CN104133346A - 一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，由光源(1)经准直透镜成为平行光束，通过投影光阑(3)成为一道狭缝。狭缝经成像镜组(4)成像于硅片(6)表面。从硅片表面反射的光束经成像镜组(10、11)成像在线阵CCD(13)上。工件台(7)通过真空吸盘(8)载着硅片(6)在Z方向上下移动，硅片表面ΔZ的位移将使狭缝像在线阵CCD(13)上产生ΔX的位移。线阵CCD通过Cameralink传输线(14)将图像信息传输到图像采集控制卡(15)。图像处理采集卡(15)对图像信息进行亚像素处理，计算出离焦量，控制工件台运动，并实时检测离焦量，直到离焦量满足精度要求。图像采集控制卡(15)通过RS232串口(16)同计算机(17)通信，可以进行初始设置和调试。

Description

一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法

技术领域

本发明是涉及投影光刻设备领域中的CCD检焦技术，具体涉及一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，应用该方法控制工件台运动调整离焦量，可以实现实时高精度自动调焦。

背景技术

投影光刻机是大规模集成电路生产的主流设备，可将掩模板上的图形通过成像曝光装置按一定比例投影到硅片上。由瑞利公式R＝k₁λ/NA和焦深公式DOF＝k₂λ/NA²可以知道，分辨力的提高可通过增大物镜数值孔径NA和缩短曝光波长λ实现，这样焦深DOF将减小，特别是NA的增大将导致DOF的急剧减小。如果实际焦深达不到光刻技术工艺所要求的焦深容限，将严重影响曝光线条质量和集成电路生产的成品率。精确检焦调焦对投影光刻技术向更高分辨力挺进起关键作用。

评价光刻机性能的三指标是分辨力、套刻精度和生产效率。检焦调焦的实时性将影响最终的生产效率。目前的检焦调焦方法多为光电测量方法，均需要用到图像处理方法。而现有的图像处理算法大多在个人计算机上运行在非实时操作***上，靠指令串行执行。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，能够在很短的时间内精确定位硅片位置，并控制工件台完成调焦。

为达到上述目的，本发明一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，包括步骤如下：

步骤(1)、光源1经准直透镜成为平行光束，经反射镜2照射到投影光阑3。平行光束经投影光阑3后成为一道狭缝光束，经成像物镜组4和反射镜5以较大的入射角(90-γ)成像在硅片表面6。从硅片表面6反射的狭缝光束，经反射镜9，通过成像镜组10、11，再经过反射镜12，成像在线阵CCD13上；

步骤(2)、线阵CCD13通过Cameralink传输线14将图像信息传给图像采集控制卡15。图像采集控制卡对图像进行亚像素处理，得到狭缝像的中心位置，根据预设的最佳焦面位置计算出离焦量。

步骤(3)、图像采集控制卡15根据离焦量，控制工件台7的Z方向电机运转方向和速度。真空吸盘8吸住硅片6，由工件台7载着做垂直Z方向的移动。在Z方向上产生ΔZ的位移将使狭缝光束的像在线阵CCD13上产生ΔX的位移，从而改变离焦量，直到离焦量满足精度要求。

其中，所述线阵CCD13采用高灵敏度低噪声黑白线扫描CCD传感器，具有2048个有效像素，像素尺寸14μm×14μm，自带AD，具有8bit/10bit/12bit可配置输出数据精度，16位高精度积分时间设置，具有改进的相机配置串行通讯协议，最高数据率25MHz，最高行频11.7KHz；

其中，所述图像采集控制卡15包括中央处理器模块201，Cameralink接口202，LVDS to28bit模块203，SRAM模块204，复位模块205，串口模块206，电机驱动模块207，显示模块208，光电开关模块209，预设值模块210，JTAG配置模块211，通信模块212，电源模块213，时钟模块214；

