DE9321230U1

DE9321230U1 - Proximity mask alignment using a stored video image

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Publication number: DE9321230U1
Application number: DE9321230U
Authority: DE
Original assignee: SUESS KG KARL
Current assignee: SUESS KG KARL
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2003-02-06

Description

ÄNDERUNGSSEITEN 1, 3, 6 und 13-20CHANGE PAGES 1, 3, 6 and 13-20

V06SIUS & PARTNER &iacgr; PATENTANWÄLTE SIEBERTSTR. 4V06SIUS & PARTNER &iacgr; PATENT ATTORNEYS SIEBERTSTR. 4

81675 MÜNCHEN81675 MUNICH

u. Z. : C 3 86 GM-DE/D Karl Süss KG GmbH & Co.o.z.: C 3 86 GM-DE/D Karl Süss KG GmbH & Co.

&Iacgr;&Ogr;. Juli 1996&Iacgr;&Ogr;. July 1996

Proximity—Maskenausrichtung unter Verwendung eines gespeicherten VideobildsProximity—mask alignment using a stored video image

Die Erfindung betrifft allgemein Abbildungssysteme und -vorrichtungen und insbesondere Systeme und Vorrichtungen, die Videobilder verwenden und von besonderem Nutzen in Bearbeitungsanwendungen für Halbleiter sind.The invention relates generally to imaging systems and devices, and more particularly to systems and devices using video images and which are of particular use in semiconductor processing applications.

In der Halbleiter-Mikrolithographie besteht eine kritische Operation in der Ausrichtung von Vorlagen auf einer Fotomaske zu zuvor aufgedruckten Bildern auf einem Schaltungssubstrat, z. B. einem Substrat aus Silicium, Keramik oder einem anderen Material. Diese Ausrichtung erfolgt normalerweise mit einer Toleranz, --die einem Mikrometer (10~⁶ Meter) nahekommt oder diesen Wert häufig übersteigt. Im allgemeinen werden zwei Bilder unter Verwendung eines Mikroskops beobachtet, und die Fotomaske oder das . Substrat wird in Ausrichtung zum Gegenstück manipuliert.In semiconductor microlithography, a critical operation is the alignment of templates on a photomask to previously printed images on a circuit substrate, such as a silicon, ceramic, or other material substrate. This alignment is typically done to a tolerance approaching or often exceeding one micrometer (10~ ⁶ meters). Generally, two images are observed using a microscope, and the photomask or substrate is manipulated into alignment with the counterpart.

Ein Problem, das bei der Proximity-Lithographie auftritt, besteht darin, daß sich die Fotomaske und das Substrat während der Ausrichtung nicht berühren dürfen. Bei einer Berührung könnte die relative Gleitbewegung zwischen der Foto-A problem that occurs in proximity lithography is that the photomask and the substrate must not touch during alignment. If they do touch, the relative sliding movement between the photomask and the substrate could

maske und dem Substrat die sehr feinen geometrischen Merkmale beschädigen.mask and the substrate can damage the very fine geometric features.

Insbesondere können infolge einer Lücke zwischen den Oberflächen, die während der Ausrichtung beibehalten werden muß, die auf der Fotomaske zu beobachtenden Merkmale und jene auf dem Substrat nicht gleichzeitig unter dem Mikroskop scharf eingestellt sein. Dies erfordert somit häufig die Verwendung eines Mikroskopobjektivs mit schwächerer Verstärkung und gewünschter höherer Tiefenschärfe als für die angestrebten Ausrichtungstoleranzen optimal ist.In particular, due to a gap between the surfaces that must be maintained during alignment, the features to be observed on the photomask and those on the substrate may not be in focus simultaneously under the microscope. This thus often requires the use of a microscope objective with lower gain and desired deeper depth of field than is optimal for the alignment tolerances sought.

Mehrere Techniken zur Lösung dieses Problems sind dem Erfinder bekannt, zu denen die nachfolgend beschriebenen gehören. Several techniques for solving this problem are known to the inventor, including those described below.

Bei einer ersten Technik wird einfach die schlechtere Ausrichtgenauigkeit als Ergebnis der Verwendung des schwächer verstärkenden Mikroskopobjektivs akzeptiert, und die Schaltungsgestaltung und das Herstellungsverfahren werden auf die sich ergebenden überlagerungsfehler eingestellt.In a first technique, the poorer alignment accuracy as a result of using the lower-power microscope objective is simply accepted, and the circuit design and fabrication process are adjusted to the resulting overlay errors.

Bei einer zweiten Technik wird ein Objektivwechselrevolver am Mikroskop verwendet und sowohl ein hoch verstärkendes Objektiv mit geringer Tiefenschärfe als auch ein niedrig verstärkendes Objektiv mit hoher Tiefenschärfe eingebaut. Das zuletzt genannte Objektiv wird während der Ausrichtung verwendet; anschließend wird kurz vor der Belichtung, wenn die Lücke zwischen der Fotomaske und dem Substrat normalerweise bis zur Berührung (oder fast bis zur Berührung) verringert ist, um die bestmögliche fotografische Wiedergabetreue zu erreichen, das zuerst genannte Objektiv verwendet, um die Ausrichtung zu kontrollieren. Bei Erfassung eines Ausrichtfehlers wird die Lücke erneut bis zum Ausrichtzustand vergrößert, und der Prozeß wird wiederholt. Dieser Prozeß wird oft vielfach wiederholt und kann über 30 Minuten dauern, um die gewünschte Überlagerungsgenauigkeit zu erreichen. Ein weiterer Nachteil dieser Technik ist, daß jedesmal, wenn das Substrat in Berührung mit der Fotomaske gebracht wird, die Gefahr besteht, daß das Substrat oder die Fotomaske möglicherweise beschädigt wird.A second technique uses an objective turret on the microscope and installs both a high-power, shallow depth-of-field objective and a low-power, deep depth-of-field objective. The latter objective is used during alignment; then, just before exposure, when the gap between the photomask and the substrate is usually reduced to touch (or almost to touch) to achieve the best possible photographic fidelity, the former objective is used to check alignment. If an alignment error is detected, the gap is again increased to alignment and the process is repeated. This process is often repeated many times and can take over 30 minutes to achieve the desired overlay accuracy. Another disadvantage of this technique is that each time the substrate is brought into contact with the photomask, there is a risk of possible damage to the substrate or photomask.

