CN104181671A - 基于象散法进行对焦的方法和相应的对焦系统 - Google Patents

Abstract

现有的象散法对焦中，出射光的光强可能在很大范围内变化，可能会使得对焦曲线的漂移过大而超出系统对焦容差。本发明提出了基于象散法进行对焦的方法和相应的对焦系统，该方法判断该出射光的光强是否处于一定范围内，该一定范围保持该象散法的对焦数据曲线的位置因检测光强变化而发生的漂移处于允许范围内；当该光强超出该一定范围时，调节该光源提供的该入射光的光强，使得该出射光的光强进入该一定范围内；当该光强处于该一定范围内时，根据该对焦数据在象散法的对焦数据曲线中的位置，进行对焦。本发明能够排除象散法使用过程中检测光强变化过大而对象散法自动对焦产生的不利影响，提高象散法的可靠性。

Description

基于象散法进行对焦的方法和相应的对焦系统

技术领域

本发明涉及检测和测量系统，特别地，涉及对焦技术。

背景技术

半导体基片膜厚光学测量方法要求不同膜厚的基片都处于光路中焦点位置，位置重复性越高，对测量结果的影响也越小。随着半导体技术的发展，基片尺寸越来越大，其薄膜厚度也向更薄的方向发展，随之膜厚的测量对基片的位置精度也越来越敏感，提高了对自动对焦的要求。

在生产设备中自动对焦的方法有很多种，象散法、图像微分法、CCD法、斜光束法、偏心光束法等等，其中象散法成本低、可靠性好，精度较高，运用较多。象散法一般采用多波长强度比较稳定的光源，例如氙灯光源、白光LED等，经过光路处理，照射到基片上，光反射回光路再经过处理，照射到四象限探测器上，四象限探测器感光生成电流，经过调理以及模数转换器转换成数据，最后由上位机获取这些数据再根据公式FES＝(I_a-I_b+I_c-I_d)/(I_a+I_b+I_c+I_d)计算FES值，其中I_x为某个象限净光强，即实时读取的光强值减去系统定标时测定的暗状态值，在事先定标时，按标准基片移动小步长移动Z轴并测量FES值得到FES曲线。而在自动对焦时根据斜率算法或者其他算法，可以确定基片在FES曲线中的位置，据此控制电机运动使基片运动到确定的焦点位置。

发明内容

当光源强度下降一个较小的幅值，由于四象限感光器以及信号调理电路的都有一定的线性度，因此可做近似处理，四个象限光强的变化都看做是原来光强的某一相同比例。由FES计算公式，分子分母提出相同的比例约掉，最后FES不变。因此FES对光源光强不是很敏感。

随着半导体技术的发展，基片薄膜的材料种类越来越多，反射系数差异逐渐加大，对于一个定位于工厂实用的广泛应用各种材料薄膜的半导体基片膜厚测量设备来说，会导致最终象散法线性段四象限探测器接受的总光强变化增大，四象限探测器产生的电流总和变化也增大。由于四象限感光器以及信号调理电路的非线性，自动对焦中，针对同一FES值的实际基片位置会相对定标时该FES值的位置发生漂移，对测量的不利影响也就逐渐凸显，特别是如果该漂移超出了对焦设备的容差，那么会导致对焦错误。

本发明的发明构思在于，采用易于实现调节光强度的光源，采用可调节电流的电路驱动该光源。在半导体基片自动对焦过程中，调节驱动电流大小，使四象限探测器四个通道光强总和保持在一个合理的范围内，从而减小四象限探测器以及信号调理电路的非线性影响。该一定范围保持该象散法的对焦数据曲线的位置因检测光强变化而发生的漂移处于允许范围内。

根据本发明的第一个方面，提供了一种基于象散法进行对焦的方法，包括如下步骤：i.通过光源向待测器件提供入射光；ii.接收由该待测器件射出的出射光，并检测其光强，计算象散法的对焦数据；iii.根据该对焦数据在象散法的对焦数据曲线中的位置，进行对焦；前述步骤ii和iii重复进行直至满足对焦容差；

其中，还包括如下步骤：a.判断该出射光的光强是否处于一定范围内，该一定范围保持该象散法的对焦数据曲线的位置因检测光强变化而发生的漂移处于允许范围内；b.当该光强超出该一定范围时，调节该光源提供的该入射光的光强，使得该出射光的光强进入该一定范围内；c.当该光强处于该一定范围内时，进行所述步骤iii。

