一种CD-SEM设备的定位方法和测量方法与流程

本发明涉及扫描电镜领域，尤其涉及一种cd-sem设备的定位方法和测量方法。

背景技术：

1、在半导体大规模集成电路(integrated circuit，简称为ic)制作过程中，基于扫描电镜(scanning electron microscopy，sem)的关键尺寸(critical dimension，简称为cd)测量设备即cd-sem设备起着至关重要的作用。目前的cd-sem设备100大同小异，如图1a所示，其部件包括核心的扫描电镜(sem，一种电子光学系统)，扫描电镜中有电子光学镜筒(column)111，和与其平行的光学显微成像系统(optical microscope，简称为om)112，om112用于初级晶圆对准(wafer alignment，简称为wa)，可有多级不同放大倍率的物镜。该设备100还包括机械运动平台113(在主腔体内，主腔体内可维持高真空)，用于放置晶圆114，该设备100还包括前端模组(efem)115，其中有机械手(robot)1151和预对准器(pre-aligner)1152，其外可放置晶圆盒(cassette)1153。efem和包括机械运动平台113的主腔体之间还有真空过渡室116，主腔体内还有机械手117，用于在真空过渡室116和机械运动平台113之间的晶圆搬运。晶圆114上片后是放置在机械运动平台113上的静电托盘(e-chuck)上，静电托盘还可有高度微调机制。当然它还有多级真空泵和真空测量装置(图中未显示)。另外它还有工业计算机118，其上运行软件119，包括图形用户界面(gui)软件，系统软件，数据库，算法软件和底层硬件驱动、通讯软件等。参考图1b，为一例所述设备中扫描电镜的结构示意图，目前现有技术中各种扫描电镜的结构大同小异。其各主要部件在一起，负责电子束的产生、加速、聚焦和扫描控制，以及从样品上产生的二次电子(secondary electron)和其他电子包括反射电子(backscatted electron，bse)的探测，然后经信号放大和模数转换，及信号处理等步骤，最终产生sem图像，供算法软件从中获取既定对象的cd信息。其中还有更多细节，但都属现有技术，不再赘述。

2、准备工作

3、和大多数半导体设备一样，当使用cd-sem设备测量晶圆的cd时，通常需要先创建设备的工作菜单(recipe)，随后所述设备在正式工作时执行工作菜单，包括在线(inline)执行该工作菜单中的内容。

4、所述准备工作，包括晶圆上片后要做的晶圆对准(wafer alignment，简称为wa)。cd-sem设备涉及到都是有图形晶圆(patterned wafer)的wa。参考图2a，通常在创建wa的recipe时，先从最初级也就是视场(fov)最大的那一级，例如从使用om图像的om wa开始，在靠近晶圆中心的模板图像采集位置201采集模板图像，从中选取符合模板匹配(patternmatching，简称pm)要求(亮度、对比度、唯一性等)的模板，使用该模板到晶圆上与模板图像采集位置201相隔整数个晶粒周期的位置例如在位置202，203，204和205分别采集目标图像，进行模板匹配，确定晶圆取向角θ(也可以用位置201，206和207等位置来确定取向角θ)，然后用达到既定阈值要求的成功匹配结果(例如，参考图2b，模板图像211中模板212到某一目标图像2111中成功匹配到位置2121)，予以矫正(包括平移和转动机械运动平台实现矫正，或获得/更新相对于机械运动平台坐标系的变换矩阵)，再以同样方法(例如，参考图2c，更高放大倍率的图像例如sem图像221中有模板222，用模板222到某一目标图像2211中成功匹配到位置2221)，直至完成各级既定wa，保存上述各级wa的模板图像、模板、各目标图像采集位置即各匹配位置到工作菜单中。到执行recipe时，各级wa都根据其模板到在上述匹配位置处采集的目标图像进行匹配，完成wa。wa是所述设备本职工作即cd测量的必要前置条件，为后续cd-sem设备对于测量点的定位提供了基础保障。在完成wa后，就可以确定晶圆坐标系的参考点，这样就确定了所述晶圆坐标系，它相对机械运动平台坐标系有固定的转换关系，这也是现有技术，不再赘述。

