DE2427323C2 - Verfahren zur automatischen Positionierung der Bild- und/oder Objektflächen bei optischen Kopiervorrichtungen - Google Patents

Description

Mill Diese Aufgaben konnten mit den bisher bekann- ?^^erfahren und Vorrichtungen zur Scharfeinstellung '^iPrtn gelöst werden.

iÄ^SiJΓ Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ipti Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung iSr' es Verfahrens anzugeben, mit dem die Lage der fllirvhe eines abzubildenden Objekts und die die Abbil-StWÜfLfnehmende Fläche möglichst optimal mit den ÖlSlorgegebenen Lagen der Objekt- und BUdebei* Wk (»tischen Systems zur Deckung gebracht werden SI rn Darüber hinaus sollen auch Abweichungen von Ä^r Winkellage um die optische Achse und um eine ffl*€L mehrere senkrecht zur optischen Achse verlaufen- ^^:a Richtungen leicht feststellbar und korrigierbar sein. ^¹ niese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein i^v Vf-hren _zur automatischen Positionierung der BiId- t'i^Atnder Objektflächen bei optischen Kopiervornch- ^SSS insbesondere bei Vorrichtungen zum Projek-Ä*SSoDieren von Masken auf Halbleiterpläuchen zur S" Stellung von integrierten Schaltungen gelöst, das Β- Shgekennzeichnet ist, daß ein in der Bild- und/ S «der Objektebene fokussierter Strahl auf diesen Ebe-SS !en entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt wird, ff "T« _der Fokussierungszustand des Strahls auf den BiIdft «nd/oder Objektflächen laufend automatisch über- ^:m I^cht wird und daß bei Auftreten von Defokussierung I ortsabhängige Signale erzeugt werden, die zur Anzeige * SnSoder zur Korrektur von Abwe.chungen des Parali^f Sistandes. der Winkellage um die optische Achse ^: ind um zwei zu dieser senkrechten Achsen von der 4 sSage der Objekt- bzw. Bildflächen verwendet wer-

^dCMit dem erfindungsgemäßen Verfahren können so-Jtsowohl für die Objektfläche als auch für die B.ldfla-' Se jeweils sechs Fehlerparameter festgestellt und kor-

rigiert werden:

1 Translationen in der X-Richtung

2 Translationen in der K-Richtung

3'. Translationen in der Z-Richtung (Richtung der optischen Achse) ^4t

4. Drehungen um die optische Achse

5. Kippungen um die X-Achse

6. Kippungen um die V-Achse

Auf Grund dieser Fehterparameter können beispielsweise mit Hilfe eines Analogrechners oder nach Digita-Hsierung mittels eines digitalen Komputers Steuersignale erzeugt werden, die die zugeordneten Fehler grierten Halbleiterschaltungen erforderlich «st. Dieses hohe Auflösungsvermögen und eine sehr gute Verzerrungsfreiheit sind unter anderem auch deshalb ertorderlich. weil Schalt- und Leitungselemente mit Uurcnmessern in der Größenordnung von μπι und weniger bei sehr hohen Packungsdichten wiedergegeben und mit in früheren Arbeitsgängen bereits aufgebrachten Strukturen exakt überlagert werden müssen.

Da die Schärfentiefe bekanntlich mit dem Quadrat des Auflösungsvermögens abnimmt und due gesamte Fläche des Halbleiterplattchens 7 aus Rationalisierungsgründen auf einmal belichtet werden soll, ist eine äußerst genaue Positionierung der Flächen der elemente 4 und 7 erforderlich, die sich nicht nur auf verschiebungen in Richtung der optischen Achse 8 IKicntungen Z, Z% sondern auch auf Kippungen umdieX, YX' und Y'-Achsen, ausgedrückt durch d.e Winke «, fl.«', β¹, erstreckt. Außer der durch die obengenannten Sechs Parameter definierten Scharfeinstellung müssen Maske und Halbleiterplättchen bezüglich der auf ihnen befindlichen Muster noch aufeinander ausgerichtet sein. Diese Ausrichtung kann durch Jranslationsbewe^ gungen in Richtungen der Achsen X. Y. X . V^ sowie durch Drehung um die optische Achse (Z-Achse . aus gedrückt durch die Winkel γ und/. ^α"^?^^. den. Diese insgesamt 12 Fre.he.tsgrade berud««*« gende Einstellung kann bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit und bei genügend zur Verfugung ste hender ZeU auch durch visuelle Beobachtung und ma nuelles Justieren durchgeführt werden. Automatuch ar beitende optische Vorrichtungen zur gegenseuigen

