专利名称：投影曝光装置中的离轴位置对准系统和对准方法
技术领域：
本发明涉及光学设备技术领域，特别是关于一种投影曝光装置中带有离轴对准的位置对准系统和对准方法。
背景技术：
将描绘在掩模上的电路图案，通过投影曝光装置成像在涂有光刻胶等感光材料的制造集成电路的硅片表面上，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精确的相对位置关系。
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，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
本发明的目的为解决上述现有技术问题，实现掩模和曝光对象之间的高精度位置对准。
本发明提供一种投影曝光装置中带有离轴位置对准装置的位置对准系统，设置于一个至少由光学投影系统、掩模、承片台、曝光对象，以及部件运动控制系统组成的投影曝光装置上，还包括，以光学投影系统轴线为轴心均匀分布的不少于两个的掩模位置对准装置、设置于较掩模位置对准装置更接近于承片台的曝光对象位置对准装置、设置于掩模上的掩模标记、设置于承片台上的承片台基准标记、设于曝光对象上的曝光对象标记。所述的掩模位置对准装置检测所述的掩模标记和承片台基准标记之间的相对位置关系，所述的曝光对象位置对准装置检测曝光对象标记和承片台基准标记之间的相对位置关系，并传送给部件运动控制系统，以控制掩模、承片台、曝光对象位置调整使其对准。
其中所述的位置对准装置包括用于标记照明的照明光源；用于将照明光源的出射光导入到标记照明系统的照明光纤；用于将对准标记均匀照明的标记照明系统；用于将标记成像到标记摄影装置靶面上的标记成像系统；用于接收对准标记像的标记摄影装置。
标记摄影装置的传感器为CCD或CMOS。曝光对象位置对准装置采用不同于曝光波长的照明光源。标记照明系统和标记成像系统共用同一套光学系统形成同轴照明。掩模标记和承片台基准标记都为反射型振幅标记。掩模标记大小在亚毫米级别。掩模标记侧边设有通光窗口，用于基准标记和曝光对象标记的照明和成像。曝光对象标记设于曝光对象的最小电路结构单元上，其在该最小电路结构单元内具有唯一性。光学投影系统可以是折射投影光学系统，也可以是折反射投影光学系统。
为了实现本发明的发明目的，本发明还提供了一种投影曝光装置中带有离轴位置对准装置的位置对准方法，包括下列步骤通过掩模上的通光窗口照明承片台基准标记，由掩模位置对准装置拍摄承片台基准标记，并存储该图像位置信息；由掩模位置对准装置拍摄掩模标记，并存储该图像位置信息；由曝光对象位置对准装置照明承片台基准标记，并拍摄承片台基准标记，然后存储该图像位置信息；由曝光对象位置对准装置拍摄曝光对象标记，并存储该图像位置信息；通过存储的各图像的位置关系，调整掩模、承片台和曝光对象的位置使其对准。
其中，所述的位置对准装置包括用于标记照明的照明光源；用于将照明光源的出射光导入到标记照明系统的照明光纤；用于将对准标记均匀照明的标记照明系统；用于将标记成像到标记摄影装置靶面上的标记成像系统；用于接收对准标记的像的标记摄影装置。标记摄影装置的传感器为CCD或CMOS。曝光对象位置对准装置采用不同于曝光波长的照明光源。标记照明系统和标记成像系统共用同一套光学系统形成同轴照明。掩模位置对准装置可以为多个并以投影曝光装置中的光学投影系统轴线为轴心均匀分布。曝光对象位置对准装置较掩模位置对准装置更接近于承片台。掩模标记和承片台基准标记都为反射型振幅标记。掩模标记、承片台基准标记和曝光对象标记大小都在亚毫米级别。曝光对象标记设于曝光对象的最小电路结构单元上，其在该最小电路结构单元内具有唯一性。
本发明的构造中，掩模位置对准装置中的掩模标记照明系统和掩模标记成像系统共用一套光学系统，即可提高照明的均匀性又可节省空间、降低成本。另外，曝光对象位置对准装置采用远离曝光波长的照明光源，这样避免在曝光对象标记位置对准过程中，光刻胶发生感光；同时曝光对象标记照明系统和曝光对象标记成像系统也共用一套光学系统，在空间结构尺寸上将更加紧凑、便于集成。
而且，上述掩模位置对准装置都处于承版台上方，便于和其它装备的集成与测试。承版台在微小范围内移动，这样可以降低承版台的设计和加工成本，并可提高承版台的定位精度。
另外，本发明中用于掩模位置对准的装置可以有多套，空间布局上关于光学投影系统的物方视场中心左右对称，采用多套掩模位置对准装置，可以高精确定位掩模中心的平移量及掩模旋转量。
本发明还给出了利用掩模位置对准装置和曝光对象位置对准装置确立掩模和曝光对象之间相对位置关系的位置对准方法，为实现掩模和曝光对象之间高精度对准提供一种实施方案。
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明所使用的掩模标记和通光窗口在掩模上的位置示意图。
图3是本发明所使用的承片台基准标记在承片台上的位置示意图。
图4是本发明所使用的曝光对象标记局部放大图。
具体实施例方式
