一种基于仿射变换单应矩阵的投影套刻对位系统及其对准方法.pdf

本发明涉及一种利用仿射变换单应矩阵实现的投影光刻对位系统及其对准方法。本发明的硬件系统部分包括紫外准分子激光器(1)、照明系统(2)、平移台(3)、掩模板(4)、投影物镜组(5)、硅板(6)、对焦与扫描曝光装置(7)、旋转平移三自由度微调对位装置(8)、拍摄掩模图的第一图像传感器(9)、拍摄硅板图的第二图像传感器(10)。本发明的对准算法部分，采用了数字图像处理中的机器视觉技术，利用理论上首次提出的仿射变换单应矩阵计算式，实现掩模图、硅片图特征标记的相对平移旋转量的计算，以取代基于随机抽样一致的迭代单应矩阵实现特征点匹配的计算过程，可显著提高对准时效。本发明已成功使用在投影式光刻机中，其对准速度与精度对比传统的特征点匹配方法有一个数量级的提高，可实现工业系统所要求的实时对准要求。

权利要求书
1.  一种利用仿射变换单应矩阵实现的投影光刻对位系统，其特征在于包括紫外准分子激光器(1)、照明系统(2)、平移台(3)、掩模板(4)、投影物镜组(5)、硅板(6)、对焦与扫描曝光装置(7)、旋转平移三自由度微调对位装置(8)、拍摄掩模图的第一图像传感器(9)、拍摄硅板图的第二图像传感器(10)，以及所采用的利用仿射变换单应矩阵计算式的对准方法。

2.  根据权利要求1所述的投影光刻对位系统，其特征在于掩模板(4)及硅板(6)分别装设在平移台(3)的两端，紫外激光(1)通过照明系统(2)进行光路调制与光束质量优化后通过掩模板(4)。

3.  根据权利要求1所述的投影光刻对位系统，其特征在于平移台(3)具有三个相互垂直的三维立体自由度(7)，分别为水平方向x1，垂直纸面方向y1，竖直方向z；z属于对焦调节，使得掩模图由紫外激光所成的“物“，通过投影物镜组(5)聚焦在硅板(6)上，形成对应为”像“硅板图，即掩模图与硅板图通过投影物镜物像共轭；x1，y1属于扫描曝光调节，供待曝光面积大于激光光斑面积时使用。

4.  根据权利要求1所述的投影光刻对位系统，其特征在于旋转平移三自由度微调对位装置(8)安装于平移台(3)与掩模板(4)的连接处，使得模板图对于硅板图有x2、y2、θ三个微调自由度。

5.  一种根据权利要求1所述的投影光刻对位系统的对准方法，其特征在于使用了理论上首次提出的、应用上首次使用的、仿射变换单应矩阵计算式：
h1＝E·ET·P1x·Q1xT-E·P1xT·Q1x·ET
h2＝E·ET·P1y·Q1yT-E·P1yT·Q1y·ET
h3＝E·ET·P1y·Q1xT-E·P1yT·Q1x·ET
h1＝E·ET·P1x·Q1yT-E·P1xT·Q1y·ET



式中θ，Δx，Δy为待求的旋转平移量，P1x，Q1x分别为由多个匹配点的x坐标所组成的行矩阵，P1y，Q1y分别为由多个匹配点的y坐标所组成的行矩阵，E为单位行矩阵，”T”代表矩阵的转置，”————”代表求列矩阵算术平均值，h1、h2、h3、h4为临时的过渡变量。

6.  根据权利要求5所述的对准方法，其特征在于包括如下步骤：
1)第一与第二图像传感器(9)(10)实时地获取掩模图I1与硅片图I2；
2)选取相同的ROI(Region Of Interest)区域
3)分别在I3与I4中获取得各自的特征点P1与Q1
4)启动匹配算法流程；
5)获得掩模图与硅板图匹配后的特征点组P2与Q2；
6)将P2与Q2代入矩阵计算式，无需迭代，一步计算得掩模图所需的平移旋转量；
7)旋转平移三自由度微调对位装置(8)，使掩模图平移旋转得与硅片图一致，完成精密对位。

7.  根据权利要求6所述的匹配算法流程，其特征在于包括如下步骤：
4-1)分别求P1、Q1的质心点
4-2)以与质心点距离的远近重排P1、Q1
4-3)以质心点为必要点生成2点数组AP、AQ
4-4)遍历穷举的2点的匹配组合，代入矩阵计算式得匹配结果
4-5)以预设的距离阈值去除大量错配情况
4-6)找到旋转角值出现次数最多的配对点。

8.  根据权利要求5所述的对准方法，其特征在于以仅存3个未知量的仿射变换单应矩阵，替代具有8个未知量的传统单应矩阵，所以求解未知量方程组时仅需2个匹配点，无需4个匹配点。

