CN101169595A - 一种用于步进光刻机对准系统的标定装置及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于步进光刻机对准系统的标定装置及其标定方法。对准系统包括定位平台、控制计算机,标定装置包括标定板和标定标记,标定板上具有点阵分布在标定板上的普通标定点和零星均匀分布在标定板上的定位标定点,标定标记位于标定板无标定点的范围内或位于定位平台上。标定方法通过建立标定板坐标系与控制计算机上图像坐标的关系和建立标定板坐标系与定位平台外部坐标系的关系来建立控制计算机上图像坐标系与定位平台外部坐标系的关系,实现对准系统的对准。本发明的标定装置及其标定方法能与步进光刻机对准系统兼容,且具有较高对准精度及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及步进光刻机对准系统领域,尤其涉及一种步进光刻机自动对准系统的标定装置与标定方法。
背景技术
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。
目前的步进光刻机的投影曝光系统中,装调精度相对较高,成像平面与工件台或掩模台的运动平面具有很高的平行度,这个约束条件使得目前基于透视投影关系的算法容易产生计算误差。
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在电荷藕合器件(CCD,Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor Transistor)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模台坐标系坐标)。通过掩模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。从实际标记到标记图像经过了光学成像和光电转换的过程,反映了物理坐标系和图像坐标系之间的关系。这种关系的转换在较低精度的对准系统中,可以认为是简单的刚体变换和放大关系,但在较高精度的对准系统中,必须通过特定的工具和方法准确地标定此种关系。
《光学学报》第26卷第5期,第697页至第700页,作者李为民等发表了题名为采用分离式差分标定靶的单摄像机标定方法的文章。该文章中介绍了标定光点阵列及其使用方法。这种标定光点阵列由玻璃标定板和发光二极管(LED)组成,通过光源发光透过标定板上透光圆孔阵列,产生标定光点阵列,采用二维灰度曲面拟合的方法获得标定点图像坐标。由于该对准系统运用光源,制作上会较为复杂,同时光源和标定板的安装情况也会影响系统精度。因此,该系统难以运用于步进光刻机这一集成度和精度都较高的设备中,且获取标定点图像坐标方法精度受光源的均匀性和稳定性影响较大。
美国专利US7155030公开了一种通过同心圆标靶标定摄像机的方法。该方法通过两块相交的同心圆标靶和模型,求解计算成像系统的焦距,姿态等参数。该装置获取的相机参数物理意义明确,算法速度很快。然而在目前步进光刻机中难以安装此专利提出的相交的同心圆标靶,且步进光刻机对其对准系统的标定速度要求不高,但有着极高的精度要求。该专利无论从标靶的制作还是标靶的提取等方面都难以满足步进光刻机对准系统的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于步进光刻机对准系统的标定装置及其标定方法,可解决目前步进光刻机中对准系统基于透视投影关系的算法缺陷、较高精度对准系统难以实现、对准精度及可靠性易受影响和标定装置不适应步进光刻机安装要求等问题。
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标定装置,其中对准系统包括定位平台,具有摄像机视场。该标定装置包括:标定板和标定标记;标定板上包括两种标定点:点阵分布在标定板上的普通标定点和零星均匀分布在标定板上的定位标定点,标定标记位于标定板无标定点的范围内或位于定位平台上。定位标定点位于普通标定点之间,且尺寸小于普通标定点。根据对准系统的图像采集视场尺寸,标定板上普通标定点数目相对摄像机视场尺寸有冗余。标定板材料选取镀铬石英板。
