CN114965503A - 无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法 - Google Patents

无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法 Download PDF

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CN114965503A CN202210570788.4A CN202210570788A CN114965503A CN 114965503 A CN114965503 A CN 114965503A CN 202210570788 A CN202210570788 A CN 202210570788A CN 114965503 A CN114965503 A CN 114965503A
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Abstract

本发明公开了一种无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法，包括:将无图形晶圆上片至带电粒子束扫描成像设备的机械运动平台上；对全部待测实际像素尺寸所对应的放大倍率区分第一放大倍率LM和第二放大倍率HM，均包括一个或多个不同的放大倍率值；先进行第一放大倍率LM中各实际像素尺寸的测量，再进行第二放大倍率HM中各实际像素尺寸的测量，均从放大倍率相对低的到高的；均在晶圆缺槽处采集模板图像，按既定方向和距离移动晶圆，采集目标图像，以实际移动距离和匹配获得的目标位移计算实际像素尺寸。从而提高测量精度，解决了当前设备在大量使用无图形晶圆时难以确定实际像素尺寸的问题，降低了使用成本。

Description

无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法
技术领域
本发明涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法。
背景技术
在半导体大规模集成电路(Integrated Circuit,IC)前端制造过程中，常需用带电粒子束扫描成像设备，带电粒子束扫描成像设备例如为扫描电镜(Scanning ElectronMicroscopy，SEM)设备，用于对晶圆进行缺陷检测或复检，或为聚焦离子束(Focused IonBeam,FIB)设备。常见的应用是，SEM设备为初检(E-Beam Inspection，EBI)设备，或复检(E-Beam Review，EBR)设备。以EBR设备为例，需要一种快速简便的方法获取设备针对晶圆扫描成像的实际像素尺寸，用于估计待测对象的实际物理尺寸(而非以像素为单位的尺寸)，例如缺陷尺寸或一些关键尺寸(Critical Dimension)。
参考图1A，EBR设备100通常包括机械运动平台110，可在X,Y,Z方向运动和转动，其上有可放置晶圆的静电托盘(Electro-Static Chuck,e-chuck)120，其上可放置晶圆(Wafer)111。EBR设备通常还包括光学显微成像系统(Optical Microscope,OM)130，其放大倍率较低但视场(Field ofView，FOV)较大，通常用于辅助工作例如初级晶圆对准。上述设备还包括核心任务部件-电子光学成像系统140，例如SEM电子光学系统(参见图1B，180)，其中进一步包括电子发射、聚焦、限束、偏转器、和扫描控制等功能部件，也包括晶圆表面出射电子，主要是二次电子的采集及信号放大、处理部分。其中聚焦涉及到透镜是电子光学透镜。所述设备还包括计算机150，可用于处理数据及显示图像。
参考图2A和图2B，EBR设备中的SEM系统成像时的电子束如210，聚焦面为211，焦深为212，z方向为电子束210的密度，x方向为晶圆上的x坐标方向。工作时SEM系统来回扫描既定区域,扫描时在晶圆表面(且在其聚焦深度/范围之内)X,Y方向上的采样间隔为Δx和Δy,且系统需要在每个采样点停留一定时间以积累足够的出射电子以达到一定的信噪比。所获SEM图像，理论上大致等同于到达晶圆表面时电子束的束斑形状(近似高斯分布)和晶圆表面形貌(包括不同的材料及结构)的卷积。当SEM系统理论上的视场(FOV)和图像在X,Y方向的像素个数确定后，X,Y方向上的像素尺寸即理论像素尺寸(Nominal Pixel Size，NPS)也就确定了，理论像素尺寸为理论视场尺寸除以图像尺寸(例如采样时用1024/2048个像素的宽/高)，因此理论像素尺寸就是Δx和Δy。设备实际使用中SEM系统的工作参数和状态常发生漂移，例如由于1)系统实际束斑尺寸或由设备控制电路决定的扫描采样间隔发生微小改变；2)SEM系统中物镜到晶圆表面的工作距离改变(由于例如机械运动平台Z方发生漂移或由于不同类型的晶圆厚度改变，从而改变了在该晶圆上的实际采样间隔)，使得理论像素尺寸和实际像素尺寸不同。这样由多种因素叠加在一起，使得理论像素尺寸和实际像素尺寸差别较大，因此设备实际应用中经常需要能够获得更准确的实际像素尺寸。
