原创 芯片图像采集技术（1）

        高质量的芯片图像是进行芯片分析的基础，随着芯片特征尺寸减小、规模增大、金属层数增多，芯片反向分析时对于芯片图像的完整性和清晰度的要求也越来越高。

        芯片图像库的建立是一个较为复杂的过程，其核心步骤是同层图像拼接和邻层图像对准。在一定放大倍数下进行显微图像采集时，每幅图像均对应一个特定的芯片区域，对解剖后某层次芯片进行显微图像采集后，通常可以得到一个若干行列的图像阵列，将图像阵列进行同层图像拼接，就可以形成该层次的整层图像。按照芯片版图的对应关系，可以进一步将任意两个相邻层次的的整层图像进行邻层图像对准，经过上述操作，就可以得到完整的芯片图像数据库。

       在具体进行图像拼接前，还需要对拍摄后的所有单幅芯片图像进行一系列图像预处理，这些预处理包括图像变形纠正、图像倾角纠正、图像翻转、图像色彩和亮度调整等。

       芯片显微图像采集系统通常包括显微镜、摄像头、步进平台和计算机等四个部分。

      显微镜是芯片显微图像采集系统的核心，其成像品质决定了整个系统的品质。常见的用于芯片图像采集的显微镜有光学显微镜、紫外（深紫外）显微镜和扫描电子显微镜。
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        光学显微镜的品牌很多，在半导体领域中主要使用的显微镜有蔡司、莱卡、尼康和奥林巴斯等品牌。光学显微镜是利用可见光进行拍摄的，其理论分辨率极限为0.20~0.30um，实际应用中，较好的光学显微镜系统能够清楚观察并拍摄的最小分辨率约为0.25um左右。

       紫外（UV）或深紫外（DUV）显微镜比可见光显微镜的分辨率要高一些，其理论分辨率极限约为97nm，实际应用中，UV（DUV）显微镜通常应用于0.13um以上工艺芯片的拍摄。UV（DUV）可以与光学显微镜集成在一起，共用一个显微镜机架和透镜系统，它只是比光学显微镜多一个激光发射源、一个UV（DUV）物镜和UV（DUV）摄像头。

       扫描电子显微镜有二次电子和背散射电子两种成像方式。扫描电子显微镜的极限分辨率是0.2nm，实际应用中主要用来观察和拍摄10nm以上的物体，更小尺寸的物体通常使用投射电子显微镜（TEM）来检测。由于目前最先进芯片生产线的特征工艺为32nm，因此对于芯片图像拍摄而言扫描电子显微镜的分辨率已经足够了。
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        扫描电子显微镜是以电子扫描的方式成像的，一幅图像是由电子从上往下逐行扫描而成，与光学成像相比，这种成像方式非常耗时，通常采集一幅图像需要20~120秒。另外在扫描过程中，由于电压的变动或样片导电性不均匀的影响，图像会产生较大的变形，从而给后续图像处理（尤其是图像对准环节）带来很**烦。

        下表对比显示了上述三种显微镜的各项性能指标。

系统类型   入射源  理论分辨率   拍摄尺寸  采集速度    图像变形度   图像颜色 
    

光学显微镜   可见光   200nm   >250nm  10~20幅/分钟   很小  彩色   
    

紫外显微镜   紫外线   97nm   130~250nm  10~20幅/分钟  很小  黑白 
    

扫描电子显微镜  电子   0.2nm   >10nm  1~3幅/分钟  较大  黑白

        显微镜的放大倍率与景深成反比例关系。放大倍率越大，景深就越浅，聚焦也就越困难。扫描电子显微镜的物镜（末级透镜）采用小孔视角、长焦距的设计方式，其景深比一般的光学显微镜大100~500倍。因此，扫描电子显微镜的聚焦相对比较容易。在芯片大规模拍摄时，光学显微镜的景深太浅，需要不断地进行手动聚焦；而扫描电子显微镜能够在不调焦距的情况下实现连续拍摄，基本实现全自动化。

        单幅图像所对应的芯片面积与放大倍数的平方成反比关系。例如500倍照片所对应的芯片面积是1000倍照片的4倍。在不考虑相邻单幅图像重叠量的情况下，芯片拍摄张数等于芯片的拍摄面积除以单幅图像所对应的芯片面积，因此芯片图像拍摄量与拍摄倍率的平方成正比。例如放大倍率由500倍提高到1000倍时，对于相同的芯片面积，图像拍摄量就会增加到4倍。