专利名称：用于步进光刻机对准系统的测校装置及其测校方法
技术领域：
本发明涉及步进光刻机对准系统领域，具体地说，涉及一种用于步进光刻 机对准系统的测校装置及其测校方法。背景技木步进光刻机的功能是将描绘在掩模版上的电路图形通过光学投影的方法投影在涂有感光材料的硅片等曝光对象的表面。然后通过刻蚀等工艺实现掩模版 和曝光对象之间的图形转移。由于芯片是由多层电路组成的，集成电路芯片通 常需要多次曝光完成。为保证不同电路层之间的精确位置关系，在投影曝光过 程中，必须实现掩模和曝光对象之间的精确对准。步进光刻机对准系统是通过机器视觉技术实现掩模版和曝光对象之间的自 动对准。在此自动对准系统中，通过成像光路获取对准标记的图案并成像到图 像传感器上，从而获得标记的数字图像。通过数字图像处理和模式识别技术， 实现标记模版在图像坐标系中位置的提取，再将其转换成为标记在物理世界的 坐标(工件台坐标系坐标或者掩才莫台坐标系坐标)。通过掩^^莫版和曝光对象上标 记的坐标关系，建立它们之间的相对坐标关系，从而实现掩模版和曝光对象之 间的对准。由于用于步进光刻机的对准系统要求非常高的精度，因此必须对其进行高 精度的测校。测校包括调整机器视觉系统成像距离以保证其对焦准确成像清晰， 调整目标平面与成像平面的角度使二者平行，标定图像坐标系与测量坐标系之 间的精确关系，准确评价对准系统的性能等。由于需要测校的目标较多，测校 要求的精度较高，使得其对测校装置和测校方法有着较高的要求。美国专利US7070451B2公开了一种显微镜自动对焦系统，能够实现机器视 觉系统的快速自动对焦，从而使得其清晰成像。该装置在成像主光路外增加一 组基于红外光的调焦光i 各及其调整机构和信号处理单元，红外光通过调焦光路投影至目标物体并反射至线阵电荷耦合器件(Charge Coupled Devices, CCD) 上，以反映目标物体的垂向位置。该方法具有速度快，实时性好的优点。然而 运用该方法必须额外增加复杂的光路和i殳备，《吏得整个系统的复杂性大为增加， 并且调焦系统本身的标定又会带来新的问题。并且该系统仅具有调焦功能而不 具有其他测校功能，因此难以应用于步进光刻机机器视觉系统的测校中美国专利US7030351公开了一种机器视觉检测系统自动调焦方法，装置较 简单，通过缩小感兴趣范围来实现快速调焦。其缺陷为不具备调平和标定的功 能，因此难以在高精度测量中应用。中国专利200610037843公开了一种获取摄像机标定数据的标定板及其采集 方法，该装置能够用于基于机器视觉的精密测量中。通过获取标定板上特征标 志的位置，辅以特定的算法方法，能够实现机器视觉系统的标定。然而当标定 板不在最佳焦平面或者与成像平面平行度较低时，其提取方法必然精度不高。 而且未提出如^f可测定标定完成后的系统。发明内容有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提供一种可用于步进光刻机对准系 统的测校装置及其测校方法，以解决目前基于机器视觉技术的步进光刻机对准 系统中，成像系统难以准确对焦，测量平面与成像平面不平行带来测量误差， 难以建立图像坐标系与测量坐标系的准确关系，测校装置复杂，对准系统精度 无法测定等问题。为解决上述技术问题，本发明提供了 一种用于步进光刻机对准系统的测校 装置。该测校装置包括测校板、物距调整机构、反射镜调整机构、信号处理 与控制单元；其中物距调整机构包括伺服电机和第一调整机构；反射镜调整机 构包括角度可调反射镜和第二调整机构；所述第一调整机构由信号处理与控制 单元控制伺服电机驱动，以调整物距；所述第二调整机构由信号处理与控制单 元控制用于调整可调反射镜的角度以保证目标平面和成像平面的平行度。为解决上述技术问题，本发明提供一种用于步进光刻机对准系统的测校方 法，所述测校方法采用的测校装置包括测校板、物距调整机构、反射镜调整 机构、信号处理与控制单元；其中，所述测校板包括自动对焦标定点阵、标定标记以及测试标记；物距调整机构包括伺服电机和第一调整机构；反射镜调整 机构包括角度可调反射镜和第二调整机构；信号处理和控制单元包括控制计算 机、图像采集卡和运动控制卡；所述对准系统包括成像镜头、摄像机和运动 平台；所述的测校方法包括步骤l:将测校板固定于对准系统的运动平台上，控制计算机驱动运动平台 使测校板的自动对焦标定点阵进入摄像机视场；步骤2:控制计算机通过图像采集卡采集摄像机图像，计算单点聚焦评价函 数值；步骤3:控制计算4M艮据单点聚焦评价函数值依照相应算法通过运动控制卡 驱动伺服电机，伺服电机带动第一调整机构调整成像镜头的物距；步骤4:控制计算机通过图像釆集卡，再次采集摄像机图像，并重复步骤 