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Verfahren zum Projektionskopieren
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von Masken auf ein Werkstück
Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Projektionskopieren von Masken auf ein Werkstück, insbesondere
auf ein Halbleitersubstrat zur Herstellung integrierter Schaltungen, wobei Maskenmuster
mittels eines Belichtungslichtes über ein Projektionsobjektiv auf einer photoempfindlichen
Schicht des Werkstückes ausgebildet werden und zumindest vor der Belichtung eines
bereits einmal markierten Werkstückes Ausrichtmuster der Maske und Justiermarken
des Werkstückes relativ zueinander ausgerichtet werden, indem korrespondierende
Justiermarken und Ausrichtmuster mittels vom Werkstück reflektierten Justierlichts
ineinander abgebildet werden.
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Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen ist es unter anderem
notwendig, daß auch mit einer photoempfindlichen Schicht überzogene, scheibenförmige
Halbleitersubstrate Masken mit bestimmten Mustern kopiert werden. Vor dem Kopiervorgang
muß zumindest dann, wenn das Substrat bereits Schaltungselemente aufweist, Maske
und Substrat zueinander ausgerichtet werden, um die Abbildung an einem genau vorbestimmten
Bereich durchführen zu können.
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Für diesen Ausrichtvorgang bringt man auf der Maske Ausrichtmuster
an, welche beispielsweise die Form eines transparenten Fensters haben, während auf
dem Halbleitersubstrat Justiermarken ausgebildet sind. Diese Justiermarken bestehen
beispielsweise aus einer linienförmigen Kerbe in einer SiO2-Schicht des Halbleitersubstrates.
Zur Bildung eines Ausrichtkriteriums werden korrespondierende Justiermarken und
Ausrichtmuster mittels vom Werkstück reflektierten Justierlicht ineinander abgebildet.
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Für die meisten visuell - manuellen Justierverfahren ist es bekannt,
als Justierbeleuchtung polychromatisches Justierlicht zu verwenden. Die Lichtquelle
ist dann beispielsweise eine Glühlampe oder eine Xenonlampe, sodaß das Spektrum
des Justierlichts von etwa 500 nm bis ins Infrarote reicht. Grundsätzlich haftet
dem Justieren mit polychromatischem Licht jedoch eine Reihe von Nachteilen nach.
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Das Justiersignal soll nicht nur hohe Intensität, sondern insbesondere
hohen Kontrast aufweisen, woraus folgt, daß das Justierlicht von der Justiermarke
auf der Halbleiterscheibe gut moduliert sein soll. Man kann eine Justiermarke auf
dem Halbleitersubstrat als scharf voneinander abgegrenzte Regionen hohen und niedrigen,
von der Wellenlänge abhängigen Reflexionsvermögens auffassen, wobei sich diese Regionen
durch den Schichtaufbau des Halbleitersubstrats unterscheiden. Bei breitbandiger
Beleuchtung sind nun dem vom Halbleitersubstrat reflektierten Justierlicht nicht
oder schwächer modulierte Anteile beigemischt, wodurch der Kontrast leidet.
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Aus den oben genannten Gründen, und deshalb weil die Abbildungsleistung
der für das Justieren verwendeten Objektive für monochromatisches Licht besser ist,
verwendet man insbesondere bei den meisten automatischen Justierverfahren Justierlicht
mit einem relativ schmalen Spektrum. (In der Größenordnung von einigen nm) Ein solches,
bekanntes System verwendet für die Justierung die Belichtungslichtquelle, welche
meist eine Quecksilberdampflampe ist. Die Justierung erfolgt dann schitalbandig
entweder bei 547 nm oder bei 579 nm mit schwacher Intensität, um eine Vorbelichtung
der photoempfindlichen Schicht auf dem Halbleitersubstrat zu vermeiden.
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Ebenso ist es bekannt, für die Justierung eine eigene Justierlichtquelle
mit einem schmalen Spektrum zu verwenden.
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es Wie bereits erwähnt, ist für ein gut auswertbares Justiersignal
notwendig, daß dieses neben hoher Intensität auch hohen Kontrast aufweist. Beide
Größen werden durch die herstellungsprozeßbedingte Schichtenfolge auf der Halbleiterscheibe
mitbestimmt. Die Schichten auf der Halbleiterscheibe sind in ihren Eigenschaften
durchaus mit optischen Schichten vergleichbar. Wenn auch die Schichtdicken ein Vielfaches
der Justierwellenlänge sind, so kommt es doch wegen der großen
Kohärenzlänge
des Justierlichtes zu störenden Interferen erscheinungen, d.h. das vom Halbleitersubstrat
reflektierte Justierlicht wird in vielen Fällen sehr stark geschwächt.
