CN117761064A - 一种光学检测装置和光学检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学检测装置和光学检测方法。光学检测装置包括：光学系统，用于将探测光束传输至待测物体并接收经待测物体反射的检测光束；探测器，用于根据检测光束获取待测物体的目标图像；参考图案，参考图案固定在光学系统上，且参考图案位于探测器的成像视场中，探测器还用于获取参考图案的参考图像；数据处理模块，数据处理模块根据参考图像对目标图像进行补偿。本申请中，数据处理模块可根据探测器生成的参考图像的变化情况对目标图像进行相应补偿，修正待测物体的目标图像，使光学检测装置具有稳像功能，提升待测物体图像的采集精度，改善量检测设备的成像质量，提升量检测精度。

Description

一种光学检测装置和光学检测方法

技术领域

本发明光学检测技术领域，尤其涉及一种光学检测装置和光学检测方法。

背景技术

在半导体制造过程中，需要各种量检测设备对制造工艺进行监控和检测。而对于大多数量检测设备而言，量检测过程中各执行器运动造成光学系统或光机产生振动，导致采集的样品图像存在模糊不清的问题，影响量检测设备的成像质量，导致量检测精度的降低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光学检测装置和光学检测方法，以避免光学系统振动对图像采集精度造成影响，改善量检测设备的成像质量。

第一方面，本发明实施例提供了一种光学检测装置，光学检测装置包括：

光学系统，光学系统用于将探测光束传输至待测物体并接收经待测物体反射的检测光束；

探测器，探测器位于光学系统背离待测物体的一侧，探测器用于根据检测光束获取待测物体的目标图像；

参考图案，参考图案固定在光学系统上，且参考图案位于探测器的成像视场中，探测器还用于获取参考图案的参考图像；

数据处理模块，数据处理模块与探测器连接，数据处理模块根据参考图像对目标图像进行补偿。

可选的，光学检测装置还包括视场光阑，视场光阑固定在光学系统上，视场光阑包括透光区以及围绕透光区的非透光区，透光区限定出探测器的成像视场；

参考图案设置于透光区的边缘。

可选的，参考图案与视场光阑一体设置，或者，参考图案固定于视场光阑上。

可选的，参考图案的数量为多个，多个参考图案分布于透光区的不同边缘，或者，多个参考图案分布于透光区的同一边缘。

可选的，视场光阑位于光学系统与探测器之间。

可选的，光学检测装置还包括运动机构，运动机构用于驱动光学系统移动；

数据处理模块用于根据探测器在光学系统移动过程中获取的多个参考图像确定光学系统的运动参数，并根据运动参数对目标图像进行补偿。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光学检测方法，适用于本发明实施例提供的光学检测装置，光学检测方法包括：

获取待测物体的目标图像和参考图案的参考图像；

根据参考图像对目标图像进行补偿。

可选的，获取待测物体的目标图像和参考图案的参考图像，包括：

在光学系统的移动过程中，连续获取待测物体的多个目标图像和参考图案的多个参考图像；

根据参考图像对目标图像进行补偿，包括：

根据多个参考图像确定光学系统的运动参数；

根据运动参数对目标图像进行补偿。

可选的，根据多个参考图像确定光学系统的运动参数，包括：

根据不同时刻获取的参考图像的边缘模糊变化情况和/或参考图像的特征点位置变化情况确定光学系统的运动参数。

根据参考图像对目标图像进行补偿，包括：

获取参考图案对应的初始参考图像；

对比参考图像与初始参考图像，得到补偿参数；

按照补偿参数对目标图像进行补偿。

本发明实施例提供的光学检测装置包括：光学系统，光学系统用于将探测光束传输至待测物体并接收经待测物体反射的检测光束；探测器，探测器位于光学系统背离待测物体的一侧，探测器用于根据检测光束获取待测物体的目标图像；参考图案，参考图案固定在光学系统上，且参考图案位于探测器的成像视场中，探测器还用于获取参考图案的参考图像；数据处理模块，数据处理模块与探测器连接，数据处理模块根据参考图像对目标图像进行补偿。由于参考图案与光学系统同步振动，光学系统振动对参考图像成像效果的影响与光学系统振动对目标图像成像效果的影响相同。数据处理模块可根据探测器生成的参考图像的变化情况对目标图像进行相应补偿，修正待测物体的目标图像，使光学检测装置具有稳像功能，提升待测物体图像的采集精度，改善量检测设备的成像质量，提升量检测精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光学检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光学检测装置的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种参考图案的成像示意图；