本发明的该方面的优点在于，能够排除象散法使用过程中检测光强变化过大而对象散法自动对焦产生的不利影响，提高象散法可靠性。

在一个优选的实施方式中，该方法使用象散法光路、四象限探测器和信号处理电路来产生、接收检测并处理该出射光，该一定范围相对应于该四象限探测器和该信号处理电路中对光强进行检测的线性工作范围。

该实施方式的优点在于，排除基片材料反射特性差异、四象限探测器以及信号调理电路的非线性等因素对象散法自动对焦不利的影响，提高象散法可靠性。

优选的，所述步骤a中，基于以下任意一种计算方式来判断：判断四象限的光强的和是否超出第一范围；判断四象限中、相邻象限的光强的和是否超出第二范围。

该优选实施例提供了两种具体的判断光强是否过大的方式，计算比较简便。

优选的，通过调节提供给该光源的驱动电流来调节该光源提供的该入射光的光强。

该优选实施例提供了调节入射光光强的具体实现方式。可以理解，对于某些光源，也可以采用调节驱动电压的方式来调节其光强度。

在实际实现中，由于驱动电流的变化，会导致光源温度的变化，光源温度的变化又会使光源的光强密度分布发生变化，最终导致焦点FES的漂移。此外，由于光源本身具有一定的发热量，即使驱动电流恒定，长时间其发热量也是有波动的，除了会影响FES的稳定性，还会影响到光机支撑的稳定性。为了解决这一问题，进一步优选地，该方法还包括以下步骤：b’.对该光源的温度进行控制，使该光源的温度保持稳定，以抵消该驱动电流变化导致光源的发热量所发生的变化。

优选的，所述步骤a、b和c在对焦进行至该对焦数据落入象散法的对焦数据曲线的线性区域内时进行。

由于线性区域是象散法进行FES计算和移动对焦的主要关注区间，在线性区域内采用本发明能够提高对焦精度，而在非线性区域不必使用本发明，因为非线性区域并不进行精确计算。

相应地，根据本发明的第二个方面，提供了一种基于象散法的对焦系统，包括：光源，用于向待测器件提供入射光；光检测部分，用于接收由该待测器件射出的出射光，并检测其光强，计算象散法的对焦数据；控制部分，用于根据该对焦数据在象散法的对焦数据曲线中的位置，来控制一运动部分带该动待测器件移动，以进行对焦；该光检测部分和该控制部分重复运作直至满足对焦容差；

其特征在于，所述光源是光强可调的光源，该系统还包括处理器，该处理器包括：计算单元，用于判断该光检测部分检测的该出射光的光强是否处于一定范围内，该一定范围保持该象散法的对焦数据曲线的位置因检测光强变化而发生的漂移处于允许范围内；光源驱动部分，用于当该光强超出该一定范围时，调节该光源提供的该入射光的光强，使得该出射光的光强进入该一定范围内；在当该光强处于该一定范围时，该处理器指示该控制部分进行对焦。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1为根据本发明的对焦系统的结构框图。

具体实施方式

基于象散法的对焦系统，一般包括：

-光源，用于向待测器件提供入射光；

-光检测部分，用于接收由该待测器件射出的出射光，并检测其光强，计算象散法的对焦数据；

-控制部分，用于根据该对焦数据在象散法的对焦数据曲线中的位置，来控制一运动部分带该动待测器件移动，以进行对焦；

该光检测部分和该控制部分重复运作直至满足对焦容差。

下面结合图1对自动对焦系统进行说明。它使用LED作为光源发出入射光。象散法光通路将入射光导向至位于运动平台上的待测器件，并将待测器件出射的出射光导向至四象限电路板。四象限电路板中包括四象限检测器，信号调理及A/D转换电路，它们对出射光进行检测，检测结果被提供给上位机进行计算。上位机通过接口控制运动平台在在Z方向运动，进行对焦。四象限电路板和上位机作为前述光检测部分和控制部分而运作。

