王均濤

（上海昀豐光電技術(shù)有限公司 上海200120）

藍(lán)寶石行業(yè)的快速發(fā)展，促使藍(lán)寶石加工及檢測技術(shù)的發(fā)展，以前藍(lán)寶石晶圓檢測翹曲度、厚度、厚度偏差等指標(biāo)，是通過人工進(jìn)行測量，效率低、精度差，已經(jīng)完全不能滿足大批量的生產(chǎn)需求；因此本文介紹一種晶圓檢測系統(tǒng)。

1 測量系統(tǒng)原理

共焦光譜測量技術(shù)被應(yīng)用于表面輪廓與三維精細(xì)結(jié)構(gòu)測量領(lǐng)域，因此，利用對射安裝的共焦位移傳感器，通過檢測平臺承載晶圓與標(biāo)樣自動掃描，實(shí)現(xiàn)晶圓等高精度的無損測量。晶圓測量系統(tǒng)主要由大理石基座、測量平臺、大理石橫梁、上測頭機(jī)構(gòu)、下測頭機(jī)構(gòu)和一對共焦位移傳感器等部件組成，如圖1所示。

圖1 晶片測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二維測量平臺作為載片臺，承載著標(biāo)片和待測晶圓，對晶圓測點(diǎn)位置進(jìn)行自動掃描，完成對晶圓厚度分布的測量。具體計(jì)算原理如式（1）、式（2）所示。

2 測量平臺的設(shè)計(jì)與有限元分析

2.1 測量平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測量平臺主要由底座、滑座、晶片支架、晶片支板、直線電機(jī)、交叉滾珠導(dǎo)軌組成。為了減輕測量平臺重量，測臺的加工件采用LY12鋁合金材料；測量平臺有X、Y兩個(gè)方向的自由度，最大行程分別為250 mm、200 mm；最大速度為300 mm/s；直線電機(jī)直接驅(qū)動滑座、晶片支架、晶片支板，減少傳動環(huán)節(jié)的誤差，從而實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)方向的高精度移動；每個(gè)方向都配置有高精度的光柵尺，通過反饋補(bǔ)償確保測臺的高精度定位精度。

2.2 測量平臺的靜力學(xué)分析

1)有限元模型的建立

在建模時(shí)對于孔、細(xì)小特征、螺母和螺栓等可以進(jìn)行簡化或者忽略。交叉滾柱導(dǎo)軌材料為合金鋼，測量平臺加工件材料均為LY12鋁合金，晶片支板材料為7075航空鋁，具體如表1所示。

表1 所用材料屬性

2)網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的疏密程度決定了求解的精度和難度，選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格疏密程度，既能保證精度，又不會因?yàn)樘芏鴮?dǎo)致計(jì)算量大費(fèi)時(shí)。選擇四面體，雅克比點(diǎn)位為4點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 測量平臺的有限元模型

3)邊界條件的定義和載荷的加載

測量平臺通過底座上的四個(gè)螺栓固定于大理石基座上，載荷10 N的力施加于晶片支板的三個(gè)支角上，由于是精密測量平臺需要考慮自身重力的影響。

教學(xué)目標(biāo)是課堂教學(xué)最終實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)效果，教學(xué)目標(biāo)的選擇與分層異步教學(xué)實(shí)施的成功率息息相關(guān)，根據(jù)不同小組的學(xué)習(xí)水平對其選擇不一樣的教學(xué)目標(biāo)，確保教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)實(shí)際情況一致，與學(xué)生的理解能力相匹配，能夠讓每一層次的學(xué)生通過自己的努力都能達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)的要求，都能在既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)最大化的發(fā)展與提升。理解水平較低的小組選擇較低的教學(xué)目標(biāo)，再對其慢慢指導(dǎo)，打好基礎(chǔ)往更高的教學(xué)目標(biāo)發(fā)展。

測量平臺有X、Y兩個(gè)方向的自由度，當(dāng)兩軸分別移動到最大位移時(shí)，即是平臺受力最惡劣的時(shí)刻。

4) 應(yīng)力、變形結(jié)果

利用有限元分析軟件進(jìn)行求解，查看計(jì)算結(jié)果，可以看到測量平臺的應(yīng)力和變形如圖3所示。從圖3（a）應(yīng)力云圖中可以看出，最大應(yīng)力值位于晶片支架左側(cè)，值為3.877 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LY12鋁合金的屈服強(qiáng)度。從圖3（b）變形云圖中可以看出，測量平臺的最大變形位于晶片支板前端支角處，最大變形量為0.005 mm小于0.01 mm（設(shè)計(jì)要求），從上面分析可以看出，測量平臺的剛性很好，安全系數(shù)很高，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖3 測量平臺的變形、應(yīng)力云圖

3 測量平臺的模態(tài)分析

模態(tài)分析是利用有限元的方法將多自由度系統(tǒng)的自由振動分解為n個(gè)單自由簡諧激勵(lì)振動的疊加。簡諧激勵(lì)振動的運(yùn)動方程為：

式中：{δ}={δ0}cos（ωt+φ）為各節(jié)點(diǎn)簡諧運(yùn)動，{δ0}為各節(jié)點(diǎn)的陣型，φ為相位角，ω為該陣型的頻率，［M］為剛度矩陣，［C］為阻尼矩陣，［K］為剛度矩陣，F(xiàn)(t)為外力。當(dāng)F(t)=0、［C］=0時(shí)，即不考慮外力和阻尼作用，為系統(tǒng)的自由振動方程：

