目的物位置和斜度控制装置

本发明一般涉及一种目的物位置和斜度控制装置，更具体地涉 及一种将例如晶片或基片等目的物的位置和斜度保持在一投影透镜 焦距范围内的控制装置，该基片通过用于制造半导体和液晶显示器 件(LCDs)的曝光设备进行检测。

通常，在半导体器件制造过程中使用的曝光设备包括投影透镜 和基片承载件。将一个已经形成图形的掩模置于投影透镜的上部， 然后使掩模的上部曝光。光线透过掩模、穿过投影透镜到达在基片 承载件上的半导体基片。必须将基片严格置于投影透镜的聚焦平面 内，并处于水平状态。假如目的物稍微离开焦点或稍微倾斜，由于 刻在掩模上的图形是非常微小的，因为不能恰当地使基片曝光，所 以生产的半导体器件质量低劣。由于已经在基片上形成图形使基片 形变或错列，或由于投影透镜的变形，都可能引起偏差。

因此，对这种类型的曝光设备，重要的是通过精确调节基片的 位置和斜度，将基片水平放置并严格处于聚焦平面内。

迄今为止所知道的利用光学方法控制目的物的位置和角度(斜 度)的操作控制装置的基本原理实际上是相同的。作为基片的任一 物体反射的光通过一个固定的光路。假如该物体从基准位置改变它 的位置，在物体移动位置之后反射的光线通过与物体移动位置之前 不同的光路。通过检测反射光光路的变化，可以检测物体的移动位 置。

通常采用几种类型的光接收器检测上述反射光的光路变化。例 如，在光接收器的前方形成一个针孔，根据光路变化引起部分或全 部光线被截断来检测反射光的光路变化，或者利用位置灵敏检测器 (PSD)直接检测反射光的光路变化。

图1是用于检测一个基片的位置以便将一半导体基片置于投影 透镜的聚焦位置的常规系统的示意图。

该系统结构左右配置，以投影透镜100为中心，该透镜是曝光 设备的一部分，一个基片承载件200在其下方。其中，作为曝光对 象的基片300放在基片承载件200上。在投影透镜100的一侧设置有： 一个发光光源400，一个使来自光源400的光平行的第一透镜410， 一个反射经第一透镜410射出的平行光的第一平面镜420，以及将由 第一平面镜420反射的光聚在基片300上的一个第二透镜430。

在投影透镜100的另一侧设置有：对由基片300反射的光进行聚 光的一个第三透镜440，反射由第三透镜440会聚的光的一个第二平 面镜450，以及一个位置灵敏检测器460，该检测器利用由第二反射 镜450反射的光检测基片的位置。

该检测基片位置的系统工作如下：

假如使用者合上电源，由光源400发光。光源400发出的光经过

第一透镜410时转变成平行光。该光由第一平面镜420反射，通过第 二透镜430，并会聚在基片300的表面上。

被会聚的光被基片300的表面所反射，通过第三透镜440会聚后 由第二平面镜450反射，最终达到位置灵敏检测器460上。

假如基片300沿着光轴移动，到达位置灵敏检测器460的光点也 改变。由投射在基片300上的光的入射角可以计算基片300的位置变 化△Z和出现在位置灵敏检测器460上的光点的位置变化△X之间的 相互关系。因此，在通过击中位置灵敏检测器460的光点的位置变 化来确定基片300的位置变化之后，使用者可以通过驱动基片承载 件200选择基片300的位置。

图2是表示在制造半导体基片的曝光设备中使用的检测基片位 置的另一种常规系统的示意图。

在曝光设备投影透镜100的一侧包括一个发光光源500。第一透 镜510使由光源500发出的光平行。光分束器600导引通过第一透镜 510的光，并由第一平面镜520反射该光。第四透镜570对由光分束 器600反射的光进行会聚。板580有一针孔，由第四透镜570会聚的 光通过该针孔。光接收器560检测通过板580的针孔的光。第一平面 镜520反射通过光分束器600的光，第二透镜570对由上述第一平面 镜520反射的先进行会聚。

