留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

电子束硅片图形检测系统中的纳米级对焦控制技术

郭杰 李世光 赵焱 宗明成

郭杰, 李世光, 赵焱, 宗明成. 电子束硅片图形检测系统中的纳米级对焦控制技术[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242
引用本文: 郭杰, 李世光, 赵焱, 宗明成. 电子束硅片图形检测系统中的纳米级对焦控制技术[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242
GUO Jie, LI Shi-guang, ZHAO Yan, ZONG Ming-cheng. Nano-scale focus control technology in electron beam wafer pattern inspection system[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242
Citation: GUO Jie, LI Shi-guang, ZHAO Yan, ZONG Ming-cheng. Nano-scale focus control technology in electron beam wafer pattern inspection system[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242

电子束硅片图形检测系统中的纳米级对焦控制技术

doi: 10.3788/CO.20191202.0242
基金项目: 

极大规模集成电路制造装备及成套工艺(国家02专项)资助项目 2012ZX02701004

详细信息
    作者简介:

    郭杰(1993-), 男, 陕西西安人, 硕士研究生, 主要从事集成电路先导工艺与仪器装备等方面的研究。E-mail:guojie1@ime.ac.cn

    李世光(1973-), 女, 辽宁沈阳人, 博士, 副研究员, 主要从事光电检测技术及光学工程方面的研究。E-mail:lishiguang@tsinghua.org.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Nano-scale focus control technology in electron beam wafer pattern inspection system

Funds: 

Program of Manufacturing Equipment and Complete Process of Very Large Scale Integration Circuits of China 2012ZX02701004

More Information
  • 摘要: 带电粒子束成像检测技术是一种可以提供纳米级测量精度的技术,广泛应用于半导体检测中。在进行硅片检测时,要求待测硅片在扫描检测过程中一直处于电子束的焦深范围(DoF)内。本文提出一种毫米级控制范围、纳米级控制精度、高度测量时间在亚毫秒量级的粗精结合的闭环硅片高度控制技术。它的核心子系统是一套光学硅片高度测量系统,在进行粗控制时,数字相机的成像面作为一个光栅图像接收面,硅片的高度信息通过测量光栅线条在成像面上的位移获得。在接近目标高度时,数字相机的成像面作为一个虚拟的数字光栅使用。它与光学光栅图像存在一定周期差,两者构成类似机械游标卡尺的结构,本文称为光学游标卡尺,实验表明该技术可以在成像面上细分像素尺寸10×以上。当用其测量硅片高度时,粗测范围达毫米量级,粗测时间小于0.38 ms,精测分辨率小于80 nm,精测时间小于0.09 ms。利用该硅片高度测量系统进行硅片高度的初步闭环反馈控制,控制精度达到15 nm,在电子束硅片图形检测系统中具有广阔的应用前景。
  • 图  1  相机成像面上的光学光栅图像示意图

    Figure  1.  Schematic of optical grating on the imaging plane

    图  2  (a) 合成光栅图像C1,(b)合成光栅图像C2

    Figure  2.  (a)Synthetic grating image C1; (b)Synthetic grating image C2

    图  3  j变化的积分光强曲线

    Figure  3.  Integrated intensities vary with j

    图  4  j变化的归一化积分光强差分曲线

    Figure  4.  Normalized differentiation curves of integrated intensity vs j

    图  5  验证光学游标卡尺测量位移原理仿真实验结果(a)光学光栅图像A; (b)数字光栅B; (c)合成光栅图像C1; (d)随数字光栅周期变化的积分光强曲线I1I2; (e)当光栅移动2个像素时,归一化积分光强差分曲线I的变化

    Figure  5.  Simulation results of displacement measurement principle of optical vernier caliper. (a)Optical grating image A; (b)digital grating B; (c)synthetic grating image C1; (d)integrated intensity curves I1 and I2 change with digital grating periods; (e)the variation of the normalized integrated intensity differentiation curve I when the optical grating moves 2 pixels

    图  6  硅片高度测量系统示意图

    Figure  6.  Schematic of wafer height measurement system

    图  7  粗精结合的闭环控制反馈方案

    Figure  7.  Close-loop focus control flow combined with coarse control and fine control

    图  8  测试平台示意图

    Figure  8.  Schematic of the test bench

    图  9  测试平台实物

    Figure  9.  Physical test bench

    图  10  光学光栅图像

    Figure  10.  Optical grating image

    图  11  相机上光栅位移与z向位移台位移的关系曲线

    Figure  11.  Relationship between the grating displacement on the camera and the displacement of the z stage

    图  12  测量系统分辨率使用的系列图像或曲线。(a)数字光栅B;(b)合成图像C1;(c)积分光强曲线;(d)归一化积分光强差曲线;(e)对准点随硅片位置移动的关系

    Figure  12.  A series of images or curves used for measurement resolution test. (a)Digital grating B; (b)synthetic image C1; (c)integrated intensity curves; (d)normalized integrated intensity differentiation curve; (e)relationship between the alignment points and the wafer translation

    图  13  粗测与精测结果对比

    Figure  13.  Comparison between coarse measurement and fine measurement results

    图  14  目标位置与闭环控制结束后的I曲线

    Figure  14.  I curves before and after close-loop control

    表  1  硅片高度测量系统测量时间

    Table  1.   Measurement time of the wafer height measurement system

    (Unit: ms)
    次数 粗测 精测 次数 粗测 精测
    1 0.36 0.09 9 0.37 0.09
    2 0.37 0.09 10 0.37 0.09
    3 0.37 0.09 11 0.37 0.09
    4 0.37 0.09 12 0.37 0.09
    5 0.37 0.09 13 0.37 0.09
    6 0.38 0.09 14 0.37 0.09
    7 0.37 0.09 15 0.37 0.09
    8 0.38 0.09
    下载: 导出CSV
  • [1] CASS T R, HENDRICKS D, JAU J, et al.. Application of the SEMSpec electron-beam inspection system to in-process defect detection on semiconductor wafers[J]. Microelectronic Engineering, 1996, 30(1-4):567-570. doi:  10.1016/0167-9317(95)00311-8
    [2] OBERAI A, YUAN J S. Smart E-beam for defect identification & analysis in the nanoscale technology nodes:technical perspectives[J]. Electronics, 2017, 6(4):87. doi:  10.3390/electronics6040087
    [3] WILSON L. International technology roadmap for semiconductors-ITRS[R]. Washington: Semiconductor Industry Association, 2013.
    [4] MEISBURGER D, BRODIE A D, CHADWICK C, et al.. Electron beam inspection system and method: US, 5502306[P]. 1996-03-26.
    [5] WARD B W, NOTTE J A, FARKAS L S, et al.. Ion sources, systems and methods: US, 9236225[P]. 2016-01-12.
    [6] ZAFAR K, KEKARE S, CHANG E, et al.. Methods and systems for utilizing design data in combination with inspection data: US, 8923600[P]. 2014-12-30.
    [7] 许志涛, 龙科慧, 刘金国, 等.空间相机调焦机构精度检测系统设计[J].液晶与显示, 2013, 28(6):943-947. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201306024