Bei einer dritten Technik wird ein automatisches Ausrichtsystem genutzt, das von einer von zwei Arten sein kann. Eine erste Art beruht auf kohärenter Beleuchtung und erfordert den Einsatz eines Lasers zum Erfassen und Lokalisieren von Merkmalen mit hoher Genauigkeit über eine große Tiefenschärfe. Eine zweite Art beruht auf Bildverarbeitung und verwendet einen "Video Frame Grabber" bzw. Video-Bilddigitalisierer und Bildverarbeitungscomputer zum Identifizieren und genauen Lokalisieren der Zielbilder auf der Fotomaske und dem Substrat. Dieses System erfordert ein Mikroskop, das eine schnelle und genaue Autofokussierung unter Computersteuerung durchführen kann- Systeme, die eines oder mehrere dieser Merkmale verwenden, sind, als AL2000 und ALX bekannt, die beide von der Firma Karl Suss America, Inc., Waterbury Center, Vermont, USA hergestellt werden.A third technique uses an automatic alignment system, which can be of one of two types. A first type relies on coherent illumination and requires the use of a laser to capture and locate features with high accuracy over a large depth of field. A second type relies on image processing and uses a video frame grabber and image processing computer to identify and accurately locate the target images on the photomask and substrate. This system requires a microscope capable of rapid and accurate autofocusing under computer control. Systems using one or more of these features are known as the AL2000 and ALX, both of which are manufactured by Karl Suss America, Inc., Waterbury Center, Vermont, USA.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System
und eine Vorrichtung bereitzustellen, um zwei ebene Oberflächen genau in eine vorbestimmte räumliche Beziehung zueinander zu bringen.An object of the invention is to provide a system
and to provide an apparatus for accurately placing two planar surfaces in a predetermined spatial relationship to one another.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System und eine Vorrichtung zum genauen und schnellen Ausrichten einer Fotomaske zu einer Oberfläche eines Substrats bereitzustellen.Another object of the invention is to provide a system and apparatus for accurately and rapidly aligning a photomask to a surface of a substrate.

Die Überwindung der vorgenannten und anderer Probleme sowie die Lösung der Aufgaben der Erfindung erfolgt durch die Verwendung eines fernfokussierenden Mikroskops und einer Videobild-Speichervorrichtung, die im folgenden als Bilddigitalisierer bezeichnet wird. Ist erfindungsgemäß eine erste Oberfläche scharf eingestellt, wird ein Bild der ersten Oberfläche erhalten und gespeichert. Nach Neufokussieren des Mikroskops auf eine zweite Oberfläche wird anschließend das gespeicherte Bild der ersten Oberfläche dem aktuellen bzw. "Live"-Bild der zweiten Oberfläche überlagert und einem Bediener des Systems angezeigt. Während er die beiden Bilder betrachtet, kann der Bediener die beiden Oberflächen manuell zueinander ausrichten.The foregoing and other problems are overcome and the objects of the invention are achieved by using a remote focusing microscope and a video image storage device, hereinafter referred to as an image digitizer. According to the invention, when a first surface is brought into focus, an image of the first surface is obtained and stored. After refocusing the microscope on a second surface, the stored image of the first surface is then superimposed on the current or "live" image of the second surface and displayed to an operator of the system. While viewing the two images, the operator can manually align the two surfaces with each other.

Der Einsatz der Erfindung bietet mehrere Vorteile. Ein erster Vorteil ist, daß gegenüber den vorstehend beschriebenen herkömmlichen Techniken Objektive mit höherer Verstärkung verwendet werden können, wodurch mit besserer Überlagerungsgenauigkeit ausgerichtet werden kann. Ein zweiter Vorteil ist die Beseitigung der herkömmlichen Praxis, periodisch zwischen unterschiedlichen Objektiven umzuschalten, wodurch die Ausrichtung in kürzerer Zeit und mit höherem Durchsatz erreicht werden kann. Ein dritter Vorteil läßt die herkömmliche Notwendigkeit entfallen, periodisch zwischen dem Zustand mit Ausrichtlücke und dem Belichtungszustand zu wechseln, was die Möglichkeit von Schaden an der Fotomaske und/oder dem Substrat verringert oder beseitigt und ferner den Durchsatz erhöht. The use of the invention provides several advantages. A first advantage is that higher gain lenses can be used over the conventional techniques described above, allowing alignment to be achieved with better overlay accuracy. A second advantage is the elimination of the conventional practice of periodically switching between different lenses, allowing alignment to be achieved in less time and with higher throughput. A third advantage eliminates the conventional need to periodically switch between the alignment gap state and the exposure state, reducing or eliminating the possibility of damage to the photomask and/or substrate and further increasing throughput.

Zur Lösung der Aufgaben der Erfindung wird ein Videobildspeicher zum Speichern und Überlagern der Bilder zweier in unterschiedlichen Fokalebenen liegenden Oberflächen mit dem Zweck verwendet, die beiden Bilder seitlich auszurichten. Außerdem verwendet die Erfindung ein fernfokussierendes Videomikroskop im Zusammenhang mit der Verwendung eines Videobildspeichers zum Speichern und Überlagern der Bilder zweier in unterschiedlichen Fokalebenen liegenden Oberflächen mit dem Zweck, die beiden Bilder seitlich auszurichten.To achieve the objects of the invention, a video image memory is used to store and superimpose the images of two surfaces lying in different focal planes with the purpose of aligning the two images laterally. The invention also uses a remote-focusing video microscope in conjunction with the use of a video image memory to store and superimpose the images of two surfaces lying in different focal planes with the purpose of aligning the two images laterally.