投影透镜100的另一侧有一第三透镜540，它对由基片反射的光 进行会聚。第二平面镜550反射由第三透镜540会聚的光，并且第三 平面镜590再次朝着第二平面镜反射由第二反射镜550反射的光。

这种类型的基片位置检测系统的工作如下：

假如使用者合上电源，光源500发光。由光源发出的光通过第 一透镜510时形成平行光。该光在经过光分束器600后被第一平面镜 520反射，并且经过第二透镜530后会聚在置于基片承载件200上的 基片300的表面上。该被会聚的光由基片300的表面反射，通过第三 透镜540被会聚，然后由第二平面镜550反射并达到第三平面镜590。 到达第三平面镜590的光被反射，行进到第二平面镜550，在该处再 次被反射，最后由第三透镜540会聚在基片300的表面上。会聚在基 片300表面上由基片300反射的反射光行进到第二透镜530。第二透 镜530在将该光形成平行光之后将该反射光传输到第一平面镜520。 该光由第一平面镜520反射后行进到光分束器600，在由光分束器600 反射后行进到第四透镜570。第四透镜570将该光会聚，然后将其传 输到具有针孔的板580。通过该针孔的光到达光接收器560。

这时，假如基片300沿投影透镜100的光轴移动，即沿图1的△Z 的方向移动，到达光接收器560的光点的位置也相应变化，如同图1 所示，从投射在基片300上的光的入射角可以计算出在基片300的位 置变化和出现在光接收器560上的光点的位置变化之间的相互关系。 因此，在通过显示于位置灵敏检测器560上的光点的位置变化确定 基片300的位置变化之后，使用者可以通过调节基片承载件200将基 片300移动到预期的位置。

然而，由上述可看出，这些系统具有几个缺点，它们仅能够检 测基片相对于投影透镜的光轴的位置，并且为了检测基片的斜度不 得不使用另一个装置，因此需要大量经费和时间。

因此，本发明的一个目的是通过使用一个装置来检测目的物的 位置和斜度，这样将目的物移动到正确的位置上，这些是常规装置 没有实现的。

为了实现上述目的，根据本发明，作为一个具体体现和概括描 述的控制系统包含：发光光源，它为一固定形式的光源，发射的光 传输到目的物并为其所反射；第一掩模，由光源发出的光经其通过， 并且其上记录有不对称的图形；第一和第二光接收器，检测由目的 物反射的光；以及控制装置，根据从光接收器接收的信号调整目的 物的位置和斜度。

根据本发明的另一个方面，一个控制系统包含：一光源，其发 射的光传输到目的物并由目的物所反射；一掩模，由光源发出的光 在由目的物反射之前经其通过，并且其上记录有不对称的图形；一 平面镜，将已由目的物反射的光反射回该目的物上；第一和第二光 接收器，对来自一光分配器即光分束器的光进行检测，该光分束器 位于由平面镜然后由目的物反射后的光的光路中。