9.  根据权利要求5所述的对准方法，其特征在于该方法的矩阵计算式中仅存的3个未知量直接为具有明确物理意义的旋转量与平移量，因而为遍历的抽样点提供了重要的是否匹配的重要原则——出现的旋转角值次数最多的抽样点即为匹配点。

说明书一种基于仿射变换单应矩阵的投影套刻对位系统及其对准方法
技术领域
本发明是一种基于仿射变换单应矩阵的投影套刻对位系统及其 对准算法，特别是一种利用特征点匹配的方式寻求对位参量，用于光 学投影曝光微纳加工光刻领域中的掩模硅片对准技术。属于投影式光 刻对位系统及其对准方法的改造技术。
背景技术
现代半导体工业与电子技术领域，比如制作高密度的印刷电路板 PCB(数十微米)，液晶显示屏的薄膜晶体管TFT(十几微米)，手机触 摸屏的透明电极氧化铟锡ITO镀膜(亚十微米)，甚至集成电路IC芯片的 硅片布线(数百纳米)，皆使用主流的投影式光刻机。光刻投影物镜、 掩模硅片对准系统、激光定位工件台并称为投影光刻机的三大核心部 分。其中的掩模硅片对准系统，要解决在多层曝光中，每一层曝光前 都需要与上一层已曝光的图形进行微纳级定位，以保证每层曝光都有 正确的相对位置，简称套刻，而套刻的对位精度是上述诸工业应用的 分辨精度是否达到的关键。
投影式套刻的目的是要实现多层的光刻图样(以下称掩模图)在每 次投影曝光，都成像在目标板(以硅板为例，以下称硅板图)中。对位 是否实现，是通过每次曝光中掩模图与硅板图中的特征图案是否匹配 进行判定。作为产品输出的硅板图一般在初始摆放后就不再作调整， 由此建立一个固定的世界坐标系；而掩模图，事实上无论是通过人手 或者机器摆放，皆不能在摆放后就满足对位的要求，建立了一个待调 整的变换坐标系。于是要根据当前掩模图的信息，与目标硅板图的信 息，计算满足对位的待求参量，再利用参量，控制调整掩模图的机械 伺服系统。
在投影光刻物镜的缩放比例为1∶1、两套拍摄掩模板与硅板特征 图案的图像传感器摄像系统一致的情况下，上述的待求参量系统，是 一个只有旋转角θ、平移量Δx、Δy的三自由度仿射变换系统。所以， 本发明的投影式套刻对位系统，本质上是根据每次套刻中，图像传感 器所拍摄的两个输入图(分别是掩模图与硅板图的特征图案)，利用一 种新型的快速算法，求解得旋转角θ、平移量Δx、Δy的三自由度参量， 并由此控制掩模图的旋转与平移，最终实现硅板与掩模的对位。
通过两幅仅有旋转与平移的图像计算旋转与平移量的算法，属于 机器视觉映射技术(或称射影变换Homography)中的一个子类---仿射 变换。求解仿射变换参数，在数字图像处理、多视图几何中有传统的 基于位相相关与对数极坐标映射的傅里叶梅林(Fourier-Mellin)算法、 基于亚像素超分辨重建的克伦(keren)算法、基于尺度变换不变性 (SIFT)的归一化互相关NCC(Normalized Cross Correlation method)算 法等，这些算法有一个共通的特点是适用于运算速度为次要考虑因素 的图像拼接、数据融合、目标识别等非实时应用领域，不适用于追求 时效性的工业系统；而本发明的算法，适合实时要求的工业系统，详 见如下的发明内容。
本发明的核心有两部分。第一部分是，在投影式光刻机上，建立 实效的“掩模、硅片特征图案的双画面一致获取”与“旋转平移三自 由度微调对位装置”相结合的硬件系统；第二部分是对准算法，根据 获取的掩模、硅片特征图案，提出一种新型的，基于仿射变换单应矩 阵的快速获取特征匹配点算法，实现实时的控制参数获取的软件系 统。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种显著提高对准精度、 高效实时的投影光刻对位系统。
本发明的另一目的在于提供一种快速实时的、基于仿射变换单应 矩阵的平移旋转三自由度匹配对准算法。
本发明的技术方案，硬件系统部分，如附图1所示，包括有：
紫外准分子激光器(1)、照明系统(2)、平移台(3)、掩模板 (4)、投影物镜组(5)、硅板(6)、对焦与扫描曝光装置(7)、旋转 平移三自由度微调对位装置(8)、拍摄掩模图的第一图像传感器(9)、 拍摄硅板图的第二图像传感器(10)；
其中掩模板(4)及硅板(6)分别装设在平移台(3)的两端， 紫外激光(1)通过照明系统(2)进行光路调制与光束质量优化后通 过掩模板(4)；
