半導(dǎo)體芯片電路線寬顯微測(cè)量精度分析-Read

PAGEPAGE3半導(dǎo)體芯片電路線寬顯微測(cè)量精度分析余厚云鄧善熙摘要：在顯微圖像的尺寸測(cè)量中，由于各種因素的影響，測(cè)量結(jié)果不可避免地存在著誤差。為了充分認(rèn)識(shí)并進(jìn)而減小這些誤差，提高測(cè)量精度，文章對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)定、顯微光學(xué)系統(tǒng)的景深、對(duì)焦、光照亮度以及溫度等影響測(cè)量結(jié)果的誤差源作了細(xì)致的研究，給出了半導(dǎo)體芯片電路線寬顯微測(cè)量結(jié)果及精度分析。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體芯片，顯微測(cè)量，精度分析AnalysisoftheaccuracyinthemeasurementforsemiconductorwaferYu,HouyunDeng,ShanxiAbstract:Theerrorsareinevitableinthemicro-measurementofimagebecauseofmanykindsofeffects.Sucheffectsarediscussedindetailinthispaperforreducingtheerrorsandimprovingtheprecisionofthemeasurement.Thoseincludethecalibrationofthestandardcomponent,thedepthofvisionfield,thefocusandbrightnessoftheopticalsystemandthetemperature.Theaccuracyofthemeasurementforsemiconductorwaferispresentedintheend.Keywords:semiconductorwafer,micro-measurement,analysisofprecision圖1所示的就是本文所研究的被測(cè)對(duì)象半導(dǎo)體芯片的實(shí)物圖。由圖可見，由于被測(cè)對(duì)象特征尺寸過小，必須首先將被測(cè)對(duì)象通過顯微光學(xué)系統(tǒng)放大到足夠的倍數(shù)，再由CCD相機(jī)成像在計(jì)算機(jī)屏幕上，最后通過圖像編程測(cè)量出芯片電路線寬的圖像尺寸。這時(shí)的測(cè)量結(jié)果是以像素的形式給出的，要想得到其對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺寸的大小，作者采用圖2所示的測(cè)微尺作為標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)整個(gè)顯微測(cè)量系統(tǒng)的放大倍數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。即在與實(shí)際測(cè)量相同的測(cè)量條件下測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)件特征尺寸的像素?cái)?shù)，而標(biāo)準(zhǔn)件特征尺寸的實(shí)際值為已知。將標(biāo)準(zhǔn)件的像素尺寸與其實(shí)際尺寸相比較，即可得出顯微測(cè)量系統(tǒng)的放大倍數(shù)，從而達(dá)到了標(biāo)定的目的。詳細(xì)的測(cè)量過程見參考文獻(xiàn)[1]和[3]。下面主要針對(duì)半導(dǎo)體芯片電路線寬測(cè)量結(jié)果作詳細(xì)的精度分析。圖2相同測(cè)量條件下的測(cè)微尺顯微圖像圖2相同測(cè)量條件下的測(cè)微尺顯微圖像圖圖1半導(dǎo)體芯片外形尺寸示意圖一、標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)定重復(fù)性實(shí)驗(yàn)如上所述，文中對(duì)半導(dǎo)體芯片電路線寬的顯微測(cè)量采用的是與標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行對(duì)比測(cè)量的方法。因此，標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)定的精度直接影響了實(shí)際電路線寬的測(cè)量精度。表1列出了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)微尺上50m的實(shí)際尺寸進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量所得到的結(jié)果。因?yàn)闇y(cè)量列的測(cè)量次數(shù)較少，算術(shù)平均值的極限誤差按t分布計(jì)算。已知，取，查表得。