请参考图3A和图3B，现有技术中常用的获取实际像素尺寸的方法1是：对具有已知尺寸的对象的晶圆或样品采图，然后计算实际像素尺寸。例如用方法1，用特制的晶圆，上面有已知尺寸的测量对象，或用方法2，在机械运动平台310上放置特制的样品311，样品上采集图像314中含有已知尺寸的对象312，有已知的长度，例如5μm。
但现有技术中方法1、2的缺点均十分明显，方法1中特制晶圆会增加成本，且每次使用时需要对该特制晶圆进行上下片，占用宝贵机时，即使用成本极高，在实际IC产线上难以实现，另外其表面高度和客户晶圆表面的高度即二者表面到SEM物镜的工作距离仍可能差别较大；方法2中特制样品长期使用还会损坏，导致测量误差，且其表面高度和客户晶圆表面的高度即二者表面到SEM物镜的工作距离可能差别较大；另外业内还有方法3，即直接用客户晶圆(限于有图形晶圆即PatternedWafer)来获取实际像素尺寸的方法，参见图4，它展现了一种通过采集晶圆移动前后的图像(共两帧图像)并进行模板匹配(也称为图像匹配)的方法，用于测量实际像素尺寸(图中，未按实际比例示意)。其中机械运动平台坐标系的坐标轴为x轴和y轴，晶圆401，SEM系统采集图像时的视场402,其位置是固定的。其原理是这样的，先采集第一帧图像，即模板图像，选择其中的一区域/子图像作为模板403，模板403位于图像坐标系下的(Xm，Ym)，在X,Y方向移动机械运动平台的位移分别为dXs和dYs，在图中将dXs和dYs分别标注为404和405，采集第二帧图像，即为目标图像，并进行模板匹配以确定匹配位置(Xm′，Ym′)，匹配位置(Xm′，Ym′)也是图像坐标系下的坐标。其中，图像坐标系的坐标原点例如为图像的左上角、左下角或中心点，但不限于此。用dXs除以(Xm′-Xm)，dYs除以(Ym′-Ym)，就可获得实际像素尺寸。
通常对不同放大倍率(对应不同的视场)的应用都需要获取实际像素尺寸，例如可划分1)低放大倍率(Low Magnification，简称LM)区间和高放大倍率(HighMagnification，简称HM)区间，且均具有多级不同的放大倍率值。以图5A为例，方法3通常包括：
1)在晶圆上确定某位置，采集模板图像510，在模板图像510中选择一个模板511；
2)移动机械移动平台，晶圆和机械运动平台同步运动，到另一位置采集目标图像512，并记录机械运动平台的相对位移量dXs,dYs；这里的移动位置有限，以确保在机械运动平台有已知误差范围的情况下，目标仍在目标图像(也就是说，位于SEM系统的视场)中；
3)在目标图像中搜寻模板，即进行模板匹配，获得匹配位置513；
4)获得模板511和匹配位置513之间的距离dXm,dYm，命名为目标位移，具体为：
dXm＝Xm’-Xm
dYm＝Ym’-Ym
其中，(Xm，Ym)为模板在模板图像中位置(初始位置)，(Xm′，Ym′)为目标图像中模板匹配到的位置(匹配位置)；
5)获得实际像素尺寸Px和Py，具体为：
Figure BDA0003660200920000041
Figure BDA0003660200920000042
其中，机械运动平台的位移为(dXs,dYs)，它由机械运动平台(其上配有的精密的读码器/激光干涉仪可给出实际到达位置，实际到达位置和系统命令机械运动平台所要到达的位置可能有微小的差别),通常精度可达0.5μm。
请参考图5B，高放大倍率HM时方法相同，也是采集模板图像520，从中选择模板521，然后移动晶圆采集目标图像522，进行模板匹配获得匹配位置523。
但方法3的问题是，上述设备在IC产线中一段时间内完全有可能全用于无图形晶圆(BlankWafer/Un-patternedWafer)，不会遇到有图形晶圆，无图形晶圆上没有图形可用于模板匹配，于是要么回到用方法1、2，要么在一段时间内全部用于无图形晶圆时，缺乏精确、有效的测量实际像素尺寸的方法。因此需要一种在无图形晶圆上确定实际像素尺寸的有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法，用以解决现有技术中无法精确、有效的测量无图形晶圆的实际像素尺寸，或者测量需要借助特制晶圆或特制样品的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法，包括:
将无图形晶圆上片至所述带电粒子束扫描成像设备的机械运动平台上；