2-3，直到获取最佳对焦位置；步骤5:控制计算机通过图像采集卡采集摄像机图像，计算摄像机视场多点 聚焦评价函数值；步骤6:根据多点聚焦评价函数值，通过第二调整机构调整角度可调反射镜 的角度，直到多点聚焦评价函数值趋于一致，锁定第二调整机构； 步骤7:再次执行步骤2-4以实现精确对焦，锁定物距调整机构； 步骤8:控制计算机通过图像釆集卡获取摄像机图像，计算自动对焦标定点 阵每个标定点位置坐标，计算图像坐标系U-V与测校板坐标系Xb-Yb之间的关系；步骤9:控制计算机驱动运动平台使测校板标定标记进入摄像机视场并在视 场内多个位置成像，控制计算机通过图像采集卡获取多幅图像，建立测校板坐 标系Xb-Yb与运动平台坐标系Xw-Yw之间的关系；步骤10:控制计算机驱动运动平台使测校板测试标记进入摄像机视场，在 多个位置成像，获取对准系统精度指标。与现有技术相比，本发明提供的一种新的可用于步进光刻机对准系统的测 校装置及其测校方法，结构简单，功能完整，易于集成于步进光刻机中并且有 效地提高对准系统的精度和可靠性。
图1是本发明步进光刻机对准系统及其测校装置结构示意图。图2是图1的掩模板测校板6示意图。图3是本发明单点聚焦评价函数值示意图。图4是本发明自动对焦标定点阵多窗口调平示意图。图5是本发明多点聚焦评价函数值示意图。图6是本发明图1的反射镜调整机构9示意图。图7是本发明图1的对准系统标定示意图。图8是本发明图2的测试标记603示意图。图9是本发明图2的测试标记604示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的一种用于步进光刻机对准系统的测校装置及 测校方法的较佳实施例作详细描述，以期进一步理解本发明的技术方案、目的 以及有益效果。图1为步进光刻机中机器视觉对准系统及其测校装置结构示意图。步进光 刻机对准系统包括成像镜头1、光源2、摄像机3、掩模承载台4、硅片承载 台5。步进光刻机对准系统的测校装置则包括掩模台测校板6、硅片台测校板 7、物距调整机构8、反射镜调整机构9、信号处理与控制单元10。对准系统的 测校包括相对于掩模承载台4的测校和相对于硅片承载台5的测校，掩模承载 台4和硅片承载台5均为对准系统的运动平台。由于相对于掩模承载台4和硅 片承载台5的测校方法和测校装置基本一致，故本文仅阐述相对于掩模承载台4 的测校。掩模台测校板6和硅片台测校板7完全一致，本实施例的描述以掩模 台测冲交;f反6为例。物距调整结构8包括伺服电机801和调整机构802。反射镜调整机构9包括 角度可调反射镜901和调整机构902。信号处理和控制单元10包括控制计算机 1001、图像采集卡1002和运动控制卡1003。控制计算才几1001与图^f象采集卡1002 相连以采集摄像机3的图像，通过运动控制卡1003控制伺服电机801。控制计算机1001通过采集掩模台测校板6图像，运用相应图像与信号处理算法，通过运动控制卡1003控制伺服电机801驱动调整机构802，使得成像镜 头1整体上下运动以调整物距。控制计算机1001通过采集掩模台测校板6图像， 运用相应图像与信号处理算法获得调平判据，通过调整机构902调整可调反射 镜901的角度以保证目标平面和成像平面的平行度。控制计算机1001通过采集 掩模台测校板6图像，运用相应图像与信号处理算法标定图像坐标系和测量坐 标系统的关系。控制计算机1001通过采集掩模台测校板6图像，运用相应图像 与信号处理算法测定对准系统的精度。图2为掩模台测校板6的示意图。掩才莫台测校板6包括自动对焦标定点阵 601、标定标记602、第一测试标记603、第二测试标记604。掩模台测校板6由 镀铬石英板制成。自动对焦标定点阵601中的图形点为如正方形、圆形或者是 其他形状的对称图形。自动对焦标定点阵601中的所有图形点具有相同的形状 尺寸大小，等间隔排列，且其数量相对于摄像机视场有冗余。标定标记602为"十，，字等具有明显特征，易于辨识的图形，其大小为^L场的五分之一到三分 之一之间。第一测试标记603具有两组，每一组测试标记603为垂直和平行两 对不同的标记组成，分别为"H"形和"十"字形，用于测试两个相互垂直方向 下系统的精度。两对不同的标记之间的间隔均小于一见场大小，包括两对不同的 标记的整体能够完全包含在视场中。第二测试标记604具有两组，每一组第二 测试标记604为多对不同间距、不同图案的标记，本实施例采用"1"、 "2"、 "3"、"4"、 "5"数字图形用于标示不同的间距的标记，用于测试不同距离下系统的 精度。