一种基底三维位移测量装置、方法和系统

1.本技术实施例涉及测量技术领域，具体涉及一种基底三维位移测量装置、方法和系统。


背景技术：

2.随着超大规模集成电路芯片制造的技术节点不断缩小，给集成电路芯片制造带来的挑战越发严峻。而芯片制造最核心的技术就是光刻技术，随着光刻的工艺节点数值不断减小，对需曝光硅片的测量要求不断提高，光刻机工件台上硅片可能存在x、y、z三个方向偏移，即使再微小的偏差经过复杂的工艺步骤后也会被累加放大造成重大的误差，尤其在光刻机中位移测量技术将直接影响关键尺寸、套刻精度及良率等相关指标。
3.在光刻机中，硅片的三维位移测量通常由两个传感器实现——调焦调平传感器和对准传感器。前者用于测量硅片的z向位移，后者测量硅片的x、y向位移。两种传感器测量机理和结构通常不同，信号处理和应用也有很大区别，这造成光刻机里的硅片三维测量系统比较复杂。另外，光刻机形式多样，针对不同的工艺节点，三维位移测量精度从纳米量级到亚微米量级，目前市场上也很少有可以兼容如此大范围测量精度的装置。


技术实现要素：

4.为此，本技术实施例提供一种基底三维位移测量装置、方法和系统，装置结构简洁，信号处理快速高效，可针对不同应用场景和测量精度灵活调整应用。
5.为了实现上述目的，本技术实施例提供如下技术方案：
6.根据本技术实施例的第一方面，提供了一种基底三维位移测量装置，所述装置包括：固定在工件台的基底xy方向位移测量装置和基底z方向位移测量装置，所述工件台还安装有基底和光学光栅；所述基底z方向位移测量装置包括基底z方向位移测量装置信号发射端和基底z方向位移测量装置信号探测端；
7.所述基底z方向位移测量装置信号发射端将光栅像投影在基底上，所述基底z方向位移测量装置信号探测端将基底上的光栅像再次成像在数字相机上，所述数字相机将携带有基底z方向高度信息的信号传输至计算机进行处理，以得到基底z方向位移；
8.所述基底xy方向位移测量装置对所述光学光栅进行照明，并采集光学光栅图像传输至所述计算机进行处理，以得到基底xy方向位移。
9.可选地，所述基底z方向位移测量装置信号发射端包括光源、照明光学系统、光栅、光阑、投影光学系统和反射镜；
10.所述基底z方向位移测量装置信号探测端包括数字相机、光瞳、探测光学系统和反射镜；
11.所述光源发出的光束经过所述照明光学系统、所述光栅、所述光阑、所述投影光学系统和所述反射镜聚焦到所述基底上，经所述基底表面反射后光束经过所述反射镜、所述探测光学系统和所述光瞳，投射到所述数字相机上；
12.所述基底xy方向位移测量装置包括光学传感器、光学镜头和光源照明装置；
13.所述光源照明装置对所述光栅进行照明，以使得光栅的图像由所述光学镜头投射到所述光学传感器上，所述光学传感器采集光学光栅图像传输至所述计算机。
14.根据本技术实施例的第二方面，提供了一种应用第一方面所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量方法，所述方法包括：
15.接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
16.对光学传感器上的像素值编码生成数字光栅图像；
17.将所述光学光栅图像分别与所述数字光栅图像和编码取反后的数字光栅图像重叠生成第一合成条纹图案和第二合成条纹图案；
18.分别测量所述第一合成条纹图案和所述第二合成条纹图案的积分光强分布，得到第一光强位置曲线和第二光强位置曲线；
19.对所述第一光强位置曲线和所述第二光强位置曲线进行归一化处理得到光强曲线；
20.对所述光强曲线进行相位提取处理，得到光学光栅图像在光学传感器上的位移；
21.分别根据基底xy方向的位移和基底z方向的位移与所述光学光栅图像在光学传感器上的位移的映射关系，得到基底xy方向的位移和基底z方向的位移
22.根据本技术实施例的第三方面，提供了一种应用第一方面所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量方法，所述方法包括：
23.接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像或圆形图案图像；
24.根据数字相机上光学光栅图像的第一根光栅线的位移计算得到基底位移前后光学光栅图像在数字相机上的位移；
25.根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。
26.根据本技术实施例的第四方面，提供了一种应用第一方面所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量方法，所述方法包括：
27.接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
28.对所述光学光栅图像利用正弦函数拟合并计算出拟合后的所有极值点；
29.计算基底位移前后光学光栅图像的所有对应极值点的位移，以得到光学光栅图像在数字相机上的位移；
30.根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。
31.根据本技术实施例的第五方面，提供了一种应用第一方面所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量系统，所述系统包括：
32.光学光栅模块，用于接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
33.数字光栅模块，用于对光学传感器上的像素值编码生成数字光栅图像；
34.合成模块，用于将所述光学光栅图像分别与所述数字光栅图像和编码取反后的数字光栅图像重叠生成第一合成条纹图案和第二合成条纹图案；
35.光强积分模块，用于分别测量所述第一合成条纹图案和所述第二合成条纹图案的积分光强分布，得到第一光强位置曲线和第二光强位置曲线；
