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"Verfahren zum automatischen Ausrichten Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum automatischen Ausrichten von zwei aufeinander einzujustierenden, mit
Strukturen versehenen, plattenförmigen Objekten mit Hilfe von lichtelektrischen
Messvorrichtungen.
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In der Halbleitertechnologie und in vielen anderen Anwendungsfällen,
z. B. bei der Herstellung von strukturierten Platten für Skalen, steht man vor der
Aufgabe, zwei strukturierte Platten mit hoher Genauigkeit zueinander auszurichten.
Dabei handelt es, sich beispielsweise um zwei Substratplatten, von denen wenigstens
eine transparent ist und die beide an einer Oberflächenseite ein Muster tragen.
Beide Substratplatten werden z. B. mit oder ohne Luftspalt derart aufeinandergelegt,
daß die Muster einander zugekehrt sind0 Bei bekannten Verfahren werden
die
Muster mit einem Mikroskop beobachtet und in einer Ebene senkrecht zur Mikroskopachse
zueinander ausgerichtet. Diese Ausrichtung geschieht beispielsweise mit Hilfe eines
Mikromanipulators. Bei einem anderen Justierverfahren sind die beiden mit Strukturen
versehenen Platten räumlich voneinander getrennt und werden mittels eines optischen
Systems aufeinander abgebildet.
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In der Halbleitertechnologie muß im allgemeinen auf eine Halbleiterscheibe,
die an ihrer Oberfläche bereits ein erstes Muster trägt und dort mit einem lichtempfindlichen
Lack beschichtet ist, ein zweites in einer Maske enthaltenes Muster in einer zum
ersten Muster genau justierten Lage abgebildet werden. Im einfachsten Fall geschieht
dies durch RontaktkopieO Das Maskenmuster-kann-aber auch bei einem anderen bekannten
Verfahren durch Projektion mit einem hochauflösenden Objektiv auf die Halbleiterscheibe
übertragen werden. Zur Musterübertragung wird dabei das Maskenmuster auf die Halbleiterscheibe
projeziert.
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Normalerweise werden zur gegenseitigen Ausrichtung der Muster Striche
beider Muster übereinander, oder zum Beispiel ein Kreis in Quadrat, oder ein kleineres
in ein
größeres Quadrat justiert*. Ferner können auch gesonderte
Justiermarken auf der Maske und auf der Halbleiterscheibe verwendet werden.
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Die beschriebene Ausrichtung' von Platten zueinander geschieht meist
durch visuelle Beobachtung und manuelle Bewegung der aufeinander zu justierenden
Objekte. In neuerer Zeit wurden sogenannte lichtelektrische oder fotoelektrische
Messmikroskope entwickelt, mit denen nun auch eine vollautomatische Ausrichtung
der Muster möglich ist. Das Grundprinzip des foto- oder lichtelektrischen Messmikroskops
besteht da -in, daß eine im Einfangboreich des Mikroskops befindlichc starke einer
Platte ein vorzeichenrichtiges Signal erzeugt, das der linearen Entfernung von der
optischen Achse des Meßsystems proportional oder zumindest zugeordnet ist. Mittels
einer Regeleinrichtung ist es möglich, die Platte in eine durch die optische Achse
des Meßsystems gegebene definierte Lage zu bringen.
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Dies geschieht beispielsweise dadurch' daß das Bildfeld des Meßsystems
auf eine Ebene vergrößert abgebildet wird, in der sich die brechende Kante eines
verspiegelten Prismas befindet Das Prisma teilt den gesamten Licht fluß in
je
einen Teil zu beiden Seiten der brechenden Kante und leitet beide Anteile auf je
einen Sensor0 Bei gleichmäßiger Ausleuchtung verschwindet die Differenz beider Lichtströme,
wenn die Marke der Platte symetrisch auf die brechende Kante abgbildEt wird. Bei
Auslenkung der Marke bildet die Differenz der Lichtströme das gewünschte Signal,
das die Position der Strichplatte in Bezug auf die Lage bei verschwindendem Signal
angibt und zu ihrer Steuerung benutzt wird0 Das Signal ist stehts einer linearen
Auslenkung in vorgegebener Richtung zugeordnet. Um eine strukturierte Platte in
einer Ebene festzulegen bzw. auszurichten,'braucht man drei Größen, nämlich die
karthesischen Koordinaten x und y und den Drehwinkel g . Demnach benötigt man auch
drei- lineare Meßsysteme für x, y und X .
