DE1522285A1

DE1522285A1 - Process for producing microstructures on a substrate

Info

Publication number: DE1522285A1
Application number: DE19661522285
Authority: DE
Inventors: Schuetze Dipl-Phys Dr Juergen; Hennings Dipl-Phys Dr Klaus
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1966-03-17
Filing date: 1966-03-17
Publication date: 1969-08-07

Description

"Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen auf einem Substrat" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen auf einem Substrat, bei dem das vorzugsweise vervielfältigte Bild einer Zeichnungsvorlage unter Verwendung von Masken und einem Objektiv in eine auf dem Substrat befindliche lichtempfindliche Lackschicht übertragen wird. Unter einer Maske soll dabei eine flächige Anordnung mit durchsichtigen und undurchsichtigen Bereichen freitragend oder auf einer durchsichtigen Unterlage verstanden werden."Method for Creating Microstructures on a Substrate" Die The invention relates to a method for producing microstructures on a substrate, in which the preferably reproduced image is based on a drawing template of masks and an objective into a light-sensitive one located on the substrate Paint layer is transferred. A two-dimensional arrangement is intended under a mask with transparent and opaque areas, self-supporting or on a transparent one Document to be understood.

Bei der Erzeugung von Mikrostrukturen auf einem Substrat geht man. meist von einer Zeichnungsvorlage aus, deren Muster in einem oder mehreren Schritten durch ein Objektiv verkleinert in eine lichtempfindliche Schicht abgebildet und hierbei vervielfältigt wird (Steg- und Repeat-Verfahren), dann wird dieses vervielfältigte Muster durch Kontaktbelichtung in eine auf einem Substrat, z. B. einem Halbleiterkörper, befindliche lichtempfindliche Lackschicht '-übertragen. Die t',-bertragung eines feinen Bildmusters durch Kontaktkopie z. B. von einer Belichtungsmaske auf eine mit einer lichtempfindlichen Lackschicht versehene Halbleiterscheibe wird hauptsächlich durch zwei Dinge erschwert, nämlich --@.Ärch die Beugung an der Musterstruktur selbst, die um so stärker in Erscheinung tritt, je feiner die Struktur und je größer der durch Staub und Unebenheiten verursachte Spalt zwischen Maske und Fotolack ist, und außerdem durch die erforderliche Justierung der Maske auf der Halbleiterscheibe. Bei der Justierbewegung muß ein Spalt zwischen Maske und Halbleiterscheibe von ca. 10 bis 30 /um eingestellt werden, der es unmöglich macht, in einem hochauflösenden Mikroskop mit ge";öhnlich geringer Tiefenschärfe beide Ebenen gleichzeitig scharf abgebildet zu beobachten.When creating microstructures on a substrate, one goes. usually from a drawing, the pattern of which is reduced in one or more steps through a lens and shown in a light-sensitive layer and reproduced (web and repeat process). B. a semiconductor body, located photosensitive lacquer layer '-transfer. The t ', - transmission of a fine image pattern by contact copy z. B. from an exposure mask to a semiconductor wafer provided with a light-sensitive lacquer layer is made more difficult mainly by two things, namely - @. But the diffraction on the pattern structure itself, which is more pronounced, the finer the structure and the larger the structure Dust and unevenness is caused by the gap between the mask and the photoresist, and also by the necessary adjustment of the mask on the semiconductor wafer. In the adjustment movement, a gap between the mask and wafer of about 1 0 to 30 must / may be to set makes it impossible, in a high-resolution microscope with ge "; ready öhnlich shallow depth of field both levels simultaneously sharply observed.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist vorgeschlagen worden, die Übertragung des Musters durch optische Abbildung der Maske mittels eines Objektivs auf die Halbleiterscheibe vorzunehmen. Die Abbildung ist dann nur durch die Auflösung des Objektivs begrenzt, und unabhängig von Staubkörnern oder kleinen Unebenheiten wie z. B. Pickeln auf der Halbleiteroberfläche, solange sich die Fotolackschicht innerhalb der Schärfentiefe des Objektivs befindet. Zur Justierung wird die Halbleiterscheibe beleuchtet und in die Ebene der Maske abgebildet, so daß die Maske und das Bild der Halbleiterscheibe mit einem Mikroskop kleiner Tiefenschärfe gleichzeitig beobachtet werden könne. Dies gilt jedoch nur, solange die Bildfeldwö'Jbung des Objektivs vernachlässigbar ist. Das kann bei Objektiven hoher Apertur nicht unbedingt vorausgesetzt werden, da die BildfeldwÖlbung manchmal zugunsten anderer Korrekturen nicht ausreühend korrigiert wird. Leider ist auch die Halbleiteroberfläche meistens gekrümmt. Diese Oberflächenkrümmung ist im allgemeinen konvex, so daß sich der daraus resultierende Fehler zu dem Fehler der Bildfeldwölbung addiert. Jedoch können