CN1828431A

CN1828431A - 用于投影曝光装置中的自动位置对准装置和位置对准方法

Info

Publication number: CN1828431A
Application number: CN 200610025447
Authority: CN
Inventors: 徐兵; 闫岩; 王鹏程
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: CN100578369C

Abstract

本发明公开了一种用于投影曝光装置中将掩模和曝光对象进行精确位置对准的自动位置对准装置和位置对准方法。该自动对准装置包括掩模位置对准装置、曝光对象位置对准装置和总控制装置，总控制装置与投影曝光装置的承版台运动控制装置和承片台运动控制装置相连。本发明通过采用掩模位置对准装置，建立掩模标记和承片台之间的相对位置关系；曝光对象位置对准装置，建立曝光对象标记和承片台之间的相对位置关系；总控制装置对各系统部件做统一控制，控制对准装置按着对准流程工作，并对相关数据进行运算，得到对准结果；从而实现掩模和曝光对象之间的高精度位置对准。具有对准过程简单、对准精度高等优点。

Description

用于投影曝光装置中的自动位置对准装置和位置对准方法

技术领域

本发明涉及一种用于投影曝光装置中将掩模和曝光对象进行精确位置对准的自动位置对准装置和位置对准方法。

背景技术

将描绘在掩模版上的电路图案，通过投影曝光装置成像在涂有光刻胶等感光材料的印刷电路板表面上，之后通过刻蚀工艺在制造集成电路的硅片表面上形成图案的光影刻蚀法，广泛地应用于各种领域，印刷电路板也用近来的曝光装置制造。

投影曝光装置是将掩模版上的电路图案，经过投影曝光透镜等光学系统做投影曝光，将电路图案以一定放大或缩小的倍率投影于制造集成电路的硅片表面上，已知用于集成电路的制造，近年来该投影曝光装置也适用于印刷电路板的制造。

用投影曝光装置做曝光时，掩模与曝光对象(例如硅片、印刷电路板等)位置必须对准，通常掩模上方与曝光对象上方均配置有位置对准用的标记，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。

目前用于投影曝光装置中的位置对准装置和位置对准方法很多，如中国发明专利，公开号CN 1461977A，发明名称为“投影曝光装置、位置对准装置以及位置对准方法”公开了一种对准装置以及其对准方法，但由于其位置对准装置的复杂性，不仅增加装置的设计成本和装校难度，而且使位置对准过程变得复杂，增加位置对准误差环节，最终影响对准精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对准过程简单、对准精度高的用于投影曝光装置的自动位置对准装置和位置对准方法，以克服现有技术存在的上述缺陷，实现掩模和曝光对象之间的高精度位置对准。

本发明用于如下投影曝光装置，其包括：掩模，描绘有电路图案；承版台，用于支撑掩模版上的电路图案以做曝光对象；光学投影系统，利用曝光光源的波长将掩模版上所描绘的电路图案以一定放大或缩小的倍率投影成像到曝光对象上；曝光对象，其上表面涂有光刻胶，用于接受掩模版上的电路图案通过光学投影系统所成的像；承片台，用于支撑曝光对象；承版台运动控制装置，控制承版台的运动；承片台运动控制装置，控制承片台的运动。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

一种用于投影曝光装置中的自动位置对准装置，包括掩模位置对准装置、曝光对象位置对准装置和总控制装置，总控制装置与投影曝光装置的承版台运动控制装置和承片台运动控制装置相连；

所述掩模对象位置对准装置包括：掩模标记照明系统，其设置在承片台内；同轴对准基准标记照明系统，其设置在承片台内；光路结构相同的同轴对准成像系统，其设置在掩模版上方，掩模电路图形外侧，且以光学投影系统的物方视场为中心左右对称。掩模标记、用于掩模版的位置对准，其设于掩模版上且掩模标记一侧设有通光窗口；同轴对准基准标记，用于确立掩模版和承片台之间的相对位置关系，其设于承片台上，同轴对准基准标记一侧设有掩模标记照明通光窗口；

所述曝光对象位置对准装置，设置在光学投影系统的一侧，其包括：离轴对准照明系统；离轴对准成像系统；离轴对准基准标记，用于确立承片台和曝光对象位置对准装置之间的相对位置关系，其设于承片台对准基准版上，且承片台对准基准版固定于承片台上；曝光对象标记，用于曝光对象的位置对准，其设于曝光对象上。