36.归一化模块，用于对所述第一光强位置曲线和所述第二光强位置曲线进行归一化处理得到光强曲线；
37.相位提取模块，用于对所述光强曲线进行相位提取处理，得到光学光栅图像在光学传感器上的位移；
38.基底位移计算模块，用于分别根据基底xy方向的位移和基底z方向的位移与所述光学光栅图像在光学传感器上的位移的映射关系，得到基底xy方向的位移和基底z方向的位移。
39.根据本技术实施例的第六方面，提供了一种应用第一方面所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量系统，所述系统包括：
40.光学光栅模块，用于接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像或圆形图案图像；
41.数字相机位移计算模块，用于根据数字相机上光学光栅图像的第一根光栅线的位移计算得到基底位移前后光学光栅图像在数字相机上的位移；
42.基底位移计算模块，用于根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。
43.根据本技术实施例的第七方面，提供了一种应用第一方面所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量系统，所述系统包括：
44.光学光栅模块，接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
45.极值点计算模块，用于对所述光学光栅图像利用正弦函数拟合并计算出拟合后的所有极值点；
46.数字相机位移计算模块，用于计算基底位移前后光学光栅图像的所有对应极值点的位移，以得到光学光栅图像在数字相机上的位移；
47.基底位移计算模块，用于根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。
48.根据本技术实施例的第八方面，提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现上述第二方面所述的方法。
49.根据本技术实施例的第九方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现上述第二方面所述的方法。
50.综上所述，本技术实施例提供了一种基底三维位移测量装置、方法和系统，通过固定在工件台的基底xy方向位移测量装置和基底z方向位移测量装置，所述工件台还安装有基底和光学光栅；所述基底z方向位移测量装置包括基底z方向位移测量装置信号发射端和基底z方向位移测量装置信号探测端；所述基底z方向位移测量装置信号发射端将光栅像投影在基底上，所述基底z方向位移测量装置信号探测端将基底上的光栅像再次成像在数字相机上，所述数字相机将携带有基底z方向高度信息的信号传输至计算机进行处理，以得到基底z方向位移；所述基底xy方向位移测量装置对所述光学光栅进行照明，并采集光学光栅图像传输至所述计算机进行处理，以得到基底xy方向位移装置结构简洁，信号处理快速高效，可针对不同应用场景和测量精度灵活调整应用。
附图说明
51.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
52.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
53.图1为本技术实施例提供的基底三维位移测量系统主要部分及空间相对关系；
54.图2为本技术实施例提供的光学光栅与数字光栅重叠后的图像；
55.图3为本技术实施例提供的基底z向位移测量装置光路图；
56.图4为本技术实施例提供的一种基底三维位移测量方法流程示意图；
57.图5a、图5b和图5c为本技术实施例提供的光学光栅图像与两个互补的数字光栅重叠图；
58.图6a和图6b为本技术实施例提供的光强曲线示意图；
59.图7为本技术实施例提供的一种基底三维位移测量另一方法流程示意图；
60.图8为本技术实施例提供的一种基底三维位移测量另一方法流程示意图；
61.图9a和图9b为本技术实施例提供的基底位移前后光栅图像对比示意图；
62.图10a为本技术实施例提供的光栅图像纵向采样示意图；
63.图10b为本技术实施例提供的箭头处的光强曲线示意图；
64.图11a和图11b为本技术实施例提供的基底位移前后圆形图案在数字相机上成像对比示意图；
65.图12a、图12b和图12c为本技术实施例提供的数字光栅示意图；
66.图13为本技术实施例提供的光强归一化曲线示意图；
67.图14a和图14b为本技术实施例提供的微调放大倍率对比图；
68.图15为本技术实施例提供的另一装置示意图；
69.图16为本技术实施例提供的基底三维位移测量系统框图；
70.图17为本技术实施例提供的基底三维位移测量另一系统框图；
71.图18为本技术实施例提供的基底三维位移测量另一系统框图；
72.图19示出了本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图；
73.图20示出了本技术实施例提供的一种计算机可读存储介质的示意图。
具体实施方式
74.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
75.由于光刻机不仅用于曝光硅片，还可能曝光玻璃、pcb板材、陶瓷、聚合物、各种柔
性材料等，本技术实施例将所有用于曝光的材料称为基底。
76.现有的测量系统，x-y和z是两套完全独立的系统，且原理各异，结构复杂。本技术实施例旨在解决现有技术中的三维测量系统测量原理、结构、信号处理均很复杂的问题，以及无法兼容跨尺度测量精度的问题。采用的是同一套测量原理和信号处理方法来测量基底x-y和z方向上的位移。
77.本技术实施例提出一种采用同样的测量原理同时测量基底三维位移的方法和装置，并可针对不同应用场景实现从微米到纳米的大范围的测量精度。本技术实施例提出的系统既可以作为光刻机或其它相关设备的一个关键子系统，也可以成为一个独立运行的测量设备，适用性高。