更加具体的，自动对焦过程中，基片被运动平台上的真空吸附住，根据上位机对运动平台的控制而跟随运动。光源发射的光进入象散法光通路，然后光通路输出出射光垂直照射在被测半导体基片上，半导体基片反射出的出射光再次进入象散法光路，最后出射照到四象限探测器感光面上。四象限探测器上的光信号转化成电信号，再经过调理及模数转换模块，最后被微处理器读取为四个象限光强数据，这里设为A、B、C、D象限的数据，A和C、B和D分别为对角象限。根据公式FES＝(I_a-I_b+I_c-I_d)/(I_a+I_b+I_c+I_d)计算FES值，其中I_x为某个象限净光强，即实时读取的光强数据减去系统定标时的暗状态光强数据。在事先定标时，按标准基片移动小步长移动Z轴，并测量FES数据，基片位置和FES曲线之间的关系被组织为FES曲线。一般来说，FES曲线并非单调的，但是在焦点附近，它存在一个单调且可被认为是线性的区间。在自动对焦时，首先，应将运动平台移动到使得FES值位于该线性区间的位置。而后，根据当前FES值和合焦位置的FES值，根据斜率算法，可以计算出还需移动多少距离就能够达到合焦位置。必要时，以上步骤可以重复进行。具体的象散法对焦方法是本领域的一般技术人员所熟知的，在此不再赘述。

本发明的实施方式对该对焦系统进行了进一步改进，增加了如下模块：

-计算单元，用于判断光检测部分检测的该出射光的光强是否处于一定范围内，该一定范围保持该象散法的对焦数据曲线的位置因检测光强变化而发生的漂移处于允许范围内。该计算单元被实现在图1中的微处理器中。

-光源驱动部分，用于根据计算单元的计算结果，当该光强超出该一定范围时，调节该光源提供的该入射光的光强，使得该出射光的光强进入该一定范围内。如图1所示，该光源驱动部分由微处理器和与之相连的光源驱动而实现，该光源驱动可以是一个受控可调的电流源。

具体的，首先，在定标阶段，根据该对焦系统的容差，确定FES曲线的位置中的最大漂移范围，在该漂移范围内均符合该容差。而后，通过调节光源的强度，改变出射光的光强，分别计算FES值：当FES值落入该最大漂移范围内时，该光强够使得对焦系统符合容差；而当FES值超出该范围时，该光强就使得对焦系统超出容差，因而需要对该光强进行控制。通过定标，能够确定出使得对焦系统符合容差时的出射光的光强范围。

在实际测量阶段，首先应使运动平台带动待测器件移动到所测的FES值位于FES曲线的焦点附近的线性区间中。这一搜索过程如何完成是象散法对焦技术中的技术人员所熟知的，本发明不再赘述。

在达到线性区间后，计算单元开始运作。

在一个优选的实施方式中，该计算单元判断四象限的光强的和是否超出第一范围。具体来说，将事先定标得到的该第一范围记作R，该计算单元计算I_sum＝I_a+I_b+I_c+I_d。如果I_sum落入R范围内，那么就不需要对光强进行调整；而如果I_sum超出R，那么能够根据I_sum与R的差异，来调节光源的强弱，使得所测量的I_sum处于R范围内。例如，在通过电流、电压来驱动光源的情况下，该驱动电流、电压可以等于I_sum与R的差异乘上一个因子，再加上一个固定的电流、电压偏置值。在实际系统中，微处理器可以提供一个控制信号给光源驱动，该控制信号表示了所确定的驱动电流或电压大小。而光源驱动根据该控制信号生成相应的大小的驱动电流、电压给光源。

在一个替代的实施方式中，该计算单元判断四象限中、相邻象限的光强的和，例如I_a+I_b、I_c+I_d分别是否超出第二范围。具体的实现方式与以上实施方式是类似的，在此不再赘述。

可以理解，可能进行一次调节后就能将光强调整到一定范围中，也有可能需要数次调节。

在I_sum处于R范围内后，即可根据前述的象散法对焦方法，通过当次测量的FES值在FES曲线中的位置，确定当前位置与合焦位置的距离差，然后移动运动平台至该合焦位置。必要时，基于新的位置再次测量光强并计算新的FES值，如果与合焦位置的FES相同，那么完成对焦；而如果新的FES值与合焦位置的FES相差较大，那么基于该两者的差值，再次确定当前位置与合焦位置的距离差，再次移动。重复数次后即可正确对焦。

