CN103471508A

CN103471508A - 一种剪切位移散斑测量方法及装置

Info

Publication number: CN103471508A
Application number: CN2012101867518A
Authority: CN
Inventors: 池景春; 兰艳平
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-06-08
Also published as: CN103471508B

Abstract

本发明公开一种剪切位移散斑测量方法，包括：将两激光光束合束后投射至一粗糙表面后得到一散射光，将该散射光经一半透半反镜后改变方向并分成两束光，其中第一光束分别经过第一透镜和第一探测器获得该散射光的多色散斑图，根据该多色散斑图得到被测表面偏转俯仰角度，第二光束分别经过一滤波片、第二透镜和第二探测器获得该散射光的单色散斑图，根据该单色散斑图得到被测表面的移动距离，将该移动距离消除该被测表面偏转后获得一剪切位移。本发明同时公开一种剪切位移散斑测量装置。

Description

一种剪切位移散斑测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种剪切位移散斑测量方法及装置。

背景技术

光学及光电测试中，对探测器位置准确进行测量是保证精度的一个前提。对微小位移精确探测的非接触式方法中用得最普遍的是激光干涉法，此法通过对比被测光路光程与其内部参考光路光程差来实现对被测对象沿光路方向位置改变，具有很高的测量精度，但其结构复杂，造价昂贵，而且受温度气压等因素影响，对环境要求严格，操作复杂。

散斑相关法是另一种非接触测量方法，这种方法精度不及激光干涉仪，但有结构简单，操作简便的特点。随机粗糙表面在相干光照射下将产生散斑。散斑是由粗糙面上不同面元散射光在探测面叠加形成的无序相干图样，它的空间强度分布服从统计规律，用CCD相机在远场对其进行采集，得到的是一组随机分布的颗粒状亮暗斑点。散斑统计信息与被照射表面形貌密切相关，被照粗糙面发生移动或偏转时，散斑斑粒也同步移动。当入射激光中包括两种或两种以上波长邻近（几十纳米）的光时，远场观测到的是一种呈辐射状分布的多色散斑场。多色散斑场是由波长扩散效应产生：两束共轴入射光产生的散斑场分布以光轴为中心，斑粒沿径向有一定错位，从而形成沿径向发散的散斑图样。

在已公开技术中，如CN2391169、CN1275712及CN1844844中所公开的技术方案所示，现有技术中主要使用的散斑相关法包括：精度较高的有飞秒透射激光散斑相关法，粗糙样板反射激光散斑相关法，两者都是根据运动前后散斑图相关度计算出被测面位移量，精度可达亚像素级，但测量精度受被测对象运动时偏摆影响。

现有技术中需要一种新高精度的剪切位移散斑测量方法及装置。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种剪切位移散斑测量方法及装置，该技术方案对散斑测量法中存在的角度偏差进行了修正，保证了测试精度。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种剪切位移散斑测量方法，包括：将两激光光束合束后投射至一粗糙表面后得到一散射光，将该散射光经一半透半反镜后改变方向并分成两束光，其中第一光束分别经过第一透镜和第一探测器获得该散射光的多色散斑图，根据该多色散斑图得到被测表面偏转俯仰角度，第二光束分别经过一滤波片、第二透镜和第二探测器获得该散射光的单色散斑图，根据该单色散斑图得到被测表面的移动距离，将该移动距离消除该被测表面偏转后获得一剪切位移。

本发明还同时公开一种剪切位移散斑测量装置，包括：第一光源和第二光源，该第一第二光源所发出的光束经一合束器后投射至一粗糙表面后得到一散射光，该散射光经一半透半反镜后分成两束光，其中第一光束分别经过第一透镜和第一探测器获得该散射光的多色散斑图，根据该多色散斑图得到被测表面偏转俯仰角度，第二光束分别经过一滤波片、第二透镜和第二探测器获得该散射光的单色散斑图，根据该单色散斑图得到被测表面的移动距离，将该移动距离消除该被测表面偏转后获得一剪切位移。

