DE3506812A1

DE3506812A1 - DETECTOR DEVICE

Info

Publication number: DE3506812A1
Application number: DE19853506812
Authority: DE
Inventors: Graeme Stonehaven Adamson; Wilfred John Aberdeen Bates; Michael Anthony Aberdeen Player
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-02-27
Publication date: 1985-09-26
Also published as: GB2159939A; GB8405550D0; NL8500528A; FR2563908A1; JPS60228905A

Description

Detector device description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektorvorrichtung.The invention relates to a detector device.

Wegen der bei modernen Halbleitervorrichtungen verwendeten kleinen Abmessungen ist es von entscheidender Bedeutung, daß die Ausrichtung zwischen einem Halbleiterplattchen und den verschiedenen zu seiner lithographischen Behandlung verwendeten Masken innerhalb sehr enger Toleranzen gehalten wird. Das Ausrichten wird oft in zwei Schritten vorgenommen, wobei der Schritt zum endgültigen Ausrichten mit einer Toleranz von einem Mikrometer oder darunter in einem Fangbereich von wenigen Mikrometern oder Zehntelmikrometern erfolgt. Dies erfordert die Durchführung eines anfänglichen Vorausrichtungsschritts, um die Ausrichtung zwischen dem Plättchen und der Maske in den Fangbereich der Vorrichtung zum endgültigen Ausrichten zu bringen.Because of the small size used in modern semiconductor devices, it is critically important that the alignment between a semiconductor wafer and the various used for its lithographic treatment Masks are kept within very tight tolerances. Alignment is often done in two steps, with the Final alignment step with a tolerance of a micrometer or less in a capture range of a few Micrometers or tenths of a micrometer. This requires performing an initial pre-alignment step, the alignment between the wafer and the mask in the capture area of the final alignment device bring to.

Verschiedene Geräte zum Vorausrichten, z.B. der von der ADE Corp. unter der Bezeichnung PA-407 auf den Markt gebrachteVarious devices for pre-alignment, e.g. the one from ADE Corp. marketed under the designation PA-407

Vorausrichter, arbeiten mit optischen oder kapazitiven Sensoren, um die Kante des Halbleiterplättchens zu fühlen. Bei derartigen Kantendetektoren bekannter Art können Fehler auftreten, die durch Absplitterung oder Ansammlung von Photoresist an der Kante des Plättchens verursacht werden. Andere bekannte Vorausrichter, z.B. der von Mayer und Loeback in "Characterisation Data and Cross-Matching of a High Performance Step-and-Repeat Aligner", SPIE Conference on Optical Microlithography SPIE, Bd. 334 (1982), Santa Clara, Kalifornien, beschriebene Vorausrichter, arbeiten mit senkrecht reflektiertem Licht, um Ausrichtungsmarkierungen, z.B. Linien oder Kreuze auf der Plättchenoberfläche zu erkennen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen können Marken irrtümlich infolge von Schwankungen im Rauschabstand detektiert werden, die auf Schwankungen des Reflexionsvermögens oder der Dicke der die Plättchenoberfläche überziehenden Photoresistschicht zurückzuführen sind.Pre-aligners, use optical or capacitive sensors to sense the edge of the die. at Such edge detectors of known type can cause errors due to chipping or accumulation of photoresist at the edge of the platelet. Other well-known pre-judges, e.g. that of Mayer and Loeback in "Characterization Data and Cross-Matching of a High Performance Step-and-Repeat Aligner," SPIE Conference on Optical Microlithography SPIE, Vol. 334 (1982), Santa Clara, California, pre-straighteners described, work with perpendicularly reflected light, to recognize alignment marks, e.g. lines or crosses on the wafer surface. In these known devices Marks may be mistakenly detected as a result of variations in the signal-to-noise ratio based on variations in reflectivity or the Thickness of the photoresist layer covering the wafer surface are due.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Markierung auf einer Fläche geschaffen. Zu dem Detektor gehören eine Energiequelle zum Aussenden eines reflektierbaren Energiestrahls entlang einer Achse, eine auf der Achse angeordnete Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Strahls auf eine Fläche oder in ihre Nähe sowie ein Detektor, der unter einem ersten Winkel gegenüber der Achse angeordnet ist, um einen Teil des Strahls aufzufangen, der durch eine auf der Fläche vorhandene Markierung reflektiert wird.The invention provides a device for determining a marking on a surface. Belong to the detector an energy source for emitting a reflectable beam of energy along an axis, a focusing device arranged on the axis for focusing the beam on a surface or in their vicinity and a detector, which is arranged at a first angle with respect to the axis, around part of the Catch the beam that is reflected by a marking on the surface.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise derart aufgebaut und angeordnet, daß die Achse beim Gebrauch der Vorrichtung im wesentlichen senkrecht zu der Fläche verläuft; die Vorrichtung ist vorzugsweise in einer parallel zu der Fläche verlaufenden Translationsrichtung bewegbar. The device is preferably constructed and arranged such that the axis when the device is in use substantially is perpendicular to the surface; the device is preferably movable in a translation direction running parallel to the surface.