算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差，從而算術(shù)平均值的極限誤差，經(jīng)過計(jì)算，可以得出對(duì)應(yīng)的圖像尺寸，以算術(shù)平均值及其極限誤差來表示如下：表1測(cè)微尺標(biāo)定重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果序號(hào)li/pixelvi/pixelvi2/pixel212345678910250.298250250.385250.01250.298250250.116250250.142250.3560.137-0.1610.224-0.1510.137-0.161-0.045-0.161-0.0190.1950.0187690.0259210.0501760.0228010.0187690.0259210.0020250.0259210.0003610.038025計(jì)算結(jié)果二、芯片電路線寬測(cè)量誤差分析1.顯微光學(xué)系統(tǒng)的景深景深是指光學(xué)系統(tǒng)能同時(shí)清晰成像的物方空間沿光軸方向的深度范圍。下面就著重討論一下顯微鏡景深對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，如圖3所示。顯微物鏡CCD靶面顯微物鏡CCD靶面圖3顯微光學(xué)系統(tǒng)的景深測(cè)量結(jié)果。3.光照亮度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不改變其它測(cè)量條件及被測(cè)對(duì)象半導(dǎo)體芯片的位置，通過亮度調(diào)節(jié)滑竿對(duì)顯微鏡照明的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，拍攝10種不同亮度下的半導(dǎo)體芯片圖像，并測(cè)量芯片上一條電路的線寬，如表3所示，其中序號(hào)從1到10為亮度逐漸遞增。表3不同光照亮度情況下的芯片電路線寬測(cè)量結(jié)果序號(hào)li/pixelvi/pixelvi2/pixel21234567891015161516161415151616-0.40.6--1.4-0.4-0.160.360.160.360.361.960.36計(jì)算結(jié)果算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差，從而算術(shù)平均值的極限誤差，最后測(cè)量結(jié)果。4.溫度誤差對(duì)于半導(dǎo)體芯片，可近似地以硅基材料的溫度線脹系數(shù)來計(jì)算測(cè)量的溫度誤差，查表得硅在250K350K(-23oC77oC)溫度下的平均線脹系數(shù)為2.410-6/oC，因此，溫度誤差其中L為被測(cè)尺寸。三、芯片電路線寬測(cè)量誤差合成參照標(biāo)定重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)半導(dǎo)體芯片上一條電路的線寬進(jìn)行測(cè)量，得測(cè)量結(jié)果為。根據(jù)測(cè)微尺檢定結(jié)果報(bào)告，測(cè)微尺在50m范圍內(nèi)刻度的系統(tǒng)誤差為－0.2m。假設(shè)該誤差在50m范圍內(nèi)均勻分布，此項(xiàng)誤差為已定系統(tǒng)誤差，應(yīng)予修正，則測(cè)量結(jié)果為用測(cè)微尺對(duì)芯片電路進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，主要誤差計(jì)算如下：1.隨機(jī)誤差①對(duì)焦誤差②光照亮度誤差③測(cè)微尺標(biāo)定引起的隨機(jī)誤差2.未定系統(tǒng)誤差①景深誤差②測(cè)微尺的檢定誤差③溫度誤差設(shè)各項(xiàng)誤差都服從正態(tài)分布且互不相關(guān)，則測(cè)量結(jié)果的極限誤差為因此，測(cè)量結(jié)果應(yīng)表示為參考文獻(xiàn)[1]YUHouyun,DENGShanxi,DesignofMicroscopeApparatuswithMatrixCCDforInspectingSemiconductorChips,2ndInternationalSymposiumonInstrumentationScienceandTechnology,2002,2_333-2_336.[2]JohnHanks,Basicfunctionseaseentryintomachinevision,Test&MeasurementWorld,2000,20(4)：69-76.[3]余厚云、鄧善熙、楊永躍、丁興號(hào)，用VisualBasic6.0編程實(shí)現(xiàn)顯微圖像測(cè)量，微計(jì)算機(jī)信息，2003，19(2)：67-68.[4]王智宏、張建、陳岱民、孫坤，微小零件圖像處理與分析方法的精度、穩(wěn)定性和效率，長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，9(3)：7-9.作者簡(jiǎn)介：1.余厚云（1975—），男，碩士，南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院053系教師，主要從事機(jī)械及自動(dòng)化方向的教學(xué)和研究工作；2.鄧善熙（1940—），男，博導(dǎo)，合肥工業(yè)大學(xué)儀器儀表學(xué)院教授，主要從事精密儀器及機(jī)械的研究。聯(lián)系地址：南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院053系（210016）電話Email:yuhouyu