專利名稱：對(duì)焦位置檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如在半導(dǎo)體曝光裝置中檢測(cè)分劃板與裝置及晶片與裝置的位置時(shí)自動(dòng)對(duì)好對(duì)位置標(biāo)志的最佳光學(xué)位置等情況下的一種對(duì)焦位置檢測(cè)方法，該方法在使用光學(xué)系統(tǒng)透鏡攝像時(shí)進(jìn)行對(duì)焦時(shí)能夠合適地利用于必要的裝置。
已往的自動(dòng)對(duì)焦裝置或方法中，對(duì)攝像得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行微分，用微分圖像數(shù)據(jù)作出評(píng)價(jià)函數(shù)，并將給出各光學(xué)位置上的評(píng)價(jià)函數(shù)的極值的位置作為對(duì)焦點(diǎn)。作為該評(píng)價(jià)函數(shù)，用微分圖像數(shù)據(jù)的絕對(duì)值的最大值或微分圖像數(shù)據(jù)的絕對(duì)值的總和(數(shù)1)S 1 =ΣnDn]]>或用微分圖像數(shù)據(jù)的絕對(duì)值的平方和(數(shù)2)S 2 =Σn( Dn)2]]>來(lái)表達(dá)(參照特開(kāi)昭62-272216號(hào)公報(bào))。
但是，Dn為微分圖像數(shù)據(jù)的絕對(duì)值，n為對(duì)應(yīng)于圖面內(nèi)或某個(gè)窗口內(nèi)所有像素的地址的特征標(biāo)。
具體地說(shuō)，首先從攝像機(jī)等的圖像輸入裝置的輸出(圖像信號(hào))獲得目標(biāo)圖像的各像素的濃度數(shù)據(jù)。如圖11所示，獲得對(duì)應(yīng)于目標(biāo)圖像的各像素的像素濃度數(shù)據(jù)a、b、c……。
接著，如圖11所示，對(duì)由注目像素b與其周圍的3個(gè)像素構(gòu)成的1×3的部分圖像60進(jìn)行設(shè)定并進(jìn)行微分處理。這種微分處理，具體來(lái)說(shuō)就是以使用圖13所示的1列、3行的系數(shù)矩陣的濾光器處理進(jìn)行的。
使用圖13的系數(shù)矩陣時(shí)，相對(duì)于注目像素求出檢測(cè)線上左區(qū)域的像素濃度數(shù)據(jù)與檢測(cè)線上右區(qū)域的像素濃度的差。作為圖13的處理的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。
運(yùn)算結(jié)果＝〔c〕-〔a〕一旦部分圖像60的處理結(jié)束，則橫向移動(dòng)一個(gè)像素，像素a消失，代之設(shè)定在右邊加入像素d的部分圖像61，并進(jìn)行同樣的處理，一旦結(jié)束，再移動(dòng)一個(gè)像素重復(fù)進(jìn)行同樣的處理，一個(gè)接一個(gè)執(zhí)行提取處理。
這樣，用所得微分圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行上述的評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)算，接著，使相對(duì)于目標(biāo)物的光學(xué)位置發(fā)生變化，并進(jìn)行上述處理和運(yùn)算評(píng)價(jià)函數(shù)。依序改變相對(duì)于目標(biāo)物的光學(xué)位置進(jìn)行這種操作，且將給出評(píng)價(jià)函數(shù)的極值的位置作為對(duì)焦位置。
可是，用上述已有技術(shù)例的微分圖像數(shù)據(jù)建立評(píng)價(jià)函數(shù)的方法存在如下問(wèn)題。
例如，雖然目標(biāo)物及相對(duì)于目標(biāo)物的光學(xué)位置與圖11情況相同，可是因光量的不同，結(jié)果得到如圖12所示的像素濃度數(shù)據(jù)A、B、C……、這里，在屬于圖11中的部分圖像60和圖12中的部分圖像62的濃度數(shù)據(jù)分別如圖14、圖15中所示的情況下，檢測(cè)線上的左右區(qū)域相對(duì)于注目像素都具有2倍對(duì)比度，圖像在視覺(jué)上很引人注目。
可是，部分圖像60(圖14)的運(yùn)算結(jié)果＝20，另一方面，部分圖像62(圖15)的運(yùn)算結(jié)果＝40，由于成倍的差，所以評(píng)價(jià)函數(shù)的值有很大的不同。這種例子是極端情況，但為了檢測(cè)對(duì)焦位置，依序改變相對(duì)于目標(biāo)物的光學(xué)位置，變動(dòng)在攝像時(shí)照射目標(biāo)物的照明光量，結(jié)果，當(dāng)評(píng)價(jià)函數(shù)值不同時(shí)會(huì)大大影響對(duì)焦位置的檢測(cè)精度。把伴隨這種光量變動(dòng)的濃度變動(dòng)稱為全局濃度變動(dòng)，則即使具有相同的光學(xué)位置，全局濃度變動(dòng)也會(huì)這樣左右評(píng)價(jià)函數(shù)，從而使對(duì)焦位置的檢測(cè)精度下降，并使重復(fù)再現(xiàn)性變壞。