对所述晶圆，将全部待测实际像素尺寸所对应的放大倍率区分为第一放大倍率LM和放大倍率更高的第二放大倍率HM，且所述第一放大倍率LM和所述第二放大倍率HM均包括一个或多个不同的放大倍率值；
先进行所述第一放大倍率LM中各所述实际像素尺寸的测量，再进行所述第二放大倍率HM中各所述实际像素尺寸的测量，均按放大倍率相对低的到高的顺序进行所述测量；
对每一个待测实际像素尺寸，均在所述晶圆的缺槽处采集模板图像，通过所述机械运动平台按既定方向和距离移动所述晶圆，采集目标图像，从所述模板图像中获取模板，并使用所述模板在所述目标图像中进行模板匹配，然后以所述机械运动平台的移动距离和所述模板匹配获得的目标位移计算所述实际像素尺寸。
本发明提供一种无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法，通过在无图形晶圆的缺槽处采集模板图像，在模板图像中获取模板，并通过模板和目标图像进行模板匹配，进而计算实际像素尺寸，可以精确、有效的测量无图形晶圆的实际像素尺寸，无需借助特制晶圆或特制样品实现对实际像素尺寸的测量，降低了使用成本。
附图说明
图1A是现有技术中一种基于带电粒子束扫描成像的半导体晶圆复检设备的示意图；
图1B是现有技术中一种带电粒子束扫描成像设备的电子光学部分示意图；
图2A是现有技术中一种SEM系统中电子束的密度分布和采样示意图；
图2B是现有技术中电子束的焦距和聚焦深度的示意图；
图3A是现有技术中一种置于机械运动平台上的特制的样品的示意图；
图3B是现有技术中一种从特制样品上采图得到的SEM图像的示意图；
图4是现有技术中一种在有图形晶圆上获取实际像素尺寸的方法的示意图；
图5A是现有技术中一种在有图形晶圆上在低放大倍率下使用模板匹配获取实际像素尺寸的方法的示意图；
图5B是现有技术中一种在有图形晶圆上在高放大倍率下使用模板匹配获取实际像素尺寸的方法的示意图；
图6是本发明实施例中实际像素尺寸的获取方法的流程图；
图7A是本发明实施例中的一种在无图形晶圆上用晶圆缺槽图像获取实际像素尺寸的示意图；
图7B是本发明实施例中的基于晶圆缺槽图像进行模板匹配的示意图；
图8是本发明实施例中的一种在无图形晶圆上结合位移补偿偏置方法利用晶圆缺槽图像获取实际像素尺寸的示意图；
图9是本发明实施例中的涉及的第二放大倍率HM下图像视场和晶圆缺槽相对尺寸关系的示意图；
图10是本发明实施例中的一种在第二放大倍率HM下局部偏置和相应的图像拼接的示意图；
图11是本发明实施例中的一种在第二放大倍率HM下拼接模板中排除不参与匹配区域(Don’t Care Area,DCA)的示意图；
图12是本发明实施例中的另一种在第二放大倍率HM下局部偏置和相应的模板选取和匹配的示意图；
图13是本发明实施例中的另一种在同一位置2个局部偏置和相应的图像拼接的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
在本实施例中，带电粒子束扫描成像设备，仍以EBR设备为例，和大部分半导体设备一样，工作包括两个主要步骤。首选用户事先制定工作菜单(Recipe)，工作菜单包括设备的主要任务的各步骤；然后在正常工作时对同一类晶圆，设备自动重复执行该工作菜单。
在本实施例中，可假定上述设备在确定图像像素尺寸的工作时处正常工作状态，各部件均已经过校准，包括各放大倍率下的聚焦(Focus)和图像亮度和对比度(Brightness&Contrast)调优。
在本实施例中，待测晶圆为无图形晶圆，包括全部主流的直径300mm的晶圆，和直径300mm以下具有缺槽的无图形晶圆。可直接用客户无图形晶圆。
如图6所示，本实施例提供了一种无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法，包括:
S1、将无图形晶圆上片至所述带电粒子束扫描成像设备的机械运动平台上；
其中，如果无图形晶圆已经上片至机械运动平台，则无需重复上片。例如，当执行带电粒子束扫描成像设备的本职工作(例如，缺陷复检)时，已经将无图形晶圆上片至机械运动平台上，则在获取实际像素尺寸时，无需再重复对无图形晶圆上片。
S2、对所述晶圆，将全部待测实际像素尺寸所对应的放大倍率区分为第一放大倍率LM和放大倍率更高的第二放大倍率HM，且所述第一放大倍率LM和所述第二放大倍率HM均包括一个或多个(即一个或至少两个)不同的放大倍率值；
S3、先进行所述第一放大倍率LM中各所述实际像素尺寸的测量，再进行所述第二放大倍率HM中各所述实际像素尺寸的测量，均按放大倍率相对低的到高的顺序进行所述测量；
S4、对每一个待测实际像素尺寸，均在所述晶圆的缺槽处采集模板图像，通过所述机械运动平台按既定方向和距离移动所述晶圆，采集目标图像，从所述模板图像中获取模板，并使用所述模板在所述目标图像中进行模板匹配，然后以所述机械运动平台的移动距离和所述模板匹配获得的目标位移计算所述实际像素尺寸。
