CN113465534B - 一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法。本发明包括：搭建白光干涉系统，利用白光干涉系统测量沟槽的结构，CCD相机采集获得多组沟槽干涉图及各组中每张沟槽干涉图对应的编号；对沟槽样品的各组沟槽干涉图进行处理后，获得各组沟槽干涉图的最大对比度与局部结构三维重建图；提取各组沟槽干涉图对应的局部结构三维重建图中的分界面重建图；将所有组沟槽干涉图对应的分界面重建图进行拼接后获得沟槽样品的三维结构重建图，根据三维结构重建图测量沟槽样品的深度和宽度。本发明光路更为简洁，方法能对亚毫米级别的沟槽结构进行探测，宽度达到几百微米，深度达到几毫米，测量速度得到很大提升。

Description

一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法

技术领域

本发明涉及了集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)器件测量领域的一种沟槽结构测量方法，具体涉及了一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法。

背景技术

现有对沟槽结构进行探测的技术中，主要有以下几种方式：分为接触式和非接触式方法。接触式是触针式光学轮廓仪，光学测量属于非接触式的测量技术。在光学测量技术中，包含光学探针法、扫描隧道显微镜法、激光聚焦法和干涉显微法。其中，探针法容易对出现断针现象，且容易对敏感元件造成破坏，接触式测量虽然在逐步缩小探针尺寸，但是随着待测样品表面结构越来越复杂，仍会有一部分区域无法探测到。扫描隧道显微镜主要原理是依据量子力学的隧道效应，粒子运动到高于粒子能量的壁垒也是有一定概率穿过壁垒的。扫描隧道显微镜的测量对象主要是微米或纳米级的样品，且是点式测量，逐点、逐线、逐面扫描，通常耗费时间长，效率较低，在被测样品上找到测量区域也需要耗费较长时间。激光聚焦法基本原理为，将由激光单元发生的计光经过反射将焦点信息反馈到差分光电器，然后通过计算机处理，控制聚焦式测头垂直方向的上下移动，以获得被测样品的表面形貌，工作区间约为微米量级。

对于白光干涉测量技术，使用显微干涉结构进行测量，由于显微干涉光路中光是汇聚光，所以在实际过程中会收到显微镜头景深的限制，且由于光束的汇聚，如果焦面在探测沟槽样品底面之上，会产生干扰光。使用平行光干涉会增加样品的深度范围，理论上无论样品深度为多少都可以垂直入射到样品底部并垂直出射。现有技术中，多针对微米级别的沟槽结构，本专利主要针对亚毫米级别的沟槽结构进行仿真重建。

同时，如果直接使用传统的重心法与差值重心法对深度较宽的结构进行三维重建，会引入很多干扰，本专利发明的算法利用对比度信息作为评价指标，对一组扫描干涉图中的有效信息进行提取，对图像做处理之后再进行三维重建，得到的效果优于直接使用重心法得到的结果，同时时间也会减少。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法，利用平行光白光干涉探测深度高，所得误差小的特点，将平行光白光干涉与加速方法相结合实现对亚毫米结构的沟槽进行三维形貌测量。

本发明的技术方案如下：

本发明包括以下步骤：

1)搭建白光干涉系统，包括光源、分光镜、CCD相机和平面镜；光源产生白光入射到分光镜中发生透射和反射，分光镜的透射光通过平面镜的反射后入射回分光镜中，入射回分光镜的透射光在分光镜中产生反射，反射后的光束作为第一光束并入射至CCD相机中；分光镜的反射光通过沟槽样品的沟槽的反射后入射回分光镜中，入射回分光镜的反射光在分光镜中产生透射，透射后的光束作为第二光束并入射至CCD相机中；第一束光与第二束光产生干涉被CCD相机所探测，CCD相机探测采集获得沟槽干涉图；

2)利用白光干涉系统测量沟槽的结构，记录CCD相机中出现清晰干涉条纹的次数，根据出现清晰干涉条纹的次数，CCD相机采集获得多组沟槽干涉图并记录各组中每张沟槽干涉图对应的编号；