进一步，掩模标记照明系统包括照明光源和照明透镜组，从该系统出射的光能够通过光学投影系统均匀照明掩模标记；同轴对准基准标记照明系统也包括照明光源和照明透镜组，用于均匀照明同轴对准基准标记；同轴对准成像系统包括反射镜、透镜组、掩模对准摄影装置和图像处理单元，用于将掩模标记和同轴对准基准标记清晰成像到掩模对准摄影装置靶面上，其光学结构型式可以为双远心光路、物方远心光路或非远心光路。

离轴对准照明系统包括照明光源、照明透镜组、反射棱镜和反射镜，用于将对准标记均匀照明；离轴对准成像系统包括反射镜、成像透镜组、分光棱镜、离轴对准摄影装置和图像处理单元，用于将曝光对象标记和离轴对准基准标记成像到离轴对准摄影装置靶面上。掩模标记照明光源波段与投影曝光装置的曝光光源波段相同；离轴对准照明光源为远离曝光波段的光源。

本发明还给出了一种利用上述自动位置对准装置进行位置对准的方法，其包括如下步骤：

(6)掩模对准摄影装置与同轴对准基准标记的对准；

(7)掩模对准摄像装置与掩模标记的对准；

(8)离轴对准摄像装置与离轴对准基准标记的对准；

(9)离轴对准摄像装置与曝光对象标记的对准；

(10)确立掩模版与曝光对象之间的相对位置关系。

由以上公开的技术方案可知，本发明通过采用掩模位置对准装置，建立掩模标记和承片台之间的相对位置关系；曝光对象位置对准装置，建立曝光对象标记和承片台之间的相对位置关系；在建立掩模标记和曝光对象标记相对位置的过程中，通过控制承版台和承片台的运动使掩模与曝光对象对准；总控制装置，对投影曝光装置、承版台和承片台运动控制装置、图像处理单元等系统或分系统部件做统一控制，控制对准装置按着对准流程工作，并对相关数据进行运算，得到对准结果；从而实现掩模和曝光对象之间的高精度位置对准；此外通过采用两套对称设置的同轴对准成像系统，可以高精度定位掩模中心的平移量和掩模旋转量。采用离轴位置对准装置可降低对光学投影系统的设计、加工及装校要求。

本发明的有益效果如下：

1、提供了一种适合现有设备精度需求的位置对准装置和位置对准方法；

2、采用图像处理装置进行位置对准可降低信号处理的难度和复杂性；

3、采用离轴位置对准装置可降低对光学投影系统的设计、加工及装校要求；

4、掩模对准采用从工件台下方往上照明的方法，可减少从上照明掩模标记时所形成的杂散光降低像面对比度的影响；

5、承版台在微小范围内移动，可提高承版台定位精度，并降低承版台的设计、加工难度、减小设计成本。

6、减小设备设计成本；

附图说明

图1是包括本发明自动位置对准装置的投影曝光装置结构示意图；

图2是本发明掩模标记和通光窗口在掩模版上的位置示意图；

图3是本发明同轴对准基准标记和离轴对准基准标记在承片台上的位置示意图；

图4是本发明曝光对象标记局部放大使用示意图；

图5是本发明位置对准方法简要流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例，对本发明作进一步的说明。

图1为供制造集成电路或印刷电路板的投影曝光装置，描绘曝光电路图案44的掩模版8置于承版台7上，通过承版台运动控制装置12可在X’、Y’、Z’方向移动。涂有光刻胶的曝光对象11置于承片台10上，通过承片台运动控制装置13可控制承片台10在X、Y及Z方向移动。投影曝光装置可通过曝光光源6曝光，将掩模版上的电路图案44经光学投影系统9以一定放大或缩小倍率转移到曝光对象11上。

如图1所示，本发明一种用于投影曝光装置的自动位置对准装置，包括掩模位置对准装置、曝光对象位置对准装置5和总控制装置14，总控制装置14与投影曝光装置的承版台运动控制装置12和承片台运动控制装置13相连；

所述掩模对象位置对准装置包括：掩模标记照明系统3，其设置在承片台10内；同轴对准基准标记照明系统4，其设置在承片台10内；光路结构相同的同轴对准成像系统1和2，其设置在掩模版8上方，掩模电路图形44外侧，且以光学投影系统9的物方视场为中心左右对称；掩模标记16和18、其设于掩模版8上且掩模标记一侧设有通光窗口15和17；同轴对准基准标记23，其设于承片台10上，同轴对准基准标记23一侧设有掩模标记照明通光窗口22；