本发明的对准系统的测;欧方法包括以下步骤步骤l:将掩模台测校板6固定于运动平台(本实施例为掩模承载台4)上， 控制计算机1001驱动运动平台使掩模台测校板6上的自动对焦标定点阵601进 入摄像机3视场；步骤2:控制计算机1001通过图像采集卡1002采集摄f^几图像，计算单点 聚焦评价函数值；步骤3:控制计算机1001根据单点聚焦评价函数值依照相应算法通过运动控制 卡1003驱动伺服电机801，伺服电机801带动调整机构802调整成像镜头1的 物距；其中单点聚焦评价函数可采用(1)图像傅立叶高频分量法；(2)平滑法；(3)阈值积分法；(4)灰度差分法等算法；本实施例中采用灰度差分法，计算 评价区域内的灰度差分和，作为聚焦评价函数即调焦判据，根据判据的大小和 变化情况搜索最佳焦平面；步骤4:控制计算机1001通过图像釆集卡1002，再次釆集摄像机3图像， 并重复步骤2-3,直到获取最佳对焦位置；步骤5:控制计算机1001通过图像采集卡1002采集摄像机3图像，计算视 场多点聚焦评价函数值；步骤6:根据多点聚焦评价函数值，通过调整机构902调整可调反射镜901 的角度，直到多点聚焦评价函数值趋于一致，锁定调整机构902;其中多点聚 焦评价函数采用多窗口的单点调焦评价函数实现，本发明采用计算各个窗口单 点聚焦函数方差值的方法，衡量测量平面和成像平面的平行度，并以此作为调 平判据。步骤7:再次执行步骤2-4以精确对焦，锁定物距调整机构802;步骤8:控制计算机1001通过图像采集卡1002获取摄像机3图像，计算自 动对焦标定点阵601每个标定点位置坐标，从而计算图像坐标系U-V与测校板 坐标系Xb-Yb之间的关系；步骤9:控制计算机1001驱动运动平台使掩模台测校板6标定标记602进 入摄像机3视场并在视场内多个位置成像，控制计算机1001通过图像釆集卡 1002 .获取多幅图像，从而建立测校板坐标系Xb-Yb与运动平台坐标系Xw-Yw之 间的关系；步骤10:控制计算机1001驱动运动平台使掩模台测校板6测试标记603和 604依次进入摄像机3视场，在多个位置成像，获取对准系统精度指标。图3为单点聚焦评价函数值示意图。单点聚焦评价函数值F根据物距的变 化而变化，当F达到最高值时为成像镜头1最佳焦平面位置。依照步骤2_4,驱 动调整机构802反复搜索最佳焦平面。如前所述，单点聚焦评价函数可采用(1)图像傅立叶高频分量法；(2)平 滑法；(3)阈值积分法；(4)灰度差分法等算法。本发明中采用灰度差分法， 计算评价区域内的灰度/"力差分和，作为聚焦评价函数即调焦判据。根据判据 的大小和变化情况搜索最佳焦平面。灰度差分法聚焦评价函数为0-1，力|+|取力-/"/-1)|}尤=义1少=少1当该值达到最大值时，可认为目标在最佳焦平面上。图4为自动对焦标定点阵多窗口调平示意图。控制计算机1001采集自动对 焦标定点阵601图像，并采用单个自动对焦标定点所占面积(点本身面积和间 隔面积)整数倍的窗口大小，计算该图像中多个位置的聚焦评价函数值，见图5。 根据多点聚焦评价函数值，通过调整机构902调整可调反射镜901的角度以保 证目标平面和成{象平面的平4亍度。图5为多点聚焦评价函数值示意图，根据图4所示的自动对焦标定点阵多 窗口调平方法，计算各窗口的聚焦评价函数，并通过调整机构902调整可调反 射镜901使得多点聚焦评价函数的最佳焦面位置一致，从而认为目标平面和成 像平面平行。本发明釆用计算各个窗口单点聚焦函数方差值的方法，衡量测量 平面和成<象平面的平4亍度，并以此作为调平判据。图6为反射镜调整机构9示意图，可调反射镜901上装有四个调整机构902, 分别对应于^f见场内四个对焦窗口。调整其中某个调整^f几构902，能够改变图5中 对应的对焦评价函数曲线。调整各调整机构902，从而调整可调反射镜901的角 度，以使得其对应的对焦评价函数趋于一致，保证目标平面和成像平面的平行 度。图7为对准系统标定示意图，控制计算机1001通过图像釆集卡1002采集 自动对焦标定点阵图像，计算每个标定点位置坐标，从而计算图像坐标系U-V 与测校板坐标系Xb-Yb之间的关系。之后驱动运动平台使掩^t台测校板6标定 标记602进入摄像机3视场并在视场内多个位置成像，控制计算机1001通过图 像采集卡1002获取多幅图像，从而建立测校板坐标系Xb-Yb与运动平台坐标系 Xw-Yw之间的关系，最终建立图像坐标系U-V和运动平台坐标系Xw-Yw之间的关 系。图8为图2中所示第一测试标记603的放大示意图。第一测试标记603由 两对由两个图案尺寸完全相同的标记组成，两者间距固定已知且精度高于系统 测量精度。