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Um eine zweite Strichplatte zur ersten auszurichten, braucht man drei
weitere Meßsysteme t die in einer festen Ortsbeziehung zu den ersten drei Systemen
stehen. Insgesamt sind somit bei bekannten Verfahren sechs linearen Meßsysteme erforderlich.
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Neuerdings wurde ein Verfähren vorgeschlagen, bei dem die Ausrichtung
von zwei mit Strukturen versehenen Platten zueinander mit nur drei oder sogar nur
zwei Meßsystemen
anstelle von sechs Systemen möglich ist0 Dieses
Verfahren besteht darin, daß'die einander zugeordneten Justiermarken beider Objekte
durch dasselbe optische Meßsystem erfaßt und zueinander ausgerichtet werden.
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Mit dem letztgenannten Verfahren kann die Zahl der Meßsysteme zunächst
auf je eines für die drei JustieYkoordinaten x, y, ? re Btert werden, wenn sichergestellt
ist, daß sich die Justiervorgänge der beiden Strichplatten jeweils zum Meßsystem
nicht oder nur unwesentlich gegenseitig beeinflussen. Bei diesem Verfahren werden
zwei einander zugeordnete Justiermarken auf den beiden Platten gleichzeitig oder
nacheinander auf dasselbe Bezugssystem der lichtelektrischen Meßvorrichtung abgebildet
und zu deren Bezugsachse oder -ebene ausgerichtet. Hierbei-können verschiedene Methoden
angewendet werden. So ist es beispielsweise möglich, daß zum Ausrichten beide Platten
relativ zu einer ortsfesten lichtelektrischen Messvorrichtung entsprechend dem vom
lichtelektrischen Meßsystem gelieferten Signal bewegt werden' und daß in ausgerichteter
Sollage die einander zugeordneten Justiermarken beider Platten bei eingeschalteter
Beleuchtung gleichzeitig auf die Bezugsachse oder -ebene des Bezugssystems abgebildet
werden.
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In der Figur 1 ist eine Ausführungsform einer vollautomatischen Justiervorrichtung
mit Hilfe von lichtelektrischen Messvorrichtungen dargestellt. Jede der beiden aufeinander
einzujustierenden Platten 1 und 2 enthält für jede der drei Koordinatenmindestens
eine Justiermarke 3 und 4, die der entsprechenden Justiermarke der anderen Platte
zugeordnet sind. Da bei der Anordnung nach Figur 1 die Abbildung der Muster aufeinander
durch Projektion erfolgt, sind die aufeinander einzujustierenden Platten 1 und 2
räumlich voneinander getrennt. Zur Projektionsabbildung dienen die halbdurchlässigen
Spiegel 15 und 16 und das Abbildungsobjektiv 14 zwischen den beiden Spiegeln. Die
lichtelektrische Meßvorrichtung 5 - im folgenden, kurz LEM genannt - enthält ein
Bezugssystem in Form von Spiegel-oder Blendenanordnungon, auf dessen Eingangsebene
7 -beim Prismenspiegel, die Ebene, in der die brechende Kante liegt - die Justiermarken
der Platten abgebildet werden und damit ein Signal 9 erzeugt wird0 »ieses Signal
entspricht der relativen Lage der Justiermarke 3 und 4 zur Bezugsachse oder Bezugsebene
8 des BezugssystemsO Das Signal wird mittels einer Elektronik 10 von den Sensoren
18 und 19 - gegebenenfalls nach geeigneter Umformung - gewonnen und kann dann direkt
oder indirekt zur Steuerung
der aufeinander einzujustierendn Platten
in ihrer Solllage benützt werden0 Bei dem Verfahren der Projektionsabbildung nach
Figur 1 werden die für die Beleuchtung und Abbildung erforderlichen Strahlengänge
vorzugsweise voneinander getrennt. Bei der Projektion ist eine alleinige Abbildung
der Maske 2 auf das Bezugssystem, z. B. mit Hilfe der Durchlichtbeleuchtung 12,
mögliche Eine alleinige Abbildung der Maske 2 kann außerdem mit Auflichtbeleuchtung
der Maske 2 erfolgen, wenn die Beleuchtungsaperatur geeignet gewählt oder die Platte
1 entfernt oder durch eine Blende abgedeckt wird. Eine alleinige Abbildung der Platte
1 ist möglich, wenn die Maske 2 ausgeschwenkt wird.
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Zur Abbildung der Platte 1 in die Bezugsebene dient der Beleuchtungsstrahlengang
13 Es wurde außerdem bereits vorgeschlagen, für die beiden Justiervorgänge verschiedene
Lichtwellenlängen zu benutzen.