Bei der Markierung handelt es sich um eine Nut in der Fläche, die vorzugsweise eine V-Form aufweist; die Längsachse der Nut erstreckt sich im wesentlichen rechtwinklig zu der erwähnten Translationsrichtung.The marking is a groove in the surface, which preferably has a V-shape; the longitudinal axis of the groove extends essentially at right angles to the mentioned translation direction.

Vorzugsweise sind zwei Detektoren so angeordnet, daß sie reflektierte Teile des einfallenden Strahls auffangen; sie sind in der Ebene der Achse unter im wesentlichen gleichen Winkeln gegenüber der Achse angeordnet. Die beiden Detektoren liefern elektrische Ausgangssignale, die die Intensität der auf sie auftreffenden Energie anzeigen, und es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Ausgangssignale entweder miteinander zu addieren, zu multiplizieren oder voneinander zu subtrahieren, um die genaue Ausrichtung der Markierung auf den Strahl zu ermitteln. Bei der Energiequelle handelt es sich vorzugsweise um eine Lichtquelle und bei den beiden Detektoren um Photodetektoren .Preferably two detectors are arranged so that they collect reflected parts of the incident beam; they are essentially the same in the plane of the axis below Arranged at angles relative to the axis. The two detectors provide electrical output signals that determine the intensity of the they indicate incident energy, and there are bodies provided to either add, multiply or subtract the output signals from one another, to determine the exact alignment of the marking on the beam. The energy source is preferably a light source and photodetectors for the two detectors.

Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zum genauen Positionieren eines Werkstücks mit Hilfe einer auf seiner Oberfläche ausgebildeten Markierung geschaffen; zu dem Verfahren gehören das Fokussieren eines reflektierbaren Energiestrahls auf die Fläche, das Herbeiführen einer gegenseitigenBewegung der Markierung und des fokussierten Strahls, damit der Strahl sich über die Fläche bewegt, sowie das Erfassen eines Teils des Strahls, der durch die Markierung entlang einer vorbestimmten Achse reflektiert wird.The invention also provides a method for precise positioning creating a workpiece by means of a mark formed on its surface; belong to the procedure focusing a reflectable beam of energy on the surface, causing the Marking and the focused beam to make the beam move across the area, as well as capturing part of the Beam reflected by the marker along a predetermined axis.

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung arbeitet eine optische Detektorvorrichtung mit zwei Photodetektoren zusammen, um eine V-förmige Nut in der Oberfläche des Halbleiterplättchens zu ermitteln. Eine Lichtquelle und ein optisches System richten einen konischen Lichtstrahl auf die Plättchenoberfläche. Die beiden Photodetektoren sind gegenüber der optischen Achse des Lichtstrahls versetzt angeordnet. Da das Licht im wesentlichen senkrecht zu der ebenen Plättchenoberfläche reflektiert wird, erfassen die Detektoren kein Licht, wenn der Strahl auf die ebene Oberfläche des Plättchens fällt. Licht, das auf die V-Nut fällt, wird dagegen unter einem Winkel reflektiert und trifft auf einen der Photodetektoren oder beide.In the illustrated preferred embodiment of the invention, an optical detector device operates with two photodetectors together to determine a V-shaped groove in the surface of the die. One light source and one optical system direct a conical beam of light onto the wafer surface. The two photodetectors are opposite the optical axis of the light beam arranged offset. Because the light is essentially perpendicular to the flat platelet surface is reflected, the detectors will not detect any light if the beam hits the flat surface of the wafer. Light falling on the V-groove, on the other hand, is reflected at an angle and hits either or both of the photodetectors.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is based on the following Schematic drawings explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine Vorrichtung einschließlich einer Lichtquelle entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;Fig. 1 shows a device including a light source accordingly the preferred embodiment of the invention;

