CN106292197A - 一种基于图像处理技术的调焦调平装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像处理技术的调焦调平装置及方法，该装置包括从上至下依次排列的掩模、投影物镜、被测工件以及承载所述被测工件的工件台，还包括沿光路传播方向依次排列的光源、第一反射镜、投影狭缝、投影镜组、第二反射镜、成像镜组、第三反射镜、第四反射镜、成像透镜、探测狭缝以及光电探测器，所述投影狭缝与被测工件之间还设有可旋转的玻璃平板。本发明利用玻璃平板转动来水平移动被测工件表面的测量光斑位置，寻找可完整或部分测量出被测区域高度测量值的替代位置，从而推算出被测区域高度测量值。本发明可有效提高调焦调平装置的测量精度与工艺适应性，进而提高成品良率。

Description

一种基于图像处理技术的调焦调平装置及方法

技术领域

本发明涉及光刻设备领域，尤其涉及一种基于图像处理技术的调焦调平装置及方法。

背景技术

投影光刻机(或称投影光刻设备)是将掩模上的图案通过投影物镜投影到工件表面的装置。在投影光刻设备中，必须有自动调焦调平装置指引工件台将工件表面精确地移动到指定的曝光位置。现有的基于图像处理技术的调焦调平装置的物理结构如图1所示，掩模10上的图案通过投影物镜20投影到工件台31承载的被测工件30表面，其中，光源40发出的光依次经过第一反射镜41、投影狭缝50、投影镜组前组镜头61、第二反射镜60以及投影镜组后组镜头62照射至被测工件30表面，经被测工件30反射后依次经成像镜组后组镜头71、第三反射镜70、成像镜组前组镜头72、第四反射镜81、成像透镜82以及探测狭缝80，最终在光电探测器90上成像。当调整被测工件30的上表面位置与投影物镜20的最佳焦平面位置(图1中被测工件30上方水平虚线所示)重合时，被测工件30的反射光线路径如1图中虚线所示，投影狭缝50在光电探测器90上成像；当被测工件30的上表面位置与投影物镜20最佳焦平面位置的高度偏差为ΔH时，投影狭缝50在光电探测器90上所成的像在Z向的位置改变Δe为：

Δe＝2β1·β2·ΔH·sinφ (1-1)

式(1-1)中，β1为成像镜组(包括成像镜组前组镜头72和成像镜组后组镜头71)的放大率，β2为成像透镜82的放大率，Ф为光束在被测工件30上的入射角。

现有的基于图像处理技术的调焦调平装置依据光斑在光电探测器90上的位置变化得出被测工件30表面的离焦量，一般采用多光斑测量方案以增大单位被测面积、提高测量精度与效率。为增加工艺适应性、减小大面积光斑下被测工件30表面反射率不均匀性对被测工件30表面离焦量测量的影响，一般将单个光斑拆分成多个子光斑进行测量，利用平均效应进一步提高测量精度。以下以多光斑测量方案中某一个光斑、并将该光斑拆分成3个子光斑为例，叙述现有的基于图像处理技术调焦调平装置的测量过程。

图2A、2B、2C显示了被测工件30的大部分工况，即3个子光斑(p1、p2、p3)照射到被测工件30表面时都被反射，在光电探测器90上成像，经后续图像抑制噪声、滤波、数字处理后得出3个灰度波峰(q1、q2、q3)，根据每个灰度波峰的宽度及其在整幅图像中的像素位置，以及灰度波峰间距等参数即可计算出整个光斑对应的被测工件30表面的离焦量。然而在被测工件30的少部分工况下、特别是被测工件30为工艺片时，被测表面沟槽较多、较深，如图2D、2E、2F所示，子光斑的反射光有部分甚至全部被遮挡，在光电探测器90上所成的像就不完整，则经后续图像抑制噪声、滤波、数字处理后得出灰度波峰也不完整，甚至没有灰度峰值。另外，在被测工件30的边缘位置，因加工工艺等因素造成表面不规则，如图2G、2H、2I、2J、2K所示，同样使得子光斑的反射光部分甚至全部丢失，造成灰度波峰不完整。最终导致不能测得完整的被测区域高度测量值。

