專利名稱：物體平面微、納米尺寸的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微、納米測量領(lǐng)域中基于納米定位測量機和光學(xué)顯微鏡的平面微、納米尺寸的測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
隨著微細加工技術(shù)的不斷進步，微電路、微光學(xué)元件、微機械以及其它各種微結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，器件特征尺寸和與之關(guān)聯(lián)的公差不斷減小，而其形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度卻不斷增加，這就對加工過程中幾何量的檢測手段提出更高的要求。在半導(dǎo)體工業(yè)中，要求的器件檢測精度已經(jīng)達到亞微米或者納米水平，這就對具有高精度的測量裝置和方法提出了迫切的要求。
目前的檢測手段有原子力探針法、光學(xué)測量技術(shù)等。原子力探針法測量線寬、線間隔等，首先需要確定掃描方向，必須沿正交方向掃描才能測量獲取準確的線寬和線間隔距離。為了尋找正確的掃描方向需要進行多次掃描最后計算出掃描角度，整個過程繁瑣，時間長。而光學(xué)測量手段如線寬儀、線距儀等，由于光學(xué)鏡頭的限制，為了提高分辨率，需要提高放大倍數(shù)，但視場會隨著放大倍數(shù)的增大減小，導(dǎo)致測量時視場有限，無法一次性獲取整個被測物體的平面形貌，可直接檢測的范圍有限。
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在不足之處，提出了一種基于納米定位測量機和光學(xué)顯微鏡測頭的平面微、納米尺寸的測量方法，這種新的測量方法使得尋找掃描方向的時間更短，檢測裝置的測量范圍更大，測量的結(jié)果可以溯源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種物體平面微、納米尺寸的測量方法和裝置，以實現(xiàn)在大范圍內(nèi)快速對線寬、線間隔等進行可溯源的測量。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于一個納米定位測量機平臺，利用光學(xué)顯微鏡測頭對被測物體成像，獲取被測物體不同區(qū)域內(nèi)的灰度算數(shù)平均值，對微結(jié)構(gòu)的平面尺寸進行測量。
物體平面微、納米尺寸測量方法中使用的納米定位測量機(如德國SIOS公司生產(chǎn)的型號為NMM-1的納米定位測量機)，利用三個微型平面鏡干涉儀，兩個角度傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)?br> 設(shè)置與安裝，使得測量在三個方向均消除了阿貝誤差。被測物體放置在可移動的載物平臺上，載物平臺的位置用三個微型平面鏡干涉儀確定，載物平臺移動的位移可直接溯源到激光波長，定位精度0.1nm，不確定度10nm，范圍25mmx25mmx5mm。
物體平面微、納米尺寸測量方法中使用的光學(xué)顯微鏡測頭，包含光源、光學(xué)組合鏡頭、 手動調(diào)焦裝置、自動調(diào)光數(shù)控組件、CCD。所述的光學(xué)顯微鏡測頭是通過設(shè)置在納米測量機 上部的固定支架被固定在納米測量機的上部。光學(xué)測頭CCD將測頭視場區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)傳送
至數(shù)據(jù)處理器。
數(shù)據(jù)處理器完成的工作主要有灰度轉(zhuǎn)換、方向確定、區(qū)域灰度算術(shù)平均值計算、數(shù)模 轉(zhuǎn)換。
被測物體經(jīng)光學(xué)測頭成像后，圖像數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器將接收到的數(shù)據(jù) 進行數(shù)值轉(zhuǎn)換獲取被測物體在光學(xué)測頭視場內(nèi)的灰度圖，在灰度圖中可以設(shè)定線寬的方向，