可以理解，上面一般的介绍和下面的详细描述都是示例性和解 释性的，目的在于按照权利要求对本发明提供更进一步的解释。

包含的附图供用于进一步理解本发明，其归入本说明书并作说 明书为的一部分介绍本发明的各实施例，它与说明书一起用于解释 本发明的原理。

图1是表示在半导体器件制造过程中使用的曝光设备中检测基 片位置的常规系统的示意图；

图2是表示在半导体器件制造过程中使用的曝光设备中检测基 片位置的另一种常规系统的示意图；

图3和4是表示根据本发明第一优选实施例的目的物位置和斜度 控制装置的示意图；

图5是表示根据本发明第二优选实施例的在曝光设备中的目的 物位置和斜度控制装置的示意图；

图6是表示在本发明一个优选实施例中使用的第一掩模图形的 示意图；

图7是根据本发明优选实施例的目的物位置和斜度控制装置中 的分布信号的强度分布所形成的曲线的示意图；以及

图8是表示用于根据本发明一个优选实施例的曝光装置中的目 的物位置和斜度控制装置的第一和第二电荷耦合器件(CCDs)的像素 结构的示意图。

下面解释本发明的一般原理。

由光源发出的光经过由透镜、平面镜等构成的光学部件投射到 目的物上，由目的物反射后再投射到光接收器上。这时，利用投射 在光接收器上的光路的变化表示目的物的位置变化。然而，为了探 测光路的变化，将一个掩模置于光源和目的物之间，在这个掩模上 刻成的图形经过透镜在目的物的表面上形成图像，并再次被反射并 投射到光接收器上。这时，由光分束器分成两个光通道中的每一个 分别投射到不同的光接收器上，刻制在掩模上的各图形在光接收器 的表面上形成图像。目的物的位置变化表现为掩模上录制的图形的 位置变化，光接收器通过感知这一位置变化来感知目的物位置和斜 度的变化并调节目的物的位置。

如图4所示，通过利用在上述装置中的两个光接收器(11、12)， 能够同时感知目的物的斜度和沿投影透镜100的光轴方向的位置变化。

当目的物所处位置在位置或斜度没有任何变化时，用粗实线表 示由目的物和平面镜5反射的光的方向。当目的物仅沿投影透镜100 的光轴方向改变它的位置而在斜度方面没有任何变化时，用细实线 表示由目的物和平面镜5反射的光的方向。当目的物的位置仅仅倾 斜，即斜度改变而在沿投影透镜100的光轴方向没有任何位置变化 时，用虚线表示由目的物和平面镜5反射的光的方向。

假如目的物仅仅改变位置，那么由目的物反射的光与用粗实线 表示的光平行地行进，并且最后投射在两个光接收器(11、12)上的 光(细实线表示)的位置变化具有相同的数值A。然而，假如目的 物的斜度改变而目的物的位置不变，由目的物反射的光不再以平行 的方式行进，而是倾斜的(代表目的物的斜度)。因此，假如二透 镜(33、34)的焦距彼此不同，那么投射在两个光接收体(11、12)上 的光的每个位置变化也分别具有两个不同的数值B1、B2。因此，通 过感知在两个光接收器上投射的光的每个位置变化与基准光(粗实 线)之间具有相同的长度或不同的长度，就可以使目的物的倾斜和 位置变化被彼此区分地感知。

在由目的物反射的光再次行进到目的物、并且再次在目的物上 反射之后，这种装置也可以利用以上两个光接收器检测目的物的倾 斜和位置变化。此外，这种装置还可以包括一个将由目的物反射的 光传输到光分配器上的装置。

发光装置包括一发光光源和一第一掩模，该掩模上刻有使光通 过的固定图形。对于第一掩模上刻的图形，不对称的图形适于确定 目的物的位置和斜度。该发光装置还可以包括一平行传输装置，以 使由光源发出的光平行并传输到上述第一掩模。该发光装置还可以 包含一第一会聚装置，以使通过该掩模的光会聚。

该第一会聚装置可以包括将通过第一掩模的光会聚的一会聚透 镜以及一将由透镜会聚的光反射到目的物上的平面镜。此外，这种 装置还可以包括将由光分束器分出的光会聚到第一光接收器上的第 二会聚装置，以及将由光分束器分出的光会聚在第二光接收器上的 第三会聚装置。

第一和第二光接收器可以是电荷耦合器件(CCDs)，或者为由具 有与上述掩模相同结构的一个掩模和一光电二极管的组合物，由第 一光分束器分出的光通过光电二极管。该掩模和光电二极管的组合 物进一步包括：一会聚装置，它将通过构成上述第一和第二光接收 器的每个掩模的光会聚到所述光接收器上；或者一个透镜，它利用 由第一光分配器分出的光在形成图像之后，将图像传输到构成第一 和第二光接收器的每个掩模上。

