一種消除重力影響的薄基片變形測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及物體變形測量方法技術領域，具體涉及一種消除重力影響的薄基片變形測量方法。
【背景技術】
[0002]薄基片為力學中的薄板，幾何特征是圓形、矩形或其它形狀，其厚度尺寸遠小于平面尺寸，薄基片在加工過程中容易產(chǎn)生翹曲或彎曲變形，為了檢測薄基片的加工變形，或者優(yōu)化加工工藝以減小加工變形，需要對薄基片的變形進行測量。由于薄基片的剛度很低，其變形測量受到支撐方式和外界環(huán)境，如振動、氣流和重力的影響，在采用隔振和氣流屏蔽的情況下，重力的影響成為不容忽視的因素。目前已有的測量方法測量基片變形時，是將薄基片以平臺支撐水平放置、三點支撐水平放置、單點夾持豎直吊裝放置或三點徑向支撐豎直放置等，翹曲或彎曲變形的薄基片會在重力作用下產(chǎn)生附加變形，直接影響薄基片變形測量結果。
[0003]日本的Kanzaki Toyoki等人在專利號為JP2000234919A的“平面度測量方法與裝置”發(fā)明專利中，發(fā)明了一種利用干涉儀測量透明和半透明物體平面度的方法。測量中將被測量物體部分浸入液體中，被測物體的上表面在空氣中，下表面在液體中。采用此方法測量物體變形時，需要物體被測表面在液體表面之上，無法測量厚度較小而變形較大的薄基片；并且，由于被測物體部分浸入液體中會受到液體表面張力作用，引入表面張力附加變形，同時，該方法還存在離子污染問題。因此需要減小或消除重力附加變形以及消除液體表面張力附加變形的測量方法來準確地測量薄基片變形。
[0004]日本的Okumura Hirosh在專利號為JP2002243431A的“硅片翹曲度測量方法”發(fā)明專利中，發(fā)明了三點支撐反轉測量方法，薄基片由三點支撐水平放置，測量薄基片一個表面的輪廓形貌后反轉薄基片，再次測量薄基片另一個表面的輪廓形貌。在假設薄基片正反面測量時所受重力附加變形相同的情況下，通過計算得出無重力附加變形的薄基片表面輪廓形貌，確定薄基片的變形。此方法操作費時，且要求薄基片以及支撐點位置相對于正反翻轉軸完全對稱，否則翻轉后薄基片重力附加變形不同，無法進行算術運算。對稱性要求需要保證支撐機構的裝配精度，限制了三點支撐方法的使用范圍，另外需要額外的薄基片定心機構來保證薄基片中心處于正反測量翻轉軸上，并且一些薄基片如硅片，強度較弱，定心操作中一般需要在邊緣施加力使之移動至中心，增加了硅片破碎的風險。因此，需要對支撐機構無精度要求，無需定心機構的消除重力附加變形的薄基片變形方法。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對以上提出的現(xiàn)有測量方法引入表面張力附加變形、存在離子污染、支撐機構裝配精度要求高和需要額外定心機構的問題，而研究設計一種消除重力影響的薄基片變形測量方法。本發(fā)明采用的技術手段如下:
[0006]—種消除重力影響的薄基片變形測量方法，所述薄基片由三個支撐球支撐，包括以下步驟:
[0007]①通過測量確定三個支撐球的位置；
[0008]②將待測的薄基片放置于三個支撐球上，確定薄基片的厚度、位置和輪廓信息；
[0009]③將步驟①和步驟②測得的三個支撐球的位置信息和薄基片的厚度、位置和輪廓信息輸入至有限元分析軟件中，進行重力附加變形仿真，計算重力附加變形；
[0010]④掃描測得薄基片的總變形，總變形減去步驟③計算的重力附加變形，得出薄基片真實變形。
[0011]進一步地，步驟①使用光學位移傳感器進行測量，將光學位移傳感器固定一軸坐標，沿另一軸掃描測量支撐球輪廓，對輪廓數(shù)據(jù)進行最小二乘圓擬合，圓中心坐標即為支撐球在該移動軸方向上的中心坐標，用同樣的方法測得該支撐球另一軸方向的中心坐標；用同樣的方法測得另外兩個支撐球的位置坐標。
[0012]如果不采用圓擬合，直接采用支撐球輪廓最高點誤差較大，這是因為支撐球輪廓最高點斜率為零，傳感器讀數(shù)跳動影響較大，而距離中心較遠處，支撐球輪廓斜率較大，同樣的讀數(shù)跳動影響小，通過擬合可以顯著提高支撐球中心的精度。
[0013]進一步地，步驟②中薄基片的位置使用光學位移傳感器進行測量，將光學位移傳感器固定一軸坐標，沿另一軸掃描薄基片，從薄基片內部直至外部無讀數(shù)，對測量數(shù)據(jù)進行邊緣曲線和表面直線的最小二乘擬合，表面直線與邊緣曲線的交點為薄基片的邊緣點，對邊緣點進行最小二乘擬合，得出薄基片的位置與輪廓。
[0014]對于光學傳感器，高度的確定是由在被測物體上的光斑位置確定的，但測量邊緣時，光斑不可再簡化為光點，高度值誤差較大，因此通過擬合的方式確定薄基片表面直線與邊緣曲線的交點作為薄基片的邊緣點，可以消除邊緣點高度測量誤差的影響，提高邊緣點尋找的精度。
