CN115685518A - 基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置及方法 - Google Patents

基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置及方法 Download PDF

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刘哲
于伯旋
贺雨洁
李成创
唐佳爱
刘硕
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Abstract

本发明公开基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置及方法，其装置包括双远心镜头、工业相机、多角度环形光源和载物台，载物台顶端固定有支撑架，工业相机和多角度环形光源均安装于支撑架上，其成像方法包括采集不同反射角度的图像、图像的畸变校正、图像降噪、图像增强和凸优化迭代频域合成；本发明综合了远心光学系统的低畸变和超宽景深、傅里叶叠层成像的大视场和高分辨率的特点，有效解决了晶圆表面缺陷检测要进行多次成像难题，能够一次性快速高效地实现对晶圆表面缺陷进行检测，检测平台结构简单、灵活，使用方便，可实现芯片晶圆表面缺陷的的高精度、大视场、宽景深、高效率的检测。

Description

基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置及方法
技术领域
本发明涉及光学成像及计算机图像处理技术领域，尤其涉及基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置及方法。
背景技术
芯片晶圆的整体制造过程有400至600个步骤，历时一到两个月完成，如果流程早期出现任何缺陷，则后续步骤中执行的所有工作都将被浪费。根据半导体芯片检测中“十倍法则”，在晶圆层面发现的缺陷传导至芯片级别会造成成本十倍的增加及性能极大地降低，所以在晶圆生产过程中缺陷检测是其中的关键步骤，用于确保良率和产量。
目前，用于晶圆表面缺陷检测的主要仪器是光学扫描显微镜，一直以来被国际知名公司KLA-Tencor、ASML、Tokyo Electron等所垄断，国内晶圆生产厂商主要依赖进口，且进口价格十分昂贵。光学扫描显微镜由显微镜和高精密电动平移平台构成，其应用在晶圆表面缺陷检测中，还存在以下问题：
(1)视场小，效率低：光学扫描显微镜要保证检测精度，需配置高倍物镜，导致光学显微镜视场很小，视场只有几个毫米甚至更小，要实现对300mm(12英寸)、200mm(8英寸)和150mm(6英寸)晶圆表面缺陷检测，需要多次往复扫描才可完成对晶圆表面缺陷的检测，检测一片晶圆通常需要数十分钟，很难达到实时性检测要求；
(2)低时空带宽积：为了实现高分辨率大视场晶圆表面缺陷检测，光学扫描显微镜用高倍物镜搭配高精密电动平移平台，通过视场拼接实现晶圆表面缺陷检测，而拼接会造成伪影，电动平移平台会有像素级的漂移，且视场扫描和重聚焦很耗时，导致时空带宽积很有限；
(3)景深狭小：显微镜的放大倍数或数值孔径越大，则景深越小。光学扫描显微镜用高倍率物镜提高分辨率，从而使得显微镜的景深很小，景深只有100μm-200μm，使得测试样品很难放置。
所以，研究实现大视场、高分辨率、超宽景深的新型光学成像技术应用于晶圆表面缺陷检测，一直以来是工业界和学术界追求的目标，大视场可以提高检测效率，高分辨率可以提高检测精度，超宽景深可以降低样品放置要求，因此，本发明提出基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置及方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置及方法，解决现有技术中光学扫描显微镜检测晶圆表面缺陷时存在视场小，效率低，低时空带宽积和景深狭小的问题。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置，包括双远心镜头、工业相机、多角度环形光源和载物台，所述载物台顶端固定有支撑架，所述工业相机和多角度环形光源均安装于支撑架上，所述多角度环形光源位于工业相机正下方，所述双远心镜头安装于工业相机上，所述工业相机、双远心镜头和多角度环形光源处于同一中心垂线上，所述载物台上表面放置有被测晶圆。