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Die Abbildung der Strukturen der Platte 1 erfolgt dann mit Licht aus
dem Wellenlängenbereich £1erz d durch die Maske 2 hindurch. die für diese Wellenlänge
eine hohe Transmission besitzt. Die alleinige Abbildung der Maske 2 erfolgt bei
der Projektion zO Be im Durchlicht 12 mit einer anderen Wellenlänge \ , bei der
ihre Justiermarke einen hohen Kontrast lief-ert.
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In dem speziellen, in der Figur 1 dargestellen Fall wird zur Teilung
des Lichtflußes die brechende Kante eines Prismas 17 verwendet. Ist in dem dargestellten
Beispiel die Marke 4 ausgerichtet, liegt ihr Bild 4/ symmetrisch zur Prismenkante,
so daß beide Sensoren i8 und 19 den gleichen Lichtstrom erhalten. In diesem Zustand
ist es möglich, eine zweite Marke 3 mit dem Bild 3/ mit derselben lichtelektrischen
Meßvorrichtung auf demselben Bezugssystem auszurichten, da bei der Differenzbildung
der Lichtströme der Einfluß der ersten Marke herausfällt0 Bei dem bisher beschriebenen
Verfahren sind'die Justiermarken auf den beiden Platten beispielsweise einer Halbleiterscheibe
und einer Maske, jeweils für die Ausrichtung in einer Richtung ausgelegt. Für die
Äusrichtung bezüglich der karthesischen Koordinaten x und y und des Drehwinkels
J sind also je Platte drei dieser Justiermarken und Bezugssysteme erforderlich0
Die Anordnung der drei Marken auf den Strichplatten 1 und 2 bzw. auf der Halb-Ieiterscheibe
oder der Maske zeigt die Figur 2. An zwei weit-- auseinander liegenden Stellen befinden
sich d.ie Marken 27 für die y und 28 fur die < Ausrichtung. Die senkrecht
dazu
angeordnete Strichmarke 29 für die x-Ausrichtung kann in der Nähe einer der beiden
anderen Marken 27, 28 angeordnet sein. Jede Marke bzw. jedes Markenpaar von Maske
und Halbleiterscheibe wird von je einer lichtelektrischen Meßanordnung mit den Bildfeldern
30, 31 und 32 erfaßt. Jede Justiermarke bedeutet in der Halbleitertechnik einen
Verlust an aktiver Fläche. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die, beiden Justiermarken
für die x und y-Ausrichtung als kreuzweise Linienanordnung übereinander zu legen.
Die Ausrichtung in beiden Richtungen kann dann mit einer einzigen lichtelektrischen
Meßanordnung erfolgen, indem zO B. dielichtelektrische Meßanordnung oder das Bezugssystem
um 900 gedreht werden, oder indem ein kreuzweise ausgebildetes 2-Koordinaten-Bezugssystem
verwendet wird. In verschiedenen Fällen, insbesondere bei der projektionsmaskierung
einer Platte auf eine andere Platte durch lichtoptische Abbildung mit einem Objektiv,
durch elektronenoptische Abbildung oder durch Schattenprojektion kann nicht unbedingt
vorausgesetzt werden1 daß die Abbildung in dem exakt geforderten Maßstab ausgeführt
wird. Zur Behebung dieses Mangels wird nun erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum
automatischen Ausrichten von zwei aufeinander einzujustierenden, aufeinander
abgebildeten
Strukturen mit Hilfe von lichtelektrischen oder elektronenempfindlichen Meßvorrichtungen
vorgeschlagen, daß in den beiden Strukturen Justiermarken angebracht werden' mit
deren Hilfe der geforderte Abbildungsmaßstab zwischen beiden Strukturen und oder
die Planparallelität der die aufeinander einzujustierenden Strukturen enthaltenden
Flächen eingestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren findet besonders dann vorteilhafte
Anwendung, wenn die einander zugeordneten Justiermarken in den beiden, z. B. auf
plattenformigen Objekten angeordneten Strukturen durch dasselbe optische Meßsystem
erfaßt und zueinander ausgerichtet werden Somit werden bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die befi-~den Platten bezüglich der definierten karthesischen Koordinaten
x- und y und z und des Drehwinkels -; aufeinander ausgerichtet. Hierbei muß für
jede der vier Koordinaten auf jeder Platte mindestens eine Justiermarke vorgesehen
sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere dadurch realisiert,
daß auf die- Platten für die Einjustierung in Richtung der x, y und #-Koordinate
strich- oder streifenförmige
Justiermarken aufgebracht werden0
Parallel zu mindestens einer der genannten 3 Justiermarken auf jeder Platte verläut
in einem bestimmten Abstand eine weitere 4 gesondere Justiermarke. Mit Hilfe des
definierten Abstandes zwischen den beiden parallel zueinander verlaufenden Justiermarken
auf beiden Platten kann dann der geforderte Abbildungsmaßstab t zwischen den beiden
Platten exakt eingestellt werden. Dabei ist es gleichgültig, welchen Absolutbetrag
hat. Im einfachsten Fall beträgt @ @. Erst durch diese exakte Einstellung des Abbildungsmaßstabes
ist bei dem genannten Abbildungsverfahren gewährleistet, daß bei Einjustieren der
Koordinaten x, y und (an einer Stelle innerhalb der flächenartig ausgedehnen Strukturen
auch alle anderen Teile der Strukturen aufeinader einjustiert sind0 In der Figur
3 ist eine Ausführung der 4 Justiermarken auf einer der beiden aufeinader einzujustierend-en
Platten dargestellt. Die Marke 29 dient beispielsweise zur Einjustierung der x-Richtung,
während die Marke 27 zur Einjustierung der y-Richtung herangezogen wird0 Die beiden
genannten Marken 27 und 29 sind in dem in der Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
kreuzförmig übereinander
-angeordnetO In einem für die Meßgenauigkeit
ausreichenden Basisabstand a von dem ersten Justiermarkenkreuz befindet sich gemäß
Figur 3 ein weiteres Justiermarkenkreuz aus den senkrecht zueinander angeordneten
Justiermarken 28 und 33.
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Die beiden einander entsprechenden strich- oder streifenförmigen Justiermarken
verlaufen in den beiden Kreuzen in gleichen Richtungen. Die Justiermarke 28 dient
zur Einstellung des exakten Drehwinkels gegenüber der anderen Platte, während die
Justiermarke 33 in Verbindung mit der Justiermarke 29 zur Einstellung des Abbildungsmaßstabes
( herangezogen wird. Damit der Abbildungsmaßstab zwischen den beiden -aufeinander
einzujustierenden Platten exakt ist' muß der Abstand a zwischen den beiden Justiermarken
29 und 33 mit einem entsprechenden Abstand a/ auf der zweiten Platte übereinstimmen0
In der Praxis -werden unter gleichzeitiger Kontrolle der bereits bestehenden Justierung
der Marke 29 die Marken 33 auf den beiden Platten aufeinander einjustiert, in dem
der Abbildungsmaßstab durch Variation der z-Höhenlage einer Platte oder des Objektives
verändert wird. Wird die Marke 29 dabei in die optische Achse des Abbildungssystems
gelegt, kann ihre gleichzeitige Kontrolle während der Ausrichtung der Marke 33'unterbleiben.
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Die kreuzförmige Anordnung der Justiermarken in Figur 3 stellt ein
spezielles Ausführungsbeispiel der für, das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen
Markenanordnung dar. Die einzelnen Justisrmarken können selbstverständlich auch
getrennt voneinander in verschiedenen Bildfeldern auf den beiden Scheiben untergebracht
werden. Bei der kreuzförmigen Anordnung der Justiermarken können beide Marken eines
Kreuzes durch das gleiche lichtelektrische Meßsystem erfaßt und aufeinander ausgerichtet
werden, wobei das Bezugssystem vorzugsweise zwei zueinander senkrecht stehende Sensorsysteme
enthält.
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Zum besseren Verständnis sei die an den Stellen, 52 und 53 benötigte
Justiervorrichtung in der Figur 5 noch näher erläutert. Die beiden aufeinader einzujustierenden
Platten i und 2, die beispielsweise aus einer Halbleiterscheibe une einer Maske
bestehen, tragen die Justiermarken 29 und 33 bzw. 29 und 33 . Sie werden durch das
Objektiv 14 aufeinander abgebildet. Mit der lichtelektrischen Meßvorrichtung 43
werden die beiden Marken 33 und 33/ gleichzeitig oder nacheinander auf die Bezugsebene
45 der lichtelektrisches Meßvorrichtung 43 ausgerichtet, in dem z0 B.