图4为本发明实施例提供的一种光学检测方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的另一种光学检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”。需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对相应内容进行区分，并非用于限定顺序或者相互依存关系。

图1为本发明实施例提供的一种光学检测装置的结构示意图，光学检测装置可用于半导体量检测设备中，半导体量检测设备可为晶圆缺陷检测设备、形貌测量设别等，但不限于此。参考图1，光学检测装置包括：光学系统10，光学系统10用于将探测光束传输至待测物体(图中未示出)并接收经待测物体反射的检测光束；探测器20，探测器20位于光学系统10背离待测物体的一侧，探测器20用于根据检测光束获取待测物体的目标图像；参考图案30，参考图案30固定在光学系统10上，且参考图案30位于探测器20的成像视场中，探测器20还用于获取参考图案30的参考图像；数据处理模块40，数据处理模块40与探测器20连接，数据处理模块40根据参考图像对目标图像进行补偿。

具体地，如图1所示，本发明实施例中，光学检测装置包括光源50、光学系统10、载物台70、探测器20、参考图案30和数据处理模块40。光源50用于发出探测光束，探测光束经光学系统10后射向载物台70上的待测物体，待测光束由待测物体表面反射，反射后的检测光束再次进入光学系统10，并经由光学系统1传输至探测器20。光学系统10中可包括多种光学组件，光学组件包括但不限于具有透射和反射作用的镜片、成像物镜等，本发明实施例对此不作限定。探测器20根据接收的检测光束生成待测物体的目标图像，数据处理模块40主要进行目标图像的处理及分析。

在采集待测物体图像的过程中，运动机构(图中未示出)会带动光学系统10移动，以实现调整焦面等目的，运动机构带动光学系统10移动时，可能造成光学系统10振动。为补偿光学系统10振动对成像质量的影响，本发明实施例提出，可在光学系统10上安装参考图案30，参考图案30与光学系统10固定，以与光学系统10同步振动。并且参考图案30设置于光学系统10的成像视场内，探测器20能够同时生成待测物体的目标图像以及参考图案30的参考图像。也可理解为，参考图案30位于检测光束的传播路径中，参考图案30对部分检测光束造成遮挡，进而由探测器20根据检测光束生成待测物体的目标图像以及参考图案30的参考图像。

由于参考图案30与光学系统10同步振动，光学系统10振动对参考图像成像效果的影响与光学系统10振动对目标图像成像效果的影响相同。示例性的，若光学系统10振动造成目标图像边缘模糊或变形，则参考图像的边缘模糊或变形情况与目标图像边缘模糊或变形的情况相同。因此，数据处理模块40可根据探测器20生成的参考图像的变化情况对目标图像进行相应补偿，使光学检测装置具有稳像功能，提升待测物体图像的采集精度。

其中，利用参考图像对目标图像进行补偿的具体方法不限，本领域技术人员可根据实际需求设置。

可选的，光学系统、运动机构和探测器可装载在大理石框架上，大理石的减震效果较好，可较好地隔绝外部环境振动对光学检测装置内各组件的影响。且由于大理石的减震特性，运动机构运动时产生的振动并不会经由大理石框架转递至探测器上，保证稳像功能的实现。

图1中示出了光源50位于光学系统10的左侧，实际不限于此，本领域技术人员可根据实际情况设置光学检测装置中各组件的相对位置关系。

本发明实施例提供的光学检测装置包括：光学系统，光学系统用于将探测光束传输至待测物体并接收经待测物体反射的检测光束；探测器，探测器位于光学系统背离待测物体的一侧，探测器用于根据检测光束获取待测物体的目标图像；参考图案，参考图案固定在光学系统上，且参考图案位于探测器的成像视场中，探测器还用于获取参考图案的参考图像；数据处理模块，数据处理模块与探测器连接，数据处理模块根据参考图像对目标图像进行补偿。由于参考图案与光学系统同步振动，光学系统振动对参考图像成像效果的影响与光学系统振动对目标图像成像效果的影响相同。数据处理模块可根据探测器生成的参考图像的变化情况对目标图像进行相应补偿，修正待测物体的目标图像，使光学检测装置具有稳像功能，提升待测物体图像的采集精度，改善量检测设备的成像质量，提升量检测精度。

可选的，图2为本发明实施例提供的一种光学检测装置的部分结构示意图，可结合参考图1和图2，在可能的实施例中，光学检测装置还可包括视场光阑60，视场光阑60固定在光学系统10上，视场光阑60包括透光区601以及围绕透光区601的非透光区602，透光区601限定出探测器20的成像视场；参考图案30设置于透光区601的边缘。

