一种光学干涉表面形貌测量方法、半导体测量系统和存储介质与流程

本技术涉及光学测量，具体涉及一种光学干涉表面形貌测量方法、半导体测量系统和存储介质。

背景技术：

1、菲索干涉仪作为一种高精度的光学测量仪器，广泛应用于晶圆表面形貌的检测中。其基本原理是通过分析晶圆表面与参考镜之间形成的光程差所导致的干涉条纹，反演获得晶圆表面的三维形貌信息。随着晶圆翘曲度的增大，表面与参考面之间的高度差变化加剧，干涉条纹的空间频率显著升高，条纹间距随之减小。通过对干涉条纹的相位解包与重建，理论上能够精确重构晶圆表面的三维轮廓。

2、由于晶圆检测系统能够分辨的最小条纹间距直接决定了可测量的最大高度差范围，进而限定了菲索干涉仪可测的晶圆翘曲度范围。为适应大尺寸晶圆的全局成像需求，系统通常需配备大靶面ccd/cmos相机进行成像。然而，大靶面相机在保证足够像素数以覆盖大面积的同时，往往难以将单个像素尺寸做得很小，这导致相机的空间采样分辨率有限；而系统的整体分辨能力由光学分辨率和相机采样分辨率共同决定，而后者常常成为瓶颈。

3、在实际测量中，当测量高翘曲度晶圆时，产生的密集干涉条纹其空间频率容易超过相机依据奈奎斯特采样定理所确定的最小可分辨极限。此时，相机像素无法对条纹进行充分采样，相邻像素间可能跨越整个相位周期，导致采集到的条纹图像出现混叠。在后续的形貌重建中，这种欠采样现象使得相位解包算法无法正确追踪相邻像素间的真实相位差，最终导致晶圆三维形貌的测量失败，严重制约了现有菲索干涉仪对大翘曲度晶圆的适用测量范围。

技术实现思路

1、菲索干涉仪作为一种高精度的光学测量仪器，广泛应用于晶圆表面形貌的检测中。其基本原理是通过分析晶圆表面与参考镜之间形成的光程差所导致的干涉条纹，反演获得晶圆表面的三维形貌信息。随着晶圆翘曲度的增大，表面与参考面之间的高度差变化加剧，干涉条纹的空间频率显著升高，条纹间距随之减小。通过对干涉条纹的相位解包与重建，理论上能够精确重构晶圆表面的三维轮廓。

2、由于晶圆检测系统能够分辨的最小条纹间距直接决定了可测量的最大高度差范围，进而限定了菲索干涉仪可测的晶圆翘曲度范围。为适应大尺寸晶圆的全局成像需求，系统通常需配备大靶面ccd/cmos相机进行成像。然而，大靶面相机在保证足够像素数以覆盖大面积的同时，往往难以将单个像素尺寸做得很小，这导致相机的空间采样分辨率有限；而系统的整体分辨能力由光学分辨率和相机采样分辨率共同决定，而后者常常成为瓶颈。

3、在实际测量中，当测量高翘曲度晶圆时，产生的密集干涉条纹其空间频率容易超过相机依据奈奎斯特采样定理所确定的最小可分辨极限。此时，相机像素无法对条纹进行充分采样，相邻像素间可能跨越整个相位周期，导致采集到的条纹图像出现混叠。在后续的形貌重建中，这种欠采样现象使得相位解包算法无法正确追踪相邻像素间的真实相位差，最终导致晶圆三维形貌的测量失败，严重制约了现有菲索干涉仪对大翘曲度晶圆的适用测量范围。