(之后的掃描沿與線寬方向垂直進行)，然后設(shè)定沿線寬方向的區(qū)域計算該區(qū)域內(nèi)的灰度算術(shù) 平均值，并將該灰度算術(shù)平均值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送到納米測量機。納米測量機就可以獲取一 一對應(yīng)的位置坐標(biāo)和灰度算術(shù)平均值。
對被測物體沿與線寬垂直的方向進行掃描，可以獲取位置坐標(biāo)和灰度值圖，圖中具有灰 度算術(shù)平均值變化較大這個特征的坐標(biāo)位置就對應(yīng)著線寬邊緣位置。兩個線寬邊緣位置的橫
坐標(biāo)之差就是實際線寬值。
本發(fā)明基于納米定位測量機平臺，利用光學(xué)顯微鏡測頭可以實現(xiàn)測量范圍25mmx25mm, 測量精度0.2pm.隨著光學(xué)顯微鏡測頭的分辨率的提升，測量精度也會提高。
本發(fā)明采用平面微、納米尺寸測量方法的有益效果是，加速了尋找掃描角度，拓展了光 學(xué)測量等其他測量手段的測量對象的范圍，實現(xiàn)對線寬、線間等特征參數(shù)的測量和表征。解
決了在半導(dǎo)體加工制造領(lǐng)域?qū)ζ矫嫖?、納米尺寸的測量方法和裝置的迫切需求，研究成果具 有重要的應(yīng)用前景和實用價值，對于推動微加工技術(shù)的工藝和精度的提高具有重要意義。


圖l是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明納米定位測量機和固定支架示意圖3a、3b是本發(fā)明掃描過程示意圖4a、 4b是線寬掃描曲線示意圖，以灰度算術(shù)平均值為縱坐標(biāo)，掃描距離為橫坐標(biāo) 圖5是物體表面距離與掃描距離關(guān)系示意圖6a、6b是線間隔掃描曲線示意圖，以灰度算術(shù)平均值為縱坐標(biāo)，掃描距離為橫坐標(biāo)。
圖中1、 X方向微型平面鏡干涉儀；2、 Y方向微型平面鏡干涉儀；3、 Z方向微型平 面鏡干涉儀；4、零膨脹支架；5、固定支架；6、納米定位測量機；7、載物臺；8、被
5測物體；9、光學(xué)顯微鏡測頭。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。 實施例1:本發(fā)明方法測量微納米級線寬，包含步驟如下(1) 將被測物體放置在納米測量機的載物臺上，然后調(diào)節(jié)光學(xué)測頭的調(diào)焦裝置使被測物 表面基本在光學(xué)測頭的焦平面上。(2) 調(diào)焦完成后，被測物體經(jīng)光學(xué)測頭成像后，圖像數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理 器將接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換獲取被測物體在光學(xué)測頭視場內(nèi)的灰度圖，在灰度圖中設(shè)定 線寬的方向，然后設(shè)定沿此方向的區(qū)域，計算所述區(qū)域內(nèi)各像素點的灰度算術(shù)平均值，并將 所述灰度算術(shù)平均值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送到納米測量機。(3) 此基礎(chǔ)上，鎖定納米測量機的Z方向運動，控制納米測量機以一定的速度沿一定方向(與線寬方向垂直)移動載物平臺，對被測物進行掃描，并記錄每個掃描點的坐標(biāo)位置和此時數(shù)據(jù)處理器發(fā)送的的灰度算術(shù)平均值。在掃描過程中，如圖3a所示，隨著載物平臺的移動， 被測物體相對光學(xué)顯微鏡的位置變化，見圖3b，用于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域也在隨之移 動。(4) 以記錄的第一個坐標(biāo)位置為參考點計算隨后記錄的每一個坐標(biāo)位置相對第一個坐標(biāo) 位置的水平距離。(5) 利用編程軟件(如美國The MathWorks公司的Matlab等)繪制距離和灰度算術(shù)平均 值曲線，以灰度算術(shù)平均值為縱坐標(biāo)，距離為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系。實際得到的曲線與下圖相比 會有毛刺，但不會影響計算結(jié)果。