其中，所述的中央处理器模块201采用FPGA实现，利用FPGA的高速并行性，提高整个检焦调焦的实时性。所述的Cameralink接口202采用标准的MDR26接口；Cameralink接口与LVDS to28bit203和通信模块212之间用差分线连接，视频图像信息以5路串行低电压差分信号(LVDS)传输到LVDS to28bit203，由于只使用了Cameralink协议的Base模式，仅输出8位并行信号、1位行同步和1位cameralink时钟信号到中央处理器模块；同时，通信模块212有一个LVDS Driver/Receiver和一个4路差分线驱动器组成，LVDS Driver/Receiver负责FPGA和Cameralink之间的串行命令收发，4路差分线驱动器负责把4路FPGA的相机控制信号转换成低电压差分信号给Camerlink。

其中，所述的预设值模块210由11位拨码开关组成，FPGA读取为0～2047的11位2进制数，作为最佳焦面的标定值；所述的光电开关模块209用于检测硅片是否在Z方向到达了最大行程，如果是则让电机及时停止或者反向运转；显示模块208用两块4位7段数码管组成，分别显示最佳焦面标定值和当前硅面位置；

其中，所采用的图像处理算法。首先对经过高斯滤波的图像利用梯度算子获取其对应的梯度图像；然后求得梯度极大值即为图像的边缘点，再通过对边缘点附近进行二次插值，求得亚像素级的图像边沿位置，最后去其平均值即为狭缝亮纹的中心。

本发明具有的有益效果是：

1)、本发明充分利用FPGA的高速并行性，有效的提高了检焦调焦的实时性，从而提高生产效率。

2)、本发明采用的图像采集控制卡可以自带显示功能，在进行调试验证后，完全可以独立于个人计算机进行检焦调焦，从而减少光刻机整机成本。

3)、本发明的图像处理算法在高斯滤波后，用梯度图像细分的方法进行边沿检测，最后求得狭缝像中心，具有亚像素的分辨率，能进行精确定位。

附图说明

图1为本发明一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法检焦原理图。

图2为图像采集控制卡框图。

图3为图像处理算法流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图作进一步描述。

一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，具体步骤如下：

步骤(1)、光源1经准直透镜成为平行光束，经反射镜2照射到投影光阑3。平行光束经投影光阑3后成为一道狭缝光束，经成像物镜组4和反射镜5以较大的入射角(90-γ)成像在硅片表面6。从硅片表面6反射的狭缝光束，经反射镜9，通过成像镜组10、11，再经过反射镜12，成像在线阵CCD13上；其中，所述线阵CCD13采用高灵敏度低噪声黑白线扫描CCD传感器，具有2048个有效像素，像素尺寸14μm×14μm，自带AD，具有8bit/10bit/12bit可配置输出数据精度，16位高精度积分时间设置，具有改进的相机配置串行通讯协议，最高数据率25MHz，最高行频11.7KHz。

步骤(2)、线阵CCD13通过Cameralink传输线14将图像信息传给图像采集控制卡15。图像采集控制卡对图像进行亚像素处理，得到狭缝像的中心位置，根据预设的最佳焦面位置计算出离焦量。其中，所述图像采集控制卡15包括中央处理器模块201，Cameralink接口202，LVDS to28bit模块203，SRAM模块204，复位模块205，串口模块206，电机驱动模块207，显示模块208，光电开关模块209，预设值模块210，JTAG配置模块211，通信模块212，电源模块213，时钟模块214；其中，所述的中央处理器模块201采用FPGA实现，利用FPGA的高速并行性，提高整个检焦调焦的实时性。所述的Cameralink接口202采用标准的MDR26接口；Cameralink接口与LVDS to28bit203和通信模块212之间用差分线连接，视频图像信息以5路串行低电压差分信号(LVDS)传输到LVDS to28bit203，由于只使用了Cameralink协议的Base模式，仅输出8位并行信号、1位行同步和1位cameralink时钟信号到中央处理器模块；同时，通信模块212有一个LVDS Driver/Receiver和一个4路差分线驱动器组成，LVDS Driver/Receiver负责FPGA和Cameralink之间的串行命令收发，4路差分线驱动器负责把4路FPGA的相机控制信号转换成低电压差分信号给Camerlink。其中，所述的预设值模块210由11位拨码开关组成，FPGA读取为0～2047的11位2进制数，作为最佳焦面的标定值；所述的光电开关模块209用于检测硅片是否在Z方向到达了最大行程，如果是则让电机及时停止或者反向运转；显示模块208用两块4位7段数码管组成，分别显示最佳焦面标定值和当前硅面位置。