本发明是关于一种投影曝光装置中带有离轴对准的位置对准系统和对准方法。本发明的位置对准系统的一个实施例包括描绘有电路图案的掩模；用于支撑掩模上的电路图案以待通过光学投影系统投影成像到曝光对象上的承版台；利用曝光光源的波长将掩模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的光学投影系统；以及曝光对象，其上表面涂有光刻胶，用于接收掩模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；承版台和承片台运动控制装置，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。掩模位置对准装置，也称同轴位置对准装置，用于建立掩模标记和承片台基准标记之间的相对位置关系，该装置包括掩模标记照明光源，用于掩模标记、承片台基准标记的照明；掩模标记照明光纤，用于将照明光源的出射光导入到标记照明系统；掩模标记照明系统，用于将掩模标记和承片台基准标记均匀照明；掩模标记成像系统，用于将掩模标记和承片台基准标记成像到掩模标记摄影装置靶面上；掩模标记摄影装置，用于接收掩模标记和承片台基准标记的像；掩模标记，设于掩模上，用于掩模的位置对准；承片台基准标记，用于确立掩模和承片台之间的相对位置关系。曝光对象位置对准装置，也称离轴位置对准装置，用于建立曝光对象标记和承片台基准标记之间的相对位置关系，该装置包括曝光对象标记，设于所述曝光对象上，用于曝光对象的位置对准；曝光对象标记照明光源，用于承片台基准标记和曝光对象标记的照明；曝光对象标记照明光纤，用于将照明光源的出射光导入到标记照明系统；曝光对象标记照明系统，用于将标记均匀照明；曝光对象标记成像系统，用于将标记成像到曝光对象标记摄影装置靶面；曝光对象标记摄影装置，用于接收对准标记的像，其传感器为CCD(Charge CoupledDevice电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal-Oxide-SemiconductorTransistor互补型金属氧化物半导体)。
下面结合附图和具体实施方案，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，描绘曝光电路图案的掩模40置于承版台50上，通过承版台运动控制装置91可在X′、Y′、θ′方向微小移动，其中θ′是绕Z轴的旋转角度(未图示)。。涂有光刻胶的曝光对象70置于承片台80上，通过承片台运动控制装置92可控制承片台80在X、Y、θ及方向移动，其中θ是绕Z轴的旋转角度(未图示)。投影曝光装置可通过曝光光源30曝光，将掩模上的电路图案经光学投影系统60以一定放大或缩小倍率转移到曝光对象70上。
位置对准装置1、2、3的光学结构类似，位置对准装置1、2用于掩模对准，位置对准装置3也称离轴对准装置，用于曝光对象对准。
以位置对准装置1为例说明位置对准装置的结构位置对准装置1由标记照明系统和标记成像系统组成，标记照明系统包括标记照明单元10、透镜组11、分光棱镜12、透镜组13以及反射镜14，其目的是形成均匀照明光使对准标记被均匀照明，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；标记成像系统包括反射镜14、透镜组13、分光器12以及标记摄影装置15，通过该标记成像系统标记可成像在标记摄影装置15上。
同样的，位置对准装置2由标记照明单元20、透镜组21、分光棱镜22、透镜组23、反射镜24，以及标记摄影装置25组成。位置对准装置3由标记照明单元31、透镜组32、分光棱镜33、透镜组34、反射镜35，以及标记摄影装置36组成。
掩模标记18、28设于掩模40上，曝光对象标记71、72设于曝光对象70上，承片台基准标记81设于承片台80上。利用这三种标记可建立掩模40和曝光对象70之间精确的位置关系。另外，掩模标记、曝光对象标记和承片台基准标记的数量可根据不同工艺需要适当增减。
总控制装置90对标记图像处理单元16、26、37、投影曝光装置、承版台运动控制装置91和承片台运动控制装置92等分系统做统一控制，并实现位置对准算法。
图2是掩模40上的掩模标记18、28以及通光窗口17、27的位置说明图。掩模标记18、28设于电路图案38的周边，通光窗口17、27是为了让承片台基准标记81的照明和成像通过掩模40而设置的。相对于电路图案38，掩模标记非常小，大小在亚毫米级别。图2中掩模标记18、28形状为“十”字型，实际情况是标记形状可根据需要设定，无特殊限定。
图3是承片台基准标记81在承片台80上的位置说明图，该标记为振幅型反射标记，相对于曝光对象70小的多，大小在亚毫米级别。图中也标示出了曝光对象70在承片台80上的位置，同一电路图案在曝光对象70上的不同位置进行曝光，并经过后道工艺加工成型。
图4是曝光对象标记71、72使用说明图，图中的曝光对象标记71、72被放大显示，实际情况是该标记形成于前道工艺所形成的电路图案73上，相对于电路图案73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。
以下说明其对准动作标记摄影装置15、25与承片台基准标记81的对准动作承片台运动控制装置92移动承片台80到预定位置，使承片台基准标记81在标记摄影装置15的视场内；承版台运动控制装置92将承版台50移动到预定位置，使通光窗口17在标记摄影装置15的视场内、通光窗口18在标记摄影装置25的视场内，同时承版台运动控制装置92将记录此时承版台50的位置信息。
