基于象散法進行對焦的方法和相應的對焦系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】現(xiàn)有的象散法對焦中，出射光的光強可能在很大范圍內(nèi)變化，可能會使得對焦曲線的漂移過大而超出系統(tǒng)對焦容差。本發(fā)明提出了基于象散法進行對焦的方法和相應的對焦系統(tǒng)，該方法判斷該出射光的光強是否處于一定范圍內(nèi)，該一定范圍保持該象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的位置因檢測光強變化而發(fā)生的漂移處于允許范圍內(nèi)；當該光強超出該一定范圍時，調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強，使得該出射光的光強進入該一定范圍內(nèi)；當該光強處于該一定范圍內(nèi)時，根據(jù)該對焦數(shù)據(jù)在象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線中的位置，進行對焦。本發(fā)明能夠排除象散法使用過程中檢測光強變化過大而對象散法自動對焦產(chǎn)生的不利影響，提高象散法的可靠性。
【專利說明】基于象散法進行對焦的方法和相應的對焦系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及檢測和測量系統(tǒng)，特別地，涉及對焦技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]半導體基片膜厚光學測量方法要求不同膜厚的基片都處于光路中焦點位置，位置重復性越高，對測量結(jié)果的影響也越小。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，基片尺寸越來越大，其薄膜厚度也向更薄的方向發(fā)展，隨之膜厚的測量對基片的位置精度也越來越敏感，提高了對自動對焦的要求。
[0003]在生產(chǎn)設備中自動對焦的方法有很多種，象散法、圖像微分法、CCD法、斜光束法、偏心光束法等等，其中象散法成本低、可靠性好，精度較高，運用較多。象散法一般采用多波長強度比較穩(wěn)定的光源，例如氙燈光源、白光LED等，經(jīng)過光路處理，照射到基片上，光反射回光路再經(jīng)過處理，照射到四象限探測器上，四象限探測器感光生成電流，經(jīng)過調(diào)理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，最后由上位機獲取這些數(shù)據(jù)再根據(jù)公式FES = (Ia-1b+Ic-1d)/(Ia+Ib+Ic+Id)計算FES值，其中Ix為某個象限凈光強，即實時讀取的光強值減去系統(tǒng)定標時測定的暗狀態(tài)值，在事先定標時，按標準基片移動小步長移動Z軸并測量FES值得到FES曲線。而在自動對焦時根據(jù)斜率算法或者其他算法，可以確定基片在FES曲線中的位置，據(jù)此控制電機運動使基片運動到確定的焦點位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]當光源強度下降一個較小的幅值，由于四象限感光器以及信號調(diào)理電路的都有一定的線性度，因此可做近似處理，四個象限光強的變化都看做是原來光強的某一相同比例。由FES計算公式，分子分母提出相同的比例約掉，最后FES不變。因此FES對光源光強不是很敏感。
[0005]隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，基片薄膜的材料種類越來越多，反射系數(shù)差異逐漸加大，對于一個定位于工廠實用的廣泛應用各種材料薄膜的半導體基片膜厚測量設備來說，會導致最終象散法線性段四象限探測器接受的總光強變化增大，四象限探測器產(chǎn)生的電流總和變化也增大。由于四象限感光器以及信號調(diào)理電路的非線性，自動對焦中，針對同一 FES值的實際基片位置會相對定標時該FES值的位置發(fā)生漂移，對測量的不利影響也就逐漸凸顯，特別是如果該漂移超出了對焦設備的容差，那么會導致對焦錯誤。
[0006]本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思在于，采用易于實現(xiàn)調(diào)節(jié)光強度的光源，采用可調(diào)節(jié)電流的電路驅(qū)動該光源。在半導體基片自動對焦過程中，調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小，使四象限探測器四個通道光強總和保持在一個合理的范圍內(nèi)，從而減小四象限探測器以及信號調(diào)理電路的非線性影響。該一定范圍保持該象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的位置因檢測光強變化而發(fā)生的漂移處于允許范圍內(nèi)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種基于象散法進行對焦的方法，包括如下步驟:1.通過光源向待測器件提供入射光；i1.接收由該待測器件射出的出射光，并檢測其光強，計算象散法的對焦數(shù)據(jù)；ii1.根據(jù)該對焦數(shù)據(jù)在象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線中的位置，進行對焦；前述步驟ii和iii重復進行直至滿足對焦容差；
