CN117524911A - 一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法，包括如下步骤：步骤1、将带有预先设置好的样品标记的样品置于样品对准系统内的载物台，样品对准系统采集样品标记的实时位置信息；步骤2、设置一路参考标记，让参考标记在样品对准系统内生成位置误差信息；步骤3、位置偏差补偿，将实时位置信息与位置误差信息作差。优点，本发明方法，通过在图像采集系统中放置相对独立于被测面的参考光束及参考标记的方法，把图像采集过程中由于环境因素或者其他因素变化，尤其温度变化造成的像面位置误差全部引入可实时测量识别的参考标记位置变化量中，然后通过差分相减的方式，有效消除温度等各种因素导致的系统的对准误差。

Description

一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法

技术领域

本发明涉及半导体加工检测领域，具体涉及一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法。

背景技术

半导体作为电子信息产业的核心，在市场需求推动下一直得以高速发展，对国家经济和国防安全有重要支撑作用。随着科技的发展，半导体制造业对晶圆的尺寸规格及加工精度要求也越来越高，材质多品种，加工精度也已达到了纳米级。

半导体制造涉及研磨、抛光、涂胶、光刻、刻蚀、氧化等工艺。相关的检测遍布各个工艺环节，每种工艺都需要获取晶圆的位置与姿态，即晶圆对准。晶圆对准系统虽是半导体制造装备的一个辅助系统，但其精度与效率直接影响着半导体制造的良率与产能。晶圆对准分为机械和光学两种方式。机械对准完全受机械结构精度的影响，必然存在对准精度较低的缺点；光学对准目前应用较为广泛，包括利用光学传感器检测晶圆的边缘来获得晶圆的中心位置和缺口方向的预定位，以及利用机器视觉识别晶圆特定位图案的精确定位，后者技术含量高，包含了机械、电子、光学、软件、算法等多学科技术的集成。但是图像采集部分本身属于电学范畴，也就必然存在发热的缺点，我们知道热量会带来诸如热胀冷缩等各种影响对准精度的问题。

例如在专利CN 115360133 A中揭示了一种基于图像传感器的“一种半导体设备多级自动晶圆对准方法和半导体”该方法通过采集多幅被测目标图像，通过目标匹配的方式进行对准。由于在半导体加工或者检测领域，晶圆的对准属于高精度对准，CMOS图像传感器及其所在驱动电路板产生的温度造成的像素位置的变化量足以影响对准精度。上述方法中并未有考虑该因素，因此限制了对准精度的进一步提高。

例如在专利CN 101996398A中揭示了一种“用于晶圆对准的图像匹配方法及设备”依然是通过CCD或者CMOS图像传感器采集目标晶圆的图案，在对采集到的图案进行互相关等图像识别计算，来达到对准的目的。该方法同样存在忽略CCD/CMOS在工作过程中由于本身及其驱动电路发热造成的像素位置偏移所带来的对准误差问题。

例如在专利CN 114071096A“投影光机及其投影图像位置补偿方法、投影设备”中揭示了由于温度变化导致投影画面位置变化的补偿方法，通过事先记录特定温度对应投影画面的偏移量，来进行补偿。但是该方法忽略了温度变化导致的图像位置偏差变化的随机性等随着外部环境变化的各种不确定性，补偿精度受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，图像传感器在工作时有自发热特点，温度变化将影响标记在图像传感器上的成像位置，影响最终的对准结果。本发明提出了一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法，本发明方法，通过在样品对准系统内的中放置相对独立于被测面的参考点的方法，把图像采集过程中由于环境因素或者其他因素变化，尤其温度变化造成的像面位置误差全部引入可实时测量识别的参考标记位置变化量中，然后通过差分相减的方式，有效消除温度等各种因素导致的系统的对准误差。

采取的技术方案：一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将带有预先设置好的样品标记的样品置于样品对准系统内的载物台，样品对准系统采集样品标记的实时位置信息；

