案例研究：高速摄像机助力突破半导体计量的极限
荷兰一家研究机构的新实验依靠 Emergent 的高速图像捕捉来缓解新颖的覆盖计量概念中的振动挑战。
为了遵循摩尔定律（这是创新的基石，它预测微芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番），半导体行业继续突破基本极限。这是 纳米光刻高级研究中心 （ARCNL）位于阿姆斯特丹，是推动该行业蓬勃发展的极端科学挑战之一。
在半导体制造领域，最小的振动都可能导致最大的问题——即不得不报废价值数千美元的加工晶圆。为了解决半导体芯片制造领域的未来技术挑战，ARCNL 开发了一种方法，以克服设备制造商需要确保芯片制造准确性的各种干涉技术中固有的敏感性。
实现数字全息显微镜的承诺
随着电路尺寸不断缩小，数字全息显微镜 (DHM) 已被证明是一种有前途的干涉测量技术，可用于未来的叠层测量。DHM 将用于测量半导体晶圆上芯片层的对准精度。然而，该技术本质上对不希望的相位变化很敏感，导致机械振动和空气湍流引起的图像质量失真。
ARCNL 研究员、阿姆斯特丹自由大学博士生 Tamar Cromwijk 指出，DHM 在实验室环境中运行良好，但在现实世界中实施起来却很棘手。 研究文章发表在7月XNUMX日的《光学快报》上。 “在现实世界中，DHM 等干涉方法的精度会受到振动的影响，”她说。
Cromwijk 解释说，在高产量生产环境中，半导体晶圆在计量工具中以快速变化的速度移动，从而产生较大的加速度，而这会引起对振动的最大担忧。
“这是我们需要解决的巨大技术挑战。你希望你的计量尽可能快，所以你必须在机械振动存在的情况下开始测量。所以这是首要原因，”她说。其他振动，如温度波动和风扇运动，也会导致这个问题。“所有这些都会导致总相位波动，从而降低测量质量，而这正是我们试图缓解的。”
ARCNL 与荷兰研究委员会、阿姆斯特丹大学、自由大学和格罗宁根大学一起，与一家设备制造商直接合作，如果能够克服 DHM 的局限性，那么它将具有巨大的潜力。
高速摄像机可进行校正
为了纠正振动造成的对比度损失，ARCNL 研究人员提出了一种基于高速计算校正振动影响的方法。高速摄像机用于捕捉一系列数字全息图，以跟踪振动随时间的变化。通过跟踪和插入曝光之间的相位变化，系统可以补偿全息图中图像对比度的损失。最终，这将改善成像，实现更精确的叠加测量。
“如果我们跟踪一段时间内的相位，那么我们就可以事后进行纠正。但只有当我们的速度比振动本身更快时，我们才能跟踪振动的情况，”Cromwijk 说。“这就是我们需要高速摄像机的原因——隔离和跟踪振动相位的行为。”
在 DHM 的实验干涉装置和减振装置中，研究团队都使用了 HZ-2000-GM 100GigE 相机 Emergent Vision Technologies 公司出品，该相机配备 Gpixel GSPRINT4502 CMOS 图像传感器。在全分辨率（2048 x 1216 像素）下，该相机在 3462 位模式下可达到 8fps，在 1782 位模式下可达到 10fps。在这项研究中，研究人员在 1000 位模式下以 10fps 的速度运行相机。
Cromwijk 表示，相机的高速度和高分辨率对于这项实验都至关重要。“我们有一个 2.5 万像素的传感器，能够以如此高的速度读取所有信息，这不是每台相机都能做到的，”她说。“关键在于速度、小像素的分辨率，以及在一个缓冲区中读取 250 帧的能力，因此我们可以在相当长的时间内进行测量。”
Emergent 相机的紧凑尺寸也很重要。ARCNL 团队研究了其他高速相机，但 Cromwijk 说，它们不仅价格昂贵，而且体积庞大。“我们无法将其放在面包板中，我们希望证明我们的解决方案既经济高效，又不会牺牲性能。”
图 1：在纳米光刻高级研究中心 (ARCNL) 的实验室中，研究人员使用高速摄像机跟踪和纠正数字全息显微镜 (DHM) 期间由机械振动引起的相位变化。
DHM 设置
ARCNL 研究人员首先在一个简单的迈克尔逊干涉仪装置上验证了他们的减振技术概念。在此过程中，来自超连续白光源的光通过声光可调滤波器 (AOTF) 进行过滤，以获得所需的波长。使用 50:50 分束器，632 nm 光束被分成朝向一个镜子的照明光束和朝向另一个镜子的参考光束。将第一个镜子放置在一个小角度会产生密集的条纹图案，类似于离轴全息术中的条纹图案。在分束器之外，镜头将镜面成像在高速摄像机上。该团队通过移动第一个镜子来控制光路长度，他们还在其中添加了压电堆栈以产生振动。
经过初步验证后，ARCNL 使用暗场离轴 DHM 对专用测试目标进行了叠加测量。在类似的设置中，DHM 使用光纤耦合超连续白光源，该光源由 AOTF 光谱滤波为 632 nm 波长，带宽为 3 nm。在这种情况下，使用 90:10 分束器将光束强度分开，分别创建照明光束和参考光束。两条路径均使用非偏振 50:50 分束器来并行获取 +1 和 −1 衍射级。
最后，Emergent 高速摄像机会捕捉到一系列全息图。每个全息图都会产生一个检索相位，然后对其进行插值以检索连续相位变化，然后使用该变化计算对比度损失。
除了速度快、尺寸小之外， HZ-2000-GM 集成 GPUDirect 技术，可将捕获的数据直接传输到 GPU 进行实时处理。此功能可显著减少延迟并最大程度提高数据处理效率，这对于摄像机生成的大量数据至关重要。
图 2：该装置包括一个超连续白光源、一个用于波长选择的声光可调滤波器 (AOTF)、一个用于分割光束的 50:50 分束器和一个用于通过压电堆栈控制振动进行干涉测量的波形发生器。
借助先进的成像功能不断进步
如果没有过去几年相机技术的进步，这样的实验是不可能实现的。“这是 10 年前不可能实现的，因为我们可以从相机中读取大量数据，”Cromwijk 说。“例如，10 年前，我们可能只能用一条线做同样的事情，但现在我们可以获得整个图像。”
实验概念的设计不仅是为了满足未来半导体越来越小的电路所需的分辨率，还为了同时观察多种颜色所需的更宽的波长范围。克罗姆维克解释说，第三个目标是弱目标。“例如，如果中间有一层不透明层，下面光栅的散射非常弱，那么使用这种全息技术，你可以在参考光束中放入更多的光，然后基本上就可以放大整个信号了，”她说。
研究人员注意到，初步实验在实现更精确的叠加测量方面取得了成功，他们还指出该技术还有进一步改进的空间。随着 Emergent 不断改进其功能，Cromwijk 正与相机供应商保持联系，以掌握帧速率、像素大小、位深度等方面的最新进展。虽然 100GigE 是目前的重点，但 Emergent 还远未完成。敬请期待 2025 年更多突破性进展。
有关实验和结果的详细信息， 阅读 ARCNL 的研究文章。
了解更多信息：
Emergent Vision Technologies 的高速相机：
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