[0008]其中，還包括如下步驟:a.判斷該出射光的光強是否處于一定范圍內(nèi)，該一定范圍保持該象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的位置因檢測光強變化而發(fā)生的漂移處于允許范圍內(nèi)；
b.當該光強超出該一定范圍時，調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強，使得該出射光的光強進入該一定范圍內(nèi)；c.當該光強處于該一定范圍內(nèi)時，進行所述步驟iii。
[0009]本發(fā)明的該方面的優(yōu)點在于，能夠排除象散法使用過程中檢測光強變化過大而對象散法自動對焦產(chǎn)生的不利影響，提高象散法可靠性。
[0010]在一個優(yōu)選的實施方式中，該方法使用象散法光路、四象限探測器和信號處理電路來產(chǎn)生、接收檢測并處理該出射光，該一定范圍相對應于該四象限探測器和該信號處理電路中對光強進行檢測的線性工作范圍。
[0011]該實施方式的優(yōu)點在于，排除基片材料反射特性差異、四象限探測器以及信號調(diào)理電路的非線性等因素對象散法自動對焦不利的影響，提高象散法可靠性。
[0012]優(yōu)選的，所述步驟a中，基于以下任意一種計算方式來判斷:判斷四象限的光強的和是否超出第一范圍；判斷四象限中、相鄰象限的光強的和是否超出第二范圍。
[0013]該優(yōu)選實施例提供了兩種具體的判斷光強是否過大的方式，計算比較簡便。
[0014]優(yōu)選的，通過調(diào)節(jié)提供給該光源的驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強。
[0015]該優(yōu)選實施例提供了調(diào)節(jié)入射光光強的具體實現(xiàn)方式?？梢岳斫猓瑢τ谀承┕庠?，也可以采用調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的方式來調(diào)節(jié)其光強度。
[0016]在實際實現(xiàn)中，由于驅(qū)動電流的變化，會導致光源溫度的變化，光源溫度的變化又會使光源的光強密度分布發(fā)生變化，最終導致焦點FES的漂移。此外，由于光源本身具有一定的發(fā)熱量，即使驅(qū)動電流恒定，長時間其發(fā)熱量也是有波動的，除了會影響FES的穩(wěn)定性，還會影響到光機支撐的穩(wěn)定性。為了解決這一問題，進一步優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟:b’.對該光源的溫度進行控制，使該光源的溫度保持穩(wěn)定，以抵消該驅(qū)動電流變化導致光源的發(fā)熱量所發(fā)生的變化。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟a、b和c在對焦進行至該對焦數(shù)據(jù)落入象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的線性區(qū)域內(nèi)時進行。
[0018]由于線性區(qū)域是象散法進行FES計算和移動對焦的主要關(guān)注區(qū)間，在線性區(qū)域內(nèi)采用本發(fā)明能夠提高對焦精度，而在非線性區(qū)域不必使用本發(fā)明，因為非線性區(qū)域并不進行精確計算。
[0019]相應地，根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種基于象散法的對焦系統(tǒng)，包括:光源，用于向待測器件提供入射光；光檢測部分，用于接收由該待測器件射出的出射光，并檢測其光強，計算象散法的對焦數(shù)據(jù)；控制部分，用于根據(jù)該對焦數(shù)據(jù)在象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線中的位置，來控制一運動部分帶該動待測器件移動，以進行對焦；該光檢測部分和該控制部分重復運作直至滿足對焦容差；
[0020]其特征在于，所述光源是光強可調(diào)的光源，該系統(tǒng)還包括處理器，該處理器包括:計算單元，用于判斷該光檢測部分檢測的該出射光的光強是否處于一定范圍內(nèi)，該一定范圍保持該象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的位置因檢測光強變化而發(fā)生的漂移處于允許范圍內(nèi)；光源驅(qū)動部分，用于當該光強超出該一定范圍時，調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強，使得該出射光的光強進入該一定范圍內(nèi)；在當該光強處于該一定范圍時，該處理器指示該控制部分進行對焦。