步骤2、设置一路参考标记，让参考标记在样品对准系统内生成位置误差信息；

步骤3、位置偏差补偿，将实时位置信息与位置误差信息作差。

对本发明技术方案的进一步优选，步骤2中，一路参考标记包括参考光源(19)和参考标记（18）。

对本发明技术方案的进一步优选，参考标记（18）与样品标记不同。

对本发明技术方案的进一步优选，参考标记（18）为圆孔，样品标记为十字星。

对本发明技术方案的进一步优选，步骤1中所述样品对准系统包括照明光源（12）、图像传感器（10）、成像系统、数据处理系统和载物台（21），待测样品（20）上预设样品标记，设样品标记的坐标为（A，B）；待测样品（20）置于载物台（21）上，照明光源（12）提供光源照亮待测样品（20），待测样品（20）上的样品标记通过成像系统成像到图像传感器（10）上，数据处理系统提取样品标记在图像传感器（10）上的坐标（a，b），判断坐标标记像点位置（a,b)与指定的像素位置，若坐标标记像点位置（a,b)没有在指定的像素位置时，所述样品对准系统调整，使得待测样品（20）的样品标记像点位置与指定位置重合。

对本发明技术方案的进一步优选，样品对准系统还包括设置一路参考标记，所述一路参考标记包括参考光源（19）和设置在参考光源（19）出光路上的小孔（18），参考标记经过成像系统成像到图像传感器（10）上，数据处理系统提取参考标记在图像传感器（10）上的坐标，得到参考像点坐标。

对本发明技术方案的进一步优选，成像系统包括透镜（13）、反射镜（14）、分光镜（15）、物镜（16）、合束棱镜（17）和筒镜（11），照明光源（12）经透镜（13）、反射镜（14）、分光镜（15）、物镜（16）和合束棱镜（17）形成的照明光路照亮待测样品（20），待测样品（20）上的样品标记经合束棱镜（17）、物镜（16）、分光镜（15）和筒镜（11）形成的成像光路传输至图像传感器（10），在图像传感器（10）上形成像点；参考标记的小孔（18），参考光源（19）透过小孔（18）之后，经过束棱镜（17）、物镜（16）、分光镜（15）和筒镜（11）形成的成像光路传输至图像传感器（10），在图像传感器（10）上形成参考像点。

对本发明技术方案的进一步优选，步骤3的位置偏差补偿方法为两种，分别如下：

第一、参考标记像点偏离初始位置，所述初始位置为图像传感器未发热时获得的参考标记像点位置；此时，参考标记像点位置与初始位置之间的偏差，即为样品标记像点因图像传感器发热引起的偏差；

所述偏差为矢量偏差，包含距离和方向；定义，参考像点位置为（M,N），初始位置为（m,n）,那么两者的偏差即为：距离为，方向为/>；

第二、参考标记像点在初始位置，样品标记像点偏离指定的像素位置；此时说明不存在因为温度引起的像点偏移，但是样品对准系统存在误差，计算样品标记的像与指定的像素位置之间的偏差，即为样品对准系统引起的误差，按照此误差移动待测样品（20），将待测样品（20）的样品标记的像移动到指定的像素位置。

对本发明技术方案的进一步优选，样品对准系统存在误差为待测样品（20）本身移动。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明方法，通过在图像采集系统中放置相对独立于被测面的参考光束19及参考标记（小孔18）的方法，把图像采集过程中由于环境因素或者其他因素变化，尤其温度变化造成的像面位置误差全部引入可实时测量识别的参考标记位置变化量中，然后通过差分相减的方式，有效消除温度等各种因素导致的系统的对准误差。

本发明方法，进一步提高了基于图像对准的系统对准精度。

本发明方法，具有差分特性，实时性高，极度有利于高速对准测量系统。

附图说明

图1为本实施例的系统示意图；

图2为本实施例的合束棱镜的结构示意图；

图3为实施例1的成像系统简化示意图；

图4为实施例1的待测样品上标记点在成像传感器上的成像示意图；

图5为实施例1像点位置移动的成像示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-附图5和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例系一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法，具体为：

步骤1、将带有预先设置好的样品标记的样品置于样品对准系统内的载物台，样品对准系统采集样品标记的实时位置信息；

步骤2、设置一路参考标记，让参考标记在样品对准系统内生成位置误差信息；

步骤3、位置偏差补偿，将实时位置信息与位置误差信息作差。

如图1所示，普通样品对准系统的结构：

在图1中，预先在待测样品20上设置十字星标记，带有十字星标记的待测样品20放在载物台21上，照片光源12经照明光路（透镜13、反射镜14、分光镜15、物镜16和合束棱镜17）照亮待测样品20，十字形样品标记经成像光路（合束棱镜17、物镜16、分光镜15和筒镜11）传输至图像传感器10，在图像传感器上形成像点，如图1中的图像传感器成像23所示，数据处理系统对图像传感器成像23的像点位置进行分析处理，并根据处理结果调整待测样品20的位置。

