一种金属刻蚀终点检测系统的制作方法

本发明涉及金属刻蚀检测，更具体地说，本发明涉及一种金属刻蚀终点检测系统。

背景技术：

1、随着微纳制造中工艺视觉检测技术的发展，对刻蚀工艺终点时刻的精准识别尤为重要。通过对工艺腔体内光谱图像与透射光强时序信号进行采集、图像处理与特征解析，判定待加工材料层是否被完全去除，以避免过刻蚀或欠刻蚀，是保障图形转移质量与制造一致性的关键环节。

2、目前，行业内的主流方案为基于发射光谱图像的单通道终点检测，即采集等离子体特征发射谱线并监控特定波长光强随时间的变化，依据固定阈值或拐点判定终点；同时，激光干涉与透射光强类光学检测也用于透明介质层等场景，通过干涉条纹计数或透射强度变化反演剩余厚度，无需逐点对准、成本较低，能够解决常规图形覆盖率条件下的终点判定基础需求。

3、但是其在实际使用时，仍旧存在一些缺点，如其仅依赖单一物理源的光谱图像数据，在低占空比、小面积金属图形下有效信号微弱，信噪比不足，且单一物理源信号无法区分金属终点瞬变与等离子体波动、射频扰动等造成的伪瞬变，基于单源信号的识别算法难以兼顾误报率与漏检率；

4、同时，其采用的动态基线跟踪算法会跟随终点瞬变本身移动，压缩残差幅度，使微弱终点特征被基线吸收，造成检测滞后或漏判。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种金属刻蚀终点检测系统，通过以下方案，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种金属刻蚀终点检测系统，包括：

4、光谱图像获取模块：用于获取检测区域的第一光谱图像数据和第二光谱图像数据；所述第一光谱图像数据为所述检测区域上方的气相化学发光中预设特征发射谱线的强度随时间变化的图像数据，所述第二光谱图像数据为探测光透过所述检测区域后的强度随时间变化的图像数据；

5、残差图像生成模块：用于对所述第一光谱图像数据和所述第二光谱图像数据分别执行慢漂移分量跟踪，生成第一残差图像序列和第二残差图像序列；所述慢漂移分量跟踪以第一时间常数跟踪光谱图像数据中的慢变化分量；

6、瞬变观察窗管理模块：用于当任一残差图像序列满足预设的候选瞬变条件时，启动持续预设时长的瞬变观察窗，并在所述瞬变观察窗内冻结所述第一残差图像序列和所述第二残差图像序列对应的慢漂移分量跟踪的基线更新；

7、瞬态识别模块：用于在所述瞬变观察窗内，基于所述第一残差图像序列识别第一瞬变起始时刻，基于所述第二残差图像序列识别第二瞬变起始时刻；

8、交叉校验判定模块：用于当所述第一残差图像序列满足速率判据和幅度判据、所述第二残差图像序列满足速率判据、且所述第一瞬变起始时刻与所述第二瞬变起始时刻的时间差落于预设的时间一致性窗口内时，判定所述检测区域发生了真实瞬变事件，并输出瞬变事件信号。

9、优选的，所述光谱图像获取模块，探测光的波长位于所述检测区域的衬底透明波长窗口内，所述衬底透明波长窗口为1100nm至1700nm；

10、所述第二光谱图像数据中单帧第二光谱图像在位置(x,y)处的像素灰度与所述待检测金属薄膜的厚度d(x,y,t)满足指数消光关系，具体表示为：，其中，为t时刻第二光谱图像像素灰度；为第二光电传感器阵列在位置(,)处的光电响应系数，包括曝光时间和光学收集效率；为入射至检测区域上表面的探测光强度；为待检测薄膜在探测光波长2=1310nm处的消光系数；为t时刻位置(,)处待检测薄膜的厚度；为第二窄带滤光片在探测光波长处的透射率；为暗电流噪声和读出噪声。

11、优选的，所述光谱图像获取模块，预设特征发射谱线对应的第一窄带滤光片的半高全宽为1.5nm；

12、所述预设特征发射谱线与气相化学发光中其他气相成分的辐射谱线之间的波长间隔不小于3nm。

13、优选的，所述残差图像生成模块，所述第一时间常数与待检测瞬变事件的持续时长的关系满足：其中，为第一残差图像序列中瞬变信号最短持续时长。

14、优选的，所述瞬变观察窗管理模块，所述候选瞬变条件基于残差图像序列中预设空间区域的像素灰度平均值进行判定：

15、当所述像素灰度平均值的绝对值超过预设候选幅值阈值，且该超过状态持续达到预设持续时间阈值时，判定该残差图像序列满足候选瞬变条件；

16、所述预设候选幅值阈值为残差图像序列在稳定状态下噪声标准差的3倍。

17、优选的，所述瞬态识别模块，在所述瞬变观察窗内，搜索第一残差序列中首次出现绝对幅值超过预设起始幅值阈值的帧索引，作为第一瞬变起始时刻的帧级位置，第一通道的帧级位置搜索公式为：；搜索第二残差序列中首次出现绝对幅值超过预设起始幅值阈值的帧索引，作为第二瞬变起始时刻的帧级位置，第二通道的帧级位置搜索公式为：；其中，1和2分别为第一通道和第二通道起始时刻对应的帧索引；win为观察窗内的帧序号；为第k帧对应的采样时刻；