[0021]本發(fā)明的各個方面將通過下文中的具體實施例的說明而更加清晰。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更加明顯:
[0023]圖1為根據(jù)本發(fā)明的對焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實施方式】
[0024]基于象散法的對焦系統(tǒng)，一般包括:
[0025]-光源，用于向待測器件提供入射光；
[0026]-光檢測部分，用于接收由該待測器件射出的出射光，并檢測其光強，計算象散法的對焦數(shù)據(jù)；
[0027]-控制部分，用于根據(jù)該對焦數(shù)據(jù)在象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線中的位置，來控制一運動部分帶該動待測器件移動，以進行對焦；
[0028]該光檢測部分和該控制部分重復運作直至滿足對焦容差。
[0029]下面結(jié)合圖1對自動對焦系統(tǒng)進行說明。它使用LED作為光源發(fā)出入射光。象散法光通路將入射光導向至位于運動平臺上的待測器件，并將待測器件出射的出射光導向至四象限電路板。四象限電路板中包括四象限檢測器，信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換電路，它們對出射光進行檢測，檢測結(jié)果被提供給上位機進行計算。上位機通過接口控制運動平臺在在Z方向運動，進行對焦。四象限電路板和上位機作為前述光檢測部分和控制部分而運作。
[0030]更加具體的，自動對焦過程中，基片被運動平臺上的真空吸附住，根據(jù)上位機對運動平臺的控制而跟隨運動。光源發(fā)射的光進入象散法光通路，然后光通路輸出出射光垂直照射在被測半導體基片上，半導體基片反射出的出射光再次進入象散法光路，最后出射照到四象限探測器感光面上。四象限探測器上的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，最后被微處理器讀取為四個象限光強數(shù)據(jù)，這里設為A、B、C、D象限的數(shù)據(jù)，A和C、B和D分別為對角象限。根據(jù)公式FES= (Ia-1b+Ic-1d)/(Ia+Ib+Ic+Id)計算FES值，其中Ix為某個象限凈光強，即實時讀取的光強數(shù)據(jù)減去系統(tǒng)定標時的暗狀態(tài)光強數(shù)據(jù)。在事先定標時，按標準基片移動小步長移動Z軸，并測量FES數(shù)據(jù)，基片位置和FES曲線之間的關(guān)系被組織為FES曲線。一般來說，F(xiàn)ES曲線并非單調(diào)的，但是在焦點附近，它存在一個單調(diào)且可被認為是線性的區(qū)間。在自動對焦時，首先，應將運動平臺移動到使得FES值位于該線性區(qū)間的位置。而后，根據(jù)當前FES值和合焦位置的FES值，根據(jù)斜率算法，可以計算出還需移動多少距離就能夠達到合焦位置。必要時，以上步驟可以重復進行。具體的象散法對焦方法是本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所熟知的，在此不再贅述。
[0031]本發(fā)明的實施方式對該對焦系統(tǒng)進行了進一步改進，增加了如下模塊:
[0032]-計算單元，用于判斷光檢測部分檢測的該出射光的光強是否處于一定范圍內(nèi)，該一定范圍保持該象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的位置因檢測光強變化而發(fā)生的漂移處于允許范圍內(nèi)。該計算單元被實現(xiàn)在圖1中的微處理器中。
[0033]-光源驅(qū)動部分，用于根據(jù)計算單元的計算結(jié)果，當該光強超出該一定范圍時，調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強，使得該出射光的光強進入該一定范圍內(nèi)。如圖1所示，該光源驅(qū)動部分由微處理器和與之相連的光源驅(qū)動而實現(xiàn)，該光源驅(qū)動可以是一個受控可調(diào)的電流源。
[0034]具體的，首先，在定標階段，根據(jù)該對焦系統(tǒng)的容差，確定FES曲線的位置中的最大漂移范圍，在該漂移范圍內(nèi)均符合該容差。而后，通過調(diào)節(jié)光源的強度，改變出射光的光強，分別計算FES值:當FES值落入該最大漂移范圍內(nèi)時，該光強夠使得對焦系統(tǒng)符合容差；而當FES值超出該范圍時，該光強就使得對焦系統(tǒng)超出容差，因而需要對該光強進行控制。通過定標，能夠確定出使得對焦系統(tǒng)符合容差時的出射光的光強范圍。