對(duì)于這些，雖然也考慮過(guò)隨光量變動(dòng)程度自動(dòng)地變動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)，但是，如果要將對(duì)光量變動(dòng)有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)并把自動(dòng)變動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)的程序編進(jìn)去，則會(huì)使處理算法變得非常復(fù)雜，在提取階段太費(fèi)時(shí)間，而存在無(wú)實(shí)用性的問(wèn)題。
鑒于上述已有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)焦位置檢測(cè)方法，該方法即使在全局濃度變動(dòng)情況下也不需要復(fù)雜的處理算法，就能夠從目標(biāo)的濃淡圖像獲得相對(duì)于目標(biāo)物的光學(xué)系統(tǒng)的良好的對(duì)焦位置。
本發(fā)明的對(duì)焦位置檢測(cè)方法，其特征在于，具有通過(guò)其光學(xué)系統(tǒng)攝像獲得含有必須相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)焦的目標(biāo)物的量子化的二維圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程;在該二維圖像數(shù)據(jù)內(nèi)設(shè)定預(yù)定區(qū)域的過(guò)程;對(duì)由預(yù)定區(qū)域內(nèi)的注目像素與其特定方向線上的周圍的像素構(gòu)成的部分圖像進(jìn)行設(shè)定的部分圖像設(shè)定過(guò)程;相對(duì)于注目像素在特定方向線上的左右設(shè)定左區(qū)域和右區(qū)域的左右區(qū)域設(shè)定過(guò)程;按為左區(qū)域用而設(shè)定的確定方法對(duì)左區(qū)域各像素的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的左區(qū)域運(yùn)算過(guò)程;按為右區(qū)域用而設(shè)定的確定方法對(duì)右區(qū)域各像素的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的右區(qū)域運(yùn)算過(guò)程將左、右區(qū)域運(yùn)算過(guò)程的運(yùn)算結(jié)果的比作為濃淡比所求出的濃淡比運(yùn)算過(guò)程;在預(yù)定區(qū)域內(nèi)重復(fù)濃淡比運(yùn)算過(guò)程對(duì)使用濃淡比的評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算的過(guò)程;通過(guò)改變目標(biāo)物的光學(xué)位置、重復(fù)上述過(guò)程以求得各光學(xué)位置上的多個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)算值的過(guò)程根據(jù)該結(jié)果獲得相對(duì)于目標(biāo)物的光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)焦位置的過(guò)程。
按照本發(fā)明，由于得出濃度數(shù)據(jù)的運(yùn)算結(jié)果的比，所以能消除圖像全局濃度變動(dòng)的影響。亦即，濃也好淡也好全局濃度變動(dòng)的影響以屬于部分圖像的總濃度數(shù)據(jù)具有相同系數(shù)(α)的形式表現(xiàn)出來(lái)。例如，相對(duì)于注目像素在特定方向線上的左、右區(qū)域內(nèi)，如果屬于右區(qū)域的濃度數(shù)據(jù)中的最高濃度數(shù)據(jù)M＝αm，而屬于左區(qū)域的濃度數(shù)據(jù)中的最低濃度數(shù)據(jù)N＝αn，則比M/N＝αm/αn＝m/n，與全局濃度變動(dòng)影響的α無(wú)關(guān)。平均值也好，最頻值的情況也好，這都相同。
因此，即使是有全局濃度變動(dòng)的圖像，也不受全局濃度變動(dòng)的影響，能正確地進(jìn)行必要像素的提取。這里，由于是僅簡(jiǎn)單地取得比，所以也不存在處理算法復(fù)雜化的情況。而且，即使目標(biāo)物變動(dòng)，毋庸置言全局濃度變動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。
