CN117650033B - 一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，包括由电子源、电磁透镜、电磁探测器、电子光学控制及成像单元构成的第一闭环控制系统；由发射光路、接收光路、工作台微动机构、高差分析及控制单元构成的第二闭环控制系统；第一闭环控制系统和第二闭环控制系统由双闭环对焦控制单元进行联动控制，本发明通过两级对焦闭环控制系统的联动设计，满足高精度稳定对焦要求，提升效率和精确度。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法。
背景技术
以扫描电子显微镜为核心的电子束晶圆量测设备，要输出稳定的电子束扫描图像，则要求在电子束扫描的过程中保持晶圆被扫描的区域始终保持在电子束的景深范围之内，波动越小越好，这主要取决于以下两个方面：第一，通过一系列电磁透镜/电磁线圈决定电子光学成像景深；第二，通过调整承载晶圆的工件台高度控制晶圆的位置。
现有的电子束晶圆量测设备电子光学对焦方案，一般是将电磁透镜的参数调整与工件台的高度调整分开，独立调整其中一项，如公开号为CN110057839A的中国专利申请公开了一种光学硅片检测系统中的对焦控制装置及方法，仅通过调整工件台高度来进行系统对焦控制，通过记录最佳焦平面位置处的光栅像位置设为目标位置；测量光栅像中的其中一根光栅线在数字相机成像面上的位置为目标高度a；当硅片在z轴方向移动后，测量前述光栅线位置测量高度a’，与a进行对比，获得硅片位移量信息；根据硅片位移量信息，将工件台调整至对焦控制范围内。通过选取光栅图像中受到硅片图形影响较小的区域进行测量，保证测量精度。利用正负反馈结合的对焦控制方法，在进行对焦控制时，通过硅片高度测量装置测量硅片高度，并将该信号提供给工件台，使其逐步移动到预定位置。
但若将电磁透镜的参数调整与工件台的高度调整分开，当每一次晶圆厚度发生变化时，设备调整都需要人工干预，循环调整两个子系统参数，直至获得合适的对焦图像为止，如果调整其中一项无法得到理想结果则需要对另一项进行调整后再重复上一步骤，此方案需要人工干预，精确度依赖于使用者经验，且效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，通过两级对焦闭环控制系统的联动设计，满足高精度稳定对焦要求，提升效率和精确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
第一方面，本发明提供了一种扫描电子显微镜自适应对焦控制系统，包括：
由电子源、电磁透镜、电磁探测器、电子光学控制及成像单元构成的第一闭环控制系统；其中，电子源、电磁透镜、电磁探测器沿电子束发射方向依次设置且均分别与电子光学控制及成像单元电性连接；
由发射光路、接收光路、工作台微动机构、高差分析及控制单元构成的第二闭环控制系统；其中，发射光路用于发射光束在工作台上的晶圆表面，接收光路用于接收经晶圆表面反射的光束形成光栅图像，高差分析及控制单元用于根据接收光路的光栅图像获得晶圆位移量信息，并将晶圆位移量信息发送至工件台微动机构，工件台微动机构用于根据晶圆位移量信息调整工件台高度，使晶圆表面处于对焦控制范围内；
电子光学控制及成像单元和高差分析及控制单元均与双闭环对焦控制单元电性连接。
优选的，所述发射光路包括沿光束发射方向依次设置的光源、光栅、发射光路光学器件，所述接收光路包括沿光束反射方向依次设置的接收光路光学器件和光学成像设备，所述光学成像设备与高差分析及控制单元电性连接。
优选的，第一闭环控制系统的电子束对焦范围数量级设置为毫米级，精度数量级为十微米级；第二闭环控制系统高度可调范围数量级设置为百微米级，精度数量级为十纳米级。
第二方面，本发明提供一种用于第一方面中任一项所述的扫描电子显微镜自适应对焦控制系统的控制方法，包括如下步骤：
S1.双闭环对焦控制单元调度第二闭环控制系统驱动工件台至基准位置，使第二闭环控制系统进入闭环控制状态，锁定工件台高度不变；
S2.基于步骤S1，双闭环对焦控制单元调度第一闭环控制系统，第一闭环控制系统调节电磁透镜参数分别进行SEM成像，估算最佳电子光学成像参数，并锁定成像参数不变；
S3.基于步骤S2，基于成像参数，双闭环对焦控制单元再调度第二闭环控制系统至预设SEM成像位置；
