CN106441143B - 一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，涉及光学显微测量领域，具体涉及一种沟槽样品深度的方法。本发明为了解决现有的测量沟槽样品深度的方法存在精度较低的问题。本发明首先采用光学显微方式获得沟槽样品的轮廓数据，并确定沟槽样品两侧边缘的位置和沟槽的宽度W；然后在上、下表面轮廓数据部分分别删除上表面避让距离D_d和下表面避让距离Ds；最后，利用沟槽上、下表面剩余的有效数据范围对应的沟槽样品轮廓数据进行拟合，从而得到准确的沟槽深度。本发明适用于光学显微仪器的测量领域。

Description

一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法

技术领域

本发明涉及光学显微测量领域，具体涉及一种沟槽样品深度的方法。

背景技术

在对光学显微测量仪器，如激光共焦扫描显微镜等进行校正和性能测试时，通常会对一系列不同深度的沟槽型标准样品进行测量，从而对仪器轴向性能进行校正和标定。在测量沟槽下表面的过程中，沟槽上表面会对照明光束或信号光路产生遮挡，影响沟槽下表面边缘附近区域的测量精度；而在测量沟槽上表面的过程中，在沟槽边缘附近区域由于照明光斑的缺失，会使得***的信噪比降低，从而影响该部分区域的测量精度。因此，在用光学显微测量仪器测量沟槽样品时，得到的测量轮廓在沟槽边缘附近区域存在失真。

传统的对沟槽深度读数方法中，大部分是直接沿用接触式扫描探针类测量方法的沟槽深度读数方法，并未充分考虑到测量***的光学特性。因此，采用传统沟槽深度的读数方法，在用于读取沟槽深度的有效数据范围的方法所选取的有效数据范围中，包含了失真区域的数据，降低了测量结果的准确性和精度。在光学测量领域，现行被广泛使用的沟槽高度读取方法是国际标准文件ISO 4336-1:2000(E)中规定的W/3方法，这种方法简单易用，但是仍然存在失真区域的数据，降低了测量结果的准确性和精度。

发明内容

本发明为了解决现有的测量沟槽样品深度的方法存在精度较低的问题。

一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用光学显微方式获得沟槽样品的轮廓数据；

步骤2、针对沟槽样品的轮廓数据，采用最大梯度法确定沟槽样品两侧边缘的位置，并得到沟槽的宽度W；

步骤3、针对沟槽上表面轮廓数据部分，在沟槽的两侧边缘各选取一段上表面避让距离D_d；在沟槽两侧上表面轮廓数据中删除两个上表面避让距离D_d对应的数据，将剩余的两段沟槽上表面轮廓数据作为上表面有效数据范围；

步骤4、针对沟槽下表面轮廓数据部分，在靠近沟槽两侧边缘的位置上各选取一段下表面避让距离Ds，在沟槽下表面轮廓数据中删除两个下表面避让距离Ds对应的数据，将剩余的一段沟槽下表面轮廓数据作为下表面有效数据范围；

所述下表面避让距离Ds如下：

其中，H为沟槽样品深度的估计值；K为反映实际光学***聚焦特性与理论情况差异的工艺因子，λ为照明光的波长，NA为所用物镜的数值孔径；

步骤5、利用沟槽上表面的两段有效数据范围和沟槽下表面的一段有效数据范围对应的沟槽样品轮廓数据，进行拟合，从而得到准确的沟槽深度。

一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用光学显微方式获得沟槽样品的轮廓数据；

步骤2、针对沟槽样品的轮廓数据，采用最大梯度法确定沟槽样品两侧边缘的位置，并得到沟槽的宽度W；

步骤3、针对沟槽上表面轮廓数据部分，在沟槽的两侧边缘各选取一段上表面避让距离其中，K为反映实际光学***聚焦特性与理论情况差异的工艺因子，λ为照明光的波长，NA为所用物镜的数值孔径；

