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

中圖分類號：TN 209 文獻標志碼：A

引言

碳化硅因有高熱導(dǎo)率、高強度、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程中因微管，位錯等缺陷會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致成品質(zhì)量及良品率的降低，因此對碳化硅晶圓進行高精度殘余應(yīng)力測量是很有必要的一道工序。殘余應(yīng)力測量的方式有很多種，如圓偏光瞬時光彈法[1]、X射線衍射法[2]、中子衍射法[3]、微拉曼光譜法[4]等。圓偏光瞬時光彈測量是一種非接觸、無損的應(yīng)力測量方法，測量材料在偏振光的作用下產(chǎn)生光程差，經(jīng)過換算可獲取內(nèi)部應(yīng)力分布值[5]。然而，傳統(tǒng)的圓偏光瞬時光彈測量方法的測量精度受光學(xué)系統(tǒng)的限制及環(huán)境因素的干擾，存在一定的局限性。碳化硅晶圓在實際的應(yīng)力檢測中應(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)力測量結(jié)果的準確性。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系統(tǒng)的單視場景深范圍，導(dǎo)致虛焦現(xiàn)象。虛焦現(xiàn)象對應(yīng)力值的大小影響不大，但會降低微管和位錯的清晰度，甚至導(dǎo)致較小的微管在虛焦測量結(jié)果中消失。

超景深顯微測量技術(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，可以實現(xiàn)超大景深復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)微器件的三維測量，近十年，計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，超景深算法作為一種強大的圖像處理工具，已經(jīng)在各個領(lǐng)域展示出了極高的應(yīng)用潛力，如文物檢測與建模，非透明物體表面高清晰度圖像生成及三維重建等。

針對碳化硅晶圓在實時應(yīng)力檢測中的大景深需求，提出了基于超景深算法的圓偏光瞬時光彈測量方法。該方法利用超景深[6]算法對圖像進行處理，通過對圖像的焦深信息進行重建和分析，且通過機動平臺的移動，拼接合成全局聚焦，可實現(xiàn)應(yīng)力分布及微管位錯缺陷的準確測量。

1超景深圓偏場瞬時光彈法測量原理

基于超景深的圓偏場瞬時光彈法測量原理如圖1（a）所示，圓偏準直光源照射待測SiC晶圓樣品，SiC晶圓需要傾斜角以消除其本身雙折射帶來的光程影響，由于準直光源和準直光學(xué)系統(tǒng)對應(yīng)力的測量誤差會更小[7]，采用雙遠心光學(xué)系統(tǒng)獲取SiC晶圓圖像，此時圖像中包含了SiC晶圓內(nèi)部的應(yīng)力分布，偏振相機接收圖像后輸出4個偏振方向的合成光強。

圖1（b）為圓偏場瞬時光彈法的基本原理[8]。自然光經(jīng)過線偏振片P0形成線偏光，通過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。偏振相機輸出4個偏振態(tài)，分別為0°、45°、90°和135°的光強信息。該相機的傳感圖像為四通道光強的混合圖像，經(jīng)過2×2分割后，可以獲取4個通道的偏振態(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）所示偏振相機所獲取的四通道圖像，可以計算出應(yīng)力差值和應(yīng)力角，表征晶圓內(nèi)部的一些缺陷，如位錯、微管等。

其中，與x軸的夾角為θ、相位延遲量為φ的待測樣品的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。

對于顯微高分辨率系統(tǒng)而言，景深一般都較小，無法一次掃全整體的清晰數(shù)據(jù)。超景深技術(shù)是對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，使得整個視場內(nèi)的目標物體都能夠保持清晰焦點，從而提高圖像的清晰度和細節(jié)展示。

為了驗證超景深算法的可行性，本文使用一個塑料件作為測試樣品對其在不同深度下的圖像進行了超景深合成。

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，載物臺則是處于失焦狀態(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實驗設(shè)計

2.1實驗系統(tǒng)

為了驗證本文所提出的基于超景深算法的圓偏場瞬時光彈相移法拼接測量系統(tǒng)的可行性，分析其測量精度與檢測范圍，如圖3所示搭建了實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，整個光路處于豎直方向，實驗設(shè)備從上到下包含：偏振相機采用大恒MER–502–79U3MPOL，像素分辨率為2448×2048；遠心鏡頭，其光學(xué)放大率為0.2倍，物方視場大小為42mm×35mm；6inch的待測晶圓片；8.5inch以下兼容的可縮放旋轉(zhuǎn)載臺；紅光LED集束光源，其波長為633nm；圓偏振光起偏器；一個大小以及正運動的運動控制系統(tǒng)和工控機用于控制待測樣品位置和處理測試數(shù)據(jù)。待測晶圓片放在旋轉(zhuǎn)載臺上，在實際的測量中，晶圓片會旋轉(zhuǎn)一定的角度，此時測量6inchSiC晶圓所需的最大景深達到了28mm。

由于光學(xué)系統(tǒng)的單次視場較小，景深較淺，因此全口徑的應(yīng)力合成圖像需要通過機臺的x、y、z軸運動進行拼接完成，其中x、y軸負責(zé)水平拼接，z軸負責(zé)超景深融合所需的數(shù)據(jù)采集，圖4（a）所示為單次視場中運動z軸多景深數(shù)據(jù)采集，圖4（b）所示為多視場的拼接路徑，在每個單視場中都會進行一次多景深數(shù)據(jù)采集并進行超景深融合。

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)過超景深合成的測量數(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)果按另一個軸方向的坐標以上述方法進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)由軸運動坐標給出，軸運動重復(fù)精度為30μm，單像素在物方空間的大小為34μm，軸坐標系與相機坐標系的角度誤差控制在0.05°以下，設(shè)備調(diào)試完成后經(jīng)過實驗最終拼接帶來的錯位在3～5像素，約0.15mm。

2.2實驗結(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)過對比，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，而其他圖片中，部分聚焦的微管相當于經(jīng)過一次失焦模糊卷積，可能會被錯誤識別為其他缺陷。而在失焦圖片中，只能看到應(yīng)力分布而損失了微管的識別能力。圖6為晶圓全局的應(yīng)力平均值，將測量數(shù)據(jù)透射變換后，再進行霍夫圓檢測獲取有效數(shù)據(jù)區(qū)域，可知對于應(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量碳化硅晶圓中的一些由虛焦帶來的空間精度損失問題，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碳化硅應(yīng)力均值的精度并無決定性影響。提高了瞬時光彈法測量晶圓內(nèi)應(yīng)力分布的準確性和可靠性。