CN115950623A - 一种基于视觉系统的光路均匀性测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉系统的光路均匀性测量方法和系统，属于集成电路加工制造技术领域。该系统包括工业相机、显微镜头和反射镜；其中，显微镜头为远心镜头；通过将光路均匀性测量系统设置在光刻机的空间光调制器组件和投影物镜之间，使得光刻机光源发出的光所形成的光斑通过反射镜，进而进入显微镜头最终成像到工业相机的传感器面上，获得光斑的图像，计算该光斑图像的全局均匀性特征与局部均匀性特征，进而得到光斑图像的均匀性值，该方法所计算的均匀性值既可以从图像整体的角度来参与均匀性的分析，又通过局部特征的加入，使局部图像中蕴含的丰富数据信息得到利用，从而最终的计算结果更能全面的表达出图像的均匀性表现情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于视觉系统的光路均匀性测量方法和系统，属于集成电路加工制造技术领域。
背景技术
集成电路加工制造是一项与专用设备密切相关的技术，俗称“一代设备，一代工艺，一代产品”。在集成电路生产所需的众多工序和设备当中，光刻技术是集成电路生产工艺水平的核心代表，一代光刻机的分辨率和最小线宽直接代表着一代集成电路的技术节点。
作为光刻设备的核心，投影曝光系统直接决定了光刻工艺的最小线宽、精度和质量。投影曝光系统需要多方面的指标进行评价，例如焦深、最小分辨率、线宽一致性等。其中焦深、最小分辨率一般由成像镜头决定，而线宽一致性则由光斑的均匀性决定。在投影曝光系统中，照明光路处于光源和空间光调制器之间，将光源发出的光转化为平行光，为空间光调制器提供特定强度分布的照明光场，即一定大小和均匀性的光斑。对于线宽一致性要求高的光刻机里面，一般要求光斑的均匀性＞90％～95％，因此需要准确的测量出光斑的均匀性，再进行调试和补偿。
由于光刻机对光斑均匀性要求非常高，为保证能量均匀性，需要对光斑各个位置的能量进行测试确认并加以调试，直至达到均匀性要求。对于常规光路来说，均匀性的测试一般都使用功率计，将光斑均匀切分成10等分、20等分甚至更多等分，然后对上述切分后的光斑逐个测量其能量，最后进行数据处理，根据计算公式Uniformity＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)算出其均匀性，但功率计的分辨率较低，光斑太小时测量不准确甚至测不出(高解析的光路因为镜头倍率小，一般都为1倍以下，光斑只有5mm以下，在切分后，每个光斑只有几百微米，功率计无法测出)。对于分辨率很高的激光直写式曝光机的小光斑来说，使用功率计无法进行准确的测试，误差很大、重复性差，基本无法进行有效的测量。比如，对于高分辨率的光刻机，一般出光功率是毫瓦量级(100mw-1mw)，而将光斑切分好的测量方法，每一个光斑内的能量无疑是大大降低，由于功率计量程及精度问题，无疑在操作时会遇到耗费时间长、操作不便利的情况；并且在使用常规光功率计时低能量系统易受到环境和操作影响，由此产生额外环境及人为误差。因此上述测试方法费时费力，精度上也无法受到保证。
发明内容
为了实现对于光刻设备光路均匀性的准确计算，本发明提供了一种基于视觉系统的光路均匀性测量方法，所述方法包括：
步骤S1，获取投影曝光系统中照明光路所产生的光斑的图像，记为光斑图像I；
步骤S2，计算所述光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU；
步骤S3，计算所述光斑图像I的局部均匀性特征LocalU；
步骤S4，根据光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU和局部均匀性特征LocalU计算光斑图像I的均匀性U＝GlobalU+LocalU。
可选的，所述步骤S2包括：
设所述光斑图像I的长度、宽度分为Width和Height，根据式(1)计算光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU：
其中，
I(i,j)为光斑图像I中第i行、第j列的像素灰度值，Iavg为光斑图像I灰度图像的均值。
可选的，所述步骤S3包括：
步骤S3.1，沿着光斑图像I的横向和纵向，分别将其进行M、N等分，将所述光斑图像I划分为M*N个子区域图像；
步骤S3.2，计算每个子区域图像与其它的M*N-1个子区域图像的相似度值；
步骤S3.3，统计每个子区域图像和其它子区域图像的相似度值，得到一个数据量为M*N个的相似度数组，求数组的平均值作为光斑图像I的局部均匀性特征LocalU。
可选的，所述步骤S3.3中每个子区域图像与其它的M*N-1个子区域图像的相似度值采用图像的余弦相似度、哈希值相似度、结构性相似度以及图像的直方图相似度表示。
可选的，当采用图像的余弦相似度表示每个子区域图像与其它的M*N-1个子区域图像的相似度时，每个子区域图像和其它子区域图像的相似度值的计算过程包括：
步骤S3.3.1，将长度、宽度分别为w和h的子区域图像img1和img2进行灰度值数组转化，则两个子区域图像的二维数组各自转化为一个1*(w*h)大小的一维数组A和B；