in teuren Herstellungsverfahren auch Halbleiterscheiben mit anderer Oberfläche, also plan oder konkav, hergestellt werden, so daß es im Prinzip möglich ist, durch eine definierte Halbleiteroberfläche die Bildfeldwölbung zu kompensieren. Da bei gleichem Herstellungsverfahren die Kriimmung der Halbleiteroberfläche bei allen- Scheiben etwa gleich ist, können Bildfeldwölbung und Scheibenkrümmung aber auch gemeinsam durch eine Krümmung der abzubildenden Maske kompensiert werden. Bei konvexer Halbleiteroberfläche muß die Maske dann in der optischen Achse weiter vom Objektiv entfernt sein als am Rand.To overcome these difficulties it has been suggested that the Transfer of the pattern by optical imaging of the mask by means of an objective on the semiconductor wafer. The illustration is then only through the resolution of the lens limited, and independent of dust particles or small Bumps such as B. pimples on the semiconductor surface, as long as the photoresist layer is within the depth of field of the lens. The semiconductor wafer is used for adjustment illuminated and mapped into the plane of the mask, so that the mask and the image of the semiconductor wafer is observed simultaneously with a microscope with a small depth of field could be. However, this only applies as long as the field curvature of the lens is negligible is. This cannot necessarily be assumed for objectives with a high aperture, because the field curvature is sometimes not corrected sufficiently for the benefit of other corrections will. Unfortunately, the semiconductor surface is also mostly curved. This surface curvature is generally convex, so the resulting error becomes the error added to the field curvature. However, in expensive manufacturing processes, too Semiconductor wafers with a different surface, i.e. flat or concave, are produced, so that it is in principle possible to use a defined semiconductor surface Compensate for field curvature. Because with the same manufacturing process the curvature the semiconductor surface is roughly the same for all wafers, the field curvature can occur and pane curvature, however, also together through a curvature of the mask to be imaged be compensated. If the semiconductor surface is convex, the mask must then be further away from the lens in the optical axis than at the edge.

Zur Kompensation der Bildfeldwölbung ist es weiterhin bekannt, den Empfänger eines Bildes, z. B. eine fotografische Platte, einen Film oder allgemein eine lichtempfindliche Emulsion in Form einer gekrümmten 7läche auszubilden, welche der Bildfeldwölbung des Objektivs entspricht.To compensate for the curvature of the field of view, it is also known to use the Recipient of an image, e.g. B. a photographic plate, a film or in general to form a photosensitive emulsion in the form of a curved surface, which corresponds to the curvature of the field of view of the lens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen anzuSeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Bildfeldwölbung des verwendeten Objektivs und die Krümmung der Substratoberfläche zu kompensieren, bzw. wenn dies exakt nicht möglich ist, wenigstens eine Anpassung von Bildfeldwölbung des Objektivs und SubstratkrÜmmung im Zentrum und einer. um das Zentrum herum liegenden Kreiszone auf dem Substrat zu erzielen. Erfindungageigäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen auf einem Substrat vorgeschlagen wird, bei dem das vorzugsweise vervielfältigte Bild einer Zeichnungsvorlage unter Verwendung von Maskenand einem Objektiv in eine auf dem Substrat befindliche lichtempfindliche Lackschicht übertragen wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß bei der Übertragung des Bildes der Zeichnungsvorlage zur Kompensation der Bildfeldwölbung des Objektives und/oder einer Krümmung der Substratoberfläche gekrümmte Masken verwendet werden.The invention is based on the object of a method for generating of microstructures, with the help of which it is possible to reduce the field curvature of the lens used and to compensate for the curvature of the substrate surface, or if this is precisely not possible, at least an adaptation of the curvature of the field of view of the lens and substrate curvature in the center and one. lying around the center To achieve circular zone on the substrate. According to the invention, the object is thereby achieved solved that proposed a method for producing microstructures on a substrate in which the preferably reproduced image is under a drawing template Use of a mask and an objective in a light-sensitive on the substrate Lacquer layer is transmitted, the method being characterized is that when transferring the image of the drawing template to compensate for the Image field curvature of the objective and / or a curvature of the substrate surface curved Masks are used.

