CN104635428B - 一种基于图像处理的调焦调平测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于图像处理的调焦调平测量装置，包括：一光源，用于提供一照明光束；一投影单元，用于将该照明光束以一定角度入射至一待测物体表面；一探测单元，用于接收经该待测物体的反射光束；一处理单元，用于根据该反射光束所携带的信息计算该待测物体表面的垂向位置和倾斜度；所述光源经过所述投影单元的投影狭缝阵列被分成多路入射光，其特征在于，所述投影狭缝阵列以不同间距平行排列而成。

Description

一种基于图像处理的调焦调平测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻设备的基于图像处理的调焦调平测量装置和方法。

背景技术

投影光刻机（或称光刻设备）是用以将掩模上的图案通过投影物镜投影到硅片表面的装置。在投影曝光设备中，必须有自动调焦调平控制***把硅片的表面精确地设置到指定的曝光位置。实现自动调焦调平控制功能有多种不同的技术方案，目前比较常用是非接触式光电测量技术。

在非接触式调焦调平探测装置中，采用扫描反射镜对硅片面反射回来的光信号进行调制，然后再通过解调探测器所产生的电信号，可以达到准确测量硅片位置的目的。但是随着硅片尺寸增加和曝光区域的增大，为了提高测量精度，需要在较大的区域分布多个测量点，而基于扫描反射镜的探测方案只适用于在较小区域分布测量点。

基于CCD光电探测方案中，不同的光斑在CCD上位置和光斑高度之间有不同的对应关系，因此可以根据光斑在CCD上的投影图像计算出各个光斑在CCD上的位置，从而确定出光斑高度。因为硅片表面反射率不一致以及硅片的工艺性差异，例如硅片中的沟槽，光斑在CCD上的成像会产生畸变，甚至完全被湮没。当曝光区域处于硅片的边缘时也会出现部分测量光斑落在硅片外部而导致光斑无效的情况。

公开日期为1999年7月6日美国专利US5920398专利中提供了一种预扫描方案，对每个测量光斑都拟合一条曲线，并用最小二乘拟合曲线模拟硅片的真实面型，计算实际测量值与最小二乘曲线之间的偏差，当偏差大于预设值时就舍去。该方法可以将畸变严重以及落入沟槽的光斑舍弃从而提高测量精度，但是必须要增加预扫描流程。

公开日期为2002年4月30日美国专利US6381004专利中提供了一种根据当前曝光场位置，逐一判断光斑阵列中每个光斑的有效性，然后选择有效的光斑进行测量的方法。该方法可以解决边缘场测量的问题，但是存在光斑有效性判断计算量大，光斑选择和切换过程复杂等缺陷。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供基于图像采集的一种光斑分布方法和基于采集图像特征提取和定位方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种基于图像处理的调焦调平测量装置，包括：一光源，用于提供一照明光束；一投影单元，用于将该照明光束以一定角度入射至一待测物体表面；一探测单元，用于接收经该待测物体的反射光束；一处理单元，用于根据该反射光束所携带的信息计算该待测物体表面的垂向位置和倾斜度；所述光源经过所述投影单元的投影狭缝阵列被分成多路入射光，其特征在于，所述投影狭缝阵列以不同间距平行排列而成。

更进一步地，所述投影狭缝阵列由至少三个狭缝以不同间距平行排列而成。该狭缝为位于不透明屏上的矩形通孔。该狭缝的宽度不相同。该探测单元为线性CCD，该反射光束所携带的信息为该线性CCD采集到的光斑图像。该处理单元消除该CCD的背景噪声后，对该光斑图像进行特征边界提取和光斑中心定位。

本发明同时公开一种基于图像处理的调焦调平测量方法，其特征在于，步骤一、将一照明光束经过一由不同间距平行排列而成的狭缝阵列使其被分为多路入射光；步骤二、探测被一待测物体反射的该多路入射光的反射光束的光斑图像；步骤三、根据该光斑图像计算该待测物体表面的垂向位置和倾斜度。