又，由于不僅附加注目像素的濃度數(shù)據(jù)而且還附加特定方向上排列的像素部分的濃度數(shù)據(jù)，所以，例如一部分濃度數(shù)據(jù)高的點(diǎn)狀的東西的影響變小，所以提取能正確地進(jìn)行。
而且，作為構(gòu)成目標(biāo)的圖像，不僅可以是用視頻攝像機(jī)所攝取的如用于半導(dǎo)體晶片等工業(yè)品表面的對(duì)焦檢測(cè)標(biāo)記的圖像，而且還可以是人工所作的圖像。
下面，參照
本發(fā)明一實(shí)施例的對(duì)焦位置檢測(cè)方法。且毋庸置言，本發(fā)明并不限定于下述實(shí)施例。
圖1為本發(fā)明對(duì)焦檢測(cè)方法的一實(shí)施例中所使用的裝置的構(gòu)成圖;
圖2為上述實(shí)施例動(dòng)作的主要部分的流程圖;
圖3表示上述實(shí)施例中的部分圖像;
圖4表示上述實(shí)施例中注目像素的運(yùn)算結(jié)果;
圖5表示上述實(shí)施例中目標(biāo)圖像;
圖6表示上述實(shí)施例中的位置與累積濃淡比的關(guān)系圖;
圖7為上述實(shí)施例的近似曲線圖;
圖8為上述實(shí)施例中被設(shè)定的部分圖像構(gòu)成圖;
圖9為上述實(shí)施例中被設(shè)定的其它部分圖像構(gòu)成圖;
圖10為作為本發(fā)明適用對(duì)象之一例的半導(dǎo)體制造露光裝置的概略構(gòu)成立體視圖;
圖11表示已有技術(shù)例中的部分圖像與濃度數(shù)據(jù);
圖12為已有技術(shù)例中部分圖像與不同濃度數(shù)據(jù)的示圖;
圖13為已有技術(shù)例在微分處理中所用的系數(shù)矩陣的構(gòu)成圖;
圖14為已有技術(shù)例中部分圖像的濃度數(shù)據(jù)的說(shuō)明圖;
圖15為已有技術(shù)例中光量變動(dòng)時(shí)的部分圖像的濃度數(shù)據(jù)的說(shuō)明圖。
圖1表示實(shí)施本實(shí)施例對(duì)焦位置檢測(cè)方法的裝置的構(gòu)成，圖2表示對(duì)焦位置檢測(cè)動(dòng)作的主要部分的流程圖，圖3表示部分圖像。
圖1中照明裝置6的光通過(guò)半透半反鏡5向可在上下的Z方向上移動(dòng)的載物臺(tái)1上的目標(biāo)物4的表面進(jìn)行照射，同時(shí)通過(guò)半透半反鏡5用攝像裝置2拍攝目標(biāo)物4的表面。該攝像裝置2備有CCD傳感器，可分別獲得各像素的濃淡信號(hào)，它們被數(shù)字化送入運(yùn)算裝置3。在運(yùn)算裝置3中，按照對(duì)應(yīng)于像素的行與列的形式例如作為8比特的濃度數(shù)據(jù)存貯在存貯單元中。不消說(shuō)，在運(yùn)算裝置3中設(shè)定著進(jìn)行下述處理的程序。
這里，用運(yùn)算裝置3，一邊識(shí)別對(duì)焦?fàn)顟B(tài)一邊移動(dòng)載物臺(tái)，最后檢測(cè)出Z方向上的最佳對(duì)焦位置。
下面，說(shuō)明對(duì)焦位置的檢測(cè)動(dòng)作。在圖2，首先在步驟＃1的目標(biāo)物的攝像過(guò)程中，作成表示目標(biāo)物圖像的各像素的濃淡程度的濃度數(shù)據(jù)。
下面，轉(zhuǎn)入步驟＃2所攝圖像數(shù)據(jù)的累積濃淡比的運(yùn)算過(guò)程。這一過(guò)程由接著的步驟＃3～＃7的過(guò)程構(gòu)成。即，首先進(jìn)行步驟＃3的部分圖像設(shè)定過(guò)程。在本實(shí)施例的情況下，如圖3所示，部分圖像10由1×5的5個(gè)像素構(gòu)成。接著，進(jìn)行步驟＃4的區(qū)域設(shè)定過(guò)程。對(duì)于部分圖像的中心的注目像素11，設(shè)定了左區(qū)域2個(gè)像素，右區(qū)域2個(gè)像素。然后進(jìn)入步驟＃5、＃6、＃7。根據(jù)圖3，相對(duì)于注目像素11求取屬于右區(qū)域的濃度數(shù)據(jù)的平均值A(chǔ)V1，同時(shí)求取屬于左區(qū)域的濃度數(shù)據(jù)的平均值A(chǔ)V2之后，再取平均值A(chǔ)V1、AV2的濃淡比。又，濃淡比通過(guò)比較平均值A(chǔ)V1與AV2的大小，按如下方法。
AV1＞AV2時(shí)濃淡比＝AV1/AV2AV1＜AV2時(shí)濃度比＝AV2/AV1AV1＝AV2時(shí)濃淡比＝1.0在部分圖像10中，其濃淡比為1.18。
下面橫向移動(dòng)一個(gè)像素再進(jìn)行同樣的處理，以下通過(guò)重復(fù)同樣的動(dòng)作求取濃淡比。如圖4所示，濃淡比的值依次為1.29、1.27、1.18、1.02。