采用本发明对准系统的标定装置的标定方法,其中对准系统还包括:成像系统,摄像机,图像采集卡,控制计算机,运动控制卡。标定方法包括以下步骤:步骤1:将标定板和标定标记固定在所述定位平台上,所述成像系统和摄像机采集标定板图像并通过图像采集卡传输至控制计算机;步骤2:控制计算机获取标定板上普通标定点的图像坐标系坐标与标定板坐标系坐标;步骤3:建立标定板上普通标定点点阵的图像坐标系与标定板坐标系的关系;步骤4:控制计算机通过所述运动控制卡控制定位平台移动,使得标定标记在摄像机视场内成像,并使标定标记在摄像机视场内多次移动,分别采集每次移动的标定标记图像且分别记录当前定位平台的读数,将此读数作为定位平台外部坐标系坐标;步骤5:控制计算机获取标定标记的图像坐标;步骤6:利用步骤3建立的图像坐标系与标定板坐标系的关系,根据步骤5获取的标定标记的图像坐标,计算标定标记的标定板坐标系坐标;步骤7:通过步骤6计算出的标记的标定板坐标系坐标与步骤4得出的定位平台外部坐标系坐标,建立标定板坐标系与定位平台外部坐标系的关系;步骤8:通过步骤3建立的图像坐标系与标定板坐标系之间的关系以及步骤7建立的标定板坐标系和定位平台外部坐标系之间的关系,建立图像坐标系与定位平台外部坐标系之间的关系。
步骤2中获取的普通标定点在两种坐标系下的坐标是通过亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法。其中,亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法包括以下步骤:步骤21:将标定板通过定位平台移入所述成像系统和摄像机的图像采集视场,采集当前图像传输至控制计算机;步骤22:对标定板图像进行降低或消除噪声的预处理,获得预处理后的图像;步骤23:对预处理后图像进行自动阈值分割,获得一幅二值图像作为索引图像;步骤24:通过索引图像对原始图像进行图像分割,获取一组每个图像只含一个标定点的子图像;步骤25:采用立方插值方法对获取的子图像进行亚像素处理;步骤26:采用坎尼算法对子图像进行边缘检测,通过梯度方向多项式拟合的方法获取亚像素边缘位置,通过霍夫变换拟合标定点形状,剔除与该形状位置差距较大的点;步骤27:对获取的边缘亚像素,通过边缘跟踪和连接算法,将其变换成唯一的多边形,并且通过三角形分割法求单个标定点的形心位置,作为其图像坐标。为进一步提高对准系统精度,该方法的步骤2中还可基于亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法进一步获取标定板上定位标定点的图像坐标系坐标与标定板坐标系坐标,根据图像中和标定板上普通标定点与定位标定点相对位置关系,确定普通标定点更高精度的标定板坐标系坐标。该标定方法步骤3中两坐标系关系的建立是通过基于标定点阵的标定算法;其中,标定点阵的标定算法采用自适应多项式曲面拟合法。该标定方法步骤5中控制计算机通过模式识别算法获取标定标记的图像坐标。
本发明的步进光刻机对准系统的标定装置及其标定方法,通过标定装置的标定板以及标定标记,通过标定板坐标系这一中介坐标系可间接建立控制计算机上图像坐标系与定位平台外部坐标系的关系来实现对准。通过采用有较高精度标定点的标定板以及基于亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法可有效提高对准系统中控制计算机的图像坐标系与定位平台外部坐标系关系的精度;标定板上定位标定点,可进一步提高标定板坐标精度,最终可有效提高对准系统精度。在采用标定点阵的标定算法建立图像坐标系与标定板坐标系坐标关系时,采用多项式曲线拟合方法可减小目前基于透视投影算法的计算误差。且此标定装置易于安放在步进光刻机的定位平台上。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明的对准系统的标定装置及其标定方法作进一步详细说明:
图1是步进光刻机中机器视觉对准系统结构示意图。
图2是本发明步进光刻机对准系统标定装置及其标定方法示意图。
图3是本发明标定装置中圆形标定点的标定板示意图。
图4是本发明标定装置中方形标定点的标定板示意图。
图5是本发明标定装置中具有标定标记的标定板示意图。
图6是采用本发明标定装置的标定方法流程图。