可求得其特征方程為：

測量平臺的固有頻率，通過確定固有頻率與振型，避免外加載荷頻率和測量平臺的自然頻率接近而發(fā)生共振。式（5）中表現(xiàn)為一種內(nèi)在特征，只與質(zhì)量和剛度有關(guān)，與外界載荷無關(guān)。因此對測量平臺進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，采用靜力學(xué)分析時(shí)的模型，只有底座有固定約束，不施加外力載荷。由于低階頻率對測量平臺系統(tǒng)影響較大，所以只求出前面幾階頻率就可以滿足分析要求。在有限元分析軟件中可求得前四階的頻率如表2所示，陣型如圖4所示。

表2 測量平臺前四階模態(tài)結(jié)果

圖4 測量平臺的四階模態(tài)振幅

從測量平臺的前四階頻率和振型計(jì)算結(jié)果可知；

(1)一、二頻率較低，為上下振動，振幅最大位置均在平臺外側(cè)，對平臺的精度影響較小；三、四階頻率較高，為扭曲陣型，一般的外界激勵(lì)很難達(dá)到，易產(chǎn)生共振的頻率范圍為320～720 Hz；

(2)測量系統(tǒng)在無塵、安靜的車間，外界激勵(lì)遠(yuǎn)小于320 Hz，因此很難產(chǎn)生共振；

(3)測量平臺固定在大理石底座之上，大理石四個(gè)支角為橡皮減震墊，大理石和橡膠的阻尼很大，抗振性很好，這樣對外界很小的激勵(lì)有很好的過濾作用，盡可能地減小振動對測量結(jié)果的影響。

4 測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 測頭的選擇

光譜共焦位移測頭比較知名的制造廠家有三家米銥、STIL、ThinkFocus，通過性能和價(jià)格比較，選用了 STIL品牌的測頭，具體性能參數(shù)如表 3所示。

表3 STIL焦位移測頭的性能參數(shù)

4.2 測頭支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1)上測頭支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

上測頭支架結(jié)構(gòu)由上測頭支架、上測頭底板、固定板、電動滑臺、底座和頂緊螺釘組成，如圖 5所示。上測頭安裝于上測頭支架的孔中，側(cè)面有兩個(gè)頂緊螺釘可以緊固測頭，使其不能滑落。通過固定板和上測頭底板與電動滑臺連接，電動滑臺可帶動上測頭上下移動，從而可調(diào)整測頭在豎直方向上的位置。

2)下測頭支架設(shè)計(jì)

下測頭支架由下測頭支架、頂緊螺釘、底板、Z軸手動滑臺、X軸手動滑臺、Y軸手動滑臺和支架組成，如圖6所示。下測頭安裝于下測頭支架的孔中，側(cè)面有兩個(gè)頂緊螺釘可以緊固測頭，下測頭固定于由三個(gè)手動滑臺組成的可調(diào)節(jié)X、Y、Z三個(gè)方向位移的機(jī)構(gòu)上。通過旋動旋鈕調(diào)節(jié)測頭X、Y、Z方向的位置，達(dá)到與上測頭同軸的目的。

圖5 上測頭支架結(jié)構(gòu)圖

圖6 下測頭微調(diào)結(jié)構(gòu)圖

3）測頭支架結(jié)構(gòu)的有限元分析

由于測頭支架結(jié)構(gòu)夾持的是高精密的測頭，重量較輕，對于強(qiáng)度較高的6061鋁合金結(jié)構(gòu)件，強(qiáng)度安全系數(shù)很高；但微小的結(jié)構(gòu)變形就會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此有必要對上、下測頭的變形進(jìn)行有限元分析計(jì)算，圖7所示。

圖7 上下測頭支架結(jié)構(gòu)的變形云圖

從以上的分析可知上測頭結(jié)構(gòu)的最大變形量為1.9 μm，下測頭結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.5 μm均遠(yuǎn)小于5 μm的設(shè)計(jì)精度要求，在測頭的鏡頭處，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

5 重復(fù)測量精度分析

重復(fù)精度是測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。因此取線切晶片、研磨晶片、拋光晶片各一種樣品，在晶圓測量系統(tǒng)樣機(jī)上進(jìn)行米字型線掃和矩陣面掃兩種方式檢測，各掃描十次，電腦記錄測量數(shù)據(jù)，如圖8和圖9所示。

圖8 三種樣品線掃十次測量數(shù)據(jù)圖

圖9 三種樣品面掃十次測量數(shù)據(jù)圖

從以上數(shù)據(jù)圖中可得晶片厚度 THK的重復(fù)精度±0.3 μm、晶片的翹曲度Warp的重復(fù)精度±0.2 μm、晶片的彎曲度Bow的重復(fù)精度±0.2 μm、晶片總厚度偏差TTV的重復(fù)精度±0.5 μm，重復(fù)精度非常高，完全達(dá)到實(shí)際測量要求。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種晶圓測量系統(tǒng)并運(yùn)用有限元分析軟件對測量平臺、上測頭機(jī)構(gòu)、下測頭支架機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)分析，剛度和振動特性都完全符合設(shè)計(jì)要求；并對樣機(jī)進(jìn)行了測量參數(shù)指標(biāo)重復(fù)精度實(shí)驗(yàn)，重復(fù)精度非常高，完全達(dá)到實(shí)際測量要求。