S4.基于步骤S3，基于光栅图像，对光栅图像进行图像处理获得晶圆位移量，再基于晶圆位移量，通过PID控制算法将工作台调整至对焦范围内，第一闭环控制系统再进行SEM成像；
S5.循环步骤S4，直至对该晶圆的SEM成像任务结束。
进一步的，步骤S2的具体方法如下：
S21.设定初始电磁透镜参数，对预设晶圆区域进行SEM成像；
S22.基于步骤S21，通过图像清晰度评价算法，评价当前SEM图像清晰；
S23.基于步骤S22，选定搜索策略以及拟合模型，调节电磁透镜参数并进行SEM成像；
S24.循环步骤S22和步骤S23，直至达到搜索策略结束的判定标准与拟合模型拟合精度标准，则结束搜索，拟合模型输出最佳电子光学成像参数。
进一步的，图像清晰度评价算法选用梯度函数、灰度值统计特性分析、频域分析、直方图分析中的一种；拟合模型选用混合高斯模型、多项式模型、多元线性模型、非线性模型中的一种。
进一步的，步骤S4中对基于光栅图像，对光栅图像进行图像处理获得晶圆位移量的具体方法如下：
S41.当工件台至基准位置时，记录此时光栅图像为参考图像，工件台高度进行调整时，对光栅图像进行实时采集；
S42.基于步骤S41，对参考图像进行部分特征截取，得到第一特征图，记录第一特征图在参考图像上的位置P0，将第一特征图灰度值按列求和或计算平均值，得到基准特征图；
S43.基于步骤S42，对实时采集的光栅图像在全部高度上进行特征截取，得到第二特征图，且第二特征图的宽度与第一特征图宽度相等，将第二特征图灰度值按列求和或计算平均值，得到目标特征图；
S44.基于步骤S43，在目标特征图中逐一截取与基准特征图长度相同的部分，计算两组特征的相关度，得到相关度曲线，计算出相关度曲线中相关度值的一阶梯度并进行数学模型拟合，得到拟合曲线，拟合曲线的过零点为位置P1；
S45.基于步骤S44，位置P1与位置P0之间的差值为晶圆位移量P，即晶圆位移量P=P1-P0。
本发明的有益效果是：
1）第一闭环控制系统实现闭环SEM成像，第二闭环控制系统实现闭环工件台高度调整，通过双闭环对焦控制单元对第一闭环控制系统和第二闭环控制系统进行联动调整，实现全自动稳定对焦，不需要人工干预，提升效率和精确度。
2）第一闭环控制系统和第二闭环控制系统为范围和精度均不同的两级系统，第一闭环控制系统的电子束对焦范围数量级设置为毫米级，精度数量级为十微米级，第二闭环控制系统高度可调范围数量级设置为百微米级，精度数量级为十纳米级；此设置可保证第一闭环控制系统可调节范围大，可以反映真实的SEM成像效果，且第二闭环控制系统的调整速度快，有利于提高对焦控制效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的系统原理结构图；
图2是本发明第一闭环控制系统的闭环控制流程图；
图3是本发明SEM成像图，其中a）至f）为不同电磁透镜参数对应的SEM成像图；
图4是本发明“电磁透镜参数-图像清晰度”曲线；
图5是本发明第二闭环控制系统的闭环控制流程图；
图6是本发明获取晶圆位移量的过程示意图；
图中的标记：1为电子源，2为电磁透镜，3为电子探测器，4为电子光学控制及成像单元，5为电子束，6为发射光路，61为光源，62为光栅，63为发射光路光学器件，7为接收光路，71为接收光路光学器件，72为光学成像设备，8为工作台微动机构，9为高差分析及控制单元，10为双闭环对焦控制单元。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种扫描电子显微镜自适应对焦控制系统，包括：
由电子源1、电磁透镜2、电磁探测器3、电子光学控制及成像单元4构成的第一闭环控制系统；由发射光路6、接收光路7、工作台微动机构8、高差分析及控制单元9构成的第二闭环控制系统。
其中，电子源1、电磁透镜2、电磁探测器3沿电子束5发射方向依次设置且均分别与电子光学控制及成像单元4电性连接；发射光路6用于发射光束在工作台上的晶圆表面，接收光路7用于接收经晶圆表面反射的光束形成光栅图像，高差分析及控制单元9用于根据接收光路7的光栅图像获得晶圆位移量信息，并将晶圆位移量信息发送至工件台微动机构8，工件台微动机构8用于根据晶圆位移量信息调整工件台高度，使晶圆表面处于对焦控制范围内，发射光路6包括沿光束发射方向依次设置的光源61、光栅62、发射光路光学器件63，接收光路7包括沿光束反射方向依次设置的接收光路光学器件71和光学成像设备72，光学成像设备72与高差分析及控制单元9电性连接；电子光学控制及成像单元4和高差分析及控制单元9均与双闭环对焦控制单元10电性连接。