其中平移台(3)具有三个相互垂直的三维立体自由度(7)，分 别为水平方向x1，垂直纸面方向y1，竖直方向z；z属于对焦调节， 使得掩模图由紫外激光所成的“物“，通过投影物镜组(5)聚焦在 硅板(6)上，形成对应为”像“硅板图，即掩模图与硅板图通过投 影物镜物像共轭；x1，y1属于扫描曝光调节，供待曝光面积大于激 光光斑面积时使用；
其中旋转平移三自由度微调对位装置(8)安装于平移台(3) 与掩模板(4)的连接处，使得模板图对于硅板图有x2、y2、θ三个 微调自由度。
本发明的技术方案，对准算法部分，如附图2所示，包括如下流 程：
1)第一图像传感器(9)实时地获取掩模图I1；第二图像传感 器(10)亦同时地实时获取硅片图I2；
2)分别在刚获取的I1与I2中，选取相同的ROI(Region Of  Interest)区域，得到ROI掩模图I3和硅片图I4，选取原则是ROI 面积最小，且该ROI区域都完全包含各自的特征图案；
3)分别在I3与I4中获取得各自的特征点(或称角点)，表述为掩 模图特征点组合为P1＝[P11 P12 P13.......P1m]，硅板图特征点组合为 Q1＝[Q11 Q12 Q13.......Q1n]；由于系统噪声等因素导致在P1与Q1间 存在找不到匹配的野值，因而角点的数目一般不相同，所以m≠n；且 P1与Q1中的每个特征点也未按顺序一一对应，即尚未匹配；
4)匹配算法流程，即实现P1与Q1特征点匹配的过程，是本发 明的其中一个核心，另开辟单独流程说明，见后；
5)获得掩模图与硅板图匹配后的特征点组P2与Q2；
6)将P2与Q2最后一次代入矩阵计算式(在流程“4)”中说明)， 无需迭代，一步即可计算得掩模图所需的平移旋转量；这也是本发明 对比其他技术可实现快速实时对位的主要原因；
7)旋转平移三自由度微调对位装置(8)，使掩模图平移旋转得 与硅片图一致，完成精密对位。
上述的匹配算法流程，目的是要完成特征点匹配，即从m个P1 点组中找到t个点(t≤m)、从n个Q1点组中也找到t个点(t≤n)，形成 P2＝[P21 P22 P23.......P2t]与Q2＝[Q21 Q22 Q23.......Q2t]，且每个特征点 按顺序一一对应，即P21与Q21为匹配点、P22与Q22为匹配点...P2t与Q2t为匹配点。
传统的特征点匹配算法基于随机抽样一致的迭代单应矩阵求解 法，适用于非实时要求的图像拼接等领域；现今普遍的光刻套刻对位 系统也是采用这种算法，但无法做到实时效果。所谓的“实时“是指 特征点匹配耗时在最长不超过0.04秒(连续画面的最小帧率为 25FPS-Frames Per Second)，而传统算法往往需要数秒的对位时间，使 用时一般是放置新掩膜板后，等待数秒的对位时间才进行新一层光 刻，大大影响生产效率；而本发明的方法，匹配耗时平均值为0.03 秒，实现了“实时”控制需求。
传统算法的核心在于随机抽样一致RANSAC(RANdom Sample  Consensus)算法，流程如附图3所示：
任意选取P1中的4个点；然后以邻域灰度的相似度(求互相关 最大值)或近似度(求灰度差的平方和最小值)分别在Q1中尝试寻 找到与之可能匹配的4个对应点(但注意此匹配是试验性匹配，因为 相似度与近似度方法所得到的很可能是错配的结果)；由此求得一个 3×3的单图像映射(单应)矩阵H；再由H求得P1点的所有映射点P1’； 然后求每个P1’点与试匹配的Q1点的欧氏距离d，d小于等于预设的 距离阈值的对应点称为内点，大于阈值的点称为野值，内点的个数称 为一致集的大小；
以上过程仅为一次采样计算，需要重复N次采样计算(N的大 小由内点与野值的比例自适应决定，以1∶1的非苛刻要求为例，内点 数与野值数皆为151个时，N的值为43)，这N次计算是传统方法中 第一个主要的耗时环节；
选取一致集为最大的那次采样作为如下迭代运算的入口：以这 些内点(不再是4个)计算得一个比原单应矩阵H更准确的单应矩阵 H’，然后用新的H’重新计算得小一点的一致集，重复这一循环直到 内点数目迭代收敛(即一致集大小不变)。这时找到的有匹配关系的内 点，才是匹配后的特征点，而迭代过程是传统方法中第二个主要的耗 时环节。