判断D_d和的大小，选取D_d和中较大的一个作为最大上表面避让距离；

在沟槽两侧上表面轮廓数据中删除两个最大上表面避让距离对应的数据，将剩余的两段沟槽上表面轮廓数据作为上表面有效数据范围；

步骤4、针对沟槽下表面轮廓数据部分，在靠近沟槽两侧边缘的位置上各选取一段下表面避让距离其中，H为沟槽样品深度的估计值；同时保证下表面避让距离D_s满足

在沟槽下表面轮廓数据中删除两个下表面避让距离Ds对应的数据，将剩余的一段沟槽下表面轮廓数据作为下表面有效数据范围；

步骤5、利用沟槽上表面的两段有效数据范围和沟槽下表面的一段有效数据范围对应的沟槽样品轮廓数据，进行拟合，从而得到准确的沟槽深度。

本发明具有以下有益效果：

本方法充分考虑了实际测量过程中存在的光斑缺损、光束遮挡等情况，在选取避让距离时考虑了光学***所使用的物镜数值孔径、光波波长及沟槽本身的机构尺寸对测量结果的影响，从而避免了将带有精度损失(甚至失真)的数据包含到读数区中，进而避免了原理误差的产生。对该原理误差的抑制在仪器的校正中具有重大的应用价值和意义。

同时由于所选取的用于高度读数的有效数据均不受到光斑缺损、光束遮挡等情况的干扰，因此利用该部分数据进行读数能够使得沟槽样品高度的测量精度达到***的最优精度。相比传统的沟槽样品深度的测量和读取，本发明对沟槽样品深度的测量精度大大提高，甚至相对W/3方法，本发明的精度提高10％-20％。

附图说明

图1是沟槽轮廓数据的有效数据范围的示意图；图中，1为沟槽上表面的有效数据范围，2为沟槽下表面的有效数据范围；

图2是本发明和W/3方法对于选取用于读取沟槽深度的有效数据范围的对比图；图2中，图2(a)为本方法抑制原理误差产生的示意图；其中，1为沟槽上表面的有效数据范围，2为沟槽下表面的有效数据范围，3为测得的沟槽样品轮廓，4为沟槽边缘位置；图2(b)为W/3方法产生原理误差的示意图；其中，10为沟槽上表面的有效数据范围，20为沟槽下表面的有效数据范围，30为产生原理误差的数据范围；

图3为照明光能损失示意图；图3(a)为沟槽的台阶上表面光能损失示意图，图3(b)沟槽的台阶下表面光能损失示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2(a)说明本实施方式，

一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用光学显微方式获得沟槽样品的轮廓数据；

步骤2、针对沟槽样品的轮廓数据，采用最大梯度法确定沟槽样品两侧边缘的位置，并得到沟槽的宽度W；

步骤3、针对沟槽上表面轮廓数据部分，在沟槽的两侧边缘各选取一段上表面避让距离D_d；在沟槽两侧上表面轮廓数据中删除两个上表面避让距离D_d对应的数据，将剩余的两段沟槽上表面轮廓数据作为上表面有效数据范围；所述上表面避让距离D_d的大小与光学***所用物镜的数值孔径、光波波长有关；

步骤4、针对沟槽下表面轮廓数据部分，在靠近沟槽两侧边缘的位置上各选取一段下表面避让距离Ds，在沟槽下表面轮廓数据中删除两个下表面避让距离Ds对应的数据，将剩余的一段沟槽下表面轮廓数据作为下表面有效数据范围；

所述下表面避让距离Ds的大小与光学***所用物镜的数值孔径、光波波长及沟槽样品的深度H有关，下表面避让距离Ds如下：

其中，H为沟槽样品深度的估计值；K为反映实际光学***聚焦特性与理论情况差异的工艺因子，λ为照明光的波长，NA为所用物镜的数值孔径；

具体实施方式二：

本实施方式步骤3中所述的上表面避让距离D_d的范围为

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式步骤4中所述的沟槽样品深度的估计值H的获取过程包括以下步骤：