這種處理，如圖5所示，在設(shè)定于目標(biāo)圖像40中的對(duì)焦檢測(cè)用標(biāo)志41部分中的預(yù)定區(qū)域42的范圍內(nèi)進(jìn)行，在該設(shè)定區(qū)域內(nèi)提取多個(gè)濃淡比之后求取它們的累積濃淡比。
其后，一邊將圖1的載物臺(tái)1每次順次朝焦點(diǎn)移動(dòng)方向(Z方向)移動(dòng)一適當(dāng)量，一邊在各位置上進(jìn)行上述圖2的處理，求取各位置上的累積濃淡比。圖6用橫軸表示Z方向位置，用縱軸表示累積濃淡比。這里，在下限位置50與上限位置51間的范圍內(nèi)求取10個(gè)點(diǎn)的累積濃淡比53。
作為對(duì)焦位置將選取具有最大累積濃淡比值的位置52。
又，如圖7所示，也考慮由多個(gè)提取位置與該位置的累積濃淡比53計(jì)算近似曲線55，以具有近似曲線55的最大值的位置56為對(duì)焦位置的情況。此時(shí)檢測(cè)位置精度非常高。
上述實(shí)施例中，雖用累積濃淡比作為評(píng)價(jià)函數(shù)，但是可從采用濃淡比的平方的累積等任何的評(píng)價(jià)函數(shù)。
又，上述實(shí)施例的情況中，每次移動(dòng)一個(gè)像素進(jìn)行設(shè)定，雖能進(jìn)行非常細(xì)的掃描，但有的圖像也可以在設(shè)定部分圖像時(shí)跳過(guò)一個(gè)(或兩個(gè))像素進(jìn)行跳越掃描。跳越掃描時(shí)可節(jié)省處理時(shí)間。
又，設(shè)定部分圖像時(shí)，如圖8所示，雖相對(duì)于檢測(cè)線方向設(shè)定左區(qū)域L2、右區(qū)域L3，厚度為L(zhǎng)4，但其幅度不受限制。
又，如圖9所示，也可設(shè)定不感帶區(qū)域L1，此時(shí)可節(jié)省時(shí)間。
又，通常作為舉出注目像素與其周圍像素組成的長(zhǎng)方形為例，但并不限于此。其大小和形狀等也可不同。例如，也可為圓形。又，通常注目像素位于部分畫(huà)像的中心，但是例如設(shè)定為像素?cái)?shù)為2×6的部分圖像等情況下，有時(shí)也與部分圖像的中心完全不一致，但在本發(fā)明中也可像這樣不完全一致的情況。
又，作為區(qū)域的運(yùn)算方法的種類，可舉出①算出平均值，②選出最頻值，③分別在左區(qū)域選出最高值、在右區(qū)域選出最低值，④分別在左區(qū)域選出最低值、在右區(qū)域選出最高值，⑤算出總和等，但不限于這些。
又，從多個(gè)提取位置與累積濃淡比求取近似曲線時(shí)的方法，雖考慮應(yīng)用重回歸分析的拋物線，適用仿樣函數(shù)等種種方法，但不限于這些方法。
最后，作為適用本發(fā)明對(duì)焦位置檢測(cè)方法的一個(gè)對(duì)象的半導(dǎo)體露光裝置的整個(gè)結(jié)構(gòu)示于圖10。在圖10中，100為十字分劃校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，101為十字分劃板(光掩模)，102為投影透鏡、103為晶片，104為晶片載物臺(tái)，105為激光光源，106為控制裝置，107為晶片校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。
與本發(fā)明有關(guān)的結(jié)構(gòu)，包含十字分劃校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)100、晶片校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)107的照相機(jī)、照明裝置、光學(xué)透鏡及控制裝置106的圖像處理裝置，當(dāng)檢測(cè)十字分劃板101、十字分劃校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)100、晶片載物臺(tái)104與晶片校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的位置時(shí)，為了自動(dòng)對(duì)好對(duì)位置標(biāo)志的最佳光學(xué)位置，可使用于本發(fā)明的對(duì)焦位置檢測(cè)方法。通過(guò)應(yīng)用于本發(fā)明，即使在照明裝置的光量變動(dòng)為±20%的環(huán)境中，也能用焦點(diǎn)深度的1/13的精度(對(duì)于2μm的焦點(diǎn)深度，按照精度評(píng)價(jià)3σ，則位置精度為150mm)檢測(cè)對(duì)焦位置。
