荷兰一家研究机构的一个实验依赖于Emergent公司的高速图像采集技术，以缓解一种新型套刻计量概念中的振动挑战。

摩尔定律是创新的基石，它预测微芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，为了跟上摩尔定律的步伐，半导体行业不断逼近物理极限。这正是阿姆斯特丹纳米光刻高级研究中心（ARCNL）面临的极端科学挑战。

在这个半导体制造领域，最微小的振动都可能引发最严重的问题——即不得不报废一片价值可能高达数千美元的已加工晶圆。为了应对半导体芯片制造领域未来的技术挑战，ARCNL开发了一种方法，以克服设备制造商在确保芯片制造精度时所需的干涉测量技术的固有敏感性。

实现数字全息显微术的承诺

随着电路尺寸的不断缩小，数字全息显微术（DHM）已被证明是未来套刻计量的一种很有前景的干涉测量技术。DHM将用于测量半导体晶圆上芯片层的对准精度。然而，该技术本身对不必要的相位变化非常敏感，会导致由机械振动和空气湍流引起的图像质量失真。

ARCNL的研究员、阿姆斯特丹自由大学的博士生Tamar Cromwijk指出，DHM在实验室环境中效果很好，但在实际应用中却棘手得多。她是10月7日《光学快报》期刊上一篇研究论文的第一作者。“在现实世界中，像DHM这类干涉测量方法的精度会受到振动的影响，”她说。

Tamar Cromwijk解释说，在高通量的生产环境中，半导体晶圆在计量工具中以快速变化的速度移动，导致较大的加速度，这引起了最大的振动问题。

“这是一个我们需要解决的巨大技术挑战。你希望计量速度尽可能快，因此必须在机械振动的情况下开始测量。所以这是第一个原因，”她说。其他振动，如温度波动和风扇运转，也会加剧这个问题。“所有这些都会导致总的相位波动，从而降低测量质量，而这正是我们试图缓解的问题。”她说。

ARCNL与荷兰研究理事会、阿姆斯特丹大学、阿姆斯特丹自由大学和格罗宁根大学合作，同时与一家设备制造商直接合作。该制造商认为，如果可以克服DHM的局限性，那么DHM具有很大潜力。

高速相机支持校正

为了校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。使用高速相机捕捉一系列数字全息图，以跟踪振动随时间的变化。通过跟踪和插值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，实现更精确的套刻测量。

“如果我们随时间跟踪该相位，那么之后就可以对其进行校正。但只有我们的速度比振动本身更快，我们才能跟踪振动的变化情况，”Cromwijk说。“所以这就是我们需要高速相机的原因——来隔离和追踪振动相位的动态。”

在其干涉测量实验装置和DHM振动缓解装置中，研究团队都使用了Emergent Vision Technologies公司的HZ-2000-G-M 100GigE相机，该相机配备Gpixel GSPRINT4502 CMOS图像传感器。在满分辨率（2048 x 1216像素）下，相机在8位模式下可达3462fps，在10位模式下可达1782fps。对于这项工作，研究人员以10位模式、1000fps的速度运行相机。

Cromwijk表示，相机的高速度和高分辨率对这项实验都至关重要。“我们有一个250万像素的传感器，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、小像素带来的高分辨率，以及能够在单个缓冲区中读出250帧图像的能力，这样我们就可以在相当长的时间内进行测量。”

Emergent相机紧凑的尺寸也同样重要。ARCNL团队也考察了其他高速相机，但Cromwijk表示，它们不仅非常昂贵，而且体积庞大。“我们无法把它放在光学实验板上，而我们希望展示我们的解决方案在性价比方面具有优势，且不牺牲性能。”

图1：在纳米光刻高级研究中心（ARCNL）的实验室里，研究人员使用高速相机来跟踪和校正在数字全息显微术（DHM）过程中由机械振动引起的相位变化。

DHM装置

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减振技术的概念。在这个过程中，来自超连续谱白光源的光被声光可调滤波器（AOTF）过滤，以获得所需的波长。通过一个50：50的分束器，632nm波长的光束被分成两路：一路是照射向一面镜子的照明光束，另一路是照射向另一面镜子的参考光束。将第一面镜子放置在一个小角度上会产生密集的干涉条纹图案，类似于离轴全息术中的条纹图案。在分束器之后，一个镜头将镜面成像在高速相机上。该团队通过移动第一面镜子来控制光程长度，并在那里添加压电堆栈来产生振动。

在初步验证之后，ARCNL在专用测试靶上使用暗场离轴DHM进行了套刻测量。在类似的装置中，DHM使用光纤耦合的超连续谱白光光源，该光源经AOTF光谱滤波后，波长为632 nm，带宽为3 nm。在这种情况下，使用90：10的分束器对光束强度进行分割,分别产生照明光束和参考光束。在两个光路中都使用了一个非偏振50：50的分束器，用于并行采集+1级和−1级衍射光。

最终，使用Emergent高速相机捕获一系列全息图。每幅全息图都会产生一个检索相位，然后通过插值来检索连续的相位变化，再用其来计算对比度损失。

除了速度和紧凑的尺寸外，HZ-2000-G-M还集成了GPUDirect技术，允许采集的数据直接传输到GPU进行实时处理。此功能显著降低了延迟，并最大限度地提高了数据处理效率，这对于相机产生的大量数据至关重要。

图2：该装置包括一个超连续谱白光光源、一个用于波长选择的声光可调滤波器（AOTF）、一个用来分离光束的50：50分束器，以及通过压电堆栈控制振动以进行干涉测量的波形发生器。

凭借先进成像能力向前迈进

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。“这在10年前是不可能做到的，这归功于我们现在能从相机读出的数据量，”Cromwijk说。“例如，10年前，我们也许可以用一条线做到同样的事，但现在我们可以获取完整的视场图像。”

该实验概念不仅旨在满足未来半导体电路日益缩小所需的分辨率，还旨在覆盖更宽的波长范围，以便同时观察多种颜色。第三个目标是弱信号目标，Cromwijk说。“例如，如果中间有一层不透明层，导致下方光栅的散射信号非常弱，那么利用这种全息技术，你可以将更多光引入参考光束，从而基本上放大你的整个信号，”她说。

注意到初步实验在实现更精确套刻计量方面取得成功的同时，研究人员也指出了该技术可以进一步改进之处。随着Emergent不断提升其产品性能，Cromwijk一直与相机供应商保持联系，以掌握帧率、像素尺寸、位深度等方面的最新发展动态。虽然目前关注的是100GigE技术，但Emergent远未止步。敬请期待2026年更具突破性的发展。

有关实验和结果的完整细节，请阅读ARCNL的研究论文。

原文：https://emergentvisiontec.com/case-study-high-speed-camera-helps-push-limits-on-semiconductor-metrology/

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