Insbesondere lehrt die Erfindung eine Abbildungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. Die Vorrichtung weist ein Abbildungssystem zum Erzeugen und zum Speichern von Bilddaten auf, wobei das Abbildungssystem ein Mikroskop mit einer Fokalposition aufweist, die zwischen mindestens einer ersten Fokalposition und einer zweiten Fokalposition einstellbar ist. Mit dem Mikroskop gekoppelt ist eine Vorrichtung zur Verwendung durch einen Bediener des Systems zum Festlegen einer Stelle der ersten Fokalposition und zum Festlegen einer Stelle der zweiten Fokalposition. Die Festlegungsvorrichtung gibt zum Mikroskop zu jeder gegebenen Zeit eine Festlegung der Stelle der ersten Fokalposition oder eine Festlegung der Stelle der zweiten Fokalposition aus. Ebenfalls zugehörig ist ein Steuersystem, das auf eine EingabeIn particular, the invention teaches an imaging device and a method of operating the device. The device includes an imaging system for generating and storing image data, the imaging system including a microscope having a focal position adjustable between at least a first focal position and a second focal position. Coupled to the microscope is a device for use by an operator of the system for specifying a location of the first focal position and for specifying a location of the second focal position. The specifying device outputs to the microscope at any given time a specifying of the location of the first focal position or a specifying of the location of the second focal position. Also associated is a control system responsive to an input

vom Bediener des Systems reagiert, um die Festlegungsvorrichtung zu veranlassen, für ein vorbestimmtes Zeitintervall vom Festlegen der Stelle einer der ersten oder zweiten Fokalposition zum Festlegen der Stelle der anderen der Fokalpositionen zu wechseln. Außerdem veranlaßt das Steuersystem das Abbildungssystem, während des vorbestimmten Zeitintervalls an der Stelle der anderen der Fokalpositionen erzeugte Bilddaten zu speichern, und veranlaßt ferner das Abbildungssystem, nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls die gespeicherten Bilddaten Bilddaten zu überlagern, die an der ursprünglich festgelegten der ersten oder zweiten Fokalposition erzeugt werden. Vorgesehen ist ein Anzeigemonitor zum Anzeigen der gespeicherten Bilddaten, die den an der ursprünglich festgelegten der ersten oder zweiten Fokalposition erzeugten Bilddaten überlagert sind, für den Benutzer des Systems.responsive to an operator of the system to cause the setting device to change from setting the location of one of the first or second focal positions to setting the location of the other of the focal positions for a predetermined time interval. The control system also causes the imaging system to store image data generated at the location of the other of the focal positions during the predetermined time interval and further causes the imaging system to superimpose the stored image data on image data generated at the originally set one of the first or second focal positions after the predetermined time interval has elapsed. A display monitor is provided for displaying the stored image data superimposed on the image data generated at the originally set one of the first or second focal positions to the user of the system.

In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Mikroskop ein Mischbildmikroskop bzw. ein Mikroskop mit geteiltem Feld mit einem ersten Mikroskopobjektiv und einem zweiten Mikroskopobjektiv. Die Festlegungsvorrichtung legt die Stelle der ersten Fokalposition und die Stelle der zweiten Fokalposition separat für jedes der Mikroskopobjektive fest.In a presently preferred embodiment of the invention, the microscope is a split-field microscope with a first microscope objective and a second microscope objective. The setting device sets the location of the first focal position and the location of the second focal position separately for each of the microscope objectives.

In der Verwendung wird ein Substrat an der Stelle der ersten Fokalposition positioniert, eine Fotomaske wird an der Stelle der zweiten Fokalposition positioniert, und das System weist ferner eine Translationsstufe zum seitlichen Positionieren des Substrats gegenüber der Fotomaske auf.In use, a substrate is positioned at the location of the first focal position, a photomask is positioned at the location of the second focal position, and the system further comprises a translation stage for laterally positioning the substrate relative to the photomask.

Alternativ weist das System eine Translationsstufe zum seitlichen Positionieren der Fotomaske gegenüber dem Substrat auf. Die Auswahl, welche Struktur (Fotomaske oder Substrat) zu positionieren ist, hängt vom speziellen Maskenausrichter ab und ist für den Betrieb der Erfindung ohne Belang.Alternatively, the system includes a translation stage for laterally positioning the photomask relative to the substrate. The choice of which structure (photomask or substrate) to position depends on the particular mask aligner and is not relevant to the operation of the invention.

Ferner weist das Abbildungssystem einen Schaltungsaufbau zum Kompensieren einer Verzögerung beim Auslesen der gespeicherten Bilddaten aus, um Bildpunkte bzw. Pixel des gespeicherten Bilds mit Pixeln von Bildpunkten zu synchronisieren,Furthermore, the imaging system has a circuit structure for compensating for a delay in reading out the stored image data in order to synchronize image points or pixels of the stored image with pixels of image points,

» ** tff ftf* « * * &diams;» ** tff ftf* « * * &diams;

die an der ursprünglich festgelegten ersten oder zweiten Fokalposition erzeugt werden.which are generated at the originally specified first or second focal position.

Die vorgenannten und weitere Merkmale der Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden näheren Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:The above and other features of the invention will become clearer from the following detailed description of the invention in conjunction with the accompanying drawings. They show:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Proximity-Maskenausrichtsystems; Fig. 1 is a block diagram of a proximity mask alignment system;

Fig. 2 ein schematische Ansicht zur näheren Darstellung einer Fokussteuereinheit; undFig. 2 is a schematic view showing a focus control unit in more detail; and

Fig. 3 einen Ablaufplan zur Veranschaulichung der Schritte eines Verfahrens der Erfindung.Fig. 3 is a flow chart illustrating the steps of a method of the invention.