需要说明的是，以上的S1-S4仅为各步骤的名称，并未限定各步骤的顺序关系，例如，在执行步骤S3时，需要执行步骤S4中的内容，以计算实际像素尺寸。
在本发明实施例中，首先区分第一放大倍率LM和第二放大倍率HM，将第一放大倍率LM作为低放大倍率，第二放大倍率HM作为高放大倍率，区分的依据是无图形晶圆的缺槽(notch)在图像中所占比例。当区分所述第一放大倍率LM和第二放大倍率HM时，采集待测实际像素尺寸所对应的各放大倍率的图像，比较所述晶圆的缺槽在各放大倍率采集的所述图像中所占面积比例和预设的阈值，将达到或超过(即大于等于)所述阈值时的放大倍率确定为所述第二放大倍率HM，否则为所述第一放大倍率LM。例如，缺槽在图像中占据面积达到或超过1/2时视为第二放大倍率HM,否则都是第一放大倍率LM。
目前最常用的300mm(12英寸)晶圆缺槽是在晶圆上切去直径为3mm的圆，切进晶圆内深度为1mm，有0.25mm的误差，制作工艺较为粗糙，其目的仅是用于晶圆作预对准的(通常EFEM里有晶圆预对准器，使晶圆上片后角度偏差在±1°之内就足够了)，但在SEM图像中就显得粗糙，且还有其他因素干扰，后面会讲到。
大部分应用中晶圆上片后缺槽在正下方(notch down),下面就用缺槽在正下方为例，得到的结果同样适用于缺槽在其他方向的位置。
测量时都是从放大倍率较低的逐渐升级到放大倍率较高的。其好处是在设置模板时(在创建Recipe时)更方便。
参考图7A和图7B，在第一放大倍率LM下测量某一个放大倍率对应的实际像素尺寸时,包括以下步骤：
1)在无图形晶圆701上的(x1,y1)位置采集包含缺槽的模板图像710，也就是以晶圆上(x1,y1)为视场(FOV)中心采集模板图像710，在其中选择一个模板711。这里(x1,y1)是晶圆坐标系(针对晶圆上某参考点例如圆心)中晶圆缺槽在电子光学系统视场(FOV)中的位置，此时对应的机械运动平台的位置(例如由光栅尺和读码器决定的)为(SX1,SY1)。晶圆坐标系和机械运动平台坐标系有固定的相对关系，在晶圆对准后二者通常是一个平移关系。
2)移动机械移动平台，从位置(SX1,SY1)到(SX2,SY2)，移动间隔分别为二者之差(SX2-SX1,SY2-SY1)即(dSX1,dSY1)，晶圆随机械运动平台运动，到晶圆上位置(x2,y2)采集目标图像720，也就是说以晶圆上(x2,y2)为FOV中心采集图像。使得目标图像720中仍然包含缺槽；此时(SX2,SY2)仍然和(x2,y2)保持固定的关系.SX2–SX1＝x2–x1,SY2–SY1＝y2–y1相等。
3)在目标图像720中搜寻模板，即进行模板匹配，获得匹配位置721；
4)获得模板711和匹配位置721之间的距离dMX,dMY，命名为目标位移，具体为：
dMX＝MX2-MX1
dMX＝MY2-MY1
其中，(MX1，MY1)为模板在模板图像中位置(初始位置)，(MX2，MY2)为目标图像中模板匹配到的位置(匹配位置)，单位为像素；
5)获得实际像素尺寸Px和Py，具体为：
Figure BDA0003660200920000101
Figure BDA0003660200920000102
其中，机械运动平台的位移为(dSX1,dSY1)，至此，所用的方法和上述背景技术中描述的(使用有图形晶圆)基本相同，只是模板不再是从有图形晶圆上选择的，而是选择了晶圆缺槽。
尽管这是一个可行的方案，但由于为了不让模板跑出视场(FOV)，也就是目标图像之外，机械运动平台移动单次且距离有限，这样测量结果的相对误差/误差就比较大，这也是当前现有技术中用有图形晶圆做实际像素尺寸测量时的问题。下面看看误差分析。此时含误差的测量结果为：
Figure BDA0003660200920000103
Figure BDA0003660200920000104
其中δS为机械运动平台运动最大误差，在0.5μm即500nm附近，δM为图像模板匹配时最大误差在0.1像素附近。例如放大倍率较低/FOV较大的第一放大倍率LM时，如果SEM图像的理论像素尺寸在50nm，则δM在5nm附近，对应SEM图像宽高在512/1024像素，dMX的值至少在200像素以上，dMY的值至少在300像素以上，因此δM和dMX/dMY相比差3个数量级，和δS相比也差2个数量级，因此在上式分母中可以忽略，实际像素尺寸近似为：
Figure BDA0003660200920000111
Figure BDA0003660200920000112
相应的误差近似为：
Figure BDA0003660200920000113
Figure BDA0003660200920000114
其中分子固定，因此只能让分母更大，以降低测量的误差。