图2示出的即为视场光阑60的结构示意图，如图1和图2所示，视场光阑60的透光区601允许光线透过，边缘的非透光区602不允许光线透过，进而限定通过光学系统10传播至探测器20的光线范围，能够通过透光区601的检测光线在探测器20处的成像范围即可看作探测器20的成像视场。在本实施例中，参考图案30设置在透光区601的边缘并固定在视场光阑60的非透光区602。一般情况下，待测物体在视场中心成像，将不透光的参考图案30设置在透光区601边缘处，可避免参考图像对目标图像造成影响。图3为本发明实施例提供的一种参考图案的成像示意图，如图3所示，参考图像30’位于成像视场601’的边缘。

可选的，图2所示实施例中，视场光阑60位于光学系统10与探测器20之间，实际不限于此，在其他未示出的实施例中，视场光阑60也可设置于光学系统10与载物台70之间，本领域技术人员可根据实际情况调整视场光阑60的位置。

可选的，视场光阑60可为矩形光阑、扇形光阑、三角形光阑中的一种，图2以矩形光阑为例，实际不限于此。

可选的，本发明实施例不限定参考图案30与视场光阑60的具体固定方式，在一些实施例中，参考图案30与视场光阑60一体设置，或者，在另一些实施例中，参考图案30固定于视场光阑60上。

参考图案30和视场光阑60一体设置是指在制备视场光阑60时，直接在视场光阑60的透光区601边缘制作出参考图案30，参考图案30为非透光区602的一部分。参考图案30固定于视场光阑60上是指，将单独制作的参考图案30安装至视场光阑60的边缘，二者可通过胶水或固定组件(例如螺丝等)固定。参考图案30和视场光阑60一体设置的好处在于，可避免在视场光阑60上安装参考图案30时，对视场光阑60造成破坏；参考图案30与视场光阑60单独制造后续固定的好处在于，无需改变视场光阑60的结构，可沿用现有的视场光阑60。

视场光阑60和参考图案30的材质不限，本领域技术人员可根据实际需求设置。

可选的，可继续参考图2，参考图案30的数量为多个，多个参考图案30分布于透光区601的不同边缘，或者，多个参考图案30分布于透光区601的同一边缘。

具体地，当参考图案30的数量为1时，可根据该参考图案30的参考图像对目标图像进行补偿；当参考图案30的数量为多个时，可结合多个参考图案30对应的参考图像对目标图像进行补偿，以提高补偿精度。

当参考图案30的数量为多个时，多个参考图案30可位于视场光阑60的不同边缘或同一边缘处，本发明实施例对此不作限定。图2中示出了多个参考图案30位于视场光阑60的透光区601的同一边缘，实际不限于此。另外，参考图案30的形状、数量以及相邻参考图案30之间的间距等均可根据实际需求设置，本发明实施例对此不赘述也不限定。

当然，在其他实施例中，参考图案30可直接与光学系统10中的光学组件固定，无需设置视场光阑60，具体固定方式可根据实际情况设计，本发明实施例对此不赘述也不限定。

可选的，在一些实施例中，数据处理模块具体可用于：获取参考图案对应的初始参考图像，对比参考图像与初始参考图像，得到补偿参数，并按照补偿参数对目标图像进行补偿。

具体地，初始参考图像是指光学系统未发生振动时，探测器生成的参考图案的图像，也即参考图案的实际图像。对于探测器生成的单张图像，数据处理模块可根据拍摄到的参考图案的参考图像与参考图案的实际初始参考图像的差别，得到补偿参数，进而按照补偿参数来修正待测物体的目标图像。

示例性的，可根据参考图像与实际参考图像的边缘图像差异和/或特征点位置差异确定补偿参数，进而按照补偿参数对待测物体的目标图像进行修正。

可选的，如上述实施例所述，光学检测装置还包括运动机构，运动机构用于驱动光学系统移动。数据处理模块还可用于根据探测器在光学系统移动过程中获取的多个参考图像确定光学系统的运动参数，并根据运动参数对目标图像进行补偿。