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Dadurch leidet sowohl die Intensität als auch der Kontrast des Justiersignals.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Projektionskopieren
von Masken insbesondere auf ein Halbleitersubstrat dahingehend zu verbessern, daß
weitgehend unabhängig von der Schichtenfolge auf dem Halbleitersubstrat ein intensitätsstarkes
und kontrastreiches Justiersignal zum Ausrichten von Maske und Halbleitersubstrat
relativ zueinander gegeben ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich hiezu dadurch aus, daß
das Justierlicht zumindest zwei voneinander beabstandete, schmale Wellenlängenbereicht
umfaßt, in denen die photoempfindliche Schicht des Werkstückes nicht oder nur geringfügig
absorbierend bzw. empfindlich ist, daß die Intensität des vom Werkstück reflektierten
Justierlichts bestimmt und daß ein Ausrichsignal von dem Justierlicht des Wellenlängenbereichs
mit der größeren Intensität erzeugt wird.
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Dadurch wird sichergestellt, daß weitgehend unabhängig von der Schichtenfolge
bzw. Schichtdickenkombination auf dem Halbleitersubstrat stets ein hinsichtlich
Intensität und Kontrast optimales Justiersignal erreicht wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und unter Bezugnahme
auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert.
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Dabei zeigen dieFig. 1 ein Blockschema der erfindungsgemäßen Anordnung
zum Projektionskopieren von Masken auf ein Halbleitersubstrat, die Fig la das Schema
einer Maske, deren Muster auf dem Halbleitersubstrat abzubilden ist, die Fig. 1b
einen Ausschnitt aus dem Halbleitersubstrat, die Fig. 2a einen Querschnitt des Halbleitersubstrats
im Bereich einer Justiermarke, die Fig. 2b das Abbild der Justiermarke auf dem Halbleitersubstrat
und des Ausrichtmusters auf der Maske, die Fig. 2c die Intensität des vom Halbleitersubstrat
reflektierten Justierlichts in der Richtung
normal zu der linienförmigen
Justiermarke, die Fig. 3 die Intensität des vom Halbleitersubstrat reflektierten
Justierlichts in Abhängigkeit von der Dicke prozeßbedingter Schichten und die Fig.
4 die Intensität des vom Halbleitersubstrat reflektierten Justierlichtes, welches
zwei bevorzugt vorgesehene, voneinander beabstandete Spektrallinien umfaßt.
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In der Fig. 1 ist eine Einrichtung zum Projektionskopieren von Masken
auf ein Halbleitersubstrat dargestellt, welche aus einer Belichtungslichtquelle
1, der Maske 2, dem Projektionsobjektiv 3 und dem Halbleitersubstrat 4 besteht Vor
der Abbildung des Maskenmusters auf einer photoempfindlichei Schicht des Halbleitersubstrats
müssen Maske und Halbleitersubstrat relativ zueinander ausgerichtet werden. Wie
in der Fig. 1a dargestellt, weist die Maske 2 hiezu außerhalb des Schaltungsmusters
11 angeordnete Ausrichtmuster 5 auf, welche im vorliegenden Fall aus einem rechteckigen,
transparenten Fenster bestehen. Nach Fig. 1b sind auf dem Halbleitersubstrat 4 im
Projektionsbereich 13 des Projektionsobjektivs 3 entsprechende, linienförmige Justiermarken
12 angeordnet. Die Ausrichtmuster und Justiermarken können aber selbstverständlich
auch innerhalb des für das Schaltungsmuster vorgesehenen Bereichs angeordnet sein.
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Nach der Erfindung ist nun für den Justiervorgang eine Justierlichtquelle
10 vorgesehen, welche Justierlicht in zumindest zwei voneinander beabstandeten,
schmalen Wellenlängenbereichen emittiert. Dieses Justierlicht wird über einen Spiegel
14 auf die Ausrichtmuster 5 der Maske 2 geworfen und beleuchtet über das Projektionsobjektiv
3 die entsprechenden Bereiche auf dem Halbleitersubstrat 4, in denen die zugeordneten
Justiermarken 12 liegen. In Rückprojektion werden nun mittels vom Werkstück reflektierten
Justierlichts, welches einen semitransparenten Spiegel 6 durchdringt, zugeordnete
Justiermarken 12 und Ausrichtmuster 5 auf eine photoelektrische Auswerteeinrichtung
7 abgebildet.
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Diese Ausdwerteeinrichtung 7 enthält zwei Filter 8 und 8', welche
auf beiden, voneinander beabstandeten Wellenlängenbereichen A l und\ 2 abgestimmt
sind. Den Filtern8 und 8'ist ein Auswahlschalter 9 nachgeordnet, welcher von dem
Justierlicht des Wellenlängenbereichs mit der größeren Intensität ein Ausrichtsignal
X erzeugt.
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In der Fig. 2a ist ein häufiger Schichtaufbau des Halbleitersubstrats
4 im Bereich einer Justiermarke 12 dargestellt.