第一闭环控制系统的电子束对焦范围数量级设置为毫米级，精度数量级为十微米级，使得第一闭环控制系统的可调节范围较大，可以反映真实的SEM成像效果；第二闭环控制系统高度可调范围数量级设置为百微米级，精度数量级为十纳米级，第二闭环控制系统做小范围的对焦调整，使得调整速度快；传统对焦系统设置需要对同一区域进行多次的SEM成像，耗时较长，且连续多次的电子轰击容易造成样品损伤或成像质量下降，不适宜应用在连续快速对焦的场合，但本发明上述设置可利用第一闭环控制系统进行一次对焦闭环控制，锁定晶圆相对距离后，再利用第二闭环控制系统对晶圆相对距离进行实时高度调整，可实现系统整体的对焦稳定。
实施例2
如图2-6所示，本发明提供一种用于实施例1中扫描电子显微镜自适应对焦控制系统的控制方法，包括如下步骤：
S1.双闭环对焦控制单元调度第二闭环控制系统驱动工件台至基准位置，使第二闭环控制系统进入闭环控制状态，锁定工件台高度不变；在一个具体实施方式中，工作台基准位置为工作台可调节范围的中间区域，此设置可保证工作台可达到最大的正负可调范围。
S2.基于步骤S1，双闭环对焦控制单元调度第一闭环控制系统，第一闭环控制系统调节电磁透镜参数分别进行SEM成像，估算最佳电子光学成像参数，并锁定成像参数不变；
其中，如图2所示，步骤S2的具体方法如下：
S21.设定初始电磁透镜参数，对预设晶圆区域进行SEM成像；
S22.基于步骤S21，通过图像清晰度评价算法，评价当前SEM图像清晰度，不合适的初始电磁透镜参数可导致SEM图像模糊失真，通过图像清晰度评价算法对SEM图像模糊失真程度评测和度量；图像清晰度评价算法选用梯度函数、灰度值统计特性分析、频域分析、直方图分析中的一种；
S23.基于步骤S22，选定搜索策略以及拟合模型，调节电磁透镜参数并进行SEM成像，随着电磁透镜参数的变化，SEM图像清晰度也随之变化，表现为模糊-清晰-模糊的趋势，其中，不同电磁透镜参数对应的SEM图像如图3所示；电磁透镜参数与图像清晰度的关系如图4所示；
S24.循环步骤S22和步骤S23，直至达到搜索策略结束的判定标准与拟合模型拟合精度标准，则结束搜索，拟合模型输出最佳电子光学成像参数，其中，搜索策略结束的判定标准为SEM图像清晰度达到可找寻的峰值，拟合模型拟合精度标准为拟合误差达到预设目标值；拟合模型的具体选型可参考图4所示的“电磁透镜参数-图像清晰图”曲线图，例如混合高斯模型、多项式模型、多元线性模型、非线性模型等。
S3.基于步骤S2，基于成像参数，双闭环对焦控制单元再调度第二闭环控制系统至预设SEM成像位置。
S4.基于步骤S3，如图5所示，基于光栅图像，对光栅图像进行图像处理获得晶圆位移量，再基于晶圆位移量，通过PID控制算法将工作台调整至对焦范围内，第一闭环控制系统再进行SEM成像；
其中，如图6所示，步骤S4中对基于光栅图像，对光栅图像进行图像处理获得晶圆位移量的具体方法如下：
S41.当工件台至基准位置时，记录此时光栅图像为参考图像，工件台高度进行调整时，对光栅图像进行实时采集；
S42.基于步骤S41，对参考图像进行部分特征截取，得到第一特征图，记录第一特征图在参考图像上的位置P0，将第一特征图灰度值按列求和或计算平均值，得到基准特征图；
S43.基于步骤S42，对实时采集的光栅图像在全部高度上进行特征截取，得到第二特征图，且第二特征图的宽度与第一特征图宽度相等，将第二特征图灰度值按列求和或计算平均值，得到目标特征图；
S44.基于步骤S43，在目标特征图中逐一截取与基准特征图长度相同的部分，计算两组特征的相关度，得到相关度曲线，计算出相关度曲线中相关度值的一阶梯度并进行数学模型拟合，得到拟合曲线，拟合曲线的过零点为位置P1；
S45.基于步骤S44，位置P1与位置P0之间的差值为晶圆位移量P，即晶圆位移量P=P1-P0。
S5.循环步骤S4，直至对该晶圆的SEM成像任务结束。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (6)
1.一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，其特征在于，包括自适应对焦控制系统，具体包括：
由电子源、电磁透镜、电磁探测器、电子光学控制及成像单元构成的第一闭环控制系统；其中，电子源、电磁透镜、电磁探测器沿电子束发射方向依次设置且均分别与电子光学控制及成像单元电性连接；