    XU ZH T, LONG K H, LIU J G, et al.. Design of focusing mechanism accuracy detection system of space camera[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2013, 28(6):943-947.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201306024
    [8] BLAIR W W, DORAN S K, LANGNER G O. Automatic focus and deflection correction in E-beam system using optical target height measurements: US, 4468565[P]. 1984-08-28.
    [9] COLLOPY T K, HAIRE D F. High resolution automatic focus correction electronic subsystem for E-beam lithography: US, 4821196[P]. 1989-04-11.
    [10] DORAN S K, ENICHEN W A, GROVES T R, et al.. Electron beam nano-metrology system: US, 5585629[P]. 1996-12-17.
    [11] 王涛, 张涛, 张春光, 等.狭缝光栅分光特性及其对视区的影响[J].液晶与显示, 2013, 28(1):59-63. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201301011

    WANG T, ZHANG T, ZHANG CH G, et al.. Optical properties of parallax barrier and it's influence on view zone[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2013, 28(1):59-63.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201301011
    [12] WATANABE M, TAKEDA M, HAYAKAWA K, et al.. Charged particle beam apparatus and method for automatically correcting astigmatism and for height detection: US, 20060060781[P]. 2006-03-23.
    [13] SHIMIZU Y. Method for measuring resolution of charged particle beam and charged particle beam drawing apparatus: US, 20180040456[P]. 2018-02-18.
    [14] WANG J, NGUYEN V D, WANG Y X, et al.. Dynamic focus adjustment with optical height detection apparatus in electron beam system: US, 9400176[P]. 2016-07-26.
    [15] WANG Y X, NGUYEN V D, ZHANG J. Optical auto focusing system and methord for electron beam inspection tool: US, 20080302974[P]. 2008-12-11.
    [16] FABIJANSKA A. Subpixel edge detection in blurry and noisy images[J]. International Journal of Computer Science & Applications, 2015, 12(2):1-19.
    [17] GUIZAR-SICAIROS M, THURMAN S T, FIENUP J R. Efficient subpixel image registration algorithms[J]. Optics Letters, 2008, 33(2):156-158. http://d.old.wanfangdata.com.cn/NSTLQK/NSTL_QKJJ025592948/
    [18] ROSTYKU-SICAIROS M, ROSSI M, MOSER C. Compact lensless subpixel resolution large field of view microscope[J]. Optics Letters, 2018, 43(8):1654-1657. doi:  10.1364/OL.43.001654
    [19] 陈晓东, 李为民, 李静, 等.利用重心法求光斑信号位置的误差分析[J].光学技术, 2000, 26(1):5-8. doi:  10.3321/j.issn:1002-1582.2000.01.005

    CHEN X D, LI W M, LI J, et al.. Error analysis of the center of gravity method when used to get the position of a facula[J]. Optical Technique, 2000, 26(1):5-8.(in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1002-1582.2000.01.005
    [20] 李朝辉, 武克用.图像矩心内插法在空间相机实时检焦中的应用[J].光学 精密工程, 2000, 8(4):335-339. doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2000.04.008

    LI CH H, WU K Y. Application of centroid sensing method in real-time autofocusing system used in space camera[J]. Opt. Precision Eng., 2000, 8(4):335-339.(in Chinese). doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2000.04.008
    [21] 谢伦治, 卞洪林, 王振华.面阵探测器的像点亚像素定位研究[J].光学与光电技术, 2003, 1(2):51-56. doi:  10.3969/j.issn.1672-3392.2003.02.014

    XIE L ZH, BIAN H L, WANG ZH H. Study of the subpixel interpolation of image spots with matrix detectors[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2003, 1(2):51-56.(in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-3392.2003.02.014
    [22] 王海涌, 黄江艳.CCD视频幅值调节器的设计及目标精确定位算法[J].光学 精密工程, 2008, 16(6):1105-1109. doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2008.06.022

    WANG H Y, HUANG J Y. Design of CCD video amplitude controller and target precise locating algorithm[J]. Opt. Precision Eng., 2008, 16(6):1105-1109.(in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2008.06.022
    [23] 王林波, 王延杰, 邸男, 等.基于几何特征的圆形标志点亚像素中心定位[J].液晶与显示, 2014, 29(6):1003-1009. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201406024

    WANG L B, WANG Y J, DI N, et al.. Subpixel location of circle target center based on geometric features[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2014, 29(6):1003-1009.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201406024
    [24] BOONMAN M E J, BROODBAKKER P J M, NIJMEIJER G J, et al.. Off-axis levelling in lithographic projection apparatus: US, 20040130691[P]. 2004-07-08.
    [25] HIDAKA Y, NAGAYAMA T. Surface position detection apparatus, exposure apparatus, and exposure method: US, 9927713[P]. 2018-03-27.
    [26] DENBOEF A J. Optical wafer metrology sensors for process-robust CD and overlay control in semiconductor device manufacturing[J]. Surface Topography:Metrology and Properties, 2016, 4(2):023001. doi:  10.1088/2051-672X/4/2/023001
    [27] 节德刚, 刘延杰, 孙立宁, 等.基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法[J].光学 精密工程, 2007, 15(7):1077-1083. doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2007.07.014

    JIE D G, LIU Y J, SUN L N, et al.. A high speed and high precision displacement measurement methord using double grating scales[J]. Opt. Precision Eng., 2007, 15(7):1077-1083.(in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2007.07.014
    [28] 吴耀春, 萧泽新.基于光栅检测的显微镜闭环扫描控制系统的设计[J].光学与光电技术, 2008, 6(2):71-73, 77. doi:  10.3969/j.issn.1672-3392.2008.02.019