测试标记所占面积小于摄像机3视场大小。根据对准系统对测试标 记中每个标记的测量值，可计算出其距离的测量值，和其已知的固定距离值相 比较，从而获得对准系统的测量精度值。图8中有"H"型和"十"字型两对测试标记，其连接线方向相互垂直。用于测试两个相互垂直方向下系统的精度， 两对标记之间的间隔均小于视场大小，包括两对标记的整体能够完全包含在视 场中。图9为第二测试标记604的放大示意图。第二测试标记604同时存在多种 距离的测试标记，采用T、 "2"、 "3"、 "4"、 "5"等数字图形用于标示不同的 间距。对准系统对不同距离的测试标记对进行测量，获取不同距离条件下的测 量精度值，从而更好地反映对准系统的测量精度。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定， 本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权 利要求书的保护范围。
权利要求
1.一种用于步进光刻机对准系统的测校装置，包括测校板、物距调整机构、反射镜调整机构、信号处理与控制单元；其中物距调整机构包括伺服电机和第一调整机构；反射镜调整机构包括角度可调反射镜和第二调整机构；其特征在于所述第一调整机构由信号处理与控制单元控制伺服电机驱动，以调整物距；所述第二调整机构由信号处理与控制单元控制用于调整可调反射镜的角度以保证目标平面和成像平面的平行度。
2. 如权利要求1所述的一种用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于， 信号处理和控制单元包括控制计算机、图像采集卡和运动控制卡；其中控制计 算机通过图像采集卡采集的所述测校板的图像，通过所述运动控制卡控制所述 祠服电机驱动所述第一调整机构调整物距；控制计算机通过图像采集卡采集的 所述测校板的图像，计算调平判据，第二调整机构调整角度可调反射镜的角度 以保证目标平面和成像平面的平行度。
3. 如权利要求1所述的一种用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于， 所述测校板为安装在步进光刻机对准系统的运动平台上的掩模台测校板和/或 者硅片台测校板。
4. 如权利要求1所述的一种用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于，所述的反射镜调整机构具有多个第二调整机构，每个第二调整机构对应于一个 对焦窗口。
5. 如权利要求l所迷的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于，所 述测校板包括自动对焦标定点阵、标定标记以及测试标记。
6. 如权利要求5所述的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于，所 述的自动对焦标定点阵的标记点为图形相同、大小相同的对称图形，且等间隔 排列，所述自动对焦标定点阵的面积相对于摄像才几视场有冗余。
7. 如权利要求5所述的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于，所 述标定标记为十字形，且大小为摄像机视场的五分之一到三分之一。
8. 如权利要求5所述的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于，所 述测试标记包括用于测试两个相互垂直方向下系统精度的第一测试标记和用于测试不同距离下系统精度的第二测试标记。
9. 如权利要求8所述的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于，所 述第一测试标记由结构相同的两组标记组成，每一组由垂直和平行的两对标记 组成，且每一组作为整体包含在摄〗I4几视场中。
10. 如权利要求9所述的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于， 每一组垂直和平行的两对标记分别为H型和十字行。
11. 如权利要求8所述的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于， 所述第二测试标记由多对不同间距、不同图案的标记组成。
12. 如权利要求11所述的用于步进光刻机对准系统的测校装置，其特征在于， 所述多对不同间距、不同图案的标记为多对不同数字的数字标记。