在上述实施例的基础上，仍然是第一放大倍率LM的情况，更进一步，本发明实施例中采用电子光学系统偏置(也可称为偏转)结合机械运动平台更大行程，用无图形晶圆获得实际像素尺寸。所述偏置的控制，在电子光学里有理论公式，对于给定的电子光学参数设置均可实现，当然实际应用中还需要辅以相应的校准，以消除偏置后束斑/图像质量的影响，但其具体内容较复杂且为现有技术，超出本发明范围，不予赘述。
在本实施例中，在进行所述第一放大倍率LM中各实际像素尺寸的测量时，在采集所述目标图像时使用所述带电粒子束扫描成像设备中的偏转器偏转带电粒子束实现位移补偿偏置，然后进行所述模板匹配以计算所述实际像素尺寸。其中，实现位移补偿偏置的目的是使得机械运动平台能有更大位移，进而降低测量的误差。
下面先看第一放大倍率LM的情况，参考图8，过程如下，
1)在无图形晶圆801上的(x1,y1)位置采集包含缺槽的模板图像810，在其中选择一个模板811；同上，这里(x1,y1)是晶圆坐标系(针对晶圆上某参考点例如圆心)中晶圆缺槽在电子光学系统视场(FOV)中的位置，此时对应的机械运动平台的位置(例如由光栅尺和读码器决定的)为(SX1,SY1)；
2)移动机械移动平台，但不是从晶圆上的位置(x1,y1)到(x2,y2)，而是让机械运动平台移动更长距离，到达晶圆上(x21,y21)位置，对应的机械运动平台坐标位置(SX21,SY21)。此时有：
dSX2＝x21-x1＝SX21-SX1>dSX1
dSY2＝y21-y1＝SY21-SY1>dSY1
此时，如果没有偏置(SEM镜筒位置在上述设备上是固定的)，从(x21,y21)处采集的SEM图像中将不包括缺槽，因此需要给SEM加偏置。参见图1B中的偏转器，以静电式偏转器为例，可控制X/Y方向电场偏转带电粒子束，所述偏置量的大小(dEX,dEY)能够正好使得SEM在晶圆(x21,y21)处采集图像821时其中包含缺槽，而偏置量的精确确定是可以通过校准实现的(现有技术可以实现，必要时可补充说明，这里不予赘述)，精度可达到亚像素，至少其最大误差δME<1个像素；所述偏置是为了使得机械运动平台能有更大位移，因此可称为“位移补偿偏置”，以区别后文中的用于另一种偏置。
3)在目标图像821中搜寻模板，即进行模板匹配，获得匹配位置822。此时包含误差项的实际像素尺寸测量值为：
Figure BDA0003660200920000121
Figure BDA0003660200920000122
其中，(dMEX,dMEY)为本次偏置对应的像素差别，如前所述，是可以通过系统校准获得的(相关校准过程超出本发明范围，如无必要，不再赘述)，而δME是其对应的最大误差，如前所述，δME<1像素，相比dMX/dMY也要小2个数量级，也可从分母中忽略不计。此时实际像素尺寸近似为：
Figure BDA0003660200920000123
Figure BDA0003660200920000124
其中，(dMX,dMY)仍由模板匹配获得。此时误差部分近似为：
Figure BDA0003660200920000131
Figure BDA0003660200920000132
显然较不加偏置时误差更小，因此测量结果精度更高。另外还从上式中可见，当偏置加大时，测量误差进一步减小，前提条件是偏置带来的最大误差δME不会显著加大以至于其相对dMX/dMY不再很小从而可以在上述公式的分母中被忽略不计，这也就给出了位移补偿偏置的极限。
上述位移补偿偏置有其理想的范围，可以从无偏置到允许的最大偏置Dmax，即在进行所述第一放大倍率LM中各实际像素尺寸的测量时，选择设备所能支持范围之内的位移补偿偏置。本发明中Dmax定义为，使X/Y方向偏置最大误差dMEX/dMEY仍然保持在既定阈值(例如1像素)内的最大可能的系统偏置。这主要是由设备部件的性能决定的，通常至少可超过多个图像FOV的尺寸，微米级的，一般情况下选择相当于5-10个FOV的位移补偿偏置量(即便相当于2个FOV的偏移量也较现有技术有显著进步)，具体设备上的Dmax值可通过系统校准来获得(具体校准方法超出本发明范围)。
在本实施例中，这样由待测实际像素尺寸从大到小，逐一完成第一放大倍率LM中各级实际像素尺寸的测量，进入第二放大倍率HM下各实际像素尺寸的测量。
当进入第二放大倍率HM实际像素尺寸的测量时,同样也是从放大倍率较低的/FOV较大的开始直到放大倍率最高/FOV最小的。
当第二放大倍率HM下测量实际像素尺寸时，其方法可以和在第一放大倍率LM时的类似，也是基于晶圆缺槽的定位/模板匹配。但最常见的问题是FOV/图像不能包含晶圆缺槽的全部，参考图9，其中图像910，911，912分别包含晶圆缺槽的中、左、右部分而非全部，使得模板匹配困难(匹配不到或结果不准)。