5、现有技术中模板匹配常用的算法有很多，包括图像相似度算法，例如互相关(normalized cross correlation，ncc)算法，可直接用于灰度图像或其梯度图像，还包括基于特征(feature-based)的模板匹配方法，都可有亚像素精度。cd-sem设备中对于测量点的定位也要用到模板匹配的算法。

6、除wa之外，另一准备工作为十分重要的快速自动聚焦(quick auto focus，简称为qaf)，也为现有技术，在此不再赘述。

7、测量点

8、在完成wa之后，就可以确定测量点(measurement point，简称为mp)。在创建recipe时，确定晶圆上待测量晶粒(die)，如图3中的晶粒301，至少一个晶粒301中包括至少一个待测结构(如线、圆或圆弧等)，对于每个待测结构，需要为其配置(即设置)相应的测量点。

9、所述测量点mp是广义的，它包含更多内容，首先，它包括晶圆上一个位置即坐标，为测量图像(即cd-sem设备在进行cd测量时所需采集的sem图像)的图像采集位置；其次，它也包括一个测量图像的图像采集区域即视场(fov)，以所述位置为中心(所述cd-sem设备应用中通常可经过一些尝试来最后确定该图像采集区域)；另外，它还包括至少一个所述测量对象及测量对象的测量配置，所述测量对象属于所述晶圆上某待测结构(如线、圆或圆弧等)，可为其全部(例如整个圆)或一部分(例如待测线的一段)。其中，所述待测对象通常占据所述测量图像的主要部分，而不同的测量对象有不同的测量配置(后文中会举例说明)。

10、此外，晶圆上可有专门用于设置待测结构的晶粒例如晶粒302(也可以用晶粒301中的一个)，可称之为设置晶粒。

11、所述cd-sem设备的测量对象包括待测结构上的局部区域或全部区域，目的是为了计算待测结构的尺寸，如线宽(line width)、线宽粗糙度(line width roughness)和线边缘粗糙度(line edge roughness)等。

12、在实际使用中，例如，对于某一个测量对象，将测量对象上的一个位置如中心位置附近作为测量点的位置；尽管在大多数情况下，1个测量点对应于1个测量对象，且测量对象在测量图像中占据主要位置，但不限于此，例如，对于某三个测量对象，将三个测量对象的中心位置作为三者共同的测量点的位置，而无需设置三个不同的测量点的位置，因此这里只有1个测量点。

13、以待测结构为线为例，单条线(线即为线结构)400的横截面如图4a中的横截面401所示(以x方向测量为例)，其对应的sem图像如图4b中的图像402所示，图像402为用于进行cd测量的测量图像，图中有亮带403说明线400的边缘出射电子贡献较大。图像402中x方向的一维采样值称为轮廓profile(以x方向为例)，如图4c中轮廓405，在图4b所示的图像402中有一测量对象404分成2部分(测量对象404对应的测量点的位置位于二者之间的中心，也为图像402的中心)，也可用用1个矩形框4041表示测量对象。轮廓profile可以是测量对象中y＝y0(y0是预设的一个在y方向上的位置)的单行采样，x方向的位置(x1，y0)到(x2，y0)之间像素的归一化的灰度值(参考图4c中的纵坐标)，或相邻多条行采样(从y0至y0+ny-1的区间，例如ny＝10)的平均，获得各条轮廓profile的cd测量结果，整合成最终的cd值并获得相关的统计结果，例如各个cd测量结果的均值和方差。此外，有的线非矩形而是等腰梯形(trapezoid)结构，于是就有上部cd(top cd)和下部cd(bottom cd)的测量。有时有许多在x或y方向平行的线，需要测量线400之间的周期(左周期或右周期)、线间距(space，如图4d中的线间距406)等。另外常见的待测结构还包括圆，椭圆或局部圆弧结构。