优选地，该光源是LED光源，例如白光、红光LED光源，或者是稀有气体光源，例如氙灯。可以理解，其他任何能够受控地调节光强的光源均可以在本发明的实施方式中使用。

对于某些光源来说，例如LED光源，由于改变驱动电流会使得LED的发热量发送变化并引起LED的温度变化，而LED的温度变化又会造成光强分布的变化，这最终又导致FES的产生漂移。因此，本发明的一个优选的实施方式还提供了温控模块，与光源热耦合，用于对该光源的温度进行控制，使该光源的温度保持稳定，例如保持在室温附近即可。该温控模块例如是具有温度反馈的风冷系统，等等。由于LED热功率不大，采用小型的温控模块即可实现比较精密的温度稳定，增强对焦系统的可靠性。而对于该温控模块的结构本身来说，本领域的一般技术人员可根据其技术知识设计出符合需求的温控模块，本发明不再赘述。

不仅如此，即便出射光的光强满足该一定范围，从而不需要改变驱动电流，但是，由于所用的是大功率LED灯，其有一定的发热量，经过长时间使用后其发热量也具有一定波动，会影响到光机支撑的稳定性。以上温控模块控制LED的温度后，能够保证光机支撑的温度稳定，最终提高自动聚焦的可靠性。

可以理解，该实施方式所提供的温控模块仅仅是为了更进一步提高精度的一个优选实施方式，该温控模块并非实现本发明所必须的。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

Claims (11)

1.一种基于象散法进行对焦的方法，包括如下步骤：

i.通过光源向待测器件提供入射光；

ii.接收由该待测器件射出的出射光，并检测其光强，计算象散法的对焦数据；

iii.根据该对焦数据在象散法的对焦数据曲线中的位置，进行对焦；

前述步骤ii和iii重复进行直至满足对焦容差；

其中，还包括如下步骤：

a.判断该出射光的光强是否处于一定范围内，该一定范围保持该象散法的对焦数据曲线的位置因检测光强变化而发生的漂移处于允许范围内；

b.当该光强超出该一定范围时，调节该光源提供的该入射光的光强，使得该出射光的光强进入该一定范围内；

c.当该光强处于该一定范围内时，进行所述步骤iii。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法使用象散法光路、四象限探测器和信号处理电路来产生、接收检测并处理该出射光，该一定范围相对应于该四象限探测器和该信号处理电路中对光强进行检测的线性工作范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a中，基于以下任意一种计算方式来判断：

-判断四象限的光强的和是否超出第一范围；

-判断四象限中、相邻象限的光强的和是否超出第二范围。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b中，通过调节提供给该光源的驱动电流来调节该光源提供的该入射光的光强，且，该方法还包括以下步骤：

b’.对该光源的温度进行控制，使该光源的温度保持稳定，以抵消该驱动电流变化导致光源的发热量所发生的变化。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a、b和c在对焦进行至该对焦数据落入象散法的对焦数据曲线的线性区域内时进行。

6.一种基于象散法的对焦系统，包括：

-光源，用于向待测器件提供入射光；

-光检测部分，用于接收由该待测器件射出的出射光，并检测其光强，计算象散法的对焦数据；

-控制部分，用于根据该对焦数据在象散法的对焦数据曲线中的位置，来控制一运动部分带该动待测器件移动，以进行对焦；

该光检测部分和该控制部分重复运作直至满足对焦容差；

其特征在于，所述光源是光强可调的光源，该系统还包括处理器，该处理器包括：

-计算单元，用于判断该光检测部分检测的该出射光的光强是否处于一定范围内，该一定范围保持该象散法的对焦数据曲线的位置因检测光强变化而发生的漂移处于允许范围内；

-光源驱动部分，用于当该光强超出该一定范围时，调节该光源提供的该入射光的光强，使得该出射光的光强进入该一定范围内；

在当该光强处于该一定范围时，该处理器指示该控制部分进行对焦。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，该光检测部分包括象散法光路、四象限探测器和信号处理电路，

该一定范围相对应于该四象限探测器和该信号处理电路的线性工作范围。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述计算单元基于以下任意一种计算方式来判断：

-判断四象限的光强的和是否超出第一范围；

-判断四象限中、相邻象限的光强的和是否超出第二范围。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该光源驱动部分通过调节提供给该光源的驱动电流来调节该光源提供的该入射光的光强，

且，该系统还包括：

-温控模块，与所述光源热耦合，用于对该光源的温度进行控制，使该光源的温度保持稳定，以抵消该驱动电流变化导致光源的发热量所发生的变化。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述处理器在对焦进行至该对焦数据落入象散法的对焦数据曲线的线性区域内时进行操作。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光源包括LED光源，或稀有气体光源。