专利名称：物体平面微、纳米尺寸的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及微、纳米测量领域中基于纳米定位测量机和光学显微镜的平面微、纳米尺寸的测量装置及其测量方法。
背景技术：
随着微细加工技术的不断进步，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现，器件特征尺寸和与之关联的公差不断减小，而其形状结构复杂程度却不断增加，这就对加工过程中几何量的检测手段提出更高的要求。在半导体工业中，要求的器件检测精度已经达到亚微米或者纳米水平，这就对具有高精度的测量装置和方法提出了迫切的要求。
目前的检测手段有原子力探针法、光学测量技术等。原子力探针法测量线宽、线间隔等，首先需要确定扫描方向，必须沿正交方向扫描才能测量获取准确的线宽和线间隔距离。为了寻找正确的扫描方向需要进行多次扫描最后计算出扫描角度，整个过程繁琐，时间长。而光学测量手段如线宽仪、线距仪等，由于光学镜头的限制，为了提高分辨率，需要提高放大倍数，但视场会随着放大倍数的增大减小，导致测量时视场有限，无法一次性获取整个被测物体的平面形貌，可直接检测的范围有限。
本发明是为避免上述现有技术所存在不足之处，提出了一种基于纳米定位测量机和光学显微镜测头的平面微、纳米尺寸的测量方法，这种新的测量方法使得寻找扫描方向的时间更短，检测装置的测量范围更大，测量的结果可以溯源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种物体平面微、纳米尺寸的测量方法和装置，以实现在大范围内快速对线宽、线间隔等进行可溯源的测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是基于一个纳米定位测量机平台，利用光学显微镜测头对被测物体成像，获取被测物体不同区域内的灰度算数平均值，对微结构的平面尺寸进行测量。
物体平面微、纳米尺寸测量方法中使用的纳米定位测量机(如德国SIOS公司生产的型号为NMM-1的纳米定位测量机)，利用三个微型平面镜干涉仪，两个角度传感器经过适当的
设置与安装，使得测量在三个方向均消除了阿贝误差。被测物体放置在可移动的载物平台上，载物平台的位置用三个微型平面镜干涉仪确定，载物平台移动的位移可直接溯源到激光波长，定位精度0.1nm，不确定度10nm，范围25mmx25mmx5mm。
物体平面微、纳米尺寸测量方法中使用的光学显微镜测头，包含光源、光学组合镜头、 手动调焦装置、自动调光数控组件、CCD。所述的光学显微镜测头是通过设置在纳米测量机 上部的固定支架被固定在纳米测量机的上部。光学测头CCD将测头视场区域内图像数据传送
至数据处理器。
数据处理器完成的工作主要有灰度转换、方向确定、区域灰度算术平均值计算、数模 转换。
被测物体经光学测头成像后，图像数据传送到数据处理器，数据处理器将接收到的数据 进行数值转换获取被测物体在光学测头视场内的灰度图，在灰度图中可以设定线宽的方向，
(之后的扫描沿与线宽方向垂直进行)，然后设定沿线宽方向的区域计算该区域内的灰度算术 平均值，并将该灰度算术平均值经数模转换后发送到纳米测量机。纳米测量机就可以获取一 一对应的位置坐标和灰度算术平均值。
对被测物体沿与线宽垂直的方向进行扫描，可以获取位置坐标和灰度值图，图中具有灰 度算术平均值变化较大这个特征的坐标位置就对应着线宽边缘位置。两个线宽边缘位置的横
坐标之差就是实际线宽值。
本发明基于纳米定位测量机平台，利用光学显微镜测头可以实现测量范围25mmx25mm, 测量精度0.2pm.随着光学显微镜测头的分辨率的提升，测量精度也会提高。