3)对沟槽样品的每组沟槽干涉图进行灰度处理后获得对应的沟槽灰度干涉图，计算当前组沟槽灰度干涉图的对比度，记录当前组沟槽灰度干涉图的最大对比度；

4)根据当前组沟槽干涉图和当前组中每张沟槽干涉图对应的编号，利用重心法或差值重心法对当前组沟槽干涉图进行局部三维重建，获得当前组沟槽干涉图对应的局部结构三维重建图；

5)沿与沟槽干涉图中的条纹展开方向相垂直的方向对局部结构三维重建图进行区域划分，获得局部结构三维重建图得各个子区域，计算各个子区域的对比度，根据预设差值阈值和最大对比度判断各个子区域是否是分界面区域，如果是分界面区域，则记录当前子区域的坐标参数，否则，则不记录；获得所有分界面区域的坐标参数；根据所有分界面区域的坐标参数提取局部结构三维重建图中的分界面重建图；

6)对沟槽样品的剩余组沟槽干涉图重复步骤3)-5)，获得沟槽样品所有组沟槽干涉图对应的分界面重建图；

7)将沟槽样品所有组沟槽干涉图对应的分界面重建图进行拼接后获得沟槽样品的三维结构重建图，根据三维结构重建图测量沟槽样品的深度和宽度。

所述步骤2)具体为：

2.1)将沟槽样品沿沟槽长度方向倾斜放置，调整沟槽样品的倾斜角度以及白光干涉系统中的平面镜与分光镜之间或者沟槽样品与分光镜之间的沿光轴的距离，直至CCD相机所采集的图像上产生条纹，固定沟槽样品的倾斜角度、沟槽样品和平面镜；

2.2)沿光轴方向移动沟槽样品或平面镜的位置，记录CCD相机中所有出现清晰干涉条纹时的沟槽样品或平面镜的位置以及出现清晰干涉条纹的次数，其中出现清晰干涉条纹的沟槽样品或平面镜的位置记为分界面位置；

2.3)再次沿光轴方向移动沟槽样品或平面镜的位置，利用CCD相机在预设步长下采集沟槽干涉图并依次对每张沟槽干涉图进行编号，选取所有分界面位置的上下所需范围内以及所有分界面位置的沟槽干涉图，将一个分界面位置的上下所需范围内以及当前分界面位置的沟槽干涉图作为沟槽样品的一组沟槽干涉图，从而获得沟槽样品的多组沟槽干涉图及各组中每张沟槽干涉图对应的编号。

所述步骤3)中计算每组沟槽灰度干涉图的对比度，具体通过以下公式进行设置：

其中，J为沟槽灰度干涉图的对比度，Imax为沟槽灰度干涉图的最大灰度值，Imin为沟槽灰度干涉图的最小灰度值。

所述步骤5)中根据预设差值阈值和最大对比度判断所有子区域是否是分界面区域，具体为：

将每个子区域的对比度与最大对比度作差后取绝对值作为当前子区域的对比度差值，如果当前子区域的对比度差值小于等于预设差值阈值，则当前子区域是分界面区域，如果当前子区域的对比度差值大于预设差值阈值，则当前子区域不是分界面区域。

所述出现清晰干涉条纹的沟槽样品或平面镜的位置具体为沟槽样品上表面、沟槽底部和沟槽中的凸台的上表面，其中，所述凸台的上表面与沟槽样品上表面或沟槽底部平行。

本发明的有益效果是：

本发明光路相比于现为干涉结构的光路更为简洁，且使用与算法相结合的方法对亚毫米级别的沟槽结构进行探测，宽度可以达到几百微米，深度可以得到几毫米。

本发明在采集沟槽干涉图上，可以通过快速略过实现采集沟槽干涉图过程中的加速。

本发明在沟槽三维形貌重建过程中，本发明的重建时间较少，有加速作用，对三维结构的重建时间相比于传统算法有缩减，并且效果相比于传统的重心法具有更好的重建效果。

本发明在沟槽三维形貌重建过程中，提出了一种先局部重建，再根据图像分割结果进行局部重建结果拼接从而得到整体样品的三维重建结果的方法。这一方法对图像重建的效果和速度的提升都有重要作用。

