CN100480867C - 一种基于图像技术的对准系统及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于图像技术的对准系统及对准方法，该对准系统设置于至少由光源、掩模版、承版台、承版台运动控制装置、光学投影系统、曝光对象、承片台以及承片台运动控制装置组成的投影曝光装置上，其包括以光学投影系统光轴为轴均匀分布的至少两套位置对准装置、设于掩模版上的掩模标记、设于曝光对象上的曝光对象标记、设于承片台上的基准标记，该位置对准装置通过检测各类标记的位置信息并传送给运动控制装置，以控制掩模版、曝光对象、承片台位置调整使其对准，所述的对准系统对应每一套位置对准装置还设有一色差补偿镜头和一镜头校准单元。本发明通过采用窄波段的设计方式，并配合色差补偿镜头，可以降低系统的制造成本和系统复杂度。

Description

一种基于图像技术的对准系统及对准方法

技术领域

本发明涉及封装光刻机的对准，特别涉及一种基于图像技术的对准系统及对准方法。

背景技术

在光刻封装设备中，要将描绘在掩模版上的管脚或电路图案通过投影曝光装置成像在涂有光刻胶等感光材料的曝光对象表面上，曝光对象通常就是前道工艺加工后的带有电路图案的将要进行封装的硅片。之后通过后道刻蚀工艺在曝光对象上形成管脚或电路图案。

用投影曝光装置做曝光前，掩模与曝光对象的位置必须对准，通常掩模侧方与曝光对象上均配置有用于对准的标记，通过一定的位置对准装置和位置对准方法，建立起掩模与曝光对象之间的相对位置关系。掩模和曝光对象的对准需要建立相应的对准模型算法。

在申请号为200610023153的中国专利中，设备中的曝光装置设计为宽波段方式，主要是为了消除光学投影系统在对准波段的色差问题，但这种曝光装置制造成本偏高、设计和装配复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图像技术的对准系统及对准方法，通过采用窄波段的设计方式，并配合色差补偿镜头，以降低系统的制造成本和系统复杂度。

为了达到上述的目的，本发明提供一种基于图像技术的对准系统，设置于一个至少由光源、掩模版、承版台、承版台运动控制装置、光学投影系统、曝光对象、承片台以及承片台运动控制装置组成的投影曝光装置上，所述的对准系统包括：以光学投影系统的光轴为轴心均匀分布的至少两套位置对准装置、设置于掩模版上的掩模标记、设置于曝光对象上的曝光对象标记、设置于承片台上的基准标记，所述的位置对准装置通过检测所述的掩模标记、曝光对象标记、基准标记的位置信息并传送给承版台运动控制装置和承片台运动控制装置，以控制掩模版、曝光对象、承片台位置调整使其对准，其中，所述的对准系统对应每一套位置对准装置还设有一色差补偿镜头和一镜头校准单元。

在上述的基于图像技术的对准系统中，所述的色差补偿镜头和镜头校准单元位于承版台和光学投影系统之间，该色差补偿镜头用于补偿光学投影系统在对准波段的色差。

在上述的基于图像技术的对准系统中，所述的镜头校准单元可通过控制机构实现对色差补偿镜头位置的自动调整。

在上述的基于图像技术的对准系统中，所述的位置对准装置包括：照明单元，用于均匀照明掩模标记、曝光对象标记和基准标记；成像单元，用于接受对准标记的像；分束棱镜，用于将标记成像到成像单元；以及成像校准单元，用于校准成像单元的位置。

在上述的基于图像技术的对准系统中，所述的成像校准单元可通过控制机构实现对成像单元位置的自动调整。

本发明的另一方案是提供一种采用如前所述的对准系统进行位置对准的方法，所述方法包括下列步骤：(1)根据基准标记在成像单元内的位置信息，由成像校准单元和镜头校准单元分别对成像单元和色差补偿镜头的位置进行校准；(2)获取掩模标记在成像单元中的位置信息，计算掩模版的平移量和旋转量；(3)获取曝光对象标记在成像单元中的位置信息，计算曝光对象的平移量和旋转量；(4)由承版台运动控制装置和承片台运动控制装置实现掩模版和曝光对象的对准。