本发明采用平面微、纳米尺寸测量方法的有益效果是，加速了寻找扫描角度，拓展了光 学测量等其他测量手段的测量对象的范围，实现对线宽、线间等特征参数的测量和表征。解
决了在半导体加工制造领域对平面微、纳米尺寸的测量方法和装置的迫切需求，研究成果具 有重要的应用前景和实用价值，对于推动微加工技术的工艺和精度的提高具有重要意义。
图l是本发明装置结构示意图2是本发明纳米定位测量机和固定支架示意图3a、3b是本发明扫描过程示意图4a、 4b是线宽扫描曲线示意图，以灰度算术平均值为纵坐标，扫描距离为横坐标 图5是物体表面距离与扫描距离关系示意图6a、6b是线间隔扫描曲线示意图，以灰度算术平均值为纵坐标，扫描距离为横坐标。
图中1、 X方向微型平面镜干涉仪；2、 Y方向微型平面镜干涉仪；3、 Z方向微型平 面镜干涉仪；4、零膨胀支架；5、固定支架；6、纳米定位测量机；7、载物台；8、被
5测物体；9、光学显微镜测头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。 实施例1:本发明方法测量微纳米级线宽，包含步骤如下(1) 将被测物体放置在纳米测量机的载物台上，然后调节光学测头的调焦装置使被测物 表面基本在光学测头的焦平面上。(2) 调焦完成后，被测物体经光学测头成像后，图像数据传送到数据处理器，数据处理 器将接收到的数据进行数值转换获取被测物体在光学测头视场内的灰度图，在灰度图中设定 线宽的方向，然后设定沿此方向的区域，计算所述区域内各像素点的灰度算术平均值，并将 所述灰度算术平均值经数模转换后发送到纳米测量机。(3) 此基础上，锁定纳米测量机的Z方向运动，控制纳米测量机以一定的速度沿一定方向(与线宽方向垂直)移动载物平台，对被测物进行扫描，并记录每个扫描点的坐标位置和此时数据处理器发送的的灰度算术平均值。在扫描过程中，如图3a所示，随着载物平台的移动， 被测物体相对光学显微镜的位置变化，见图3b，用于计算灰度算术平均值的区域也在随之移 动。(4) 以记录的第一个坐标位置为参考点计算随后记录的每一个坐标位置相对第一个坐标 位置的水平距离。(5) 利用编程软件(如美国The MathWorks公司的Matlab等)绘制距离和灰度算术平均 值曲线，以灰度算术平均值为纵坐标，距离为横坐标的坐标系。实际得到的曲线与下图相比 会有毛刺，但不会影响计算结果。如果成像光不与物体表面垂直，要将测量距离转换成物体 表面实际距离，如图5所示。(6) 在绘制的距离和灰度算术平均值曲线中，在线宽的边缘位置的前后，灰度算术平均 值会有较大变化。具有灰度算术平均值变化较大这个区域就对应着线宽边缘区域。如果位置高的区域亮度高，则如图4a所示。图中Xi所对应点所在的斜线灰度算术平均值从G！升高到G2，反映的就是灰度算术平均 值算数平均值对应的区域从非线宽区进入到线宽区。图中X2所对应点所在的斜线灰度算术平 均值从G2降低到G"反映的就是灰度算数平均值对应的区域从非线宽区进入到线宽区。如果位置低的区域亮度高，则如图4b所示。图中Xi所对应点所在的斜线灰度算术平均值从G2降低到Gp反映的就是灰度算数平均 值对应的区域从非线宽区进入到线宽区。图中X2所对应点所在的斜线灰度算术平均值从G,升高到G2，反映的就是灰度算数平均值对应的区域从非线宽区进入到线宽区。参照标准提取两条斜线的规定高度最近点，这两点之间距离就对应着用于计算灰度算术 平均值的区域从线宽的一个边缘移动到另一个边缘。计算出两个点的相对位置AZ，这就是把用于计算灰度算术平均值的区域从线宽的一个 边缘移动到另一个边缘扫描经过的距离。(7)如图5所示，扫描平面与物体表面不一定吻合，角度为^，扫描距离与物体表面实 际距离存在该角度0的余弦关系。