Ausrichtung von Maske und HaWerplaJ^ lieh Translation und Drehung um die optische Achse

sind grundsätzlich, beispielsweise durch die üteratur stelle IBM Technical Disclosure Bulletin. VoL 10. Nr. 1\. April 1968, S. 1817 und 1818 bekannt Deshalb vMrd zu Vereinfachung der Darstellung im ω^Ρ^™^ rungsbeispiel der Erfindung nur die Überführung der Sachen von Maske und Halbleiterpläuchen in die ObfeS bzw Büdebene des abbildenden optischen Sye^kms^bumer Berücksichtigung der erstgenannten _sechs Parameter beschrieben. Es ist aber ohne weiteres er sichtlich, daß die durch die Abtastung von Mm ke und Halbleiterplättchen gewonnenen Signale auch^ur eine gegenseitige Ausrichtung dieser beiden Elemente ver

Ausfüh^ngsbeispie. weist

pÄgSS

uie criiiiuuu£ "..~ anschließend an Hand der Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Abbildungsstrahlenganges einer Projektionsrichtung mit den Flächen einer Maske und eines Halbleiterplattchens und den 12 möglichen Abweichungen von deren Solla-

gen.

Fig.2 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird eine von einer Lichtquelle 1 ausgehende Strahlung 2 durch eine Linse 3 in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt, das eine Maske 4 durchsetzt. Die Maske wird mit Hilfe von Linsen 5 und 6 auf ein mit Photolack beschichtetes Halbleiterplättchen 7 abgebildet. Das aus den Linsen 5 und 6 bestehende abbildende System hat ein extrem hohes Auflösungsvermögen, wie es zur Belichtung von mit Photolack überzogenen Halbleiter-

'■ -- hei der Herstellung von miniaturisierten interichtung 13 vergrößert Anschließend wird dieser Strahl durch einen Strahlenteiler 14. _em rotierendes durch einen Motor 15M angetriebenes Prisma 15, e.ne UnS feinen .weite. Strahlenteiler 11'auf e.ne Ma* ke 18 und über zwei weitere Linsen 19 und 20 auf ein zu beiidiSta Halbleiterplättchen 21 fokussierj^ mit i Photolackschicht 21p überzogen ist Die Maske

Bulletin, Vol. 5, Nr. 2, Juli 1972, S. 504 und 505, beschrieben wird, erkannt werden kann. Die an den Flächen der Maske 18 und des Halbleiterplättchens 21 reflektierte Strahlung gelangt auf den gleichen Weg zurück zum Strahlenteiler 14 und von dort über eine Linse 22 zu einem aus einer Linse 22, einem Strahlenteiler 24, Lochblenden 25,26, Photodetektoren 27, 28 und einem Differentialverstärker 29 bestehenden Fokussierungsdetektor 30. Fällt der vom Laser 11 ausgehende Strahl 12 beispielsweise auf einen reflektierenden Bereich der Maske 18, der exakt in der Objektebene 18o liegt, so wird diese Tatsache durch ein Signal am Ausgang 31 des Fokussierungsdetektors 30 angezeigt. Liegt die reflektierende Fläche der Maske nicht genau in der Objektebene 18o, so zeigt das am Ausgang 31 auftretende Signal Richtung und Betrag der Abweichung von der Sollage an. Da Abweichungen der Maske 18 von der Sollage nicht nur durch eine Verschiebung in Richtung der optischen Achse O unter Bfeibehaltung der Parallelität zur Objektebene, sondern auch durch Kippungen entstehen können, müssen laufend eine Vielzahl von Objektpunkten auf ihre richtige Lage in bezug auf die Objektebene untersucht werden. Zu diesem Zweck ist das rotierende Prisma 15 vorgesehen, durch das der verbreiterte Lichtstrahl 12 auf einem Kegelmantel bewegt wird. Das hat zur Folge, daß die Mittellinie des die Linse 16 verlassenden Strahls ebenfalls einen Kegelmantel beschreibt und daß der in der Objektebene 18o fokussierte Strahl auf einer Kreisbahn bewegt wird. Da die Maske zumindest bereichsweise durchsichtig ist, beschreibt auch der auf der Bildebene 21 ύ fokussierte Strahl eine Kreisbahn. Da Masken in der Regel eine große Zahl von Ausnehmungen aufweisen, wird der diese Ausnehmungen durchsetzende Strahl auf dem Halbleiterplättchen 21 auf einer Vielzahl von auf einer Kreisbahn liegenden Punkten lokussiert. Sowohl das an der Maske 18 als auch das am Halbleiterplättchen 21 reflektierte oder gestreute Licht gelangt in der oben beschriebenen Weise zum Fcikussierungsdetektor 30, dessen Ausgangssignale mit den durch eine Anzeigevorrichtung 15/4 für die Drehlnge des Prismas 15 gelieferten Signalen in der Verarbeitungsvorrichtung 32 kombiniert werden. In dieser Vorrichtung werden auch die durch Reflexion oder Streuung an der Maske 18 und am Halbleiterplättchen 21 entstehenden Signale, beispielsweise auf Grund der durch die unterschiedlichen Reflektivitäten der Objekt- und Bildflächen bedingten verschiedenen Intensitäten, voneinander getrennt Die die Lage der Maske und des Halbleiterplättchens angegebenen Signale werden aufgetrennten Leitungsbündeln 33, 34, Vorrichtungen 41, 42 und 43 zur steuerbaren Lageänderung der Maske 18 und des Halbleiterplättchens 21 zugeführt