Fig. 2A bis 2C verschiedene Wege des Lichtstrahls bei der Translationsbewegung der Oberfläche eines Halbleiterplättchens unter der Vorrichtung nach Fig. 1;2A to 2C show different paths of the light beam during the translational movement the surface of a semiconductor die under the device of Figure 1;

Fig. 3A das Ausgangssignal einer Vorrichtung bekannter Art; undFig. 3A shows the output signal of a device of known type; and

Fig. 3B bis 3D Ausgangssignale der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2.3B to 3D output signals of the device according to FIGS. 1 and 2.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, die entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist. Als erster Schritt bei der Vorausrichtung eines Halbleiterplättchens 1 in einem lithographischen Belichtungssystem ist es wichtig, die genaue Lage einer Bezugsmarkierung auf dem Plättchen 1 zu ermitteln. Als Bezugsmarkierung wird eine in die Oberfläche des Plättchens 1 eingeätzte V-förmige Nut 3 verwendet. Mit Hilfe bekannter orientierungsabhängiger Ätzmittel ist es möglich, die V-Nut 3 mit genau bestimmten Abmessungen einzuätzen, obwohl eine solche genaue Bestimmung der Abmessungen nicht erforderlich ist. Bei einer V-Nut 3, die mit 3 mm Länge, 110 Mikrometer Breite und 80 Mikrometer Tiefe in ein Siliziumplattchen 1 mit £ioo] Orientierung eingeätzt ist, wird ein Lichtkegel, der mit zur Oberfläche des Plättchens 1 nahezu senkrechter Kegelachse in die Nut 3 projiziert wird, vorwiegend durch die Wände der Nut 3 reflektiert, so daß zwei Lichtkegel unter Winkeln von annähernd 40° gegenüber der Senkrechten entstehen. In Fig. 1 an apparatus is shown which is constructed in accordance with the preferred embodiment of the invention. The first step in pre-aligning a semiconductor wafer 1 in a lithographic exposure system is it is important to determine the exact position of a reference mark on the plate 1. An in the surface of the plate 1 etched V-shaped groove 3 used. With the help of known orientation-dependent etchants it is possible to etch the V-groove 3 with precisely determined dimensions, although such an exact determination of the dimensions is not required. With a V-groove 3, the one with a length of 3 mm, a width of 110 micrometers and a depth of 80 micrometers Silicon plate 1 is etched in with £ 100] orientation a cone of light which is projected into the groove 3 with a cone axis that is almost perpendicular to the surface of the plate 1, predominantly reflected through the walls of the groove 3, so that two cones of light are formed at angles of approximately 40 ° relative to the vertical.

Eine Lichtquelle 11 sendet Licht aus, das durch die Optik 9 auf das Plättchen 1 gerichtet wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird zwar eine Lichtquelle benutzt, doch sei be-A light source 11 emits light which is directed onto the plate 1 through the optics 9. In the embodiment described a light source is used, but be careful

merkt, daß mit jeder geeigneten Energiequelle gearbeitet v/erden kann. Eine Lichtquelle ist jedoch am zweckmäßigsten und kann die Form eines Lasers, einer Leuchtdiode oder von polychromatischen Lichtquellen haben. Zu der Optik 9 können beispielsweise zwei Doppellinsen mit 10 mm Durchmesser und 20 mn Brennweite gehören. Zwischen den beiden Doppellinsen ist oine Blende 8 von 4 mm Durchmesser zum einstellen des Winkels des Strahlenkegels angeordnet. Die Optik 9, die Blende V und das Plättchen 1 sind so gewählt und angeordnet, daß der Durchmesser des auf dem Plättchen 1 erscheinenden Abbildes des Strahls kleiner als oder ebenso groß wie die Breite der Nut 3 ist, und der Strahlenkegel kann auf maximale Empfindlichkeit eingestellt werden.notes that any suitable energy source can be used. However, a light source is most convenient and can be in the form of a laser, a light emitting diode, or polychromatic light sources. The optics 9 can include, for example, two double lenses with a diameter of 10 mm and a focal length of 20 mn. Between the two double lenses there is a diaphragm 8 with a diameter of 4 mm for setting the angle of the beam cone. The optics 9, the diaphragm V and the plate 1 are selected and arranged so that the diameter of the image of the beam appearing on the plate 1 is smaller than or as large as the width of the groove 3, and the beam cone can be adjusted to maximum sensitivity will.