更进一步地，该第一光源和第二光源均为激光光源。该合束器为光纤耦合器。该第一第二探测器为CCD探测器。该滤波器为窄带滤波器。

与现有技术相比较，本发明采用被测对象位置状态改变前后两次反射单色散斑图像的相关程度来确定剪切位移量，并通过多色散斑角度测量装置来监测被测对象在实际运动过程中倾斜俯仰的变化，在结果中消除这部分影响，从而保证剪切位移测量精度。散斑场由半导体激光照射随机粗糙样板产生，在反射方向由CCD相机采集得到，样板安装在被测对象上，激光器和探测器在被测对象同一侧。整个装置包括两个半导体激光器，两个半透半反镜，两个聚焦透镜，一块随机粗糙样板及两个CCD相机。采用统计方法对图像进行分析可以避免条纹识别和计数的繁琐，提高了处理速度，可实现在线测量，精度达到亚像素级。与激光干涉仪相比，，具有结构紧凑，操作简便，节省成本，节省空间等特点；与散斑相关法现有技术相比，加入了角度修正装置，保证了测试精度。

附图说明

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。

图1是本发明所涉及的剪切位移散斑测量装置的结构示意图；

图2是多色散斑示意图；

图3是多色散斑各区域斑粒方向的示意图；

图4是移动前后散斑图及相关函数仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的磁浮平面电机及应用该电机的光刻装置。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

如图1中所示，图1是本发明所涉及的剪切位移散斑测量装置的结构示意图。半导体激光器1a和2b发出激光经光纤耦合器2合束后垂直照射在标准随机粗糙样板3上。随机粗糙样板3表面在相干光照射下将产生散斑。散斑是由粗糙面上不同面元散射光在探测面叠加形成的无序相干图样，它的空间强度分布服从统计规律，用CCD相机在远场对其进行采集，得到的是一组随机分布的颗粒状亮暗斑点。散斑统计信息与被照射表面形貌密切相关，被照粗糙面发生移动或偏转时，散斑斑粒也同步移动。当入射激光中包括两种或两种以上波长邻近（几十纳米）的光时，远场观测到的是一种呈辐射状分布的多色散斑场。多色散斑场是由波长扩散效应产生：两束共轴入射光产生的散斑场分布以光轴为中心，斑粒沿径向有一定错位，从而形成沿径向发散的散斑图样。入射光在粗糙样板3表面发生散射，散射光由半透半反镜41改变传播方向，再由一半透半反镜42分成两路进入光路采集单元4。两路散射光进入光路采集单元4，其中一路包括一个聚焦透镜44及其后焦面上的CCD相机46，进行角度监测。另一路先经过一片窄带滤波片滤波43，再由聚焦透镜45和CCD相机47采集，进行剪切位移监测。实测时两CCD相机同时对被测表面运动前后的散斑场进行采集，其中CCD相机46采集到的为多色散斑图，CCD相机47采集到的为单色散斑图。设计算法进行图像处理，多色散斑场得到被测表面偏转俯仰角度，单色散斑场得到移动距离。需要说明的是，单色散斑图处理得出的移动距离是被测表面平移和偏转共同叠加的结果，消除由偏转部分影响所得到的才是需要的剪切位移。

1、角度测量：

多色散斑场中心为入射合束光主反射光轴与探测面的交点，当被测面在运动过程中发生偏转或俯仰时，光线主反射方向发生变化，CCD相机46探测到的多色散斑场中心位置也随着变化。计算出运动前后多色散斑场中心位置的变化量，即可推算出被测表面的偏转俯仰量。

多色散斑场一个显著的特征是斑粒延伸效应（speckle elongation effect），即散斑场中心附近一个环形区域内斑粒呈延长状，不同区域斑粒延长轴相交于场中心。一个区域的散斑特性可以通过该区域光强自相关函来表征：

