工业型扫描探针显微平台样品粗定位技术研究

摘要

工业型扫描探针显微镜(SPM)需要复现微结构的全三维形貌，且要求高度的工作效率和自动化程度。其主要应用于半导体制造行业中，实现对大尺寸(4~8吋)晶圆中微结构特定区域(约几十微米)关键尺寸的检测。为提高工业SPM的检测效率和自动化程度，有必要发展相应的粗定位技术快速地寻找扫描区域。本文提出了一种基于数字图像处理的快速定位方法，首先利用自动聚焦技术使样品位于光学显微镜焦平面上，之后利用图像匹配技术寻找样品表面的定位标记(标记与待测点距离固定)，最后通过坐标变换等方法得到待测点在系统坐标系下的位置，进而将待测点定位到测头下以待扫描。根据晶圆表面的特征，在自动聚焦过程中选取Robert算子作为聚焦评价函数，并以变步长爬坡算法搜索焦平面；在图像匹配过程中采用SURF算法提取标记特征，并利用双向匹配方式有效地去除误匹配点。本文围绕对待测点的粗定位技术展开研究，主要内容如下：
　　1.回顾了扫描探针显微镜的发展历史，分析了SPM技术发展的现状及其局限性，同时指出了本课题的研究意义。
　　2.介绍了工业SPM系统的总体设计、工作流程以及电机运动精度的标定，并提出了研究样品粗定位技术的必要性，阐述了粗定位系统的设计思路及实现路径。
　　3.对聚焦算子的选择和焦点搜索策略的制定展开研究，探讨了适用于工业SPM的快速自动聚焦技术。通过理论和实验的比较，采用Robert算子为聚焦评价函数，并以变步长的爬坡算法搜索焦平面位置，实现了对样品表面的快速聚焦。
　　4.利用SURF算法提取样品图像上的特征点信息，并运用双向匹配的方式与模板图像进行匹配，根据匹配结果计算样品标记的位置偏移量以及偏转角度，并可通过坐标变换得出待测点在系统坐标系中的坐标，进而实现待测点在三维空间中的定位。
　　5.基于当前的工业SPM实验平台，设计了集成自动聚焦以及匹配定位功能的上位机控制软件。通过实验证明，采用本方法实现粗定位耗时小于30s，定位不确定度小于8μm。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 工业型扫描探针显微镜的研究意义

1.3 粗定位技术的研究状况

1.4 本文主要研究内容

第二章 工业SPM系统及粗定位系统设计

2.1 工业SPM总体设计

2.2 粗定位系统设计

2.3 本章小结

第三章 自动聚焦技术研究

3.1 聚焦评价算子的选定

3.2 改进的爬坡式焦点搜索策略

3.3 聚焦实验结果及分析

3.4 本章小结

第四章 图像匹配技术研究

4.1 图像匹配算法理论分析

4.2 图像匹配的实现

4.3本章小结

第五章 粗定位的实现

5.1系统坐标系的建立

5.2定位实验方法的讨论

5.3标记的定位

5.4本章小结

第六章 定位实验结果及分析

6.1 定位软件的设计

6.2 定位实验

6.3 误差分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1工作总结

7.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