通过样品标称值或者W/3方法读出沟槽样品的深度值，并将其作为沟槽样品的深度估计值，记为H。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式步骤4中所述的下表面避让距离D_s选取

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式步骤3中所述的上表面避让距离D_d选取

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式步骤5所述的得到准确的沟槽深度的具体过程包括以下步骤：

利用沟槽上表面的两段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽上表面的数值；利用沟槽下表面的一段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽下表面的数值；将沟槽上表面的数值减去沟槽下表面的数值，得到准确的沟槽深度。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：

一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用光学显微方式获得沟槽样品的轮廓数据；

步骤2、针对沟槽样品的轮廓数据，采用最大梯度法确定沟槽样品两侧边缘的位置，并得到沟槽的宽度W；

步骤3、针对沟槽上表面轮廓数据部分，在沟槽的两侧边缘各选取一段上表面避让距离其中，K为反映实际光学***聚焦特性与理论情况差异的工艺因子，λ为照明光的波长，NA为所用物镜的数值孔径；

判断D_d和的大小，选取D_d和中较大的一个作为最大上表面避让距离；

在沟槽两侧上表面轮廓数据中删除两个最大上表面避让距离对应的数据，将剩余的两段沟槽上表面轮廓数据作为上表面有效数据范围；

步骤4、针对沟槽下表面轮廓数据部分，在靠近沟槽两侧边缘的位置上各选取一段下表面避让距离其中，H为沟槽样品深度的估计值；同时保证下表面避让距离D_s满足如果则不适用本方法；

在沟槽下表面轮廓数据中删除两个下表面避让距离Ds对应的数据，将剩余的一段沟槽下表面轮廓数据作为下表面有效数据范围；

步骤5、利用沟槽上表面的两段有效数据范围和沟槽下表面的一段有效数据范围对应的沟槽样品轮廓数据，进行拟合，从而得到准确的沟槽深度。

具体实施方式八：

本实施方式步骤5所述的得到准确的沟槽深度的具体过程包括以下步骤：

利用沟槽上表面的两段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽上表面的数值；利用沟槽下表面的一段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽下表面的数值；将沟槽上表面的数值减去沟槽下表面的数值，得到准确的沟槽深度。

其它步骤及参数与具体实施方式七相同。

实施例

在光学测量领域，现行被广泛使用的沟槽高度读取方法(W/3法)出自国际标准文件ISO 4336-1:2000(E)，其原理如附图2(b)所示。截取总长为沟槽宽度W的3倍的轮廓数据，从中选取的上表面有效数据范围10和下表面有效数据范围20距沟槽边缘都为W/3，然后利用公式采用最小二乘法拟合出台阶高度H。式中x和Z分别代表横、纵坐标值；α和β为拟合系数；变量δ的值在上表面有效数据范围10内取+1，在下表面有效数据范围20内取-1。该方法的初衷是提出一种用于接触扫描探针式计量领域读取沟槽高度的标准，其充分考虑了沟槽样品可能的圆角对测量结果的影响，因此通过设定上下表面的避让距离都为W/3来选取有效数据范围以消除该影响。

然而直接将W/3法应用于三维光学扫描测量领域是不合适的。这是由于在进行光学扫描测量时，沟槽样品的有效数据范围不仅仅由沟槽宽度W决定，而应当同时考虑测量时所用的数值孔径NA及沟槽的深度H对测量结果的影响。例如，当沟槽宽度W不变时，光学***的三维分辨力由于光束遮挡的缘故随着沟槽深度H的增加而下降；而当沟槽样品的深宽比过大时，测量结果将会完全失真；另一个常见的现象是，利用光学仪器测量台阶类样品时，测量结果边缘附近区域总是会出现失真，并且失真区域的范围与***的光学参数尤其是NA有关。故仅通过沟槽宽度W决定有效数据范围，在光学测量领域不再合适。通过图2示意，其中，10为沟槽上表面的有效数据范围，20为沟槽下表面的有效数据范围，30为产生原理误差的数据范围。可以看出如果选取W/3的范围排除误差数据，还是会在30的位置部分带入误差。