Ϊ Das am Ausgang 31 des Differentialverstärkers 29 auftretende integrale, d. h. über mindestens eine volle Umdrehung des Prismas 15 gemittelte Signal, gibt den Abstand der Fliehe der Maske 18 von der Objektebene IBo nach Richtung und Größe an, während die Momentanwerte dieses Signals den Abstand des jeweils abgetasteten Objektpunktes von der Objektebene definieren. Das gleiche gilt für die durch Reflexion oder Streuung am Halbleiterplättchen 21 entstehenden Signale.

Werden diese Signale mit <ien von der Vorrichtung 15.4 zur Anzeige der Drehlage des Prismas 15 erzeugten Signalen kombiniert erhält man die über die Leitungsbündel 33, 34 übertragenen Informationen über die X-V-Koordinaten der jeweils abgetasteten Objekt- und/oder Bildebenenpunkte :iowie deren Entfernung von der Objekt- bzw. Bildebene. Die Lage des fokussierten Strahls 12 auf der Objekt- und der Bildfläche wird durch die jeweilige Drehlage des Prismas 15 definiert, während die Entfernung der jeweils abgetasteten Punkte von den Objekt- bzw. Bildebenen 18o bzw. 21 b durch den vom Fokussierungsdetektor 30 angezeigten jeweiligen Fokussierungszustand des abzutastenden Strahls eindeutig definiert wird. Entsprechende Steuersignale werden Ober die Leitungsbündel 41, 42 und 43

ίο übertragen, die durch unterschiedliche Verschiebung der stangenförmigen Elemente 41a, 41 ύ, 42a, 426 und 43a bis 43 J die Maske 18 und/oder das Halbleiterplättchen 21 entweder parallel zu sich selbst in Richtung der optischen Achse O verschieben und/oder um die X-Achse, die V-Achse oder beide diese Achsen kippen. Auch eine gleichzeitige Durchführung aller dieser Bewegungen ist möglich. Auf diese Weise werden die Maske und das Halbleiterplättchen in ihre Sollagen überführt. In diesem Zusammenhang sei darauf hinge wiesen, daß in der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung die mit 41 ft, 426,43i und 43f/ bezeichneten stangenförmigen Elemente nicht sichtbar sind, da sie hinter den entsprechenden mit 41a, 42a, 43a und 43c bezeichneten stangenförmigen Elementen verborgen sind. Sobald sich die Maske 18 und das Halbleiterplättchen 21 in ihren Sollagen befinden, wird durch die Verarbeitungsvorrichtung 32 eine Blitzlampe 50 betätigt, deren Spektralbereich im Empfindlichkeitsbereich der das Halbleiterplättchen 21 bedeckenden Photolackschicht 21p liegt. Selbstverständlich liegt der Spektralbereich des Lasers 11 außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs dieser Photolackschicht Treten auf den Leitungsbündeln 33,34 sich ohne feste Beziehung zur Drehlage des Prismas 15 schnell ändernde Signale auf, so ist dies ein Hin- weis auf das Vorliegen von unregelmäßig über die Objekt und/oder die Bildfläche verteilten Unebenheiten. Auch Verwindungen der Objekt- und Bildfläche können mit dieser Vorrichtung festgestellt und durch entsprechende Verschiebungen von Objekt- und/oder

Bildfläche entweder vollständig oder durch Einstellung einer Mittellage zumindest weitgehend unschädlich gemacht werden.