本发明是基于图像技术的对准系统及对准方法，利用成像单元及色差补偿镜头的位置校准技术简化了系统复杂度，并且利用色差补偿镜头使投影曝光装置设计相对简单，降低成本。另外，在曝光过程中，色差补偿镜头固定不动，可提高系统稳定性，并提高产率。

附图说明

通过以下对本发明的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为用于制造集成电路或印刷电路板的投影曝光装置的结构示意图；

图2为掩模版上掩模标记及通光窗口的示意图；

图3为曝光对象和承片台的位置关系示意图；

图4为图3中基准标记的放大示意图；

图5为曝光对象上曝光对象标记的示意图；

图6为对准系统光路和曝光光路的色差补偿原理示意图；

图7为基于图像技术的定位方法的原理图；

图8为利用成像校准单元和镜头校准单元对成像单元和色差补偿镜头进行位置校准的工作示意图；

图9为标记搜索路径的示意图；

图10为掩模位置对准的工作示意图；

图11为曝光对象位置对准的工作示意图；

图12为掩模位置对准的流程图；

图13为曝光对象位置对准的流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的基于图像技术的对准系统及对准方法作进一步的详细描述。

如图1所示，用于制造集成电路或印刷电路板的投影曝光装置，至少包括描绘曝光电路图案的掩模版5，其置于承版台51上，并通过承版台运动控制装置60在X’、Y’、Z’方向上移动；施加光刻胶的曝光对象8，其置于承片台9上，并通过承片台运动控制装置61在X、Y、Z方向上移动；光学投影系统7，通过曝光光源1的紫外线曝光，可将掩模版5上的电路图案投影并转移到曝光对象8上，光学投影系统7的放大倍率决定掩模版5上的电路图案投影到曝光对象8上后电路图案的大小。

本发明的对准系统设置于该投影曝光装置中，其包括：以光学投影系统7的光轴71为轴心均匀分布的至少两套位置对准装置(图中仅画出两套，分别表示为2、3，也可根据需要设置多套)，设置于掩模版5上的掩模标记52、53，设置于曝光对象8上的曝光对象标记81、82，以及设置于承片台9上的基准标记91。

继续参阅图1，位置对准装置2由照明单元23、成像单元24、分束棱镜21和成像校准单元22组成。分束棱镜21的作用是使照明单元23和成像单元24共轴：照明单元23的光线可通过分束棱镜21沿光路L25照射到掩模标记52、53、曝光对象标记81、82以及基准标记91上，同时，掩模标记52、53、曝光对象标记81、82以及基准标记91通过分束棱镜21沿光路L25成像于成像单元24上。成像校准单元22是一个机械校准机构，用于对位置对准装置2的水平和垂向位置进行小行程精确自动调整，精度为微米级，水平向调节时可改变标记在成像单元24上的位置，垂向调节时可改变成像单元24的焦距。位置对准装置3同样由照明单元33、成像单元34、分束棱镜31以及成像校准单元32组成，在空间布局上位置对准装置3和位置对准装置2关于光学投影系统7的光轴71对称，掩模标记52和53可以分别同时成像在成像单元24和34上。

图2是掩模版5上掩模标记52、53的示意图，掩模标记52、53是反射型标记，设于掩模版5上电路图案50的周边，在空间布局上相对电路图案50呈中心对称。掩模标记52、53的尺寸在亚毫米级别，其形状为“十”字型，该形状可根据需要设定，无特殊限制。为了使曝光对象标记81(82)和掩模标记52(53)，或者基准标记91和掩模标记52(53)能同时清晰成像在成像单元24(34)上，掩模版5上还开设有通光窗口56、57，其在掩模版5上的位置请参见图2。

图3是曝光对象8在承片台9上的位置关系示意图，同一电路图案80在曝光对象8上不同的位置进行曝光，并经过后道工艺加工后成型。承片台基准标记91设置在承片台9上，该标记91为反射型标记，其尺寸在亚毫米级别，一种典型的基准标记91结构可参阅图4。