尤其是当所测沟槽样品较深时，光束遮挡的因素不能忽略。这将使得沟槽下表面由光束遮挡造成的阴影区域不能被正确测量，此时若直接应用W/3方法，将可能会将该部分失真区域纳入到用于读取沟槽深度的“有效数据”当中。这将导致测量精度的下降，甚至是出现错误读数。然而许多仪器操作者正是这样错误使用了W/3的方法且并未意识到W/3方法在这种情况下的无效性。

为了正确选择有效数据范围，从而避免将失真区域纳入到用于沟槽深度读取的数据当中，本发明针对共焦显微镜类光学***在测量台阶或沟槽时，测量结果中边缘附近总是出现失真现象这一光学特性进行了改进。

在测量沟槽的上表面的过程中，在沟槽边缘附近区域由于照明光斑的缺失，使得照明到上表面的能量减少；而在测量沟槽下表面的过程中，沟槽上表面会对照明光束造成遮挡，导致照明到样品下表面的能量产生损失。实际照明强度则与信号光的强度息息相关，而信号光的强度直接决定着***的信噪比，从而影响了边缘附近区域的测量精度。

本发明将沟槽样品上在理论上能够实现或者达到***最优测量精度的区域定义为解耦合区域，其范围可以由实际照明光强损失是否超过20％的规则进行判定。该阈值为参照0.8Strehl ratio准则而选取的经验值。该准则指出当爱里斑尺寸内收集到的能量占总能量的80％以上时，***的成像性能不会发生明显衰减。而当实际照明光强损失超过20％的区域则认为该区域内的测量精度相对于解耦合区域有所下降。耦合区域距两边缘的距离定义为耦合距离(避让距离)。

由此可知由于沟槽台阶边缘对照明光束的遮挡作用，导致随着样品深宽比的增加，沟槽底部的解耦合区域逐渐减少直至消失，这就是造成高深宽样品光学测量困难的主要因素。故对于深沟槽样品台阶高度的测量，其沟槽宽度必须要大于耦合距离(避让距离)的2倍，才能够准确测量沟槽样品的高度信息。

而通过保证解耦合区域内实际照明光强损失不超过20％，从而实现在该区域内将***的信号水平在测量过程中保持在一种较高的恒定的状态，从而维持较高的信噪比和轴向包络曲线的良好对称性(二者对共焦轴向位置提取精度非常重要)，进而保证测量精度无明显损失。

采用实际照明光强损失不超过20％的条件对深沟槽样品的单边台阶测量过程进行分析的原理示意图如图3(a)和图3(b)所示。当测量台阶边缘附近位置时，照明光束在台阶上表面和下表面形成的光照能量损失并不一致，台阶上表面边缘处的照明能量损失是由于照明光斑的缺损引起的，而台阶下表面的照明能量损失来源于遮挡效应，因此台阶上下表面的耦合距离(避让距离)计算公式略有不同。根据光束聚焦的理论，通过计算可以得到沟槽样品上下表面的耦合距离(避让距离)Dd和Ds分别如公式(1)和公式(2)所示。

式中，K为反映实际光学***聚焦特性与理论情况差异的工艺因子，用于体现实际聚焦过程与理论结果的差异，其取值由不同***的实际性能决定，通常K>1。

通过上述解耦合区域的定义可知，若本发明从解耦合区域里选取用于读取沟槽深度的有效数据范围，则可以避免由于光学***特性导致边缘附近区域失真的数据对沟槽深度正确读取的干扰。而根据关于耦合距离(避让距离)的结论，本发明得到一种对沟槽样品高度值的无精度损失(光学***最优精度)，其中Dd和Ds分别为沟槽样品上表面和下表面的避让距离。

按照本发明具体实施方式六或者具体实施方式八进行测量。如图2(a)所示，其中，1为沟槽上表面的有效数据范围，2为沟槽下表面的有效数据范围，3为测得的样品轮廓，4为边缘位置；并结合避让距离D_d和避让距离Ds的具体形式则基本能够完全避免误差数据的存在，所以利用本发明得到的沟槽样品深度的精度提高10％-20％。利用本发明的方法对仪器轴向性能进行校正和标定，精度更高。