如果成像光不與物體表面垂直，要將測量距離轉(zhuǎn)換成物體 表面實際距離，如圖5所示。(6) 在繪制的距離和灰度算術(shù)平均值曲線中，在線寬的邊緣位置的前后，灰度算術(shù)平均 值會有較大變化。具有灰度算術(shù)平均值變化較大這個區(qū)域就對應(yīng)著線寬邊緣區(qū)域。如果位置高的區(qū)域亮度高，則如圖4a所示。圖中Xi所對應(yīng)點所在的斜線灰度算術(shù)平均值從G！升高到G2，反映的就是灰度算術(shù)平均 值算數(shù)平均值對應(yīng)的區(qū)域從非線寬區(qū)進入到線寬區(qū)。圖中X2所對應(yīng)點所在的斜線灰度算術(shù)平 均值從G2降低到G"反映的就是灰度算數(shù)平均值對應(yīng)的區(qū)域從非線寬區(qū)進入到線寬區(qū)。如果位置低的區(qū)域亮度高，則如圖4b所示。圖中Xi所對應(yīng)點所在的斜線灰度算術(shù)平均值從G2降低到Gp反映的就是灰度算數(shù)平均 值對應(yīng)的區(qū)域從非線寬區(qū)進入到線寬區(qū)。圖中X2所對應(yīng)點所在的斜線灰度算術(shù)平均值從G,升高到G2，反映的就是灰度算數(shù)平均值對應(yīng)的區(qū)域從非線寬區(qū)進入到線寬區(qū)。參照標(biāo)準提取兩條斜線的規(guī)定高度最近點，這兩點之間距離就對應(yīng)著用于計算灰度算術(shù) 平均值的區(qū)域從線寬的一個邊緣移動到另一個邊緣。計算出兩個點的相對位置AZ，這就是把用于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域從線寬的一個 邊緣移動到另一個邊緣掃描經(jīng)過的距離。(7)如圖5所示，掃描平面與物體表面不一定吻合，角度為^，掃描距離與物體表面實 際距離存在該角度0的余弦關(guān)系。AL = AX/cos6>計算出物體表面實際距離M就完成了本發(fā)明的測量。實施例2:本發(fā)明方法測量微納米級線間隔，包含步驟如下(1) 將被測物體放置在納米測量機的載物臺上，然后調(diào)節(jié)光學(xué)測頭的調(diào)焦裝置使被測物 表面基本在光學(xué)測頭的焦平面上。(2) 調(diào)焦完成后，被測物體經(jīng)光學(xué)測頭成像后，圖像數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理 器將接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換獲取被測物體在光學(xué)測頭視場內(nèi)的灰度圖，在灰度圖中設(shè)定 線寬的方向，然后設(shè)定沿此方向的區(qū)域，計算所述區(qū)域內(nèi)各像素點的灰度算術(shù)平均值，并將 所述灰度算術(shù)平均值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送到納米測量機。(3) 此基礎(chǔ)上，鎖定納米測量機的Z方向運動，控制納米測量機以一定的速度沿一定方 向(與線寬方向垂直)移動載物平臺，對被測物進行掃描，并記錄每個掃描點的坐標(biāo)位置和此 時數(shù)據(jù)處理器發(fā)送的的灰度算術(shù)平均值。在掃描過程中，如圖2所示，隨著載物平臺的移動， 被測物體相對光學(xué)顯微鏡的位置變化，用于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域也在隨之移動。(4) 以記錄的第一個坐標(biāo)位置為參考點計算隨后記錄的每一個坐標(biāo)位置相對第一個坐標(biāo) 位置的水平距離。(5) 利用編程軟件(如美國The MathWorks公司的Matlab等)繪制距離和灰度算術(shù)平均 值曲線，以灰度算術(shù)平均值為縱坐標(biāo)，距離為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系。實際得到的曲線與下圖相比 會有毛刺，但不會影響計算結(jié)果。如果成像光不與物體表面垂直，要將測量距離轉(zhuǎn)換成物體 表面實際距離，如圖5所示。(6) 在繪制的距離和灰度算術(shù)平均值曲線中，在線寬的邊緣位置的前后，灰度算術(shù)平均 值會有較大變化。