[0035]在實際測量階段，首先應使運動平臺帶動待測器件移動到所測的FES值位于FES曲線的焦點附近的線性區(qū)間中。這一搜索過程如何完成是象散法對焦技術(shù)中的技術(shù)人員所熟知的，本發(fā)明不再贅述。
[0036]在達到線性區(qū)間后，計算單元開始運作。
[0037]在一個優(yōu)選的實施方式中，該計算單元判斷四象限的光強的和是否超出第一范圍。具體來說，將事先定標得到的該第一范圍記作R，該計算單元計算Isum = Ia+Ib+Ic+Id°如果I.落入R范圍內(nèi)，那么就不需要對光強進行調(diào)整；而如果I.超出R，那么能夠根據(jù)Isum與R的差異，來調(diào)節(jié)光源的強弱，使得所測量的Isum處于R范圍內(nèi)。例如，在通過電流、電壓來驅(qū)動光源的情況下，該驅(qū)動電流、電壓可以等于Isum與R的差異乘上一個因子，再加上一個固定的電流、電壓偏置值。在實際系統(tǒng)中，微處理器可以提供一個控制信號給光源驅(qū)動，該控制信號表示了所確定的驅(qū)動電流或電壓大小。而光源驅(qū)動根據(jù)該控制信號生成相應的大小的驅(qū)動電流、電壓給光源。
[0038]在一個替代的實施方式中，該計算單元判斷四象限中、相鄰象限的光強的和，例如Ia+Ib> Ie+Id分別是否超出第二范圍。具體的實現(xiàn)方式與以上實施方式是類似的，在此不再贅述。
[0039]可以理解，可能進行一次調(diào)節(jié)后就能將光強調(diào)整到一定范圍中，也有可能需要數(shù)次調(diào)節(jié)。
[0040]在Ismi處于R范圍內(nèi)后，即可根據(jù)前述的象散法對焦方法，通過當次測量的FES值在FES曲線中的位置，確定當前位置與合焦位置的距離差，然后移動運動平臺至該合焦位置。必要時，基于新的位置再次測量光強并計算新的FES值，如果與合焦位置的FES相同，那么完成對焦；而如果新的FES值與合焦位置的FES相差較大，那么基于該兩者的差值，再次確定當前位置與合焦位置的距離差，再次移動。重復數(shù)次后即可正確對焦。
[0041]優(yōu)選地，該光源是LED光源，例如白光、紅光LED光源，或者是稀有氣體光源，例如氙燈?？梢岳斫猓渌魏文軌蚴芸氐卣{(diào)節(jié)光強的光源均可以在本發(fā)明的實施方式中使用。
[0042]對于某些光源來說，例如LED光源，由于改變驅(qū)動電流會使得LED的發(fā)熱量發(fā)送變化并引起LED的溫度變化，而LED的溫度變化又會造成光強分布的變化，這最終又導致FES的產(chǎn)生漂移。因此，本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式還提供了溫控模塊，與光源熱耦合，用于對該光源的溫度進行控制，使該光源的溫度保持穩(wěn)定，例如保持在室溫附近即可。該溫控模塊例如是具有溫度反饋的風冷系統(tǒng)，等等。由于LED熱功率不大，采用小型的溫控模塊即可實現(xiàn)比較精密的溫度穩(wěn)定，增強對焦系統(tǒng)的可靠性。而對于該溫控模塊的結(jié)構(gòu)本身來說，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可根據(jù)其技術(shù)知識設計出符合需求的溫控模塊，本發(fā)明不再贅述。
[0043]不僅如此，即便出射光的光強滿足該一定范圍，從而不需要改變驅(qū)動電流，但是，由于所用的是大功率LED燈，其有一定的發(fā)熱量，經(jīng)過長時間使用后其發(fā)熱量也具有一定波動，會影響到光機支撐的穩(wěn)定性。以上溫控模塊控制LED的溫度后，能夠保證光機支撐的溫度穩(wěn)定，最終提高自動聚焦的可靠性。
[0044]可以理解，該實施方式所提供的溫控模塊僅僅是為了更進一步提高精度的一個優(yōu)選實施方式，該溫控模塊并非實現(xiàn)本發(fā)明所必須的。
[0045]當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
[0046]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述方法中的全部或部分步驟可通過程序來指令相關(guān)硬件完成，所述程序可以存儲于計算機可讀存儲介質(zhì)中，如只讀存儲器、磁盤或光盤等?？蛇x地，上述實施例的全部或部分步驟也可以使用一個或多個集成電路來實現(xiàn)。相應地，上述實施例中的各模塊/單元可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(xiàn)。本發(fā)明不限制于任何特定形式的硬件和軟件的結(jié)合。
【權(quán)利要求】