18、在所述帧级位置邻域内对一维残差序列执行线性插值或二次曲线拟合，生成超过帧周期的0.1倍的第一瞬变起始时刻和第二瞬变起始时刻。

19、优选的，所述交叉校验判定模块，所述速率判据的判定对象为第一残差图像序列中预设空间区域的像素平均值随时间变化的第一残差序列和第二残差图像序列中预设空间区域的像素平均值随时间变化的第二残差序列；

20、对第一残差序列和第二残差序列分别进行相邻帧差分：，其中，为第c通道残差图像在感兴趣区域内的像素灰度平均值，c=1表示第一通道，c=2表示第二通道；为第帧对应的采样时刻；δ为帧周期；

21、所述幅度判据仅作用于第一残差图像序列，判定对象为第一残差序列在瞬变观察窗内的最大绝对峰值幅度：,其中，1为第一残差图像序列在观察窗内的最大绝对幅度；为观察窗启动时刻；为观察窗预设时长。

22、优选的，所述交叉校验判定模块，所述时间一致性窗口的取值为5ms；

23、所述瞬变观察窗的预设时长为待检测瞬变事件典型持续时长的3倍；

24、在所述瞬变观察窗内，所述交叉校验判定模块逐帧计算所述时间差，当所述第一残差图像序列满足速率判据和幅度判据、所述第二残差图像序列满足速率判据、且所述时间差落于5ms窗口内时，立即输出瞬变事件信号，不等待所述瞬变观察窗结束。

25、本发明的技术效果和优点：

26、1、本发明通过光谱图像获取模块实现了对同一金属刻蚀终点事件的双物理源独立观测，有效弥补了单一物理源在低占空比、小面积金属图形下有效信号微弱的不足，即使第一通道信号微弱，第二通道仍能独立触发候选瞬变条件，从而避免了因单一源信号幅值不足导致的漏检；

27、2、本发明通过光谱图像获取模块从光学前端有效抑制了背景杂散光和相邻光谱成分的干扰，提高了第一光谱图像和第二光谱图像的信噪比，为候选瞬变监测、起始时刻识别及交叉校验判定提供了稳定的噪声基准和阈值设定依据；

28、3、本发明通过残差图像生成模块显著降低了动态基线对瞬变信号本身的吸收程度，有效缓解了现有技术中动态基线跟踪算法跟随终点瞬变移动、压缩残差幅度的问题，为后续瞬态识别保留了充分的信号强度；

29、4、本发明通过瞬变观察窗管理模块使瞬变期间的基线不再跟随瞬变信号移动，从根本上避免了微弱终点特征被基线吸收导致的检测滞后或漏判，保证了瞬变观察窗内残差图像序列的真实瞬变幅度完整性；

30、5、本发明通过瞬态识别模块使两路独立物理源信号的起始时刻差异能够被精确量化，为交叉校验判定模块的时间一致性判据提供了输入，从而有效区分金属终点瞬变与等离子体波动、射频扰动等造成的伪瞬变，避免因时间分辨率不足导致两路信号同步性无法可靠判定；

31、6、本发明通过交叉校验判定模块有效避免了单一物理源信号或单一判据可能导致的误报与漏检，显著提升了终点检测的准确性和可靠性；

32、7、本发明通过光谱图像获取模块提供了气相化学发光和探测光透射两种独立物理机理的观测数据，任一通道均可独立触发瞬变观察窗，确保了低占空比、小面积图形下的事件捕获能力；交叉校验判定模块在此基础上利用两路信号瞬变起始时刻的时间一致性、第一通道幅度与速率、第二通道速率进行联合判定，只有当两路独立物理机理信号在时间上同步对准且变化特征符合预设条件时才输出瞬变事件信号；共同解决了单个物理源信号无法区分金属终点瞬变与等离子体波动、射频扰动等伪瞬变的核心问题，实现了低漏检率与低误报率的平衡；

33、8、本发明通过残差图像生成模块长时间常数一阶递归滤波在稳定状态下对慢漂移分量进行平滑跟踪，使基线滞后引起的残差偏移保持在可接受范围内；瞬变观察窗管理模块在候选瞬变条件触发后立即冻结基线更新，使瞬变期间的残差幅度保留率进一步提升；既避免了过小时间常数导致基线吸收瞬变信号，又避免了过大时间常数导致稳定状态下基线滞后偏移，实现了正常状态残差稳定与瞬变期间残差完整的最优兼顾。