图7是亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法流程图。
具体实施方式
请参阅图1的步进光刻机中机器视觉对准系统结构示意图。步进光刻机对准系统包括:掩模版1,掩模承载台2,投影物镜3,硅片4,硅片承载台5,成像系统6,图像采集卡7和控制计算机8组成。硅片承载台5上安装有标定板9,通过成像系统6获取掩模板1和硅片4上标记的图像,并通过图像采集7将数字图像采集传输到控制计算机8。通过模式识别技术,分别获取标记的图像坐标系位置并将其转换为掩模承载台2坐标系和硅片承载台5坐标系上。通过标记的坐标位置实现自动对准。坐标系之间的刚体变换,成像系统6的放大和畸变,图像采集系统7的数字化,都带来了对准系统的误差。为了实现精确对准,必须分别标定掩模板1坐标系和控制计算机8所定义的图像坐标系之间的关系,硅片承载台5坐标系和控制计算机8所定义的图像坐标系之间的关系。由于这两个关系的标定方法相同,故采用同样的标定装置和标定方法。
请参阅图2本发明步进光刻机对准系统标定装置及其标定方法示意图。此图以对硅片承载台的标定为例进行详细描述。定位平台5(如硅片承载台)具有自身的坐标系Xw-Yw,并且能够在这两个自由度上做高精度运动或者至少有高精度的测量设备。将标定板9和标定标记10固定在定位平台5上,标定板9具有自身的坐标系Xb-Yb,其上面的标定点在Xb-Yb坐标系下的坐标值已知,且精度高于整个系统的测量精度。标定标记10可制作在定位平台5上或者标定板9上无标定点的范围内或者定位平台5上。摄像机采用CCD类型摄像机,摄像机601通过成像镜头602获得摄像机视场11内的图像,通过图像采集卡7将摄像机601获取的图像传输至控制计算机8。控制计算机8根据像素位置建立自身的图像坐标系U-V。控制计算机8通过运动控制卡12实现定位平台5位置的控制。为实现对准,必须建立定位平台5外部坐标系Xw-Yw与图像坐标系U-V之间的关系。
通过标定装置的标定板和标定标记作为桥梁实现两者关系的建立。本发明提供的标定板示意图请参阅图3和图4。此标定板材料采用镀铬石英板,该标定板上具有两种标定点:点阵分布的普通标记点和零星均匀分布的定位标定点。通过电子束直写或者激光束直写方式在标定板上绘制普通标定点和定位标定点。这种方法制得的标定点具有很高精度。图3中标定板上普通标定点901为圆形,定位标定点902也为圆形,普通标定点901的尺寸明显大于定位标定点902的尺寸,且定位标定点902位于普通标定点901之间。圆形图案具有很好的对称性,适合本发明的标定点坐标的精确提取。图4为另一种标定板示意图,此标定板上普通标定点903和定位标定点904均为正方形,同样普通标定点903的尺寸也明显大于定位标定点904的尺寸,且定位标定点904位于普通标定点903之间。正方形图案也具有良好的对称性,通过电子束直写或者激光束直写的方式制作,具有更高的加工精度和更低的加工成本。请参阅图5,图5为带有标定标记的标定板,标定标记10加在标定板上,此种标定板同时具有标定点阵和标定标记,这样可避免在定位平台上制作标定标记,可节省成本。
使用此对准系统标定装置的标定方法请参阅图6流程图。它包括以下6个步骤:
步骤S1:将标定板9和标定标记10固定在定位平台5上,成像系统602和摄像机601采集标定板9图像并通过图像采集卡7传输至控制计算机8;
步骤S2:控制计算机8获取基于标定板9上普通标定点的图像坐标系U-V坐标与标定板坐标系Xb-Yb坐标;
步骤S3:建立标定板普通标定点点阵的图像坐标系U-V与标定板坐标系Xb-Yb的关系;
步骤S4:控制计算机8通过运动控制卡控制定位平台5移动,使得标定标记10在成像系统和摄像机图像采集视场11内,并使标定标记10在摄像机视场11内多次移动,分别采集每次移动的标定标记10图像且分别记录当前定位平台5的读数,将此读数作为定位平台5外部坐标系Xw-Yw坐标;
步骤S5:控制计算机8运用模式识别算法获取标定标记10的图像坐标;
步骤S6:利用步骤S3建立的图像坐标系U-V与标定板坐标系Xb-Yb的关系,根据步骤S5获取的标定标记10的图像坐标,计算标定标记10的标定板坐标系Xb-Yb坐标;
步骤S7:通过步骤S6计算出的标记的标定板坐标系Xb-Yb坐标与步骤S4得出的定位平台5外部坐标系Xw-Yw坐标,建立标定板坐标系Xb-Yb与定位平台坐标系Xw-Yw的关系;
