基于形态学方法的非连续表面干涉测量技术研究及其在半导体真空吸盘平整度检测中的应用

针对非连续表面（如半导体真空吸盘）相位解包裹（phase unwrapping）的精度与效率难题，浙江大学团队提出基于数学形态学（mathematical morphology）的MBPU算法，通过相位堆叠和三维连通域分析，实现PV误差<1/19λ（λ=632.8nm）的高精度测量，为半导体制造中晶圆平整度控制提供新方案。

　　

在半导体制造的光刻工艺中，晶圆平整度直接影响成像质量，而真空吸盘（如针式或环式设计）的表面形貌是决定晶圆吸附后平整度的关键因素。这类吸盘表面通常包含数千至上万个非连续凸起，传统测量方法如坐标测量机（CMM）或白光干涉仪因精度不足或软件限制难以适用。激光干涉仪虽具备1/20λ（λ=632.8 nm）的高精度，但现有相位解包裹算法（如Goldstein分支切割法）无法处理非连续相位跳变。这一技术瓶颈制约了半导体设备关键部件的质量控制。

为突破该限制，浙江大学的Shuai Wang、Bosong Duan等研究人员在《Optics and Lasers in Engineering》发表论文，提出基于形态学的相位解包裹算法（Morphology-Based Phase Unwrapping, MBPU）。该技术通过相位数据二值化、三维堆叠及形态学操作（膨胀、连通域分析），绕过传统边界标记步骤，直接处理非连续相位跳变。实验采用掩模法生成非连续测试表面，以平面激光干涉仪采集数据，结合系统误差滤除实现高精度重建。

关键技术方法

1. 相位堆叠与三维形态学：将离散相位数据分层堆叠，利用三维连通域分析识别跳变边界。
2. 掩模设计：通过光阻挡掩模模拟针式吸盘表面，以连续面为基准验证算法精度。
3. 误差校正：对比设备测量基准，计算峰值谷值（PV）和均方根（RMS）偏差，优化形态学操作参数。

研究结果
1. 形态学相位解包裹原理（MBPU）
算法通过离散相位层空间邻近性，在三维坐标系中连接条纹边界，避免传统路径依赖问题。模拟实验显示，对500×500像素的球面相位图，MBPU可处理不同相位高度和非连续间距的组合。

2. 数值模拟验证
在包含数百个非连续区域的相位图中，MBPU实现PV误差<1/20λ，RMS误差<1/40λ，显著优于分支切割法。

3. 实测实验
采用掩模法测量直径>200 mm的针式表面，结果显示PV偏差1/19λ，RMS偏差1/40λ（λ=632.8 nm），验证算法在真实工业场景的适用性。

结论与意义
MBPU算法首次实现大尺度非连续表面（如真空吸盘）的干涉测量，精度达亚微米级。其创新性在于：

1. 方法学突破：利用形态学操作替代传统路径跟踪，解决非连续边界导致的相位断裂问题。
2. 工业价值：直接测量吸盘表面可消除晶圆引入的系统误差，为半导体设备制造提供质量控制新工具。
3. 扩展潜力：算法可适配其他高反射率非连续表面测量，如光学元件或微机电系统（MEMS）。

该研究为半导体装备国产化进程中的精密检测技术提供了重要支撑，未来可通过GPU加速进一步优化大规模数据处理效率。