CN103257533B - 一种光刻机的自动调焦方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机的自动调焦方法，涉及包括图像的平均调焦评价函数的计算方法和调焦机构的自动运行方法。其中平均调焦评价函数的计算方法主要采用分块的形式，以变步长平移子块，粗调焦时平移步长增大，细调焦时平移步长减小，并采用连续多帧图像的多重平滑方法得到最终的平均调焦评价函数。调焦机构的自动运行方法采用改进的爬山法，将当前位置的平均调焦评价函数与前两个步长的平均调焦评价函数进行比较，根据比较结果决定调焦机构正向运行或者反向运行。再根据调焦步长与所要求的调焦精度的关系判断是否调焦结束。本发明方法具有运算速度快、灵敏度高、精度高、抗干扰能力强、稳定性好的特点。

Description

一种光刻机的自动调焦方法

技术领域

本发明涉及光刻机自动调焦和数字图像处理领域，具体涉及一种光刻机自动调焦方法。

背景技术

随着现代高精密机械加工设备的迅速发展，光刻机技术的发展空间和重要性也日益加大。随着科技的进步和人类对更高更精细工艺的追求，经历了从接触式光刻机、接近式光刻机、全硅片扫描投影式光刻机、分布重复投影式光刻机到目前普遍采用的步进式扫描投影式光刻机的发展历程。每一个阶段的进步都是朝着刻划速度快、精度高、耗时短、成本低、稳定性高的目标发展。而其中的刻划精度尤为重要，它直接决定了刻划光栅尺的精度，所以每一个影响光刻机刻划精度的环节都是关键技术。

曝光系统则是光刻机的一个重要系统，它严重影响了刻划出的图形质量。在光刻机的曝光过程中，基片上光刻胶的厚度、面行起伏或者投影物镜焦平面的微小位移等因素都会造成投影图形的离焦，从而严重影响光栅尺的质量和精度。因此必须通过调焦系统的调节，使得在整个刻划过程中基片始终处于投影物镜的最佳成像平面位置，从而保证刻划出的图形是清晰的。

自动调焦方法主要包括两部分：一是计算图像的调焦评价函数，二是确定调焦机构的自动运行方法。目前，国内外提出的调焦评价函数主要分为如下几类：灰度梯度函数、频域函数、信息学函数和统计学函数。其中灰度梯度函数主要包括绝对方差函数、Roberts梯度和函数、梯度向量平方函数、Tenengrad函数、Laplacian函数等。灰度梯度函数计算简单，运行速度快，但不同的函数又存在各自的缺点。如绝对方差函数和Roberts梯度和函数对于复杂的图像容易受噪声的影响而导致错误聚焦；梯度向量平方函数虽然抗干扰能力强，但在有些情况下变化趋势过于平缓，易导致较大的聚焦误差；Tenengrad函数曲线变化平缓，单峰性差；Laplacian函数虽然平滑性好且有明显的单峰性，但在微调焦范围内调焦效果不理想。频域函数主要有全频段积分函数、阈值积分函数等。由于频域函数计算公式复杂，计算量大，所以应用较少。信息学函数主要指熵函数。熵函数的平滑性较好，但灵敏度不如灰度梯度函数且计算时间较长。统计学函数平滑性较差，严重了影响了调焦精度。调焦机构的自动运行方法最常用的是爬山法。该方法抗干扰能力差，容易导致错误聚焦。

发明内容

本发明为解决现有的自动调焦方法的抗干扰能力差、容易导致错误聚焦等问题，提供一种光刻机的自动调焦方法。

一种光刻机的自动调焦方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、CCD相机采集图像信息，并将采集的图像信息传送至计算机；

步骤二、计算机接收图像信息，并计算当前位置的图像的平均调焦评价函数F_navg，所述n为正整数，且n大于等于2；

所述图像的平均调焦评价函数的具体计算过程为：

步骤二一、计算机对接收的图像进行分块，在每个子块内找到最大灰度值与最小灰度值，并根据最大灰度值与最小灰度值，获得每个子块的最大梯度平方值；

步骤二二、将子块进行平移，所述子块遍历整幅图像后，计算所有子块的梯度平方和，获得整幅图像的调焦评价函数；

步骤二三、连续采集k+1帧图像，重复步骤二一和步骤二二，获得k+1帧图像的调焦评价函数；

步骤二四、对步骤二三获得的k+1帧图像的调焦评价函数计算k重平滑均值，所述k重平滑均值为： $F_m^k=\min (F_m^{k-1},{F_{m-1}}^{k-1})+|F_m^{k-1}-{F_{m-1}}^{k-1}|/2,$ 即当前位置图像的平均调焦评价函数所述k为正整数，且k大于等于2。

步骤三、设定调焦机构的调焦步长，所述调焦步长大于调焦精度，记录并保存当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数；