所述曝光对象位置对准装置5，设置在光学投影系统的一侧，其包括：离轴对准照明系统；离轴对准成像系统；离轴对准基准标记24，其设于承片台对准基准版21上，且承片台对准基准版21固定于承片台10上；曝光对象标记19和20，其设于曝光对象11上。

掩模标记照明系统3和同轴对准基准标记照明系统4结构相同。

以同轴对准成像系统1和掩模标记照明系统3为例说明掩模位置对准装置的结构：掩模标记照明系统3由照明光源25和照明透镜组26组成，用于将从照明光源25出射的光束经过照明透镜组26、掩模标记照明通光窗口22和光学投影系统9后均匀照射在掩模标记16上；该照明系统的光学结构为柯勒照明或其它均匀照明系统，照明光源25包括光源和照明光纤。同轴对准成像系统1包括反射镜29、透镜组30以及掩模对准摄影装置31，用于将掩模标记16成像在掩模对准摄影装置31上；其光学结构型式可以为双远心光路、物方远心光路或非远心光路。

离轴对准照明系统包括照明光源37、透镜组38、分光棱镜39、透镜组40以及反射镜41，其目的是形成均匀照明光使曝光对象标记19、20和离轴对准基准标记24被均匀照明，该照明系统的光学结构可以是柯勒照明系统，也可以是其它同轴照明系统；离轴对准成像系统包括反射镜41、透镜组40、分光棱镜39和离轴对准摄影装置42，通过该成像系统离轴对准基准标记24、曝光对象标记19、20可成像在离轴对准摄影装置42的靶面上。

利用掩模标记16和18、曝光对象标记19和20、同轴对准基准标记23、离轴对准基准标记24上述几种对准标记可建立掩模版8和曝光对象11之间精确的相对位置关系。另外掩模标记、曝光对象标记及承片台上的基准标记数量可根据对准精度的不同适当增减。

总控制装置14对图像处理单元32、36、43、投影曝光装置、承版台运动控制装置12和承片台运动控制装置13等分系统做统一控制，并实现位置对准算法。

图2是掩模版8上的掩模标记16和18，以及通光窗口15和17的位置说明图。掩模标记16、18设于电路图案44的周边，通光窗口15、17是为了让掩模标记照明光束和同轴对准基准标记照明光束通过掩模版8而设置的。相对于电路图案44，掩模标记16、18非常小，大小在亚毫米级别。图2中掩模标记16、18形状为“十”字型，实际应用中，标记形状可根据需要设定，无特殊限定。

图3是承片台上各部件位置示意图，承片台10上放置有曝光对象11和承片台对准基准版21。同轴对准基准标记23为透射式振幅型标记，用于建立同轴对准标记摄影装置31、35与承片台10的位置关系，能够被位于承片台10下端的同轴对准基准标记照明系统4照明。离轴对准基准标记24为反射式振幅型标记，用于建立离轴对准摄影装置42与承片台10的位置关系。掩模照明通光窗口22，用于使同轴对准基准标记23能在掩模标记照明系统3的均匀照明下，通过光学投影系统9所成的像能通过掩模版8。

图4是曝光对象标记19、20使用说明图，图中的曝光对象标记19、20被放大显示，该标记形成于前道工艺所形成的电路图案45上，相对于电路图案45很小，大小在亚毫米级别，另外该标记形状可根据需要设定，任何形状均可，无特殊限定。曝光对象标记的数量可也根据曝光对象位置对准精度需要选2个或多个。

如图5所示，本发明自动位置对准装置的位置对准的方法，包括如下步骤：

(1)掩模对准摄影装置31、35与同轴对准基准标记23的对准；

(2)掩模对准摄像装置31、35与掩模标记16、18的对准；

(3)离轴对准摄像装置42与离轴对准基准标记24的对准；

(4)离轴对准摄像装置42与曝光对象标记19、20的对准；

(5)确立掩模版8与曝光对象11之间的相对位置关系。

以下分别说明各步骤的对准过程：

掩模对准摄影装置31与同轴对准基准标记23的对准过程：

承片台运动控制装置13移动承片台10到预定位置，使同轴对准基准标记23处于掩模对准摄影装置31的视场内；承版台运动控制装置12将承版台7移动到预定位置，使通光窗口15、17分别在掩模对准摄影装置31、35的视场内，同时承版台运动控制装置12将记录此时承版台7的位置信息。