[0015]進一步地，步驟②中薄基片的厚度使用光學位移傳感器進行測量，首先測得支撐球的頂點坐標，再測量支撐球處放置薄基片后高度，放置薄基片后的高度與支撐球頂點的高度差為薄基片的厚度；
[0016]在放置薄基片前，光學位移傳感器固定一軸坐標，沿另一軸掃描測量支撐球輪廓，對輪廓數(shù)據(jù)進行最小二乘圓擬合，圓中心坐標為支撐球在該移動軸方向上的中心坐標，將光學位移傳感器的一軸固定在中心坐標上，沿另一軸掃描測量支撐球輪廓，最小二乘圓擬合掃描輪廓，最高點為支撐球頂點；或者掃描測量兩條以上的支撐球輪廓，對測量數(shù)據(jù)進行最小二乘球擬合，得到支撐球頂點坐標；然后測量支撐球處放置薄基片后高度。
[0017]當讓薄基片放置于平面上，通過一個傳感器測量薄基片厚度時，由于自身的變形，薄基片與參考平面中間有空隙，測量誤差較大。為了提高精度一般采用雙傳感器測量，兩個傳感器分布于薄基片的兩側，通過一個標準厚度的基片標定兩個傳感器的距離，然后測量薄基片的厚度。采用此種方法需要兩個傳感器，增加了測量成本，而且需要標準厚度的基片標定，操作繁瑣。本專利中的方法，薄基片由三個支撐球支撐，兩者接觸狀態(tài)唯一，不存在空隙，且僅需單個傳感器，無需標準厚度基片的標定。
[0018]進一步地，所述光學位移傳感器為激光三角傳感器、激光共聚焦傳感器或白光共聚焦傳感器。
[0019]與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明所述的一種消除重力影響的薄基片變形測量方法具有以下優(yōu)點:
[0020]1、無離子污染，不使用液體，不產(chǎn)生表面張力附加變形；
[0021]2、對支撐球的位置沒有要求，不要求支撐機構的裝配精度；
[0022]3、薄基片放置位置靈活，不需要額外定心機構來保證薄基片中心處于三個支撐球中心。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實施例使用的測量裝置結構示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明實施例的薄基片支撐狀態(tài)俯視示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明實施例的變形疊加原理示意圖。
[0026]圖4是本發(fā)明實施例中測量支撐球頂點位置的原理示意圖。
[0027]圖5是本發(fā)明實施例中對支撐球沿X方向掃描的擬合曲線圖。
[0028]圖6是本發(fā)明實施例中對支撐球沿y方向掃描的擬合曲線圖。
[0029]圖7是本發(fā)明實施例中測量邊緣點位置的原理示意圖。
[0030]圖8是本發(fā)明實施例中測量薄基片邊緣點的擬合曲線圖。
[0031]圖9是圖8的局部放大圖。
[0032]圖10是本發(fā)明實施例直接測得的薄基片總變形圖。
[0033]圖11是本發(fā)明實施例的有限元計算薄基片重力附加變形圖。
[0034]圖12是本發(fā)明實施例的薄基片真實變形圖。
【具體實施方式】
[0035]—種消除重力影響的薄基片變形測量方法，所述薄基片由三個支撐球支撐，包括以下步驟:
[0036]①通過測量確定三個支撐球的位置；
[0037]②將待測的薄基片放置于三個支撐球上，確定薄基片的厚度、位置和輪廓信息；
[0038]③將步驟①和步驟②測得的三個支撐球的位置信息和薄基片的厚度、位置和輪廓信息輸入至有限元分析軟件中，進行重力附加變形仿真，計算重力附加變形；
[0039]④掃描測得薄基片的總變形，總變形減去步驟③測得的重力附加變形，得出薄基片真實變形。
[0040]如圖1所示，本實施例使用的測量裝置包括工作平臺1，工作平臺I上方設有二維運動平臺7，工作平臺I上放置有支撐球2，光學位移傳感器4采用激光三角位移傳感器4，薄基片3為薄基片，光學位移傳感器4通過安裝板9固定在二維運動平臺7上，測量前調節(jié)二維運動平臺7的位置，使薄基片3處于光學位移傳感器4的測量范圍之內。所述光學位移傳感器4為激光三角傳感器、激光共聚焦傳感器或白光共聚焦傳感器。
[0041]二維運動平臺7按照設定的軌跡進行X、y向二維運動，光學位移傳感器4掃描測量薄基片3表面，光學位移傳感器4起始位于薄基片中心點，開始掃描后直接向y向正向移動到薄基片邊緣點5處然后開始按Z字形掃描整個薄基片。根據(jù)二維運動平臺7的坐標值與光學位移傳感器4的讀數(shù)，通過計算機擬合成薄基片3表面三維形貌圖，計算并確定基片的實際翹曲和彎曲變形。將前面測量獲得的支撐球與薄基片位置與厚度反饋