AL = AX/cos6>计算出物体表面实际距离M就完成了本发明的测量。实施例2:本发明方法测量微纳米级线间隔，包含步骤如下(1) 将被测物体放置在纳米测量机的载物台上，然后调节光学测头的调焦装置使被测物 表面基本在光学测头的焦平面上。(2) 调焦完成后，被测物体经光学测头成像后，图像数据传送到数据处理器，数据处理 器将接收到的数据进行数值转换获取被测物体在光学测头视场内的灰度图，在灰度图中设定 线宽的方向，然后设定沿此方向的区域，计算所述区域内各像素点的灰度算术平均值，并将 所述灰度算术平均值经数模转换后发送到纳米测量机。(3) 此基础上，锁定纳米测量机的Z方向运动，控制纳米测量机以一定的速度沿一定方 向(与线宽方向垂直)移动载物平台，对被测物进行扫描，并记录每个扫描点的坐标位置和此 时数据处理器发送的的灰度算术平均值。在扫描过程中，如图2所示，随着载物平台的移动， 被测物体相对光学显微镜的位置变化，用于计算灰度算术平均值的区域也在随之移动。(4) 以记录的第一个坐标位置为参考点计算随后记录的每一个坐标位置相对第一个坐标 位置的水平距离。(5) 利用编程软件(如美国The MathWorks公司的Matlab等)绘制距离和灰度算术平均 值曲线，以灰度算术平均值为纵坐标，距离为横坐标的坐标系。实际得到的曲线与下图相比 会有毛刺，但不会影响计算结果。如果成像光不与物体表面垂直，要将测量距离转换成物体 表面实际距离，如图5所示。(6) 在绘制的距离和灰度算术平均值曲线中，在线宽的边缘位置的前后，灰度算术平均 值会有较大变化。具有灰度算术平均值变化较大这个区域就对应着线宽边缘区域。如果位置高的区域亮度高，则如图6a所示。图中X,所对应点所在的斜线灰度算术平均值从Gi升高到G2，反映的就是灰度算术平均 值算数平均值对应的区域从第一个非线宽区进入到第一个线宽区。图中X2所对应点所在的斜 线灰度算术平均值从G3降低到G4，反映的就是灰度算数平均值对应的区域从第一个非线宽 区进入到第二个线宽区。如果位置低的区域亮度高，则如图6b所示。图中X,所对应点所在的斜线灰度算术平均值从G2降低到G,，反映的就是灰度算数平均 值对应的区域从第一个非线宽区进入到第一个线宽区。图中X2所对应点所在的斜线灰度算术 平均值从G3降低到G4，反映的就是灰度算数平均值对应的区域从第二个非线宽区进入到第 二个线宽区。参照标准提取两条斜线的规定高度最近点，这两点就对应着用于计算灰度算术平均值的 区域从线宽的一个边缘移动到另一个线宽的对应边缘。 AZ = ^ - Z2计算出两个点的相对位置AX，这就是把用于计算灰度算术平均值的区域从线宽的一个 边缘移动到另一个边缘扫描经过的距离。(7)如图5所示，扫描平面与物体表面不一定吻合，角度为P，扫描距离与物体表面实际 距离存在该角度6的余弦关系。 = AA7cos6>计算出物体表面实际距离M就完成了本发明的测量。扫描线间隔时可以扫描多个线宽，把用于计算灰度算术平均值的区域从线宽的一个边缘 经过n个线间隔移动到另一个线宽的对应边缘。计算出两个点的相对位置AX，这就是把用 于计算灰度算术平均值的区域从线宽的一个边缘经过n个线间隔移动到另一个边缘扫描经过 的距离。计算出物体表面实际距离AZ，再计算出AD-M/w就完成了线间隔的测量。
权利要求