步骤S3.3.2，根据式(3)计算两个图像的相似度值：
其中，Ak表示数组A中的第k个元素，Bk表示数组B中的第k个元素，·表示乘积符号。
可选的，所述步骤S1中采用基于视觉系统的光路均匀性测量系统获取投影曝光系统中照明光路所产生的光斑的图像，所述基于视觉系统的光路均匀性测量系统包括：工业相机、显微镜头和反射镜，其中，显微镜头为远心镜头，在获取光斑的图像时，将所述反射镜设置在光刻机的空间光调制器组件和投影物镜之间，使得光刻机光源发出的光所形成的光斑通过反射镜，进而进入显微镜头最终成像到工业相机的传感器面上，工业相机得到一张光斑的图像。
本申请还提供一种基于视觉系统的光路均匀性测量系统，所述基于视觉系统的光路均匀性测量系统安装于光刻机的空间光调制器组件和投影物镜之间，所述系统包括：工业相机、显微镜头和反射镜；其中，显微镜头为远心镜头；在获取光斑的图像时，将所述反射镜设置在空间光调制器组件下方，使得光刻机光源发出的光所形成的光斑通过反射镜，进而进入显微镜头最终成像到工业相机的传感器面上，工业相机得到一张光斑的图像。
可选的，所述工业相机为像素数量＞100万的CMOS相机。
本发明有益效果是：
通过光路均匀性测量系统获取投影曝光系统中照明光路所产生的光斑的图像，计算该光斑图像的全局均匀性特征与局部均匀性特征，进而得到光斑图像的均匀性值，该方法所计算的均匀性值既可以从图像整体的角度来参与均匀性的分析，又通过局部特征的加入，使局部图像中蕴含的丰富数据信息得到利用，让最终的计算结果更能全面的表达出图像的均匀性表现情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的基于视觉系统的光路均匀性测量系统安装于光刻机中的位置示意图，其中，4-空间光调制器组件和6-投影物镜为光刻机部件，1-工业相机、2-显微镜头、3-反射镜以及5-反射镜底座为光路均匀性测量系统的部件。
图2是本发明一个实施例提供的基于视觉系统的光路均匀性测量方法的流程图。
图3是本发明一个实施例中将原始光斑图像I划分为M*N个子区域图像的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
技术名词解释：
1、照明均匀性：是指视场中特定区域与邻近区域之间(如工作面与工作面邻近区域)照明分布的差异程度。差异程度越小，它就越好；差异程度越大，它就越差。光斑均匀性，以色列Holoor是以对比度来定义的：
Uniformity＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)
2、激光功率计：是用来测试连续激光的功率或者脉冲激光在某一段时间的平均功率的仪器。例如常用到激光能量计，用来探测重复脉冲激光的单发能量和单脉冲激光的能量。或热电堆型激光功率计通过热电堆结构将光能转换成热量，再转换为电信号输出，通过校准来精确测量激光功率的大小。
3、远心镜头：远心镜头指可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化的镜头，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。
4、工业相机：工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关，本申请中所选用的工业相机的像素数量＞100万的CMOS相机。
实施例一：
本实施例提供一种基于视觉系统的光路均匀性测量系统和方法，参见图1，所述光路均匀性测量系统安装于光刻机的空间光调制器组件4和投影物镜6之间，所述光路均匀性测量系统包括：工业相机1、显微镜头2和反射镜3；所述反射镜3设置在反射镜底座5上，位于投影物镜6的上方，使得光刻机光源发出的光所形成的光斑通过反射镜，进而进入显微镜头2最终成像到工业相机1的传感器面上，工业相机1得到一张光斑的图像，根据该光斑的均匀性评估该光刻设备的光路均匀性，请参照图2，该光斑图片的均匀性根据下述方法计算：
步骤1：设工业相机得到的光斑图像I的长度、宽度分为Width和Height，根据下式计算光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU：
其中，
I(i,j)为光斑图像I中第i行、第j列的像素灰度值，Iavg为光斑图像I灰度图像的均值。
步骤2：计算光斑图像I的局部均匀性特征LocalU；
步骤2.1，沿着光斑图像I的横向和纵向，分别将其进行M、N等分，将原始光斑图像I划分为M*N个子区域图像，如图3所示；
步骤2.2，通过遍历的方式，将每个子区域图像与其余的M*N-1个子区域图像分别两两计算图像相似度，每个子区域图像共得到M*N-1个相似度值，求取这些相似度值的均值。某个子区域图像与其他子区域图像的相似度均值越大，说明该子区域图像与其他子区域图像越相似，灰度值的分布越相近，即图像的局部均匀特性也越好。其中，两个子区域图像之间的相似度可采用其余弦相似度、哈希值、结构性相似度以及图像的直方图进行计算。