本发明能够使用白光干涉与加速算法相结合对亚毫米级别高深宽比结构沟槽进行形貌检测，探测结构的深度可达到毫米级别。

附图说明

图1是为本发明的整体流程图。

图2是白光干涉系统的光路图。

图3是侧壁垂直的沟槽结构示意图。

图4是侧壁倾斜的沟槽样品结构示意图。

图5是不同深度沟槽干涉图对比。

图6是对比度比较过程图。

图7是使用插值重心法重建获得结果图与本发明的三维结构重建图的对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的沟槽样品通常例如为微电子和功率半导体器件，但不限于此。由于本发明所使用的沟槽样品仅有沟槽样品上表面和沟槽底部，所以下面的步骤说明中以具有两个表面的沟槽样品为例。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)搭建白光干涉系统，如图2所示，包括光源、分光镜、CCD相机和平面镜；光源产生白光入射到分光镜中发生透射和反射，分光镜的透射光通过平面镜的反射后入射回分光镜中，入射回分光镜的透射光在分光镜中产生反射，反射后的光束作为第一光束并入射至CCD相机中；分光镜的反射光通过沟槽的反射后入射回分光镜中，入射回分光镜的反射光在分光镜中产生透射，透射后的光束作为第二光束并入射至CCD相机中；第一束光与第二束光产生干涉被CCD相机所探测，CCD相机探测采集获得沟槽干涉图；其中，光源为宽光谱光源，波长范围为380nm-780nm，即可见光光谱范围，在其内选取任意光谱宽度的宽光谱光源即可，分光镜与平面镜光路为参考臂，分光镜与沟槽样品光路为测量臂。

2)利用白光干涉系统测量沟槽的结构，记录CCD相机中出现清晰干涉条纹的次数，根据出现清晰干涉条纹的次数，CCD相机采集获得两组沟槽干涉图并记录各组中每张沟槽干涉图对应的编号；

步骤2)具体为：

2.1)将沟槽样品沿沟槽长度方向倾斜放置，调整沟槽样品的倾斜角度以及白光干涉系统中的平面镜与分光镜之间或者沟槽样品与分光镜之间的距离，直至CCD相机所采集的图像上产生清晰的条纹，固定沟槽样品的倾斜角度、沟槽样品和平面镜；侧壁垂直的沟槽结构示意图如图3所示，沟槽样品的尺寸为5mm*5mm，沟槽宽度为0.2mm，深度为2mm，该沟槽样品对应的测量光路的参考臂和测量臂的长度为15mm。侧壁倾斜的沟槽样品结构示意图如图4所示，沟槽样品的尺寸为5mm*5mm，侧壁倾斜沟槽上部分尺寸为1mm*5mm，下部分尺寸为0.8mm*5mm，深度为0.1mm，该沟槽样品对应的测量光路的参考臂和测量臂的长度均为60mm。

2.2)沿光轴方向移动沟槽样品或平面镜的位置，记录CCD相机中所有出现清晰干涉条纹的沟槽样品或平面镜的位置以及出现清晰干涉条纹的次数，其中出现清晰干涉条纹的沟槽样品或平面镜的位置记为分界面位置；出现清晰干涉条纹的沟槽样品或平面镜的位置具体为沟槽样品上表面、沟槽底部和沟槽中的凸台的上表面，其中，凸台的上表面与沟槽样品上表面或沟槽底部平行。本实施例中为沟槽样品上表面和沟槽底部，因此出现清晰干涉条纹的次数为两次。沿光轴方向为与沟槽样品或平面镜处的光束方向平行的方向；

2.3)再次沿光轴方向移动沟槽样品或平面镜的位置，利用CCD相机在预设步长下采集沟槽干涉图并依次对每张沟槽干涉图进行编号，其中不在分界面位置的上下所需范围内的区域为快速采集区域，仅需要获得该区域中的所有沟槽干涉图的编号，选取所有分界面位置的上下所需范围内以及所有分界面位置的沟槽干涉图，将一个分界面位置的上下所需范围内以及当前分界面位置的沟槽干涉图作为沟槽样品的一组沟槽干涉图，从而获得沟槽样品的两组沟槽干涉图及各组中每张沟槽干涉图对应的编号；其中，沟槽样品的的组数与出现清晰干涉条纹的次数相同，由于可见光光谱范围是380-780nm，理论上建议3um以内，具体实施中，所需范围为2um。预设步长为200nm以内，根据实际采用的光谱宽度确定，具体实施中，预设步长为80nm。