步骤四、计算机判断当前位置图像的平均调焦评价函数是否小于前两步图像的平均调焦评价函数，如果否，则执行步骤五；如果是，则执行步骤六；

步骤五、所述调焦机构沿Z轴运行方向继续运行，返回步骤四；

步骤六、判断调焦步长是否大于调焦精度，如果是，则将调焦步长减半，然后沿Z轴运行方向的反方向运行；返回步骤四；如果否，自动调焦结束。

本发明的有益效果：

一、本发明采用分块的方法计算区域最大梯度，使得调焦评价函数更具灵敏性。

二、本发明采用变步长平移子块，粗调焦时步长增大，细调焦时步长减小。相较于已有调焦函数计算速度快，精度高。

三、本发明计算平均调焦评价函数时采用多重平滑均值，抑制单帧脉冲噪声的影响，使方法的稳定性更好，鲁棒性强。

三、本发明中调焦机构的自动运行方法采用改进的爬山法，与传统的爬山法相比，抗干扰能力强，不易导致错误聚焦。

附图说明

图1是光刻机自动调焦方法流程图；

图2是计算平均调焦评价函数流程图；

图3是光刻机自动调焦装置结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种光刻机的自动调焦方法主要包括两个部分：第一部分是图像的平均调焦评价函数的计算方法，第二部分是调焦机构的自动运行方法，具体步骤为：

步骤一、CCD相机采集图像信息，并将采集的图像信息传送至计算机；

步骤二、计算机接收图像信息，并计算当前位置图像的平均调焦评价函数F_navg，所述n为正整数，且n大于等于2；

步骤A、计算机将采集的图像进行分块，在每个子块内找到最大灰度值与最小灰度值，并根据最大灰度值与最小灰度值，获得每个子块的最大梯度平方值。

步骤B、将子块进行平移，所述平移步长根据调焦精度设定，子块遍历整幅图像后，计算所有子块的梯度平方和，获得整幅图像的调焦评价函数。

步骤C、连续采集k+1帧图像，重复步骤A至步骤B，获得k+1帧图像的调焦评价函数F_m、F_m-1、F_m-2、、、F_m-k。所述F_m为第m帧图像的调焦评价函数。

步骤D、对k+1帧图像的调焦评价函数计算多重平滑均值，一重平滑均值结果为F_m ¹、F_m-1 ¹、F_m-2 ¹、、、F_m-k-1 ¹，其中F_m ¹=min(F_m,F_m-1)+|F_m-F_m-1|/2，F_m-1 ¹=min(F_m-1,F_m-2)+|F_m-1-F_m-2|/2，F_m-k+1 ¹=min(F_m-k+1,F_m-k)+|F_m-k+1-F_m-k|/2。二重平滑均值结果为F_m ²、F_m-1 ²、F_m-2 ²、、、F_m-k+2 ²，其中F_m ²=min(F_m ¹,F_m-1 ¹)+|F_m ¹-F_m-1 ¹|/2，F_m-k+2 ²=min(F_m-k+2 ¹,F_m-k+1 ¹)+|F_m-k+2 ¹-F_m-k+1 ¹|/2、、、k重平滑均值结果为 $F_m^k=\min ({F_m}^{k-1},{F_{m-1}}^{k-1})+|{F_m}^{k-1}-{F_{m-1}}^{k-1}|/2,$ 即为最终的平均调焦评价函数F_navg， $F_{\mathrm{navg}}=F_m^k.$

步骤三、设定调焦机构的调焦步长为d（d>调焦精度），记录并保存当前位置的前两步的图像的平均调焦评价函数F_(n-1)avg、F_(n-2)avg；初始状态时，F_navg=F_(n-1)avg=F_(n-2)avg。

步骤四、计算机判断当前位置图像的平均调焦评价函数F_navg与前两步图像的平均调焦评价函数F_(n-1)avg、F_(n-2)avg的关系，如果不满足F_navg<F_(n-1)avg<F_(n-2)avg，则调焦机构沿着该运行方向继续运行，如果满足F_navg<F_(n-1)avg<F_(n-2)avg，则判断调焦步长与调焦精度之间的关系，如果调焦步长大于调焦精度，则将调焦步长减半，然后沿该运行方向的反方向运行。如此反复运行，直到调焦步长小于调焦精度，自动调焦结束。

下述为本实施方式所述的计算图像的平均调焦评价函数的具体实施例：

步骤a、计算机将采集的图像进行分块，例如块的大小取3×3。在每一个子块p内找到最大灰度值f_pmax，最小灰度值f_pmin,得出每一子块的最大梯度平方T_p=(f_pmax-f_pmin)²。