78.图1示出了一种基底三维位移测量装置，所述装置包括：固定在工件台的基底xy方向位移测量装置和基底z方向位移测量装置，所述工件台还安装有基底和光学光栅；所述基底z方向位移测量装置包括基底z方向位移测量装置信号发射端和基底z方向位移测量装置信号探测端。
79.所述基底z方向位移测量装置信号发射端将光栅像投影在基底上，所述基底z方向位移测量装置信号探测端将基底上的光栅像再次成像在数字相机上，所述数字相机将携带有基底z方向高度信息的信号传输至计算机进行处理，以得到基底z方向位移。
80.所述基底xy方向位移测量装置对所述光学光栅进行照明，并采集光学光栅图像传输至所述计算机进行处理，以得到基底xy方向位移。
81.在一种可能的实施方式中，所述基底z方向位移测量装置信号发射端包括光源、照明光学系统、光栅、光阑、投影光学系统和反射镜；所述基底z方向位移测量装置信号探测端包括数字相机、光瞳、探测光学系统和反射镜；所述光源发出的光束经过所述照明光学系统、所述光栅、所述光阑、所述投影光学系统和所述反射镜聚焦到所述基底上，经所述基底表面反射后光束经过所述反射镜、所述探测光学系统和所述光瞳，投射到所述数字相机上。
82.在一种可能的实施方式中，所述基底xy方向位移测量装置包括光学传感器、光学镜头和光源照明装置；所述光源照明装置对所述光栅进行照明，以使得光栅的图像由所述光学镜头投射到所述光学传感器上，所述光学传感器采集光学光栅图像传输至所述计算机。
83.本技术实施例适用的基底三维位移测量系统主要部分及空间相对关系，体现了针对光刻机上基底三维位移测量系统的几个主要部分。本装置将三维位移测量集成为一个系统，但x-y和z向测量也可各自独立，互不影响，且相比起于现有系统，硬件结构简单。
84.图1中，1：基底x-y方向位移测量装置；2：基底z向位移测量装置信号发射端；3：基底z向位移测量装置信号探测端；4：计算机；5：基底；6：工件台；7：光学光栅；11：光学传感器；12：光学镜头；13：环形光源照明装置；21：led光源；22：照明光学系统；23：光栅；24：光阑；25：投影光学系统；26：反射镜；31：数字相机；32：光瞳；33：探测光学系统；34：反射镜。
85.基底三维位移测量装置1、2、3相对于工件台固定在某个位置，基底z向测量装置包括一个信号发射端2和一个信号探测端3，信号发射端2将光栅像投影在基底5上,信号探测端3将基底5上的光栅像再次成像在相机31上并将图像传至电脑4上处理。
86.具体来说，led光源21发出光束，照明系统22将光速均匀化，均匀化的光束经过光栅23、光阑24、投影光学系统25和反射镜26聚焦在基底5上。经基底表面反射后光束经过反
射镜34、探测光学系统33、光瞳32，投射到数字相机31上。数字相机31将携带有基底z向高度信息的信号传送至计算机4处理。计算机4处理信号后获得基底z向高度信息并计算出用于对焦控制所需的基底位移量，计算机将基底位移量控制信息传送至工件台6，驱动器驱动工件台6产生垂直方向位移，使基底表面处于对焦控制范围内。
87.基底x-y向的位移测量装置1是基于数字光栅的光栅尺，结构整体分为光学光栅7与数字光栅读数头，数字光栅读数头中包括光学镜头12、环形光源13和光学传感器11。在进行测量x-y方向位移的过程中，在被测物体(基底)上安装一个光学光栅7。
88.具体来说，照明装置13对光学光栅7进行照明，光栅7的像由光学镜头12投射到光学传感器11上，光学传感器11采集光栅图像信号传送至计算机4处理。所述光学传感器可以是ccd或cmos传感器等。
89.当被测物体左右移动时，传感器11上的光栅图像也会相应地移动，需要说明的是光学光栅放置方向在测量x方向位移和y方向位移时相差90度。
90.上位机通过通信装置对ccd或cmos传感器编码构建虚拟的数字光栅。
91.光学光栅与数字光栅存在一定的周期差，当光学光栅在光学传感器上成像时，光学光栅图像与数字光栅重叠产生莫尔条纹，如图2所示。图2示出了光学光栅与数字光栅重叠后的图像。
92.计算机与基底三维测量装置没有固定的空间位置关系，计算机、基底三维位移测量装置、工件台之间采用电线、光纤或者计算机插槽进行连接。
93.图3是基底z向位移测量装置的一种光路图，其中1：光栅；2：消杂光光阑；3：投影光学系统；4：探测光学系统；5：孔径光阑；6：数字相机；7：基底参考面；8：基底测量面。基底7，8看作为镜面。2为投影系统的消杂光光阑，5为探测系统的孔径光阑，在该系统中，投影光学系统3和探测光学系统4为双远心光路。物体1、基底和相机6成像面三者之间为共轭关系，物体1是一片玻璃或其他透明材料，上面刻画有一个振幅型透射光栅或圆形图案或以上图案集成到一起，可满足高精度(纳米级)和低精度(微米级)两种测量需求。
94.当硅片相对参考平面7沿垂直方向移动h时，光栅影像在相机上移动距离d。根据光学三角法原理和硅片的镜面反射特性，h与d之间的关系为公式(1)：
[0095][0096]
其中，α为入射光束相对硅片的夹角，m为探测光学系统放大倍率。
[0097]
本技术实施例提供的三维位移测量系统，在x-y方向和z方向的纳米级精度测量均基于数字光栅的光学游标卡尺原理实现，光学光栅经过投影光路或光学镜头所成的像、被光学传感器捕捉后，通过信号处理和相位提取算法可以计算出光学光栅图像在光学传感器上的水平位移。
[0098]“光学光栅图像在光学传感器上的位移”与基底x-y和z方向上的位移量存在映射关系，通过图1的z向和x-y向测量部件分别得到基底z向位移和基底x-y向位移与“光学光栅图像在光学传感器上的位移”的映射关系。实际应用中，x-y和z向位移量是待测量，首先通过算法先计算出“光学光栅图像在光学传感器上的位移”，然后与上述标定得到的映射关系相乘，最终得到对x-y和z向基底位移的测量值。
[0099]
需要说明的是，这里的映射关系：z向在光学上为光学三角法的k值(可通过标定进