发明内容

本发明提供一种基于图像处理技术的调焦调平装置及方法，以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于图像处理技术的调焦调平装置，包括从上至下依次排列的掩模、投影物镜、被测工件以及承载所述被测工件的工件台，还包括沿光路传播方向依次排列的光源、第一反射镜、投影狭缝、投影镜组、第二反射镜、成像镜组、第三反射镜、第四反射镜、成像透镜、探测狭缝以及光电探测器，所述投影狭缝与被测工件之间还设有光路偏转装置，如可旋转的玻璃平板，或可以进行光路偏转的棱镜等其他光学元件。

较佳地，所述玻璃平板与电机的驱动端固定连接，驱动所述玻璃平板在绕X轴方向转动。

本发明还提供一种基于图像处理技术的调焦调平方法，应用于上述的调焦调平装置中，包括如下步骤：

S100：预处理，确定所述玻璃平板的转动范围和步距；

S200：测量处理，根据所述光电探测器得到的3个子光斑图像，计算垂向测量值。

较佳地，步骤S100中，所述玻璃平板的转动范围与调焦调平装置的垂向测量范围相匹配。

较佳地，所述玻璃平板的转动范围通过每批被测工件中局部沟槽深度最大或坡度最大的被测工件实测确定。

较佳地，测量处理的具体步骤如下：

S210：若所述光电探测器得到的3个子光斑图像经后续处理后得到3个灰度波峰，则垂向测量值Δe为：

Δe＝2β1·β2·ΔH·sinφ，

上式中，β1为成像镜组的放大率，β2为成像透镜的放大率，Ф为光束在被测工件上的入射角；

S221：若所述光电探测器得到的3个子光斑图像经后续处理后得到0～2个灰度波峰，则在玻璃平板的转动范围内按步距控制所述玻璃平板转动，若最终能够得到3个灰度波峰，则垂向测量值Z_i为：

Z_i＝Z_i-1+(Z′_i-Z₀)+Δ_offset，其中，Δ_offset＝Ly_i*ΔRx_i-Lx_i*ΔRy_i，

上式中，Z_i-1为未转动玻璃平板前调焦调平装置上次测量值，Z′_i为转动玻璃平板后调焦调平装置本次测量值，Z₀为玻璃平板处于起始位置θ₀时调焦调平装置测量值，Δ_offset为因光斑水平移动与被测工件面型得出的垂向偏移量，ΔRx_i、ΔRy_i为调焦调平装置本次与上次测量值之差，Lx_i、Ly_i分别为调焦调平装置本次与上次X、Y向坐标值之差；

S222：若玻璃平板转动后，得到1或2个灰度波峰，则垂向测量值Z_i为：

Z_i＝Z_i-1+Δ_offset，其中，Δ_offset＝Ly_i*ΔRx_i-1-Lx_i*ΔRy_i-1，

上式中，Z_i-1为未转动玻璃平板前调焦调平装置上次测量值，Δ_offset为因光斑水平移动与被测工件面型得出的垂向偏移量，ΔRx_i-1、ΔRy_i-1为调焦调平装置上两次测量值之差，Lx_i、Ly_i分别为调焦调平装置本次与上次X、Y向坐标值之差；

S223：若玻璃平板转动后，始终得不到灰度波峰，则该被测工件不在本调焦调平装置的可测量范围内。

较佳地，在每个子光斑图像不完整的位置，按调焦调平装置可测量范围内逐步增大步距，交替正、反向转动玻璃平板。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于图像处理技术的调焦调平装置及方法，该装置包括从上至下依次排列的掩模、投影物镜、被测工件以及承载所述被测工件的工件台，还包括沿光路传播方向依次排列的光源、第一反射镜、投影狭缝、投影镜组、第二反射镜、成像镜组、第三反射镜、第四反射镜、成像透镜、探测狭缝以及光电探测器，所述投影狭缝与被测工件之间还设有可旋转的玻璃平板。本发明利用玻璃平板转动来水平移动被测工件表面上的测量光斑位置，寻找可完整或部分测量出被测区域高度测量值的替代位置，从而推算出被测区域高度测量值。本发明可有效提高调焦调平装置的测量精度与工艺适应性，进而提高成品良率。