具有灰度算術(shù)平均值變化較大這個區(qū)域就對應(yīng)著線寬邊緣區(qū)域。如果位置高的區(qū)域亮度高，則如圖6a所示。圖中X,所對應(yīng)點所在的斜線灰度算術(shù)平均值從Gi升高到G2，反映的就是灰度算術(shù)平均 值算數(shù)平均值對應(yīng)的區(qū)域從第一個非線寬區(qū)進入到第一個線寬區(qū)。圖中X2所對應(yīng)點所在的斜 線灰度算術(shù)平均值從G3降低到G4，反映的就是灰度算數(shù)平均值對應(yīng)的區(qū)域從第一個非線寬 區(qū)進入到第二個線寬區(qū)。如果位置低的區(qū)域亮度高，則如圖6b所示。圖中X,所對應(yīng)點所在的斜線灰度算術(shù)平均值從G2降低到G,，反映的就是灰度算數(shù)平均 值對應(yīng)的區(qū)域從第一個非線寬區(qū)進入到第一個線寬區(qū)。圖中X2所對應(yīng)點所在的斜線灰度算術(shù) 平均值從G3降低到G4，反映的就是灰度算數(shù)平均值對應(yīng)的區(qū)域從第二個非線寬區(qū)進入到第 二個線寬區(qū)。參照標(biāo)準提取兩條斜線的規(guī)定高度最近點，這兩點就對應(yīng)著用于計算灰度算術(shù)平均值的 區(qū)域從線寬的一個邊緣移動到另一個線寬的對應(yīng)邊緣。 AZ = ^ - Z2計算出兩個點的相對位置AX，這就是把用于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域從線寬的一個 邊緣移動到另一個邊緣掃描經(jīng)過的距離。(7)如圖5所示，掃描平面與物體表面不一定吻合，角度為P，掃描距離與物體表面實際 距離存在該角度6的余弦關(guān)系。 = AA7cos6>計算出物體表面實際距離M就完成了本發(fā)明的測量。掃描線間隔時可以掃描多個線寬，把用于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域從線寬的一個邊緣 經(jīng)過n個線間隔移動到另一個線寬的對應(yīng)邊緣。計算出兩個點的相對位置AX，這就是把用 于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域從線寬的一個邊緣經(jīng)過n個線間隔移動到另一個邊緣掃描經(jīng)過 的距離。計算出物體表面實際距離AZ，再計算出AD-M/w就完成了線間隔的測量。
權(quán)利要求
1. 一種物體平面微、納米尺寸的測量裝置，其特征在于它包括納米定位測量機、光學(xué)顯微鏡測頭和數(shù)據(jù)處理器，納米定位測量機箱體內(nèi)設(shè)有三個微型平面鏡干涉儀和兩個角度傳感器，利用微型平面鏡干涉儀和角度傳感器實現(xiàn)計量性的定位和測量，納米定位測量機箱體一側(cè)垂直支撐其固定支架，固定支架的另一端安裝光學(xué)顯微鏡測頭，光學(xué)顯微鏡測頭底下是被測物體和載物臺，它們同時支承在納米測量機箱體表面；數(shù)據(jù)處理器的職能灰度轉(zhuǎn)換、方向確定、區(qū)域灰度算術(shù)平均值計算及數(shù)模轉(zhuǎn)換，被測物體經(jīng)光學(xué)顯微鏡測頭成像后，圖像數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器將接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換獲取被測物體在光學(xué)顯微鏡測頭視場內(nèi)的灰度圖，在灰度圖中設(shè)定線寬方向，然后設(shè)定沿此方向的區(qū)域，計算所述區(qū)域內(nèi)各像素點的灰度算術(shù)平均值，并將所述灰度算術(shù)平均值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送到納米測量機。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體平面微、納米尺寸的測量裝置，其特征在于測量范圍在25x25mm，測量精度在0.2|am。