由发射光路、接收光路、工作台微动机构、高差分析及控制单元构成的第二闭环控制系统；其中，发射光路用于发射光束在工作台上的晶圆表面，接收光路用于接收经晶圆表面反射的光束形成光栅图像，高差分析及控制单元用于根据接收光路的光栅图像获得晶圆位移量信息，并将晶圆位移量信息发送至工件台微动机构，工件台微动机构用于根据晶圆位移量信息调整工件台高度，使晶圆表面处于对焦控制范围内；
电子光学控制及成像单元和高差分析及控制单元均与双闭环对焦控制单元电性连接；
自适应对焦控制方法包括如下步骤：
S1.双闭环对焦控制单元调度第二闭环控制系统驱动工件台至基准位置，使第二闭环控制系统进入闭环控制状态，锁定工件台高度不变；
S2.基于步骤S1，双闭环对焦控制单元调度第一闭环控制系统，第一闭环控制系统调节电磁透镜参数分别进行SEM成像，估算最佳电子光学成像参数，并锁定成像参数不变；
S3.基于步骤S2，基于成像参数，双闭环对焦控制单元再调度第二闭环控制系统至预设SEM成像位置；
S4.基于步骤S3，基于光栅图像，对光栅图像进行图像处理获得晶圆位移量，再基于晶圆位移量，通过PID控制算法将工作台调整至对焦范围内，第一闭环控制系统再进行SEM成像；S5.循环步骤S4，直至对该晶圆的SEM成像任务结束。
2.根据权利要求1所述的一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，其特征在于，步骤S2的具体方法如下：S21.设定初始电磁透镜参数，对预设晶圆区域进行SEM成像；S22.基于步骤S21，通过图像清晰度评价算法，评价当前SEM图像清晰度；S23.基于步骤S22，选定搜索策略以及拟合模型，调节电磁透镜参数并进行SEM成像；S24.循环步骤S22和步骤S23，直至达到搜索策略结束的判定标准与拟合模型拟合精度标准，则结束搜索，拟合模型输出最佳电子光学成像参数。
3.根据权利要求2所述的一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，其特征在于：图像清晰度评价算法选用梯度函数、灰度值统计特性分析、频域分析、直方图分析中的一种；拟合模型选用混合高斯模型、多项式模型、多元线性模型、非线性模型中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，其特征在于，步骤S4中对基于光栅图像，对光栅图像进行图像处理获得晶圆位移量的具体方法如下：S41.当工件台至基准位置时，记录此时光栅图像为参考图像，工件台高度进行调整时，对光栅图像进行实时采集；S42.基于步骤S41，对参考图像进行部分特征截取，得到第一特征图，记录第一特征图在参考图像上的位置P0，将第一特征图灰度值按列求和或计算平均值，得到基准特征图；
S43.基于步骤S42，对实时采集的光栅图像在全部高度上进行特征截取，得到第二特征图，且第二特征图的宽度与第一特征图宽度相等，将第二特征图灰度值按列求和或计算平均值，得到目标特征图；
S44.基于步骤S43，在目标特征图中逐一截取与基准特征图长度相同的部分，计算两组特征的相关度，得到相关度曲线，计算出相关度曲线中相关度值的一阶梯度并进行数学模型拟合，得到拟合曲线，拟合曲线的过零点为位置P1；
S45.基于步骤S44，位置P1与位置P0之间的差值为晶圆位移量P，即晶圆位移量P=P1-P0。
5.根据权利要求1所述的一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，其特征在于：所述发射光路包括沿光束发射方向依次设置的光源、光栅、发射光路光学器件，所述接收光路包括沿光束反射方向依次设置的接收光路光学器件和光学成像设备，所述光学成像设备与高差分析及控制单元电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种扫描电子显微镜自适应对焦控制方法，其特征在于：第一闭环控制系统的电子束对焦范围数量级设置为毫米级，精度数量级为十微米级；第二闭环控制系统高度可调范围数量级设置为百微米级，精度数量级为十纳米级。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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