其中，所述步骤一进一步包括：将一照明光束经过一由至少三个不同间距平行排列而成的狭缝阵列使其被分为多路入射光。所述步骤三进一步包括：步骤3.1、消除该光斑图像中的CCD的背景噪声；步骤3.2、对该消除背景噪声的光斑图像进行特征边界提取和光斑中心定位。该步骤3.2中进行特征边界提取的方法为：采用移动平均线法平滑短期波动，突出光斑的轮廓。该步骤3.2中光斑中心定位进一步包括获得粗定位以及在获得的粗定位附近进行若干次精定位；步骤3.3、根据所述光斑图像计算所述待测物体表面的垂向位置和倾斜度。该粗定位步骤包括：（a）、寻找该光斑图像中不少于光斑个数的局部最大值；（b）、计算背景灰度的均值和方差，计算出区别该光斑图像和该背景灰度阈值；（c）、根据该背景灰度阈值和该光斑图像具有上升沿和下降沿的特性排除掉不合条件的局部最大值；（d）、根据各个光斑的宽度和光斑间距判断剩余的局部最大值对应的光斑编号；该精定位步骤包括：（e）、使用阈值法进行精定位；（f）、对多次精定位结果取平均；（g）、对光斑成像质量打分；（h）、计算光斑高度。

与现有技术相比较，本发明不使用预扫描流程，通过使用投影狭缝实现光斑间距可调，通过对光斑图像进行特征提取，粗定位和多次精定位确定光斑中心，对光斑成像质量进行打分等图像处理流程，结合光斑间距不同可以快速的判断光斑的有效性，将畸变严重以及落入沟槽的光斑舍弃，并提高计算精度。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的调焦调平***的结构示意图；

图2是本发明所涉及的调焦调平***的倾斜入射测量***光路示意图；

图3是本发明所涉及的调焦调平***的投影狭缝示意图；

图4是本发明所涉及的调焦调平***的硅片表面光斑成像示意图；

图5是本发明所涉及的调焦调平***的CCD接收到的光斑图像；

图6是本发明所涉及的调焦调平***的光斑图像处理流程图；

图7是移动平均线平滑处理后的光斑图像；

图8是正常情况下光斑图像定位和打分结果示意图；

图9是沟槽片光斑图像定位和打分结果示意图；

图10为本发明所使用的五个主光斑的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1是本专利所涉及的调焦调平装置的结构示意图。该调焦调平装置主要包括以下单元部分：掩模1、投影物镜2、工件台3、硅片4、光源5、投影单元6，探测单元7，信号处理单元8，驱动器9以及主控制器10。投影物镜2实现将掩模1的图案投影到工件台3上的硅片4的上表面，光源5发出的光线经投影单元6入射到硅片4上，从硅片上表面反射后，被探测单元7接收，通过信号处理单元8对接收到的光信号进行光电转换、信号处理等环节后，得到硅片4上表面在当前测量区域的垂向位置和倾斜，并将该信息传送给主控制器10，主控器10控制驱动器9调整工件台3的垂向位置和倾斜，实现硅片位置的控制和调整，使硅片处于投影物镜2的焦面范围内，进行曝光。

一个调焦调平***可包含多路倾斜入射测量***。如图2为一路倾斜入射测量***光路示意图。其中IL为入射光，入射光通过投影狭缝21分成多路入射光，多路入射光通过投影光路***23入射到硅片4表面，经硅片反射，反射光通过接收光路***24到达图像采集***22。其中投影狭缝21如图3所示，其上有三个平行排列的缝隙，即为不透明的屏上开着的矩形孔。平行的光束经过该投影狭缝后变为标准的矩形光斑。投影狭缝上缝隙的形状，个数，大小和间距是可变的，本发明使用三个矩形的投影狭缝，三个狭缝大小相同，间距不同。采用这样的设计是为了将三个光斑区别开来。图像采集***22可以采用线性CCD或面阵CCD。

经过投影狭缝的三路矩形子光斑通过投影光路***23成像到硅片表面，如图4所示，p1，p2和p3为三路矩形子光斑在硅片表面所成的像，三个子光斑大小相同，光斑P2与P3的间距大于光斑P1和P2的间距。接收光路***24接收硅片表面反射的光，并将三路光斑投影到图像采集***22，本发明采用线性CCD采集光斑图像。图5为线性CCD采集到的光斑图像，p1，p2，p3代表三个矩形光斑，Fig 5A表示正常情况下的光斑图像，Fig 5B表示光斑落入硅片沟槽导致光斑变形后的图像。

本技术方案对CCD采集的光斑图像处理方法包括以下步骤：(a)消除光斑图像中的CCD背景噪声；(b)对光斑图像进行特征提取，减少图像中的毛刺突出光斑形状；(c)寻找图像中不少于光斑个数的局部最大值；(d)计算背景灰度的均值和方差，计算出区别光斑和背景的灰度阈值；(e)根据灰度阈值和光斑图像具有上升沿和下降沿的特性排除掉不合条件的局部最大值；(f)根据各个光斑的宽度和光斑间距判断（e）中剩余的局部最大值对应的光斑编号；(g)在光斑的粗位置附近进行多次精定位；(h)对多次精定位结果取平均；(i)对光斑成像质量打分；(j)计算光斑高度。

