電子束硅片圖形檢測系統中的納米級對焦控制技術

郭 杰，李世光,*，趙 焱，宗明成

(1.中國科學院 微電子研究所，北京 100029；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中科晶源微電子科技(北京)有限公司，北京 100076)

1 引 言

隨著微電子技術的迅速發展，極大規模集成電路生產已經進入十幾納米技術節點時代。帶電粒子束成像檢測技術作為一種可以提供納米級精度的測量技術，在半導體行業獲得了廣泛應用[1-2]。在進行硅片檢測時，為了得到高質量的硅片圖形，要求待測硅片在掃描檢測過程中一直處于帶電粒子束的焦深范圍(DoF)內。根據ITRS公布的半導體技術路線圖可知[3]，隨著技術節點的不斷下移，電子束的DoF逐漸減小，而當前在電子束檢測系統中，工件臺的高度移動范圍或硅片的平整度卻很少改變，這就要求人們在進行對焦控制時，既要保持大的控制范圍(例如100 μm以上)，同時保持高的控制精度(例如100 nm)。為了提高檢測效率，對焦控制時間的要求也更苛刻。

在電子束檢測系統中，通常用兩種方法將待測硅片置于電子束DoF內:(1)調整磁透鏡電流或靜電透鏡電壓，從而調整電磁透鏡的焦距，使硅片位于帶電粒子束的最佳焦平面上。這種方法耗時，且基板由于長時間照射，容易損壞。KLA-Tencor的研究表明，由于磁透鏡的滯后效應，通過調整透鏡電流控制電子束聚焦相對于運動臺的運動過于緩慢，容易造成圖像模糊不清[4-6]，因此該方法通常只是偶爾使用。(2)在硅片連續掃描過程中，人們均采用實時調整Z向工件臺的方式，使待測硅片表面處于電子束的DoF內。調整過程中，一個光學裝置連續測量待測硅片表面距離某一參考平面的高度，該參考平面通常為事先設計或標定的最佳成像面，并將該高度作為反饋信號，調整工件臺到達該參考平面位置[7-15]。IBM公司的William W.Blair等人基于硅片表面位置的變化會引起狹縫像的水平移動原理，將被LED照明的一個橫向的狹縫成像至硅片表面，經硅片反射后被探測器接收來測量硅片高度[7-10]。Hitachi公司將被照明的光柵平行投射到硅片表面，用一個線陣探測器接收[11-13]，為了減小局部反射率偏差的影響，采用了雙路對稱光路設計。Hermes Microvision公司將被照明的光柵成像至硅片表面，并進一步用一個數字相機接收[14-15]。這些光學方法大多以狹縫或光柵為物，通過投影的方式投射到硅片表面，經硅片反射后被相機或探測器接收，硅片高度通過狹縫或光柵圖像在探測器上的位移得到。這些光學方法均采用圖像識別技術，測量范圍較大，但無法突破探測器的像素尺寸限制。目前，數碼相機的最小像素大約為2 μm，即使采用細分像素技術[16-21]，測量分辨率的提升依然有限。王海涌等人利用灰度重心法細分像素，可細分1/10像元，但這僅針對灰度對稱光點，對光柵圖形的細分能力沒有報道[22]。王林波等人同樣對圓形標志點目標的中心進行定位，獲得0.023 7像素的定位精度，但該方法也不適用于光柵圖案[23]。另外，在進行硅片圖形檢測時，硅片上各種復雜的圖案將影響光柵的亮度均勻性，從而影響測量精度。為了消除亮度不均勻對測量精度的影響，需要綜合使用各種圖像處理算法，延長了測量時間。