一步校正)，x-y向通过简单的标定即可得到。
[0100]
需要说明的是，数字相机可以用其他光电探测器阵列代替，led可以用其他光源代替，均为本技术实施例的保护范围。投影光学为像方远心光路，探测光学为物方远心光路。孔径光阑可以放置在投影光路，也可以放置在探测光路。光栅图像也可以是圆孔、圆孔阵列或其他依据本技术实施例测量原理进行测量的其他图形。
[0101]
本技术实施例提供的基底三维位移测量方法如图4所示，具体包括如下步骤：
[0102]
步骤401：接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
[0103]
步骤402：对光学传感器上的像素值编码生成数字光栅图像；
[0104]
步骤403：将所述光学光栅图像分别与所述数字光栅图像和编码取反后的数字光栅图像重叠生成第一合成条纹图案和第二合成条纹图案；
[0105]
步骤404：分别测量所述第一合成条纹图案和所述第二合成条纹图案的积分光强分布，得到第一光强位置曲线和第二光强位置曲线；
[0106]
步骤405：对所述第一光强位置曲线和所述第二光强位置曲线进行归一化处理得到光强曲线；
[0107]
步骤406：对所述光强曲线进行相位提取处理，得到光学光栅图像在光学传感器上的位移；
[0108]
步骤407：分别根据基底xy方向的位移和基底z方向的位移与所述光学光栅图像在光学传感器上的位移的映射关系，得到基底xy方向的位移和基底z方向的位移。
[0109]
在一种可能的实施方式中，设定振幅型光学光栅的占空比为1:1，光栅条纹信号为在空间呈周期性光强分布图案,周期为n+δn。
[0110]
数字光栅本质上是一种数字滤波器，通过对光学传感器进行1和0的编码，实现在像素点上对光强信号的保持(编码1)或清除(编码0)，注意将会生成两个互补的数字光栅，光学光栅图像和互补的数字光栅的数学模型分别可以用编码矩阵a、b、表征：
[0111][0112]
其中，下标r是光学传感器的行数，c是光学传感器的列数，通常设数字光栅的周期数为n选取合适n可以在信号处理后得到整个周期的光强信号波形：c1＝a*b；c1+c2＝a。
[0113]
光学光栅和数字光栅重叠后，分别将光学光栅和数字光栅b和重叠得到第一合成图5(b)和第二合成图5(c)，图5(a)、图5(b)和图5(c)示出了光学光栅图像与两个互补的数字光栅重叠图。
[0114]
为了量化光学光栅的投影在光学传感器表面移动时的位移值，有必要将第一合成图和第二合成图的每个保持区域的强度积分如下公式(2)和(3)：
[0115][0116][0117]
其中x，y分别为像素阵列中列和行的索引，c是像素矩阵列的总数，j是数字光栅周期数，即为图5中数字光栅的序号1至5，i(x，y)是像素坐标(x，y)处的光强值。将i
1j
和i
2j
分别逐点相连得到光强曲线i1和i2，光强曲线i1和i2的交点为光强相等的点，如图6(a)所示。图6(a)为积分光强曲线i1和i2示意图。图6(b)为对应的光强归一化曲线i。
[0118]
当光学光栅图像在ccd中上下移动时，图6(a)中的i1和i2曲线会相应地移动，同时等光强点也会发生移动，当光学光栅向上移动一个δn的距离时，图6(a)中等光强点由3移动到4。在实际系统中，照明不均匀可能影响i1和i2曲线的变化。所以为了减少光强不均匀对测量精度的影响，如图6(b)所示将i1和i2曲线进行归一化处理得到光强曲线i，公式如(4)：
[0119][0120]
当对准点跨越一个数字光栅周期时，光学光栅图像在光学传感器上的水平位移为δn，δn为该结构的直接测量分辨率，如果δn小于ccd像元尺寸，这意味着光学游标卡尺可以细分像素，有效提高了测量精度。
[0121]
实际操作中可以进行对等光强点的计数得到分辨率δn的位移值，在实际测量中得到的光强曲线i是一种类正弦曲线，采样点的数量由数字光栅周期大小决定，一个周期所占据的像素行数越小，则采样点越多，选取合适的数字光栅周期，可以得到一整个周期的光强曲线i，为了进一步提高测量精度，可以采用相位提取算法跟踪类正弦曲线i的相位变化进而得到x-y-z各个方向的位移值，例如傅里叶变换法、线性拟合法、希尔伯特变换法、小波变换法等。
[0122]
对等光强点的计数得到分辨率δn的位移值是原理上的，参见图6(b)，等光强点即为曲线i与x轴相交的点(零点)，判断i的零点移动了多少，即可算出相应的基底实际位移量，实际上要准确计算出基底发生位移前后i曲线的零点变化量，需要用到上述的相位提取算法，所述相位提取算法包括傅里叶变换法、线性拟合法、希尔伯特变换法、小波变换法等。
[0123]
i曲线是由数字光栅周期大小决定的，实际应用中需要构建合适的数字光栅周期来计算i曲线。
[0124]
本技术实施例在x-y-z三个方向的位移测量均是通过“信号处理和相位提取算法可以计算出光学光栅图像在光学传感器上的水平位移”计算得到的，“光学光栅图像在光学传感器上的位移”与基底x-y和z方向上的位移量存在映射关系，通过图1的z向和x-y向测量部件分别得到基底z向位移和基底x-y向位移与“光学光栅图像在光学传感器上的位移”的映射关系。
[0125]
实际应用中，x-y和z向位移量是待测量，首先通过算法先计算出“光学光栅图像在光学传感器上的位移”，然后与上述标定得到的映射关系相乘，最终得到对x-y和z向基底位移的测量值。
[0126]
上述为本技术实施例原理、结构以及纳米级测量精度(精测)实现方法阐述。当同
样装置应用于亚微米或微米级别测量(粗测)领域时，本技术实施例还提供一种基底三维位移测量方法，如图7所示，所述方法包括：
[0127]
步骤701：接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像或圆形图案图像；
[0128]
步骤702：根据数字相机上光学光栅图像的第一根光栅线的位移计算得到基底位移前后光学光栅图像在数字相机上的位移；