该图像处理方法通过粗定位和精定位两步法实现了光斑中心的快速准确定位；通过对光斑成像质量进行打分将畸变严重以及落入沟槽的光斑舍弃，根据光斑间距不同快速判断光斑有效性。该图像处理算法有良好的工艺适应性。

为了计算光斑的高度，需要对CCD采集到的光斑图像进行特征边界提取和光斑中心定位。本专利对CCD采集的光斑图像处理方法流程如图6所示。S1消除CCD背景噪声。 CCD在正常工作获取输入信号时存在背景噪声，因此CCD的测量值是真实值和背景噪声的总合，若要获得真实值，则需要消除CCD的背景噪声。CCD的背景噪声计算是在测量开始之前，关闭光源，获取CCD背景灰度值，将CCD背景灰度值经过滑动平均处理并保存在内存中作为CCD背景噪声值。S2对光斑图像进行特征提取，减少图像中的毛刺突出光斑特征。可以采用移动平均线方法平滑短期波动，突出光斑的轮廓。式1-1是移动平均的公式，M是当前光斑数据编号，n为窗口半径：

式1-1

图7是使用移动平均线平滑后的光斑图像，可以看出图像中的毛刺被平滑掉，光斑图像的轮廓变得突出。

S3-S6是光斑的粗定位过程。S3寻找图像中不少于光斑个数的局部最大值。寻找局部最大值是因为光斑数据局部最大值的位置处于光斑中心位置附近，确定了局部最大值的位置就相当于找到了光斑的粗中心。S4计算背景灰度的均值和方差，计算出区别光斑和背景的灰度阈值。使用灰度直方图统计出光斑背景数据的灰度值范围，计算背景灰度值的平均值average和方差sigma，根据实验统计，以average+4*sigma值作为区别光斑和背景的灰度阈值。S5根据灰度阈值和光斑图像具有上升沿和下降沿的特性排除掉不合条件的局部最大值。S6根据各个光斑的宽度和光斑间距判断剩余的局部最大值对应的光斑编号。本实施例的三个光斑宽度相同，间距不同，因此根据光斑间距和宽度可以判断出光斑编号。主要分为三种情况：局部最大值个数大于等于三个，此时选取灰度值最大的三个局部最大值，按照光斑间距判定光斑编号。局部最大值个数为两个，根据两个光斑的间距判定光斑编号。局部最大值为1个，首先根据灰度阈值将光斑图像数据进行二值化计算光斑宽度，若宽度满足三个光斑宽度，根据该光斑在光斑宽度范围内的位置判断光斑编号；若宽度满足两个光斑宽度，根据光斑宽度和光斑在宽度范围内的位置判断光斑编号。若只有一个光斑宽度，判断该光斑和CCD两个边界的距离，若离左边较近判为P3，否则判为P1。

确定了光斑编号之后光斑的粗定位过程结束，使用阈值法对光斑进行精定位。S7在光斑的粗位置附近进行多次精定位。因为硅片表面反射率不一致，光斑图像数据会产生跳变，光斑不对称等现象，导致光斑中心难以确定。使用不同的阈值对光斑进行多次精定位可以提高光斑定位的精度。S8统计多次精定位的结果，去除差异较大的结果，对剩余精定位结果取平均得到光斑精定位位置。如果多次精定位结果差异都比较大，说明该光斑变形严重，无法进行精定位。

S9对光斑的成像质量进行打分。因为硅片表面反射率不一致，硅片中有沟槽，光斑掉入硅片外部等原因，光斑会产生变形甚至被湮灭。通过对光斑的成像质量进行打分，可以判断出某个光斑是否存在以及变形是否严重等信息。打分是根据光斑图像的尖锐程度，对称性，光斑强度以及是否进行了精定位等多种因素综合进行判断的。图8为一组光斑数据的打分结果。根据实验统计，当光斑的打分值为0时，可以确定该光斑落入沟槽或者掉入硅片外部，此时光斑无效。当光斑打分值小于阈值，比如0.5时，该光斑变形严重，不能参与高度计算。图8和图9为光斑定位和打分结果实例图，其中红线（R）为精定位结果，蓝线（B）为粗定位结果。