對焦控制不僅應用于半導體檢測設備，在光刻設備中也同樣有應用[24-26]。本文受ASML的高速、納米級測量分辨率的調焦調平傳感器的啟發，提出一種光學游標卡尺技術[24]。在該傳感器中，一個投影光柵成像在硅片上，經硅片反射后成像在兩個互補的探測光柵上，形成兩組莫爾條紋。這里“互補”指兩光柵空間上錯位半個周期，從而第一光柵透光/擋光區域為第二光柵擋光/透光區域。投影光柵和探測光柵周期相同。為了記錄并分開這兩組莫爾條紋，在探測光柵后放置一個光學成像分離系統。兩組莫爾條紋經過該系統后，或時間或空間地分開成像，被光電探測器接收。由于探測光柵的作用是擋光與透光，以便使某些光到達探測器，有些光則不能到達，受其啟發，作者想到如果將光電探測器替換為數字相機，且將擋光區域的信號清除，透光區域的信號保留，應該可以達到相同的效果。此時，數字相機上的像素陣列充當一個信號濾波器。經過這種改變后，不再需要物理上的探測光柵、制造兩個互補探測光柵的光學結構和后續的莫爾條紋成像分離系統，整個結構變得與基于光柵圖像識別技術的硅片高度測量系統一樣簡單，且有望保持高速、高分辨率的特性。該系統的另一個主要改進是使投影和探測光柵從原來的等周期變為有一定的周期差。該想法受到這樣一個事實的啟發：光電探測器不能分辨單根光柵線，而數字相機可以很容易做到這點。光電探測器只能探測所有透射光的光強，即光電探測器得到的信號是從探測光柵透過的所有透射光的積分。這種情況下，為了在線測量硅片高度，需要事先標定一個高度-信號曲線，而該曲線對探測器噪聲水平、入射光強穩定性、光電探測器的一致性、關鍵元器件的安裝精度、機械漂移等均敏感，因此該方案對這些因素提出了嚴格要求。但當采用數字相機和有一定周期差的投影光柵和探測光柵時，人們通過尋找下文所述的光學游標卡尺對準點的方式獲得硅片高度信息，不需要上述標定曲線，因此對這些因素具有高的容忍度，從而降低研發難度。

基于以上設想，本文提出一種光學游標卡尺測量技術，該技術與基于圖像識別的測量技術共同采用一套測量系統，通過對同一幅光柵圖像進行不同的數據處理分別獲得硅片的粗高度信息和精高度信息。粗高度信息采用光柵圖像識別技術得到[27-28]，精高度信息通過光學游標卡尺測量技術得到。在進行對焦控制時，采用粗精結合的對焦控制方案。粗高度信息用于硅片的粗對焦控制，保持大的控制范圍。當通過粗對焦控制將硅片移動到目標位置附近時，運用精高度信息進行高精度控制，使硅片以納米級精度保持在電子束檢測系統的焦深范圍內。

2 光學游標卡尺位移測量原理

機械游標卡尺廣泛應用于尺寸測量中，它通過兩個具有一定間距差的定尺和游標尺測量尺寸。在光學領域，人們也嘗試用這種間距差概念來達到某些測量目的，例如LIGO項目中采用兩個不同波長的激光產生的拍頻來測量40 m長法布里-珀羅諧振腔的長度，測量精度達4 mm[29]，Chen等人在CCD光學傳感器上方放置一個移動的光柵，通過一束平行光穿過該光柵照射到CCD面上的方法測量太陽角度，測量精度達0.02°[30]。趙斌在數字相機上構造一個虛擬環柵，與環柵狀光斑像重疊，虛擬環柵與環柵狀光斑之間存在一個小的光柵周期差，從而產生莫爾條紋，根據莫爾條紋精確尋找光斑中心[31]。本文將在數字相機上構造兩個虛擬的數字光柵，代替文獻[24]中的探測光柵，與光學光柵像重疊，同時令兩光柵之間存在小量周期差，來精確測量位移，以下為測量原理。

設一個占空比為1∶1的振幅型光柵在數字相機成像面上成像，圖1方框區域代表光柵中的透光線條，光柵像周期為:

po=2×(n+Δn) ,

(1)

其中，n(≥1) 是一個以像素為單位的整數，|Δn|/n<0.5，Δn可以為正，也可以為負。圖1中，n=2，Δn為正。

圖1 相機成像面上的光學光柵圖像示意圖Fig.1 Schematic of optical grating on the imaging plane

光柵像的強度分布用矩陣A表示為：

(2)

下標中前兩位代表行數，后兩位代表列數。

圖1中一系列小方塊代表成像面上的光學傳感器陣列，例如CCD陣列或CMOS陣列。虛擬的數字光柵采用如下方式構造：將n行相鄰的像素設置為信號保留區域，代表探測光柵中的透光區域，用“1”表示，將下面n行相鄰的像素設置為信號濾除區域，用“0”表示，代表探測光柵中的擋光區域，以此類推。圖1中，灰色方塊代表該像素上的光強信號被保留，白色方塊代表該像素上的信號被濾除。這種信號保留或濾除功能用矩陣B表示為:

(3)

當“1”“0”排列類似光學光柵的周期性結構時，本文稱其為數字光柵，一組相鄰的狀態為“1”的像素構成一條數字光柵線，數字光柵線之間狀態為“0”的像素構成間隔。該數字光柵周期為：

pd=2×n,

(4)

經過B的選擇性保留或濾除，光柵圖像A轉變為一個新的光柵圖像，如圖2(a)所示，白色區域完全沒有光強信號，灰色區域的光強信號被保留。該合成圖像用矩陣表示為：

C1=A*B.

(5)

該式含義為：保留某像素上的信號相當于該像素上的信號乘以1，濾除該像素上的信號相當于該信號乘以0。

圖2 (a)合成光柵圖像C1， (b)合成光柵圖像C2Fig.2 (a)Synthetic grating imageC1; (b)Synthetic grating imageC2

另一個互補的數字光柵通過將式(3)中的“1”“0”互換得到，其矩陣表示為：

(6)

(7)

令構造的數字光柵與光學光柵像之間存在一個小的周期差Δp，即Δp=(po-pd)·p，其中p為像素尺寸。由圖1、2可見，在某位置處，例如邊界3處，某根光柵線被平分成兩部分，分別處于C1和C2中，該等光強位置稱為對準點。當光柵上下移動Δp距離，該對準點將跨越一個數字光柵周期，到達邊界4或2。通過測量對準點跨越的數字光柵周期數Δx，乘以周期差Δp，可得到光柵的位移，即

D=Δx·Δp.

(8)

該測量方法與機械游標卡尺類似，均通過兩個周期性結構的周期差獲得位移信息，本文稱為光學游標卡尺，其中數字光柵為定尺，光學光柵像為游標尺。同樣類似于機械游標卡尺，兩周期性結構的周期差Δp為光學游標卡尺的直接測量分辨率，它不依賴于像素尺寸，當Δp

由于制造工藝等原因，直接測量分辨率Δp很難達到納米量級，且對準點難以從圖像上直接尋找，需要進一步進行數據處理。對C1、C2中的一系列保留區域進行光強積分，即：

(9)

(10)

圖3 隨j變化的積分光強曲線Fig.3 Integrated intensities vary withj

其中，下標1、2代表C1、C2的序號，j是C1，C2中從上向下數信號保留區域的序號，圖1中，j=1～4。j與圖中的邊界號相同，相鄰序號之間的物理間隔為一個數字光柵周期的寬度。x，y為像素陣列上的列數和行數，I(x，y)為在像素點(x，y)上的光強，將I1j和I2j分別連成曲線，如圖3所示，縱軸為積分光強，橫軸為序號j。由于光學光柵與數字光柵之間存在周期差，C1，C2中，j相同的兩保留區域的積分光強隨著j的變化而變化，該變化由圖2也可以直觀看出。但在j=3時，I13=I23，即邊界3平分某條光柵線，此處即為對準點。當光柵向下移動Δp時，I1、I2曲線為虛線形式，對準點跨越到2。通常地，設Pt為目標位置處的對準點位置，Px為光柵發生位移后的對準點位置，通過計算Δx=Px-Pt，并乘以周期差Δp，可以得到光柵距離目標位置的位移D，即采用積分光強曲線計算光柵時，式(8)仍然適用。當光學游標卡尺由直觀的圖像解釋轉變為積分光強曲線后，對準點位置脫離數字光柵邊界位置，而成為成像面上任意位置，即I1、I2曲線交叉點可在成像面上任意位置，而該位置可通過對I1，I2曲線進行擬合得到。事實上，通過曲線擬合尋找對準點是對Δx的細分，有望將測量分辨率提高到更高水平。

在進行硅片圖形檢測時，硅片圖形極易造成各個位置處反射率不同，從而導致光柵圖像亮度不均勻。為了減小亮度不均勻對測量精度的影響，在光學游標卡尺技術中，對I1、I2進行歸一化差分處理，即令Ij=(I1j-I2j)/(I1j+I2j)，如圖4所示，圖中實線和虛線分別為圖3中實線和虛線的歸一化光強差分曲線。I曲線的對準點在I=0的位置。后續分析和實驗均基于I曲線進行。由于橫軸序號j理解上比較抽象，在實際應用中，當人們只關心硅片高度相對于目標高度的相對值時，j用數字光柵周期數表示。