13. —种用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于，所述测校方法采 用的测校装置包括测校板、物距调整机构、反射镜调整机构、信号处理与控 制单元；其中，所述测4交板包括自动对焦标定点阵、标定标记以及测试标记； 物距调整机构包括伺服电机和第一调整机构；反射镜调整机构包括角度可调反 射镜和第二调整机构；信号处理和控制单元包括控制计算机、图像采集卡和运 动控制卡；所述对准系统包括成像镜头、摄像机和运动平台；所述的测校方 法包括步骤l:将测校板固定于对准系统的运动平台上，控制计算机驱动运动平台 使测校板的自动对焦标定点阵进入摄像机视场；步骤2:控制计算机通过图像采集卡采集摄像机图像，计算单点聚焦评价函 数值；步骤3:控制计算机根据单点聚焦评价函数值依照相应算法通过运动控制卡 驱动伺服电机，伺服电机带动第一调整机构调整成像镜头的物距；步骤4:控制计算机通过图像采集卡，再次采集摄像机图像，并重复步骤 2-3,直到获取最佳对焦位置；步骤5:控制计算机通过图像采集卡采集摄像机图像，计算摄像机视场多点 聚焦评价函数值；步骤6:根据多点聚焦评价函数值，通过第二调整机构调整角度可调反射镜 的角度，直到多点聚焦评价函数值趋于一致，锁定第二调整机构；步骤7:再次执行步骤2-4以实现精确对焦，锁定物距调整机构； 步骤8:控制计算机通过图像采集卡获取摄像机图像，计算自动对焦标定点 阵每个标定点位置坐标，计算图像坐标系U-V与测校板坐标系Xb-Yb之间的关系；步骤9:控制计算机驱动运动平台使测校板标定标记进入摄像机视场并在视 场内多个位置成像，控制计算机通过图像采集卡获取多幅图像，建立测校板坐 标系Xb-Yb与运动平台坐标系Xw-Yw之间的关系；步骤10:控制计算机驱动运动平台使测校板测试标记进入摄像机视场，在 多个位置成像，获取对准系统精度指标。
14. 如权利要求项13所述的用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于， 所述步骤2采集测校板上自动对焦标定点阵图像，来计算单点聚焦评价函数值。
15. 如权利要求项13所述的用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于， 所述步骤5采集测校板上自动对焦标定点阵图像，采用单个自动对焦标定点所 占面积整数倍的窗口大小，计算视场多点聚焦评价函数值。
16. 如权利要求项13所述的用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于， 所述步骤6使用多个第二调整机构，通过调整多个第二调整机构，分别调整对 应的对焦窗口焦距情况。
17. 如权利要求项13所述的用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于， 所述步骤10使用多组测试标记，且依次进入摄像机视场。
18. 如权利要求项17所述的用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于， 所述多组测试标记具有两组，分别为用于测试两个相互垂直方向下系统精度的 第 一测试标记和用于测试不同距离下系统精度的第二测试标记。
19. 如权利要求项18所述的用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于， 使用的第一测试标记包括连接线方向相互垂直的两对不同图案的测试标记；第 二测试标记包括多对多种距离的测试标记。
20. 如权利要求项19所述的用于步进光刻机对准系统的测校方法，其特征在于， 所述第二测试标记采用的是数字标记。
全文摘要
本发明公开了一种用于步进光刻机机器视觉对准系统的测校装置及其测校方法，涉及步进光刻机对准系统领域。本发明提供的一种用于步进光刻机机器视觉对准系统的测校装置包括掩模台测校板、硅片台测校板、物距调整机构、反射镜调整机构、信号处理与控制单元。本发明基于该装置提供的一种测校方法，包括调整对准系统成像镜头的物距，调整测量平面和成像平面的平行度，标定图像坐标系和测量坐标系之间的关系，测定对准系统精度等步骤。与现有技术相比，本发明提供的一种用于步进光刻机机器视觉对准系统的测校装置及其测校方法结构简单，功能完整，易于集成于步进光刻机中并且有效地提高对准系统的精度和可靠性。
文档编号G03F9/02GK101329515SQ20081004115
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者吕晓薇, 兵 徐, 李中秋, 巍 蔡, 威 谢 申请人:上海微电子装备有限公司