图5是曝光对象标记81、82在曝光对象8上的位置示意图，图中的曝光对象标记81、82被放大显示，实际情况是：该标记81、82形成于前道工艺所形成的电路图案83上，相对于电路图案83很小，尺寸在亚毫米级别，另外该标记81、82形状可根据需要设定，任何形状均可，无特殊限制。

利用上述三种标记(掩模标记52、53，曝光对象标记81、82，基准标记91)可建立掩模版5和曝光对象8之间精确的位置关系。另外，掩模标记、曝光对象标记以及承片台基准标记的数量可根据不同工艺需要适当增减。

由于本发明采用了窄波段的设计方式，例如，使光学投影系统7的设计波段为350～450nm，则相比现有的宽波段设计的投影曝光装置，可大大简化光学投影系统7的结构并降低其设计和制造成本。然而，由于在对准时不能使用350～450nm波段的光线作为对准光源，否则会使曝光对象8提前曝光，使得曝光对象8失效。因此，在对准时为避开曝光波长350～450nm，对准系统波长设计为550～650nm，这样在对准时就不会使光刻胶感光，使得曝光对象8失效。

但是由于曝光波长和对准波长不同会使光学投影系统7在对准波段存在色差问题，如图6所示，曝光时，曝光波长为350～450nm，掩模版5上的电路图案经过光学投影系统7后，清晰成像于f’面上；对准时，对准波长为550～650nm，掩模版5上的掩模标记(和掩模电路图案在同一平面上)经过光学投影系统7后清晰成像于f面上。因此，曝光光路和对准光路存在光程差Δ ff’。

根据光学光路的共轭原理，只有f面上的曝光对象标记才能清晰成像于掩模版5上，成像单元24(34)才能通过通光窗口56(57)清晰成像曝光标记。但实际的曝光对象标记在f’面上，利用波长为550～650nm的对准光源进行对准时，曝光对象标记在成像单元24(34)中成虚像，使图像处理单元4无法准确识别标记和标记位置，使判断出现误差。

为解决上述问题，必须补偿光学投影系统7在对准波段的色差，因此本发明在对准光路中，对应每一套位置对准装置2(3)增加一个色差补偿镜头54(55)，对曝光光线L11和对准光线L25经过光学投影系统7后的光程差Δ ff’进行补偿，这样当f面与f’重合时，曝光对象标记就可在成像单元24(34)成清晰像，使图像处理单元4准确识别曝光对象标记的位置。

色差补偿镜头54位于通光窗口56的下方，镜头校准单元58位于掩模版51和光学投影系统7之间，其可对色差补偿镜头54的水平位置进行小行程精确调整，精度为微米级。通光窗口57、色差补偿镜头55以及镜头校准单元59分别和通光窗口56、色差补偿镜头54以及镜头校准单元58关于光轴71对称。这样的结构设计是为了将承版台运动控制装置60设计成小行程运动机构，降低承版台51的设计成本和复杂度，提高掩模版5的对准效率。同时将承版台51和承片台9运动到指定位置，可使基准标记91、曝光对象标记81、82通过光学投影系统7以及色差补偿镜头54(或55)成像到成像单元24(或34)上。

图7是基于图像技术的定位方法的原理图，该方法适用于掩模版5和曝光对象8的对准。图7(a)中，标记处于程序设定的对准目标位置a，由于掩模上版和曝光对象上片存在一定误差，使标记实际处于位置a’，如图7(b)所示，位置a和位置a’存在位置偏差Δa，利用图像处理单元4对成像单元24(或34)中的标记图像进行处理，可计算出该位置偏差Δa。

下面结合图8～图13对本发明的对准方法进行详细描述。

首先，根据基准标记91在成像单元24(34)内的位置信息，由成像校准单元22(32)和镜头校准单元58(59)分别对成像单元24(34)和色差补偿镜头54(55)的位置进行校准。如图8所示，在位置对准装置2和3与投影曝光装置集成时，成像单元和色差补偿镜头的位置都由于安装误差偏离光学投影系统7的光轴71，分别为图中的24’(34’)和54’(55’)。承片台运动控制装置61是大行程高精度运动平台，由于承片台基准标记91在系统中的位置是确定的，因此可以利用成像校准单元22(32)、镜头校准单元58(59)、基准标记91以及大行程高精度的承片台运动控制装置61以及承片台9对偏离光学投影系统7的光轴71的成像单元24’(34’)和色差补偿镜头54’(55’)进行自动校准，图中的24(34)和54(55)为校准后的成像单元和色差补偿镜头的位置。