3)对沟槽样品的每组沟槽干涉图进行灰度处理后获得对应的沟槽灰度干涉图，计算每组沟槽灰度干涉图的对比度，记录当前组沟槽灰度干涉图的最大对比度；

步骤3)中计算每组沟槽灰度干涉图的对比度，具体通过以下公式进行设置：

其中，J为沟槽灰度干涉图的对比度，Imax为沟槽灰度干涉图的最大灰度值，Imin为沟槽灰度干涉图的最小灰度值。

4)根据当前组沟槽干涉图和当前组中每张沟槽干涉图对应的编号，利用重心法或差值重心法对当前组沟槽干涉图进行局部三维重建，获得当前组沟槽干涉图对应的局部结构三维重建图；

5)沿与沟槽干涉图中的条纹展开方向相垂直的方向对局部结构三维重建图进行区域划分，条纹展开方向为条纹延伸方向，获得局部结构三维重建图得各个子区域，计算各个子区域的对比度，根据预设差值阈值和最大对比度判断各个子区域是否是分界面区域，具体实施中，预设差值阈值为0.1。如果是分界面区域，则记录当前子区域的坐标参数，否则，则不记录；获得所有分界面区域的坐标参数；根据所有分界面区域的坐标参数提取局部结构三维重建图中的分界面重建图；

如图6所示，图6的a为深沟槽上表面等光程干涉图，图中框出的两个子区域对比度是不同的，左边的子区域与局部结构三维重建图整体的对比度值近似，而右边的子区域由于远离等光程位置，对比度值相比于整张图片的对比度值会显著下降。图6的b为深沟槽下表面等光程干涉图，两个子区域中对比度值是完全相反的，即右边的子区域是等光程位置，所以右边的子区域的对比度与整张图片的对比度差值较小，左边的子区域的对比度由于远离等光程位置，对比度与整张图片的对比度差值较大。

步骤5)中根据预设差值阈值和最大对比度判断所有子区域是否是分界面区域，具体为：

将每个子区域的对比度与最大对比度作差后取绝对值作为当前子区域的对比度差值，如果当前子区域的对比度差值小于等于预设差值阈值，则当前子区域是分界面区域，如果当前子区域的对比度差值大于预设差值阈值，则当前子区域不是分界面区域。

6)对沟槽样品的剩余组沟槽干涉图重复步骤3)-5)，获得沟槽样品所有组沟槽干涉图对应的分界面重建图；在白光干涉系统中，使用的不同光谱宽度的宽光谱光源，在等光程位置附近产生清晰条纹的干涉距离是不同的，当光程小于干涉距离时，会产生清晰的干涉条纹。当光程大于干涉距离时，则不会有干涉条纹，如果沟槽深度在干涉距离之内，则该沟槽为浅沟槽，则在一张沟槽干涉图中会包含上表面和下表面的干涉条纹；如果沟槽深度大于干涉距离，则该沟槽为深沟槽，则不会在一张沟槽干涉图中同时包含上表面和下表面的干涉条纹。

如图5所示，图5的a为浅沟槽的分界面重建图，其中使用的浅沟槽样品的深度为100nm。图5的b和图5的c均为深沟槽分界面重建图，其中使用的深沟槽样品的深度为300um，图b为处于上表面等光程位置采集到的分界面重建图，图c为处于下表面等光程位置采集到的分界面重建图。可以看出图像中不同区域的对比度差异。

7)将沟槽样品所有组沟槽干涉图对应的分界面重建图进行拼接后获得沟槽样品的三维结构重建图，根据三维结构重建图测量沟槽样品的深度和宽度。

在具体实施中，本发明使用Virtuallab Fusion对沟槽样品进行仿真模拟采集获得4000张沟槽干涉图，使用Python对采集获得4000张沟槽干涉图进行三维重建，图7为使用现有方法和本发明方法所得到的结果图，现有方法中直接使用重心法所需的重建时间是1.54s，图7的(a)为现有方法中的插值重心法重建获得的三维结构重建图，使用本发明方法所需的重建时间是0.04s，图7的(a)为本发明方法重建获得的三维结构重建图，可以看出本发明不仅在重建速度上有显著的提升，在重建效果也有很大的提高。

Claims (4)