Das Prisma 15, das in einer mit einem Zahnkranz 15Z versehenen Halterung 15W um die nicht dargestellte

Mittellinie des den Laser 11 verlassenden Strahles 12 drehbar angeordnet ist lenkt in seiner mit ausgezogenen Strichen dargestellten Lage den Strahl 12 auf sei nen durch ausgezogenen Linien dargestellten Weg ab. während es in seiner durch strichpunktierte Linien dar-

gestellten Lage den Strahl auf einen mit strichpunktierten Linien dargestellten Weg ablenkt Die Drehung der Prismenhalterung 15// wird über den Zahnkranz 15Z, der mit einem Zahnrad 15/? zusammenarbeitet durch den Elektromotor 15Af bewirkt

Der in den Fokussierungsdetektor 30 eintretende, von der Maske 18 und vom Halbleiterplättchen 21 reflektierte Strahl wird über die Linse 23 und den Strahlenteiler 24 einerseits hinter der Blende 26 und andererseits vor der Blende 25 fokussiert Die Anordnung ist so

*> getroffen, daß, wenn die streuende oder reflektierende Fliehe der Maske 18 in der Objektebene liegt die öffnungen der Masken 25 und 26 von gleichen Lichtmen gen durchsetzt werden. Das hat zur Folge, daß den beiden Eingingen des Differentialverstärkers 29 elektri sehe Signale gleicher Größe und Polarität zugeführt werden. Jede Verschiebung der reflektierenden oder streuenden Fläche der Maske 18 bewirkt eine gleichsinnige Verschiebung der hinter der Maske 26 und vor der

Io

Maske 25 liegenden Brennpunkte, so daß den Pholodetektoren 27,28 unterschiedliche Lichtintensitäters zugeführt werden, was zur Folge hat. daß auch die den beiden Eingängen des Differentialverstärkers 29 zugeführten elektrischen Signalen unterschiedliche Höhen aufweisen. Je nachdem, in welcher Richtung die reflektierende oder streuende Fläche der Maske 18 von ihrer Sottege, d. h. von der Objektebene 18o abweicht, werden entweder dem Photodetektor 27 oder dem Photodetektor 28 größere Lichtintensitäten zugeführt, was zur Folge hat, daß die am Ausgang 31 des Differentialverstärkers auftretenden Signale durch ihre Polarität

die Richtung und durch ihre Größe den Betrag der Abweichung der jeweils abgetasteten Fläche der Maske 18 von ihrer Sollage anzeigen. Das gleiche gilt für die am Halbleiterplättchen 21 gestreuten oder reflektierten Strahlen.

Zur Vereinfachung der Darstellung wurden die an sich bekannten Mittel zur Verschiebung der Maske t8 und des Halbteiterplattchens 2< in Richtung der zu den Ebenen iSo und 216 parallel verlaufenden X )-Koordinaten und zu deren Drehung urn die optische Achse O nicht dargestellt, da derartige Vorrichtungen, wie weiter oben bereits angeführt, an sich bekannt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: Halbleiterplättchen (21) tragenden Supporte (18 21s) in ihre Sollagen überführen.

1. Verfahren zur automatischen Positionierung der Bild- und/oder Objektflächen bei optischen Kopiervorrichtungen, insbesondere bei Vorrichtungen zum Projektionskopieren von Masken auf Halbleiterplättchen zur Herstellung von integrierten Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Objekt- und/oder Bildebene (18o, 216) fokussierter Strahl (12) auf"diesen Ebenen entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt wird, daß der Fokussierungszustand des Strahls auf den Objekt und/oder Bildflächen laufend automatisch überwacht wird und daß bei Auftreten von Defokussierung ortsabhängige Signale erzeugt werden, dis zur Anzeige und/oder zur Korrektur von Abweichungen des Parallelabstands, der Winkellage um die optische Achse und um zwei zu dieser senkrechten Achsen von der Sollage (18o. 216) der abgetasteten Fläche der Maske (18) und der Fläche des abgetasteten Halbleiterplättchens (21) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierte Strahl auf der Objekt- und/oder Bildebene eine geschlossene Bahn, vorzugsweise eine Kreisbahn, beschreibt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Objekt- und Bildebene (18o, 216) abtastende Strahl gleichzeitig Markierungen auf der Objekt- und/oder der Bildfläche (18, 21) abtastet, daß die zeitlichen Abstände zwischen dem Auftreten der durch Streuung oder Reflexion an den Markierungen auftretenden Lichtimpulse oder deren zeitliche Lage in bezug auf Sollzeitpunkte gemessen werden und daß bei Auftreten von Abweichungen Signale erzeugt werden, die zur Anzeige und/oder Korrektur dieser translatorischen oder durch eine Rotation bewirkte« Abweichungen verwendet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine einen Lichtstrahl (12) erzeugende Lichtquelle (11), einen von diesen Strahl durchsetzten Strahlenteiler (14) und ein um die Mittelachse des Strahles (12) rotierendes Prisma (15), durch eine Linse (16), die die von der Lichtquelle (11) ausgehende Strahlung über einen Strahlenteiler (17) auf eine Maske (18) und durch diese hindurch über Linsen (19, 20) auf ein Halbleiterplättchen (21) fokussiert, sowie durch einen Fokussierungsdetektor (30), dem die an dem Halbleiterplättchen (21) und/oder der Maske (18) reflektierten oder gestreuten Strahlen über den Strahlenteiler (14) und eine Linse (22) zugeführt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseihheit (32), deren Eingängen die am Ausgang (31) des Fokussierungsdetektors (30) und die von einer Einheit (15/4) zur Anzeige der jeweiligen Drehlage des Prismas (15) kommenden Signale zugeführt werden und deren ein Ergebnis der Verarbeitung der jeweiligen Ortskoordinaten der jeweils auf der Maske (18) und dem Halbleiterplättchen (21) abgetasteten Punkte sowie die Abweichungen dieser Punkte von ihren Sollagen berücksichtigenden Ausgangssignale über Leitungsbündel (33, 34) an Steuereinheiten (41, 42, 43) übertragen werden, die über stangenförmige Elemente (41a bis 43d) die die Maske (18) und das Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automat] sehen Positionierung der Bild- und/oder Objektflächei bei optischen Kopiervorrichtungen, insbesondere be ίο Vorrichtungen zum Projektionskopieren von Maskei auf Halbleiterplättchen zur Herstellung von integrier ten Schaltungen.