Fig. 1 veranschaulicht ein System 1 zum Ausrichten einer Fotomaske 10 und eines Substrats 12 in einem Gerät zur Proximity-Halbleiterlithographie. Die Fotomaske 10 ist normalerweise 0,060 bis 0,120 Inch dick und ist über dem Substrat 12 positioniert, das aus Silicium, Keramik, Metall oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann. Die Fotomaske 10 weist ein transparentes Substratmaterial auf, durch das das Wafer- bzw. Scheibensubstrat 12 durch die Fotomaske 10 hindurch betrachtet werden kann. Über der Fotomaske 10 ist ein Doppel-Videomikroskop 14 steif aufgehängt, das zwei Objektivlinsen 16 und 18, zwei Mikroskopkörper 20 und 22 sowie zwei Industriefernsehkameras (Videokameras) 24 und 26 aufweist. Das Mikroskop 14 ist fernfokussierbar. Beispielsweise treiben (nicht gezeigte) Gleichstrom-Servomotoren in den Mikroskopkörpern 20 und 22 die Objektive 16 und 18 über Exzenterkurbeln auf die durch Pfeile A und B gezeigte Weise an. Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform für das Mikroskop 14 ist als Modell Nr. DVM6 bekannt, hergestellt von der Firma Karl Suss America, Inc., Waterbury Center, Vermont, USA. Analoge Befehlssignale 33 für den linken und rechten Servomotor werden von einer Fokussteuereinheit (FCU) 28 ausgegeben. Die Steuersignale 33 gelangen ^ais Eingabe zu einer ServosteuerungFig. 1 illustrates a system 1 for aligning a photomask 10 and a substrate 12 in a proximity semiconductor lithography apparatus. The photomask 10 is typically 0.060 to 0.120 inches thick and is positioned over the substrate 12, which may be silicon, ceramic, metal, or other suitable material. The photomask 10 comprises a transparent substrate material through which the wafer substrate 12 can be viewed through the photomask 10. Rigidly suspended above the photomask 10 is a dual video microscope 14 comprising two objective lenses 16 and 18, two microscope bodies 20 and 22, and two industrial television cameras (video cameras) 24 and 26. The microscope 14 is remotely focusable. For example, DC servo motors (not shown) in the microscope bodies 20 and 22 drive the objectives 16 and 18 via eccentric cranks in the manner shown by arrows A and B. A presently preferred embodiment for the microscope 14 is known as Model No. DVM6, manufactured by Karl Suss America, Inc., Waterbury Center, Vermont, USA. Analog command signals 33 for the left and right servo motors are output from a focus control unit (FCU) 28. The control signals 33 ^are input to a servo controller

29, die Signale für die Servomotoransteuerung zu den Mikroskopkörpern 20 und 22 ausgibt.29, which outputs signals for the servo motor control to the microscope bodies 20 and 22.

Die FCU 28 weist vier Potentiometer (28a bis 28d) auf, die manuell durch einen Bediener des Systems 1 eingestellt werden, um die Fokuspositionen des linken und rechten Objektivs 16 und 18 herzustellen. Zwei Potentiometer gehören zu jedem Objektiv, wobei ein Paar (28a, 28b) für die Fokalposition der Fotomaske (MASK) und ein Paar (28c, 28d) für die Fokalposition des Substrats (WAFER) dient. Die beiden Potentiometerpaare werden mit einem Kippschalter 28e MASK/WAFER ausgewählt. Durch diese Konfiguration können die Fokalpositionen für die Fotomaske und das Substrat mit den Potentiometern 28a bis 28d voreingestellt werden, und ferner kann mit dem Schalter 28e zwischen den beiden Fokalpositionen hin- und hergeschaltet werden, ohne daß ein Bediener die Fokuspotentiometer 28a bis 28d gewissenhaft neu einstellen muß. Als solche registrieren die Potentiometer 28a bis 28d elektrisch die gewünschten Fokuspositionen.The FCU 28 includes four potentiometers (28a through 28d) that are manually adjusted by an operator of the system 1 to establish the focus positions of the left and right lenses 16 and 18. Two potentiometers are associated with each lens, with one pair (28a, 28b) for the focal position of the photomask (MASK) and one pair (28c, 28d) for the focal position of the substrate (WAFER). The two pairs of potentiometers are selected by a MASK/WAFER toggle switch 28e. This configuration allows the focal positions for the photomask and substrate to be preset with the potentiometers 28a through 28d, and further allows the switch 28e to toggle between the two focal positions without an operator having to painstakingly readjust the focus potentiometers 28a through 28d. As such, the potentiometers 28a to 28d electrically register the desired focus positions.

Videoausgabesignale von den beiden Videokameras 24 und 26 werden an einem herkömmlichen Video-Teiler/Einfüger (VSI) 30 angelegt. Die Funktion des VSI 30 besteht im Einfügen eines Abschnitts des Bilds von der rechten Videokamera 26 in das Bild von der linken Videokamera 24, so daß ein geteiltes Bild mit einem linken Teilbild und einem rechten Teilbild auf einem Anzeigemonitor 32 sichtbar ist. Ein Kippschalter 28f an der FCU 28 führt ein Ausgabesignal 35 zum VSI 30 zum Auswählen, ob der Monitor 32 das Bild mit geteiltem Feld anzeigt, oder ob er nur die Ausgabe der linken Kamera 24 oder der rechten Kamera 26 anzeigt.Video output signals from both video cameras 24 and 26 are applied to a conventional video splitter/inserter (VSI) 30. The function of the VSI 30 is to insert a portion of the image from the right video camera 26 into the image from the left video camera 24 so that a split image having a left field and a right field is visible on a display monitor 32. A toggle switch 28f on the FCU 28 provides an output signal 35 to the VSI 30 for selecting whether the monitor 32 displays the split field image or whether it displays only the output of the left camera 24 or the right camera 26.

Das Videoausgabesignal vom VSI 30 wird an einem Eingang 34a einer Bilddigitalisiererschaltung (FGC) 34 angelegt, die so gestaltet ist, daß sie das Videosignal stets direkt zu einem Ausgang 34b durchführt. Die Ausgabe der FGC 34 wird zum Videoanzeigemonitor 32 zur Anzeige geführt. Der Betrieb der FGC 34 wird durch eine Steuerung 34e als Reaktion auf Signale gesteuert, die auf zwei Signalleitungen von der FCU 28 erscheinen. Eine erste Signalleitung 36a ist eine Zweizustands-The video output signal from the VSI 30 is applied to an input 34a of a frame grabber circuit (FGC) 34 which is designed to always pass the video signal directly to an output 34b. The output of the FGC 34 is fed to the video display monitor 32 for display. The operation of the FGC 34 is controlled by a controller 34e in response to signals appearing on two signal lines from the FCU 28. A first signal line 36a is a two-state