接着，获取掩模标记52(53)在成像单元24(34)中的位置信息，计算掩模版5的平移量和旋转量，其计算原理如图10所示。图中，a、b分别为程序设定的掩模标记52、53的对准目标位置，分别在成像单元24、34上的位置是确定的，其距离ab是已知的。由于掩模上版和曝光对象上片误差，使标记实际处于位置a’。在成像单元24、34上，掩模标记52、53的实际位置a’、b’分别和程序设定的对准位置a、b存在位置偏差Δa和Δb，位置偏差Δa和Δb可以通过图像处理单元4计算得到。根据Δa、Δb以及a和b之间的距离ab可计算出掩模对准时，承版台需要运动的平移量和旋转量，完成掩模对准。

下面结合图12对掩模位置对准的具体过程进行说明。步进承版台5到程序设定位置，判断掩模标记52是否在成像单元24的视场内，如果掩模标记52在视场内，则计算其中心在成像单元24中的位置a’；如果掩模标记52部分在成像单元24中，则粗略计算掩模标记52的中心在成像单元24中的位置a’，通过计算位置a’与目标位置a的偏差，运动承版台51使掩模标记52位于目标位置附近，然后再次精确计算掩模标记52的中心在成像单元24中的位置a’；如果成像单元24中没有掩模标记52，则按如图9所示预先设定的路径(按螺旋状从内到外)进行搜索，直到搜索到标记52，并计算掩模标记52中心在成像单元的位置a’。若按预先设定的路径搜索完最大范围，成像单元24中仍然没有掩模标记52，则终止掩模对准。

判断掩模标记53是否在成像单元34的视场内，如果掩模标记53在视场内，则计算其中心在成像单元34中的位置b’。如果掩模标记53不在视场内，则判断成像单元34中是否有掩模标记53的部分，如果有，则计算掩模标记53部分的中心在成像单元34中的位置b’，步进承版台5使掩模标记53在成像单元34中，然后计算掩模标记53的中心在成像单元34中的位置。如果成像单元34中没有掩模标记53，则按如图9所示预先设定的路径进行搜索，直到搜索到标记53，并计算掩模标记53中心在成像单元34的位置b’。若按预先设定的路径搜索完最大范围，成像单元34中仍然没有掩模标记53，则终止掩模对准。

在承版台5的步进过程中，承版台5会记录下步进位置，根据这些位置、掩模标记52、53对准目标位置之间的距离ab以及掩模标记52、53分别在成像单元24、34上的位置a’、b’，可以计算出掩模对准时，承版台的步进量和旋转量。

然后，获取曝光对象标记81(82)在成像单元24(34)中的位置信息，计算曝光对象8的平移量和旋转量，其计算原理如图11所示。图中，a是掩模标记52在成像单元24上的位置，c是曝光对象标记81在成像单元24上的位置，曝光对象8对准时，掩模标记52和曝光对象标记81同时成像于成像单元24上，Δ ac是程序设定的曝光对象8对准时掩模标记52和曝光对象标记81的位置偏差。通常情况下，由于曝光对象8上片到承片台9后存在一定的位置误差，因此存在实际的掩模标记52和曝光对象标记81的位置偏差为Δ ac’，Δ ac’-Δ ac是掩模标记52和曝光对象标记81对准时的位置偏差，该值可以通过图像处理单元4得到。利用此方法通过控制高精度承片台运动控制装置61，按程序设定的路径分别运行到n个曝光对象标记处，也可得到n个曝光对象标记和掩模对象标记的位置偏差(Δ ac’-Δ ac)n，根据这些位置偏差，通过总控制装置6的位置对准算法可计算出掩模版5和曝光对象8对准时，承片台运动控制装置61的平移量和旋转量。