    WU Y CH, XIAO Z X. Design of microscopical closed-loop scanning and control system based on grating checks[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2008, 6(2):71-73, 77.(in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-3392.2008.02.019
    [29] RAKHMANOV M, EVANS M, YAMAMOTO H. An optical vernier technique for in situ measurement of the length of long Fabry-Perot cavities[J]. Measurement Science and Technology, 1999, 10(3):190-194. doi:  10.1088/0957-0233/10/3/013
    [30] CHEN F F, FENG J, HONG ZH W. Digital sun sensor based on the optical vernier measuring principle[J]. Measurement Science and Technology, 2006, 17(9):2494-2498. doi:  10.1088/0957-0233/17/9/017
    [31] 赵斌.环栅图像的数字莫尔条纹扫描定中方法[J].光学 精密工程, 2002, 10(1):19-24. doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2002.01.004

    ZHAO B. Digital moire fringe scanning method for centering ring grating images[J]. Opt. Precision Eng., 2002, 10(1):19-24.(in Chinese). doi:  10.3321/j.issn:1004-924X.2002.01.004
  • [1] 王俊尧, 宋延嵩, 佟首峰, 姜会林, 董岩, 董科研, 常帅.  空间激光通信组网反射镜联动跟踪控制技术 . 中国光学, 2020, 13(3): 537-546. doi: 10.3788/CO.2019-0176
    [2] 范文强, 王志臣, 陈宝刚, 李洪文, 陈涛, 安其昌, 范磊.  地基大口径拼接镜面主动控制技术综述 . 中国光学, 2020, 13(6): 1-15. doi: 10.37188/CO.2020-0032
    [3] 闫钰锋, 于洋, 白素平, 倪小龙, 张晖, 于信.  板条激光器光束质量控制技术研究进展 . 中国光学, 2019, 12(4): 767-782. doi: 10.3788/CO.20191204.0767
    [4] 张鲁薇, 王卫兵, 王锐, 王挺峰, 郭劲.  基于正解过程的Risley棱镜光束指向控制精度分析 . 中国光学, 2017, 10(4): 507-513. doi: 10.3788/CO.20171004.0507
    [5] 申帅, 张葆, 李贤涛, 张士涛.  基于伪微分和加速度反馈的航空光电稳定平台控制方法 . 中国光学, 2017, 10(4): 491-498. doi: 10.3788/CO.20171004.0491
    [6] 邓永停, 李洪文, 王建立, 刘京.  基于自适应滑模控制的大型望远镜低速控制 . 中国光学, 2016, 9(6): 713-720. doi: 10.3788/CO.20160906.0713
    [7] 吕世良, 刘金国, 王晓茜.  对地观测高分辨率TDICCD相机调焦控制系统设计 . 中国光学, 2015, 8(6): 1013-1019. doi: 10.3788/CO.20150806.1013
    [8] 邓永停, 李洪文, 王建立.  大型望远镜交流伺服控制系统综述 . 中国光学, 2015, 8(6): 895-908. doi: 10.3788/CO.20150806.0895
    [9] 靳刚, 温馨, 杨保东, 何军, 王军民.  采用声光频移器反馈控制实现激光强度稳定 . 中国光学, 2014, 7(2): 234-239. doi: 10.3788/CO.20140702.0234
    [10] 王卫兵, 王挺峰, 郭劲.  星载光电捕获跟踪瞄准控制技术分析 . 中国光学, 2014, 7(6): 879-888. doi: 10.3788/CO.20140706.0879
    [11] 高志良.  高光谱成像仪等效焦面装调模组设计 . 中国光学, 2014, 7(4): 644-650. doi: 10.3788/CO.20140704.0644
    [12] 范大鹏, 周远, 鲁亚飞, 黑墨, 熊飞湍, 李凯.  旋转双棱镜光束指向控制技术综述 . 中国光学, 2013, 6(2): 136-150. doi: 10.3788/CO.20130602.0136
    [13] 关奉伟, 刘巨.  空间光学遥感器大功率控制电箱的热设计 . 中国光学, 2013, 6(6): 919-929. doi: 10.3788/CO.20130606.919
    [14] 饶丰.  大焦深人工晶体的设计 . 中国光学, 2012, 5(5): 485-492. doi: 10.3788/CO.20120505.0485
    [15] 李 娜, 王 红.  激光驾束观瞄制导仪参数检测系统 . 中国光学, 2010, 3(3): 285-289.
    [16] 邓文渊, 李春, 金春水.  电子束蒸发和离子束溅射HfO2紫外光学薄膜 . 中国光学, 2010, 3(6): 630-636.
    [17] 陈静, 赵建, 周游.  基于平均预测残差的H.264宏块层码率控制算法 . 中国光学, 2009, 2(6): 531-537.
    [18] 郝影, 孔梅, 卢俊.  带有增益的单微环谐振器的光速控制行为 . 中国光学, 2009, 2(6): 482-488.
    [19] 李娜, 丁亚林, 周九飞, 鲍金河, 郑飞.  基于TMS320F2812控制器的自动调光系统设计 . 中国光学, 2009, 2(4): 340-345.
    [20] 赵 柱, 续志军, 王显军, .  基于运动控制技术的编码器自动检测系统 . 中国光学, 2009, 2(2): 134-139.
  • 加载中
图(14) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  555
  • HTML全文浏览量:  224
  • PDF下载量:  157
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-23
  • 修回日期:  2018-05-04
  • 刊出日期:  2019-04-01

电子束硅片图形检测系统中的纳米级对焦控制技术

doi: 10.3788/CO.20191202.0242
    基金项目:

    极大规模集成电路制造装备及成套工艺(国家02专项)资助项目 2012ZX02701004

    作者简介:

    郭杰(1993-), 男, 陕西西安人, 硕士研究生, 主要从事集成电路先导工艺与仪器装备等方面的研究。E-mail:guojie1@ime.ac.cn

    李世光(1973-), 女, 辽宁沈阳人, 博士, 副研究员, 主要从事光电检测技术及光学工程方面的研究。E-mail:lishiguang@tsinghua.org.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

摘要: 带电粒子束成像检测技术是一种可以提供纳米级测量精度的技术,广泛应用于半导体检测中。在进行硅片检测时,要求待测硅片在扫描检测过程中一直处于电子束的焦深范围(DoF)内。本文提出一种毫米级控制范围、纳米级控制精度、高度测量时间在亚毫秒量级的粗精结合的闭环硅片高度控制技术。它的核心子系统是一套光学硅片高度测量系统,在进行粗控制时,数字相机的成像面作为一个光栅图像接收面,硅片的高度信息通过测量光栅线条在成像面上的位移获得。在接近目标高度时,数字相机的成像面作为一个虚拟的数字光栅使用。它与光学光栅图像存在一定周期差,两者构成类似机械游标卡尺的结构,本文称为光学游标卡尺,实验表明该技术可以在成像面上细分像素尺寸10×以上。当用其测量硅片高度时,粗测范围达毫米量级,粗测时间小于0.38 ms,精测分辨率小于80 nm,精测时间小于0.09 ms。利用该硅片高度测量系统进行硅片高度的初步闭环反馈控制,控制精度达到15 nm,在电子束硅片图形检测系统中具有广阔的应用前景。