步骤(3)、图像采集控制卡15根据离焦量，控制工件台7的Z方向电机运转方向和速度。真空吸盘8吸住硅片6，由工件台7载着做垂直Z方向的移动。在Z方向上产生ΔZ的位移将使狭缝光束的像在线阵CCD13上产生ΔX的位移，从而改变离焦量，直到离焦量满足精度要求。其中，所采用的图像处理算法。首先对经过高斯滤波的图像利用梯度算子获取其对应的梯度图像；然后求得梯度极大值即为图像的边缘点，再通过对边缘点附近进行二次插值，求得亚像素级的图像边沿位置，最后去其平均值即为狭缝亮纹的中心。

图1是利用线阵CCD进行检焦调焦的原理图，根据图1可以得到真实离焦量ΔZ和像位移ΔX之间的关系为：

ΔX＝2aΔZcosγ    (1)

成像镜组10、11组成的成像***放大倍率可以做到a＝20倍，线阵CCD的像素间距d＝14μm，总像素个数n＝2048，γ＝15°，则上述离焦量ΔZ对应的CCD像素偏移量为：

$\mathrm{\Δn}=\frac{2\mathrm{a\Δ}Z\cos \mathrm{\γ}}{d}=2.76\mathrm{\ΔZ}---\left(2\right)$

只要比1个像素高的分辨率，就可以得到亚微米的定位分辨力。

本发明主要目的为了提高检焦调焦的实时性，可以从硬件和算法两方面做工作。图2是图像采集控制卡15的结构框图。本发明采用线阵CCD作为图像传感器，较面阵CCD具有高速，低成本的优势。图像采集控制卡与线阵CCD之间通过标准Cameralink接口连接，采用差分布线传输LVDS信号。考虑到图像算法并不复杂，FPGA可以兼具图像采集和处理的功能，并且由于FPGA从本质上来说是硬件实现，其高速并行性大大提高了图像采集处理的速度，并且减少了图像传输环节，配以高速SRAM，可以使本发明具有很好的实时性，提高光刻生产效率。

对于图像处理算法采用基于多项式插值的亚像元边缘检测算法，求两边缘中点作为狭缝像中点，其流程图如图3所示，可分为如下步骤：

步骤S1：用线阵CCD采集图像信息，通过Cameralink传输线传送给图像采集控制卡。

步骤S2：用高斯滤波器对图像灰度信息进行低通滤波，降低噪声对边缘检测的影响。

步骤S3：求梯度图像极大值，找到边缘像元。设进过高斯滤波的图像灰度函数为f(i)，其中，i＝0,1,2…2047。然后对f(i)求梯度，梯度图像R(i)＝|f(i+1)-f(i)|,i＝0,1,...,2046，当满足：

R(i)≥R(i+1)＞R(i+2)       (3)

R(i)≥R(i-1)＞R(i-2)       (4)

则E(i)＝R(i)，否则E(i)＝0。取E(i)最大的两个位置i，j作为像元级边缘点。

步骤S4：在i，j位置对梯度图像进行三点二次多项式插值。对梯度图像R(i)取三点R(i)，R(i-1)，R(i+1)做为插值点。二次插值函数可以表示为：

$P\left(x\right)=\frac{(x-x_1)(x-x_2)}{(x_0-x_1)(x_0-x_2)}R(i-1)+\frac{(x-x_0)(x-x_2)}{(x_1-x_0)(x_1-x_2)}R\left(i\right)+\frac{(x-x_0)(x-x_1)}{(x_2-x_0)(x_2-x_1)}R(i+1)---\left(5\right)$

其中，x₀＝i-d,x₁＝i,x₂＝i+d，d为线阵CCD像元间距。

步骤S5：对P(x)求导，并令导数为0，可以得到：

${\mathrm{edge}}_i=i+\frac{R(i-1)-R(i+1)}{R(i-1)-2R\left(i\right)+R(i+1)}\·\frac{d}{2}---\left(6\right)$

