基于深度特征检测的横向扫描透射显微镜技术，用于纳米线宽度测量及缺陷检测

《Optics and Lasers in Engineering》：Deep-feature-detection lateral-scanning through-focus microscopy (DFD-LTM) for nanowire width measurement and defect detection

　　

摘要

随着集成电路制造向纳米级技术节点发展，传统的纳米级计量技术越来越难以满足高效率、无损在线检测的需求。尽管透焦扫描光学显微镜具备纳米级测量精度，但其依赖沿Z轴的机械扫描，限制了成像效率。为克服这些局限，我们提出了一种基于深度特征检测的横向扫描透焦显微镜方法。通过引入倾斜的光轴，该方法在横向扫描样品时能够生成失焦-聚焦-失焦的成像序列，从而无需Z轴扫描即可重建TSOM图像，并便于获取三维光学场信息的二维数据。此外，我们还开发了一套用于纳米线尺寸测量和缺陷检测的框架，该框架结合了基于数值模型的统计分析与深度特征分析。具体而言，利用TSOM图像的均方强度来预测线宽，而通过深度特征结合马氏距离来实现缺陷检测。实验结果表明，DFD-LTM可实现纳米级线宽测量精度，平均测量误差为3.29纳米，平均相对误差为0.86%，缺陷检测准确率为98.18%。该方法在保持高测量精度的同时大幅提升了检测效率，为大规模、高效率的在线纳米结构计量与缺陷检测提供了有力解决方案。

引言

随着集成电路制造不断向更小的技术节点发展，对于高效、无损且能实时检测关键几何参数及纳米结构缺陷的需求日益增加。半导体行业和纳米技术研究都需要先进的计量与检测技术，以实现快速、精确且无损的尺寸测量与缺陷检测。目前主流的纳米级表征方法，如基于电子束的扫描电子显微镜和基于探针的原子力显微镜，虽然具有高精度，但存在诸如低效率、高成本以及可能损伤样品等固有缺陷。尽管多柱电子束技术可在一定程度上缓解SEM的视场限制，但其检测速度仍远低于光学方法，因此不适合大规模集成电路制造中对高效率、实时检测的要求。

相比之下，光学计量技术因其无损性、高速度以及易于集成到半导体制造流程中的优点，具有广阔的应用前景。然而，随着集成电路器件的关键尺寸不断缩小至接近或低于光学衍射极限，传统光学显微镜已无法准确分辨纳米级特征。透焦扫描光学显微镜是一种基于模型的对比计量技术，它通过沿光轴获取一系列聚焦和失焦图像，构建包含三维散射信息的TSOM数据立方体，从而突破了瑞利衍射极限的限制。这种方法仅需普通的明场光学显微镜即可实现纳米级测量精度。TSOM已被成功应用于多种场景，包括掩模缺陷检测、三维结构的纳米级尺寸测量、纳米粒子形态表征以及重叠对齐精度分析等。

尽管TSOM在测量灵敏度和精度方面具有显著优势，但其主要局限在于数据采集效率较低。传统TSOM需要依靠精密的机械扫描沿光轴获取数十到数百张不同焦距位置的图像，这导致成像效率低下、系统复杂度增加以及巨大的计算负担，因而难以满足大规模集成电路制造中高效率在线计量的需求。为克服这些局限，人们提出了多种提高TSOM效率的方法。例如，采用自适应可变形镜可实现无扫描透焦成像，从而减少机械扫描带来的不稳定性；另外，结合色散物镜与衍射光栅则可通过单次曝光即可构建TSOM图像，显著提升成像速度。尽管有这些进展，现有方案往往需要更为复杂的光学结构，进而增加了实施成本，且在工业制造环境中的适应性也较差。因此，一种简单、低成本、可靠且高效的基于TSOM的测量方法依然十分重要。

在本研究中，我们提出了一种基于深度特征检测的横向扫描透焦显微镜系统——DFD-LTM。通过引入相对于样品表面倾斜的光轴，该系统可使视野内不同横向位置的纳米线依次经历失焦-聚焦-失焦成像过程，从而无需轴向扫描即可生成TSOM图像。此外，我们还构建了一套用于纳米线尺寸测量和缺陷检测的框架，该框架整合了基于数值模型的统计分析与深度特征分析。具体来说，利用数值统计描述符来预测纳米线线宽，同时通过提取深度特征并计算其与无缺陷样本参考数据集的马氏距离来实现缺陷检测。与传统TSOM系统不同，后者需要获取数十甚至数百张不同焦距位置的图像才能生成一张TSOM图像，而DFD-LTM则能够实现三维光学场信息的二维采集。这样一来，单张捕获的图像即可直接作为TSOM图像使用，同时通过横向扫描样品可访问不同的观测区域，从而大幅提升测量效率。我们对DFD-LTM在纳米线线宽测量和缺陷检测方面的性能进行了实验评估，结果表明，该方法具有纳米级测量精度和极高的缺陷识别可靠性，平均线宽测量误差为3.29纳米，缺陷检测准确率为98.18%。这些结果表明，DFD-LTM有效克服了传统TSOM在效率与视场方面的局限性，为高精度、大范围、高效率的在线纳米结构计量与缺陷检测提供了极具前景的解决方案。

章节节选

DFD-LTM的实验装置

图1(a)展示了所提出的DFD-LTM系统的实验装置。该测量装置的照明系统采用LED光源（中心波长为530纳米，带宽为35纳米），经透镜L1和L2准直聚焦后照射安装在载物台上的样品表面。从样品表面反射的光线被物镜（OL，20倍，数值孔径为0.4）收集，再透过管状透镜（TL），最终成像在互补...

使用DFD-LTM测量的纳米线宽度结果

我们利用均方强度和光学强度范围来拟合单根纳米线的一系列图像，进而预测其线宽，结果如图4所示。光学强度范围定义为居中TSOM图像中最大强度值与最小强度值之间的绝对差：OIR=max(I′)?min(I′),其中$I^{\prime }$为居中TSOM图像，$I^{\prime }=\frac{I}{\stackrel{￣}{I}}?1$为图像I中所有像素的平均亮度值，处理后的图像均值即为0。在实验中，我们研究了三根间距不等的纳米线...

结论

在本研究中，我们提出了一种用于纳米线阵列的高速线宽计量与缺陷检测的DFD-LTM方法。与传统TSOM系统不同，后者依赖机械式的轴向扫描来获取一系列聚焦和失焦图像，而DFD-LTM则采用倾斜光轴结构，使得在横向扫描过程中即可自然实现失焦-聚焦-失焦成像。因此，只需单次采集即可生成TSOM图像，极大提升了测量效率...

资助情况

本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金委员会（项目编号52450158、52175509、52405589和52130504）；中国国家重点研发计划（2023YFF1500900）；深圳市科技计划（SGDX20230116093543005）；中国湖北省国际科技合作项目（项目编号2024EHA007）。

作者贡献说明

赵祥宇：撰写原始稿件、验证实验结果、数据整理、概念构思。朱金龙：负责文章审阅与编辑、项目监督、方法设计、资金申请。刘世源：参与文章审阅与编辑、项目监督、方法设计、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

Xiangyu Zhao|Jinlong Zhu|Shiyuan Liu