Mit Hilfe des erfi,dungsgemä3^n Verfahrens ist es möglich, die Bildfeldwölbung des verwendeten Objektivs und die fiubstratkrümmung zu kompensieren. Die erfindungsgemäße Krümmung kann den verwendeten Masken. :ereits bei ihrer Herstellung, bei der das Maskenmuster durch eine optische Abbildung erzeugt wird, gegeben werden; L-ei dieser Abbildung wird dann der Bildebene die gewünschte Krümmung z. B. durch Vlölbun#-der Zeichnungsvorlage verliehen. Da jedoch die Masken häufig durch Step- und Repeat-Verfahren hergestellt werden, welche eine ebene Fläche voraussetzen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zunächst eine plane Maske herzustellen und dieser dann bei der Abbildung des Zeichnungsmusters auf die Halbleiterscheibe die erforderliche Krümmung zu geben.With the aid of the method according to the invention, it is possible to reduce the field curvature of the lens used and to compensate for the curvature of the substrate. The inventive Curvature can change the masks used. : already during their production, in which the Mask pattern is generated by optical imaging, are given; L-ei this one Image is then the image plane the desired curvature z. B. by Vlölbun # -der Drawing template awarded. However, since the masks are often made by step and repeat processes be produced, which require a flat surface, is according to the invention suggested to first produce a flat mask and then this in the image of the drawing pattern on the semiconductor wafer to give the required curvature.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sei anhand der schematischen Figur 'f erläutert. 'I ist eine Maske mit einem Muster 2, z. B. eine Glasplatte mit aufgebrachten Metallstrukturen, die auf eine Halbleiterscheibe 3, welche selbst Strukturen 4 und eine Fotolackschicht 5 enthält, übertragen werden sollen. Hierzu ist eine Justierung der Strukturen 2 der Maske 1 zum Muster 4 auf der Halbleiterscheibe 3 notwendig. Dabei wird die Maske 1 mit ihrer Halterung 12, das Objektiv 6 oder die Halbleiterscheibe 3 senkrecht zur optischen Achse 0 des Systems bewegt, bis die gewünschte Lage der Muster 2 und 4 gegeneinander erreicht ist. Hierbei werden die beiden Muster in der Ebene des Musters 2 mit dem darüber geschwenkten Mikroskop 11 beobachtet, wobei das Muster 4 in die Ebene der Strukturen 2 z. B. durch an der Anordnung 3-4 reflektiertes Licht der Beleuchtungseinrichtung 9, welches über den halbdurchlässigen Spiegel 10 läuft, abgebildet wird. Wird das Muster 2 der Maske 1 bei der anschließenden Abbildung auf die Halbleiterscheibe 3 verkleinert, empfiehlt sich die Bewegung der Maske 1 mittels eines drehbaren Kreuztisches. Nach der. Justierung erfolgt die Abbildung des Musters 2 der Maske 1 in die auf der Halbleiterscheibe 3 befindliche lichtempfindliche Lackschicht 5 durch Licht der Beleuchtungsvorrichtung 8 über die Kondensorlinie und die an der durchsichtigen Halterung 12 befestigte Maske 1. durch das Objektiv 6 (das Mikroskop 11 wird dann aus dem Strahlengang geschwenkt).Hierbei wird zur Vermeidung von Abbildungsfehlern der Spiegel 10 aus dem Strahlengang entfernt. Erfindungsgemäß wird nun bei der Abbildung des Musters 2 der Maske 1 in die lichtempfindliche Lackschicht 5 auf der Halbleiterscheibe 3 die Maske 1 mit einer Wölbung versehen, derart, daß dadurch die Bildfeldwölbung des Objektivs 6 und/oder die evtL vorhandene Krümmung der Oberfläche der Halbleiterscheibe 3 kompensiert werden bzw. einander angepaßt werden. Diese Wölbung der Maske 1 wird erfindungsgemäß z. B. auf die folgende Weise erreicht. Die plane Maske 1 wird auf den ge-" glätteten Rand der durchsichtigen Halterung 12, welche z. B.An embodiment of the method according to the invention is based on the schematic figure 'f explained. 'I is a mask with a pattern 2, e.g. B. a glass plate with applied Metal structures on a Semiconductor wafer 3, which itself contains structures 4 and a photoresist layer 5, should be transferred. This requires an adjustment of the structures 2 of the mask 1 required for pattern 4 on semiconductor wafer 3. Mask 1 is used with its holder 12, the lens 6 or the semiconductor wafer 3 perpendicular to the optical Axis 0 of the system is moved until the desired position of patterns 2 and 4 against each other is reached. Here, the two patterns in the plane of pattern 2 with the Observed microscope 11 swiveled over it, the pattern 4 in the plane of FIG Structures 2 z. B. by the arrangement 3-4 reflected light of the lighting device 9, which runs over the semitransparent mirror 10, is imaged. It will Pattern 2 of the mask 1 in the subsequent imaging on the semiconductor wafer 3, it is advisable to move the mask 1 by means of a rotatable cross table. After. Adjustment takes place the image of the pattern 2 of the mask 1 in the on the semiconductor wafer 3 located photosensitive lacquer layer 5 by light of the lighting device 8 over the condenser line and the one on the transparent Bracket 12 attached mask 1. through the objective 6 (the microscope 11 is then swiveled out of the beam path) .To avoid imaging errors the mirror 10 is removed from the beam path. According to the invention now with the imaging of the pattern 2 of the mask 1 in the light-sensitive lacquer layer 5 on the semiconductor wafer 3, the mask 1 is provided with a curvature in such a way that thereby the field curvature of the lens 6 and / or the curvature that may be present the surface of the semiconductor wafer 3 are compensated or adapted to one another will. This curvature of the mask 1 is according to the invention, for. B. in the following way achieved. The flat mask 1 is placed on the smoothed edge of the transparent one Bracket 12 which, for. B.