按照本發(fā)明的對(duì)焦檢測(cè)方法，如上所述，由于取從部分圖像中的注目像素的特定方向的左右區(qū)域中的深度數(shù)據(jù)獲得的運(yùn)算結(jié)果的比，所以不會(huì)帶來(lái)算法復(fù)雜化，就能夠消除圖像全局濃度變動(dòng)的影響，而且由于不僅附加注目像素、還附加特定方向上排列的像素的濃度數(shù)據(jù)，所以一部分濃度數(shù)據(jù)高的點(diǎn)狀的東西的影響變小了，且能準(zhǔn)確地進(jìn)行提取。因此，在全局濃度值不同的多個(gè)圖像中間，不變動(dòng)評(píng)價(jià)函數(shù)去配合濃度量變動(dòng)的程度，也不用復(fù)雜的處理算法就能準(zhǔn)確地得出對(duì)焦位置。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)焦位置檢測(cè)方法，其特征在于，它具有通過(guò)其光學(xué)系統(tǒng)的攝像獲得含有必須相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)焦的目標(biāo)物的量子化的二維圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程；在該二維圖像內(nèi)設(shè)定預(yù)定區(qū)域的過(guò)程；對(duì)由預(yù)定區(qū)域內(nèi)的注目像素與其特定方向線上的周圍像素構(gòu)成的部分圖像進(jìn)行設(shè)定的部分圖像設(shè)定過(guò)程；在相對(duì)于注目像素的特定方向線上的左右設(shè)定左區(qū)域和右區(qū)域的左右區(qū)域設(shè)定過(guò)程；按為左區(qū)域用而設(shè)定的確定方法對(duì)左區(qū)域各像素的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的左區(qū)域運(yùn)算過(guò)程；按為右區(qū)域用而設(shè)定的確定方法對(duì)右區(qū)域各像素的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的右區(qū)域運(yùn)算過(guò)程；將左、右區(qū)域運(yùn)算過(guò)程的運(yùn)算結(jié)果的比作為濃淡比所求出的濃淡比運(yùn)算過(guò)程；在預(yù)定區(qū)域內(nèi)重復(fù)濃淡比運(yùn)算過(guò)程對(duì)使用作濃淡比的評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算的過(guò)程；通過(guò)改變目標(biāo)物的光學(xué)位置重復(fù)上述過(guò)程以求得各光學(xué)位置上的多個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)算值的過(guò)程；根據(jù)該結(jié)果獲得相對(duì)于目標(biāo)物的光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)焦位置的過(guò)程。
2.如權(quán)利要求1所述的對(duì)焦位置檢測(cè)方法，其特征在于，作為評(píng)價(jià)函數(shù)可用濃淡比或其平方值在預(yù)定區(qū)域中的累積值。
3.如權(quán)利要求1所述的對(duì)焦位置檢測(cè)方法，其特征在于，相對(duì)于多個(gè)光學(xué)位置上的多個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)算值求內(nèi)插數(shù)據(jù)，根據(jù)含有內(nèi)插數(shù)據(jù)的結(jié)果獲得目標(biāo)物相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)焦位置。
全文摘要
一種對(duì)焦位置檢測(cè)方法，它主要包含目標(biāo)物攝像過(guò)程；累積濃淡比運(yùn)算過(guò)程；部分圖像設(shè)定過(guò)程；區(qū)域設(shè)定過(guò)程；左區(qū)域運(yùn)算過(guò)程；右區(qū)域運(yùn)算過(guò)程；和濃淡比運(yùn)算過(guò)程。按照本發(fā)明的對(duì)焦位置檢測(cè)方法，由于取從部分圖像中的注目像素的特定方向的左右區(qū)域中的濃度數(shù)據(jù)獲得的運(yùn)算結(jié)果的比，所以不用復(fù)雜的算法就能消除圖像全局濃度變動(dòng)的影響。
文檔編號(hào)G02B7/28GK1103227SQ94108760
公開(kāi)日1995年5月31日 申請(qǐng)日期1994年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月30日
發(fā)明者湯川典昭, 木村悟, 佐藤健夫 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社