附图说明

图1为现有的基于图像处理技术的调焦调平装置及方法的结构示意图；

图2A～2K为现有的基于图像处理技术调焦调平装置的测量工况示意图；

图3为本发明一具体实施方式的基于图像处理技术的调焦调平装置的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的基于图像处理技术的调焦调平装置的处理效果示意图；

图5A～5J为发明一具体实施方式的基于图像处理技术调焦调平装置的测量工况示意图；

图6为发明一具体实施方式的基于图像处理技术调焦调平方法的预处理流程示意图；

图7为发明一具体实施方式的基于图像处理技术调焦调平方法的测量处理流程示意图。

图1中：10-掩模、20-投影物镜、30-被测工件、31-工件台、40-光源、41-第一反射镜、50-投影狭缝、60-第二反射镜、61-投影镜组前组镜头、62-投影镜组后组镜头、70-第三反射镜、71-成像镜组后组镜头、72-成像镜组前组镜头、80-探测狭缝、81-第四反射镜、82-成像透镜、90-光电探测器；

图3和图4中：110-掩模、120-投影物镜、130-被测工件、140-工件台；

210-光源、220-第一反射镜、230-投影狭缝、240-第二反射镜、251-投影镜组前组镜头、252-投影镜组后组镜头；

310-第三反射镜、321-成像镜组后组镜头、322-成像镜组前组镜头、330-第四反射镜、340-成像透镜、350-探测狭缝、360-光电探测器；

410-玻璃平板、411-电机。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

本发明提供的一种基于图像处理技术的调焦调平装置，如图3所示，包括从上至下依次排列的掩模110、投影物镜120、被测工件130以及承载所述被测工件130的工件台140，还包括沿光路传播方向依次排列的光源210、第一反射镜220、投影狭缝230、投影镜组、第二反射镜240、成像镜组、第三反射镜310、第四反射镜330、成像透镜340、探测狭缝350以及光电探测器360，所述投影狭缝230与被测工件130之间还设有可旋转的玻璃平板410。具体地，掩模110上的图案通过投影物镜120投影到工件台140承载的被测工件130表面，光源210发出的光依次经过第一反射镜220、投影狭缝230、投影镜组前组镜头251、第二反射镜240以及投影镜组后组镜头252照射至被测工件130表面，经被测工件130反射后依次经成像镜组后组镜头321、第三反射镜310、成像镜组前组镜头322、第四反射镜330、成像透镜340以及探测狭缝350，最终在光电探测器360上成像。本发明通过在所述投影狭缝230与被测工件130之间增加可旋转的玻璃平板410，具体地，所述玻璃平板410可以设置在投影狭缝230与投影镜组前组镜头251之间(如图3和图4所示)，也可以设置在投影镜组前组镜头251与第二反射镜240之间、第二反射镜240与投影镜组后组镜头252之间或者投影镜组后组镜头252与被测工件130的入射点之间，只要能够使得测量光斑在被测表面做水平运动即可。较佳地，所述玻璃平板410与电机411的驱动端固定连接，驱动所述玻璃平板410在X轴方向转动，也就是说，在电机411的拖动下，所述玻璃平板410可以在图3中所示的绕X轴方向、在[-θ_max,θ_max]范围内围绕自身中心点转动。