English Abstract

郭杰, 李世光, 赵焱, 宗明成. 电子束硅片图形检测系统中的纳米级对焦控制技术[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242
引用本文: 郭杰, 李世光, 赵焱, 宗明成. 电子束硅片图形检测系统中的纳米级对焦控制技术[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242
GUO Jie, LI Shi-guang, ZHAO Yan, ZONG Ming-cheng. Nano-scale focus control technology in electron beam wafer pattern inspection system[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242
Citation: GUO Jie, LI Shi-guang, ZHAO Yan, ZONG Ming-cheng. Nano-scale focus control technology in electron beam wafer pattern inspection system[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 242-255. doi: 10.3788/CO.20191202.0242
    • 随着微电子技术的迅速发展,极大规模集成电路生产已经进入十几纳米技术节点时代。带电粒子束成像检测技术作为一种可以提供纳米级精度的测量技术,在半导体行业获得了广泛应用[1-2]。在进行硅片检测时,为了得到高质量的硅片图形,要求待测硅片在扫描检测过程中一直处于带电粒子束的焦深范围(DoF)内。根据ITRS公布的半导体技术路线图可知[3],随着技术节点的不断下移,电子束的DoF逐渐减小,而当前在电子束检测系统中,工件台的高度移动范围或硅片的平整度却很少改变,这就要求人们在进行对焦控制时,既要保持大的控制范围(例如100 μm以上),同时保持高的控制精度(例如100 nm)。为了提高检测效率,对焦控制时间的要求也更苛刻。

      在电子束检测系统中,通常用两种方法将待测硅片置于电子束DoF内:(1)调整磁透镜电流或静电透镜电压,从而调整电磁透镜的焦距,使硅片位于带电粒子束的最佳焦平面上。这种方法耗时,且基板由于长时间照射,容易损坏。KLA-Tencor的研究表明,由于磁透镜的滞后效应,通过调整透镜电流控制电子束聚焦相对于运动台的运动过于缓慢,容易造成图像模糊不清[4-6],因此该方法通常只是偶尔使用。(2)在硅片连续扫描过程中,人们均采用实时调整Z向工件台的方式,使待测硅片表面处于电子束的DoF内。调整过程中,一个光学装置连续测量待测硅片表面距离某一参考平面的高度,该参考平面通常为事先设计或标定的最佳成像面,并将该高度作为反馈信号,调整工件台到达该参考平面位置[7-15]。IBM公司的William W.Blair等人基于硅片表面位置的变化会引起狭缝像的水平移动原理,将被LED照明的一个横向的狭缝成像至硅片表面,经硅片反射后被探测器接收来测量硅片高度[7-10]。Hitachi公司将被照明的光栅平行投射到硅片表面,用一个线阵探测器接收[11-13],为了减小局部反射率偏差的影响,采用了双路对称光路设计。Hermes Microvision公司将被照明的光栅成像至硅片表面,并进一步用一个数字相机接收[14-15]。这些光学方法大多以狭缝或光栅为物,通过投影的方式投射到硅片表面,经硅片反射后被相机或探测器接收,硅片高度通过狭缝或光栅图像在探测器上的位移得到。这些光学方法均采用图像识别技术,测量范围较大,但无法突破探测器的像素尺寸限制。目前,数码相机的最小像素大约为2 μm,即使采用细分像素技术[16-21],测量分辨率的提升依然有限。王海涌等人利用灰度重心法细分像素,可细分1/10像元,但这仅针对灰度对称光点,对光栅图形的细分能力没有报道[22]。王林波等人同样对圆形标志点目标的中心进行定位,获得0.023 7像素的定位精度,但该方法也不适用于光栅图案[23]。另外,在进行硅片图形检测时,硅片上各种复杂的图案将影响光栅的亮度均匀性,从而影响测量精度。为了消除亮度不均匀对测量精度的影响,需要综合使用各种图像处理算法,延长了测量时间。

      对焦控制不仅应用于半导体检测设备,在光刻设备中也同样有应用[24-26]。本文受ASML的高速、纳米级测量分辨率的调焦调平传感器的启发,提出一种光学游标卡尺技术[24]。在该传感器中,一个投影光栅成像在硅片上,经硅片反射后成像在两个互补的探测光栅上,形成两组莫尔条纹。这里“互补”指两光栅空间上错位半个周期,从而第一光栅透光/挡光区域为第二光栅挡光/透光区域。投影光栅和探测光栅周期相同。为了记录并分开这两组莫尔条纹,在探测光栅后放置一个光学成像分离系统。两组莫尔条纹经过该系统后,或时间或空间地分开成像,被光电探测器接收。由于探测光栅的作用是挡光与透光,以便使某些光到达探测器,有些光则不能到达,受其启发,作者想到如果将光电探测器替换为数字相机,且将挡光区域的信号清除,透光区域的信号保留,应该可以达到相同的效果。此时,数字相机上的像素阵列充当一个信号滤波器。经过这种改变后,不再需要物理上的探测光栅、制造两个互补探测光栅的光学结构和后续的莫尔条纹成像分离系统,整个结构变得与基于光栅图像识别技术的硅片高度测量系统一样简单,且有望保持高速、高分辨率的特性。该系统的另一个主要改进是使投影和探测光栅从原来的等周期变为有一定的周期差。该想法受到这样一个事实的启发:光电探测器不能分辨单根光栅线,而数字相机可以很容易做到这点。光电探测器只能探测所有透射光的光强,即光电探测器得到的信号是从探测光栅透过的所有透射光的积分。这种情况下,为了在线测量硅片高度,需要事先标定一个高度-信号曲线,而该曲线对探测器噪声水平、入射光强稳定性、光电探测器的一致性、关键元器件的安装精度、机械漂移等均敏感,因此该方案对这些因素提出了严格要求。但当采用数字相机和有一定周期差的投影光栅和探测光栅时,人们通过寻找下文所述的光学游标卡尺对准点的方式获得硅片高度信息,不需要上述标定曲线,因此对这些因素具有高的容忍度,从而降低研发难度。

