微电子基板三维形貌的等高莫尔法测量方法

表面形貌对于机械零件表面特性，如摩擦、磨损、润滑、腐蚀、疲劳、涂层等，具有举足轻重的影响。为满足微电子产品快速、直观、高精度、低损耗的测量要求，本节将介绍等高莫尔法测量微电子基板三维形貌的实例。

5.3.3.1　微电子三维形貌测量的意义

随着微电子产业的发展，三维形貌精细测量方法越来越显得重要。如在微电子生产中，芯片及器件的翘曲、变形，将引起电子器件的损坏和器件的不匹配、焊接片断层和开口、焊接点的撕裂，直接影响其质量和可靠性，如图5.14所示。又如在温度变化的环境下，评估整块PCB 基板在温度变化条件下的翘曲特性，对芯片的可靠性及其内部电路的连通性，对芯片的封装质量控制具有重要意义。再如电视机荫罩工件薄，极易变形，检测难度很大，而它的形状精度对电视机的成像质量的影响至关重要。

图5.14　IC 芯片

5.3.3.2　莫尔条纹的获取与初步分析

利用图5.15所示原理产生莫尔条纹。其中，点光源S 将主光栅投影到被测物体的表面上，如果被测物体的表面平整且与参考光栅平行，则不会产生莫尔条纹；如果被测物体的表面是弯曲的、凸起的或凹陷的，则产生莫尔条纹。莫尔条纹图包含了被测物体形面的三维信息。通过求解莫尔条纹图，可以得到物体的三维形貌坐标。

图5.15　照射型莫尔条纹测量原理

图5.16～图5.18分别为主光栅、变形光栅和莫尔条纹示例。

图5.16　主光栅

图5.17　变形光栅

图5.18　经典局部凸起和凹陷莫尔条纹

利用图5.15描述的几何关系可求莫尔等高线方程。莫尔条纹的级序数N=1，2，3，…，对于N=1 时的A1，由ΔA1SE 相似于ΔA1BC 得d/P=（l+h1）/h1。因此，

同理，

式中，hN 为数为N 的等高线深度；P 为主光栅栅距；d 为光源S 至观察点E 距离；S、E 至主光栅面的距离相等同为l。

如果d≫NP，式（5.24）简化为

于是，(www.xing528.com)

式（5.23）～式（5.26）表明：

（1）光源和观察点距主光栅的距离相等时，同级莫尔条纹就是被测物体表面距主光栅深度相同的等高线分布；

（2）莫尔条纹等高线是等间距或等深度分布的；

（3）减小l/d 值将提高测量灵敏度。

5.3.3.3　莫尔条纹的图像处理分析

利用计算机图像处理方法分析莫尔条纹图像的间距和形状，即可揭示被测物体的表面形貌或平面度。凭借着全貌分析能力，可以在微秒内完成整个翘曲和扭转的测量以及关键元件附着区域的局部翘曲检测。图像处理的任务包括对图像的滤波和轮廓提取。

首先是去噪处理。由于在摄取过程中，电磁波、表面杂质等的外界干扰，会在形成的莫尔条纹图中出现噪声点，使图像三维成像产生误差，因此去噪处理非常重要。图像分析系统对获取的图像进行滤波处理，去除噪声干扰。在此采用了中值滤波法去除噪声点，能较完好地保证图片的轮廓不受干扰。

然后是图像补偿，即对图像传感器和光栅等光学系统所引起的图像失真进行补偿。

接下来是图像的轮廓提取和形状特征分析。图像处理的快速算法主要利用傅里叶变换法、卷积法。图5.19（a）、（b）分别为莫尔条纹原图和提取轮廓后的莫尔图。

图5.19　莫尔条纹的轮廓提取

（a）莫尔条纹原图；（b）提取轮廓后的莫尔图

光学系统由光源、光栅、CCD 组成。系统测量的误差和精度取决于光栅的线间距，光栅越密，测量的精确度和分辨率越高。但是光栅栅距的密度是有限制的。由此产生了步进移相技术。步进移相技术作为定量获取干涉信号相位信息的有效方法之一，能使测量的精度提高，广泛应用于光学检测与计量中。

步进移相技术的一般算法是N 点标准算法式。实际上，在理想条件情况下，步进2～3次光强记录就可确定出被测相位，采样点数增多，增加了信息的余量，同时也增加了计算量。但是，考虑到实际计算中总存在电噪声、探测器非线性及相位控制不准确等因素，适当增加计算余量，对于提高计算精度也是必要的。所以就出现了通常所谓的三幅、四幅和五幅算法等，其中五幅算法由于充分利用了5 次移相记录，相当于2 次四幅算法的扩展平均，对移相误差有较好的抑制作用。

需要说明，单凭莫尔条纹等高线图还不能判定物体表面的凸起和凹陷，这就增加了计算的不确定性。为此提出了各种判定凹凸的方法，如利用光栅相对被测物体移动时莫尔条纹的变化判定凹凸。当光栅离开物体时，如莫尔条纹数目减少或向内收缩，则物体表面是凸起的，反之凹陷。

5.3.3.4　莫尔条纹信息重建物体表面三维图像

在对莫尔条纹处理之后，可将二维条纹转变为该物体表面的三维图形，并给出相应的数据，输出形状特征信息。

通过坐标查询可得该坐标点相对于参考点的高度差。自编软件以友好的界面把检测到的信息显示给用户（可以根据用户的不同要求编制程序）。检测结果以文档形式输出，也能够浓缩大量数据形成表格结果。工程师们可以据此做出快速有效的评价。图5.20给出了二维条纹转换的该物体表面形貌三维图形。图5.21分别是微电子基板热、冷变形后的表面三维形貌。

图5.20　二维莫尔条纹转换的三维表面形貌

图5.21　微电子基板表面三维变形图形

（a）热变形；（b）冷变形