1.一種基于象散法進行對焦的方法，包括如下步驟: 1.通過光源向待測器件提供入射光； i1.接收由該待測器件射出的出射光，并檢測其光強，計算象散法的對焦數(shù)據(jù)； ii1.根據(jù)該對焦數(shù)據(jù)在象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線中的位置，進行對焦； 前述步驟ii和iii重復進行直至滿足對焦容差； 其中，還包括如下步驟: a.判斷該出射光的光強是否處于一定范圍內(nèi)，該一定范圍保持該象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的位置因檢測光強變化而發(fā)生的漂移處于允許范圍內(nèi)； b.當該光強超出該一定范圍時，調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強，使得該出射光的光強進入該一定范圍內(nèi)； c.當該光強處于該一定范圍內(nèi)時，進行所述步驟iii。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法使用象散法光路、四象限探測器和信號處理電路來產(chǎn)生、接收檢測并處理該出射光，該一定范圍相對應于該四象限探測器和該信號處理電路中對光強進行檢測的線性工作范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟a中，基于以下任意一種計算方式來判斷: -判斷四象限的光強的和是否超出第一范圍； -判斷四象限中、相鄰象限的光強的和是否超出第二范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b中，通過調(diào)節(jié)提供給該光源的驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強，且，該方法還包括以下步驟: b’.對該光源的溫度進行控制，使該光源的溫度保持穩(wěn)定，以抵消該驅(qū)動電流變化導致光源的發(fā)熱量所發(fā)生的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟a、b和c在對焦進行至該對焦數(shù)據(jù)落入象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的線性區(qū)域內(nèi)時進行。
6.一種基于象散法的對焦系統(tǒng)，包括: -光源，用于向待測器件提供入射光； -光檢測部分，用于接收由該待測器件射出的出射光，并檢測其光強，計算象散法的對焦數(shù)據(jù)； -控制部分，用于根據(jù)該對焦數(shù)據(jù)在象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線中的位置，來控制一運動部分帶該動待測器件移動，以進行對焦； 該光檢測部分和該控制部分重復運作直至滿足對焦容差； 其特征在于，所述光源是光強可調(diào)的光源，該系統(tǒng)還包括處理器，該處理器包括: -計算單元，用于判斷該光檢測部分檢測的該出射光的光強是否處于一定范圍內(nèi)，該一定范圍保持該象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的位置因檢測光強變化而發(fā)生的漂移處于允許范圍內(nèi)； -光源驅(qū)動部分，用于當該光強超出該一定范圍時，調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強，使得該出射光的光強進入該一定范圍內(nèi)； 在當該光強處于該一定范圍時，該處理器指示該控制部分進行對焦。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該光檢測部分包括象散法光路、四象限探測器和信號處理電路， 該一定范圍相對應于該四象限探測器和該信號處理電路的線性工作范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算單元基于以下任意一種計算方式來判斷: -判斷四象限的光強的和是否超出第一范圍； -判斷四象限中、相鄰象限的光強的和是否超出第二范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，該光源驅(qū)動部分通過調(diào)節(jié)提供給該光源的驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)該光源提供的該入射光的光強， 且，該系統(tǒng)還包括: -溫控模塊，與所述光源熱耦合，用于對該光源的溫度進行控制，使該光源的溫度保持穩(wěn)定，以抵消該驅(qū)動電流變化導致光源的發(fā)熱量所發(fā)生的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器在對焦進行至該對焦數(shù)據(jù)落入象散法的對焦數(shù)據(jù)曲線的線性區(qū)域內(nèi)時進行操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光源包括LED光源，或稀有氣體光源。
【文檔編號】G02B7/28GK104181671SQ201310196190
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月23日
【發(fā)明者】周萬泉, 郭一鳴, 郭亞娟 申請人:睿勵科學儀器（上海）有限公司