运动机构的具体设置方式与现有技术中相同，本发明实施例对此不赘述也不限定。在获取待测物体图像的过程中，探测器可能连续捕获多张图像，对于连续捕获的多张图像来说，数据处理模块可根据多张图像中参考图像的变化情况确定光学系统的运动参数。运动参数是指在多张图像的捕获时间范围内，光学系统相对于待测物体的振动信息和/或运动信息，振动信息包括但不限于振幅和频率，运动信息包括但不限于速度、加速度和加加速度。运动参数可为光学系统在任意方向上的运动参数，例如水平方向，但不限于此。

具体地，可根据不同时刻获取的参考图像的边缘模糊变化情况和/或参考图像的特征点位置变化情况确定光学系统的运动参数。

其中，边缘模糊变化情况指连续捕获的多张图像中，参考图像的边缘模糊程度的变化，也即参考图像边缘模糊程度在此段时间范围内的变化情况。数据处理模块可根据边缘模糊变化情况确定光学系统相对于待测物体的振动信息和/或运动信息。

特征点位置变化情况指连续捕获的多张图像中，参考图像的特征点位置的变化，也即参考图像特征点位置此段时间范围内的变化情况。数据处理模块也可根据特征点位置变化情况确定光学系统相对于待测物体的振动信息和/或运动信息。特征点的选取方式不限，示例性的，当参考图案为矩形时，特征点可为矩形的顶点。

通过分析参考图像的边缘模糊变化情况和/或参考图像的特征点位置变化情况，可较为准确地得到光学系统的运动参数。对捕获到的待测物体的目标图像进行处理，去除运动参数的影响，即可得到待测物体的实际图像。

其中，本发明实施例不限定如何根据参考图像的边缘模糊变化情况和/或特征点位置变化情况确定光学系统的运动参数，可通过任意现有技术实现。例如，可对比相邻两时刻获得的参考图像的特征点位置坐标，确定该相邻时刻之间，参考图像的位移，参考图像的位移可反映光学系统的位移，位移与时间间隔的比值即为光学系统的速度。

本发明实施例提供的光学检测装置还可包括本领域技术人员可知的任意结构，本发明对此不作限定。

基于同一构思，本发明实施例还提供了一种光学检测方法，适用于本发明任意实施例提供的光学检测装置，光学检测方法可由光学检测装置中的数据处理模块执行。图4为本发明实施例提供的一种光学检测方法的流程图，参考图4，光学检测方法包括如下步骤：

S110、获取待测物体的目标图像和参考图案的参考图像。

S120、根据参考图像对目标图像进行补偿。

在采集待测物体图像的过程中，运动机构会带动光学系统移动，以实现调整焦面等目的，运动机构带动光学系统移动时，可能造成光学系统振动。为补偿光学系统振动对成像质量的影响，本发明实施例提出，可在光学系统上安装参考图案，参考图案与光学系统固定，以与光学系统同步振动。并且参考图案设置于光学系统的成像视场内，探测器能够同时生成待测物体的目标图像以及参考图案的参考图像。也可理解为，参考图案位于检测光束的传播路径中，参考图案对部分检测光束造成遮挡，进而由探测器根据检测光束生成待测物体的目标图像以及参考图案的参考图像。

由于参考图案与光学系统同步振动，光学系统振动对参考图像成像效果的影响与光学系统振动对目标图像成像效果的影响相同。因此，数据处理模块可根据探测器生成的参考图像的变化情况对目标图像进行相应补偿，使光学检测装置具有稳像功能，提升待测物体图像的采集精度。

可选的，图5为本发明实施例提供的另一种光学检测方法的流程图，图5所示实施例在上述实施例的基础上进一步细化，具体可将上述实施例中的(S110)细化为：S210、在光学系统的移动过程中，连续获取待测物体的多个目标图像和参考图案的多个参考图像；(S120)细化为：S221、根据多个参考图像确定光学系统的运动参数；S222、根据运动参数对目标图像进行补偿。

参考图5，该光学检测方法包括如下步骤：

S210、在光学系统的移动过程中，连续获取待测物体的多个目标图像和参考图案的多个参考图像。

S221、根据多个参考图像确定光学系统的运动参数。

S222、根据运动参数对目标图像进行补偿。

在获取待测物体图像的过程中，探测器可能连续捕获多张图像，对于连续捕获的多张图像来说，数据处理模块可根据多张图像中参考图像的变化情况确定光学系统的运动参数，并根据运动参数对目标图像进行补偿。