点亮位置对准装置1的标记照明单元10，使位置对准装置1和图像处理单元16处于工作状态，光线照射到承片台基准标记81上，图像处理单元16对承片台基准标记81在标记摄影装置15上的像进行处理，并记录此时承片台基准标记81像的中心位置信息，同时通过承片台运动控制装置91记录此时承片台80的位置信息。
承片台运动控制装置92移动承片台80到预定位置，使承片台基准标记81在标记摄影装置25的视场内，点亮位置对准装置2的标记照明单元20，使位置对准装置2和图像处理单元26处于工作状态，光线照射到承片台基准标记81上，图像处理单元26对承片台基准标记81成在标记摄影装置25的像进行处理，并记录此时承片台基准标记81像的中心位置信息，同时通过承片台运动控制装置91记录此时承片台80的位置信息。
掩模标记18、28与标记摄影装置15、25的对准动作通过承版台运动控制装置91移动承版台50到预定位置，使掩模标记18处于标记摄影装置15的成像视场范围内，同时掩模标记28也处于标记摄影装置25的成像视场范围内。
掩模标记18通过位置对准装置1成像到标记摄影装置15上，经图像处理单元16对掩模标记18的像进行处理，记录其中心在标记摄影装置15上的位置信息。同时并由承版台运动控制装置91记录此时承版台50的位置信息。上述过程中可能出现承版台运动控制装置91移动承版台50到预定位置后，掩模标记18和28一个或两个都不在成像系统1、2的视场内，此时需要对掩模标记进行目标搜索。
同理，经图像处理单元26对掩模标记28的像进行处理，记录掩模标记28像的中心在标记摄影装置25上的位置信息。
根据上述所记录的掩模标记像的中心和承片台基准标记像的中心位置信息，及对应的承版台50和承片台80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90中计算出掩模对准时承版台50所需的移动量(ΔX′，ΔY′，Δθ′)，并将该结果发送给承版台运动控制装置91以完成掩模40与承片台基准标记81的对准。
标记摄影装置36与承片台基准标记81的对准动作点亮位置对准装置3的标记照明单元31，使位置对准装置3和图像处理单元37处于工作状态，光线照射到承片台基准标记81上，承片台运动控制装置92移动承片台80到预定位置，使承片台基准标记81在标记摄影装置37的视场内，图像处理单元37对承片台基准标记81成在标记摄影装置36的像进行处理，并记录承片台基准标记81的中心位置信息，同时承片台运动控制装置91记录此时承片台80的位置信息。
曝光对象标记71、72与标记摄影装置36的对准动作承片台运动控制装置91移动承片台80到预定位置，使曝光对象标记71在摄影装置36的视场内，图像处理单元37对曝光对象标记71的像进行处理，并记录其中心位置信息，同时由承片台运动控制装置91记录此时承片台80的位置信息。
承片台运动控制装置91移动承片台80到预定位置，使曝光对象标记72在摄影装置36的视场内，图像处理单元37对曝光对象标记72的像进行处理，并记录其中心位置信息，同时由承片台运动控制装置91记录此时承片台80的位置信息。
通过上述过程，根据所记录的曝光对象标记71、72像的中心在标记摄影装置36上的位置信息，及对应的承片台80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90中完成曝光对象对准时承片台80所需的移动量(ΔX，ΔY，Δθ)，并将该结果发送给承片台运动控制装置92以完成曝光对象标记71、72与承片台基准标记81的对准。
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。掩模位置对准装置可以为多个并以投影曝光装置中的光学投影系统轴线为轴心均匀分布。曝光对象位置对准装置较掩模位置对准装置更接近于承片台。其数目也可以为一个或多个。
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。
以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
权利要求
1.一种投影曝光装置中的离轴位置对准系统，设置于一个至少由光学投影系统、掩模、承片台、曝光对象，以及部件运动控制系统组成的投影曝光装置上，其特征在于它包括，以光学投影系统轴线为轴心均匀分布的不少于两个的掩模位置对准装置、设置于较掩模位置对准装置更接近于承片台的曝光对象位置对准装置、设置于掩模上的掩模标记、设置于承片台上的承片台基准标记、设于曝光对象上的曝光对象标记，所述的掩模位置对准装置检测所述的掩模标记和承片台基准标记之间的相对位置关系，所述的曝光对象位置对准装置检测曝光对象标记和承片台基准标记之间的相对位置关系，并传送给部件运动控制系统，以控制掩模、承片台、曝光对象位置调整使其对准。
2.如权利要求1所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的位置对准装置包括用于标记照明的照明光源；用于将照明光源的出射光导入到标记照明系统的照明光纤；用于将对准标记均匀照明的标记照明系统；用于将标记成像到标记摄影装置靶面上的标记成像系统；用于接收对准标记的像的标记摄影装置。
3.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的标记摄影装置的传感器为CCD。