请重点参考图3，若将被测工件130的表面垂向移动到投影物镜120的最佳焦平面位置(图3中被测工件130上方水平虚线所示)，将投影物镜120最佳焦平面位置作为调焦调平装置垂向测量目标位置，换句话说，测量光斑在被测表面的水平移动等效于调焦调平装置垂向测量目标位置的垂向移动。也就是说，玻璃平板410的转动调整了调焦调平装置垂向测量目标位置，并且，玻璃平板410的转动量与调焦调平装置垂向测量目标位置调整量两者之间呈一一对应关系。具体地，如图4所示，所述玻璃平板410的转动范围[-θ_max,θ_max]取决于调焦调平装置的垂向测量范围，即玻璃平板410的转动不能超出调焦调平装置的垂向测量范围。另外，转动玻璃平板410、调焦调平装置垂向测量目标位置调整到新位置后，调焦调平装置的垂向测量范围不受影响，也就是说，转动玻璃平板410改变的只是调焦调平装置的测量基准点位置。

本发明还提供一种基于图像处理技术的调焦调平方法，应用于上述的调焦调平装置中，包括如下步骤：

S100：预处理，确定所述玻璃平板410的转动范围和步距，较佳地，所述玻璃平板410的转动范围与调焦调平装置的垂向测量范围相匹配，具体地，所述玻璃平板410的转动范围通过每批被测工件130中局部沟槽深度最大或坡度最大的被测工件130实测确定。在工程应用中，为了减少玻璃平板410的转动次数、增大产能，玻璃平板410的转动范围可进一步利用每批被测工件130中局部沟槽深度最大(如图2F所示)或坡度最大(如图2K所示)的工件实测确定，确定后的转动范围可在调焦调平装置垂向测量范围内作适当的裕度放大处理，最后再根据产能要求选择最优化的转动步距。

下面详述预处理的过程，请重点参考图6，在批量生产一批相同规格的工件之前，

首先，上载其中局部沟槽深度最大(如图2F所示)或坡度最大(如图2K所示)的工件；然后设置玻璃平板410的起始位置θ₀(一般即为0)；将工件运动到工件台140中心，执行全局调平操作；按测量轨迹规划运动被测工件130，读取光斑测得的起始高度值Z₀；

记录每个曝光场水平位置坐标(X、Y)，查看每个曝光场内以CCD为代表的光电探测器360的图像；

在每个子光斑图像不完整的位置，按调焦调平装置可测量范围内逐步增大步距，交替正、反向转动玻璃平板410，如果在某一位置处3个子光斑图像完整，则记录此时玻璃平板410的正向转动次数i或负向转动次数j；如果在调焦调平装置可测量范围内仅有2个或1个子光斑图像完整的位置，则记录首次出现2个或1个子光斑图像完整处玻璃平板410的正向转动次数i或负向转动次数j；如果在调焦调平装置可测量范围内始终找不到任何1个子光斑图像完整的位置，则向整机报错“无有效的光斑测量值”，由整机下载工件、分析原因；

下片后，按i、j的最大值与适当的裕度范围、整机产能要求，选取玻璃平板410的最优化转动范围[-θ_max,θ_max]与转动步距θ_step。

S200：测量处理，根据所述光电探测器360得到的3个子光斑图像，计算垂向测量值。

较佳地，测量处理的步骤如下：

S210：若所述光电探测器360得到的3个子光斑图像经后续处理后得到3个灰度波峰，也就是图2A、2B、2C所示的被测工件130的大部分工况下，本发明提供的测量处理过程与现有的基于图像处理技术调焦调平装置的测量过程相同，即垂向测量值Δe为：

Δe＝2β1·β2·ΔH·sinφ (1-1)

式(1-1)中，β1为成像镜组(包括成像镜组后组镜头321和成像镜组前组镜头322)的放大率，β2为成像透镜340的放大率，Ф为光束在被测工件130上的入射角；

S221：若所述光电探测器360得到的3个子光斑图像经后续处理后得到0～2个灰度波峰，也就是图2D～2K所示的工况下，则在玻璃平板410的转动范围内按步距控制所述玻璃平板410转动，将光斑进行水平平移，如果在其可转动范围内能够如图5A、5B、5F或5G所示的情况，即：能够到达3个子光斑都不被遮挡的位置，最终得到3个灰度波峰(即转变为图2D～2K所示的工况)，则此时垂向测量值Z_i为：