3. —種權(quán)利要求1或2所述物體平面微、納米尺寸的測量裝置的測量方法，其特征在于 該方法測量線寬包含步驟如下(1) 將被測物體放置在納米測量機的載物臺上，然后調(diào)節(jié)光學(xué)測頭的調(diào)焦裝置使被測 物表面基本在光學(xué)測頭的焦平面上；(2) 調(diào)焦完成后，被測物體經(jīng)光學(xué)顯微鏡測頭成像后，圖像數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理器， 數(shù)據(jù)處理器將接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換獲取被測物體在光學(xué)測頭視場內(nèi)的灰度圖，在 灰度圖中設(shè)定線寬的方向，然后設(shè)定沿此方向的區(qū)域，計算所述區(qū)域內(nèi)各像素點的灰度 算術(shù)平均值，并將所述灰度算術(shù)平均值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送到納米測量機；(3) 此基礎(chǔ)上，鎖定納米測量機的Z方向運動，控制納米測量機以一定的速度沿與線 寬方向垂直的方向移動載物平臺，對被測物進行掃描，并記錄每個掃描點的坐標(biāo)位置和 此時數(shù)據(jù)處理器發(fā)送的的灰度算術(shù)平均值，在掃描過程中，隨著載物平臺的移動，被測 物體相對光學(xué)顯微鏡的位置變化，用于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域也在隨之移動；(4) 以記錄的第一個坐標(biāo)位置為參考點計算隨后記錄的每一個坐標(biāo)位置相對第一個 坐標(biāo)位置的水平距離；(5) 繪制距離和灰度算術(shù)平均值曲線，以灰度算術(shù)平均值為縱坐標(biāo)，距離為橫坐標(biāo)的 坐標(biāo)系，實際得到的曲線與下圖相比會有毛刺，但不會影響計算結(jié)果；如果成像光不與 物體表面垂直，要將測量距離轉(zhuǎn)換成物體表面實際距離；(6) 在繪制的距離和灰度算術(shù)平均值曲線中，在線寬的邊緣位置的前后，灰度算術(shù)平均值會有較大變化。具有灰度算術(shù)平均值變化較大這個區(qū)域就對應(yīng)著線寬邊緣區(qū)域；參照標(biāo)準提取兩條斜線的規(guī)定高度最近點，這兩點之間距離就對應(yīng)著用于計算灰度 算術(shù)平均值的區(qū)域從線寬的一個邊緣移動到另一個邊緣； Ax = ;q — x2 ,計算出兩個點的相對位置Ax ，這就是把用于計算灰度算術(shù)平均值的區(qū)域從線寬的一 個邊緣移動到另一個邊緣掃描經(jīng)過的距離。(7)如果成像光不與被測物體表面垂直，掃描平面與物體表面不一定吻合，角度為P, 掃描距離與物體表面實際距離存在該角度^的余弦關(guān)系 AL = Ax/cos ^ o
全文摘要
本發(fā)明為一種物體平面微、納米尺寸的測量裝置及其測量方法，其特征在于包括納米定位測量機、光學(xué)顯微鏡測頭和數(shù)據(jù)處理器，納米定位測量機箱體內(nèi)設(shè)有三個微型平面鏡干涉儀和兩個角度傳感器來實現(xiàn)計量性的定位和測量，納米定位測量機箱體一側(cè)垂直支撐其固定支架，固定支架的另一端安裝光學(xué)顯微鏡測頭，光學(xué)顯微鏡測頭底下是被測物體和載物臺；被測物體經(jīng)光學(xué)顯微鏡測頭成像后，圖像數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器將接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換獲取被測物體在光學(xué)顯微鏡測頭視場內(nèi)的灰度圖，在灰度圖中設(shè)定線寬方向，然后設(shè)定沿此方向的區(qū)域，計算所述區(qū)域內(nèi)各像素點的灰度算術(shù)平均值，并將所述灰度算術(shù)平均值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送到納米測量機。
文檔編號G01B11/02GK101504273SQ20091005693
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者傅云霞, 一 劉, 孫薇斌, 源 李 申請人:上海市計量測試技術(shù)研究院