      基于以上设想,本文提出一种光学游标卡尺测量技术,该技术与基于图像识别的测量技术共同采用一套测量系统,通过对同一幅光栅图像进行不同的数据处理分别获得硅片的粗高度信息和精高度信息。粗高度信息采用光栅图像识别技术得到[27-28],精高度信息通过光学游标卡尺测量技术得到。在进行对焦控制时,采用粗精结合的对焦控制方案。粗高度信息用于硅片的粗对焦控制,保持大的控制范围。当通过粗对焦控制将硅片移动到目标位置附近时,运用精高度信息进行高精度控制,使硅片以纳米级精度保持在电子束检测系统的焦深范围内。

    • 机械游标卡尺广泛应用于尺寸测量中,它通过两个具有一定间距差的定尺和游标尺测量尺寸。在光学领域,人们也尝试用这种间距差概念来达到某些测量目的,例如LIGO项目中采用两个不同波长的激光产生的拍频来测量40 m长法布里-珀罗谐振腔的长度,测量精度达4 mm[29],Chen等人在CCD光学传感器上方放置一个移动的光栅,通过一束平行光穿过该光栅照射到CCD面上的方法测量太阳角度,测量精度达0.02°[30]。赵斌在数字相机上构造一个虚拟环栅,与环栅状光斑像重叠,虚拟环栅与环栅状光斑之间存在一个小的光栅周期差,从而产生莫尔条纹,根据莫尔条纹精确寻找光斑中心[31]。本文将在数字相机上构造两个虚拟的数字光栅,代替文献[24]中的探测光栅,与光学光栅像重叠,同时令两光栅之间存在小量周期差,来精确测量位移,以下为测量原理。

      设一个占空比为1:1的振幅型光栅在数字相机成像面上成像,图 1方框区域代表光栅中的透光线条,光栅像周期为:

      (1)

      图  1  相机成像面上的光学光栅图像示意图

      Figure 1.  Schematic of optical grating on the imaging plane

      其中,n(≥1)是一个以像素为单位的整数,|Δn|/n<0.5,Δn可以为正,也可以为负。图 1中,n=2,Δn为正。

      光栅像的强度分布用矩阵A表示为:

      (2)

      下标中前两位代表行数,后两位代表列数。

      图 1中一系列小方块代表成像面上的光学传感器阵列,例如CCD阵列或CMOS阵列。虚拟的数字光栅采用如下方式构造:将n行相邻的像素设置为信号保留区域,代表探测光栅中的透光区域,用“1”表示,将下面n行相邻的像素设置为信号滤除区域,用“0”表示,代表探测光栅中的挡光区域,以此类推。图 1中,灰色方块代表该像素上的光强信号被保留,白色方块代表该像素上的信号被滤除。这种信号保留或滤除功能用矩阵B表示为:

      (3)

      当“1”“0”排列类似光学光栅的周期性结构时,本文称其为数字光栅,一组相邻的状态为“1”的像素构成一条数字光栅线,数字光栅线之间状态为“0”的像素构成间隔。该数字光栅周期为:

      (4)

      经过B的选择性保留或滤除,光栅图像A转变为一个新的光栅图像,如图 2(a)所示,白色区域完全没有光强信号,灰色区域的光强信号被保留。该合成图像用矩阵表示为:

      (5)

      图  2  (a) 合成光栅图像C1,(b)合成光栅图像C2

      Figure 2.  (a)Synthetic grating image C1; (b)Synthetic grating image C2

      该式含义为:保留某像素上的信号相当于该像素上的信号乘以1,滤除该像素上的信号相当于该信号乘以0。

      另一个互补的数字光栅通过将式(3)中的“1”“0”互换得到,其矩阵表示为:

      (6)

      同样可以用图 1中的一系列灰白方块表示,但此时灰色方块代表该像素上的信号被滤除,白色方块代表该像素上的信号被保留。经过的选择性过滤,新的光栅图像如图 2(b)所示。灰色区域内完全没有光栅信号,白色区域内的光栅信号被保留。该合成图像用矩阵表示为:

      (7)

      采用上述方法,人们在一个光学传感器上构造了两个虚拟的互补的数字光栅B,借助同一幅光学光栅图像和该数字光栅产生了两幅合成光栅图像C1C2。上述变换的本质是将一幅完整的光学光栅图像间隔性地分割为两幅图像,该分割的周期为一个数字光栅周期。图示的数字1~4代表数字光栅边界,该边界将一根光栅线一分为二,一部分在图像C1中,一部分在图像C2中。两部分的光强总和为该光栅线的总光强。

      令构造的数字光栅与光学光栅像之间存在一个小的周期差Δp,即Δp=(po-pdp,其中p为像素尺寸。由图 12可见,在某位置处,例如边界3处,某根光栅线被平分成两部分,分别处于C1C2中,该等光强位置称为对准点。当光栅上下移动Δp距离,该对准点将跨越一个数字光栅周期,到达边界4或2。通过测量对准点跨越的数字光栅周期数Δx,乘以周期差Δp,可得到光栅的位移,即

      (8)

      该测量方法与机械游标卡尺类似,均通过两个周期性结构的周期差获得位移信息,本文称为光学游标卡尺,其中数字光栅为定尺,光学光栅像为游标尺。同样类似于机械游标卡尺,两周期性结构的周期差Δp为光学游标卡尺的直接测量分辨率,它不依赖于像素尺寸,当Δpp时,像素被细分。Δp相对于像素尺寸越小,细分能力越强。

      由于制造工艺等原因,直接测量分辨率Δp很难达到纳米量级,且对准点难以从图像上直接寻找,需要进一步进行数据处理。对C1C2中的一系列保留区域进行光强积分,即:

      (9)
      (10)

      其中,下标1、2代表C1C2的序号,jC1C2中从上向下数信号保留区域的序号,图 1中,j=1~4。j与图中的边界号相同,相邻序号之间的物理间隔为一个数字光栅周期的宽度。xy为像素阵列上的列数和行数,I(xy)为在像素点(xy)上的光强,将I1jI2j分别连成曲线,如图 3所示,纵轴为积分光强,横轴为序号j。由于光学光栅与数字光栅之间存在周期差,C1C2中,j相同的两保留区域的积分光强随着j的变化而变化,该变化由图 2也可以直观看出。但在j=3时,I13=I23,即边界3平分某条光栅线,此处即为对准点。当光栅向下移动Δp时,I1I2曲线为虚线形式,对准点跨越到2。通常地,设Pt为目标位置处的对准点位置,Px为光栅发生位移后的对准点位置,通过计算Δx=Px-Pt,并乘以周期差Δp,可以得到光栅距离目标位置的位移D,即采用积分光强曲线计算光栅时,式(8)仍然适用。当光学游标卡尺由直观的图像解释转变为积分光强曲线后,对准点位置脱离数字光栅边界位置,而成为成像面上任意位置,即I1I2曲线交叉点可在成像面上任意位置,而该位置可通过对I1I2曲线进行拟合得到。事实上,通过曲线拟合寻找对准点是对Δx的细分,有望将测量分辨率提高到更高水平。

