能够控制在0.03um以内，对于翘曲度的测量计算，数据误差能够控制在0.06um以内，对于凹陷程度的测量计算，数据误差能够控制在0.03um以内；

（3）本发明有效的将厚度测量和面型测量相结合，通过网状采集点的方式，进行测量和数据分析；打破了传统的单线和单点的测量方式，降低了测量误差，从而提高了数据的真实性。

附图说明

图1本发明示意图。

具体实施方式

如图所示的一种非接触式高精密晶片面型测量仪器，其特征在于，包括台面1、移动载台2、滑动导轨3和激光测距感测器4，所述台面1为大理石台面，其一侧设有横梁5，所述移动载台2包括上移动载台6和下移动载台7，所述下移动载台7的中部镂空，所述上移动载台6的中部设有支撑孔8，所述支撑孔8呈圆形，其所呈的圆形的周边设有3个晶片支撑脚9，所述3个晶片支撑脚9固定设置，并呈正三角形分布，所述滑动导轨3数量为3个，包括第一滑轨10、第二滑轨11和第三滑轨12，所述激光测距感测器4包括发射器和接收器，激光测距感测器4数量为2个，分别为上感测器13和下感测器14；

所述第一滑轨10数量2个，水平对称固定设置于台面1上，所述下移动载台7滑动设置于第一滑轨10上，所述第二滑轨11水平固定设置于下移动载台7的上端面上，所述上移动载台6滑动设置于第二滑轨11上，所述第三滑轨12竖直固定设置于横梁5中部，所述台面1的中部设有凹槽15，所述下感测器14设置于凹槽15内，所述上感测器13通过固定杆16与第三滑轨12连接；

进一步的，所述上感测器13和下感测器14相对设置，并在同一地面垂直线上；

进一步的，所述3个晶片支撑脚9所构成的平面与水平面平行；

进一步的，所述上感测器13和下感测器14的连线与3个晶片支撑脚9所构成的平面为垂直关系；

进一步的，所述第一滑轨10和第二滑轨11的滑动导向方向互相垂直。

一种非接触式高精密晶片面型测量计算方法，其特征在于，包括以下四个部分：

1、测量原理：放置被测晶片到支撑孔的晶片支撑脚上，通过调节第一导轨和第二导轨，使被测晶片位于上感测器的下方，测量被测晶片下端面与凹槽之间的竖直距离，根据此竖直距离，调节并固定下感测器，使下感测器与被测晶片下端面之间的距离达到5-10cm，同时通过调节第三滑轨，使上感测器与被测晶片上端面之间的距离达到5-10cm，启动激光测距感测器，激光测距感测器的发射器向被测晶片射出一束激光，激光到达被测晶片，被发生反射，反射的激光被接收器接受，随后根据计时器测得到激光束从发射到接收的时间，计算出发射器到目标的距离，在通过左右前后滑动移动载台，得到多组距离数据，最后根据计算公式，得出厚度、整体平均厚度、整体厚度差、翘曲度和凹陷程度的数据，进而对被测晶片的面型进行判断；

2、测量：（1）设定：以三个晶片支撑脚所呈的正三角形的中心作为测量中心，得坐标（X0,Y0），此时，未放置晶片，上感测器和下感测器距(X0,Y0)坐标的距离为(a0,b0)，a0对应上感测器与坐标（X0,Y0）的距离，b0对应下感测器与坐标（X0,Y0）的距离；设定上感测器距下感测器距离固定，距离为s；放置被测晶片，多次移动移动载台，每次移动载台移动后，激光测距感测器测量和采集相应的距离数据，定为(a1,b1)，(a2,b2)，(a3,b3)，(a4,b4)...…(an,bn)；根据对数据精度的需求，可调整距离数据的收集次数；

3、根据计算公式计算具体数据：（1）厚度：测量中心的厚度T中，对应坐标为（X0,Y0）时，上感测器和下感测器实际测得的数据（a中+b中），T中=s-(a中+b中)；整体平均厚度：Tavg={∑[s-(an+bn)]}/n，n≥1；（2）整体厚度差H：计算晶片上厚度最大与厚度最小的差值，H=max{[s-(a1+b1)],……,[s-(an+bn)]}-min{[s-(a1+b1)],……,[s-(an+bn)]}；（3）翘曲度：计算晶片在基准面上整体面型变化值W，n次测量的硅片厚度分别为T1=s-(a1+b1)，T2=s-(a2+b2)，T3=s-(a3+b3)，……，Tn=s-(an+bn)；得到变化量w1=(b1+T1/2)-(b中+T中/2)，w2=(b2+T2/2)-(b中+T中/2)，……，wn=(bn+Tn/2)-(b中+T中/2)；最后得到翘曲度W=max(w1，w2，w3，……，wn)-min(w1，w2，w3，……，wn)；（4）凹陷程度B：以三个晶片支撑脚构成的面以上Tavg/2距离的面为基准面，计算晶片中心(X0,Y0)距离基准面的距离为晶片的凹陷程度，凹陷程度：B=(a0-Tavg/2)–(a中+T中/2)；B会出现正负值的现象，当值为正值，则晶片上表面突起；反之则凹陷；

4、晶片面型判断：根据以上测量的数据进行晶片面型判断，（1）整体厚度差：反映晶片的厚度差异，H越大，晶片厚度分布差异越大；（2）翘曲度/凹陷程度：反映晶片的面型变化趋势，主要有几下几种面型分布：面型很平坦：W接近于B，且W、B接近于0；晶片呈现“碗状”面型：W接近于B，当W、B的值越大，晶片的凹陷程度越大；晶片呈现S型面型：B接近于0，当W值越大，说明晶片的弯曲程度越大。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。