步骤S8:通过步骤S3建立的图像坐标系U-V与标定板坐标系Xb-Yb之间的关系以及步骤S7建立的标定板坐标系Xb-Yb和定位平台外部坐标系Xw-Yw之间的关系,建立图像坐标系与外部坐标系之间的关系。
步骤S2中,控制计算机8是基于亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法获取普通标定点在图像坐标系U-V坐标与标定板坐标系Xb-Yb下的坐标。请参阅图7亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法流程图,该方法包括以下步骤:
步骤S21:将标定板9通过定位平台5移入所述成像系统和摄像机的图像采集视场11,采集当前图像传输至控制计算机8;
步骤S22:对标定板9图像进行降低或消除噪声的预处理,获得预处理后的图像;
步骤S23:对预处理后图像进行自动阈值分割,获得一幅二值图像作为索引图像;
步骤S24:通过索引图像对原始图像进行图像分割,获取一组每个图像只含一个标定点的子图像;
步骤S25:采用立方插值方法对获取的子图像进行亚像素处理;
步骤S26:采用坎尼算法(Canny)对子图像进行边缘检测,通过梯度方向多项式拟合的方法获取亚像素边缘位置,通过霍夫(Hough)变化拟合标定点形状,剔除与该形状位置差距较大的点;
步骤S27:对获取的边缘亚像素,通过边缘跟踪和连接算法,将其变换成唯一的多边形,并且通过三角形分割法求单个标定点的形心位置,作为其图像坐标。
标定方法的步骤2中还可基于亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法进一步获取基于标定板9上定位标定点的图像坐标系坐标U-V与标定板坐标系Xb-Yb坐标,确定图像中普通标定点与定位标定点相对位置顺序,并与标定板坐标系中普通标定点和定位标定点位置相对应。这样可进一步提高标定板坐标系精度。
标定方法的步骤S3中图像坐标系U-V与标定板坐标系Xb-Yb的关系是基于标定点阵的标定算法建立。其中,标定点阵的标定算法采用自适应多项式曲面拟合法。基于自适应多项式拟合法提供的数学模型如公式1所示:
fx(U,V,kx)=kx0+kx1U+kx2V+kx3U2+kx4UV+kx5V2+kx6U3+kx7U2V+kx8UV2+kx9V3+kx10U4+kx11U3V+kx12U2V2+kx13UV3+kx14V4+kx15U5+kx16U4V+kx17U3V2+kx18U2V3+kx19UV4+kx20V5+......
fy(U,V,ky)=ky0+ky1U+ky2V+ky3U2+ky4UV+ky5V2+ky6U3+ky7U2V+ky8UV2+ky9V3+ky10U4+ky11U3V+ky12U2V2+ky13UV3+ky14V4+ky15U5+ky16U4V+ky17U3V2+ky18U2V3+ky19UV4+ky20V5(1)+...
其中kx=[kx0 kx1…kx20…],ky=[ky0 ky1…ky20…]为模型参数。并通过获取的标定板上普通标定点图像坐标和标定板坐标建立超定方程,对其进行非病态处理后求其最小二乘解。根据拟合后残差的大小确定多项式次数,确定图像坐标系U-V与标定板坐标系Xb-Yb的关系并。采用此种标定点阵的标定算法可减小目前基于透视投影算法的计算误差。
图3和图4中的标定板上标定点的数量根据摄像机视场11的大小,本实施例中步进光刻机对准系统摄像机视场物理尺寸在1mm×1mm。标定板上普通标定点在150~200个左右以保证摄像机视场11内有100个以上的标定点,从而保证本发明提供的标定图像坐标系和标定板坐标系之间具有足够的精度,且标定点的数量相对摄像机视场有所冗余以保证在标定过程中使得标定点充满视场并且在部分标定点污染的情况下仍然能顺利进行。标定板的加工精度高于50nm,对于对准系统50nm以下的对准系统,标定板的制作精度就能够满足要求;对于对准系统50nm以上精度要求,标定板的制作精度难以达到的情况下,可通过本发明基于亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法,获取标定板上普通标定点相对定位标定点相对物理坐标,通过测量这样标定板上普通标定的精度可达到10nm,这样可进一步提高对准系统精度。此标定装置简单易于安放在步进光刻机的定位平台上。