Wenn die Lichtquelle 11 gemäß Fig. 1 auf der ebenen Oberfläche des Plättchens 1 abgebildet wird, wird das Licht annähernd senkrecht zu der Oberfläche reflektiert. Nur ein kleiner Anteil gestreuten oder diffundierten Lichtes wird durch die beiden Photodetektoren 5 und 7 empfangen, die gegenüber der optischen Achse des durch die Lichtquelle 11 und die Optik 9 definierten optischen Systems versetzt angeordnet sind.When the light source 11 according to FIG. 1 is imaged on the flat surface of the plate 1, the light is approximate reflected perpendicular to the surface. Only a small amount of scattered or diffused light is caused by the two Photo detectors 5 and 7 received, which are opposite to the optical axis of the defined by the light source 11 and the optics 9 optical system are arranged offset.

Die Figuren 2A bis 2C zeigen die Vorrichtung und das Plättchen, während letzteres unter der Vorrichtung verschoben wird. In Fig. 2A wird Licht auf die linke Wand der Nut 3 geworfen und unter annähernd 40 gegenüber der Senkrechten in Richtung auf den Photodetektor 5 reflektiert. Die Photodetektoren ^f- und 7 sind um etwa 40° gegenüber der optischen Achse der Quelle 11 versetzt angeordnet, um von den Wänden der Nut 3 reflektiertes Licht zu empfangen. Es können Photodetektoren beliebiger bekannter Art verwendet werden, die im Frequenzbereich der Strahlenquelle 11 arbeiten; die Ausgangssignale der beiden Photodetektoren werden einer Multiplizier- oder Subtrahierschaltung 10 zugeführt, die ein Produkt- oder Differenzsignal erzeugt.Figures 2A to 2C show the device and the wafer while the latter is slid under the device. In FIG. 2A, light is thrown onto the left wall of the groove 3 and is reflected in the direction of the photodetector 5 at approximately 40% from the vertical. The photodetectors ^f - and 7 are arranged offset by about 40 ° with respect to the optical axis of the source 11 in order to receive light reflected from the walls of the groove 3. Photodetectors of any known type can be used which operate in the frequency range of the radiation source 11; the output signals of the two photodetectors are fed to a multiplier or subtracter circuit 10 which generates a product or difference signal.

In Fig. 2b wird Licht auf das Zentrum der Nut 3 geworfen und auf beide Photodetektoren 5 und 7 reflektiert. Bei der v/eiterenIn FIG. 2b, light is thrown onto the center of the groove 3 and reflected onto both photodetectors 5 and 7. At the other

Translationsbewegung wird Licht nur auf den Detektor 7 reflektiert, und schließlich ergibt sich wieder eine zur Oberfläche des Plättchens 1 senkrechte Reflexion gemäß Fig. 2C. Das Vorhandensein von Photoresist in der Nut 2 beeinträchtigt das Arbeiten der Vorrichtung nicht ernstlich.Translational movement, light is only reflected on the detector 7, and finally there is again a reflection perpendicular to the surface of the plate 1 according to FIG. 2C. The presence of photoresist in the groove 2 does not seriously affect the operation of the device.

Fig. 3A zeigt den Ausgang einer typischen Detektorvorrichtung bekannter Art, die senkrecht zur Oberfläche des Plättchens 1 reflektiertes Licht erfaßt, und zwar mit maximaler Erfassung auf der ebenen Plättchenoberfläche und mit minimaler Erfassung in der Nut 3. Infolge von Schwankungen der Dicke und des Reflexionsvermögens der Photoresistschicht auf der Oberfläche des Plättchens 1 (und in der Nut 3) ergeben sich jedoch drastische Amplitudenschwankungen des Ausgangssignals. Dies kann dazu führen, daß die Erfassung der Nut 3 verhüllt wird.3A shows the output of a typical detector device of known type, which is perpendicular to the surface of the wafer 1 Detects reflected light with maximum detection on the flat wafer surface and with minimum detection in the groove 3. Due to variations in the thickness and reflectivity of the photoresist layer on the surface of the plate 1 (and in the groove 3), however, there are drastic amplitude fluctuations in the output signal. this can lead to the detection of the groove 3 being concealed.

