DE2163856C3

DE2163856C3 - Vorrichtung zur Einstellung einer Maske in bezug auf ein Halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE2163856C3
Application number: DE2163856A
Authority: DE
Inventors: Bernardus Antonius Johannus Jacobs; Pieter Kramer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-01-08
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1980-07-31
Also published as: FR2121301A5; CH539839A; IT946331B; SE374620B; ES398630A1; AT334979B; DE2163856B2; GB1384891A; DE2163856A1; BR7200054D0; BE777785A; AU466289B2; AU3742671A; JPS5325238B1; ATA11172A; US3811779A; NL7100212A; CA958819A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Einstellung einer eine Vielzahl gleicher Elemente enthaltenden Maske in bezug auf ein Halbleitersubstrat.

Eine derartige Vorrichtung ist aus Proceedings Kodak Photoresist Seminar, May 19-20, 1969, S. 62, bekannt.

In der bekannten Vorrichtung wird sowohl auf der Maske als auch auf dem Substrat ein Muster geeigneter Form angebracht, und zwar auf dem Substrat ein reflektierendes Quadrat und auf der Maske ein strahlungsdurchlässiger Rahmen, dessen Umrisse konzentrische Quadrate sind. Die Seite des inneren Quadrats auf der Maske ist etwas kleiner als die Seite des reflektierenden Quadrats auf dem Substrat, die ihrerseits etwas kleiner als die Seite des äußeren Quadrats auf der Maske ist,

Zwei photoempfindliche Detektorenpaare sind derart angeordnet, daß die Verbindungslinie zwischen den Detektoren eines Paares senkrecht zu der zwischen den Detektoren des anderen Paares liegt Ein duuh den Rahmen hindurchfallendes Lichtbündel wird an dem reflektierenden Quadrat auf dem Substrat reflektiert und erzeugt in jedem der photoempfindlichen Detektoren ein elektrisdches Signal. Wenn das Differenzsignal zweier zu demselben Paar gehöriger Detektoren für jedes der Paare gleich null ist, nimmt die Maske in bezug auf das Substrat die gewünschte Lage ein, von einer Drehung der Maske in bezug auf das Substrat abgesehen. Mit Hilfe eines in einer geeigneten Entfernung von dem Mustersatz auf der Maske und auf dem Substrat liegenden zweiten Mustersatzes, das mit dem zuerst erwähnten Satz kongruent ist wird eine gegenseitige Drehung der Maske und des Substrats eliminiert Zu diesem Zweck muß das Differenzsignal, das aus den zu einem dritten Paar gehörigen photoempfindlichen Detektoren erhalten ist, deren Verbindungslinie zu der zwischen den Detektoren eines der anderen Paare ps sallel ist, wieder gleich null sein.

Mit Hilfe der bekannten Vorrichtung werden nacheinander eine Anzahl von Masken, bei denen die gleichen Elemente für jede Maske eine verschiedene Form aufweisen, an derselben Stelle auf dem Substrat abgebildet Zwischen den aufeinanderfolgenden Abbildungen erfährt das Substrat die gewünschten physikalischen und chemischen Änderungen. Auf diese Weise wird ein passives und/oder aktives Element gebildet das

J5 unter der Bezeichnung »integrierte Schaltung« bekannt ist

An die Genauigkeit, mit der integrierte Schaltungen hergestellt werden müssen, werden stets höhere Anforderungen gestellt Die Stelle, an der aufeinander-

■to folgende Masken auf dem Substrat abgebildet werden, muß daher mit stets größerer Genauigkeit festliegen. Abweichungen von z. B. mehr als 1 μπι können prohibitiv sein. Die bekannte Vorrichtung entspricht nicht der besonders strengen Anforderung, daß > aufeinanderfolgende Masken mit dieser äußerst kleinen Toleranz und mit hoher Zuverlässigkeit an der vorgeschriebenen Stelle auf dem Halbleitersubstrat abgebildet werden.

Während verschiedener chemischer und physikali-

*>o scher Vorgänge, denen das Substrat unterworfen wird, ändert sich ja der Reflexionskoeffizient des Substrats. Die Möglichkeit ist nicht ausgeschlossen, daß diese Änderung nicht auf gleiche Weise über die ganze Oberfläche des Substrats erfolgt. Demzufolge wird ein Differenzsignal null zweier zu demselben Paar gehörU ger Detektoren nicht sicherstellen, daß die Maske und das Substrat die gewünschte gegenseitige Lage einnehmen.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Vorrichtung der

μ obenerwähnten Art zu schaffen, die den Nachteil, der der bekannten Vorrichtung anhaftet, nicht aufweist.

Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Muster verwendet werden, die aus je mindestens drei rasterförmigen Konfigurationen bestehen, von denen izwei zueinander senkrecht orientiert sind und in einem gegenseitigen Abstand liegen, der klein ist in bezug auf den Abstand der beiden Konfigurationen von einer dritten Konfiguration, deren Nutenrichtung zu der

Verbindungslinie zwischen dieser Konfiguration und den beiden ersteren Konfigurationen nahezu parallel ist, wobei das eine Muster starr mit dem Substrat und das andere starr mit der Maske verbunden ist, während Abbildungen der beiden Muster etwa an der Stelle eines Referenzmusters erzeugt werden, das ebenfalls aus mindestens drei rasterförmigen Konfigurationen besteht, von denen zwei zu der dritten senkrecht orientiert sind, derart, daß der gegenseitige Abstand zweier der rasterförmigen Konfigurationen klein ist in bezug auf den Abstand der beiden zueinander senkrecht orientierten Konfigurationen von der dritten Konfiguration, und daß die für die Abbildung verwendete Strahlung nach Wechselwirkung mit dem Referenzmuster drei Detektorenpaaren zugeführt wird, in welchen Detektorenpaaren elektrische Signale erzeugt werden, deren gegenseitiger Phasenunterschied ein Maß für die gegenseitige Lage der beiden Muster ist

Es ist vorteilhaft, stets eine Wechselspannung in den Detektoren zu erzeugen. Nach einem Merkmal der Erfindung wird zu diesem Zweck dem Referenzmuster in bezug auf die Abbildungen eine Bewegung erteilt, die eine Geschwindigkeitskomponente in den Periodenrichtungen der rasterförmigen Konfigurationen des Referenzmusters aufweist Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird in dem Strahlengang einer linear polarisierten Lichtquelle zu jedem der Detektoren ein elektrooptischer Modulator angeordnet und sind die durch Beugung an den rasterförmigen Konfigurationen erhaltenen Teilbündel verschiedener Beugungsordnungen dadurch verschieden polarisiert, daß ein phasenanisotropes Element in mindestens einem der Teilbündel angebracht wird.

Es ist günstig, jede der rasterförmigen Konfigurationen aus mindestens zwei Teilen aufzubauen, deren Perioden etwas voneinander verschieden sind.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Teil der Vorrichtung nach F i g. 1,

F i g. 3 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, und

F i g. 4 eine geometrische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 3.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 fällt ein kollimiertes Strahlungsbündel aus einer (nicht dargestellten) Strahlungsquelle auf ein Teilpiisma 3. An der Trennfläche 4 des Teilprismas wird das Strahlungsbündel reflektiert und fällt übsr die Photomaske 2 auf das Halbleitersubstrat 1. Am Rande der Photomaske befindet sich ein Raster 6, während sich am Rande des Substrats ein Raster 5 befindet. Das Raster 6 ist als ein Amplitudenraster ausgebildet, während das Raster 5 als ein Phasenraster ausgebildet ist. Es ist erforderlich, das Raster 5 als ein Phasenraster auszubilden, Fremdstoffe, die an dem Substrat haften, stören ja die Diffusionsvorgänge, denen das Substrat zur Bildung der gewünschten integrierten Schaltung unterworfen wird.

Von dem Raster 6 wird über das Teilprisma 3 und die Linse 7 eine Abbildung 8 erzeugt, während von dem Raster 5 über das Teilprisma 3 und die Linse 7 eine Abbildung 9 erzeugt wird. Die beiden Abbildungen liegen in einer flachen Ebene beiderseits der Achse O-O'derLinse7.

Ein Referenzmuster 10 ist in der unmittelbaren Nähe der Abbildungsebene angebracht. Die Periode der Abbildung 8, die Gitterkonstante der Abbildung 9 und die des Kasters 10 sind untereinander gleich, Bei Verschiebung des Rasters 10 wird in den Detektoren 11 bzw, 12 ein sinusförmiges Signal mit der Größe

bzw.

a sin Ω ί
Z»sin (Ώ| t+φι)

erzeugt, wenn Q\ die Geschwindigkeit in Perioden/sec

ίο des Rasters 10 darstellt Diese Signale werden miteinander verglichen. Ein Phasenunterschied φι=φοι wird z. B. auf elektrischem Wege oder von Hand eingestellt