这种装置还可以包括第三光接收器，用以校正来自发光装置的 光强。在这种情况下，这种装置还可以包括第二光分束器，以便在 将发光装置产生的光进行光路分离之后，将其中一个光路导引到第 一掩模并将其中另一个光路导引到第三光接收器上。

这种装置可以另外包括：一个控制部分，以便通过读取在第一 和第二光接收器中显示的信号检测目的物的位置和斜度；一个驱动 部分，以便在由控制部分提供的指令作用下移动目的物，以在检测 目的物的位置和斜度之后将目的物定位。

下面参照在附图中表示的一个实例，详细介绍本发明的一个优 选实施例。对于相同或相似的部分，尽可能使用相同的字符表示。

图3和4是表示根据本发明第一实施例的用于控制目的物位置的 控制系统的示意图。在中心处设置有一个作为曝光设备一部分的投 影透镜100。在投影透镜100的下方设置一个承载件200，以便其上 放置目的物300。目的物可以是一个半导体晶片或基片，在其上可 以形成一个显微电路的投影图像。承载件200连接到一个利用控制 部分350调整的驱动装置250上。

在投影透镜100的一侧，放有一发光装置，其发射固定形式的 光并将其传输到目的物上。该发光装置由如下几个组成部分构成。

首先，为了发送固定形式的光，需要一个刻有图形2的第一掩 模，光源1发出的光经其通过。光源例如可以是发光二极管、汞弧 灯、卤素灯或激光。上述的第一掩模2由于刻有如图6所示的不对称 的图形，可以辨别在光接收器上检测的图像的位置变化。在图6中， 用斜线标志的部分是不能透光的不透明部分。掩模的其余部分是可 透光部分。

第一透镜31将来自光源1的光转变为平行光。在第一掩模2的下 方，  第二透镜32利用通过第一掩模2的光形成一个图像。第一平面 镜4将经过第二透镜32的光导向目的物。

此外，可以安装辅助装置，以便校正从上述光源发出的光强度 的波动。例如，第二光分束器22将由光源1发出的光分成两个光路， 第三光接收器13检测由光分束器22分出的光。一种半透明镜或类似 物可以用于光分束器22。

在投影透镜100的另一侧设置有用于检测光的装置，该光是由 目的物300反射后被分为两路的光。它由光分束器21、第一光接收 器11以及第二光接收器21所组成。光分束器21将由目的物300反射 的光分成两个光路；第一光接收器11输出一个与由上述第一分束器 21分出的光相对应的信号；第二光接收器12输出一个与由第一分束 器21分出的另一个光路相对应的信号，这个光路没有输入到第一光 接收器11。此外，在第一和第二光接收器(11、12)的前方分别设置 有两个透镜(33、34)，以便对在目的物对图形进行反射之后经上述 光分束器21分束的光聚光。此外，还设置有一个将由目的物300反 射的光导引到第一光分束器21上的平面镜5。

对于第一和第二光接收器(11、12)可采用一电荷耦合器件 (CCD)，或一个掩模和一光电二极管的组合物，该掩模上形成有与 第一掩模2相同的图形。该掩模-光电二极管组合物可以另外包括 利用来自上述光分配器的光形成图像的一个透镜，以及将通过该掩 模的光会聚的一个透镜。

最后，通过读取由第三光接收器13检测的信号，控制部分350 校正由第一和第二光接收器(11、12)检测的信号的强度变化，该强 度变化是由于光强波动而产生的。通过读取由第一和第二光接收器 (11、12)检测的信号，控制部分确定目的物300的位置和斜度，并 且利用包括电动机等的驱动装置250移动其上放有目的物300的基片 承载体200，来调整目的物300的位置和斜度。

假如使用者合上电源，光源1发光。在经过第二光分束器22分 光之后，光源发出的光的一部分投射到第三光接收器13。第三光接 收器13输出的信号与感知的由光源1发出的光强的波动相对应。控 制部分调整增益，以便使在第一和第二光接收器上出现的信号强度 具有一恰当的数值。