Fig. 3B zeigt die durch die Photodetektoren 5 und 7 erzeugten Ausgangssignale, während das Plättchen 1 unter der Vorrichtung nach Fig. 2 verschoben wird. Die charakteristische, eine Doppelspitze aufweisende Detektorkennung der Nut 3 wird durch das Vorhandensein von Photoresist auf dem Plättchen 1 nicht verhüllt. Das Detektieren des Zentraums der Mut 3 erfolgt bei dem Spannung?»verlauf nach Fig. 3B am Kreuzungspunkt der beiden Kurven. Fig. 3C zeigt ein resultierendes Signal, welches das Produkt der beiden in Fig. 3B gezeigten Signale ist. Die Multiplikation der beiden Signale zur Erleichterung der Spitzendetektion kann in der Multiplizierschaltung 10 stattfinden. Fig. 3D zeigt einen resultierenden Spannungsverlauf, der die Differenz der beiden Signale nach Fig. 3B darstellt. Die Subtraktion der beiden Signale kann auch zur Erleichterung der Mulldurchgangsdetektion in einer Subtrahierschaltung 10 stattfinden.Fig. 3B shows the output signals generated by the photodetectors 5 and 7 while the wafer 1 is under the device according to FIG. 2 is shifted. The characteristic, double-pointed detector identification of the groove 3 is indicated by does not obscure the presence of photoresist on wafer 1. Detecting the center of courage 3 takes place in the Voltage? »Runs according to FIG. 3B at the intersection of the both curves. FIG. 3C shows a resulting signal which is the product of the two signals shown in FIG. 3B. the Multiplication of the two signals to facilitate peak detection can take place in the multiplier circuit 10. FIG. 3D shows a resulting voltage profile which represents the difference between the two signals according to FIG. 3B. The subtraction of the Both signals can also be used to facilitate gauze passage detection take place in a subtraction circuit 10.

Claims

Expectations

1. Device for determining a marking on a surface, characterized by

an energy source (11) for emitting a reflectable energy beam along an axis,

a focusing device (9) arranged on the axis for focusing the beam on a surface (1) or in their proximity and

a detector (5) arranged at a first angle with respect to the axis for detecting part of the beam, which is reflected by a marking (3) on the surface.

2. Device according to claim 1, characterized in that the axis is substantially perpendicular when the device is in use runs to the surface (1).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the device in use in one of the surface (1) parallel translation direction is movable.

4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the marking is one in the surface (1) trained groove (3) acts.

5. Device according to one of claims 1 to h, characterized in that the marking is a V-shaped groove (3) formed in the surface (1).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the longitudinal axis of the V-groove (3) is substantially perpendicular to the Translation direction runs.

7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the beam focused on the surface (1) is narrower than or as wide as the V-groove (3).

8. Device according to one of claims 3 to 7, characterized in that the detector (5) is arranged on a detection axis which lies in a plane parallel to the direction of translation.

9. Apparatus according to claim 8, characterized by a second Detector (7), which is arranged on a second detection axis, which in said plane below one of the first-mentioned Angle with respect to the optical axis opposite angle, the second detector to it serves to detect a second reflected part of the beam.

10. Apparatus according to claim 9 *, characterized in that the two angles are essentially the same.

11. Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that each detector (5, 7) has an electrical output signal

that provides the intensity of the energy hitting it indicates, and that means (10) are present which either add or multiply the output signals with one another or subtract them from each other to determine the exact alignment between the marker and the beam.

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that that the energy source (11) is a light source and both detectors (5, 7) are photodetectors.

13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in: that for the focusing device an optical system (9) and an aperture stop device (8) for determining the width belong to the beam.

14. Detector according to one of claims 1 to 13, characterized in that that the surface (1) is the surface of a semiconductor plate acts.

15. A method for accurately positioning a workpiece with the aid of a method formed on a surface of the workpiece Marking, characterized by the following steps:

Focusing a reflectable beam of energy on the area,

Causing the marker and the focused beam to move relative to one another to move the beam to cause over the area, and

Detecting a portion of the beam reflected by the marker along a predetermined axis.

16. The method according to claim 15, characterized in that the ray is a ray of light.

17. The method according to claim 15 or 16, characterized in that the beam in a perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece Direction is moved.

ORIGINAL INSPECTED

■If-■ If-

18. The method according to claim 15, ΐβ or 17, characterized in that the beam is directed perpendicular to the surface of the workpiece.

19. The method according to any one of claims 15 to 18, characterized in, that the marking is designed as a groove in the surface of the workpiece.

20. The method according to .einem of claims 15 to 19, characterized in that that the beam is directed perpendicular to the surface of the workpiece.

21. The method according to claim 18, 19 or 20,

characterized in that two

Detectors on either side of the axis of the perpendicular beam are arranged to pass through the marking below essentially equal angles with respect to the axis of the perpendicular beam to detect reflected parts of the beam.