      图  3  随j变化的积分光强曲线

      Figure 3.  Integrated intensities vary with j

      在进行硅片图形检测时,硅片图形极易造成各个位置处反射率不同,从而导致光栅图像亮度不均匀。为了减小亮度不均匀对测量精度的影响,在光学游标卡尺技术中,对I1I2进行归一化差分处理,即令Ij=(I1j-I2j)/(I1j+I2j),如图 4所示,图中实线和虚线分别为图 3中实线和虚线的归一化光强差分曲线。I曲线的对准点在I=0的位置。后续分析和实验均基于I曲线进行。由于横轴序号j理解上比较抽象,在实际应用中,当人们只关心硅片高度相对于目标高度的相对值时,j用数字光栅周期数表示。

      图  4  随j变化的归一化积分光强差分曲线

      Figure 4.  Normalized differentiation curves of integrated intensity vs j

      为确定光学游标卡尺测量位移的有效性,进行如下仿真。设一条光学光栅线包含41个像素,一条数字光栅线包括40个像素,两者的周期差Δp为2个像素。图像尺寸为4000 pixel×4000 pixel。光学光栅像在垂直方向上的光强变化函数为:

      (11)

      其中,i是光栅的周期数,m1是每个光学光栅周期内的像素序号,m1=1…82,D为光栅在相机上的位移。在目标位置处,D设为0。振幅为12.5,随意设定。该光学光栅像如图 5(a)所示,其左侧为光强起伏。

      图  5  验证光学游标卡尺测量位移原理仿真实验结果(a)光学光栅图像A; (b)数字光栅B; (c)合成光栅图像C1; (d)随数字光栅周期变化的积分光强曲线I1I2; (e)当光栅移动2个像素时,归一化积分光强差分曲线I的变化

      Figure 5.  Simulation results of displacement measurement principle of optical vernier caliper. (a)Optical grating image A; (b)digital grating B; (c)synthetic grating image C1; (d)integrated intensity curves I1 and I2 change with digital grating periods; (e)the variation of the normalized integrated intensity differentiation curve I when the optical grating moves 2 pixels

      数字光栅B的数值表示为:

      (12)

      m2是每个数字光栅周期内的像素序号,m2=1…40,其他像素值为0。数字光栅B及其数值起伏见图 5(b)

      图 5(a)中的光学光栅像矩阵A图 5(b)中的数字光栅矩阵B进行点乘,生成对应的C1图像,如图 5(c)所示,图中C2没有显示。图 5(d)为积分光强I1I2随数字光栅的周期变化曲线。正弦形状来源于光栅像的正弦强度分布。其归一化光强差分曲线I图 5(e)中实线所示。当图 5(a)中的光栅向下移动Δp=2个像素时,I曲线如图 5(e)中虚线所示,对准点位置变化了一个数字光栅周期,结果与理论分析一致。

      图 5(e)的I曲线是个周期曲线。当Δp>0时,I曲线一个周期内包含的数字光栅周期数为:

      (13)

      当Δp<0时,I曲线一个周期内包含的数字光栅周期数为:

      (14)

      图 5中光学光栅周期为82像素,数字光栅周期为80像素,即p=80,Δp=2,则I曲线一个周期包括41个数字光栅周期,与图 5(e)仿真结果吻合。

      由以上分析可知,光学游标卡尺技术测量分辨率与像素尺寸无关,仅与Δp有关,Δp相对于像素尺寸越小,则该技术对像素的细分能力越强,测量分辨率越高,这是该技术突破像素限制的根本原因。该技术仅对图像光强进行求和及归一化差分处理,不涉及其他图像处理算法,有望提高测量速度。同时该技术通过光学归一化差分有效抑制硅片图案对测量精度的影响,有望提高测量精度。

      对于同一幅光学光栅像,人们除了可以用光学游标卡尺测量位移外,还可以通过直接读取光栅线条在像面的移动量获得光栅的移动信息。这意味着,对于同一幅光学光栅像,人们有两种方式获得它的位移信息。这种通过两种数据处理方式分别获得光栅粗精位移信息的思想为采用同一套光学系统分别进行粗精结合的对焦控制提供了可能。

    • 粗精结合的硅片高度闭环控制方案的核心子系统是一套光学硅片高度测量系统,它的原理性结构如图 6所示,LED通过照明光学系统照明一块光栅,光栅经过一套投影系统成像在硅片表面,在硅片表面反射后,再经过一套探测系统成像在数字相机表面。孔径光阑位于投影系统的前焦点处,从而使投影系统为像方远心光路,探测系统为物方远心光路,该光阑同时阻挡不必要杂光。严格说来,本系统需要两个光阑,一个放置在探测系统后焦面,作为孔径光阑,一个放在投影系统前焦面,作为消杂光光阑。当硅片在垂直方向移动h时,根据光学三角法原理[24]图 6知,相机表面的光栅像相应移动D,两者间的关系满足:

      (15)

      图  6  硅片高度测量系统示意图

      Figure 6.  Schematic of wafer height measurement system

      其中,α为光束入射角,M为探测系统放大倍率,k为比例系数。在粗测模式下,D通过直接测量某条光栅线在像面上的位移获得,在精测模式下,D通过公式(8)获得。

      硅片高度闭环控制方案如图 7所示。首先记录最佳焦平面位置处的光栅图像,该位置称为目标位置。在本方案中,记录两个目标高度:粗目标高度a和精目标高度ba为测量光栅上某条光栅线(例如光栅最上边一条的上边沿)在像面上的位置,b为光学游标卡尺当前对准点的位置。当硅片离开目标位置后,首先测量第一条光栅线上边沿位置a′,并与a比对,获得硅片移动的粗高度信息,通过该信息调整工件台移动到某阈值范围Tc内。Tc稍小于精测模式的测量范围。精测模式下,通过计算对准点跨越的数字光栅周期数,获得系统当前高度b′的精确值,与目标高度b进行比对,获得硅片移动的精高度信息,通过该信息调整工件台移动到某阈值范围Tf内。当Δb在一段时间内小于Tf后,表明高度调整到位,结束反馈,输出z向工件台调整到位的信息给电子束检测系统,以便进行下一步动作。