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beide Platten i und 2 durch Bewegung in Richtung auf
die
Achse 45 eingestellt werden. Anschließend oder gleichzeitig wird dieAichtelektrische
Meßvorrichtung 44 mit ihrer Achse 46 auf die Marke 29 und die Marke 29' durch z-Höhenbewegung
der Platte 1 ebenfalls auf die Achse 46 d;er lichtelektrischen Meßvorrichtung 44
eingestellt. Die BezugssyStele können z. B. aus einem geteilten Sensor bestehen,
wobei sich der Sensor aus einer Fotodiode mit den Teilflächen 47 und 48 bzw. 49
und 50-zusammensetzt.
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Die beiden Teilflächen sind durch einen feinen Spalt 51 voneinander
getrennt. Die an den Teildioden angeschlossene Elektronik regelt dabei die Bewegung
der Platten in der Weise, daß die Justiermarken symmetrisch zum Spalt zwischen den
Teildioden abgebildet werden. Für die gleichzeitige Justierung der'senkrecht zueinander
liegenden Masken 27 und 29 bzw7 28 und 33, wird die Fotodiode analog in 4 Teildioden
aufgeteilt, die durch 2 kreuzweise angeordnete feine Spalte voneinander getrennt
sind.
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Die Bezugssysteme 47/48 und 4r/rO in den Meßsystemen 43 und 44 können
natürlich auch aus -ler in Figur 1 beispiels,-weise gezeigten Anordnung 18/19 mit
Prismenspiegel 17 oder analogen Anordnungen bestehen. Ebenso kann in dem Beispiel
der
Figur i die Anordnung geteilter Fotodioden anstelle der Anordnung 17/18/19 benützt
werden In dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, die beiden
aufeinander einzujustierenden Platten in x, y, ~ und z-Richtung zueinander vollständig
auszurichten, wenn die beiden Platten planparallel, bzw. senkrecht zur optischen
Achse des abbildenden Systems geführt werden. Dies kann durch eine entsprechend
einjustierte mechanische Vorrichtung geschehen.
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Es ist jedoch auch möglich, das beschriebene Verfahren glichzeitig
zur planparallelen Ausrichtung, bzw. zur Ausrichtung in die optimale Bildebene zu
benutzen. In diesem Fall werden gemäß Figur 4 die Justiermarken für die z-Höhenlage
der drei Bildfelder 40, 41 und 42 getrennt durch Einjustieren der Linienpaare 34/35,
36/37 und 38/39 auf ihre zugeordneten Marken in der anderen Platte eingestellt.
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Hierbei wird die eine Strichplatte derart eingetaumelt, daß sie dänn
planparallel, bzwe optisch optimal ausgerichtet zu der andern Strichplatte angeordnet
ist0 Die Justiermarken 34, 36 und 39 dienen hierbei außerdem zur Ausrichtung in
den karthesischen Koordinatenrichtungen x, y und
in der -' -Brehrichtung.
Dabei ist für jede der 3 Stellen 40, 41, 42 je ein Paar Meßsysteme 43/44 notwendig.
Eine Vereinfachung ist dadurch möglich, daß zwei Bezugssysteme 478 und 49/50 mit
justierbarem Abstand in einem optimalen Meßsystem zusammengefaßt werden Obwohl die
Erfindung soweit an Hand von Ausführungsbeispielen mit lichtoptischer Abbildung
einer Strichplatte auf die andere erläutert wurde, ist sie nicht auf die Anwendung
beschränkt. Sie ist in analoger Weise ebenso anwendbar auf eine elektronen-optische
Abbildung eines Musters auf eine ereits mit einem Muster versehene Platte und auf
die Abbildung durch Schattenprojektion mit beliebiger Wellenlänge Bei der elektronenoptischen
Anwendung kann es sich sowohl um eine elektronenoptische Abbildung eines gegenständlichen
Musters mittels einer oder mehrere elektronenoptischer Linsen handeln, wobei der
Abbildungsmaßstab durch die Erregerströme magnetische Linsenfelder bzw. durch die
Spannung elektraaptiscer Linsen verändert wird, als auch um die Erzeugung eines
Musters mittels Mikroschreiber. In diesem'Falle wird das Muster durch Ablenkung
eines fokessSert-n Elekronenstrahls geschrieben. Die Ablenkung kann rasterförmig
oder durch
programmierte Steuerung über einen Rechner erfolgen.
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Der Abbildungsmaßstab wird dabei durch Dehnung des Rasters oder der
Programmkoordinaten variiert. Das zur Ausrichtung benötigte Signal wird bei der
elektronenoptischen Anwendung z. B. aus der Sekundäremission des auf das erste Muster
projezierten zweiten Musters gewonnen.