本发明的匹配算法流程，对比传统方法，采用了新的经严格数 学推导的单应矩阵计算式(如下式)，理论上是首次提出的；本质上将 传统的3×3单应矩阵H，新结合了仿射变换的约束条件，使得待求的 旋转平移量直接求解得到
h1＝E·ET·P1x·Q1xT-E·P1xT·Q1x·ET
h2＝E·ET·P1y·Q1yT-E·P1yT·Q1y·ET
h3＝E·ET·P1y·Q1xT-E·P1yT·Q1x·ET
h1＝E·ET·P1x·Q1yT-E·P1xT·Q1y·ET
θ = arccos [ h 1 + h 2 ( h 1 + h 2 ) 2 + ( h 3 - h 4 ) 2 ] ]]>
Δx = Q 1 x - cos ( θ ) * P 1 x - sin ( θ ) * P 1 y ‾ ]]>
Δy = Q 1 y - cos ( θ ) * P 1 y + sin ( θ ) * P 1 x ‾ ]]>
式中θ，Δx，Δy为待求的旋转平移量，P1x，Q1x分别为由多个匹配点的 x坐标所组成的行矩阵，P1y，Q1y分别为由多个匹配点的y坐标所组 成的行矩阵，E为单位行矩阵，”T”代表矩阵的转置，代 表求列矩阵算术平均值，h1、h2、h3、h4为临时的过渡变量。也就是 说原有的8个未知量的单应矩阵(有1个未知量是尺度常数，常视设 为已知量”1”)仅存3个，所以求解对应的方程组时仅需2个匹配点， 无需4个匹配点；其二，8个未知量的H求解得到后，每个未知量皆 没有明确的物理意义，或者说难以提取物理意义，而新方法的矩阵计 算式中仅存的3个未知量直接为旋转平移量，因而为抽样点提供了重 要的是否匹配的判据，具体的方式是通过遍历的2点组合中，求解出 现的旋转角度最多次数(概率最大)的匹配点作为内点。
新的匹配算法流程如附图4所示：
4-1)分别从P1、Q1中求得质心点P1-1、Q1-1，质心点是众多 待匹配点中最中央的点，以此为遍历入口将最快速地得到匹配集；
4-2)以欧氏距离从近到远的原则重排P1、Q1，即重排后的m(n) 个P1(Q1)点中第一个点为质心点P1-1(Q1-1)、第二个点为最近P1-1 (Q1-1)点的点、第三个点为第二近P1-1(Q1-1)点的点.......
4-3)生成AP(AQ)数组，该数组有m-1个(n-1个)元素，每个元素 中顺序排列一个以P1-1点(Q1-1点)固定的2点组合，比如第一个 元素为P1-1点与P1-2点的组合、第二个元素为P1-1点与P1-3点的 组合、第三个元素为P1-1点与P1-4点的组合........(比如第一个元素 为Q1-1点与Q1-2点的组合、第二个元素为Q1-1点与Q1-3点的组 合、第三个元素为Q1-1点与Q1-4点的组合........)
4-4)AP数组中的第一个元素分别与AQ数组中的所有元素，代入 矩阵计算式中求得n-1个匹配；AP数组中的第二个元素分别与AQ 数组中的所有元素，代入矩阵计算式中又求得n-1个匹配......类推生 成得(m-1)*(n-1)个遍历穷举的匹配点组合；
4-5)目前匹配结果大多数是错匹配的，但可利用预设的距离阈值 去除大量错配情况，即小于等于距离阈值的保留，大于距离阈值的去 除；
4-6)剩余的匹配情况中还有部分错配的情况，但利用此新型矩阵 算法携带了明确的角度信息的特点，找到旋转角值出现概率最大的配 对点，这些配对点即为本流程待求的高精度匹配特征点P2与Q2。
因此，归纳新方法对比传统方法运算速度高的核心原因在于，使 用了仅需要2个点单应的矩阵，从待匹配特征点中找到2个试匹配的 组合远远比找4个试匹配点的组合的组合数少得多，因而可以一次穷 举求旋转角值概率最大的方式找到全部匹配点；而4个试匹配点的组 合数太多，无法穷举，只能用相似度或近似度最近的方式给出粗匹配， 然后用收敛迭代的方式找到全部匹配点。
综上所述，本发明利用理论上首次提出的仿射变换单应矩阵计算 式，实现掩模图、硅片图特征标记的相对平移旋转量的计算，以取代 基于随机抽样一致的迭代单应矩阵实现特征点匹配的计算过程，可显 著提高对准时效。本发明已经过大量的实验数据验证，并已成功使用 在投影式光刻机中，其对准速度与精度对比传统的特征点匹配方法有 一个数量级的提高，可实现工业系统所要求的实时对准要求。
附图说明
图1为本发明硬件系统部分的结构图；
图2为本发明对准算法部分的流程图；
图3为传统方法的匹配算法流程；
图4为基于仿射变换单应矩阵的匹配算法流程；