本实施例中数据处理系统包括中央处理器22和电脑24，对图像传感器采集的信息通过中央处理器22处理后，传输给电脑24；这是本领域技术人员已知。

本实施例在样品对准系统的内增设位置补偿为：如图1所示，增加了位置补偿结构，相当于设置一路参考标记，位置补偿结构包括参考光源19和参考标记，即小孔18，参考光源19经过小孔18之后，再经过成像光路（合束棱镜17、物镜16、分光镜15和筒镜11），最终在图像传感器10上形成一个参考像点，参考光源19独立于待测样品20，因此参考标记像点独立于样品标记像点。

本实施例中，小孔18是一个结构件，与样品标记形状不同，参考光源19通过小孔18后，形成与样品标记不同形状的像点，使两者更易于区分。

如图1所示，本实施例样品对准系统的内的成像系统包括透镜13、反射镜14、分光镜15、物镜16、合束棱镜17和筒镜11，照明光源12经透镜13、反射镜14、分光镜15、物镜16和合束棱镜17形成的照明光路照亮待测样品20，待测样品20上的样品标记经合束棱镜17、物镜16、分光镜15和筒镜11形成的成像光路传输至图像传感器10，在图像传感器10上形成像点；参考标记的小孔18，参考光源19透过小孔18之后，经过束棱镜17、物镜16、分光镜15和筒镜11形成的成像光路传输至图像传感器10，在图像传感器10上形成参考像点。

进一步，本实施例样品对准系统内的成像系统内，合束棱镜17、物镜16、分光镜15和筒镜11形成的成像光路可以用反射镜设计，替代投射式成像系统。

进一步，本实施例样品对准系统内的成像系统内，也可以用多个成像光路（束棱镜17、物镜16、分光镜15和筒镜11组成的系统）同时使用来拓展成像视场。

进一步，本实施例样品对准系统内，照明光源12与参考光源19的设置可以采用不同波长、或者同波长的不同偏振态、或者不同强度、时间调制方式。参考光源19的参考光束可以是相干光或者非相干光。

本实施例样品对准系统内，照明光源12用分束棱镜的摆放位置可以在成像系统物镜和筒镜之间，也可以在筒镜和图像传感器之间；分光形式可以部分分光也可以偏振分光。

本实施例样品对准系统内，照明光源12也可以做成环形放置在物面直接照明被测面。

如图1所示，本实施例样品对准系统内，成像系统内，采用了分光棱镜17，分光棱镜不同于普通的棱镜，为非对称设计，如图2所示，这种结构的特点为D1≤D3，使分光棱镜17的总高（D1+D3）减小，增大分光棱镜17到待测样品20之间的工作距离。进一步，合束棱镜的非对称设计有效减小了合束器的体积，增大了成像系统的工作距离，提升了操作过程中的安全性。

对于图像传感器10温度变化引起位置误差过程：对于普通对准系统，图像传感器自发热，将导致图像传感器10本身、筒镜11、分光镜15等发生形变，最终引起标记像点发生偏移，影响最终对准精度。

本实施例方法，位置偏差补偿方法为两种，分别如下：

第一、参考标记像点偏离初始位置，所述初始位置为图像传感器未发热时获得的参考标记像点位置；此时，参考标记像点位置与初始位置之间的偏差，即为样品标记像点因图像传感器发热引起的偏差；

所述偏差为矢量偏差，包含距离和方向；定义，参考像点位置为（M,N），初始位置为（m,n）,那么两者的偏差即为：距离为，方向为/>；

第二、参考标记像点在初始位置，样品标记像点偏离指定的像素位置；此时说明不存在因为温度引起的像点偏移，但是样品对准系统存在误差，计算样品标记的像与指定的像素位置之间的偏差，即为样品对准系统引起的误差，按照此误差移动待测样品20，将待测样品20的样品标记的像移动到指定的像素位置。