步骤b、将子块进行平移，平移步长q可以根据调焦精度设定，进行粗调焦时，步长q满足2≤q≤5，例如取q=3个像素，这样运行速度快。进行细调焦时，则步长q满足1≤q≤3，例如取q=1个像素，此时精度高。子块遍历整幅图像后，计算所有子块的梯度平方和，获得整幅图像的调焦评价函数，用公式表示为：式中。l为子块个数，F为调焦评价函数。

步骤c、连续采集k+1帧图像，重复步骤A至步骤B，获得k+1帧图像的调焦评价函数F_m、F_m-1、F_m-2、、、F_m-k。

步骤d、对k+1帧图像的调焦评价函数计算多重平滑均值，所述一重平滑均值结果为F_m ¹、F_m-1 ¹、F_m-2 ¹、、、F_m-k-1 ¹，其中F_m ¹=min(F_m,F_m-1)+|F_m-F_m-1|/2，F_m-1 ¹=min(F_m-1,F_m-2)+|F_m-1-F_m-2|/2，F_m-k+1 ¹=min(F_m-k+1,F_m-k)+|F_m-k+1-F_m-k|/2。二重平滑均值结果为F_m ²、F_m-1 ²、F_m-2 ²、、、F_m-k+2 ²，其中F_m ²=min(F_m ¹,F_m-1 ¹)+|F_m ¹-F_m-1 ¹|/2，F_m-k+2 ²=min(F_m-k+2 ¹,F_m-k+1 ¹)+|F_m-k+2 ¹-F_m-k+1 ¹|/2……k重平滑均值结果为 $F_m^k=\min ({F_m}^{k-1},{F_{m-1}}^{k-1})+|{F_m}^{k-1}-{F_{m-1}}^{k-1}|/2,$ 即为最终的平均调焦评价函数F_navg，在本实施方式中取k=2。

结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的光刻机的自动调焦方法中涉及的装置包括光刻机光源1、准直透光镜2、数字微镜元件DMD3、半反半透镜4、调焦机构5、基片6、CCD相机7和PC机8；

光刻机光源1，经准直透光镜2准直后变为平行光，平行光照在数字微镜元件DMD3上，由DMD3反射的光通过半反半透镜4后，进入调焦机构5，从调焦机构5出来照在基片6上，基片6反射的光又经调焦机构5照在半反半透镜4上，经半反半透镜4反射后进入CCD相机7，然后采集的图像数据由PC机8进行处理。

本实施方式所述的CCD相机7与半反半透镜304之间的距离和DMD3与半反半透镜304之间的距离相等，目的是CCD相机7采集的图像大小与DMD3显示的图像大小比例关系为1：1。

本实施方式所述的调焦机构包括压电陶瓷、投影光刻物镜，具体的实现的功能：压电陶瓷沿Z轴运行，实现自动调焦功能；投影光刻物镜具有图像缩放、消除像差、消除像素间栅格的功能。

Claims (2)

1.一种光刻机的自动调焦方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、CCD相机采集图像信息，并将采集的图像信息传送至计算机；其特征是，

步骤二、计算机接收图像信息，并计算当前位置图像的平均调焦评价函数F_navg，所述n为正整数，且n大于等于2；

所述图像的平均调焦评价函数的具体计算过程为：

步骤二一、计算机对接收的图像进行分块，在每个子块内找到最大灰度值与最小灰度值，并根据最大灰度值与最小灰度值，获得每个子块的最大梯度平方值；

步骤二二、将子块进行平移，所述子块遍历整幅图像后，计算所有子块的梯度平方和，获得整幅图像的调焦评价函数；

步骤二三、连续采集k+1帧图像，重复步骤二一和步骤二二，获得k+1帧图像的调焦评价函数；

步骤二四、对步骤二三获得的k+1帧图像的调焦评价函数计算k重平滑均值，所述k重平滑均值为： $F_m^k=\min ({F_m}^{k-1},{F_{m-1}}^{k-1})+|{F_m}^{k-1}-{F_{m-1}}^{k-1}|/2,$ 即当前位置图像的平均调焦评价函数所述k为正整数，且k大于等于2；

步骤三、设定调焦机构的调焦步长，所述调焦步长大于调焦精度，记录并保存当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数；

步骤四、计算机判断当前位置图像的平均调焦评价函数是否小于前两步图像的平均调焦评价函数，如果否，则执行步骤五；如果是，则执行步骤六；

步骤五、所述调焦机构沿Z轴运行方向继续运行，返回步骤四；

步骤六、判断调焦步长是否大于调焦精度，如果是，则将调焦步长减半，然后沿Z轴运行方向的反方向运行；返回步骤四；如果否，自动调焦结束。

2.根据权利要求1所述的一种光刻机的自动调焦方法，其特征在于，在初始状态时，当前位置图像的平均调焦评价函数与前两步图像的平均调焦评价函数相等。