补充说明一下，由于如下原因，1)如前所述，放大倍率较高的SEM图像下晶圆缺槽显得粗糙(这是由于其制作标准决定的)；2)在晶圆边上常常有来自托盘(e-chuck)的不规则背景图案干扰；3)晶圆边缘制作采用不同的方式(主要有i.Blunt Nosed/钝鼻型和ii.Bullet Shaped/子弹型两种)导致SEM图像中出现不同的边缘环带，使得难以用简单的曲线/弧线识别/匹配来进行缺槽定位；4)高放大倍率/小FOV下图像中噪声增强，因此最可靠的识别定位办法就是灰度图像(不排除用其边缘/梯度图像)的模板匹配，例如互相关算法(Normalized Cross Correlation,NCC)单帧图像的NCC运算如下，
Figure BDA0003660200920000141
取值都在[0，1]之间。其中T表示模板部分宽、高分别为w和h,总像素个数N＝w×h；I代表目标图像，宽高分别为W和H；公式中∑T为
Figure BDA0003660200920000142
Figure BDA0003660200920000143
的简写，j和i遍历j＝0,…h+1,i＝＝0,…w+1，即全部模板中的像素(这里循环都从0开始，是C类型的计算机语言的习惯)，∑I为
Figure BDA0003660200920000144
Figure BDA0003660200920000145
的简写，∑IT为
Figure BDA0003660200920000146
Figure BDA0003660200920000147
的简写，最终v和u遍历v＝0,…,H–h+1和u＝0,…,W–w+1，获得全部r[u,v]，构成的互相关面曲面图R,其宽高为(W-w+1,H-h+1)，其中的峰值为对应最佳匹配。另外和NCC方法类似的求相似度的模板匹配方法还有很多，这里不再赘述。
考虑到第二放大倍率HM时晶圆缺槽在图像中往往不完整，本发明的一个实施方案中采用将扫描电子束实施偏置的方法，区别于前述的“位移补偿偏置”，除此之外，这里还要给电子光学系统加的偏置是较小的、局部的，后文称之为“局部偏置”，且偏置产生的位移量均可通过系统校准获得。
在本实施例中，对于所述第二放大倍率HM中的任一放大倍率，分别采集未偏置和有偏置时的图像，使得两帧图像具有所述缺槽的不同种类关键部位，所述关键部位包括所述缺槽的弧顶、左边角和右边角；根据两帧图像之间的偏置量确定所述第二放大倍率HM对应的实际像素尺寸测量所需的偏置量。参考图9，实际像素测量中，第二放大倍率HM部分可能包括多个待测实际像素/FOV，但不管多大的FOV,局部偏置量的大小决定于在该FOV下的图像中要有整个缺槽中三个关键部位中的至少2个。所述3个关键部位是缺槽的弧顶915，左边角916和右边角917，例如，根据理论像素尺寸、已知的缺槽尺寸和缺槽在晶圆上的位置，容易使未偏置模板图像包含上述3个关键部位中的一个，例如弧顶915，则偏置的模板图像需要能够包含其左边角916或右边角917。由于位置要求十分宽松，差几十个像素也都不是问题，且如前所述，缺槽实际尺寸总是固定的，因此在不同理论放大倍率下经过校准的系统的偏置量很容易计算出。至于为什么要2个而不是一个关键部位，是因为HM时所述关键部位处单独作为模板时其中特征不足，其中的晶圆边缘的曲率也都不大，即变化较为平缓，不利于模板匹配，而用个模板图像的组合就能极大提升模板匹配的可靠性、成功率。
其中，在获取所述第二放大倍率HM中各实际像素尺寸的测量时，每次采集至少两帧模板图像，包括至少一帧未偏置的模板图像和至少一帧使用带电粒子束扫描成像设备中的偏转器偏转带电粒子束实现局部偏置的模板图像，采集相应数量的目标图像，使得未偏置的目标图像和未偏置的模板图像的数量相同，并使得偏置的目标图像和偏置的模板图像的数量相同，保持偏置的程度与相应的模板图像的偏置程度相同，然后用所述模板到目标图像中进行模板匹配以获得所述实际像素尺寸。
在本发明一实施例中，拼接各所述模板图像并在拼接后的模板图像内选取模板作为拼接模板，使得所述拼接模板包括未拼接前各所述模板图像中的模板，拼接各所述目标图像，用所述拼接模板到拼接的目标图像中进行模板匹配以获得所述实际像素尺寸。参见图10，其结果是无论是在采集模板图像时，还是在移动晶圆(并可能加以位移补偿偏置)采集目标图像时均采集2帧图像，其一是系统未施加局部偏置的，其另一是施加了局部偏置的。例如可采集未施加局部偏置的模板图像1010，其中有模板区域(即模板)1011，再采集施加了局部偏置的模板图像1020，其中有模板区域1021，拼接模板区域构成拼接模板1030，可用于模板匹配(目标图像也有相应的偏置和拼接)。当如上述第一放大倍率LM时类似的情形，即移动晶圆到(x2,y2)位置(未施位移补偿偏置)或(x21,y21)(施于位移补偿偏置，更好的方法)时，同样采集2帧图像，为目标图像，其中第一帧无局部偏置的目标图像1040，第二帧有和采集模板图像时同样程度的局部偏置的目标图像1042，构成拼接的目标图像1045，这样，使用从拼接模板1030到拼接的目标图像1045去搜寻即匹配。