Claims (11)
1.一种用于步进光刻机对准系统的标定装置,所述对准系统包括定位平台,具有摄像机视场,其特征在于,所述标定装置包括:标定板和标定标记;所述标定板上包括两种标定点:点阵分布在标定板上的普通标定点和零星均匀分布在标定板上的定位标定点,所述标定标记位于所述标定板无标定点的范围内或位于所述定位平台上。
2.如权利要求1所述对准系统的标定装置,其特征在于:所述定位标定点位于普通标定点之间,且尺寸小于普通标定点。
3.如权利要求1所述对准系统的标定装置,其特征在于:所述标定板上普通标定点数目相对所述摄像机视场尺寸有冗余。
4.如权利要求1所述对准系统的标定装置,其特征在于:所述标定板材料选取镀铬石英板。
5.一种采用如权利要求1所述对准系统的标定装置的标定方法,所述对准系统还包括成像系统,摄像机,图像采集卡,控制计算机,运动控制卡,其特征在于,所述标定方法包括以下步骤:
步骤1:将所述标定板和标定标记固定在所述定位平台上,所述成像系统和摄像机采集所述标定板图像并通过图像采集卡传输至控制计算机;
步骤2:所述控制计算机获取标定板上普通标定点的图像坐标系坐标与标定板坐标系坐标;
步骤3:建立标定板上普通标定点点阵的图像坐标系与标定板坐标系的关系;
步骤4:所述控制计算机通过所述运动控制卡控制定位平台移动,使得标定标记在摄像机视场内成像,并使标定标记在摄像机视场内多次移动,分别采集每次移动的标定标记图像且分别记录当前定位平台的读数,将此读数作为定位平台外部坐标系坐标;
步骤5:所述控制计算机获取标定标记的图像坐标;
步骤6:利用步骤3建立的图像坐标系与标定板坐标系的关系,根据步骤5获取的标定标记的图像坐标,计算标定标记的标定板坐标系坐标;
步骤7:通过步骤6计算出的标定标记的标定板坐标系坐标与步骤4得出的定位平台外部坐标系坐标,建立标定板坐标系与定位平台外部坐标系的关系;
步骤8:通过步骤3建立的所述图像坐标系与标定板坐标系之间的关系以及步骤7建立的标定板坐标系和定位平台外部坐标系之间的关系,建立图像坐标系与定位平台外部坐标系之间的关系。
6.如权利要求5所述的标定方法,其特征在于,所述步骤2中获取的普通标定点在两种坐标系下的坐标是通过亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法。
7.如权利要求6所述的标定方法,其特征在于,所述亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法包括以下步骤:
步骤21:将所述标定板通过定位平台移入所述成像系统和摄像机的图像采集视场,采集当前图像传输至控制计算机;
步骤22:对标定板图像进行降低或消除噪声的预处理,获得预处理后的图像;
步骤23:对预处理后图像进行自动阈值分割,获得一幅二值图像作为索引图像;
步骤24:通过索引图像对原始图像进行图像分割,获取一组每个图像只含一个标定点的子图像;
步骤25:采用立方插值方法对获取的子图像进行亚像素处理;
步骤26:采用坎尼算法对子图像进行边缘检测,通过梯度方向多项式拟合的方法获取亚像素边缘位置,通过霍夫变化拟合标定点形状,剔除与该形状位置差距较大的点;
步骤27:对获取的亚像素边缘,通过边缘跟踪和连接算法,将其变换成唯一的多边形,并且通过三角形分割法求单个标定点的形心位置,作为其图像坐标。
8.如权利要求6所述的标定方法,其特征在于,所述步骤2中还可基于所述亚像素边缘检测和形心提取的标定点提取算法进一步获取基于标定板上定位标定点的图像坐标系坐标与标定板坐标系坐标,根据图像中和标定板上普通标定点与定位标定点相对位置关系,确定普通标定点更高精度的标定板坐标系坐标。
9.如权利要求5所述的标定方法,其特征在于,所述步骤3中两坐标系关系的建立是通过基于标定点阵的标定算法。
10.如权利要求9所述的标定方法,其特征在于,所述标定点阵的标定算法采用自适应多项式曲面拟合法。
11.如权利要求5所述的标定方法,其特征在于,所述步骤5中控制计算机通过模式识别算法获取标定标记的图像坐标。
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