同理可以求得j点对应的edge_j，两者的中点与标定点n₀的差即为离焦量：

$\mathrm{\Δn}=n_0-\frac{{\mathrm{edge}}_i+{\mathrm{edge}}_j}{2}---\left(7\right)$

步骤S6：判断离焦量是否满足光刻指标，满足则结束调焦，否则控制工件台朝减小离焦量的方向运动，回到步骤S1，继续检焦。

本发明未详细阐述的内容采用本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，其特征在于步骤如下：

步骤(1)、光源(1)经准直透镜成为平行光束，经反射镜(2)照射到投影光阑(3)，平行光束经投影光阑(3)后成为一道狭缝光束，经成像物镜组(4)和反射镜(5)以较大的入射角(90-γ)成像在硅片表面(6)，从硅片表面(6)反射的狭缝光束，经反射镜(9)，通过成像镜组(10、11)，再经过反射镜(12)，成像在线阵CCD(13)上；

步骤(2)、线阵CCD(13)通过Cameralink传输线(14)将图像信息传给图像采集控制卡(15)，图像采集控制卡对图像进行亚像素处理，得到狭缝像的中心位置，根据预设的最佳焦面位置计算出离焦量；

步骤(3)、图像采集控制卡(15)根据离焦量，控制工件台(7)Z方向电机运转方向和速度，真空吸盘(8)吸住硅片(6)，由工件台(7)载着做垂直Z方向的移动，在Z方向上产生ΔZ的位移将使狭缝光束的像在线阵CCD(13)上产生ΔX的位移，从而改变离焦量，直到离焦量满足精度要求。

2.根据权利要求1所述适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，其特征在于所述线阵CCD(13)采用高灵敏度低噪声黑白线扫描CCD传感器，具有2048个有效像素，像素尺寸14μm×14μm，自带AD，具有8bit/10bit/12bit可配置输出数据精度，16位高精度积分时间设置，具有改进的相机配置串行通讯协议，最高数据率25MHz，最高行频11.7KHz。

3.根据权利要求1所述适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，其特征在于所述图像采集控制卡(15)包括中央处理器模块(201)，Cameralink接口(202)，LVDS to28bit模块(203)，SRAM模块(204)，复位模块(205)，串口模块(206)，电机驱动模块(207)，显示模块(208)，光电开关模块(209)，预设值模块(210)，JTAG配置模块(211)，通信模块(212)，电源模块(213)，时钟模块(214)。

4.根据权利要求1或3所述适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，其特征在于所述的中央处理器模块(201)采用FPGA实现，利用FPGA的高速并行性，提高整个检焦调焦的实时性，所述的Cameralink接口(202)采用标准的MDR26接口；Cameralink接口与LVDSto28bit(203)和通信模块(212)之间用差分线连接，视频图像信息以5路串行低电压差分信号(LVDS)传输到LVDS to28bit(203)，由于只使用了Cameralink协议的Base模式，仅输出8位并行信号、1位行同步和1位cameralink时钟信号到中央处理器模块；同时，通信模块(212)有一个LVDS Driver/Receiver和一个4路差分线驱动器组成，LVDS Driver/Receiver负责FPGA和Cameralink之间的串行命令收发，4路差分线驱动器负责把4路FPGA的相机控制信号转换成低电压差分信号给Camerlink。

5.根据权利要求1或3所述适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，其特征在于所述的预设值模块(210)由11位拨码开关组成，FPGA读取为0～2047的11位2进制数，作为最佳焦面的标定值；所述的光电开关模块(209)用于检测硅片是否在Z方向到达了最大行程，如果是则让电机及时停止或者反向运转；显示模块(208)用两块4位7段数码管组成，分别显示最佳焦面标定值和当前硅面位置。

6.根据权利要求1或3所述适用于投影光刻机的实时检焦调焦方法，其特征在于所采用的图像处理算法，首先对经过高斯滤波的图像利用梯度算子获取其对应的梯度图像；然后求得梯度极大值即为图像的边缘点，再通过对边缘点附近进行二次插值，求得亚像素级的图像边沿位置，最后去其平均值即为狭缝亮纹的中心。