计算方式采用余弦相似度来计算；
本实施例以其余弦相似度表征二者相似度为例进行介绍如下：
首先将长度、宽度分别为w和h的子区域图像img1和img2进行灰度值数组转化，两个子区域图像的二维数组各自转化为一个1*(w*h)大小的一维数组A和B；然后按照公式(3)，计算两个图像的相似度值，具体的计算公式如下：
其中，Ak表示数组A中的第k个元素，Bk表示数组B中的第k个元素，·表示乘积符号。
步骤2.3，统计每个子区域图像和其他子区域图像的相似度值，得到一个数据量为M*N个的相似度数组，求该数组的平均值作为光斑图像I的局部均匀性特征LocalU。
步骤3：根据光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU和局部均匀性特征LocalU计算光斑图像I的均匀性U＝GlobalU+LocalU。
本申请方法光斑的均匀性计算是由全局均匀性特征与局部均匀性特征共同决定，该方法所计算的均匀性值既可以从图片整体的角度来参与均匀性的分析，又通过局部特征的加入，使局部图像中蕴含的丰富数据信息得到利用，让最终的计算结果更能全面的表达出图像的均匀性表现情况。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于视觉系统的光路均匀性测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，获取投影曝光系统中照明光路所产生的光斑的图像，记为光斑图像I；
步骤S2，计算所述光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU；
步骤S3，计算所述光斑图像I的局部均匀性特征LocalU；
步骤S4，根据光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU和局部均匀性特征LocalU计算光斑图像I的均匀性U＝GlobalU+LocalU。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
设所述光斑图像I的长度、宽度分为Width和Height，根据式(1)计算光斑图像I的全局均匀性特征GlobalU：
其中，
I(i,j)为光斑图像I中第i行、第j列的像素灰度值，Iavg为光斑图像I灰度图像的均值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.1，沿着光斑图像I的横向和纵向，分别将其进行M、N等分，将所述光斑图像I划分为M*N个子区域图像；
步骤S3.2，计算每个子区域图像与其它的M*N-1个子区域图像的相似度值；
步骤S3.3，统计每个子区域图像和其它子区域图像的相似度值，得到一个数据量为M*N个的相似度数组，求数组的平均值作为光斑图像I的局部均匀性特征LocalU。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3.3中每个子区域图像与其它的M*N-1个子区域图像的相似度值采用图像的余弦相似度、哈希值相似度、结构性相似度以及图像的直方图相似度表示。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当采用图像的余弦相似度表示每个子区域图像与其它的M*N-1个子区域图像的相似度时，每个子区域图像和其它子区域图像的相似度值的计算过程包括：
步骤S3.3.1，将长度、宽度分别为w和h的子区域图像img1和img2进行灰度值数组转化，则两个子区域图像的二维数组各自转化为一个1*(w*h)大小的一维数组A和B；
步骤S3.3.2，根据式(3)计算两个图像的相似度值：
其中，Ak表示数组A中的第k个元素，Bk表示数组B中的第k个元素，·表示乘积符号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中采用基于视觉系统的光路均匀性测量系统获取投影曝光系统中照明光路所产生的光斑的图像，所述基于视觉系统的光路均匀性测量系统包括：工业相机、显微镜头和反射镜，其中，显微镜头为远心镜头，在获取光斑的图像时，将所述反射镜设置在光刻机的空间光调制器组件和投影物镜之间，使得光刻机光源发出的光所形成的光斑通过反射镜，进而进入显微镜头最终成像到工业相机的传感器面上，工业相机得到一张光斑的图像。
7.一种基于视觉系统的光路均匀性测量系统，其特征在于，所述基于视觉系统的光路均匀性测量系统安装于光刻机的空间光调制器组件和投影物镜之间，所述系统包括：工业相机、显微镜头和反射镜；其中，显微镜头为远心镜头；在获取光斑的图像时，将所述反射镜设置在空间光调制器组件下方，使得光刻机光源发出的光所形成的光斑通过反射镜，进而进入显微镜头最终成像到工业相机的传感器面上，工业相机得到一张光斑的图像。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述工业相机为像素数量＞100万的CMOS相机。
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