圖4 隨j變化的歸一化積分光強差分曲線Fig.4 Normalized differentiation curves of integrated intensity vsj

為確定光學游標卡尺測量位移的有效性，進行如下仿真。設一條光學光柵線包含41個像素，一條數字光柵線包括40個像素，兩者的周期差Δp為2個像素。圖像尺寸為4000 pixel×4000 pixel。光學光柵像在垂直方向上的光強變化函數為：

f[(i-1)·82+m1+D]=

(11)

其中，i是光柵的周期數，m1是每個光學光柵周期內的像素序號，m1=1…82，D為光柵在相機上的位移。在目標位置處，D設為0。振幅為12.5，隨意設定。該光學光柵像如圖5(a)所示，其左側為光強起伏。

數字光柵B的數值表示為：

f[(i-1)·80+m2]=1 .

(12)

m2是每個數字光柵周期內的像素序號，m2=1…40，其他像素值為0。數字光柵B及其數值起伏見圖5(b)。

圖5 驗證光學游標卡尺測量位移原理仿真實驗結果 (a)光學光柵圖像A; (b)數字光柵B; (c)合成光柵圖像C1;(d)隨數字光柵周期變化的積分光強曲線I1和I2; (e)當光柵移動2個像素時，歸一化積分光強差分曲線I的變化Fig.5 Simulation results of displacement measurement principle of optical vernier caliper. (a)Optical grating imageA; (b)digital gratingB; (c)synthetic grating imageC1; (d)integrated intensity curvesI1andI2change with digital grating periods; (e)the variation of the normalized integrated intensity differentiation curveIwhen the optical grating moves 2 pixels

圖5(e)的I曲線是個周期曲線。當Δp>0時，I曲線一個周期內包含的數字光柵周期數為：

(13)

當Δp<0時，I曲線一個周期內包含的數字光柵周期數為：

(14)

圖5中光學光柵周期為82像素，數字光柵周期為80像素，即p=80，Δp=2，則I曲線一個周期包括41個數字光柵周期，與圖5(e)仿真結果吻合。

由以上分析可知，光學游標卡尺技術測量分辨率與像素尺寸無關，僅與Δp有關，Δp相對于像素尺寸越小，則該技術對像素的細分能力越強，測量分辨率越高，這是該技術突破像素限制的根本原因。該技術僅對圖像光強進行求和及歸一化差分處理，不涉及其他圖像處理算法，有望提高測量速度。同時該技術通過光學歸一化差分有效抑制硅片圖案對測量精度的影響，有望提高測量精度。

對于同一幅光學光柵像，人們除了可以用光學游標卡尺測量位移外，還可以通過直接讀取光柵線條在像面的移動量獲得光柵的移動信息。這意味著，對于同一幅光學光柵像，人們有兩種方式獲得它的位移信息。這種通過兩種數據處理方式分別獲得光柵粗精位移信息的思想為采用同一套光學系統分別進行粗精結合的對焦控制提供了可能。

3 粗精結合的硅片高度閉環控制方案

圖6 硅片高度測量系統示意圖Fig.6 Schematic of wafer height measurement system

粗精結合的硅片高度閉環控制方案的核心子系統是一套光學硅片高度測量系統，它的原理性結構如圖6所示，LED 通過照明光學系統照明一塊光柵，光柵經過一套投影系統成像在硅片表面，在硅片表面反射后，再經過一套探測系統成像在數字相機表面?？讖焦怅@位于投影系統的前焦點處，從而使投影系統為像方遠心光路，探測系統為物方遠心光路，該光闌同時阻擋不必要雜光。嚴格說來，本系統需要兩個光闌，一個放置在探測系統后焦面，作為孔徑光闌，一個放在投影系統前焦面，作為消雜光光闌。當硅片在垂直方向移動h時，根據光學三角法原理[24]和圖6知，相機表面的光柵像相應移動D，兩者間的關系滿足：

h=D/(2Msinα)=kD.

