基于数据融合的数字差动共焦三维显微测量方法研究

For the next generation semiconductor chip 3D stacking package, it is necessary to solve the problem of low efficiency caused by the combination of light microscope and electron microscope, and carry out the research of digital differential confocal microscopy for three-dimensional measurement method based on data fusion. Firstly, the digital differential confocal imaging model is established by using the invariance of the spatial translation transformation of the normalized light field, and the offset mechanism between the differential sensing model and the reflectance disturbance is expounded, and the characteristics of high axial resolution and reflectance disturbance resistibility are obtained. Secondly, a data fusion resolution enhancement algorithm model is established by using the three-dimensional transfer function recursive optimization and the phase iterative restoration principle to reveal the action law and compensation function between the three-dimensional transfer function and the high-frequency complex amplitude information distortion, and to obtain the characteristic of large field of view and high transverse resolution. Finally, a high accuracy image registration method based on three-dimensional mutual information function is proposed. The research results can provide a new measurement method for packaging quality detection of electronic chips, quantum devices and MEMS devices, which takes into account large field of view, high resolution and reflectance disturbance resistibility. Expected technical specification: the transverse and axial resolution of the NA=0.25 objective is 200nm and 10nm respectively, which is equivalent to the objective of using NA=0.9.

针对下一代半导体芯片三维堆叠封装领域中，引线键合缺陷检测需要使用光镜和电镜逐次成像导致效率过低的问题，开展基于数据融合的数字差动共焦三维显微测量方法研究。首先，利用归一化光场的空间平移变换不变性，建立数字差动共焦传感模型，阐述该模型与反射率扰动之间的抵消机理，获得高轴向分辨力和抗反射率扰动的兼顾特性；其次，利用三维传函递推优化和相位迭代恢复原理，建立数据融合分辨力增强算法模型，揭示三维传函与高频复振幅信息失真之间的作用规律和补偿函数，获得大视场与高横向分辨力的兼顾特性；最后，基于三维互信息函数实现高精度图像配准。研究成果可为基于半导体工艺制造的电子芯片、量子器件和微机电器件的封装质量检测，提供一种兼顾大视场、高分辨力、抗反射率扰动特性的新三维微结构测量手段。预期技术指标：在NA=0.25物镜视场条件下，获得横向和轴向分辨力分别为：200nm和10nm（分辨力等效于采用NA=0.9的物镜）。

开展数字差动共焦三维显微成像理论研究，首先基于标量衍射理论，利用归一化共焦三维光场的空间平移变换不变性，建立数字差动共焦三维显微成像模型，揭示数字化差动离焦量对共焦轴向响应特性的作用规律，阐述差动传感模型与反射率扰动之间的抵消补偿机理，获取在大视场条件下，高轴向分辨力和抗反射率扰动兼顾的传感特性；其次利用差动离焦量可数字化编程控制的特性，建立不同数值孔径物镜切换条件下的系统参数最优化模型，揭示物理离焦探测与三维光场空间平移变换之间的等价互换机理。.激光共焦显微技术是获得微结构样品三维表面形貌测量数据的重要手段，但是存在高横向分辨力与大视场无法兼顾的技术瓶颈，利用基于深度学习驱动的数据融合方法可以突破在大视场条件下的分辨力不足的技术瓶颈。为实现该数据融合方法，需要进一步解决传统共焦显微镜测量数据库中的大量无配对数据的有效利用问题，方能为深度学习模型的训练提供足够的数据量。其原理内涵是通过基于CycleGan原理的无监督学习策略训练深度学习卷积网络模型实现高分辨率样品的成像分辨力退化模拟，获得天然配对的训练数据对。进而利用获得的大量配对数据进行有监督分辨力增强深度学习模型训练，最终实现高横向分辨力与大视场的兼顾测量。.针对多视场数据融合需要精确配准三维重合区域的问题，开展基于可变点扩展函数成像模型深沟槽宽度判定的高精度图像配准方法研究。三维微结构点云数据的高精度配准难点在于在深沟槽类样品的沟槽边缘，由于沟槽侧壁对照明光束和探测光束的遮挡效应，导致边缘三维成像特性退化，进而影响边缘位置的判定，最终导致三维配准精度降低。为解决上述问题，通过构建沟槽深度对照明/探测光束影响的三维点扩散函数模型，获得基于可变点扩展函数的深沟槽样品三维成像模型，进而实现对沟槽边缘位置判定的成像归一化光强值判据，可以有效提高三维图像配准的精度。