[0129]
步骤703：根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。
[0130]
本技术实施例还提供一种基底三维位移测量方法，如图8所示，所述方法包括：
[0131]
步骤801：接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
[0132]
步骤802：对所述光学光栅图像利用正弦函数拟合并计算出拟合后的所有极值点；
[0133]
步骤803：计算基底位移前后光学光栅图像的所有对应极值点的位移，以得到光学光栅图像在数字相机上的位移；
[0134]
步骤804：根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。
[0135]
测量原理基于图像识别，图9(a)和图9(b)为基底位移前后光栅图像对比示意图。基底发生位移时，数字相机上的振幅型光栅图像也会产生相应的位移，两个位移之间存在固定的线性关系。通过追踪数字相机上第一根光栅线的位移d来得到基底位移前后光栅图像在数字相机上的位移，最后通过标定得到的比例关系计算出基底位移。
[0136]
由于振幅型光栅图像的灰度值在纵向是类正弦分布，图10(a)为光栅图像纵向采样示意图，图10(b)为箭头处的光强曲线。所以用n阶的正弦函数去拟合，再计算出拟合后函数的所有极值点，计算基底位移前后光栅图像的所有相对应极值点的位移，从而得到光栅图像在数字相机上的位移。最终同样通过标定得到的比例关系计算出基底的位移量，此方法的最大优势是可以识别光栅图像在数字相机上的位移到亚像素级。
[0137]
上述两种方法通过图像识别方法处理振幅型光栅图像，考虑到应用场景的适用性，在微米或亚微米基底位移测量场景，本技术实施例还采用了一种圆形图案代替振幅型光栅来进行图像处理计算，图11a和图11b示出了基底位移前后圆形图案在数字相机上成像对比。圆形图案在数字相机上的位移量同样通过图像识别计算得到，最后通过标定得到的比例关系计算出基底位移量。
[0138]
本技术实施例可广泛用在光刻机上，可应用在不同测量精度的使用场景，下面将举例说明。以下三个举例为本技术实施例提供的装置的应用场景，分别是粗测、精测、粗测+精测。
[0139]
例1：精度相对较低的光刻场景，此应用场景曝光精度较低，则三维位移测量需求也相应较低，如曝光pcb，三维位移测量精度需求达到微米级别即可。则图1装置在测量x-y和z向位移时选用图11中的圆形图案或只识别振幅型光栅的单根线条即可，如图9所示灰色阴影区域表示ccd像面，当x-y或z方向发生位移时，光栅图像在ccd上也会产生相应位移d，由公式1和标定过程可计算出z向位移h，x-y方向位移可直接由标定得到光栅像位移d和x-y方向位移间的比例关系从而计算出x-y方向的位移。
[0140]
例2：精度高的光刻场景，由于光刻精度高，对基底三维方向上的位移非常敏感，所
以通常需要达到纳米级的测量精度，例1中的测量方案不再适用，所以需要应用上述的数字光栅方案进行高精度测量，如图12所示，图12(a)为光学光栅图像，图12(b)为构建的数字光栅，图12(c)为数字光栅与光学光栅合成图像。通过数字光栅对光学光栅图像信号进行“保持”或“清除”处理，得到图12(c)。图13为光强归一化曲线i，通过对曲线i求根计算出三维方向上的位移，可有效细分像素达到纳米级测量精度。
[0141]
值得注意的是，通过调整本三维位移测量装置的放大倍率(x-y向和z向)，在计算时可得到不同的i曲线，从而使测量范围和测量精度可调。如图14所示，图14(a)放大倍率调整前，图14(b)放大倍率调整后。图14(b)相对于图14(a)稍微增大了系统的放大倍率，可明显看出二者i曲线的差异，且图14(b)的灵敏度更高，所以微调放大倍率可调节本装置的测量范围和精度。
[0142]
例3：高低精度测量相结合的光刻场景，本装置可能存在高低精度相结合的应用场景，即先应用低精度测量量程大的特点先进行粗测，当到达某一阈值时切换高精度测量方法进行精测，从而弥补高精度测量量程相对较小的短板。此时采用振幅型光栅，粗测采样例1追踪单根光栅线的方法，精测采用例2数字光栅与光学光栅相结合的方法。
[0143]
三个例子只是本装置不同的应用场景，求解位移的方法与上述的两种信号处理方法一致(构建数字光栅或直接图像处理)。
[0144]
需要说明的是，本技术实施例的三维位移测量系统可单独使用或组合使用，即x-y方向位移测量和z方向位移测量为独立的工作模块，组合使用时如图1所示，单独使用可只运行其中一个模块，两个模块工作相互独立。
[0145]
x-y方向和z方向位移测量基底的位置可相同可不同，图1所示方案为x-y和z方向均测量基底相同位置的三维位移，图15是本技术实施例提供的另一种装置方案。其中，1：基底z向位移测量装置信号发射端；2：基底三维位移测量装置信号探测端；3：基底x-y方向位移测量所需的光学光栅；4：基底；11：led光源12：照明光学系统13：光栅14：光阑15：投影光学系统16：反射镜；21：数字相机22：光瞳23：探测光学系统；24：分光棱镜；25环形光源。
[0146]
图15所示方案可使x-y和z方向测量基底不同位置，z向位移测量装置与图1装置的区别是将信号探测端的反射镜换成了分光棱镜，此时环形光源25照明光学光栅3，光学光栅3的像在数字相机21上聚焦实现x-y方向位移测量，图15所示方案只需一个相机即可实现三维位移测量，且x-y和z向测量位置不同。
[0147]
本技术实施例提供了一种光学基底检测系统中的基底三维位移测量装置，通过测量光栅图像中的光栅像的位移获得基底位移信息。同样一套装置，可根据不同信号处理方法得到从微米到纳米的跨尺度测量。
[0148]
