CN102193340A - 一种投影光刻调焦的图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影光刻调焦的图像处理方法，所述的方法首先根据列向求和投影的波峰，初步求得中线位置，进行粗调焦。采用波峰识别方法和图像细分算法对目标线条进行精确定位。进而求得目标线条与指定最佳焦面位置的离焦量，控制工件台运动调整硅片达到最佳焦面位置，提高曝光线条质量和集成电路生产的成品率。该方法具有容易实现，抑制噪声能力强，快速处理的特点。

Description

一种投影光刻调焦的图像处理方法

技术领域

本发明属于投影光刻设备领域中的光度检焦技术，涉及一种投影光刻调焦快速图像处理方法，应用该方法控制工件台运动调整离焦量，实现逐场自动调焦。

背景技术

光刻装置(光刻机)是大规模集成电路生产的重要设备之一。投影光刻机可将掩模板上的图形通过成像曝光装置按一定比例投影到要加工的对象上(如硅片等)，硅片在这里泛指所有被曝光对象，包括衬底、镀膜和光刻胶等。

由瑞利公式R＝k₁λ/NA(k₁工艺系数因子)可知，分辨力的提高可通过增大光刻物镜数值孔径NA和缩短曝光波长λ实现，为了提高分辨力总是以牺牲较深为代价。但如果实际较深达不到光刻工艺所要求的较深容限，将严重影响曝光线条质量和集成电路生产的成品率。精确调焦对投影光刻技术向更高分辨力挺进起关键作用。

目前，步进扫描投影光刻机中所采用的调焦测量系统通常为光电测量系统，如：基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)、基于狭缝和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US6765647B1)、和基于光栅莫尔条纹的广电探测方法(中国专利：200710171968)。上述方法均需应用图像处理方法进行定位，作为一个过程要求实用、快速、高效。现有的专利方法均是针对边缘检测的偏多，针对边缘细节方法复杂，计算时间较长。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种能在最短的时间内精确定位目标的位置的投影光刻调焦的图像处理方法。

为了实现所述目的，本发明提供的一种投影光刻调焦的图像处理方法的技术方案包括以下步骤：

步骤S1：获取待处理图像；

步骤S2：对图像进行列向投影求和，根据投影序列像素的最大值所对应的像元位置初步确定目标线条的位置；

步骤S3：测量的目标线条是由光源透过狭缝形成的条形光斑经镜组成像在基片上，基片上的条形光斑再由镜组放大后成像在图像传感器CCD的像面上形成的目标线条；根据狭缝的宽度及透镜的放大倍率计算出目标线条的宽度，以目标线条的位置为中心，保留2倍目标线条宽度的像素信息进行图像分割，得到分割的图像；

步骤S4：求分割的图像每一行的水平灰度响应，定义每一行水平灰度响应的最大值和最小值之和的2/3为相应的阈值，对每个灰度响应曲线在阈值处进行两点线性插值，求得边界；再由每一行的边界求取每一行的中心位置，得到目标线条的中心点集；

步骤S5：应用最小二乘法，将目标线条的中心点集拟合成直线，求出拟合直线与最佳焦面位置的距离d；

步骤S6：将距离d与设定的最小误差距离值d_g进行比较，如果距离d小于最小误差距离值d_g，则结束调焦；如果距离d不小于最小误差距离值d_g，则控制工件台运动，调整硅片的上下位置。

其中，识别目标线条边界是采用波峰识别方法获取标记边界和中心，切割波峰的灰度切割阈值

其中G_xmax和G_xmin为第i行像元在不同位置p处的的水平方向灰度响应G_x(i，p)的最大值和最小值。

其中，设定的最小误差距离值d_g是按操作者的要求提供接口，由操作者个人设定。

本发明的有益效果是：本发明根据列向求和投影的波峰，初步求得中线位置，进行粗调焦。采用波峰识别方法和图像细分算法对目标线条进行精确定位；进而求得目标线条与指定最佳焦面位置的离焦量，控制工件台运动调整硅片达到最佳焦面位置。该方法具有较好的低通滤波性不仅提高抗噪声能力，而且大大提高了计算速度，精确定位目标线条。该方法容易实现，处理快速，缩减调焦时间，提高光刻产量。

附图说明

图1是本发明的系统原理图

图2是本发明实施例的光刻检焦快速图像处理方法流程示意图

图3A为采集的待处理图像，图3B为列向投影求和后像元位置同灰度的序列图。

图4是图像处理差值细分算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为利用图像传感器CCD进行光刻检焦的原理图，光源透过狭缝形成的条形光斑经镜组1成像在基片上，基片上的条形光斑再由镜组2放大后成像在图像传感器CCD的像面上，形成目标线条。采用三角测量法，通过在计算机上求目标线条的离焦量Δb，进而求得与最佳焦面产生的位移ΔZ。相关参数的关系如下：

$\mathrm{\Δa}=\mathrm{\ΔZ}\frac{\sin 2\mathrm{\γ}}{\sin \mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

Δa＝kΔb                            (2)

由式(1)和式(2)可得

$\mathrm{\ΔZ}=\mathrm{k\Δb}\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\sin 2\mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

式中Δa为两次反射光束产生的位移、γ为光源入射到硅片上的入射角，ΔZ为与最佳焦面产生的位移，Δb为在图像传感器CCD上测得的位移，k为镜组2的放大倍率。

本发明就是利用图像处理方法求计算机上目标线条的离焦量Δb，然后控制工件台运动，已到达将硅片调整到最佳焦面的目的。整个过程要求快速、高效、实用。本发明的具体处理方法流程如图2所示，分为以下步骤：