在本实施例中，图中在拼接模板1030和拼接的目标图像1045均为矩形，这是由于通常的模板匹配例如前述NCC算法都用矩形在用计算机计算时比较方便/快，以拼接的目标图像1045为例，实际上除了原来的对模板匹配有用的目标图像1040和目标图像1042部分，还有其余的部分，是多余的甚至由于稀释了图像中真正有用的特征部分因此是不利于模板匹配的，因此，当用所述拼接模板到拼接的目标图像1045中进行模板匹配时，将所述拼接模板中的非模板区域划分为不参与模板匹配区域DCA,参考图11，可以将拼接模板1110中的区域1111和区域1112这两部分剔除，即定义为不参与模板匹配区域(Don’t CareArea,DCA)，其中像素不参与模板匹配，且DCA个数不限。并可更进一步，根据图中有用部分(缺槽轮廓曲线)范围，进一步增加DCA，例如图11中的区域1112和区域1122，且其区域不一定为规则的几何形状例如矩形，例如区域1112。犹如图10中拼接模板1030中的区域1031和区域1032部分不属于原来单独的模板图像中的模板部分，也可以作为DCA。
在进行有DCA的模板匹配时，以NCC为例，可以这样限定上面NCC公式中全部求和例如其中∑T，∑I,∑IT的范围,不包括DCA中的像素,即修改上述公式中的遍历条件为，j＝0,…h+1,i＝＝0,…w+1，
Figure BDA0003660200920000161
即DCA中像素不参与r中的各求和计算，最后获得的r(u，v)为不含DCA的互相关结果，因此特征(晶圆缺槽边缘部分)贡献比例更高，匹配结果更可靠。
在本发明一实施例中，模板拼接和目标图像的拼接不一定要将实际图像进行拼接再进行模板匹配，而是可以先各自进行模板匹配，然后拼接/整合匹配结果，这样可以减少图像拼接本身带来的误差(由于此处的拼无法能基于图像中重叠和重叠处的特征匹配，也是基于偏置的)尽管也是δME量级的，相对很小。其方法是，使用所述未偏置的模板图像中的模板到对应的所述未偏置的目标图像中进行模板匹配，使用所述偏置的模板图像中的模板到对应的所述偏置的目标图像中进行模板匹配，分别获得各自独立的模板匹配结果，然后整合出全局的模板匹配结果，根据所述全局的模板匹配结果和预设的匹配阈值的比较结果确定所述目标位移，计算所述实际像素尺寸。用所述各自独立的模板匹配结果的几何平均值作为所述全局的模板匹配结果。其中，用两个模板(一个无局部偏置，一个有局部偏置)，例如，使用模板1011和模板1021分别到对应的目标图像1040和1042中进行匹配，例如用上述NCC方法,获得各自的结果R1,R2，然后整合二者，例如用几何平均R＝√(R1×R2)，获得最终互相关曲面图R，然后以R中的峰值为最佳匹配位置，其值仍然在[0，1]之间。这种方法显得更简便、灵活。
此外，如图12所示，模板图像1230和1240中的模板1232和1242可以无重叠部分。
补充说明，基于当前晶圆缺槽尺寸和SEM图像最大放大倍率/最小FOV可能取值,无论是拼接模板区域还是拼接目标图像，一般不需要像图13中那样用3帧以上的图像1310、1320、1330拼接，因为目前所述设备的像素尺寸都不会到亚纳米级，但是，本发明中并未对局部拼接偏置/拼接图像个数作出相应的限制，采用3帧以上的图像拼接亦可。
基于上述实际像素尺寸Px,Py的计算公式(含误差的)，假定模板只涉及1次局部偏置即限于2帧图像的拼接，且假定局部偏置的带来的最大误差仍然不超出δME(仍较dMX/dMY小2个数量级)，包含误差项的实际像素尺寸测量值为
Figure BDA0003660200920000181
Figure BDA0003660200920000182
其中dMX,dMY和前面稍有不同，是来自拼接的目标图像的最终匹配结果，无论是实际拼接图像再进行模板匹配还是先进行模板匹配再整合匹配结果。和前面的误差分析同理，因为δME仍较dMX/dMY小至少2个数量级，仍然近似有实际像素尺寸：
Figure BDA0003660200920000183
Figure BDA0003660200920000184
和前面结果相同，以及近似的误差估计：
Figure BDA0003660200920000185
Figure BDA0003660200920000186
仍然和前面结果相同。而这种用局部位移偏置结合模板匹配图像拼接的好处是当第二放大倍率HM的放大倍率很大/FOV相对晶圆缺槽尺寸很小时，仍然可以进行有效的模板匹配以支持实际像素尺寸的测量。
这样按待测实际像素尺寸从大到小，逐一完成第二放大倍率HM中各级实际像素尺寸的测量，从而完成全部所需实际像素测量任务。
