關(guān)鍵詞：測(cè)量；應(yīng)力；圖像處理；光學(xué)儀器；雙折射

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 209 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

碳化硅因有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、耐高溫和抗輻射等優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，但碳化硅晶圓在制作過(guò)程中因微管，位錯(cuò)等缺陷會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致成品質(zhì)量及良品率的降低，因此對(duì)碳化硅晶圓進(jìn)行高精度殘余應(yīng)力測(cè)量是很有必要的一道工序。殘余應(yīng)力測(cè)量的方式有很多種，如圓偏光瞬時(shí)光彈法[1]、X射線衍射法[2]、中子衍射法[3]、微拉曼光譜法[4]等。圓偏光瞬時(shí)光彈測(cè)量是一種非接觸、無(wú)損的應(yīng)力測(cè)量方法，測(cè)量材料在偏振光的作用下產(chǎn)生光程差，經(jīng)過(guò)換算可獲取內(nèi)部應(yīng)力分布值[5]。然而，傳統(tǒng)的圓偏光瞬時(shí)光彈測(cè)量方法的測(cè)量精度受光學(xué)系統(tǒng)的限制及環(huán)境因素的干擾，存在一定的局限性。碳化硅晶圓在實(shí)際的應(yīng)力檢測(cè)中應(yīng)忽略其本身所帶的雙折射效應(yīng)，入射光需沿著一定的偏軸角方向，方可保證內(nèi)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。但大尺寸晶圓（6～12inch）（1inch=2.54cm）傾斜后，完全超出高倍率顯微檢測(cè)系統(tǒng)的單視場(chǎng)景深范圍，導(dǎo)致虛焦現(xiàn)象。虛焦現(xiàn)象對(duì)應(yīng)力值的大小影響不大，但會(huì)降低微管和位錯(cuò)的清晰度，甚至導(dǎo)致較小的微管在虛焦測(cè)量結(jié)果中消失。

超景深顯微測(cè)量技術(shù)利用大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)的有限景深和垂直掃描方法，可以實(shí)現(xiàn)超大景深復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)微器件的三維測(cè)量，近十年，計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，超景深算法作為一種強(qiáng)大的圖像處理工具，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域展示出了極高的應(yīng)用潛力，如文物檢測(cè)與建模，非透明物體表面高清晰度圖像生成及三維重建等。

針對(duì)碳化硅晶圓在實(shí)時(shí)應(yīng)力檢測(cè)中的大景深需求，提出了基于超景深算法的圓偏光瞬時(shí)光彈測(cè)量方法。該方法利用超景深[6]算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)圖像的焦深信息進(jìn)行重建和分析，且通過(guò)機(jī)動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)，拼接合成全局聚焦，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分布及微管位錯(cuò)缺陷的準(zhǔn)確測(cè)量。

1超景深圓偏場(chǎng)瞬時(shí)光彈法測(cè)量原理

基于超景深的圓偏場(chǎng)瞬時(shí)光彈法測(cè)量原理如圖1（a）所示，圓偏準(zhǔn)直光源照射待測(cè)SiC晶圓樣品，SiC晶圓需要傾斜角以消除其本身雙折射帶來(lái)的光程影響，由于準(zhǔn)直光源和準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)力的測(cè)量誤差會(huì)更小[7]，采用雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)獲取SiC晶圓圖像，此時(shí)圖像中包含了SiC晶圓內(nèi)部的應(yīng)力分布，偏振相機(jī)接收?qǐng)D像后輸出4個(gè)偏振方向的合成光強(qiáng)。

圖1（b）為圓偏場(chǎng)瞬時(shí)光彈法的基本原理[8]。自然光經(jīng)過(guò)線偏振片P0形成線偏光，通過(guò)快軸與線偏光方向的夾角成45o的1/4波片Q，形成圓偏振光，經(jīng)過(guò)具有應(yīng)力雙折射的樣品M，之后光的偏振信息中就包含了樣品M內(nèi)部的應(yīng)力差，即正應(yīng)力和剪應(yīng)力之差。偏振相機(jī)輸出4個(gè)偏振態(tài)，分別為0°、45°、90°和135°的光強(qiáng)信息。該相機(jī)的傳感圖像為四通道光強(qiáng)的混合圖像，經(jīng)過(guò)2×2分割后，可以獲取4個(gè)通道的偏振態(tài)圖像，如圖1（c）所示。這樣的配置能夠方便地獲取不同偏振角度下的圖像信息，以便進(jìn)行后續(xù)的偏振圖像處理和分析。

根據(jù)圖1（c）所示偏振相機(jī)所獲取的四通道圖像，可以計(jì)算出應(yīng)力差值和應(yīng)力角，表征晶圓內(nèi)部的一些缺陷，如位錯(cuò)、微管等。

其中，與x軸的夾角為θ、相位延遲量為φ的待測(cè)樣品的Mueller矩陣為式（1），偏振片的Mueller矩陣可以表示為式（2），偏振相機(jī)感光單元接收到的出射光的斯托克斯矢量可以表示為式（3），Q可以表示為M在θ=0.25π，φ=0.5π情況下的值。

對(duì)于顯微高分辨率系統(tǒng)而言，景深一般都較小，無(wú)法一次掃全整體的清晰數(shù)據(jù)。超景深技術(shù)是對(duì)一系列有著單方向空間排序小景深圖片的部分聚焦，大部分離焦的融合算法[9-10]，可以提供更大的景深范圍，使得整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)物體都能夠保持清晰焦點(diǎn)，從而提高圖像的清晰度和細(xì)節(jié)展示。