(15)

其中，α為光束入射角，M為探測系統放大倍率，k為比例系數。在粗測模式下，D通過直接測量某條光柵線在像面上的位移獲得，在精測模式下，D通過公式(8)獲得。

圖7 粗精結合的閉環控制反饋方案Fig.7 Close-loop focus control flow combined with coarse control and fine control

硅片高度閉環控制方案如圖7所示。首先記錄最佳焦平面位置處的光柵圖像，該位置稱為目標位置。在本方案中，記錄兩個目標高度：粗目標高度a和精目標高度b，a為測量光柵上某條光柵線(例如光柵最上邊一條的上邊沿)在像面上的位置，b為光學游標卡尺當前對準點的位置。當硅片離開目標位置后，首先測量第一條光柵線上邊沿位置a′，并與a比對，獲得硅片移動的粗高度信息，通過該信息調整工件臺移動到某閾值范圍Tc內。Tc稍小于精測模式的測量范圍。精測模式下，通過計算對準點跨越的數字光柵周期數，獲得系統當前高度b′的精確值，與目標高度b進行比對，獲得硅片移動的精高度信息，通過該信息調整工件臺移動到某閾值范圍Tf內。當Δb在一段時間內小于Tf后，表明高度調整到位，結束反饋，輸出z向工件臺調整到位的信息給電子束檢測系統，以便進行下一步動作。

4 實驗結果與討論

圖8 測試平臺示意圖Fig.8 Schematic of the test bench

圖9 測試平臺實物Fig.9 Physical test bench

為了驗證光學游標卡尺技術的有效性和粗精結合的對焦控制方案的可行性，進行了系列實驗。進行這些實驗的測試平臺如圖8所示，測試平臺實物如圖9所示。該測試平臺中心為一個假鏡筒，仿真電子光學系統的機械結構，硅片高度測量系統安裝在假鏡筒兩側。它分為兩個支路，一個支路為投影支路，將光柵以84°入射角投射到硅片上；另一個支路為探測支路，將從硅片反射的光匯聚到相機(Basler acA 2500-20gm)成像面上，相機像素尺寸為2.2 μm。相機與計算機相連，計算機記錄光柵圖像。在假鏡筒下方放置z向位移臺，位移臺采用Piezosystemjena 公司的PZ 100 SG型壓電陶瓷z向位移臺，其閉環控制精度為±0.2%，行程為80 μm，控制電壓為0～10 V。在進行硅片高度閉環反饋控制實驗時，對位移臺驅動器進行控制采用的板卡為研華的PCI-1723控制板卡。本光學系統總放大倍率為2.2×，探測系統放大倍率為-0.96×。光柵尺寸為1.2 mm×0.406 μm，光柵上有20個光柵周期，一個光柵周期為20.30 μm。在系統測試前，首先標定目標高度。標定方式如下：將一個帶有參考反射鏡的參考反射鏡工具高精度固定于假鏡筒下方，該反射鏡的高度為設計的電子束最佳焦平面位置。測試過程中，將閉環控制的工件臺位移高度作為一個精度為±0.2%的參考高度，與采用光學游標卡尺技術或圖像識別技術得到的高度值進行比較。

4.1 粗測范圍

圖10 光學光柵圖像Fig.10 Optical grating image

圖11 相機上光柵位移與z向位移臺位移的關系曲線Fig.11 Relationship between the grating displacement on the camera and the displacement of thezstage

以4 μm間距向上移動z向位移臺共80 μm，得到一系列如圖10所示的光柵圖像。尋找每幅圖像中從上向下數第一條光柵線的光強極大值的位置，得到如圖11所示關系曲線，橫軸為z向位移臺的位移，設初始位置為0，縱軸為相機上第一條光柵線相對于初始位置的位移。該曲線斜率為式(15)中的比例系數k。重復測量5次，得到平均的比例系數k=0.49，根據式(15)計算的設計值為0.52，兩者存在一定差異。分析表明，該差異是由系統放大倍率變化造成的，即因為本系統不是雙遠心系統，光柵或相機的移動引起了放大倍率的變化。該相機幅面高度為2.76 mm，根據式(15)，對應到硅片處的高度范圍為1.35 mm。在該范圍內，均可以在像面上發現光柵線條，并粗測它的高度，即本系統的粗測范圍為1.35 mm。當采用更大幅面的光學傳感器，粗測范圍可以進一步擴大。