Claims (6)

1.一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用光学显微方式获得沟槽样品的轮廓数据；

步骤2、针对沟槽样品的轮廓数据，采用最大梯度法确定沟槽样品两侧边缘的位置，并得到沟槽的宽度W；

步骤3、针对沟槽上表面轮廓数据部分，在沟槽的两侧边缘各选取一段上表面避让距离D_d；在沟槽两侧上表面轮廓数据中删除两个上表面避让距离D_d对应的数据，将剩余的两段沟槽上表面轮廓数据作为上表面有效数据范围；

步骤4、针对沟槽下表面轮廓数据部分，在靠近沟槽两侧边缘的位置上各选取一段下表面避让距离Ds，在沟槽下表面轮廓数据中删除两个下表面避让距离Ds对应的数据，将剩余的一段沟槽下表面轮廓数据作为下表面有效数据范围；

所述下表面避让距离Ds如下：

其中，H为沟槽样品深度的估计值；K为反映实际光学***聚焦特性与理论情况差异的工艺因子，λ为照明光的波长，NA为所用物镜的数值孔径；

步骤5、利用沟槽上表面的两段有效数据范围和沟槽下表面的一段有效数据范围对应的沟槽样品轮廓数据，进行拟合，从而得到准确的沟槽深度；

所述的得到准确的沟槽深度的具体过程包括以下步骤：

利用沟槽上表面的两段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽上表面的数值；利用沟槽下表面的一段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽下表面的数值；将沟槽上表面的数值减去沟槽下表面的数值，得到准确的沟槽深度。

2.根据权利要求1所述的一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，其特征在于，步骤3中所述的上表面避让距离D_d的范围为

3.根据权利要求2所述的一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，其特征在于，步骤4中所述的沟槽样品深度的估计值H的获取过程包括以下步骤：

通过样品标称值或者W/3方法读出沟槽样品的深度值，并将其作为沟槽样品的深度估计值，记为H。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，其特征在于，步骤4中所述的下表面避让距离D_s选取

5.根据权利要求4所述的一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，其特征在于，步骤3中所述的上表面避让距离D_d选取

6.一种采用光学显微方式测量沟槽样品深度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用光学显微方式获得沟槽样品的轮廓数据；

步骤2、针对沟槽样品的轮廓数据，采用最大梯度法确定沟槽样品两侧边缘的位置，并得到沟槽的宽度W；

步骤3、针对沟槽上表面轮廓数据部分，在沟槽的两侧边缘各选取一段上表面避让距离其中，K为反映实际光学***聚焦特性与理论情况差异的工艺因子，λ为照明光的波长，NA为所用物镜的数值孔径；

判断D_d和的大小，选取D_d和中较大的一个作为最大上表面避让距离；

在沟槽两侧上表面轮廓数据中删除两个最大上表面避让距离对应的数据，将剩余的两段沟槽上表面轮廓数据作为上表面有效数据范围；

步骤4、针对沟槽下表面轮廓数据部分，在靠近沟槽两侧边缘的位置上各选取一段下表面避让距离其中，H为沟槽样品深度的估计值；同时保证下表面避让距离D_s满足

在沟槽下表面轮廓数据中删除两个下表面避让距离Ds对应的数据，将剩余的一段沟槽下表面轮廓数据作为下表面有效数据范围；

步骤5、利用沟槽上表面的两段有效数据范围和沟槽下表面的一段有效数据范围对应的沟槽样品轮廓数据，进行拟合，从而得到准确的沟槽深度；

所述的得到准确的沟槽深度的具体过程包括以下步骤：

利用沟槽上表面的两段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽上表面的数值；利用沟槽下表面的一段有效数据范围对应的轮廓数据拟合出沟槽下表面的数值；将沟槽上表面的数值减去沟槽下表面的数值，得到准确的沟槽深度。