leitung, die durch einen Schalter 28g ENHANCED/NORMAL (erweitert/normal) umgeschaltet wird. In der Stellung ENHANCED des Schalters 28g steuert diese Leitung die Ausgabe eines Bildspeicherpuffers (FSB) 34c der FGC 34 so, daß sie über einen Addiererblock 34d zum durchgeführten Live-Videosignal vom VSI 30 addiert wird, wodurch das gespeicherte Bild dem Live-Bild überlagert wird. Eine zweite Leitung 36b überträgt ein Impulssignal, das durch die FCU 28 erzeugt wird, wenn ein Schalter 28h GRAB IMAGE (Bild digitalisieren) gedrückt wird. Das Impulssignal bewirkt, daß die FGC 34 veranlaßt wird, ein Bild des Live-Videosignals zu "ergreifen" (digitalisieren) und das digitalisierte Videobild im FSB 34c zu speichern.line which is switched by an ENHANCED/NORMAL switch 28g. In the ENHANCED position of switch 28g, this line controls the output of a frame buffer (FSB) 34c of the FGC 34 to be added to the live video signal passed through from the VSI 30 through an adder block 34d, thereby superimposing the stored image on the live image. A second line 36b carries a pulse signal generated by the FCU 28 when a GRAB IMAGE switch 28h is pressed. The pulse signal causes the FGC 34 to "grab" (digitize) a frame of the live video signal and store the digitized video image in the FSB 34c.

Vorzugsweise addiert der Addierer 34d das analoge "Live"-Videosignal zur Ausgabe des FSB 34c, nachdem die Ausgabe des FSB 34c aus digitaler in analoge Form umgewandelt wurde. Zur Beseitigung von Bildversätzen infolge einer Phasenverschiebung, die durch die Operation des Auslesens aus dem FSB 34c und der Umwandlung der digitalen Pixeldaten in analoge Form eingeführt wird, führt die Steuerung 34e eine Vorwärtsphasenverschiebung in die Ausgabe des FSB 34c ein. Ein Verfahren zum Herstellen der Vorwärtsphasenverschiebung besteht darin, das Auslesen der gespeicherten Pixel einer Abtastzeile vor Beginn des Abtastzexlendurchlaufs einzuleiten. Dadurch wird das erste Pixel ausgelesen, in analoge Form umgewandelt und mit dem ersten Abtastzeilenpixel des "Live"-Bilds synchronisiert. Ziel ist, einen maximalen Phasenfehler am Anzeigemonitor 32 von weniger als einem Viertel (25 %) einer Pixelbreite vorliegen zu haben. Deutlich dürfte sein, daß es für ein Ausrichtsystem der dargestellten Art wichtig ist, daß alle angezeigten Versätze zwischen den beiden Bildern Folge eines körperlichen, seitlichen Versatzes zwischen der Fotomaske 10 und dem Substrat 12 und nicht Folge von durch das Abbildungssystem eingeführten Artefakten sind.Preferably, adder 34d adds the "live" analog video signal to the output of FSB 34c after the output of FSB 34c has been converted from digital to analog form. To eliminate image offsets due to a phase shift introduced by the operation of reading from FSB 34c and converting the digital pixel data to analog form, controller 34e introduces a forward phase shift into the output of FSB 34c. One method of establishing the forward phase shift is to initiate the reading of the stored pixels of a scan line before the scan line sweep begins. This reads the first pixel, converts it to analog form, and synchronizes it with the first scan line pixel of the "live" image. The goal is to have a maximum phase error at display monitor 32 of less than one-quarter (25%) of a pixel width. It should be clear that it is important for an alignment system of the type shown that any displayed offsets between the two images are the result of a physical, lateral offset between the photomask 10 and the substrate 12 and not the result of artifacts introduced by the imaging system.

Fig. 2 zeigt einen gegenwärtig bevorzugten Aufbau der FCU 28. Die FCU 28 weist drei Impulsquellen auf, die beispielsweise u. a. als monostabile Multivibratoren (OS) (40a, 40b, 40c) implementiert sein können. Der Betrieb des Schal-Fig. 2 shows a currently preferred design of the FCU 28. The FCU 28 has three pulse sources, which can be implemented, for example, as monostable multivibrators (OS) (40a, 40b, 40c). The operation of the circuit

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tungsaufbaus der FCU 28 wird auch anhand des Ablaufplans von Fig. 3 diskutiert.The structure of the FCU 28 is also discussed using the flow chart in Fig. 3.

Beim Drücken des Druckknopfschalters 28h "GRAB IMAGE" werden die OS 40a und 40b gesetzt und beginnen ihre Zeitauslösungsperioden. Der OS 40a ist so konfiguriert, daß er einen Impuls mit einer Impulsdauer erzeugt, die langer als die Impulsdauer des OS 40b ist. Für eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform erzeugt der OS 40a einen Impuls von einer Sekunde, und der OS 40b erzeugt einen Impuls von 0,7 Sekunden. Die maximale Dauer jeder dieser beiden Impulslängen ist anwendungsabhängig und eine Funktion der Betriebskennwerte des Mikroskops 14, was später beschrieben wird.When the "GRAB IMAGE" push button switch 28h is pressed, the OS 40a and 40b are set and begin their timed firing periods. The OS 40a is configured to generate a pulse with a pulse duration longer than the pulse duration of the OS 40b. For a presently preferred embodiment, the OS 40a generates a pulse of one second, and the OS 40b generates a pulse of 0.7 seconds. The maximum duration of either of these two pulse lengths is application dependent and a function of the operating characteristics of the microscope 14, as described later.

Der OS 40c ist als 10 O-Mikrosekunden-Impulsgenerator konfiguriert. Die Ausgabe des OS 40c ist mit der Signalleitung 36b gekoppelt und signalisiert der FGC 34, ein Bild zu digitalisieren und zu speichern oder zu "ergreifen".The OS 40c is configured as a 100 microsecond pulse generator. The output of the OS 40c is coupled to signal line 36b and signals the FGC 34 to digitize and store or "grab" an image.