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Demnach besteht das Halbleitersubstrat 4 aus einem Grundkörper 17
aus Silizium, auf dessen Oberfläche eine SiO2-Schicht 15 angeordnet ist. Die linienförmige
Justiermarke 12 ist von einer Kerbe in der SiO2-Schicht 15 gebildet. Das gesamte
Halbleitersubstrat ist von einer photoempfindlichen Schicht 16 bedeckt, in welche
das Schaltungsmuster der Maske übertragen werden soll. Da die optischen Eigenschaften
der photoempfindlichen Schicht und der SiO2-Schicht 15 ähnlich sind, kann das Halbleistersubstrat
4 als reflektierender Körper 17, der von einer teilweisen reflektierenden Schicht
mit der Dicke a bedeckt ist, aufgefaßt werden. Ein intensitätsstarkes und kontrastreiches
Justiersignal kann man nur dann erhalten, wenn das Reflexionsvermögen der auf dem
Halbleitersubstrat 4 befindlichen Schichtkoinbination mit der Dicke d ausreichend
groß ist,d.h. wenn die Bedingung für konstruktive Interferenz erfüllt ist. Diese
Bedingung lautet d = j . & wobei j eine natürliche Zahl, x die Vakuumwellenlänge
des Justierlichtes und n der Brechungsindex der Schicht ist.
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Mit anderen Worten ist also die Intensität des vom Halbleitersubstrats
reflektierten Justierlichts 1o' nur dann ausreichend groß, wenn die Schichtdicke
d eine geradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Justierlichts ist.
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Eine wesentliche Schwächung des vom Halbleitersubstrats reflektierten
Justierlichts tritt dann ein, wenn die Schichtdicke d in einem Bereich liegt, der
durch folgende Formel gekennzeichnet ist : d = ( 2j + 1) .
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4n
Man erkennt leicht, daß sich die Interferenzbedingung
für eine Schwächung des vom Halbleitersubstrat reflektierten Justierlichts periodisch
mit der Schichtdicke (Periode = &/2n) wiederholt. Eine Schwächung des vom Halbleitersubstrat
reflektierten Justierlichts bedeutet aber gleichzeitig eine ungewünschte Verringerung
des Kontrastes. Um diesen Nachteil zu vermeiden, verwendet die Erfindung ein Justierlicht
mit zumindest zwei voneinander beabstandeten,schmal# Wellenlängenbereichen. Wie
in der Fig.3 dargestellt, können diese beiden schmalen Wellenlängenbereiche 1 i
und 2 nun so gewählt werden, daß jeweils bei Schwächung eines Wellenlängenbereiches
das Reflexionsvermögen der auf dem Halbleitersubstrat befindlichen Schichtkombination
für den zweiten Wellenlängenbereich 2 ein Maximum. Da es bei relativ großen Dicken-schwankungen
der Schichtenkombination auf dem Halbleitersubstrat in größeren Abständen zu einer
überlappung der Minima bzw. Maxima beider Wellenlängen \ 1 undh 2 kommen kann, ist
erfindungsgemäß auch vorgesehen, daß ein dritter Wellenlängenbereich 3 in dem Justierlicht
vorgesehen ist. Bei Auswertung jeweils jenes Wellenlängenbereiche welcher die größte
Intensität aufweist, erhält man insbesondere hinsichtlich des Kontrastes des Justiersignales
und dementsprechend auch hinsichtlich der Genauigkeit der Justierung optimale Werte.
Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Justierung nicht nur in der Ebene
des Halbleiter~ substrats 4 bzw. der Maske 2 sondern auch in Richtung der optischen
Achse des Projektionsobjektivs 3 erfolgen soll.
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Die Fig. 2b zeigt hiezu das Abbild des transparenten, fensterförmigen
Ausrichtmusters 5 und der linienförmigen Justiermarke 12 auf der photoelektrischen
Auswerteeinrichtung 7, wobei beispielsweise ein Justiersignal für die in der Ebene
des Halbleitersubstrats liegende Koordinate X durch Abtasten dieses Abbildes normal
zu der linienförmigen Justiermarke gewonnen wird. Die Fig. 2czeigt hiebei den Intensitätsverlauf
dieses Abbildes. Aus diesem Abbild kann zudem ein Justiersignal in Richtung der
optischen Achse gewonnen werden, indem der Kontrast bzw. der Intensitätswechsel
ausgewertet werden.
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Nach Fig. 4 wird als Justierlichtquelle lo bevorzugt ein Argon-Ionenlaser
verwendet, wobei das Justierlicht zumindest die Spektrallinien#1 gleich 488 nm und
\2 gleich 514,5 nm enthält. Es ist leicht ersichtlich, daß damit bei Schichtdicken
zwischen 1 und 2,5 Fm ein gut auswertbares, kontrastreiches Justiersignal erhältlich
ist. Wie bereits erwähnt, ist es hiefür wesentlich, daß nicht die Summe der Intensität
beider Spektrallinien sondern nur die intensitätsstärkere zur Bildung des Justiersignals
ausgewertet wird.