4、本技术提供一种光学干涉表面形貌测量方法、半导体测量系统和存储介质，能够解决现有技术中因干涉条纹空间频率过高导致的相位解包失败的技术问题。

5、第一方面，本技术实施例提供一种光学干涉表面形貌测量方法，包括：

6、根据干涉条纹图像获取被测物体表面区域的包裹相位图，并生成与所述包裹相位图相对应的有效区域二值掩膜；其中，所述有效区域对应于被测物体的表面区域；

7、计算所述包裹相位图在两个正交方向上的相位梯度场，并利用所述有效区域二值掩膜对所述相位梯度场进行加权处理，获得加权后的梯度场；

8、在梯度域中，对所述加权后的梯度场进行相位解包，获得两个正交方向上解包后的连续梯度场；

9、根据所述两个正交方向上解包后的连续梯度场，构建泊松方程；

10、在所述有效区域二值掩膜的约束下，迭代求解所述泊松方程，重建出所述被测物体表面区域的连续解包相位分布；

11、根据所述连续解包相位分布，确定所述被测物体的表面三维形貌。

12、一些实施例中，所述根据干涉条纹图像获取被测物体表面区域的包裹相位图，包括：

13、获取被测物体表面产生的多幅干涉条纹图像；

14、根据预设的初始相移量和所述多幅干涉条纹图像，计算初始相位分布；

15、根据所述初始相位分布迭代修正相移量，直至相移量变化量小于收敛阈值，并以收敛后的相位分布作为所述包裹相位图。

16、一些实施例中，所述生成与所述包裹相位图相对应的有效区域二值掩膜，包括：

17、根据所述多幅干涉条纹图像或所述包裹相位图的强度分布，识别所述被测物体的有效区域与背景区域；

18、生成二值矩阵，其中所述有效区域被赋予第一权重值，背景区域被赋予第二权重值，以形成所述有效区域二值掩膜。

19、一些实施例中，所述识别所述被测物体的有效区域与背景区域时，包括：

20、将干涉图强度高于或低于预设阈值的连续区域定义为所述有效区域，并将其余区域定义为所述背景区域；

21、或者，

22、将相位值连续变化且信噪比高于预设阈值的区域定义为所述有效区域；将存在相位跳变不连续、信噪比低于预设阈值或数据缺失的区域定义为所述背景区域。

23、一些实施例中，所述计算所述包裹相位图在两个正交方向上的相位梯度场，并利用所述有效区域二值掩膜对所述相位梯度场进行加权处理，获得加权后的梯度场，包括：

24、在两个正交方向上分别对所述包裹相位图进行差分运算，获得对应方向上的相位梯度场；

25、在两个正交方向上分别对所述有效区域二值掩膜进行相同的差分运算，获得对应方向上的权重分布；

26、将所述相位梯度场与对应方向的所述权重分布进行逐点相乘，获得加权后的梯度场。

27、一些实施例中，所述在梯度域中，对所述加权后的梯度场进行相位解包，包括：

28、根据所述包裹相位图的相位变化，为每个像素点赋予不同的质量因子；

29、根据每个像素点对应的质量因子，确定在所述加权后的梯度场进行相位解包的路径；

30、按照所述路径，在所述加权后的梯度场进行相位展开，获得解包后的连续梯度场。

31、一些实施例中，所述根据所述包裹相位图的相位变化，为每个像素点赋予不同的质量因子，包括：

32、计算所述包裹相位图的局部信噪比和/或相位变化的连续性；

33、按照局部信噪比由高到低，和/或相位变化的连续性由强到弱，为每个对应的像素点赋予由大到小的质量因子。

34、一些实施例中，计算所述包裹相位图的相位变化的连续性，包括：

35、在梯度域中，根据加权后的梯度场计算相邻像素间的相位差，建立局部梯度场；

36、根据所述局部梯度场，确定相位变化的连续性。

37、一些实施例中，所述根据每个像素点对应的质量因子，确定在所述加权后的梯度场进行相位解包的路径，包括：

38、以质量因子最大值对应的像素点为起点，确定相位解包的初始路径；

39、按照质量因子从高到低的顺序，对所述初始路径进行调整，以生成相位解包的最终路径。

40、一些实施例中，按照所述路径，在所述加权后的梯度场进行相位展开，包括：

41、在当前像素点的质量因子大于等于预设的质量阈值时，以其为中心向周边像素扩展进行解包操作；

42、在当前像素点的质量因子小于所述质量阈值时，延迟处理当前像素点，对所述路径上的下一个像素点进行阈值判断；

43、按照所述路径完成所有质量因子大于等于所述质量阈值像素点的解包操作之后，基于已展开像素点的相位分布，对质量因子小于所述质量阈值的像素点进行相位补偿和修正。

44、一些实施例中，所述在所述有效区域二值掩膜的约束下，迭代求解所述泊松方程，重建出所述被测物体表面区域的连续解包相位分布，包括：

45、以所述两个正交方向上解包后的连续梯度场作为输入，迭代求解所述泊松方程；

46、在每次迭代更新相位值后，将更新后的相位分布与所述有效区域二值掩膜进行点乘运算；

47、重复迭代过程直至满足预设的收敛条件，以收敛后的相位分布作为被测物体表面区域的连续解包相位分布。

48、一些实施例中，构建的泊松方程的表达式为：

49、；

50、其中，表示被测物体表面区域的连续解包后的相位分布；和分别表示像素点(

x,

y)两个正交方向上解包后的连续梯度。

51、第二方面，本技术实施例提供一种半导体测量系统，包括：

52、干涉测量装置，用于产生并采集被测物体表面的干涉条纹图像；

53、处理器，与所述干涉测量装置通信连接，被配置为用于实现如第一方面任意实施例所述的光学干涉表面形貌测量方法。

54、一些实施例中，所述干涉测量装置为菲索干涉仪。

55、第三方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行的程序或指令，所述计算机执行的程序或指令被处理器执行时用于实现如第一方面任意实施例所述的光学干涉表面形貌测量方法。

56、本技术实施例提供的光学干涉表面形貌测量方法和用于实现该半导体测量系统，依次通过获取包裹相位图并生成有效区域掩膜，计算并加权处理相位梯度场，在梯度域中对加权梯度场进行相位解包，以获取连续的梯度信息，根据解包梯度场的散度构建泊松方程，以及在掩膜约束下迭代求解，从而重建出连续的表面形貌相位，实现被测物体的表面三维形貌的测量。相对于现有技术，该方法将核心解包操作从传统的相位域转移至梯度域执行，并巧妙利用掩膜实现空间约束与噪声隔离，从而从根本上克服了在高梯度、大形变区域因相位跳变过于密集而导致的解包路径错误与误差传播难题，显著提升了对复杂表面形貌测量的鲁棒性、精度与适用范围。

57、另外，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，具有如上述光学干涉表面形貌测量方法相同的有益效果。