4.2 精測分辨率

圖12 測量系統分辨率使用的系列圖像或曲線。(a)數字光柵B；(b)合成圖像C1；(c)積分光強曲線；(d)歸一化積分光強差曲線；(e)對準點隨硅片位置移動的關系Fig.12 A series of images or curves used for measurement resolution test. (a)Digital gratingB; (b)synthetic imageC1; (c)integrated intensity curves; (d)normalized integrated intensity differentiation curve; (e)relationship between the alignment points and the wafer translation

令z向位移臺從0 μm開始，以步長為0.01 V向上移動，對應80 nm的位移梯度，得到不同高度處的對準點位置，如圖12(e)所示，測量重復5次。除了數據1、2、3、4外，80 nm的高度梯度可被清晰分辨。重新檢查a和a′，b和b′的原始光柵圖像，發現當電壓升高時，光柵確實下降。在c和c′，d和d′位置，發現當電壓升高時，光柵確實在0.001個數字光柵周期(對應光柵位移D=0.001×1.5 μm=1.5 nm)的對準點不確定性范圍內保持不動。圖12(e)的測量結果真實地反映了這種不正常情況。這種不正?？赡苡蓽y量環境的不穩定性造成。根據式(15)，80 nm高度分辨率對應到像面上為163 nm，遠遠小于像素尺寸2.2 μm，像素被有效細分了10×之多。這5次測量曲線之間存在一定偏移。這是因為本測試平臺受安裝或環境影響，其測量結果存在0.7 μm/h的漂移造成的。80 nm的高度梯度比直接測量分辨率0.735 μm小將近10倍，意味著當對曲線進行歸一化差分和多項式擬合后，直接測量分辨率被細分了將近10倍，達到了納米量級。除了在0 μm附近進行5次測量外，還分別在40 μm和80 μm附近重復測量4次和5次，線性擬合這14次測量結果，得到硅片高度與數字光柵周期數之間的平均比例系數k′=0.704 μm/count，該k′即為實測的直接測量分辨率，與預測的0.735 μm略有不同。分析表明，該誤差與式(15)比例系數k的誤差來源于同一個誤差源，即系統放大倍率誤差?？偟膩碚f，硅片高度測量的直接分辨率Δp由探測系統放大倍率，系統總的放大倍率，光束到硅片的入射角，光學光柵和數字光柵周期決定。這些因素發生變化時，該系統的直接測量分辨率也相應發生變化。實驗中系統的硅片高度測量分辨率為80 nm，達到納米量級，對應到像面上為160 nm，將像素尺寸2.2 μm細分了10×之多。

4.3 測試時間

硅片高度測量系統的測量時間定義為從程序獲得圖像到計算出高度的時間，包括粗測硅片高度時間和精測硅片高度時間。表1列出了15次的測量結果。該測試在一臺個人臺式電腦上進行，該電腦采用Windows 1064位操作系統，8G內存，8核CPU，主頻為3.6 GHz，編程語言為C++語言。粗測最長時間為0.38 ms，精測時間為0.09 ms，總的測試時間達到了亞毫秒量級。

表1 硅片高度測量系統測量時間

Tab.1 Measurement time of the wafer heightmeasurement system(Unit: ms)

次數粗測精測次數粗測精測10.360.0990.370.0920.370.09100.370.0930.370.09110.370.0940.370.09120.370.0950.370.09130.370.0960.380.09140.370.0970.370.09150.370.0980.380.09

4.4 粗精測試精度比較

現有技術中，采用圖6所示光學系統測量硅片高度的做法即為本文采用的粗測方法，即通過跟蹤某根光柵線的位置變化獲得硅片高度信息。本文采用粗測和精測兩種模式同時測量了工件臺在加電狀態下的穩定性。保持工件臺控制電壓不變，觀察光柵位移，得到粗測和精測的兩種測量結果，如圖13所示，精測結果比粗測結果明顯平滑很多。本實驗重復了6次，結論相同。根據機械漂移常識，圖13的精測結果更加精確。造成差別的原因是：盡管粗測時采用了圖像(實際是選取的左、中、右3條垂直方向光強曲線)濾波、光強差分、閾值設定和像素細分等圖像處理方法，但仍然無法完全擺脫像素限制，而精測時采用光學游標卡尺技術，其測量分辨率與像素尺寸無關，通過對光強信號進行積分、歸一化差分和多項式擬合等處理，進一步提高了測量分辨率，達到了納米量級。