Der Einfachheit halber ist nur ein einziger Satz von drei Rastern (ein Raster auf dem Substrat, ein Raster auf der Maske bzw. ein Referenzraster) in der Figur dargestellt Es ist einleuchtend, daß noch zwei Sätze von drei Rastern vorhanden sind. Die Rasterlinien des einen Satzes, der in der Nähe des ersten Ss».t*-es (5,6,10) liegt, liegen senkrecht zu den Rasterlinien des ersten Satzes; die Rasterlinien des anderen Satzes, der in einiger Entfernung von den übrigen Sätzen liegt, stehen quer auf der Zeichnungsebene. Es ist vorteilhaft, daß n.an die Mitte M der einander nahe liegenden Raster auf dem Substrat und auf der Maske mit dem Drehpunkt des Bewegungsmechanismus zusammenfallen läßt

Fig.2 ist eine Draufsicht auf die drei, bei der Einstellung der Photomaske verwendeten Sätze von drei Rastern auf der Maske und auf dem Substrat. Die Raster 5,15 und 17 sind jeweils auf dem Halbleitersubstrat und die Raster 6, 16 und 18 auf der Photomaske angeordnet. Das Strahlungsbündel, das die Raster 15 und 16 abbildet, erzeugt nach Wechselwirkung mit dem zugehörigen Referenzraster Signale in (nicht dargestellten) Detektoren, die durch:

und

c sin Ω21 dsm (Ω2 t+q>2)

dargestellt werden können, wenn Q₂ die Geschwindigkeit in Perioden/sec des erwähnten zugehörigen Referenzrasters ist Das Strahlungsbündel, das die Raster 17 und 18 abbildet, erzeugt nach Wechselwirkung mit dem zugehörigen Referenzraster Signale in (nicht dargestellten) Detektoren, die durch:

und

ρ sin Qi t q sin (Q₃ t+q>_})

dargestellt werden können, wenn ß3 die Geschwindigkeit in Perioden/sec des erwähnten zugehörigen Referenzrasters ist. Die richtige Einstellung der Maske ir, beiug auf das Substrat ist erreicht, wenn φι, ψ2 und 913 die Sollwerte g>oi. <Po2 und tpoi erreicht haben. Um den Mittelwert etwaiger Formänderungen zu bestimmen, kann es günstig sein, mehrere rasterförmige Konfigurationen auf dem Substrat und auf der Maske anzubringen und den Mittelwert der verschiedenen Phasen zu bestimmen. Da <pi, <p₂ und q>j periodisch sind (die Periode ist der zugehörigen Rasterperiode proportional), ist das Gebiet, innerhalb dessen ςροι, ψαι und φο; eindeutig sind, kleiner als die Rasterperiode. Zur Vergrößerung dieses Gebietes wird jedem Rastermuster noch ein Muster mit einer etwas verschiedenen Periode zugesetzt. Die

h5 richtige Einstellung der Maske in bezug auf das Substrat ist nun erreicht, wenn nicht nur ψ\, ψι und φι die Sollwerte φ_Οι, φο2 und qpo3 erreicht haben, sondern wenn gleichzeitig auch φ'\, φ'₂ und φ'3 (die zu den zugesetzten

Mustern gehören) ihre Sollwerte φΌι, φ'02 und φΌι erreicht haben.

Statt das Referenzmuster eine Bewegung vollführen zu lassen, kann auch in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den Detektoren ein elektro-optischer Modulator angeordnet werden. Das Referenzmuster ist dann während der Positionierung in bezug auf die Maske oder das Substrat unbeweglich. Es wird linear polarisiertes Licht verwendet, das über die Rastermuster auf der Maske und auf dem Substrat in Teilbündel u. a. der Ordnungen —1,0 und + I gespaltet wird. Eines der von dem Rastermuster auf dem Substrat ausgehenden Teilbündel, z. B. das Teilbündel der Ordnung - I. durchläuft ein phasenanisotropes Element, z. B. eine λ/2-Platte mit einer derartigen Orientierung, daß die Polarisationsebene des betreffenden Teilbündels sich um 90° dreht. An der Stelle des Referenzrasters werden die zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel, und zwar das Teilbündel der Ordnung +1 bzw. das Teilbündel der Ordnung - 1, vereinigt. (Das Teilbündel der Ordnung 0 wird durch einen Schirm abgedeckt.)

Die aus dem Referenzmuster austretenden, in Richtung zusammenfallenden, aber zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel der Ordnungen (+ 1, + 1) und (-1, —1) werden in einem isotropen Teilprisma gespaltet und dann in dem elektrooptischen Modulator einer Polarisationsmodulation unterworfen und von zwei polarisationsempfindlichen Detektoren aufgefangen.

Das in den Detektoren erzeugte elektrische Signal ist. nach Filterung rund o). proportional mit:

cos o) / cos (kz+ 2 qr)
sin oj ί sin (kz+2 q).