Bei Kopier- und Projektionsvorrichtungen ist mar neuerdings bestrebt, die Scharfeinstellung der opti sehen Systeme, d. h. die Überführung der Bild- und Ob jektfläehen in die Bild- bzw. Objektebene automatisch durchzuführen. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in der DT-PS 10 87 372, 12 31445 und 19 62 5J5 beschrieben. Dabei handelt es sich durchwegs um Vorrichtungen zur automatischen Anpassung der Brennweiten der abbildenden Systeme an die vorgegebene Lage von Objekt- und/oder Bildflächen. Bei einem Diaprojektor bedeutet das z. B. eine derartige Veränderung der Einstellung des abbildenden Systems, daß ein Diapositiv trotz zufälliger nichtbeherrschbarer Lageänderungen stets optimal scharf auf der Projektionswand abgebildet wird. Geringfügige Kippungen der Objekt- oder der Bildfläche stören entweder nicht oder werden durch Bestimmung einer Mittellage der gekippten Objekt- oder Bildfläche auf der optischen Achse berücksichtigt.

Eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung wird beispielsweise in der Literaturstelle »IBM technical disclosure Bulletin«, Vol. 15, Nr. 2, Juli 1972, S. 504 und 505, beschrieben.

Wesentlich komplizierter liegen die Verhältnisse bei Projektionsgeräten zur Durchführung der Photolitographie bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen. Da bei diesen Geräten bei sehr kleinen Schärfontiefenbereichen extreme Anforderungen an die Schärfe und die Verzerrungsfreiheit der auf die mit Photolack überzogenen Halbleiterplättchen projizierten Maskenabbildungen gestellt werden, genügt eine Änderung der Brennweite oder eine Verschiebung der Objekt- und/oder Bildfläche entlang der optischen Achse nicht mehr. Ist nämlich die Objekt- oder Bildfläche um eine oder um zwei zur optischen Achse senkrecht liegende Achsen gekippt, so kann durch eine Verschiebung in Richtung der optischen Achse immer nur ein Teilbereich der Bildfläche maximal scharf eingestellt werden. Bei einer Veränderung der Brennweite der Projektionsoptik ist außer den obenerwähnten Nachteilen noch die Tatsache zu berücksichtigen, daß mit einer Brennweitenänderung in der Regel immer

auch eine Änderung der Vergrößerung verbunden ist. Da mit fortschreitender Miniaturisierung integrierte Halbleitei schaltungen mit immer kleineren Schalt- und Leiterelementen und immer höheren Packungsschichten gebaut werden, werden auch immer höhere Anforderungen an das Auflösungsvermögen, an eine gleichbleibende Vergrößerung, an die Verzerrungsfreiheit und an eine optimale Scharfeinstellung der gesamten Abbildung gestellt. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten werden noch dadurch verschärft, daß zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Produktion Halbleiterplättchen mit immer größeren Durchmessern gleichzeitig durch eine einzige oder zumindest mit möglichst wenigen Abbildungen nacheinander belichtet werden