14、参考图4e，其中一圆环状结构，其截面如截面407所示，对应的sem图像如图4f所示，其中可设置测量对象例如x方向对边的一对测量对象408(以矩形框示意)或者部分圆环形式的测量对象409(以扇形框示意)或整个圆环。另外，有的测量对象用单个矩形框表示而非前面所示的一对，例如图4g所示，示意了sem图像410，用于计算待测线的线宽的测量对象用单个矩形框411表示，用于计算待测线的线边缘粗糙度的测量对象用单个矩形框412表示，这些都常见于现有技术中，不一一举例。

15、测量配置通常包括参数(例如，对于线结构，为了测量得到线边缘粗糙度，在测量对象上配置多个采样点参数)、测量算法(如根据多个采样点参数计算线边缘粗糙度的线粗糙度计算方法)和测量对象，不同的所述测量对象的测量配置不尽相同。例如图4b中所示线宽的测量，需要定义一个或一对矩形框(测量对象以矩形框示意)在图中位置，尺寸，间距等，还有算法配置参数例如y方向分多少段取平均，x方向如何取平均获得轮廓(profile)，然后采用何种算法(直接测量或求导数)等诸多配置。又如图4f中所示圆的线宽测量，需要定义测量整个圆还是部分圆，角向平均的参数，搜寻直径起点(内径)和终点(外径)等诸多配置。皆为现有技术，不再赘述。

16、定位点

17、用于对测量点mp进行测量的sem图像称为mp图像即前文中的测量图像，mp图像要求待测结构(例如线段以及周边足够的背景部分)尽可能占据sem图像之间的主要即绝大多数空间。为方便测量点mp的定位，通常在其附近(尽量避免在其相同位置)有相应的定位点(addressing point，简称为ap)。对于定位点ap采集的sem图像称为ap图像，ap图像的视场(fov)相对于mp图像的视场更大，以便于搜寻。

18、为了设备工作时能在晶圆上既定晶粒中的既定位置找到待测目标，需要在wa之后，对每个待测目标进行定位(使用上述定位点ap)，这很重要，不做或者做不好的话，在执行recipe时就不能访问到晶圆上既定待测点mp的位置，或测量点mp全部或部分在视场之外，造成关键尺寸测量失败。参考图5，用于选择定位点ap的sem图像500，可称其为定位工作图像或简称为工作图像，其中包括定位点ap和测量点mp，例如其中有圆环结构、线结构和圆结构，一个圆环结构上有测量点501，其测量对象为一圆环，测量点502(一对矩形框中线结构的边缘之间的距离为线宽，测量点mp的位置为一对矩形框之间的几何中心)有关于线结构线宽的测量对象(图5中用一对矩形框示意)，测量点503有关于线周期的测量对象，测量点504有关于一圆环结构的测量对象，测量点505上也有关于一圆结构的直径的测量对象。

19、图5中有用于定位的定位点ap 507，通常定位点ap可有不止一个，例如还可有定位点ap 508。且每个定位点ap，可以为附近1或多个测量点mp所共享，反之亦然。这些均为现有技术，故不再赘述。

20、当前问题

21、上述现有技术中存在一些严重问题，包括：

22、问题1、在执行recipe时，对于定位点ap的定位容易失败，即对于定位点ap定位时模板匹配(pm)失败(如果有多级的话则第一级pm失败)，然后不得不采用十分耗时的螺旋式搜寻，即移动机械运动平台以在recipe中既定的定位点ap的周边位置对晶圆采集九宫格图像以搜寻定位点ap，机械运动平台的移动次数较多，图像采集的次数也较多，导致定位方法的可靠性低，耗时较多，影响所述cd-sem设备的吞吐量。