aus Glas oder durchsichtigem Kunststoff besteht, aufgelegt. Danach wird der entstandene Hchlraum 13 über den Anschlußstutzen 14 mittels einer (nicht eingezeichneten) Vakuumpumpe evakuiert. Dabei biegt sich die Maske 1 in Richtung auf den Hohlraum 13 durch. Die Tiefe dieser Durchbiegung läßt sich durch den Druck im Hohlraum 13 und die Dicke der Glasplatte 1 beliebig einstellen: Zur Begrenzung der Durchbiegung kann z. B. in der Mitte des Hohlraumes 13 ein durchsichtiges Klötzchen angebracht werden, wodurch Schwankungen des Druckes im Hohlraum 13 und der Dicke der Glasplatte 1 eliminiert werden.made of glass or transparent plastic, placed on top. Thereafter is the resulting cavity 13 via the connecting piece 14 by means of a (not drawn) vacuum pump evacuated. The mask 1 bends in the direction on the cavity 13 through. The depth of this deflection can be determined by the pressure in the cavity 13 and the thickness of the glass plate 1 set as desired: To limit the deflection can, for. B. in the middle of the cavity 13 is a transparent block be attached, whereby fluctuations in the pressure in the cavity 13 and the thickness the glass plate 1 can be eliminated.