点亮同轴对准基准标记照明系统4的照明光源27，并使同轴对准成像系统1和图像处理单元32处于工作状态，当光线照射到同轴对准基准标记23上时，图像处理单元32对同轴对准基准标记23在掩模对准摄影装置31上的像进行处理，并记录此时同轴对准基准标记23像的中心在掩模对准摄影装置31靶面上的位置信息，同时通过承片台运动控制装置13记录此时承片台10的位置信息。通过上述动作建立掩模对准摄影装置31与同轴对准基准标记23之间的相对位置关系。

掩模对准摄影装置35与同轴对准基准标记23的对准：

同理，承片台运动控制装置13移动承片台10，使同轴对准基准标记23处于掩模对准摄影装置35的视场内，此时记录同轴对准基准标记23像的中心在掩模对准摄影装置35靶面上的位置信息，并通过承片台运动控制装置13记录此时承片台10的位置信息。通过上述动作建立掩模对准摄影装置35与同轴对准基准标记23之间的相对位置关系。

掩模对准摄影装置31与掩模标记16的对准：

通过承版台运动控制装置12移动承版台7到预定位置，使掩模标记16、18分别处于掩模对准摄影装置31、35的成像视场范围内；承片台运动控制装置13移动承片台10到预定位置，使掩模标记照明通光窗口22在掩模对准摄影装置31的视场内。

掩模标记16通过同轴对准成像系统1成像到掩模对准摄影装置31上，经图像处理单元32对掩模标记16的像进行处理，并记录其像中心在掩模对准摄影装置31靶面上的位置信息。同时并由承版台运动控制装置12记录此时承版台7的位置信息。上述过程中可能出现承版台运动控制装置12移动承版台7到预定位置后，掩模标记16不在成像系统1的视场内，此时需要对掩模标记16进行目标搜索。

掩模对准摄影装置35与掩模标记16的对准：

同理，掩模标记18通过同轴对准成像系统2成像到掩模对准标记摄影装置35上，经图像处理单元36对掩模标记18的像进行处理，并记录其像中心在掩模对准摄影装置35靶面上的位置信息。

根据上述所记录的掩模标记16、18像的中心位置信息和同轴对准基准标记23像的中心位置信息，及对应的承版台7和承片台10的位置信息，通过一系列坐标变换及相关算法，在总控制装置14中计算出掩模对准时承版台7所需的移动量ΔX、ΔY、ΔZ，并将该结果发送给承版台运动控制装置12以完成掩模版8与同轴对准基准标记23的对准。

离轴对准摄影装置42与离轴对准基准标记24的对准：

承片台运动控制装置13移动承片台10到预定位置，使离轴对准基准标记24在离轴对准摄影装置42的视场内；点亮曝光对象对准装置5的照明光源37，使光线通过透镜组38、分光棱镜39、透镜组40、反射镜41均匀照射到离轴对准基准标记24上；离轴对准基准标记24通过反射镜41、透镜组40、分光棱镜39成像到离轴对准摄影装置42靶面上；图像处理单元43对离轴对准基准标记24的像进行图像处理，并记录离轴对准基准标记24像的中心位置信息，同时承片台运动控制装置13记录此时承片台10的位置信息。

离轴对准摄影装置42与曝光对象标记19、20的对准：

承片台运动控制装置13移动承片台10到预定位置，使曝光对象标记19在离轴对准摄影装置42的视场内；从曝光对象对准装置5的照明光源37发出来的光线，通过透镜组38、分光棱镜39、透镜组40、反射镜41后均匀照射到曝光对象标记19上；曝光对象标记19通过反射镜41、透镜组40、分光棱镜39成像到离轴对准摄影装置42靶面上；图像处理单元43对曝光对象标记19的像进行处理，并记录其像的中心在离轴对准摄影装置42靶面上的位置信息，同时由承片台运动控制装置13记录此时承片台10的位置信息。

同理，承片台运动控制装置13移动承片台10到预定位置，使曝光对象标记20在离轴对准摄影装置42的视场内，图像处理单元43对曝光对象标记20在离轴对准摄影装置42靶面上的像进行处理，并记录其像中心在靶面上的位置信息，同时由承片台运动控制装置13记录此时承片台10的位置信息。

通过上述动作，根据所记录的曝光对象标记19、20像的中心在离轴对准摄影装置42靶面上的位置信息，及对应的承片台的位置信息，通过一系列坐标变换及相关算法，在总控制装置14中完成曝光对象对准时承片台10所需的移动量ΔX、ΔY、ΔZ，并将该结果发送给承片台运动控制装置13，以建立曝光对象标记19、20与离轴对准基准标记24之间的相对位置关系。