下面结合图13对曝光对象位置对准的具体过程进行说明。步进承片台9到程序设定位置，判断曝光对象标记81是否在成像单元24的视场内，如果曝光对象标记81在视场内，则计算其中心和掩模标记52中心之间的位置偏差Δ ac’；如果曝光对象标记81部分在成像单元24中，则粗略计算曝光对象标记81中心在成像单元24中的位置，通过计算该位置与目标位置的偏差，运动承片台8使曝光对象标记81位于目标位置附近，然后再次精确计算出曝光对象标记81的中心在成像单元24中的位置，并得到曝光对象标记81中心与掩模标记52中心的位置偏差Δ ac’。如果成像单元24中没有曝光对象标记81，则按如图9所示预先设定的路径(按螺旋状从内到外)进行搜索，直到搜索到曝光对象标记81，计算曝光对象标记81中心到掩模标记中心52中的位置偏差Δ ac’。若按预先设定的路径搜索完最大范围，成像单元24中仍然没有曝光对象标记81，则终止曝光对象对准。

曝光对象8步进到程序设定的下一个曝光对象标记处，循环执行上述程序，直到计算出所有的规划路径上对应的曝光对象标记中心和掩模标记52中心的位置偏差Δ ac’。

承片台9步进过程中，记录下步进位置，根据这些位置以及规划路径上对应的曝光对象标记中心分别在成像单元24上的位置，可以计算出曝光对象8对准时，承片台9的平移量和旋转量。

上述曝光对象8对准方法单独利用成像单元24实现曝光对象8对准只是实施例之一，实际上，也可以通过单独利用成像单元34实现曝光对象8对准，甚至为了提高效率，可以同时利用24、34实现曝光对象8对准。

最后，由承版台运动控制装置60和承片台运动控制装置61实现掩模版5和曝光对象8的对准，即由承版台运动控制装置60和承片台运动控制装置61根据掩模版5和曝光对象8相应的平移量和旋转量进行运动，实现掩模版5和曝光对象8的对准。

Claims (5)

1、一种基于图像技术的对准系统，设置于一个至少由光源、掩模版、承版台、承版台运动控制装置、光学投影系统、曝光对象、承片台以及承片台运动控制装置组成的投影曝光装置上，所述的对准系统包括：以光学投影系统的光轴为轴心均匀分布的至少两套位置对准装置、设置于掩模版上的掩模标记、设置于曝光对象上的曝光对象标记、设置于承片台上的基准标记，所述的位置对准装置通过检测所述的掩模标记、曝光对象标记、基准标记的位置信息并传送给承版台运动控制装置和承片台运动控制装置，以控制掩模版、曝光对象、承片台位置使其对准，其特征在于，所述的对准系统对应每一套位置对准装置还设有一色差补偿镜头和一镜头校准单元，所述的色差补偿镜头和镜头校准单元位于承版台和光学投影系统之间，该色差补偿镜头用于补偿光学投影系统在对准波段的色差。

2、如权利要求1所述的基于图像技术的对准系统，其特征在于：所述的镜头校准单元可通过控制机构实现对色差补偿镜头位置的自动调整。

3、如权利要求1所述的基于图像技术的对准系统，其特征在于：所述的位置对准装置包括：

照明单元，用于均匀照明掩模标记、曝光对象标记和基准标记；

成像单元，用于接受对准标记的像；

分束棱镜，用于将标记成像到成像单元；以及

成像校准单元，用于校准成像单元的位置。

4、如权利要求3所述的基于图像技术的对准系统，其特征在于：所述的成像校准单元可通过控制机构实现对成像单元位置的自动调整。

5、一种采用如权利要求3所述的对准系统进行位置对准的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

(1)根据基准标记在成像单元内的位置信息，由成像校准单元和镜头校准单元分别对成像单元和色差补偿镜头的位置进行校准；

(2)获取掩模标记在成像单元中的位置信息，计算掩模版的平移量和旋转量；

(3)获取曝光对象标记在成像单元中的位置信息，计算曝光对象的平移量和旋转量；

(4)由承版台运动控制装置和承片台运动控制装置实现掩模版和曝光对象的对准。

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