In der Mehrzahl der Fälle wird die erfindungsgemäße Wölbung der Xaskenfläche die Summe der Fehler von Bildfeldwölbung und Scheibenkrümmung nicht völlig genau kompensieren. Jedoch wird mit Hilfe der angegebenen Lösung immer eine Anpassung von Bildfeldwölbung und Scheibenkrümmung wenigstens im Zentrum und in einer dieses umgebenden Kreiszone auf der Halbleiterscheibe erreicht.In the majority of cases, the curvature according to the invention is the mask surface the sum of the errors in field curvature and disc curvature not fully compensate exactly. However, with the help of the given solution, a Adjustment of field curvature and curvature of the pane at least in the center and in a circular zone surrounding this reached on the semiconductor wafer.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sei aahand der Figur 2 erläutert. In diesem Beispiel wird eine bessere Anpassung von Bildfeldwölbung und Scheibenkrümmung erreicht. Hierbei wird eine von Natur aus plane Maske an eine Oberfläche vorgegebener Krümmung, die z. B. aus einer Glasplatte herausgeschliffen ist, angepreßt. Das Anpressen geschieht z. B. wieder mittels Unterdruck in der in der Figur 2 dargestellten Anordnung. In dieser Anordnung ist die Maske/mit der auf der Seite 16 konkav gekrümmten Glasplatte 15 durch die ringförmige Vorrichtung 17 zusammengespanntDer durch die Dichtungsringe 18, 19 und 20 abgedichtete Hohlraum 21 wird über den Anschlußstutzen 22 mittels einer (nicht eingezeichneten) Vakuumpumpe evakuiert, wobei dann der äußere Luftdruck die Maske 1 an die gekrümmte Fläche 'i6 der Glasplatte 15 preßt. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die gekrimuate Fläche 16 der Glasplatte 15 oder die dieser zugekehrten Fläche der Maske 1 ganz oder nur am Rand mit einer Oberflächenstruktur zu versehen, z. B. anzuätzen, um auf diese Weise ein gleichmäßiges Ansaugen der Maske 1 beim Evakuieren des Hohlraumes 2'I zu gewährleisten. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird für die Maske 'f vorzugsweise Glas verwendet. Bei starken Durchbiegungen kann als Maske 'I: jedoch auch eine maßhaltige Folie wie z. B. eine Polyester- oder Mylarfolie mit geringem Ausdehnungskoeffizienten bei Temperatur- und Feuchtigkeitsänderung verwendet werden, wenn Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei der Herstellung und der erfindungsgemäßen Anwendung der Folien in engen Grenzen gehalten werden.Another exemplary embodiment of the method according to the invention is explained with reference to FIG. In this example, a better adaptation of the curvature of the field of view and the curvature of the pane is achieved. Here, a naturally flat mask is applied to a surface of predetermined curvature, which z. B. is ground out of a glass plate, pressed. The pressing happens z. B. again by means of negative pressure in the in the arrangement shown in FIG. In this arrangement is the mask / with the concave curved one on the side 16 Glass plate 15 clamped together by the annular device 17 The cavity 21 sealed by the sealing rings 18, 19 and 20 is evacuated via the connecting piece 22 by means of a vacuum pump (not shown), the external air pressure then pushing the mask 1 onto the curved surface 'i6 of the glass plate 15 presses. According to the invention, it is also possible to provide the crimped surface 16 of the glass plate 15 or the surface of the mask 1 facing it with a surface structure entirely or only at the edge, e.g. B. to etch in order to ensure a uniform suction of the mask 1 when evacuating the cavity 2'I in this way. In this exemplary embodiment too, glass is preferably used for the mask 'f. In the case of strong deflections, a dimensionally stable film such as e.g. B. a polyester or Mylar film with a low coefficient of expansion in the event of temperature and humidity changes can be used if the temperature and humidity are kept within narrow limits during the production and use of the films according to the invention.