23、例如，在图6中，位置o1为ap图像的图像采集位置，一旦用于定位该定位点ap的模板(称为ap模板)与位置o1处采集的目标图像601的匹配失败，就按既定次序移动机械运动平台，到晶圆上其余的位置采集目标图像进行模板匹配，直到成功时终止，例如从位置o2-o9(次序可能不定，例如在位置o1之后可以到位置o3采集图像得到目标图像603)，伴随这么多的机械运动平台的移动，这不仅严重增加时耗从而影响设备吞吐量，且并不十分可靠，例如有时ap图像中有类似图案，即ap模板在九宫格范围的一ap图像内不具唯一性，导致匹配失败，或者匹配位置正巧在所述九宫格图像中的2或3帧图像之间而所述九宫格图像中的图像之间的重叠区域不足等，也容易导致匹配失败。导致发生这种情况的原因不单一，可以包括：a)用户创建recipe时视场(fov)选择不当，例如fov过小(定位点ap到测量点mp距离相对于所述设备在xy方向可能的最大误差而言)；b)所述九宫格图像之间重叠区域预留不足有时不得不这样，否则需要更多的图像，例如用25宫格的图像以覆盖不确定区域；c)用户创建recipe时ap模板选择欠佳(例如亮度，对比度和x、y方向特征等不足)；再叠加上其他设备或晶圆的固有因素，包括晶圆在定位点ap周边存在局部极化、晶圆表面膜层高度有变化、图像噪声，晶圆对准精度欠缺等干扰因素的影响，最终影响图像质量和模板匹配。

24、问题2、测量点mp与定位点ap之间的配置不当(用户在选择测量点mp与定位点ap位置和个数时有一定的随意性)，也会导致定位方法可靠性低和耗时较多的问题。

25、具体地，在现有技术中，定位点ap常出现冗余的情况，因为对较多数量的定位点ap均需要定位，所以机械运动平台的移动次数较多，图像采集的次数也较多，导致定位方法的可靠性低，耗时较多，影响所述cd-sem设备的吞吐量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种cd-sem设备的定位方法和测量方法，以解决上述的问题1。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种cd-sem设备的定位方法，用于定位晶圆上的测量点mp，包括：

4、在创建所述设备的工作菜单时，获取在晶圆上预设的所有测量点mp，在所述晶圆上采集用于确定所有所述测量点mp的位置及对应的定位点ap的位置的工作图像，使用所述工作图像确定各所述测量点mp的位置，并确定各所述测量点mp所需的定位点ap的位置，在所述定位点ap的位置以第一放大倍率lm1采集第一模板图像并在其中选取第一模板，设置小于所述第一放大倍率lm1的第二放大倍率lm2，在所述定位点ap的位置还以所述第二放大倍率lm2采集第二模板图像，保存所述测量点mp的位置、定位点ap的位置、第一模板图像、第一模板和第二模板图像到工作菜单中；

5、在执行所述设备的工作菜单时，遍历各所述测量点mp，在其各所述测量点mp对应的所述定位点ap的位置以第一放大倍率lm1采集第一目标图像，基于所述第一模板与第一目标图像进行模板匹配，当匹配成功时，确定所述定位点ap的位置和与其对应的测量点mp的位置，当匹配失败时，降采样所述第一目标图像得到降采样图像，使得所述降采样图像的放大倍率为所述第二放大倍率lm2，将所述降采样图像作为模板并与第二模板图像进行模板匹配，以确定所述定位点ap的位置和与其对应的测量点mp的位置。

6、一种cd-sem设备的测量方法，包括：使用所述的定位方法对各所述测量点mp进行定位，对于任一所述测量点mp，分别基于预设的视场采集测量图像，并基于各测量点mp的测量图像和预设的测量配置对预设的测量对象进行关键尺寸测量，以获得各所述测量点mp的关键尺寸，其中，所述测量点mp包括所述位置、所述视场、所述测量对象及测量对象的测量配置。

7、本发明的有益效果：

8、本发明提供了一种cd-sem设备的定位方法和测量方法，在该定位方法中，在对于定位点ap匹配失败时，通过降采样第一目标图像得到降采样图像，并基于降采样图像与第二模板图像进行模板匹配，实现了对定位点ap和测量点mp的定位，能够解决上述的问题1，提高定位方法的可靠性，节省时间，提升所述设备的吞吐量，此外，由于测量方法包括上述定位方法，因此获得了该定位方法的全部有益之处。