随着芯片被提升到国家战略的高度，半导体工艺过程控制设备的国产化要求越来越紧迫。半导体工艺过程控制设备通常指量检测设备，主要分为光学检测技术、电子束检测技术、X光技术等，本文将基于光学检测技术来探讨“鸿鹄”显微自动对焦成像系统在半导体晶圆量检测中的应用。晶圆中前道制程中的量检测要求在微米/亚微米级，常规的FA/远心镜头的物方解析力完全无法满足这种要求。

10X同轴远心镜头图像

相机分辨率9344*7000，视野3*2.2mm，临界照明导致图像不均匀，中心对比度清晰，边缘模糊，过渡像素明显增多。

鸿鹄显微自动对焦成像系统（10X大视野图像）

线阵相机8196*256，全视野4mm，整视野均匀，中心和边缘对比度差值在设计范围内。显微系统可以满足解析力的要求，但是又会遇到以下问题：

1、物镜最小景深可能小于1um，而晶圆的形变最大可达到几百微米，在高速运动成像中会导致失焦。2、常规物镜视场数最大28mm, 线阵相机最多只能适配4K/7um或者1.5英寸靶面的面阵相机，有效视野较小，扫描整张晶圆需耗费较长的时间，效率低下。

针对以上问题，“鸿鹄”显微自动对焦成像系统集成了同轴激光追焦系统，采用监控激光量的变化追踪晶圆面形的变化，实时反馈调整Z轴实现对焦，高达5KHz的脉冲信号满足了高速运动追焦的需求；设计开发了全新的显微系统，通过增大有效视野的方式，减少晶圆的扫描次数，提高效率。

自动对焦的原理：当显微物镜和被测物体表面之间的距离改变时，自动对焦传感器接收到的光斑形态如图1（b）所示。当物距不等于焦距时，自动对焦传感器接收到的激光为半椭圆形光斑，物距大于焦距和物距小于焦距时光斑的方向相反，且距离焦距越远椭圆的高度越高，当物距等于焦距时，椭圆短轴高度为零，激光收缩为一条线。

通过自动对焦传感器内部附带的图像处理算法，可将光斑形态转换为物镜的离焦量，并根据离焦量发出脉冲信号，控制电机运动，实现显微系统的自动对焦。

在显微光学系统端我们也做了针对性和创新性的研发改进

1、设计开发了像方支持40mm靶面的显微系统，可以适配8K/5um的线阵或者6500W的面阵相机，在同倍率情况下，能够获得更大有效视野，达到提高效率的目的。

2、开发了能够兼容400-1300nm工作波段的显微系统，可在一套系统中兼容可见光和短波红外成像。

3、高分辨率系统的推出，使得我们可以在低倍情况下获得高倍物镜才具有的物方解析力。5X/10X/20X的解析力分别可以达到1.3/0.6/0.4um，10X物镜的解析力已经达到常规物镜20X的解析力，通过这种越级能力，使得我们在低倍率情况下得到超解析力能力，变相的拥有了提高视野的方式。

4、可以选择集成偏光和DIC的成像方式。

5、应对面阵飞拍的需求，我们推出了高亮冷光源配光纤的照明系统，常亮状态下，能够让相机曝光值降低到5us以下。

6、暗场照明系统作为外置选配件，对于亮度提出了更高的要求，针对不同的应用场景，我们推出了80W-450W等多档功率可选的冷光源。

总结：

晶圆中前道制程因为材质、工艺节点、制程等的不同，需求千变万化，在这种变化中需要我们具备更灵活的解决问题的能力，因此我们在设计“鸿鹄”之初，就以模块化作为指导思想，期望通过这种方式在面对不同需求的时候能够快速组装出样机进行验证性试验，快速响应客户需求。模块化赋予了整套系统更多的选择，基于性能、基于成本等考量都能够获得一套适合自己设备的显微自动对焦成像系统。

本文转载自中国机器视觉网