综上所述，由前面论述可见通过上述本发明实施例中的方法，能够成功解决了现有技术中面临的半导体IC产线上带电粒子束扫描成像设备在大量使用无图形晶圆时确定实际像素尺度的问题，使之成为可能，可以精确、有效的测量无图形晶圆的实际像素尺寸，无需借助特制晶圆或特制样品实现对实际像素尺寸的测量，极大降低了使用成本。并进一步提高了第二放大倍率HM下的测量精度和成功率，同时也降低了测量误差。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (10)

1.一种无图形晶圆上实际像素尺寸的获取方法，其特征在于，包括:
将无图形晶圆上片至带电粒子束扫描成像设备的机械运动平台上；
对所述晶圆，将全部待测实际像素尺寸所对应的放大倍率区分为第一放大倍率LM和放大倍率更高的第二放大倍率HM，且所述第一放大倍率LM和所述第二放大倍率HM均包括一个或多个不同的放大倍率值；
先进行所述第一放大倍率LM中各所述实际像素尺寸的测量，再进行所述第二放大倍率HM中各所述实际像素尺寸的测量，均按放大倍率相对低的到高的顺序进行所述测量；
对每一个待测实际像素尺寸，均在所述晶圆的缺槽处采集模板图像，通过所述机械运动平台按既定方向和距离移动所述晶圆，采集目标图像，从所述模板图像中获取模板，并使用所述模板在所述目标图像中进行模板匹配，然后以所述机械运动平台的移动距离和所述模板匹配获得的目标位移计算所述实际像素尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当区分所述第一放大倍率LM和第二放大倍率HM时，采集待测实际像素尺寸所对应的各放大倍率的图像，比较所述晶圆的缺槽在各放大倍率采集的所述图像中所占面积比例和预设的阈值，将达到或超过所述阈值时的放大倍率确定为所述第二放大倍率HM，否则为所述第一放大倍率LM。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行所述第一放大倍率LM中各实际像素尺寸的测量时，在采集所述目标图像时使用所述带电粒子束扫描成像设备中的偏转器偏转带电粒子束实现位移补偿偏置，然后进行所述模板匹配以计算所述实际像素尺寸。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在进行所述第一放大倍率LM中各实际像素尺寸的测量时，选择设备所能支持范围之内的位移补偿偏置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取所述第二放大倍率HM中各实际像素尺寸的测量时，每次采集至少两帧模板图像，包括至少一帧未偏置的模板图像和至少一帧使用带电粒子束扫描成像设备中的偏转器偏转带电粒子束实现偏置的模板图像，采集相应数量的目标图像，使得未偏置的目标图像和未偏置的模板图像的数量相同，并使得偏置的目标图像和偏置的模板图像的数量相同，保持偏置的程度与相应的模板图像的偏置程度相同，然后用所述模板到目标图像中进行模板匹配以获得所述实际像素尺寸。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，拼接各所述模板图像并在拼接后的模板图像内选取模板作为拼接模板，使得所述拼接模板包括未拼接前各所述模板图像中的模板，拼接各所述目标图像，用所述拼接模板到拼接的目标图像中进行模板匹配以获得所述实际像素尺寸。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当用所述拼接模板到拼接的目标图像中进行模板匹配时，将所述拼接模板中的非模板区域划分为不参与模板匹配区域DCA,所述模板匹配区域DCA中的像素不参与模板匹配。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于所述第二放大倍率HM中的任一放大倍率，分别采集未偏置和有偏置时的图像，使得两帧图像具有所述缺槽的不同种类关键部位，所述关键部位包括所述缺槽的弧顶、左边角和右边角；根据两帧图像之间的偏置量确定所述第二放大倍率HM对应的实际像素尺寸测量所需的偏置量。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用所述未偏置的模板图像中的模板到对应的所述未偏置的目标图像中进行模板匹配，使用所述偏置的模板图像中的模板到对应的所述偏置的目标图像中进行模板匹配，分别获得各自独立的模板匹配结果，然后整合出全局的模板匹配结果，根据所述全局的模板匹配结果和预设的匹配阈值的比较结果确定所述目标位移，计算所述实际像素尺寸。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，用所述各自独立的模板匹配结果的几何平均值作为所述全局的模板匹配结果。
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