一种基于图像处理的调焦调平测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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系统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。
[0003] 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。
[0004] 基于(XD光电探测方案中，不同的光斑在(XD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CXD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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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】
[0013] 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。
[0014] 图1是本发明所涉及的调焦调平系统的结构示意图； 图2是本发明所涉及的调焦调平系统的倾斜入射测量系统光路示意图； 图3是本发明所涉及的调焦调平系统的投影狭缝示意图； 图4是本发明所涉及的调焦调平系统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系统的CCD接收到的光斑图像； 图6是本发明所涉及的调焦调平系统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】
[0015] 下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
[0016] 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。
[0017] 一个调焦调平系统可包含多路倾斜入射测量系统。如图2为一路倾斜入射测量系 统光路示意图。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 过投影光路系统23入射到硅片4表面，经硅