Z_i＝Z_i-1+(Z′_i-Z₀)+Δ_offset，

Δ_offset＝Ly_i*ΔRx_i-Lx_i*ΔRy_i (1-2)

式(1-2)中，Z_i-1为未转动玻璃平板410前调焦调平装置上次测量值，Z′_i为转动玻璃平板410后调焦调平装置本次测量值，Z₀为玻璃平板410处于起始位置θ₀(一般即为0)时调焦调平装置测量值，Δ_offset为因光斑水平移动与被测工件130面型得出的垂向偏移量，ΔRx_i、ΔRy_i为调焦调平装置本次与上次测量值(初始值可以按全局调焦调平结果进行设置)之差，Lx_i、Ly_i分别为调焦调平装置本次与上次X、Y向坐标值之差(即本次移动距离)；

S222：若玻璃平板410在可动范围内转动后，得到1或2个灰度波峰，换句话说，仅能够如图5C、5D、5H或5I所示的情况，即：在某个或某些位置最多仅有1个或2个子光斑不被遮挡，则此时垂向测量值Z_i为：

Z_i＝Z_i-1+Δ_offset，

Δ_offset＝Ly_i*ΔRx_i-1-Lx_i*ΔRy_i-1 (1-3)

式(1-3)中，Z_i-1为未转动玻璃410平板前调焦调平装置上次测量值，Δ_offset为因光斑水平移动与被测工件130面型得出的垂向偏移量，ΔRx_i-1、ΔRy_i-1为调焦调平装置上两次测量值(初始值可以按全局调焦调平结果进行设置)之差，Lx_i、Ly_i分别为调焦调平装置本次与上次X、Y向坐标值之差(即本次移动距离)；

S223：若玻璃平板410转动后，始终得不到灰度波峰，换句话说，如图5E、5J所示，在玻璃平板410的可转动范围内始终找不到子光斑不被遮挡的位置，则该被测工件130不在本调焦调平装置的可测量范围内，也就是说，被测工件130表面沟槽密集程度、深度或者不规则程度已超出调焦调平装置的可测量范围，应另行寻找测量方案或对被测工件130重新进行表面处理。

下面详述测量处理的过程，请重点参考图7，整机上载工件，然后设置玻璃平板410的起始位置θ₀(一般即为0)后，将工件运动到工件台140中心，执行全局调平操作，然后按轨迹规划移动工件台140，查看CCD为代表的光电探测器360的图像，如果3个子光斑的图像完整，则读取光斑测得的高度值Z，进行后续对准、曝光等操作，然后继续按轨迹规划移动工件台140，循环执行上述操作，直至曝光结束、下载工件；

如果3个子光斑的图像不完整，则根据曝光场水平位置坐标(X、Y)与预处理过程记录的、与曝光场水平位置对应的玻璃平板410正向转动次数i或负向转动次数j转动玻璃平板410，再查看CCD为代表的光电探测器360的图像：如果3个子光斑的图像完整，则读取此时光斑测得的高度值Z_i'，再按式(1-2)推算当前3个子光斑图像不完整位置高度值Z'，然后进行后续对准、曝光等操作，再继续按轨迹规划移动工件台140，循环执行上述操作，直至曝光结束，下载工件；

如果仅有1个或2个子光斑的图像完整，则按式(1-3)计算推算当前3个子光斑图像不完整位置高度值Z'；

如果没有子光斑的图像完整，则以玻璃平板410当前位置θ_i为基础，在[θ_i,θ_max](正向)或[-θ_max,θ_i](反向)范围内，继续按θ_step转动玻璃平板410，如果始终找不到3个子光斑图像都完整的位置，则向整机报错：没有有效的光斑测量值，由整机下载工件、分析原因。