4.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的标记摄影装置的传感器为CMOS。
5.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的曝光对象位置对准装置采用不同于曝光波长的照明光源。
6.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的标记照明系统和标记成像系统共用同一套光学系统形成同轴照明。
7.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的掩模标记和承片台基准标记都为反射型振幅标记。
8.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的掩模标记、承片台基准标记和曝光对象标记大小都在亚毫米级别。
9.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于在掩模标记侧边设有通光窗口，用于基准标记的照明和成像。
10.如权利要求2所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的曝光对象标记设于曝光对象的最小电路结构单元上，其在该最小电路结构单元内具有唯一性。
11.如权利要求1所述的离轴位置对准系统，其特征在于所述的光学投影系统可以是折射投影光学系统，也可以是折反射投影光学系统。
12.一种投影曝光装置中带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于包括下列步骤通过掩模上的通光窗口照明承片台基准标记，由掩模位置对准装置拍摄承片台基准标记，并存储该图像位置信息；由掩模位置对准装置拍摄掩模标记，并存储该图像位置信息；由曝光对象位置对准装置照明承片台基准标记，并拍摄承片台基准标记，然后存储该图像位置信息；由曝光对象位置对准装置拍摄曝光对象标记，并存储该图像位置信息；通过存储的各图像的位置关系，调整掩模、承片台和曝光对象的位置使其对准。
13.如权利要求12所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的位置对准装置包括用于标记照明的照明光源；用于将照明光源的出射光导入到标记照明系统的照明光纤；用于将对准标记均匀照明的标记照明系统；用于将标记成像到标记摄影装置靶面上的标记成像系统；用于接收对准标记的像的标记摄影装置。
14.如权利要求13所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的标记摄影装置的传感器为CCD。
15.如权利要求13所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的标记摄影装置的传感器为CMOS。
16.如权利要求13所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的曝光对象位置对准装置采用不同于曝光波长的照明光源。
17.如权利要求13所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的标记照明系统和标记成像系统共用同一套光学系统形成同轴照明。
18.如权利要求12所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的掩模位置对准装置可以为多个并以投影曝光装置中的光学投影系统轴线为轴心均匀分布。
19.如权利要求12所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的曝光对象位置对准装置较掩模位置对准装置更接近于承片台。
20.如权利要求12所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的掩模标记和承片台基准标记都为反射型振幅标记。
21.如权利要求12所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的掩模标记、承片台基准标记和曝光对象标记大小都在亚毫米级别。
22.如权利要求12所述的带有离轴位置对准装置的位置对准方法，其特征在于所述的曝光对象标记设于曝光对象的最小电路结构单元上，其在该最小电路结构单元内具有唯一性。
全文摘要
本发明公开了一种投影曝光装置中带有离轴位置对准装置的位置对准方法，包括下列步骤通过掩模版上的通光窗口照明承片台基准标记，由掩模位置对准装置拍摄承片台基准标记，并存储该图像位置信息；由掩模位置对准装置拍摄掩模标记，并存储该图像位置信息；由曝光对象位置对准装置照明承片台基准标记，并拍摄承片台基准标记，然后存储该图像位置信息；由曝光对象位置对准装置拍摄曝光对象标记，并存储该图像位置信息；通过存储的各图像的位置关系，调整掩模、承片台和曝光对象的位置使其对准。本发明实现了掩模和曝光对象之间的高精度位置对准。
文档编号H01L21/02GK1794097SQ20061002315
公开日2006年6月28日 申请日期2006年1月6日 优先权日2006年1月6日
发明者徐兵, 闫岩, 王鹏程 申请人:上海微电子装备有限公司