基底三维位移测量所用的振幅型光栅和圆形图案可以集成在一个结构件上，也可以分别制作成模块，随时可根据不同需求进行切换，方便快捷。集成在一个结构件时即为振幅型光栅和圆形图案在一个结构件上，分别制作即为振幅型光栅和圆形图案分别制作成结构件，所列举的图片为本装置实验的实拍图。单独的圆形图案模块只应用于粗测场景，单独的振幅型光栅模块主要用于精测场景，粗测场景也可。集成模块粗测和精测场景均可。
[0149]
至于粗测场景即可以使用圆形图案也可以选择振幅型光栅是为提高系统适应性，以应对待测基底表面的图案对数字相机采集到的图像质量的影响。
[0150]
所以本技术实施例提出”基底三维位移测量所用的振幅型光栅和圆形图案可以集
成在一个结构件上，也可以分别制作成模块，随时可根据不同需求进行切换，方便快捷”，以便根据不同的实际应用情况和客户需求选择。
[0151]
本技术实施例提供的三维位移测量装置和方法可以通过调节系统放大倍率，从而实现测量精度和测量范围可调。
[0152]
本技术实施例提供的三维位移测量装置和方法可作为光刻机或其它精密加工设备的子部件，也可成为一套独立运行的测量系统。
[0153]
本技术实施例提供的三维位移测量装置和方法是基于光学检测系统应用提出，但也可应用于其他场合，例如光学检测、激光加工，甚至位移台研发等领域。
[0154]
综上所述，本技术实施例提供了一种基底三维位移测量装置、方法和系统，所述装置包括：固定在工件台的基底xy方向位移测量装置和基底z方向位移测量装置，所述工件台还安装有基底和光学光栅；所述基底z方向位移测量装置包括基底z方向位移测量装置信号发射端和基底z方向位移测量装置信号探测端；所述基底z方向位移测量装置信号发射端将光栅像投影在基底上，所述基底z方向位移测量装置信号探测端将基底上的光栅像再次成像在数字相机上，所述数字相机将携带有基底z方向高度信息的信号传输至计算机进行处理，以得到基底z方向位移；所述基底xy方向位移测量装置对所述光学光栅进行照明，并采集光学光栅图像传输至所述计算机进行处理，以得到基底xy方向位移装置结构简洁，信号处理快速高效，可针对不同应用场景和测量精度灵活调整应用。
[0155]
基于相同的技术构思，本技术实施例还提供了基底三维位移测量系统，如图16所示，所述系统包括：
[0156]
光学光栅模块1601，用于接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
[0157]
数字光栅模块1602，用于对光学传感器上的像素值编码生成数字光栅图像；
[0158]
合成模块1603，用于将所述光学光栅图像分别与所述数字光栅图像和编码取反后的数字光栅图像重叠生成第一合成条纹图案和第二合成条纹图案；
[0159]
光强积分模块1604，用于分别测量所述第一合成条纹图案和所述第二合成条纹图案的积分光强分布，得到第一光强位置曲线和第二光强位置曲线；
[0160]
归一化模块1605，用于对所述第一光强位置曲线和所述第二光强位置曲线进行归一化处理得到光强曲线；
[0161]
相位提取模块1606，用于对所述光强曲线进行相位提取处理，得到光学光栅图像在光学传感器上的位移；
[0162]
基底位移计算模块1607，用于分别根据基底xy方向的位移和基底z方向的位移与所述光学光栅图像在光学传感器上的位移的映射关系，得到基底xy方向的位移和基底z方向的位移。
[0163]
基于相同的技术构思，本技术实施例还提供了基底三维位移测量系统，如图17所示，所述系统包括：
[0164]
光学光栅模块1701，用于接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像或圆形图案图像；
[0165]
数字相机位移计算模块1702，用于根据数字相机上光学光栅图像的第一根光栅线的位移计算得到基底位移前后光学光栅图像在数字相机上的位移；
[0166]
基底位移计算模块1703，用于根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的
位移的比例关系计算出基底位移。
[0167]
基于相同的技术构思，本技术实施例还提供了基底三维位移测量系统，如图18所示，所述系统包括：
[0168]
光学光栅模块1801，接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；
[0169]
极值点计算模块1802，用于对所述光学光栅图像利用正弦函数拟合并计算出拟合后的所有极值点；
[0170]
数字相机位移计算模块1803，用于计算基底位移前后光学光栅图像的所有对应极值点的位移，以得到光学光栅图像在数字相机上的位移；
[0171]
基底位移计算模块1804，用于根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。
[0172]
本技术实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的方法对应的电子设备。请参考图19，其示出了本技术的一些实施方式所提供的一种电子设备的示意图。所述电子设备20可以包括：处理器200，存储器201，总线202和通信接口203，所述处理器200、通信接口203和存储器201通过总线202连接；所述存储器201中存储有可在所述处理器200上运行的计算机程序，所述处理器200运行所述计算机程序时执行本技术前述任一实施方式所提供的方法。
[0173]
其中，存储器201可能包含高速随机存取存储器(ram：random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个物理端口203(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网、广域网、本地网、城域网等。
[0174]