S10计算光斑高度，根据各个光斑的打分结果确定其在高度计算中的权重，这样可以提高高度计算的精度。分值越大说明光斑质量越好，光斑定位的位置更准确，因此在高度计算中的权重越大。

本实施例采用五路倾斜入射测量***，每路的三个子光斑组成一个主光斑。主光斑分布示意图如图10所示。每路的三个子光斑用来计算主光斑到最佳焦平面的高度值，五个主光斑用来调焦调平。

根据三个子光斑的高度和高度的权重对三个子光斑的高度进行平均，可以计算出主光斑到最佳焦平面的高度。分别计算出五个主光斑的高度，五个主光斑在工件台的坐标位置可以通过测量得到。根据五个主光斑的位置坐标和到最佳焦平面的高度值使用最小二乘法拟合出一个平面，该平面的高度和倾斜量表示了当前了硅片相对于最佳零平面的高度和倾斜。调焦调平测量***将该高度和倾斜值传递给主控器10，主控器10控制工件台驱动器9调整工件台的高度和倾斜，使工件台上的硅片处于投影物镜2的最佳焦平面，实现了调焦调平的目的。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种基于图像处理的调焦调平测量装置，包括：

一光源，用于提供一照明光束；

一投影单元，用于将所述照明光束以一定角度入射至一待测物体表面；

一探测单元，用于接收经所述待测物体的反射光束；

一处理单元，用于根据所述反射光束所携带的信息计算所述待测物体表面的垂向位置和倾斜度；

所述光源经过所述投影单元的投影狭缝阵列被分成多路入射光，其特征在于，所述投影狭缝阵列以不同间距平行排列而成。

2.如权利要求1所述的基于图像处理的调焦调平测量装置，其特征在于，所述投影狭缝阵列由至少三个投影狭缝以不同间距平行排列而成。

3.如权利要求2所述的基于图像处理的调焦调平测量装置，其特征在于，所述投影狭缝为位于不透明屏上的矩形通孔。

4.如权利要求2所述的基于图像处理的调焦调平测量装置，其特征在于，所述投影狭缝的宽度不相同。

5.如权利要求1所述的基于图像处理的调焦调平测量装置，其特征在于，所述探测单元为线性CCD，所述反射光束所携带的信息为所述线性CCD采集到的光斑图像。

6.如权利要求5所述的基于图像处理的调焦调平测量装置，其特征在于，所述处理单元消除所述CCD的背景噪声后，对所述光斑图像进行特征边界提取和光斑中心定位。

7.一种基于图像处理的调焦调平测量方法，其特征在于，步骤一、将一照明光束经过一由不同间距平行排列而成的狭缝阵列使其被分为多路入射光；步骤二、探测被一待测物体反射的所述多路入射光的反射光束的光斑图像；步骤三、根据所述光斑图像计算所述待测物体表面的垂向位置和倾斜度。

8.如权利要求7所述的基于图像处理的调焦调平测量方法，其特征在于，所述步骤一进一步包括：将一照明光束经过一由至少三个不同间距平行排列的狭缝组成的狭缝阵列使其被分为多路入射光。

9.如权利要求7所述的基于图像处理的调焦调平测量方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：步骤3.1、消除所述光斑图像中的CCD的背景噪声；

步骤3.2、对所述消除背景噪声的光斑图像进行特征边界提取和光斑中心定位；

步骤3.3、根据所述光斑图像计算所述待测物体表面的垂向位置和倾斜度。

10.如权利要求9所述的基于图像处理的调焦调平测量方法，其特征在于，所述步骤3.2中进行特征边界提取的方法为：采用移动平均线法平滑短期波动，突出光斑的轮廓。

11.如权利要求9所述的基于图像处理的调焦调平测量方法，其特征在于，所述步骤3.2中光斑中心定位进一步包括获得粗定位以及在获得的粗定位附近进行若干次精定位。

12.如权利要求11所述的基于图像处理的调焦调平测量方法，其特征在于，所述粗定位步骤包括：

(a)、寻找所述光斑图像中不少于光斑个数的局部最大值；

(b)、计算背景灰度的均值和方差，计算出区别所述光斑图像和所述背景的灰度阈值；

(c)、根据所述光斑图像和所述背景的灰度阈值具有上升沿和下降沿的特性排除掉不合条件的局部最大值；

(d)、根据各个光斑的宽度和光斑间距判断剩余的局部最大值对应的光斑编号；

所述精定位步骤包括：

(e)、使用阈值法进行精定位；

(f)、对多次精定位结果取平均；

(g)、对光斑成像质量打分；

(h)、计算光斑高度。