，

其中，I是光强值，

是平均光强，i是像素横坐标，j是像素纵坐标。

二维局部自相关函数分布反应了该区域斑粒延伸轴方向（见图3），通过计算斑粒横向和纵向统计尺寸的比值

（见图3）即可定量地表示出斑粒延伸轴方向，再选取几个不同区域计算，不同区域轴的交点即是散斑场中心位置。被测表面运动前后散斑场中心的变化即可计算出角度改变量。

2、位移测量：

被测对象移动前后，两个相机同时采集两幅图，由于前放置了一个窄带滤波片，只容一个波长反射光透过， CCD相机47收集到的是单色散斑场。单色散斑场光强分布服从负指数规律，被测对象发生移动时，采集到的图像相应发生移动，移动前后两幅图（分别记为A和B）的位置偏差可以用它们的二维互相关函数表示出：

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE008

,

其中分别是以像素为单位的位置坐标，A是移动前的散斑图，B是移动后的散斑图，

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE012

分别是AB两幅散斑图的偏移量。A

都为pixel为单位。计算出不同

值对应的相关系数

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE014

，相关函数峰值位置对应被测对象偏移距离，对比A图自相关函数和A、B两图互相关函数峰值位置即可得出

（见图4）。

是两幅散斑图的偏移量，这里的偏移量一部分由被测表面平移构成，另一部分由被测表面旋转俯仰导致。要得到准确的剪切向位移，还要作进一步处理将旋转俯仰的影响消除。

3、数据处理：

假设被测对象运动前后多色散斑场中心位置变化(,

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE018

)像素，单色散斑场偏移量为(

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE020

,

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE022

)像素；透镜1焦距为

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE024

，透镜2焦距为

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE026

，CCD1放大倍率为，CCD2放大倍率为

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE030

，光敏单元大小都记为。由图1所示光路可知，多色散斑场中心位置变化（

,

）对应被测对像角度改变量为：

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE034

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE036

消除角度影响后的剪切位移量为：

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE038

Figure 2012101867518100002DEST_PATH_IMAGE040

其中(

,

)为被测对象运动前后多色散斑场中心位置变化量，(

,

)为单色散斑场偏移量，

为第一透镜的焦距，为第二透镜的焦距，为第一探测器的放大倍率，

为第二探测器的放大倍率，

为光敏单元大小。被测对象连续运动过程中，只要设定CCD相机以一定频率进行图像采集，及时处理，即可实现动态监控，在线测量，实验证明，测量精度可达到亚像素级。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims

1.一种剪切位移散斑测量方法，其特征在于，包括：将两激光光束合束后投射至一粗糙表面后得到一散射光，将所述散射光经一半透半反镜后改变方向并分成两束光，其中第一光束分别经过第一透镜和第一探测器获得所述散射光的多色散斑图，根据所述多色散斑图得到被测表面偏转俯仰角度，第二光束分别经过一滤波片、第二透镜和第二探测器获得所述散射光的单色散斑图，根据所述单色散斑图得到被测表面的移动距离，将所述移动距离消除所述被测表面偏转后获得一剪切位移。

2.如权利要求1所述的剪切位移散斑测量方法，其特征在于，所述滤波器为窄带滤波器。

3.一种剪切位移散斑测量装置，其特征在于，包括：第一光源和第二光源，所述第一第二光源所发出的光束经一合束器后投射至一粗糙表面后得到一散射光，所述散射光经一半透半反镜后分成两束光，其中第一光束分别经过第一透镜和第一探测器获得所述散射光的多色散斑图，根据所述多色散斑图得到被测表面偏转俯仰角度，第二光束分别经过一滤波片、第二透镜和第二探测器获得所述散射光的单色散斑图，根据所述单色散斑图得到被测表面的移动距离，将所述移动距离消除所述被测表面偏转后获得一剪切位移。

4.如权利要求3所述的剪切位移散斑测量装置，其特征在于，所述第一光源和第二光源均为激光光源。

5.如权利要求3所述的剪切位移散斑测量装置，其特征在于，所述合束器为光纤耦合器。

6.如权利要求3所述的剪切位移散斑测量装置，其特征在于，所述第一第二探测器为CCD探测器。

7.如权利要求3所述的剪切位移散斑测量装置，其特征在于，所述滤波器为窄带滤波器。