上述过程中，根据位置对准精度的要求，曝光对象标记的数量可选多个。

通过上述一系列对准动作后，掩模和曝光对象之间建立了精确的相对位置关系。

虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，包括掩模位置对准装置、曝光对象位置对准装置(5)和总控制装置(14)，总控制装置(14)与投影曝光装置的承版台运动控制装置(12)和承片台运动控制装置(13)相连；

所述掩模位置对准装置包括：

掩模标记照明系统(3)，其设置在承片台(10)内；

同轴对准基准标记照明系统(4)，其设置在承片台(10)内；

光路结构相同的同轴对准成像系统(1)和(2)，其设置在掩模版(8)上方，掩模电路图形(44)外侧，且以光学投影系统(9)的物方视场为中心左右对称；

掩模标记(16)和(18)、其设于掩模版(8)上且掩模标记一侧设有通光窗口(15)和(17)；

同轴对准基准标记(23)，其设于承片台(10)上，同轴对准基准标记(23)一侧设有掩模标记照明通光窗口(22)；

所述曝光对象位置对准装置(5)，设置在光学投影系统的一侧，其包括：

离轴对准照明系统；

离轴对准成像系统；

离轴对准基准标记(24)，其设于承片台对准基准版(21)上，且承片台对准基准版(21)固定于承片台(10)上；

曝光对象标记(19)和(20)，其设于曝光对象(11)上。

2.根据权利要求1所述的用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，掩模标记照明系统(3)包括照明光源(25)和照明透镜(26)；同轴对准基准标记照明系统(4)包括照明光源(27)和照明透镜(28)。

3.根据权利要求1所述的用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，同轴对准成像系统(1)包括反射镜(29)、透镜组(30)、掩模对准摄影装置(31)和图像处理单元(32)；同轴对准成像系统(2)包括反射镜(33)、透镜组(34)、掩模对准摄影装置(35)和图像处理单元(36)，同轴对准成像系统(1)和(2)的光学结构型式可以为双远心光路、物方远心光路或非远心光路。

4.根据权利要求1所述的用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，离轴对准成像系统包括反射镜(41)、透镜组(40)、分光棱镜(39)、离轴对准摄影装置(42)和图像处理单元(43)，掩模对准摄影装置其传感器为CCD或CMOS。

5.根据权利要求1所述的用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，离轴对准照明系统的光学结构为同轴照明系统，其包括照明光源(37)、透镜组(38)、分光棱镜(39)、透镜组(40)和反射镜(41)。

6.根据权利要求2所述的用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，掩模标记照明光源(25)波段与投影曝光装置的曝光光源波段相同；离轴对准照明光源(37)为远离曝光波段的光源。

7.根据权利要求1所述的用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，所述同轴对准基准标记为透射式振幅型标记；离轴对准基准标记为反射式振幅型标记。

8.根据权利要求1所述的用于投影曝光装置的自动位置对准装置，其特征在于，离轴对准照明系统和离轴对准成像系统共用同一套光学系统形成同轴照明。

9.根据权利要求1至8任一项所述的自动位置对准装置的位置对准方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)掩模对准摄影装置(31、35)与同轴对准基准标记(23)的对准；

(2)掩模对准摄像装置(31、35)与掩模标记(16、18)的对准；

(3)离轴对准摄像装置(42)与离轴对准基准标记(24)的对准；

(4)离轴对准摄像装置(42)与曝光对象标记(19、20)的对准；

(5)确立掩模版(8)与曝光对象(11)之间的相对位置关系。

10.根据权利要求9所述的位置对准方法，其特征在于，所述的步骤(1)包括由同轴对准基准标记照明系统(4)照明同轴对准基准标记(23)，由掩模对准摄影装置(31、35)分别拍摄同轴对准基准标记(23)的图像，并存储其图像位置；所述的步骤(2)包括掩模对准摄影装置(31)和(35)分别拍摄掩模标记(16)和(18)，并存储该其图像位置；所述的步骤(3)包括移动承片台(10)，通过离轴对准摄影装置(42)拍摄离轴对准基准标记(24)，并存储该图像位置；所述的步骤(4)包括利用离轴对准照明系统照明曝光对象标记(19、20)，通过离轴对准摄影装置拍摄，并存储该图像位置。