為了驗(yàn)證超景深算法的可行性，本文使用一個(gè)塑料件作為測(cè)試樣品對(duì)其在不同深度下的圖像進(jìn)行了超景深合成。

圖2（a）為超景深合成圖像序列中的載物臺(tái)清晰的原始圖像，樣品則是處于失焦的狀態(tài)；圖2（b）為圖像序列中樣品上表面清晰的原始圖像，載物臺(tái)則是處于失焦?fàn)顟B(tài)，這兩張圖像為原始圖像的一部分；圖2（c）則是超景深合成的結(jié)果圖像，是全局清晰的；圖2（d）為圖2（c）對(duì)應(yīng)的深度圖像，像素越亮表明此像素在三維空間中的高度越高。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證本文所提出的基于超景深算法的圓偏場(chǎng)瞬時(shí)光彈相移法拼接測(cè)量系統(tǒng)的可行性，分析其測(cè)量精度與檢測(cè)范圍，如圖3所示搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，整個(gè)光路處于豎直方向，實(shí)驗(yàn)設(shè)備從上到下包含：偏振相機(jī)采用大恒MER–502–79U3MPOL，像素分辨率為2448×2048；遠(yuǎn)心鏡頭，其光學(xué)放大率為0.2倍，物方視場(chǎng)大小為42mm×35mm；6inch的待測(cè)晶圓片；8.5inch以下兼容的可縮放旋轉(zhuǎn)載臺(tái)；紅光LED集束光源，其波長(zhǎng)為633nm；圓偏振光起偏器；一個(gè)大小以及正運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和工控機(jī)用于控制待測(cè)樣品位置和處理測(cè)試數(shù)據(jù)。待測(cè)晶圓片放在旋轉(zhuǎn)載臺(tái)上，在實(shí)際的測(cè)量中，晶圓片會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的角度，此時(shí)測(cè)量6inchSiC晶圓所需的最大景深達(dá)到了28mm。

由于光學(xué)系統(tǒng)的單次視場(chǎng)較小，景深較淺，因此全口徑的應(yīng)力合成圖像需要通過(guò)機(jī)臺(tái)的x、y、z軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行拼接完成，其中x、y軸負(fù)責(zé)水平拼接，z軸負(fù)責(zé)超景深融合所需的數(shù)據(jù)采集，圖4（a）所示為單次視場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)z軸多景深數(shù)據(jù)采集，圖4（b）所示為多視場(chǎng)的拼接路徑，在每個(gè)單視場(chǎng)中都會(huì)進(jìn)行一次多景深數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行超景深融合。

圖5所示為拼接的原理圖，其中原始圖1為上一次的部分拼接結(jié)果，原始圖2為本次獲得的經(jīng)過(guò)超景深合成的測(cè)量數(shù)據(jù)，拼接權(quán)重為像素距兩圖預(yù)留的疊加邊界處的距離進(jìn)行分配的權(quán)重系數(shù)，原始圖與拼接權(quán)重相乘后獲得拼接圖，將兩張拼接圖相加即可獲得部分拼接結(jié)果。將部分拼接結(jié)果按另一個(gè)軸方向的坐標(biāo)以上述方法進(jìn)行二次融合即可獲得最終拼接結(jié)果。

x，y軸拼接權(quán)重參考的距離參數(shù)由軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)給出，軸運(yùn)動(dòng)重復(fù)精度為30μm，單像素在物方空間的大小為34μm，軸坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的角度誤差控制在0.05°以下，設(shè)備調(diào)試完成后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)最終拼接帶來(lái)的錯(cuò)位在3～5像素，約0.15mm。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1中第一列為晶圓全尺寸圖像（非原始圖像尺寸），分為8個(gè)不同高度合成的晶圓全局應(yīng)力圖像和最后的景深合成圖像；表1第2第3列部分圖像的微管缺陷局部放大，方便觀察比較，紅圈為樣品晶圓中的部分受到景深模糊而清晰度下降的微管。其中高度0mm表示能使SiC晶圓底部清晰成像的高度。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，可以看到在合成的全焦圖片中，將部分聚焦的應(yīng)力圖中的微管全部保留了下來(lái)，而其他圖片中，部分聚焦的微管相當(dāng)于經(jīng)過(guò)一次失焦模糊卷積，可能會(huì)被錯(cuò)誤識(shí)別為其他缺陷。而在失焦圖片中，只能看到應(yīng)力分布而損失了微管的識(shí)別能力。圖6為晶圓全局的應(yīng)力平均值，將測(cè)量數(shù)據(jù)透射變換后，再進(jìn)行霍夫圓檢測(cè)獲取有效數(shù)據(jù)區(qū)域，可知對(duì)于應(yīng)力值而言，失焦與否具有一定影響，但不是決定性的。

3結(jié)論

本文提出了在傾斜測(cè)量碳化硅晶圓中的一些由虛焦帶來(lái)的空間精度損失問(wèn)題，使用了超景深合成技術(shù)解決了空間精度的損失，并證明了虛焦和景深合成對(duì)碳化硅應(yīng)力均值的精度并無(wú)決定性影響。提高了瞬時(shí)光彈法測(cè)量晶圓內(nèi)應(yīng)力分布的準(zhǔn)確性和可靠性。