总线202可以是isa总线、pci总线或eisa总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。其中，存储器201用于存储程序，所述处理器200在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本技术实施例任一实施方式揭示的所述方法可以应用于处理器200中，或者由处理器200实现。
[0175]
处理器200可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器200中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器200可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器201，处理器200读取存储器201中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0176]
本技术实施例提供的电子设备与本技术实施例提供的方法出于相同的发明构思，具有与其采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
[0177]
本技术实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的方法对应的计算机可读存
储介质，请参考图20，其示出的计算机可读存储介质为光盘30，其上存储有计算机程序(即程序产品)，所述计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施方式所提供的方法。
[0178]
需要说明的是，所述计算机可读存储介质的例子还可以包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他光学、磁性存储介质，在此不再一一赘述。
[0179]
本技术的上述实施例提供的计算机可读存储介质与本技术实施例提供的方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
[0180]
需要说明的是：
[0181]
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备有固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本技术也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本技术的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本技术的最佳实施方式。
[0182]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本技术的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0183]
类似地，应当理解，为了精简本技术并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本技术的示例性实施例的描述中，本技术的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本技术要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本技术的单独实施例。
[0184]
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
[0185]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0186]
本技术的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本技术实施例的虚拟机的创建装置中的一
些或者全部部件的一些或者全部功能。本技术还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本技术的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
[0187]
应该注意的是上述实施例对本技术进行说明而不是对本技术进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本技术可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0188]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基底三维位移测量装置，其特征在于，所述装置包括：固定在工件台的基底xy方向位移测量装置和基底z方向位移测量装置，所述工件台还安装有基底和光学光栅；所述基底z方向位移测量装置包括基底z方向位移测量装置信号发射端和基底z方向位移测量装置信号探测端；所述基底z方向位移测量装置信号发射端将光栅像投影在基底上，所述基底z方向位移测量装置信号探测端将基底上的光栅像再次成像在数字相机上，所述数字相机将携带有基底z方向高度信息的信号传输至计算机进行处理，以得到基底z方向位移；所述基底xy方向位移测量装置对所述光学光栅进行照明，并采集光学光栅图像传输至所述计算机进行处理，以得到基底xy方向位移。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底z方向位移测量装置信号发射端包括光源、照明光学系统、光栅、光阑、投影光学系统和反射镜；所述基底z方向位移测量装置信号探测端包括数字相机、光瞳、探测光学系统和反射镜；所述光源发出的光束经过所述照明光学系统、所述光栅、所述光阑、所述投影光学系统和所述反射镜聚焦到所述基底上，经所述基底表面反射后光束经过所述反射镜、所述探测光学系统和所述光瞳，投射到所述数字相机上；所述基底xy方向位移测量装置包括光学传感器、光学镜头和光源照明装置；所述光源照明装置对所述光栅进行照明，以使得光栅的图像由所述光学镜头投射到所述光学传感器上，所述光学传感器采集光学光栅图像传输至所述计算机。