进一步改进在于：所述双远心镜头为结合物方远心和像方远心的双远心镜头，具体采用50mm远心光学镜头。
进一步改进在于：所述工业相机采用2000万像素高分辨率相机，所述工业相机的像元尺寸为2μm。
进一步改进在于：所述多角度环形光源采用可控LED面阵光源，并从不同角度对被测晶圆表面进行照射。
基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像方法，包括以下步骤：
步骤一：先将被测晶圆放置到载物台上，并处于多角度环形光源的正下方放置，再控制多角度环形光源从不同角度入射，同时利用工业相机采集不同角度反射的图像；
步骤二：运用主点畸变周围的泰勒级数展开式对双远心镜头的切向畸变和径向畸变进行校正，实现图像畸变校正，接着再对图像进行非均匀校正；
步骤三：先基于BM3D与全变分法联合降噪的思想，确定图像3D模块与TV模型的能量函数，再通过对能量函数的最小化工作，对图像进行降噪；
步骤四：先通过ACE和PDE联合的非线性扩散滤波方法调整图像的对比度，再通过差分计算图像目标点与周围像素点的相对阴暗关系来矫正最终像素值，然后基于非线性扩散的各向异性图像增强模型，并根据图像的梯度值决定扩散的速度，以增强弱小图像和边缘保持，实现图像增强；
步骤五：凸优化迭代频域合成，并通过频率解混降低图像混叠，提高图像的空间分辨率，得到晶圆成像图。
进一步改进在于：所述步骤一中，采集图像时，多角度环形光源的入射角度通过计算机程序控制。
进一步改进在于：所述步骤四中，凸优化迭代频域合成时，在频率域建立低分辨率图像和高分辨率图像之间的频谱混叠数学模型：
Zk＝ΦkFk+Nk
Figure BDA0003533089830000041
式中，Zk是获取的L个晶圆表面低分辨率图像的傅里叶变换，Fk是高分辨图像傅里叶变换，Φk是频谱混叠矩阵，根据光学系统的点扩展函数和光的入射角度求得，Nk是加性噪声。
进一步改进在于：对于高分辨图像傅里叶变换Fk的求解，根据最小平方误差准则，图像的最小平方误差为：
||E||2＝(Zk-ΦkFk)*(Zk-ΦkFk)
式中，*表示复共轭转置；
令
Figure BDA0003533089830000042
解出：
Figure BDA0003533089830000043
式中，P(k)＝R(k)-1，
Figure BDA0003533089830000044
r(k)＝ΦkFk，
由R(k)和r(k)的表达式得如下递推关系：
Figure BDA0003533089830000051
Figure BDA0003533089830000052
推导得到频域解混叠迭代公式：
Figure BDA0003533089830000053
式中，
Figure BDA0003533089830000054
表示Φk+1的复共轭。
本发明的有益效果为：本发明综合了远心光学系统的低畸变和超宽景深、傅里叶叠层成像的大视场和高分辨率的特点，有效解决了晶圆表面缺陷检测要进行多次成像难题，能够一次性快速高效地实现对晶圆表面缺陷进行检测，检测平台结构简单、灵活，使用方便，可实现芯片晶圆表面缺陷的的高精度、大视场、宽景深、高效率的检测，可实现50mm视场下分辨率可达200nm的芯片晶圆表面缺陷的高精度快速检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一的成像装置结构示意图；
图2是本发明实施例二的成像方法流程示意图；
图3是本发明实施例二的晶圆成像效果示意图。
其中，1、双远心镜头；2、工业相机；3、多角度环形光源；4、载物台；5、支撑架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例一
参见图1，本实施例提供了基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置，包括双远心镜头1、工业相机2、多角度环形光源3和载物台4，载物台4顶端固定有支撑架5，工业相机2和多角度环形光源3均安装于支撑架5上，多角度环形光源3位于工业相机2正下方，双远心镜头1安装于工业相机2上，工业相机2、双远心镜头1和多角度环形光源3处于同一中心垂线上，载物台4上表面放置有被测晶圆。
双远心镜头1为结合物方远心和像方远心的双远心镜头，具体采用50mm远心光学镜头，用于晶圆表面大视场、超宽景深成像；