示例性的，(S221)可细化为：根据不同时刻获取的参考图像的边缘模糊变化情况和/或参考图像的特征点位置变化情况确定光学系统的运动参数

其中，边缘模糊变化情况指连续捕获的多张图像中，参考图像的边缘模糊程度的变化，也即参考图像边缘模糊程度在此段时间范围内的变化情况。数据处理模块可根据边缘模糊变化情况确定光学系统相对于待测物体的振动信息和/或运动信息。特征点位置变化情况指连续捕获的多张图像中，参考图像的特征点位置的变化，也即参考图像特征点位置此段时间范围内的变化情况。数据处理模块也可根据特征点位置变化情况确定光学系统相对于待测物体的振动信息和/或运动信息。

通过分析参考图像的边缘模糊变化情况和/或参考图像的特征点位置变化情况，可较为准确地得到光学系统的运动参数。对捕获到的待测物体的目标图像进行处理，去除运动参数的影响，即可得到待测物体的实际图像。

可选的，在另一些可能的实施例中，(S120)可细化为：获取参考图案对应的初始参考图像；对比参考图像与初始参考图像，得到补偿参数；按照补偿参数对目标图像进行补偿。

初始参考图像是指光学系统未发生振动时，探测器生成的参考图案的图像，也即参考图案的实际图像。对于探测器生成的单张图像，数据处理模块可根据拍摄到的参考图案的参考图像与参考图案的实际初始参考图像的差别，得到补偿参数，进而按照补偿参数来修正待测物体的目标图像。

示例性的，可根据参考图像与实际参考图像的边缘图像差异和/或特征点位置差异确定补偿参数，进而按照补偿参数对待测物体的目标图像进行修正。

本发明实施例提供的光学检测方法包括本发明任意实施例提供的光学检测装置的全部技术特征及相应有益效果，光学检测方法实施例中未详尽说明的内容均可参照光学检测装置对应的实施例，此处不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光学检测装置，其特征在于，包括：

光学系统，所述光学系统用于将探测光束传输至待测物体并接收经所述待测物体反射的检测光束；

探测器，所述探测器位于所述光学系统背离所述待测物体的一侧，所述探测器用于根据所述检测光束获取所述待测物体的目标图像；

参考图案，所述参考图案固定在所述光学系统上，且所述参考图案位于所述探测器的成像视场中，所述探测器还用于获取所述参考图案的参考图像；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述探测器连接，所述数据处理模块根据所述参考图像对所述目标图像进行补偿。

2.根据权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，所述光学检测装置还包括视场光阑，所述视场光阑固定在所述光学系统上，所述视场光阑包括透光区以及围绕所述透光区的非透光区，所述透光区限定出所述探测器的所述成像视场；

所述参考图案设置于所述透光区的边缘。

3.根据权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述参考图案与所述视场光阑一体设置，或者，所述参考图案固定于所述视场光阑上。

4.根据权利要求3所述的光学检测装置，其特征在于，所述参考图案的数量为多个，多个所述参考图案分布于所述透光区的不同边缘，或者，多个所述参考图案分布于所述透光区的同一边缘。

5.根据权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述视场光阑位于所述光学系统与所述探测器之间。

6.根据权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，所述光学检测装置还包括运动机构，所述运动机构用于驱动所述光学系统移动；

所述数据处理模块用于根据所述探测器在所述光学系统移动过程中获取的多个所述参考图像确定所述光学系统的运动参数，并根据所述运动参数对所述目标图像进行补偿。

7.一种光学检测方法，其特征在于，适用于如权利要求1～6任一项所述的光学检测装置，所述光学检测方法包括：

获取待测物体的目标图像和参考图案的参考图像；

根据所述参考图像对所述目标图像进行补偿。

8.根据权利要求7所述的光学检测方法，其特征在于，获取待测物体的目标图像和参考图案的参考图像，包括：

在光学系统的移动过程中，连续获取所述待测物体的多个所述目标图像和所述参考图案的多个所述参考图像；

根据所述参考图像对所述目标图像进行补偿，包括：

根据多个所述参考图像确定所述光学系统的运动参数；

根据所述运动参数对所述目标图像进行补偿。

9.根据权利要求7所述的光学检测方法，其特征在于，根据多个所述参考图像确定所述光学系统的运动参数，包括：

根据不同时刻获取的所述参考图像的边缘模糊变化情况和/或所述参考图像的特征点位置变化情况确定所述光学系统的运动参数。

10.根据权利要求7所述的光学检测方法，其特征在于，根据所述参考图像对所述目标图像进行补偿，包括：

获取所述参考图案对应的初始参考图像；

对比所述参考图像与所述初始参考图像，得到补偿参数；

按照所述补偿参数对所述目标图像进行补偿。