1.一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建白光干涉系统，包括光源、分光镜、CCD相机和平面镜；光源产生白光入射到分光镜中发生透射和反射，分光镜的透射光通过平面镜的反射后入射回分光镜中，入射回分光镜的透射光在分光镜中产生反射，反射后的光束作为第一光束并入射至CCD相机中；分光镜的反射光通过沟槽样品的沟槽的反射后入射回分光镜中，入射回分光镜的反射光在分光镜中产生透射，透射后的光束作为第二光束并入射至CCD相机中；第一束光与第二束光产生干涉被CCD相机所探测，CCD相机探测采集获得沟槽干涉图；

2)利用白光干涉系统测量沟槽的结构，记录CCD相机中出现清晰干涉条纹的次数，根据出现清晰干涉条纹的次数，CCD相机采集获得多组沟槽干涉图并记录各组中每张沟槽干涉图对应的编号；

3)对沟槽样品的每组沟槽干涉图进行灰度处理后获得对应的沟槽灰度干涉图，计算当前组沟槽灰度干涉图的对比度，记录当前组沟槽灰度干涉图的最大对比度；

4)根据当前组沟槽干涉图和当前组中每张沟槽干涉图对应的编号，利用重心法或差值重心法对当前组沟槽干涉图进行局部三维重建，获得当前组沟槽干涉图对应的局部结构三维重建图；

5)沿与沟槽干涉图中的条纹展开方向相垂直的方向对局部结构三维重建图进行区域划分，获得局部结构三维重建图得各个子区域，计算各个子区域的对比度，根据预设差值阈值和最大对比度判断各个子区域是否是分界面区域，如果是分界面区域，则记录当前子区域的坐标参数，否则，则不记录；获得所有分界面区域的坐标参数；根据所有分界面区域的坐标参数提取局部结构三维重建图中的分界面重建图；

6)对沟槽样品的剩余组沟槽干涉图重复步骤3)-5)，获得沟槽样品所有组沟槽干涉图对应的分界面重建图；

7)将沟槽样品所有组沟槽干涉图对应的分界面重建图进行拼接后获得沟槽样品的三维结构重建图，根据三维结构重建图测量沟槽样品的深度和宽度；

所述步骤2)具体为：

2.1)将沟槽样品沿沟槽长度方向倾斜放置，调整沟槽样品的倾斜角度以及白光干涉系统中的平面镜与分光镜之间或者沟槽样品与分光镜之间的沿光轴的距离，直至CCD相机所采集的图像上产生条纹，固定沟槽样品的倾斜角度、沟槽样品和平面镜；

2.2)沿光轴方向移动沟槽样品或平面镜的位置，记录CCD相机中所有出现清晰干涉条纹时的沟槽样品或平面镜的位置以及出现清晰干涉条纹的次数，其中出现清晰干涉条纹的沟槽样品或平面镜的位置记为分界面位置；

2.3)再次沿光轴方向移动沟槽样品或平面镜的位置，利用CCD相机在预设步长下采集沟槽干涉图并依次对每张沟槽干涉图进行编号，选取所有分界面位置的上下所需范围内以及所有分界面位置的沟槽干涉图，将一个分界面位置的上下所需范围内以及当前分界面位置的沟槽干涉图作为沟槽样品的一组沟槽干涉图，从而获得沟槽样品的多组沟槽干涉图及各组中每张沟槽干涉图对应的编号。

2.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法，其特征在于，所述步骤3)中计算每组沟槽灰度干涉图的对比度，具体通过以下公式进行设置：

其中，J为沟槽灰度干涉图的对比度，Imax为沟槽灰度干涉图的最大灰度值，Imin为沟槽灰度干涉图的最小灰度值。

3.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法，其特征在于，所述步骤5)中根据预设差值阈值和最大对比度判断所有子区域是否是分界面区域，具体为：

将每个子区域的对比度与最大对比度作差后取绝对值作为当前子区域的对比度差值，如果当前子区域的对比度差值小于等于预设差值阈值，则当前子区域是分界面区域，如果当前子区域的对比度差值大于预设差值阈值，则当前子区域不是分界面区域。

4.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法，其特征在于，所述出现清晰干涉条纹的沟槽样品或平面镜的位置具体为沟槽样品上表面、沟槽底部和沟槽中的凸台的上表面，其中，所述凸台的上表面与沟槽样品上表面或沟槽底部平行。

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