圖13 粗測與精測結果對比Fig.13 Comparison between coarse measurement and fine measurement results

4.5 閉環反饋控制實驗

根據閉環反饋控制方案，首先設定某個高度為目標高度，記錄該高度下的粗測目標位置和精測目標位置。隨后隨機移動位移臺，使位移臺高度相對目標高度產生偏離，此時開啟閉環控制模式，觀察其能否回歸到目標高度。反饋結束后，肉眼已無法從圖像上直觀分辨反饋前后的區別。借助曲線I進行觀察，如圖14所示。反饋前對準點在13.543 7個數字光柵周期數處，反饋后對準點在13.567 7個數字光柵周期數處，兩對準點之差為1.28×0.024×0.49×1000=15 nm，其中1.28為光學光柵像與數字光柵周期差Δp。進行本實驗時，采用了像素為5.6 μm的相機，一條光柵線占據4.114個像素，構造的數字光柵線寬為4個像素，因此光學光柵像與數字光柵的周期差Δp=(4.114-4)×5.6×2=1.28 μm。0.024為反饋前后的數字光柵周期數之差Δx，0.49為從相機位移對應到z向位移臺位移的比例系數k?？梢姡貧w到目標位置的精度可達15 nm。本實驗的控制范圍受到z向位移臺行程的限制，為80 μm。實驗測得的閉環控制精度為15 nm，小于硅片高度測量系統的測量分辨率80 nm。其原因在于：采用圖9裝置進行分辨率測量時，控制電壓的精度僅為0.01 V左右，對應80 nm硅片高度變化，同時測試平臺處于普通隔振平臺上，沒有環境保護，測試環境對分辨率測試結果也產生了不可忽視的影響。從閉環控制結果看，該高度測量系統的實際分辨率應遠小于80 nm，真實數值需要改善測試平臺后再次檢測。

圖14 目標位置與閉環控制結束后的I曲線Fig.14 Icurves before and after close-loop control

5 結 論

在電子束硅片圖形檢測系統中，精密的對焦控制是保證成像質量的關鍵。隨著半導體技術向1x nm甚至x nm技術節點下行，對焦控制精度將逐漸達到納米量級。在對焦控制中，一個關鍵的子系統是硅片高度測量系統，它提供對焦控制的反饋信號，以便工件臺移動到目標位置。它的測量范圍和分辨率決定了對焦控制最終可能達到的控制范圍和精度，它的測量時間決定了對焦控制最終可能的最短控制時間?；诠鈻懦上竦墓杵叨葴y量技術廣泛應用于電子束檢測系統的硅片高度測量中，它的測量分辨率受到光學傳感器像素尺寸的限制。本文利用這種成像系統，提出一種新型的光學游標卡尺測量技術，在像面上得到163 nm的測量分辨率(有效細分像素尺寸2.2 μm 10×以上)。該技術的關鍵因素是將一個單純的光學傳感器轉變為兩個互補的數字光柵單元，且令光學光柵像和數字光柵之間有個小量的周期差。當光學光柵圖像與數字光柵重疊時，形成類似機械游標卡尺的光學游標卡尺結構，通過測量對準點的移位獲得像面上光柵位移信息。根據這種新型的光學游標卡尺技術，結合目前普遍采用光柵圖像識別技術，本文提出一種粗精結合的對焦控制方案，對同一幅光柵圖像進行兩種處理：大范圍對焦控制時，直接測量光柵在像面上的位移得到硅片高度信息；在即將達到目標高度時，將數字相機成像面轉化為數字光柵，形成光學游標卡尺結構，精確測量光柵距離目標位置的高度。實驗結果表明，該硅片高度測量系統粗測范圍可達毫米量級，粗測時間小于0.38 ms，精測分辨率小于80 nm，精測時間為0.09 ms，初步實現了80 μm控制范圍內15 nm控制精度的對焦控制結果，在面向未來的更低技術節點的電子束檢測系統中具有廣闊的應用前景。

致謝:作者感謝中科晶源徐天偉(原)、蔣磊、楊英豪、萬鵬和楊延德在系統研發和測試中所作的大量工作。