3.一种应用权利要求1-2所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量方法，其特征在于，所述方法包括：接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；对光学传感器上的像素值编码生成数字光栅图像；将所述光学光栅图像分别与所述数字光栅图像和编码取反后的数字光栅图像重叠生成第一合成条纹图案和第二合成条纹图案；分别测量所述第一合成条纹图案和所述第二合成条纹图案的积分光强分布，得到第一光强位置曲线和第二光强位置曲线；对所述第一光强位置曲线和所述第二光强位置曲线进行归一化处理得到光强曲线；对所述光强曲线进行相位提取处理，得到光学光栅图像在光学传感器上的位移；分别根据基底xy方向的位移和基底z方向的位移与所述光学光栅图像在光学传感器上的位移的映射关系，得到基底xy方向的位移和基底z方向的位移。4.一种应用权利要求1-2所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量方法，其特征在于，所述方法包括：接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像或圆形图案图像；根据数字相机上光学光栅图像的第一根光栅线的位移计算得到基底位移前后光学光栅图像在数字相机上的位移；根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。5.一种应用权利要求1-2所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量方法，其特征在于，所述方法包括：
接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；对所述光学光栅图像利用正弦函数拟合并计算出拟合后的所有极值点；计算基底位移前后光学光栅图像的所有对应极值点的位移，以得到光学光栅图像在数字相机上的位移；根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。6.一种应用权利要求1-2所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量系统，其特征在于，所述系统包括：光学光栅模块，用于接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；数字光栅模块，用于对光学传感器上的像素值编码生成数字光栅图像；合成模块，用于将所述光学光栅图像分别与所述数字光栅图像和编码取反后的数字光栅图像重叠生成第一合成条纹图案和第二合成条纹图案；光强积分模块，用于分别测量所述第一合成条纹图案和所述第二合成条纹图案的积分光强分布，得到第一光强位置曲线和第二光强位置曲线；归一化模块，用于对所述第一光强位置曲线和所述第二光强位置曲线进行归一化处理得到光强曲线；相位提取模块，用于对所述光强曲线进行相位提取处理，得到光学光栅图像在光学传感器上的位移；基底位移计算模块，用于分别根据基底xy方向的位移和基底z方向的位移与所述光学光栅图像在光学传感器上的位移的映射关系，得到基底xy方向的位移和基底z方向的位移。7.一种应用权利要求1-2所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量系统，其特征在于，所述系统包括：光学光栅模块，用于接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像或圆形图案图像；数字相机位移计算模块，用于根据数字相机上光学光栅图像的第一根光栅线的位移计算得到基底位移前后光学光栅图像在数字相机上的位移；基底位移计算模块，用于根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。8.一种应用权利要求1-2所述基底三维位移测量装置的基底三维位移测量系统，其特征在于，所述系统包括：光学光栅模块，接收光学光栅图像；所述光学光栅图像为振幅光栅图像；极值点计算模块，用于对所述光学光栅图像利用正弦函数拟合并计算出拟合后的所有极值点；数字相机位移计算模块，用于计算基底位移前后光学光栅图像的所有对应极值点的位移，以得到光学光栅图像在数字相机上的位移；基底位移计算模块，用于根据基底位移和所述光学光栅图像在数字相机上的位移的比例关系计算出基底位移。9.一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现如权利要求3所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如权利要求3所述的方法。

技术总结
本申请实施例公开了一种基底三维位移测量装置、方法和系统，所述装置包括：固定在工件台的基底XY方向位移测量装置和基底Z方向位移测量装置，所述工件台还安装有基底和光学光栅；基底Z方向位移测量装置信号发射端将光栅像投影在基底上，基底Z方向位移测量装置信号探测端将基底上的光栅像再次成像在数字相机上，所述数字相机将携带有基底Z方向高度信息的信号传输至计算机进行处理，以得到基底Z方向位移；所述基底XY方向位移测量装置对所述光学光栅进行照明，并采集光学光栅图像传输至所述计算机进行处理，以得到基底XY方向位移。装置结构简洁，信号处理快速高效，可针对不同应用场景和测量精度灵活调整应用。用场景和测量精度灵活调整应用。用场景和测量精度灵活调整应用。


技术研发人员：郭磊 李世光 王寅 戢逸云
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2023/10/7