综上所述，本发明在被测工件130局部表面形变严重、部分或全部测量光斑不能测得完整的被测区域高度测量值时，利用玻璃平板410转动来水平移动被测工件130表面上的测量光斑位置，寻找可完整测量出被测区域高度测量值的替代位置，从而推算出被测区域高度测量值。本发明提供的基于图像处理技术的调焦调平装置及方法可以对TSV等恶劣的工艺片进行测量。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于图像处理技术的调焦调平装置，包括从上至下依次排列的掩模、投影物镜、被测工件以及承载所述被测工件的工件台，还包括沿光路传播方向依次排列的光源、第一反射镜、投影狭缝、投影镜组、第二反射镜、成像镜组、第三反射镜、第四反射镜、成像透镜、探测狭缝以及光电探测器，其特征在于，所述投影狭缝与被测工件之间还设有光路偏转装置。

2.如权利要求1所述的一种基于图像处理技术的调焦调平装置，其特征在于，所述光路偏转装置为可旋转的玻璃平板。

3.如权利要求2所述的一种基于图像处理技术的调焦调平装置，其特征在于，所述玻璃平板与电机的驱动端固定连接，驱动所述玻璃平板在绕X轴方向转动。

4.一种基于图像处理技术的调焦调平方法，应用于如权利要求1或2或3所述的调焦调平装置中，其特征在于，包括如下步骤：

S100：预处理，确定玻璃平板的转动范围和步距；

S200：测量处理，根据所述光电探测器得到的3个子光斑图像，计算垂向测量值。

5.如权利要求4所述的一种基于图像处理技术的调焦调平方法，其特征在于，步骤S100中，所述玻璃平板的转动范围与调焦调平装置的垂向测量范围相匹配。

6.如权利要求5所述的一种基于图像处理技术的调焦调平方法，其特征在于，所述玻璃平板的转动范围通过每批被测工件中局部沟槽深度最大或坡度最大的被测工件实测确定。

7.如权利要求4所述的一种基于图像处理技术的调焦调平方法，其特征在于，测量处理的具体步骤如下：

S210：若所述光电探测器得到的3个子光斑图像经后续处理后得到3个灰度波峰，则垂向测量值Δe为：

Δe＝2β1·β2·ΔH·sinφ，

上式中，β1为成像镜组的放大率，β2为成像透镜的放大率，Ф为光束在被测工件上的入射角；

S221：若所述光电探测器得到的3个子光斑图像经后续处理后得到0～2个灰度波峰，则在玻璃平板的转动范围内按步距控制所述玻璃平板转动，若最终能够得到3个灰度波峰，则垂向测量值Z_i为：

Z_i＝Z_i-1+(Z′_i-Z₀)+Δ_offset，其中，Δ_offset＝Ly_i*ΔRx_i-Lx_i*ΔRy_i，

上式中，Z_i-1为未转动玻璃平板前调焦调平装置上次测量值，Z′_i为转动玻璃平板后调焦调平装置本次测量值，Z₀为玻璃平板处于起始位置θ₀时调焦调平装置测量值，Δ_offset为因光斑水平移动与被测工件面型得出的垂向偏移量，ΔRx_i、ΔRy_i为调焦调平装置本次与上次测量值之差，Lx_i、Ly_i分别为调焦调平装置本次与上次X、Y向坐标值之差；

S222：若玻璃平板转动后，得到1或2个灰度波峰，则垂向测量值Z_i为：

Z_i＝Z_i-1+Δ_offset，其中，Δ_offset＝Ly_i*ΔRx_i-1-Lx_i*ΔRy_i-1，

上式中，Z_i-1为未转动玻璃平板前调焦调平装置上次测量值，Δ_offset为因光斑水平移动与被测工件面型得出的垂向偏移量，ΔRx_i-1、ΔRy_i-1为调焦调平装置上两次测量值之差，Lx_i、Ly_i分别为调焦调平装置本次与上次X、Y向坐标值之差；

S223：若玻璃平板转动后，始终得不到灰度波峰，则该被测工件不在本调焦调平装置的可测量范围内。

8.如权利要求7所述的一种基于图像处理技术的调焦调平方法，其特征在于，在每个子光斑图像不完整的位置，按调焦调平装置可测量范围内逐步增大步距，交替正、反向转动玻璃平板。