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die mit einem Referenzraster versehen ist. das in bezug auf die Maske oder das Substrat eine feste Lage einnimmt. Ein kollimiertes Bündel linear polarisierten Lichtes fällt auf eines der drei Raster auf dem Substrat. Die an diesem (in der Figur mil 30 bezeichneten) Raster retieKtierten Teilbündel a. b und c der Ordnung +1, 0 bzw. —1 werden von der Linse 31 etwa an der Stelle des Referenzrasters 32 zusammengefügt. (Der Einfachheit halber sind die Teilbündel in der Zeichnung als an dem Raster durchgelassene Teilbündel dargestellt.) In dem Gang des Teilbündels a befindet sich eine Λ/2-Platte 33, deren Hauptrichtungen einen Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung des auffallenden linear polarisierten Teilbündels einschließen. Die λ/2-Platte 33 verdreht die Polarisationsebene des Teilbündels a über 90°. In dem Gang des Teilbündels b befindet sich der Schirm 34, der dieses Teilbündel absorbiert Das Teilbündel c (der Ordnung — 1) läuft unbehindert zu dem Referenzraster 32. Von dem Referenzraster werden in Richtung zusammenfallende Teilbündel durchgelassen, und zwar das Teilbündel a' der Ordnung (+1, +1) und ein Teilbündel c' der Ordnung ( —1, —1). Die PGlarisationsrichtung des linear polarisierten Teilbündels a' liegt senkrecht zu der des linear polarisierten Teilbündels c'. Das resultierende Bündel weist einen elliptischen Polarisationszustand auf, dessen Parameter durch den Phasenunterschied der betreffenden Teilbündel bestimmt werden. Der Phasenunterschied der Teilbündei wird seinerseits durch die Lagen der Raster 30 und 32 bestimmt

An einem isotropen Teilspiegel 35 wird ein Teil der beiden Teilbündel zu dem Spiegel 36 reflektiert.

während ein weiterer Teil durchgelassen wird. Das an dem Spiegel 36 reflektierte Lichtbündel (das in der Figur mit 50 bezeichnet ist) passiert den elektro-optischen Modulator 38. Das von dem Teilspiegel 35 durchgelassene Lichtbündel (in der Figur mit 51 bezeichnet) passiert den elektro-optischen Modulator 37. Die beiden elektro-optischen Modulatoren können z. B. KDDP-Kristalle sein. An den elektro-optischen Modulator 38 wird aus der Wechselspannungsquelle 39 ein axiales elektrisches Feld mit der Größe /4ncosoj/ angelegt, während an den elektro-optischen Modulator 37 aus derselben Quelle 39 unter Zwischenschaltung des Phasenverschiebungsnetzwerks 40 ein axiales elektrisches Feld mit der Größe flbsin oj /angelegt wird.

Der Polarisationszustand der elliptisch polarisierten Lichtbündel, die auf die Modulatoren auffallen, wird von den Modulatoren gemäß der cos oj /- bzw. der sin oj f-Funktion beeinflußt. In der λ/4-Platte 45 bzw. 46 wird das elliptisch polarisierte Lichtbündel in ein linear polarisiertes Lichtbündel umgewandelt. Zu diesem Zweck schließen die Hauptrichtungen der Platten Winkel von 45" mit den Polarisationsrichtungen der auf das Referenzraster 32 auffallenden Teilbündel ein. Die aus den λ/4-Platten 45 und 46 austretenden linear polarisiürten Lichtbündel, deren Polarisationsebene sich gemäß ei"er cos oj t- b;:w. einer sin oj I-Funktion dreht, fallen auf Analysatoren 41 bzw. 42, deren Polarisationsrichtungen einen Winkel von 45° miteinander einschließen.

Die auf die Detektoren 43 und 44 auffallenden Bündel können durch

/^Jcos int sin Ikz + 2

und

P sin w

fcz + 2\)

⁴" Haropctpllt wprHpn Dahpi i«l Jr= — währpnd 7 Hip

Lage des Rasters 30 und α den Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des auf das Raster 30 auffallenden Lichtbündels und der Polarisationsrichtung des Polari-J-) sators 42 darstellt.