步骤S1：应用图像传感器CCD或四象限探测器采集图像信息。

步骤S2：对于获得的w×h的数字图像f(x_i，y_j)，如图3A示出。对其进行列向投影求和S_rj表示为：

$S_{\mathrm{rj}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{h}f(x_i,y_i)(j=\mathrm{1,2},...,w)---\left(4\right)$

式中，r代表数字图像的列向，i为一列数字图像的第i个像素，w为数字图像的宽度，h为数字图像的高度，x_i、y_i为数字图像f(x_i，y_i)对应的行、列的像素值。

如图3B为得到的像元位置同灰度的序列图，求出该序列图的灰度最大值A。灰度最大值A所对应的像元位置就是目标线条的位置。这种算法具有较好的低通滤波特性，能降低随机噪声和离散噪声对边缘定位的影响。目标线条的位置与最佳焦面位置C(如图3A)之间的距离称之为离焦量。

步骤S3：由于目标线条的宽度可以根据狭缝的宽度及透镜的放大倍率计算出，目标线条的位置也已由灰度最大值A所对应的像元位置所确定，因此可进行图像分割。分割方式是以目标线条的位置为中心，保留2倍目标线条宽度，分割为3部分(如图3A)，如果目标线条位于图像的边缘则分割为2部分，图3A为分割3部分的结果，仅保留第2部分，这样不仅提高了抗噪声能力，而且极大提高了计算速度。

步骤S4：图像的细分，如图4所示G_x(i，p)为经过步骤S3处理后的图像第i行像元在不同位置p处的的水平方向灰度响应。由G_x(i，p)的最大值G_xmax和最小值G_xmin，求出灰度切割阈值T(i)：

$T\left(i\right)=\frac{2}{3}(G_{x\max }+G_{x\min })---\left(5\right)$

对G_x(i，p)，每个峰在灰度切割阈值T(i)处进行两点线性插值如图8，得到插值采样点[m，G_x(i，m)]、[m+1，G_x(i，m+1)]、[n，G_x(i，n)]和[n+1，G_x(i，n+1)]，m、n为灰度切割阈值处左右两侧对应灰度数据的最接近值。即可求得图像第i行直线的左右边缘位置E_L(i)和E_R(i)：

$E_L\left(i\right)=m-\frac{G_x(i,m+1)-T\left(i\right)}{G_x(i,m+1)-G_x(i,m)}---\left(6\right)$

$E_R\left(i\right)=n+\frac{G_x(i,n)-T\left(i\right)}{G_x(i,n)-G_x(i,n+1)}---\left(7\right)$

对图像的每一行每一列均进行差值，得出该直线在第i行的中心C_x(i)表示如下：

$C_x\left(i\right)=\frac{E_L\left(i\right)+E_R\left(i\right)}{2}---\left(8\right)$

步骤S5：对于直线中心点集C[C_x(i)，Y(i)]，式中Y(i)为中心点集的直线方程。其表达式为：

Y(i)＝aC_x(i)+b                        (9)

应用最小二乘法：

$\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^2=\underset{i=0}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}a{C}_x\left(i\right)+b-Y\left(i\right)=F(a,b)---\left(10\right)$

式中

为第i列的最小残差、F(a，b)为直线方程系数a、b的函数。可见求残差平方和是a、b的函数，求残差平方和最小时的a、b值，从而得到中线方程。该直线的所在位置即为当前的真实焦面位置。求得中线方程与最佳焦面位置C的距离d。

步骤S6：如果步骤S5求的距离d小于设定的最小误差距离值d_g则完成调焦工作。否则执行步骤S1，直至距离d小于设定的最小误差距离值d_g为止。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种投影光刻调焦的图像处理方法，其特征在于，所述图像处理的步骤包括：

步骤S1：获取待处理图像；

步骤S2：对图像进行列向投影求和，根据投影序列像素的最大值所对应的像元位置初步确定目标线条的位置；

步骤S3：测量的目标线条是由光源透过狭缝形成的条形光斑经镜组成像在基片上，基片上的条形光斑再由镜组放大后成像在图像传感器CCD的像面上形成的目标线条；根据狭缝的宽度及透镜的放大倍率计算出目标线条的宽度，以目标线条的位置为中心，保留2倍目标线条宽度的像素信息进行图像分割，得到分割的图像；

步骤S4：求分割的图像每一行的水平灰度响应，定义每一行水平灰度响应的最大值和最小值之和的2/3为相应的阈值，对每个灰度响应曲线在阈值处进行两点线性插值，求得边界；再由每一行的边界求取每一行的中心位置，得到目标线条的中心点集；

步骤S5：应用最小二乘法，将目标线条的中心点集拟合成直线，求出拟合直线与最佳焦面位置的距离d；

步骤S6：将距离d与设定的最小误差距离值d_g进行比较，如果距离d小于最小误差距离值d_g，则结束调焦；如果距离d不小于最小误差距离值d_g，则控制工件台运动，调整硅片的上下位置。

2.根据权利要求1所述的投影光刻调焦的图像处理方法，其特征在于：识别目标线条边界是采用波峰识别方法获取标记边界和中心，切割波峰的灰度切割阈值

其中G_xmax和G_xmin为第i行像元在不同位置p处的的水平方向灰度响应G_x(i，p)的最大值和最小值。

3.根据权利要求1所述的投影光刻调焦的图像处理方法，其特征在于：设定的最小误差距离值d_g是按操作者的要求提供接口，由操作者个人设定。

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