本实施例方法，巧妙的应用了差分的思想，通过设置一路参考标记（参考光源+参考小孔），让参考标记在图像传感器上的像携带了由于温度变化等各种外部条件变化所携带的位置误差信息。通过对被测标记的实时图像所包含的位置信息与参考图像所包含的位置信息作差，有效消除由于温度变化等其他外部因素变化带来的所有误差。

具体应用例：

如图3所示，一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法，待测样品20放在载物台21表面上，待测样品20经过分光镜15、成像系统成像在图像传感器10上；参考光源19经过分光镜19、成像系统成像在图像传感器10上。

如图4所示，待测样品20上有标记Q，经过成像系统之后，在图像传感器10上成像为Q1，参考光源19经过成像系统后，在图像传感器10成像为O1。

经过一段时间后，标记像点Q1移动至Q2，参考光源像点O1移动至O2，说明存在因传感器自发热或者其他因素引起的系统形变，导致像点位置改变。

按照O2与O1之间的偏差，对标记像点位置Q2补偿。即为真实的像点位置。如图5所示。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种图像传感器温度变化导致的位置偏差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将带有预先设置好的样品标记的样品置于样品对准系统内的载物台，样品对准系统采集样品标记的实时位置信息；

步骤2、设置一路参考标记，让参考标记在样品对准系统内生成位置误差信息；

步骤3、位置偏差补偿，将实时位置信息与位置误差信息作差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中，一路参考标记包括参考光源(19)和参考标记（18）。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：参考标记（18）与样品标记不同。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：参考标记（18）为圆孔，样品标记为十字星。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中所述样品对准系统包括照明光源（12）、图像传感器（10）、成像系统、数据处理系统和载物台（21），待测样品（20）上预设样品标记，设样品标记的坐标为（A，B）；待测样品（20）置于载物台（21）上，照明光源（12）提供光源照亮待测样品（20），待测样品（20）上的样品标记通过成像系统成像到图像传感器（10）上，数据处理系统提取样品标记在图像传感器（10）上的坐标（a，b），判断坐标标记像点位置（a,b)与指定的像素位置，若坐标标记像点位置（a,b)没有在指定的像素位置时，所述样品对准系统调整，使得待测样品（20）的样品标记像点位置与指定位置重合。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述样品对准系统还包括设置一路参考标记，所述一路参考标记包括参考光源（19）和设置在参考光源（19）出光路上的小孔（18），参考标记经过成像系统成像到图像传感器（10）上，数据处理系统提取参考标记在图像传感器（10）上的坐标，得到参考像点坐标。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述成像系统包括透镜（13）、反射镜（14）、分光镜（15）、物镜（16）、合束棱镜（17）和筒镜（11），照明光源（12）经透镜（13）、反射镜（14）、分光镜（15）、物镜（16）和合束棱镜（17）形成的照明光路照亮待测样品（20），待测样品（20）上的样品标记经合束棱镜（17）、物镜（16）、分光镜（15）和筒镜（11）形成的成像光路传输至图像传感器（10），在图像传感器（10）上形成像点；参考标记的小孔（18），参考光源（19）透过小孔（18）之后，经过束棱镜（17）、物镜（16）、分光镜（15）和筒镜（11）形成的成像光路传输至图像传感器（10），在图像传感器（10）上形成参考像点。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3的位置偏差补偿方法为两种，分别如下：

第一、参考标记像点偏离初始位置，所述初始位置为图像传感器未发热时获得的参考标记像点位置；此时，参考标记像点位置与初始位置之间的偏差，即为样品标记像点因图像传感器发热引起的偏差；

所述偏差为矢量偏差，包含距离和方向；定义，参考像点位置为（M,N），初始位置为（m,n）,那么两者的偏差即为：距离为，方向为/>；

第二、参考标记像点在初始位置，样品标记像点偏离指定的像素位置；此时说明不存在因为温度引起的像点偏移，但是样品对准系统存在误差，计算样品标记的像与指定的像素位置之间的偏差，即为样品对准系统引起的误差，按照此误差移动待测样品（20），将待测样品（20）的样品标记的像移动到指定的像素位置。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述样品对准系统存在误差为待测样品（20）本身移动。