Die Ausgabe des OS 40a steuert einen Logikschaltungsaufbau 42 so, daß er die manuelle Einstellung des Schalters 28e MASK/WAFER umgeht, um die Fokussteuerungen zwischen den durch die jeweiligen Potentiometer (28a bis 28d) eingestellten Fokuspositionen MASK und WAFER umzuschalten. Das eigentliche Schalten erfolgt z. B. durch einen digital gesteuerten statischen Analogschalter 43. Ergebnis ist, daß bei anfänglicher Auswahl des Fokus MASK nach Betätigen des Schalters 28h GRAB IMAGE das Mikroskop 14 die Objektive 16 und 18 für eine Sekunde, die Impulsdauer der Ausgabe des OS 40a, in die voreingestellte Fokusposition WAFER ansteuert. Nach einer Sekunde führt die Schaltung 42 den Analogschalter 43 zurück zum ursprünglichen Zustand, wonach das Mikroskop 14 in die Fokusposition MASK zurückkehrt. Wurde statt dessen anfänglich der Fokus WAFER ausgewählt, steuert nach Betätigen des Schalters 28h GRAB IMAGE das Mikroskop 14 die Objektive 16 und 18 für eine Sekunde, die Impulsdauer der Ausgabe des OS 40a, in die voreingestellte Fokusposition MASK an. Nach einer Sekunde führt die Schaltung 42 den Analogschalter 43 zurück zum ursprünglichen Zustand, wonach das Mikroskop 14 in die Fokusposition WAFER zurückkehrt.The output of OS 40a controls a logic circuit 42 to override manual adjustment of switch 28e MASK/WAFER to switch the focus controls between the focus positions MASK and WAFER set by the respective potentiometers (28a through 28d). The actual switching is accomplished, for example, by a digitally controlled static analog switch 43. The result is that when focus MASK is initially selected after actuation of switch 28h GRAB IMAGE , microscope 14 drives objectives 16 and 18 to the preset focus position WAFER for one second, the pulse duration of the output of OS 40a. After one second, circuit 42 returns analog switch 43 to its original state, after which microscope 14 returns to the focus position MASK. If instead the focus WAFER was initially selected, after actuation of the switch 28h GRAB IMAGE the microscope 14 drives the lenses 16 and 18 to the preset focus position MASK for one second, the pulse duration of the output of the OS 40a. After one second the circuit 42 returns the analog switch 43 to the original state, after which the microscope 14 returns to the focus position WAFER.

Die 0,7 Sekunden lange Impulsausgabe durch den OS 40b ist mit dem Triggereingang des OS 40c gekoppelt und dient zum Triggern des OS 40c am Ende des 0,7-Sekunden-Impulses. Dadurch erzeugt der OS 40c den 100 Mikrosekunden langen Impuls 0,7 Sekunden nach Auslösung des eine Sekunde langen Pulses durch den OS 40a. Die Verzögerung von 0,7 Sekunden beim Erzeugen des 100-Mikrosekunden-Impulses für die FGC 34 gewährleistet, daß das Mikroskop 14 ausreichend Zeit hat, um an der neuen Fokusposition einzutreffen und etwaige mechanische Vibrationen auszuschwingen, die durch Ansteuern der Objektive 16 und 18 in die gewünschten voreingestellten Fokuspositionen möglicherweise hervorgerufen werden. Es dürfte deutlich sein, daß die hierin offenbarten verschiedenen Impulslängen Funktionen der Betriebskennwerte des Mikroskops 14 und der FGC 34 sind.The 0.7 second pulse output by OS 40b is coupled to the trigger input of OS 40c and serves to trigger OS 40c at the end of the 0.7 second pulse. As a result, OS 40c generates the 100 microsecond pulse 0.7 seconds after OS 40a initiates the one second pulse. The 0.7 second delay in generating the 100 microsecond pulse to FGC 34 ensures that microscope 14 has sufficient time to arrive at the new focus position and settle out any mechanical vibrations that may be induced by driving objectives 16 and 18 to the desired preset focus positions. It should be understood that the various pulse lengths disclosed herein are functions of the operating characteristics of microscope 14 and FGC 34.

Zur Zusammenfassung des Betriebs des Systems 1 und gemäß dem Ablaufplan von Fig. 3 werden die nachfolgend beschriebenen Schritte durchlaufen.To summarize the operation of system 1 and according to the flow chart of Fig. 3, the following steps are performed.

(SCHRITT A) Die vier Potentiometer 28a bis 28d werden auf geeignete Weise so eingestellt, daß in der Stellung MASK des Schalters 28e MASK/WAFER die Fotomaske 10 scharf eingestellt ist und in der Stellung WAFER des Schalters 28e das Substrat 12 scharf eingestellt ist. Normalerweise liegt der Abstand zwischen der Unterseite der Fotomaske 10 und der Oberseite des Substrats 12 während des Ausrichtverfahrens in der Größenordnung von 100 Mikrometern.(STEP A) The four potentiometers 28a through 28d are suitably adjusted so that the photomask 10 is in focus when the MASK/WAFER switch 28e is in the MASK position and the substrate 12 is in focus when the WAFER position of the switch 28e is in the WAFER position. Typically, the distance between the bottom of the photomask 10 and the top of the substrate 12 during the alignment process is on the order of 100 micrometers.

(SCHRITT B) Je nach dem, welche Oberfläche während des Ausrichtvorgangs beweglich ist, wird der Schalter 28e MASK/WAFER in der
entsprechenden Stellung belassen. Normalerweise ist entweder die Fotomaske 10 oder das Substrat 12 beweglich, beide jedoch nicht. Dadurch steuert das Mikroskop 14 die Objektive 16 und 18 zum Fokussieren auf die durch den Schalter 28e MASK/WAFER ausgewählte bewegliche Oberfläche an, und ein Bild der beweglichen Oberfläche wird auf dem Anzeigemonitor 32 angezeigt. Der Schalter 28g ENHANCED/NORMAL befindet sich in der Stellung ENHANCED, damit die Ausgabe des Bildspeicherpuffers dem Live-Videosignal überlagert werden kann.(STEP B) Depending on which surface is movable during the alignment process, the switch 28e MASK/WAFER in the
Normally, either the photomask 10 or the substrate 12 is movable, but not both. This causes the microscope 14 to drive the objectives 16 and 18 to focus on the movable surface selected by the MASK/WAFER switch 28e, and an image of the movable surface is displayed on the display monitor 32. The ENHANCED/NORMAL switch 28g is in the ENHANCED position to allow the output of the frame buffer to be superimposed on the live video signal.