1. 一种物体平面微、纳米尺寸的测量装置，其特征在于它包括纳米定位测量机、光学显微镜测头和数据处理器，纳米定位测量机箱体内设有三个微型平面镜干涉仪和两个角度传感器，利用微型平面镜干涉仪和角度传感器实现计量性的定位和测量，纳米定位测量机箱体一侧垂直支撑其固定支架，固定支架的另一端安装光学显微镜测头，光学显微镜测头底下是被测物体和载物台，它们同时支承在纳米测量机箱体表面；数据处理器的职能灰度转换、方向确定、区域灰度算术平均值计算及数模转换，被测物体经光学显微镜测头成像后，图像数据传递到数据处理器，数据处理器将接收到的数据进行数值转换获取被测物体在光学显微镜测头视场内的灰度图，在灰度图中设定线宽方向，然后设定沿此方向的区域，计算所述区域内各像素点的灰度算术平均值，并将所述灰度算术平均值经数模转换后发送到纳米测量机。
2. 根据权利要求1所述的物体平面微、纳米尺寸的测量装置，其特征在于测量范围在25x25mm，测量精度在0.2|am。
3. —种权利要求1或2所述物体平面微、纳米尺寸的测量装置的测量方法，其特征在于 该方法测量线宽包含步骤如下(1) 将被测物体放置在纳米测量机的载物台上，然后调节光学测头的调焦装置使被测 物表面基本在光学测头的焦平面上；(2) 调焦完成后，被测物体经光学显微镜测头成像后，图像数据传送到数据处理器， 数据处理器将接收到的数据进行数值转换获取被测物体在光学测头视场内的灰度图，在 灰度图中设定线宽的方向，然后设定沿此方向的区域，计算所述区域内各像素点的灰度 算术平均值，并将所述灰度算术平均值经数模转换后发送到纳米测量机；(3) 此基础上，锁定纳米测量机的Z方向运动，控制纳米测量机以一定的速度沿与线 宽方向垂直的方向移动载物平台，对被测物进行扫描，并记录每个扫描点的坐标位置和 此时数据处理器发送的的灰度算术平均值，在扫描过程中，随着载物平台的移动，被测 物体相对光学显微镜的位置变化，用于计算灰度算术平均值的区域也在随之移动；(4) 以记录的第一个坐标位置为参考点计算随后记录的每一个坐标位置相对第一个 坐标位置的水平距离；(5) 绘制距离和灰度算术平均值曲线，以灰度算术平均值为纵坐标，距离为横坐标的 坐标系，实际得到的曲线与下图相比会有毛刺，但不会影响计算结果；如果成像光不与 物体表面垂直，要将测量距离转换成物体表面实际距离；(6) 在绘制的距离和灰度算术平均值曲线中，在线宽的边缘位置的前后，灰度算术平均值会有较大变化。具有灰度算术平均值变化较大这个区域就对应着线宽边缘区域；参照标准提取两条斜线的规定高度最近点，这两点之间距离就对应着用于计算灰度 算术平均值的区域从线宽的一个边缘移动到另一个边缘； Ax = ;q — x2 ,计算出两个点的相对位置Ax ，这就是把用于计算灰度算术平均值的区域从线宽的一 个边缘移动到另一个边缘扫描经过的距离。(7)如果成像光不与被测物体表面垂直，扫描平面与物体表面不一定吻合，角度为P, 扫描距离与物体表面实际距离存在该角度^的余弦关系 AL = Ax/cos ^ o
全文摘要
本发明为一种物体平面微、纳米尺寸的测量装置及其测量方法，其特征在于包括纳米定位测量机、光学显微镜测头和数据处理器，纳米定位测量机箱体内设有三个微型平面镜干涉仪和两个角度传感器来实现计量性的定位和测量，纳米定位测量机箱体一侧垂直支撑其固定支架，固定支架的另一端安装光学显微镜测头，光学显微镜测头底下是被测物体和载物台；被测物体经光学显微镜测头成像后，图像数据传递到数据处理器，数据处理器将接收到的数据进行数值转换获取被测物体在光学显微镜测头视场内的灰度图，在灰度图中设定线宽方向，然后设定沿此方向的区域，计算所述区域内各像素点的灰度算术平均值，并将所述灰度算术平均值经数模转换后发送到纳米测量机。
文档编号G01B11/02GK101504273SQ20091005693
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者傅云霞, 一 刘, 孙薇斌, 源 李 申请人:上海市计量测试技术研究院