Die in den Detektoren 43 und 44 erzeugten elektrischen Signale lassen sich nun elektrisch einfach verarbeiten. Addition ergibt eine elektrische Größe, die mit:

'" sin (ω t+kz+2tx)

proportional ist

in Fig.4 ist der Polarisationszustand jedes der Teilbündel auf der Poincareschen Kugel dargestellt Die

einander gegenüber auf dem Äquator liegenden Punkte D und E stellen die Polarisationszustände der linear polarisierten Teilbündel an der Stelle des Referenzrasters 32 dar. Der Punkt Fauf dem großen Kreis, dessen Ebene quer auf der Linie D-E steht stellt den

bo Polarisationszustand der in Richtung zusammenfallenden Teilbündel, die das Raster 32 durchlaufen haben, dar. In den elektro-optischen Kristallen 37 und 38 wird dieser Polarisationszustand moduliert Fi und F₂ bezeichnen die Enden der Linie, die diesen modulierten

bs Polarisationszustand darstellt Nach dem Durchlaufen der λ/4-PIatte 45 bzw. 46 wird der Polarisationszustand der Teilbündel durch den Linienteil G₁G₂ auf dem Äquator dargestellt

Es ist einleuchtend, daß für jedes der sechs Raster (siehe F i g. 2) ein System der in F i g. 3 dargestellten Art benötigt wird.

In der Vorrichtung nach F i g. 3 kann der Schirm 34 in dem Teilbündel c der Ordnung -I statt in dem Teilbündel b der Ordnung 0 angebracht werden. Auch karte., statt eine Λ/2-Platte in dem Teilbündel a anzubringen, sowohl in diesem Teilbündel als auch in dem Teilbündel c eine λ/4-Platte angebracht werden, wobei die Hauptrichtungen dieser Plattf.ii einen Winkel von +45° bzw. einen Winkel von -45° mit der Richtung des einfallenden Teilbündels einschließen. Es ist dann erforderlich, daß in dem Gang der in Richtung

zusammenfallenden Teilbündel für jeden der elektrooptischen Kristalle eine Λ/4-Platte angeordnet ist, deren entsprechende Hauptrichtungen einen Winkel von 90° mit denen der Platten 45 bzw. 46 einschließen. Diese λ/4-Platten können auch durch eine einzige zwischen dem Referenzraster 32 und dem Teilspiegel 35 angebrachte λ/4-Platte ersetzt werden. Es ist einleuchtend, daß das Maskenmuster nicht durch das Kontaktverfahren dem Substrat zugesetzt zu werden braucht; dies kann auch durch Abbildung erfolgen. In diesem Falle wird der gleiche Positionierungsvorgang angewandt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Einstellung einer eine Vielzahl gleicher Elemente enthaltenden Maske in bezug auf ein Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Muster verwendet werden, die aus je mindestens drei rasterförmigen Konfigurationen (5, 6; 15, 16; 17, 18) bestehen, von denen zwei (5, 6; 15, 16) senkrecht zueinander orientiert sind und in einem gegenseitigen Abstand liegen, der klein ist in bezug auf den Abstand dieser beiden Konfigurationen von einer dritten Konfiguration (17,18), deren Nutenrichtung zu der Verbindungslinie zwischen dieser Konfiguration und den beiden erstgenannten Konfigurationen nahezu parallel ist, wobei das eine Muster (5; 15; 17) starr mit dem Substrat (1) und das andere (6; 16; 18) starr mit der Maske (2) verbunden ist, daß Abbildungen der beiden Muster etwa an der Stelle eines Referenzmusters erzeugt werden, das ebenfalls aus mindestens drei rasterförmigen Konfigurationen besteht, von denen zwei zu der dritten senkrecht orientiert sind, derart, daß der gegenseitige Abstand zweier der rasterförmigen Konfigurationen klein ist in bezug auf den Abstand der beiden senkrecht zueinander orientierten Konfigurationen von der dritten Konfiguration, und daß die für die Abbildung verwendete Strahlung nach Wechselwirkung mit dem Referenzmuster drei Detektorenpaaren zugeführt wird, in denen elektrische Signale erzeugt werden, deren gegenseitiger Phasenurcterschkd ein Maß für die gegenseitige Lage der beiden Muster ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch ', dadurch gekennzeichnet, daß dem Referenzmuster in bezug auf die Abbildung eine Bewegung erteilt wird, die eine Geschwindigkeitskomponente in den Periodenrichtungen der rasterförmigen Konfigurationen des Referenzmusters aufweist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang einer linear polarisierten Lichtquelle zu jedem der Detektoren ein elektrooptischer Modulator angeordnet ist und die durch Beugung an den rasterförmigen Konfigurationen erhaltenen Teilbündel verschiedener Beugungsordnungen dadurch verschieden polarisiert sind, daß ein phasenanisotropes Element in mindestens einem der Teilbündel angebracht wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der rasterförmigen Konfigurationen aus mindestens zwei Teilen aufgebaut ist, deren Perioden etwas voneinander verschieden sind.