(SCHRITT C) Der Schalter 28h GRAB IMAGE wird betätigt. Dies bewirkt, daß das Mikroskop 14 die Objektive 16 und 18 in die entgegengesetzte voreingestellte Fokalposition ansteuert, die der normalerweise nicht beweglichen Oberfläche (Fotomaske oder Substrat je nach spezieller Architektur des Ausrichtsystems 1) entspricht. Nach einer vorbestimmten Zeit nach Betätigung des Schalters 28h GRAB IMAGE erscheint der 100 Mikrosekunden lange Impuls auf der Signalleitung 36b, was die FGC 34 veranlaßt, im FSB 34c das von der nicht beweglichen Oberfläche empfangene Bild zu digitalisieren und zu speichern.(STEP C) The GRAB IMAGE switch 28h is actuated. This causes the microscope 14 to drive the objectives 16 and 18 to the opposite preset focal position corresponding to the normally non-moving surface (photomask or substrate depending on the particular architecture of the alignment system 1). After a predetermined time after actuation of the GRAB IMAGE switch 28h, the 100 microsecond pulse appears on the signal line 36b, causing the FGC 34 to digitize and store in the FSB 34c the image received from the non-moving surface.

(SCHRITT D) Nach Zeitauslösung des OS 40a steuert das Mikroskop 14 die Objektive 16 und 18 so an, daß sie erneut auf die bewegliche Oberfläche gemäß der Angabe durch die manuell eingestellte Stellung des Schalters 28e MASK/WAFER fokussieren. Was dann auf dem Anzeigemonitor 32 erscheint, ist das gespeicherte Bild einer Oberfläche, der nicht beweglichen Oberfläche, das dem Live-Bild der anderen Oberfläche, der beweglichen Oberfläche, überlagert ist. Je nach Stellung des Schalters 28f SPLIT FIELD (Feldteilung) werden überlagerte Bilder von beiden Objektiven 16 und 18 gleichzeitig angezeigt, oder es wird das Bild von nur einem Objektiv angezeigt. (STEP D) After timing the OS 40a, the microscope 14 controls the objectives 16 and 18 to refocus on the moving surface as indicated by the manually set position of the MASK/WAFER switch 28e. What then appears on the display monitor 32 is the stored image of one surface, the non-moving surface, superimposed on the live image of the other surface, the moving surface. Depending on the position of the SPLIT FIELD switch 28f, superimposed images from both objectives 16 and 18 are displayed simultaneously, or the image from only one objective is displayed.

(SCHRITT E) Anschließend wird die bewegliche "Live"-Oberflache durch den Benutzer über (nicht gezeigte) Systemsteuerungen manipuliert, die mit einer x-y~z-Posxtionierstufe 44 des Maskenausrichtersystems 1 verbunden sind, bis das Bild der "Live"-Oberfläche in korrekter Ausrichtung zum gespeicherten Bild der nicht beweglichen Oberfläche erscheint. Normalerweise wird von der Ausrichtung beider ausgegangen, wenn der Benutzer Zielvorlagen ausrichtet, die auf der Fotomaske 10 und dem Substrat 12 vorgesehen sind.(STEP E) The "live" moving surface is then manipulated by the user via system controls (not shown) connected to an x-y~z positioning stage 44 of the mask alignment system 1 until the image of the "live" surface appears in correct alignment with the stored image of the non-moving surface. Normally, the alignment of both is assumed when the user aligns target templates provided on the photomask 10 and the substrate 12.

(SCHRITT F) Vermutet der Benutzer zu beliebiger Zeit, daß das Mikroskop 14 mechanisch gestört wurde oder abgewandert ist, kann der Schalter 28h GRAB IMAGE betätigt werden, um ein "frisches" Bild der nicht beweglichen Oberfläche zu speichern und anzuzeigen.(STEP F) If at any time the user suspects that the microscope 14 has been mechanically disturbed or has drifted, the 28h GRAB IMAGE switch can be operated to store and display a "fresh" image of the non-moving surface.

Obwohl die Beschreibung im gegenwärtig bevorzugten Kontext eines Maskenausrichtsystems erfolgte, sollte deutlich sein, daß die Lehre der Erfindung auf andere Anwendungen anwendbar ist, in denen gewünscht ist, eine spezifische Orientierung zwischen zwei Oberflächen herzustellen, die zueinander verschoben sind. Außerdem ist die Lehre der Erfindung auf Systeme anwendbar, die ein Mikroskopsystem mit einem einzigen Feld im Gegensatz zu einem mit geteiltem Feld haben.Although described in the presently preferred context of a mask alignment system, it should be understood that the teachings of the invention are applicable to other applications where it is desired to establish a specific orientation between two surfaces that are displaced from each other. In addition, the teachings of the invention are applicable to systems having a single field microscope system as opposed to a split field one.

Während also die Erfindung speziell anhand einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, wird dem Fachmann deutlich sein, daß Änderungen in Form und Detail an ihr vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang und Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.Thus, while the invention has been particularly shown and described with reference to a preferred embodiment, it will be apparent to those skilled in the art that changes in form and detail may be made therein without departing from the scope and spirit of the invention.

Claims

UZ: C 386 GM-DE/D
Karl Süss KG.GmbH Sc Co.

Protection claims

Imaging device with:

a) a storage device for generating and storing image data by means of an imaging device, which is adjustable between at least a first focal position and a second focal position;

b) an adjustment device for adjusting the focal position of the imaging device by means of an adjustment signal and

c) a control device which is connected to the adjustment device and to the storage device in order to adjust the imaging device from one focal position to the other focal position for a predetermined time interval via the adjustment device, in order to store image data generated at the other focal position during the predetermined time interval by the storage device and in order to overlay the stored image data with image data generated at the one focal position after the expiration of the predetermined time interval.

. Imaging device in particular according to claim 1 with:

a device for generating and storing image data, the generating and storing device comprising an imaging device with a focal position that is adjustable between at least a first focal position and a second focal position;
means having an output coupled to the imaging device for use by a user of the system for specifying a location of the first focal position and for specifying a location of the second focal position, the specifying device/the imaging device outputting a specifying of the location of the first focal position or a specifying of the location of the second focal position at any given time; and

a control device connected to the determination device and to the generation and storage device and responsive to an input from the user of the system to cause the determination device
to change from specifying the location of one of the first or second focal positions to specifying the location of the other of the focal positions for a predetermined time interval, to cause the generating and storing means to store image data generated at the location of the other of the focal positions during the predetermined time interval, and to cause the generating and storing means, after expiration of the predetermined time interval, to superimpose the stored image data on image data generated at the originally specified one of the first or second focal positions.