物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平行于光轴主光线的集聚中心坐落像方无限远，其能够消除物方因为调焦不精确带来的测量误差；
像方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，像方主光线平行于光轴主光线的集聚中心坐落物方无限远，其能够消除像方调焦不准引入的测量误差；
双远心镜头在物方空间和像方空间兼具远心性，使主光线不仅在进入镜头时是平行的，在出射时也是平行的，这一特性决定了双远心镜头具有无透视误差、宽景深、低畸变、高影像分辨率的特点。
工业相机2采用2000万像素高分辨率相机，用于高分辨率成像，工业相机的像元尺寸为2μm，具有分辨率高、成像清晰、画幅宽，能够识别0.005mm大小的晶圆缺陷；
不同角度的入射光可等效为在频谱上不同位置的交叠光瞳函数(子孔径)，每次通过不同位置的频谱在频域上形成叠层，之后再利用高分辨率相机拍摄到的一系列低分辨率图像在频域里迭代，依次更新对应的频谱信息，扩展了频域带宽并恢复出超过物镜空间分辨率限制的高频信息，最终重构出物体的大视场高分辨率图像。
多角度环形光源3采用可控LED面阵光源，并从不同角度对被测晶圆表面进行照射，晶圆表面反射不同角度入射光，经双远心镜头1后在CMOS靶面成像，形成多个不同角度的晶圆表面低分辨率图像，这些不同角度的低分辨率图像频谱包含不同的高低频率，其中蕴含着晶圆表面的图像细节信息，通过多个低分辨率图像在频域的优化迭代合成高分辨率图像，扩展了频域带宽并恢复出超过远心镜头空间分辨率限制的高频信息，反演出晶圆表面的完整细节信息，实现了傅里叶叠层成像技术。
实施例二
参见图2，本实施例提供了基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像方法，包括以下步骤：
步骤一：先将被测晶圆放置到载物台上，并处于多角度环形光源的正下方放置，再控制多角度环形光源从不同角度入射，同时利用工业相机采集不同角度反射的图像；
步骤二：相机镜头由于制造精度以及组装工艺的偏差会引入畸变，导致采集的图像失真，镜头的畸变分为切向畸变和径向畸变两类，本实施例运用主点畸变周围的泰勒级数展开式对双远心镜头的切向畸变和径向畸变进行校正，实现图像畸变校正，接着再对图像进行非均匀校正；
步骤三：先基于BM3D与全变分法联合降噪的思想，确定图像3D模块与TV模型的能量函数，再通过对能量函数的最小化工作，使得图像达到稳定平滑状态，保证图像细节的锐利性，对图像进行降噪，获得理想的图像降噪结果，在去除噪声的同时，可以很好地保持图像边缘；
步骤四：先通过ACE和PDE联合的非线性扩散滤波方法调整图像的对比度，实现人眼色彩的恒常性好和亮度恒常性，再通过差分计算图像目标点与周围像素点的相对阴暗关系来矫正最终像素值，有很好的增强效果，然后基于非线性扩散的各向异性图像增强模型，并根据图像的梯度值决定扩散的速度，使之能兼顾增强弱小图像和边缘保持两方面的要求，实现图像增强；
步骤五：凸优化迭代频域合成，并通过频率解混降低图像混叠，提高图像的空间分辨率，得到晶圆成像图，成像效果如图3所示，凸优化迭代频域合成时，在频率域建立低分辨率图像和高分辨率图像之间的频谱混叠数学模型：
Zk＝ΦkFk+Nk
Figure BDA0003533089830000091
式中，Zk是获取的L个晶圆表面低分辨率图像的傅里叶变换，Fk是高分辨图像傅里叶变换，Φk是频谱混叠矩阵，根据光学系统的点扩展函数和光的入射角度求得，Nk是加性噪声，对于高分辨图像傅里叶变换Fk的求解，根据最小平方误差准则(MSE)，图像的最小平方误差为：
||E||2＝(Zk-ΦkFk)*(Zk-ΦkFk)
式中，*表示复共轭转置；
令
Figure BDA0003533089830000092
解出：
Figure BDA0003533089830000093
式中，P(k)＝R(k)-1，
Figure BDA0003533089830000094
r(k)＝ΦkFk，
由R(k)和r(k)的表达式得如下递推关系：
Figure BDA0003533089830000095
Figure BDA0003533089830000101
推导得到频域解混叠迭代公式：
Figure BDA0003533089830000102
式中，
Figure BDA0003533089830000103
表示Φk+1的复共轭，利用频域解混叠迭代公式执行频域解混叠的循环迭代计算，求解高分辨图象；