      图  7  粗精结合的闭环控制反馈方案

      Figure 7.  Close-loop focus control flow combined with coarse control and fine control

    • 为了验证光学游标卡尺技术的有效性和粗精结合的对焦控制方案的可行性,进行了系列实验。进行这些实验的测试平台如图 8所示,测试平台实物如图 9所示。该测试平台中心为一个假镜筒,仿真电子光学系统的机械结构,硅片高度测量系统安装在假镜筒两侧。它分为两个支路,一个支路为投影支路,将光栅以84°入射角投射到硅片上;另一个支路为探测支路,将从硅片反射的光汇聚到相机(Basler acA 2500-20gm)成像面上,相机像素尺寸为2.2 μm。相机与计算机相连,计算机记录光栅图像。在假镜筒下方放置z向位移台,位移台采用Piezosystemjena公司的PZ 100 SG型压电陶瓷z向位移台,其闭环控制精度为±0.2%,行程为80 μm,控制电压为0~10 V。在进行硅片高度闭环反馈控制实验时,对位移台驱动器进行控制采用的板卡为研华的PCI-1723控制板卡。本光学系统总放大倍率为2.2×,探测系统放大倍率为-0.96×。光栅尺寸为1.2 mm×0.406 μm,光栅上有20个光栅周期,一个光栅周期为20.30 μm。在系统测试前,首先标定目标高度。标定方式如下:将一个带有参考反射镜的参考反射镜工具高精度固定于假镜筒下方,该反射镜的高度为设计的电子束最佳焦平面位置。测试过程中,将闭环控制的工件台位移高度作为一个精度为±0.2%的参考高度,与采用光学游标卡尺技术或图像识别技术得到的高度值进行比较。

      图  8  测试平台示意图

      Figure 8.  Schematic of the test bench

      图  9  测试平台实物

      Figure 9.  Physical test bench

    • 以4 μm间距向上移动z向位移台共80 μm,得到一系列如图 10所示的光栅图像。寻找每幅图像中从上向下数第一条光栅线的光强极大值的位置,得到如图 11所示关系曲线,横轴为z向位移台的位移,设初始位置为0,纵轴为相机上第一条光栅线相对于初始位置的位移。该曲线斜率为光栅线宽度为10.658个像素。为了得到最小的光栅周期差,进而得到最高的测量分辨率,构造一个数字光栅B,如图 12(a)所示。取一条数字光栅线的宽度为11个像素,是因为11为最接近10.658的整数,此时在像面处的直接测量分辨率为:2×(11-10.658)×2.2 μm=1.5 μm。根据式(15)和测量得到的k值,可以预测本系统的直接高度测量分辨率为1.5×0.49=0.735 μm。合成图像C1图 12(b)所示。C2未显示。根据C1C2,得到积分光强曲线I1I2图 12(c)所示。根据I1I2,进一步得到I曲线如图 12(d)所示。根据式(14)以及光学光栅和数字光栅周期宽度,I曲线一个周期应包含31.26个数字光栅周期,即半个I周期大约包含16个数字光栅周期,图 12(d)实测结果显示约16个数字光栅周期构成1/2个I曲线周期,与理论分析吻合。另外,图 10所示光栅图像存在整体光强不均匀,因此图 12(c)I1I2曲线对称性较差,经过光强归一化差分后,图 12(d)中的I曲线对称性显著提高,体现了I曲线对光强变化的不敏感性。对准点位置可通过对I曲线拟合得到。计算对准点位置时,选取对准点附近线性度较好的数据即可,为了消除局部光强变化造成的影响,建议适当多取一式(15)中的比例系数k。重复测量5次,得到平均的比例系数k=0.49,根据式(15)计算的设计值为0.52,两者存在一定差异。分析表明,该差异是由系统放大倍率变化造成的,即因为本系统不是双远心系统,光栅或相机的移动引起了放大倍率的变化。该相机幅面高度为2.76 mm,根据式(15),对应到硅片处的高度范围为1.35 mm。在该范围内,均可以在像面上发现光栅线条,并粗测它的高度,即本系统的粗测范围为1.35 mm。当采用更大幅面的光学传感器,粗测范围可以进一步扩大。

      图  10  光学光栅图像

      Figure 10.  Optical grating image

      图  11  相机上光栅位移与z向位移台位移的关系曲线

      Figure 11.  Relationship between the grating displacement on the camera and the displacement of the z stage

    • 首先测量光栅线条宽度:利用Matlab软件,在图 10所示的图像左、中、右3个位置分别测量最上面和最下面光栅线条的光强极大值位置,将该位置作为光栅线的准确位置,除以中间包含的光栅周期数,得到光栅周期,光栅线宽度为光栅周期的1/2。对3次测量结果取平均,得到平均的些点进行拟合。本例中选取线性度较好的方块中的10个点,对I曲线进行三阶多项式拟合,对准点位置为该拟合曲线的3个根中的一个有意义的根。

      图  12  测量系统分辨率使用的系列图像或曲线。(a)数字光栅B;(b)合成图像C1;(c)积分光强曲线;(d)归一化积分光强差曲线;(e)对准点随硅片位置移动的关系

      Figure 12.  A series of images or curves used for measurement resolution test. (a)Digital grating B; (b)synthetic image C1; (c)integrated intensity curves; (d)normalized integrated intensity differentiation curve; (e)relationship between the alignment points and the wafer translation

      z向位移台从0 μm开始,以步长为0.01 V向上移动,对应80 nm的位移梯度,得到不同高度处的对准点位置,如图 12(e)所示,测量重复5次。除了数据1、2、3、4外,80 nm的高度梯度可被清晰分辨。重新检查aa′,bb′的原始光栅图像,发现当电压升高时,光栅确实下降。在cc′,dd′位置,发现当电压升高时,光栅确实在0.001个数字光栅周期(对应光栅位移D=0.001×1.5 μm=1.5 nm)的对准点不确定性范围内保持不动。图 12(e)的测量结果真实地反映了这种不正常情况。这种不正常可能由测量环境的不稳定性造成。根据式(15),80 nm高度分辨率对应到像面上为163 nm,远远小于像素尺寸2.2 μm,像素被有效细分了10×之多。这5次测量曲线之间存在一定偏移。这是因为本测试平台受安装或环境影响,其测量结果存在0.7 μm/h的漂移造成的。80 nm的高度梯度比直接测量分辨率0.735 μm小将近10倍,意味着当对曲线进行归一化差分和多项式拟合后,直接测量分辨率被细分了将近10倍,达到了纳米量级。除了在0 μm附近进行5次测量外,还分别在40 μm和80 μm附近重复测量4次和5次,线性拟合这14次测量结果,得到硅片高度与数字光栅周期数之间的平均比例系数k′=0.704 μm/count,该k′即为实测的直接测量分辨率,与预测的0.735 μm略有不同。分析表明,该误差与式(15)比例系数k的误差来源于同一个误差源,即系统放大倍率误差。总的来说,硅片高度测量的直接分辨率Δp由探测系统放大倍率,系统总的放大倍率,光束到硅片的入射角,光学光栅和数字光栅周期决定。这些因素发生变化时,该系统的直接测量分辨率也相应发生变化。实验中系统的硅片高度测量分辨率为80 nm,达到纳米量级,对应到像面上为160 nm,将像素尺寸2.2 μm细分了10×之多。