Die geschliffene Glasgätte 'i5 muß aus Gründen der mechanischen Stabilität eine gewisse Mindastdicke aufweisen, die sich jedoch bei der Beobachtung der Muster 2 und 4 mit dem Mikroskop 'f'1 störend bemerkbar machen kann, da hochauflösende Objektive einen kleinen Arbeitsabstand besitzen. In diesem Fall und auch dann, wenn der-Einfluß der Dicke der Glas= platte lauf die Krümmung ihrer Oberfläche eleminiert werden soll, empfiehb sich eine erfindungsgemäße Anordnung, welche in der Figur 3 dargestellt ist. Hierbei weist die Oberfläche 23 der Glasplatte 15 eine konvexe Krümmung auf und die Maske 1 liegt mit ihrem Muster 2 auf dieser Fläche auf. Als Vakuumhalterung wird z. B. die gleiche Anordnung wie in der Figur 2 .'1%) verwendet. Die Unterseite der Glasplatte 15 kann statt plan auch konkav ausgebildet sein, um den Einfluß der Glasf latto 15 auf die Abbildung durch das Objektiv 6 möglichst gering zu halten, denn die Glasplatte 15 befindet sich ja hier im abbildendan Strahlengang.The ground glass type 'i5 must have a certain minimum thickness for reasons of mechanical stability, which can, however, be noticeable when observing samples 2 and 4 with the microscope'f'1, since high-resolution objectives have a small working distance. In this case and also when the influence of the thickness of the glass plate over the course of the curvature of its surface is to be eliminated, an arrangement according to the invention, which is shown in FIG. 3, is recommended. The surface 23 of the glass plate 15 has a convex curvature and the mask 1 rests with its pattern 2 on this surface. As a vacuum holder z. B. the same arrangement as in Figure 2 .'1%) used. The underside of the glass plate 15 can also be concave instead of flat in order to keep the influence of the glass flat 15 on the image through the lens 6 as low as possible, because the glass plate 15 is here in the imaging beam path.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Anordnung der Figur 3 mit der zugehörigen Vakuumhalterung zur Übertragung eines Zeichnungsmusters auf ein Substrat mit Hilfe des an sich bekannten Kontaktkopieverfahrens zu benutzen. Hierbei ist darin die Glasplatte 15 durch dic gewölbte Halbleiterscheibe selbst (3) ersetzt zu denken.According to the invention it is also possible to use the arrangement of FIG the associated vacuum holder for transferring a drawing sample to a To use the substrate with the aid of the contact copying process known per se. Here the glass plate 15 is replaced by the curved semiconductor wafer itself (3) to think.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1: Process for the production of microstructures on a substrate in which the preferably reproduced image is a drawing template using 1Rasken and an objective in one located on the substrate light-sensitive lacquer layer is transferred, characterized in that the Transfer of the image of the drawing template to compensate for the field curvature of the objective and / or a curvature of the substrate surface curved masks be used:

2. The method according to claim 1, characterized in that at the transfer of the image of the drawing template a flat mask on the smoothed one Edge of a transparent holder is placed, then the resulting cavity, is evacuated by means of a vacuum pump and the resulting deflection of the Mask by printing in. Cavity is set.

3. Procedure according to claim 2, characterized in that to limit the deflection of the A block is attached to the mask in the middle of the cavity.

4. The method according to claim 1, characterized in that a flat mask on a curved surface z. B. a glass plate. is pressed, e.g. B. by means of negative pressure, the mask is clamped together with the curved glass plate by an annular device which has a sealed cavity at the edge of the glass plate and mask, which is evacuated by means of a vacuum pump. 5 .. The method according to claim 4, characterized in that one of the curved surfaces to be pressed against one another is provided entirely or only at the edge with a structure, e.g. B. is etched. E. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the glass plate has curved surfaces on both sides. ?. Method according to Claim 1, characterized in that a flat mask is pressed onto the curved surface of a semiconductor wafer and the image of the original drawing is then transferred with the aid of the contact copying process. B. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a dimensionally stable film 'such as z_. B. a polyester or mylar film is used.