3. Device according to claim 1 or 2, wherein the imaging device
a mixed image microscope with a first microscope objective and a second microscope objective, and wherein the setting device sets the location of the first focal position and the location of the second focal position separately for each of the microscope objectives.

4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, further comprising display means for displaying to the user of the system the stored image data superimposed on the image data generated at the originally specified first or second focal position.

5, Apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein a substrate is positioned at the location of the first focal position, a photomask is positioned at the location of the second focal position, and the system further comprises means for laterally positioning the substrate relative to the photomask.

5. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the generation

transmission and storage device comprises means for compensating for a delay in reading out the stored image data in order to synchronize pixels of the stored image with pixels of the image data generated at the originally defined first or second focal position.

7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein the fixing device
a plurality of potentiometers for setting the location of the first focal position and for setting the location of the second focal position, and the setting means comprises switch means coupled to outputs of the plurality of potentiometers for selecting individual ones of the potentiometer outputs for output to the imaging means.

8. Apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the control means comprises a plurality of pulse generating means responsive to the input from the user, a first of the pulse generating means having an output coupled to the setting means and generating a first pulse having a first pulse duration equal to the predetermined time interval, the first pulse causing the setting means to change from setting the location of one of the first or second focal positions to setting the location of the other of the focal positions.

9. Imaging apparatus according to claim 8, wherein a second of said plurality of pulse generating means has an output for generating a second pulse having a second pulse duration less than said first pulse duration, said second pulse being generated simultaneously with said first pulse, and wherein a third of said pulse generating means has an input coupled to the output of said second of said pulse generating means for being triggered thereby upon expiration of said second pulse, said third pulse generating means generating a pulse at an output coupled to said generating and storing means for causing said generating and storing means to store, during said predetermined time interval, said image data generated at the location of said other of said focal positions.

0. The imaging device of claim 9, wherein the predetermined time interval is about one second.

11. Device for generating a focused image of two surfaces arranged at different distances from a microscope objective using a microscope, comprising:

means for focusing the microscope on a first of the surfaces and maintaining a first electrical record of the first focus position;
means for focusing the microscope on a second of the surfaces and maintaining a second electrical record of the second focus position;
means for maintaining focus of the microscope on a selected one of the first or second surfaces as determined by the first electrical protocol or the second electrical protocol;
means for, in response to a command from a user of the microscope, focusing the microscope on the other of the first or second surface as determined by the other electrical protocol;

stores an image obtained through the microscope of the other of the first or second surface ;

refocusing the microscope on the selected one of the first and second surfaces as determined by the first electrical protocol or the second electrical protocol; and

a current image obtained by the microscope of the selected one of the first and second surfaces and simultaneously displaying the stored image superimposed on the current image, the display being made on the same display device to the user of the microscope.

12. Device according to claim 11, wherein the display device reads out the stored image and synchronizes the pixels of the read out image with the pixels of the current image.

_ Proximity mask alignment system with:

a mixed image microscope with a first microscope objective and a second microscope objective;

means for use by an operator of the system for specifying a location of a first focal position and a location of a second focal position for the first microscope objective and for the second microscope objective, the specifying device outputting to the composite image microscope at any given time a specifying of the location of the first focal position or a specifying of the location of the second focal position;
a device coupled to the mixed image microscope for generating and storing image data as a representation of an image viewed through the mixed image microscope;

a display device having an input coupled to an output of the generating and storing device for displaying an image corresponding to the image viewed through the mixed image microscope to the operator; and

a control device coupled to the determining device and to the generating and storing device and responsive to an input from the operator of the system for causing the determining device to change from determining the location of one of the first or second focal positions to determining the location of the other of the focal positions for a predetermined time interval, for causing the generating and storing device to store image data generated at the location of the other of the focal positions during the predetermined time interval, and for causing the generating and storing device to overlay the stored image data on image data generated at the originally determined first or second focal position after the expiration of the predetermined time interval.

14. The system of claim 13, wherein a substrate is positioned at the location of the first focal position, a photomask is positioned at the location of the second focal position.

nated and the system further comprises a device for laterally positioning the substrate relative to the photomask.

15. The system of claim 13 or 14, wherein the generating and storing means comprises means for compensating for a delay in reading out the stored image data to synchronize pixels of the stored image with pixels of the image data generated at the originally specified first or second focal position.

16. The system of claim 13, 14 or 15, wherein the setting means comprises a plurality of potentiometers for setting the location of the first focal position and for setting the location of the second focal position, the setting means comprising switch means coupled to outputs of the plurality of potentiometers for selecting individual ones of the potentiometer outputs for output to the composite image microscope.

17. The system of claim 16/ further comprising a servo controller interposed between the fixing device and the composite image microscope, the servo controller responsive to the outputs of the plurality of potentiometers to generate servo motor drive signals for driving servo motors coupled to the first and second microscope objectives.

18. A system according to any one of claims 13 to 17, wherein the control means comprises a plurality of pulse generating means, a first of the pulse generating means having an output coupled to the setting means and generating a first pulse having a first pulse duration equal to the predetermined time interval to cause the setting means to stop setting the location of one of the first and second forms.

cal position to set the location of the other of the focal positions.

19. The system of claim 18, wherein a second of said plurality of pulse generating means has an input coupled to an input of said first of said pulse generating means for being triggered synchronously with said first pulse generating means by said operator input by said first pulse generating means, said second of said pulse generating means generating at an output a second pulse having a second pulse duration less than said first pulse duration, and a third of said pulse generating means has an input coupled to said output of said second of said pulse generating means for being triggered thereby upon expiration of said second pulse, said third pulse generating means generating at an output a pulse coupled to said generating and storing means for causing said generating and storing means to store, during said predetermined time interval, said image data generated at the location of said other of said focal positions.

20. The system of claim 9, wherein the predetermined time interval is about one second.

21. The system of any of claims 13 to 20, wherein a photomask is positioned at the location of the first focal position, a substrate is positioned at the location of the second focal position, and the system further comprises means for laterally positioning the photomask relative to the substrate.