    • 硅片高度测量系统的测量时间定义为从程序获得图像到计算出高度的时间,包括粗测硅片高度时间和精测硅片高度时间。表 1列出了15次的测量结果。该测试在一台个人台式电脑上进行,该电脑采用Windows 1064位操作系统,8G内存,8核CPU,主频为3.6 GHz,编程语言为C++语言。粗测最长时间为0.38 ms,精测时间为0.09 ms,总的测试时间达到了亚毫秒量级。

      表 1  硅片高度测量系统测量时间

      Table 1.  Measurement time of the wafer height measurement system

      (Unit: ms)
      次数 粗测 精测 次数 粗测 精测
      1 0.36 0.09 9 0.37 0.09
      2 0.37 0.09 10 0.37 0.09
      3 0.37 0.09 11 0.37 0.09
      4 0.37 0.09 12 0.37 0.09
      5 0.37 0.09 13 0.37 0.09
      6 0.38 0.09 14 0.37 0.09
      7 0.37 0.09 15 0.37 0.09
      8 0.38 0.09
    • 现有技术中,采用图 6所示光学系统测量硅片高度的做法即为本文采用的粗测方法,即通过跟踪某根光栅线的位置变化获得硅片高度信息。本文采用粗测和精测两种模式同时测量了工件台在加电状态下的稳定性。保持工件台控制电压不变,观察光栅位移,得到粗测和精测的两种测量结果,如图 13所示,精测结果比粗测结果明显平滑很多。本实验重复了6次,结论相同。根据机械漂移常识,图 13的精测结果更加精确。造成差别的原因是:尽管粗测时采用了图像(实际是选取的左、中、右3条垂直方向光强曲线)滤波、光强差分、阈值设定和像素细分等图像处理方法,但仍然无法完全摆脱像素限制,而精测时采用光学游标卡尺技术,其测量分辨率与像素尺寸无关,通过对光强信号进行积分、归一化差分和多项式拟合等处理,进一步提高了测量分辨率,达到了纳米量级。

      图  13  粗测与精测结果对比

      Figure 13.  Comparison between coarse measurement and fine measurement results

    • 根据闭环反馈控制方案,首先设定某个高度为目标高度,记录该高度下的粗测目标位置和精测目标位置。随后随机移动位移台,使位移台高度相对目标高度产生偏离,此时开启闭环控制模式,观察其能否回归到目标高度。反馈结束后,肉眼已无法从图像上直观分辨反馈前后的区别。借助曲线I进行观察,如图 14所示。反馈前对准点在13.543 7个数字光栅周期数处,反馈后对准点在13.567 7个数字光栅周期数处,两对准点之差为1.28×0.024×0.49×1000=15 nm,其中1.28为光学光栅像与数字光栅周期差Δp。进行本实验时,采用了像素为5.6 μm的相机,一条光栅线占据4.114个像素,构造的数字光栅线宽为4个像素,因此光学光栅像与数字光栅的周期差Δp=(4.114-4)×5.6×2=1.28 μm。0.024为反馈前后的数字光栅周期数之差Δx,0.49为从相机位移对应到z向位移台位移的比例系数k。可见,回归到目标位置的精度可达15 nm。本实验的控制范围受到z向位移台行程的限制,为80 μm。实验测得的闭环控制精度为15 nm,小于硅片高度测量系统的测量分辨率80 nm。其原因在于:采用图 9装置进行分辨率测量时,控制电压的精度仅为0.01 V左右,对应80 nm硅片高度变化,同时测试平台处于普通隔振平台上,没有环境保护,测试环境对分辨率测试结果也产生了不可忽视的影响。从闭环控制结果看,该高度测量系统的实际分辨率应远小于80 nm,真实数值需要改善测试平台后再次检测。

      图  14  目标位置与闭环控制结束后的I曲线

      Figure 14.  I curves before and after close-loop control

    • 在电子束硅片图形检测系统中,精密的对焦控制是保证成像质量的关键。随着半导体技术向1x nm甚至x nm技术节点下行,对焦控制精度将逐渐达到纳米量级。在对焦控制中,一个关键的子系统是硅片高度测量系统,它提供对焦控制的反馈信号,以便工件台移动到目标位置。它的测量范围和分辨率决定了对焦控制最终可能达到的控制范围和精度,它的测量时间决定了对焦控制最终可能的最短控制时间。基于光栅成像的硅片高度测量技术广泛应用于电子束检测系统的硅片高度测量中,它的测量分辨率受到光学传感器像素尺寸的限制。本文利用这种成像系统,提出一种新型的光学游标卡尺测量技术,在像面上得到163 nm的测量分辨率(有效细分像素尺寸2.2 μm 10×以上)。该技术的关键因素是将一个单纯的光学传感器转变为两个互补的数字光栅单元,且令光学光栅像和数字光栅之间有个小量的周期差。当光学光栅图像与数字光栅重叠时,形成类似机械游标卡尺的光学游标卡尺结构,通过测量对准点的移位获得像面上光栅位移信息。根据这种新型的光学游标卡尺技术,结合目前普遍采用光栅图像识别技术,本文提出一种粗精结合的对焦控制方案,对同一幅光栅图像进行两种处理:大范围对焦控制时,直接测量光栅在像面上的位移得到硅片高度信息;在即将达到目标高度时,将数字相机成像面转化为数字光栅,形成光学游标卡尺结构,精确测量光栅距离目标位置的高度。实验结果表明,该硅片高度测量系统粗测范围可达毫米量级,粗测时间小于0.38 ms,精测分辨率小于80 nm,精测时间为0.09 ms,初步实现了80 μm控制范围内15 nm控制精度的对焦控制结果,在面向未来的更低技术节点的电子束检测系统中具有广阔的应用前景。

参考文献 (31)

目录

    /

    返回文章
    返回