基于超景深算法的圓偏場瞬時光彈相移法拼接測量應用研究

關鍵詞：測量；應力；圖像處理；光學儀器；雙折射

中圖分類號：TN 209 文獻標志碼：A

引言

碳化硅因有高熱導率、高強度、耐高溫和抗輻射等優良的性能而被廣泛應用在半導體領域中，但碳化硅晶圓在制作過程中因微管，位錯等缺陷會產生殘余應力，導致成品質量及良品率的降低，因此對碳化硅晶圓進行高精度殘余應力測量是很有必要的一道工序。殘余應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、無損的應力測量方法，測量材料在偏振光的作用下產生光程差，經過換算可獲取內部應力分布值[5]。然而，傳統的圓偏光瞬時光彈測量方法的測量精度受光學系統的限制及環境因素的干擾，存在一定的局限性。碳化硅晶圓在實際的應力檢測中應忽略其本身所帶的雙折射效應，入射光需沿著一定的偏軸角方向，方可保證內應力測量結果的準確性。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的單視場景深范圍，導致虛焦現象。虛焦現象對應力值的大小影響不大，但會降低微管和位錯的清晰度，甚至導致較小的微管在虛焦測量結果中消失。

超景深顯微測量技術利用大數值孔徑光學系統的有限景深和垂直掃描方法，可以實現超大景深復雜幾何結構微器件的三維測量，近十年，計算機技術和圖像處理技術發展迅速，超景深算法作為一種強大的圖像處理工具，已經在各個領域展示出了極高的應用潛力，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，可實現應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系統對應力的測量誤差會更小[7]，采用雙遠心光學系統獲取SiC晶圓圖像，此時圖像中包含了SiC晶圓內部的應力分布，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，經過具有應力雙折射的樣品M，之后光的偏振信息中就包含了樣品M內部的應力差，即正應力和剪應力之差。偏振相機輸出4個偏振態，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，經過2×2分割后，可以獲取4個通道的偏振態圖像，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，以便進行后續的偏振圖像處理和分析。

根據圖1（c）所示偏振相機所獲取的四通道圖像，可以計算出應力差值和應力角，表征晶圓內部的一些缺陷，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而言，景深一般都較小，無法一次掃全整體的清晰數據。超景深技術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；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，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果圖像，是全局清晰的；圖2（d）為圖2（c）對應的深度圖像，像素越亮表明此像素在三維空間中的高度越高。

2實驗設計

2.1實驗系統

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。該系統結構簡單，操作方便，整個光路處于豎直方向，實驗設備從上到下包含：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和工控機用于控制待測樣品位置和處理測試數據。待測晶圓片放在旋轉載臺上，在實際的測量中，晶圓片會旋轉一定的角度，此時測量6inchSiC晶圓所需的最大景深達到了28mm。

由于光學系統的單次視場較小，景深較淺，因此全口徑的應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軸負責水平拼接，z軸負責超景深融合所需的數據采集，圖4（a）所示為單次視場中運動z軸多景深數據采集，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據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果，原始圖2為本次獲得的經過超景深合成的測量數據，拼接權重為像素距兩圖預留的疊加邊界處的距離進行分配的權重系數，原始圖與拼接權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果。將部分拼接結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果。

x，y軸拼接權重參考的距離參數由軸運動坐標給出，軸運動重復精度為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，設備調試完成后經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。

經過對比，可以看到在合成的全焦圖片中，將部分聚焦的應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，只能看到應力分布而損失了微管的識別能力。圖6為晶圓全局的應力平均值，將測量數據透射變換后，再進行霍夫圓檢測獲取有效數據區域，可知對于應力值而言，失焦與否具有一定影響，但不是決定性的。

3結論

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應力分布的準確性和可靠性。