由于迭代公式是利用最小平方误差准则导出的，所以算法的结果不但能有效地提高图象的分辨率，而且能同时抑制噪声，提高图象的信噪比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置，其特征在于：包括双远心镜头(1)、工业相机(2)、多角度环形光源(3)和载物台(4)，所述载物台(4)顶端固定有支撑架(5)，所述工业相机(2)和多角度环形光源(3)均安装于支撑架(5)上，所述多角度环形光源(3)位于工业相机(2)正下方，所述双远心镜头(1)安装于工业相机(2)上，所述工业相机(2)、双远心镜头(1)和多角度环形光源(3)处于同一中心垂线上，所述载物台(4)上表面放置有被测晶圆。
2.根据权利要求1所述的基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置，其特征在于：所述双远心镜头(1)为结合物方远心和像方远心的双远心镜头，具体采用50mm远心光学镜头。
3.根据权利要求1所述的基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置，其特征在于：所述工业相机(2)采用2000万像素高分辨率相机，所述工业相机的像元尺寸为2μm。
4.根据权利要求1所述的基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像装置，其特征在于：所述多角度环形光源(3)采用可控LED面阵光源，并从不同角度对被测晶圆表面进行照射。
5.基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：先将被测晶圆放置到载物台上，并处于多角度环形光源的正下方放置，再控制多角度环形光源从不同角度入射，同时利用工业相机采集不同角度反射的图像；
步骤二：运用主点畸变周围的泰勒级数展开式对双远心镜头的切向畸变和径向畸变进行校正，实现图像畸变校正，接着再对图像进行非均匀校正；
步骤三：先基于BM3D与全变分法联合降噪的思想，确定图像3D模块与TV模型的能量函数，再通过对能量函数的最小化工作，对图像进行降噪；
步骤四：先通过ACE和PDE联合的非线性扩散滤波方法调整图像的对比度，再通过差分计算图像目标点与周围像素点的相对阴暗关系来矫正最终像素值，然后基于非线性扩散的各向异性图像增强模型，并根据图像的梯度值决定扩散的速度，以增强弱小图像和边缘保持，实现图像增强；
步骤五：凸优化迭代频域合成，并通过频率解混降低图像混叠，提高图像的空间分辨率，得到晶圆成像图。
6.根据权利要求5所述的基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像方法，其特征在于：所述步骤一中，采集图像时，多角度环形光源的入射角度通过计算机程序控制。
7.根据权利要求5所述的基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像方法，其特征在于：所述步骤四中，凸优化迭代频域合成时，在频率域建立低分辨率图像和高分辨率图像之间的频谱混叠数学模型：
Zk＝ΦkFk+Nk
Figure FDA0003533089820000031
式中，Zk是获取的L个晶圆表面低分辨率图像的傅里叶变换，Fk是高分辨图像傅里叶变换，Φk是频谱混叠矩阵，根据光学系统的点扩展函数和光的入射角度求得，Nk是加性噪声。
8.根据权利要求7所述的基于远心光学系统的反射式傅里叶叠层成像方法，其特征在于：对于高分辨图像傅里叶变换Fk的求解，根据最小平方误差准则，图像的最小平方误差为：
||E||2＝(Zk-ΦkFk)*(Zk-ΦkFk)
式中，*表示复共轭转置；
令
Figure FDA0003533089820000032
解出：
Figure FDA0003533089820000033
式中，P(k)＝R(k)-1，
Figure FDA0003533089820000034
r(k)＝ΦkFk，
由R(k)和r(k)的表达式得如下递推关系：
Figure FDA0003533089820000035
Figure FDA0003533089820000036
推导得到频域解混叠迭代公式：
Figure FDA0003533089820000037
式中，
Figure FDA0003533089820000038
表示Φk+1的复共轭。
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