光源1发的光的另一部分穿过第二光分束器22经第一透镜31转 变为平行光。经过第一掩模2的光形成在掩模2上刻制的图形确定的 图像，然后行进到第一平面镜4并被反射，由目的物300反射的图像 在平面镜5上反射，然后到达第一光分束器21。由第一光分束器21 分出的光的某一部分经过透镜33在第一光接收器11上形成图像。未 行进到第一光接收器11的另外光路上的光经过透镜34在第二光接收 器12上形成图像。

置入上述第一和第二光接收器(11、12)中的基准图像与第一掩 模2的图形相同。在将基准图像和在光接收器上形成的图像相比较 之后，两个光接收器(11、12)输出与该比较结果对应的信号。另一 方面，由光接收器(11、12)接收的基准图像可以存储在控制部分 350中。在工作过程中，将由光接收器(11、12)接收的图像输出到 控制部分350，用来与它们各自的基准图像相比较。控制部分在分 析这些信号之后，通过指令控制驱动装置250来调整目的物的位置 和斜度。

图7是表示在由第一和第二光接收器(11、12)输出之后再经运 算处理的信号分布形式的曲线图。它的X轴表示沿投影透镜的光轴 所测的距离，而它的Y轴表示光的强度。它们可以由分布的光的强 度分布函数以及指定像素得到。假如目的物移出投影透镜100的固 定焦距之外或向光轴倾斜，由相关函数确定的分布信号的数值具有 一个小于最大值的数值，而假如目的物严格地处在投影透镜100的 固定焦距上或者没有倾斜，则具有最大值。

控制部分350通过利用驱动装置250驱动其上放有目的物300的 承载件200来改变承载件200的位置和斜度，并将该分布信号的数值 调整到最大值。

图5是表示根据本发明第二优选实施例的用于目的物位置和斜 度控制装置的示意图。

如图5所示，根据本发明第二优选实施例的目的物的位置和斜 度控制装置具有两个光接收器(11、12)，它们与第一实施例不同， 而是置于光源1的同一侧。下面详细说明这一实施例。

在投影透镜100的一侧，设置有一个发光装置，其发出固定形 式的光，并将光导引到目的物300。还设置有一个用于检测每一路 光的装置，这种检测是在将经目的物300两次反射后光的光路分成 两个光路之后进行的。

发光装置由如下几个部分构成：

首先，为了发出具有固定形式的光，需要一个第一掩模2，光 源1发的光经其通过，并且在其上刻有图形。上述第一掩模2由于在 其上刻有例如图6所示的不对称图形，使得在光接收器上可以辨别 所检测图像的位置变化。在图6中，用斜线标志的部分是不能透过 光的不透明部分，其它的部分是可以透光的部分。

设置有一第一透镜31，它用于将来自光源1的光转变为平行光。 在第一掩模2的下方设有一个第二透镜32，它利用通过第一掩模2的 光形成一个图像。还设有一第一平面镜4，它将通过第二透镜32的 光导向目的物。

此外，还使用了校正装置、一第二分束器22和一第三光接收器 13，该校正装置校正由于光源发出的光的强度波动所引起的在第一 和第一光接收器上产生的信号强度的波动，第二光分束器22将一个 光路分成两个，第三光接收器13检测由光分束器22所分出的光。对 于光分束器22可以采用半透明反射镜等。

另外，设有一个检测装置，它检测在将由目的物300所反射的 光的光路分为两个光路之后的每一个光路。光分束器21将由目的物 300反射的光分成两个或多个光束。第一光接收器11输出一个与由 第一光分配器21分出的光相对应的信号。第二光接收器12输出一个 与由上述第一光分配器21分出的另一光路，即未朝向第一光接收器 11的光路相对应的信号。由光源1发出的光应当按照这种方式投射， 因为第一光分束器可以装在光经其行进的光路上。此外，还可以设 置一个第三光分束器7，它将经过第一光分束器21的光导入第二光 接收器12。由上述光源1发出的光应当这样投射，因为可以将第三 光分束器7装在光经其行进的通道中。

分别在第一和第二光接收器(11、12)的前方设有透镜(33、34)， 它们利用由目的物300反射后经由光分束器21分束的光形成图像。 第二透镜32在将由目的物300反射两次的光进行聚光之后把光导向 第一光分束器21。

对于第一和第二光接收器(11、12)可以采用电荷耦合器件(CCD) 或者由一掩模和一光电二极管的组合物，在该掩模上刻有与第一掩 模相同的图形。该掩模-光电二极管组合物另外还可包括利用来自 上述光分配器的光形成一个图像的一透镜以及对通过该掩模的光进 行聚光的一透镜。

在投影透镜100的另一侧设有一个反射装置，它将由发光装置 发出后由目的物300反射的光再次反射到目的物。

上述反射装置包括一透镜35及一平面镜，透镜35将从目的物300 来的光聚光，平面镜将通过透镜35的光再次反射到目的物300上。此 外，该装置还可以包括一平面镜5，它反射由目的物300发出的光。

最后，控制部分350通过读取来自第三光接收器13的信号来调 整增益，以便使出现在第一和第二光接收器(11、12)上的信号强度 具有适当的数值，通过读取来自第一和第二光接收器(11、12)的信 号，确定目的物300的位置和斜度，并且利用例如电动机等驱动装 置250，通过移动其上放有目的物300的基片承载件200来调整目的 物300的位置和斜度。

假如使用者合上电源，光源1发光。在利用第二光分束器22分 光之后，来自光源的一部分光投射到第三光接收器13上。第三光接 收器13输出的信号与感知的由光源1发出的光的强度波动相对应。 控制部分调节增益，以便使在第一和第二光接收器上出现的信号强 度具有适当的数值。

由光源1发出经过第二光分束器22分束的另一部分光由第一透 镜31转变为平行的光。经过第一掩模2的光形成一个在所述掩模2上 刻制的图形的图像，在由第二透镜32聚光后再行进到第一平面镜4， 在由第一平面镜4反射之后在放在承载件200上的目的物300的表面 上形成一个图像，同时被反射。由目的物300反射的图像在平面镜5 处被反射，然后到达第一光分束器21。由第一光分束器21分出的一 部分光经透镜33在第一光接收器11上形成图像。未行进到第一光接 收器11的另一光路的光经过透镜34在第二光接收器12上形成图像。

置入在上述第一和第二光接收器(11、12)中的基准图像与第一 掩模2的图形是相同的。在将基准图像和在第一和第二光接收器上 形成的图像比较之后，两个光接收器(11、12)输出与该比较结果相 对应的信号。另一方面，可以将由光接收器(11、12)接收的基准图 像存储在控制部分350中。在工作过程中，由光接收器(11、12)接 收的图像输出到控制部分350，以便与它们各自的基准图像相比较。 控制部分350在分析这些信号之后，通过指令控制驱动装置250来调 整目的物的位置和斜度。

控制部分350通过利用驱动装置250驱动其上放有目的物300的 承载件200来改变承载件200的位置和斜度，并将分布信号的数值调 整到最大值。

在上述优选实施例中，图像被反射两次，以便提高在光接收器 上检测的信号的分辨率。

如上所述，本发明采用两个或多个光接收器，按照检测的变化 来调整目的物的位置和斜度，并且通过利用电荷耦合器件(CCD)或 者一个光电二极管、一个透镜和一掩模的组合物对感知的光路变化 进行补偿。

上述的装置和方法包含了本发明的优选实施例。然而，对于本 技术领域的技术人员来说很明显，在不脱离本发明的构思和保护范 围的前提下可以对本发明的装置和方法进行各种改进和变化。本发 明覆盖了在所附权利要求的保护范围内的这些改进和变化，以及它 们的等同物。