DE10018810A1

DE10018810A1 - Aligning photolithographic masks relative to wafers involves observing optical effect in plane orthogonal to z-axes caused by interaction of light with adjustment and reference marks

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Publication number: DE10018810A1
Application number: DE2000118810
Authority: DE
Inventors: Werner Eckert; Matthias Gruber; Detlev Hagedorn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-15
Filing date: 2000-04-15
Publication date: 2001-10-25

Abstract

The method involves bringing the mask system z-axis into alignment with the wafer system z-axis by displacement in the x- and y-axes. The distance between the z-axes, which is a measure of the alignment of the systems, can be optimally determined by observing an optical effect in a single observation plane orthogonal to the z-axes and caused by the interaction of incident light with mask (1) adjustment marks (4) and wafer (2) reference marks (3). Independent claims are also included for the following: an implementation of the method, an illumination device for the implementation and a modification of the implementation.

Description

Auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik werden aus optischen, elektronischen und mechanischen Komponenten immer komplexere integrierte Systeme entworfen. Bei deren Herstellung spielen die für die integrierte Elektronik entwickelten planaren fotolithografischen Strukturierungsverfahren eine entscheidende Rolle. Eine wichtige Aufgabenstellung besteht darin, auf beiden Seiten eines planaren Substrats, das fortan Wafer genannt wird, Mikrostrukturierungen vorzunehmen, wobei die Strukturen beidseitig präzise, teilweise auf Mikrometerbruchteile genau, zueinander ausgerichtet sein müssen.In the field of microsystems technology, optical, electronic and mechanical Components designed increasingly complex integrated systems. They play in their production developed a planar photolithographic structuring process for integrated electronics decisive role. An important task is on both sides of a planar Substrate, which is henceforth called wafer, to carry out microstructuring, the structures must be precisely aligned on both sides, partly to within a fraction of a micron.

Bei kommerziellen Mask-Alignern wird dies üblicherweise durch ein indirektes zweistufiges Verfahren, etwa wie im Patent EP 0556669 beschrieben, erreicht: Die zu strukturierende Wafervorderseite, mit der die Maske beim Kontakt- bzw. Proximitykopieren in direkten bzw. beinahen Kontakt gebracht wird, bzw. auf die die Maskenstrukturen beim Projektionskopieren optisch abgebildet werden, und die bereits strukturierte Waferrückseite werden getrennt mikroskopisch beobachtet und die beiden Bilder überlagert. So können Strukturen auf der Maske im einen Bild relativ zu Strukturen auf der Wa ferrückseite im anderen Bild ausgerichtet werden. Zuvor muß man dabei allerdings den Mask-Aligner so kalibrieren, dass die Koordinatensysteme der beiden überlagerten Bildebenen bei senkrechter Pro jektion exakt übereinstimmen.In commercial mask aligners, this is usually done by an indirect two-step process, about as described in patent EP 0556669, achieved: The front of the wafer to be structured, with who brought the mask into direct or near contact during contact or proximity copying is, or on which the mask structures are mapped optically during projection copying, and the Already structured back of the wafer are observed microscopically and the two images overlaid. Structures on the mask in one image can be relative to structures on the Wa back in the other picture. Before doing this, however, you have to use the mask aligner calibrate so that the coordinate systems of the two superimposed image planes with vertical Pro jection exactly match.

So ein zweistufiges Verfahren ist mit fundamentalen Nachteilen behaftet. Um nämlich eine Positio niergenauigkeit im Submikrometerbereich gewährleisten zu können, müssen Mechanik und Optik des Mask-Aligners höchsten Anforderungen hinsichtlich Präzision und Stabilität des kalibrierten Zustands genügen. Die erforderliche Ausrüstung ist daher relativ komplex und teuer. Dies schlägt besonders bei Laborgeräten zu Buche, die für niedrigen Waferdurchsatz konzipiert sind und daher das ver fahrenstechnisch langsamere aber deutlich preisgünstigere Kontakt- oder Proximitykopierverfahren verwenden, welches keine teure Projektionsoptik erfordert. Im Gegensatz dazu ist eine Ausrichtung von Masken relativ zu Strukturen auf der Wafervorderseite vergleichsweise einfach und preisgünstig zu realisieren, denn dafür reicht eine einzige Beobachtungsebene aus, so dass bei dem verwendeten Mask-Aligner eine komplexe Ausrüstung und ein Kalibrierschritt überflüssig sind.Such a two-stage process has fundamental disadvantages. It's a position To ensure nier accuracy in the submicrometer range, the mechanics and optics of the Mask aligners meet the highest requirements regarding precision and stability of the calibrated state are enough. The equipment required is therefore relatively complex and expensive. This is particularly striking for laboratory equipment that is designed for low wafer throughput and therefore ver Technically slower but significantly cheaper contact or proximity copying use, which does not require expensive projection optics. In contrast, there is an alignment of masks relatively simple and inexpensive relative to structures on the front of the wafer to realize, because a single observation level is sufficient so that the used Mask aligners require complex equipment and a calibration step.

Von großem Interesse sind für die Mikrosystemtechnik daher Verfahren, die in ähnlich einfacher und direkter Weise ein Rückseiten-Alignment ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung, die auch dem Verfahren im Patentanspruch 1 zugrunde liegt, existiert bereits ein optischer Verfahrensansatz. Eine mögliche Ausführung ist im US-Patent 4311389 beschrieben. Sie basiert auf dem Prinzip, mittels spezieller Strukturen auf der Maske einen kollimierten Strahl auf die Waferrückseite zu fokussieren, wo er bei perfekter Ausrichtung von Maske und Wafer auf reflektierende Zielmarken trifft. Dies ist dann direkt detektierbar. Die Methode hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass eine definierte (meist senkrechte) Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die Maske genau eingehalten werden muß. Abweichungen führen unmittelbar zu fehlerhafter Ausrichtung von Maske und Wafer.Of particular interest for microsystem technology are processes that are similarly simple and enable direct backside alignment. To solve this task, which too the method in claim 1 is based, there is already an optical method approach. One possible implementation is described in US Patent 4,311,389. It is based on the principle of special structures on the mask to focus a collimated beam on the back of the wafer, where it meets reflective targets with the mask and wafer perfectly aligned. This is then directly detectable. However, the method has the crucial disadvantage that a defined one (mostly vertical) direction of incidence of the collimated beam on the mask are observed exactly got to. Deviations immediately lead to incorrect alignment of the mask and wafer.

Bei dem im Patentanspruch 1 allgemein definierten Verfahren ist dies nicht der Fall. Variationen des zum Ausrichten von Maske und Wafer eingekoppelten Strahlenbündels haben bis zu einem gewissen Grad keinen Einfluß auf die Ausrichtung. Dadurch ist das Verfahren deutlich weniger fehleranfällig als die existierenden Verfahren und sehr einfach und kostengünstig zu implementieren. Im Patent anspruch 2 wird das Verfahren für ein Rückseiten-Alignment in Verbindung mit einem für Kontakt- bzw. Proximitykopieren ausgelegten Mask-Aligner angewandt.This is not the case with the method generally defined in claim 1. Variations of for aligning the mask and the wafer have coupled up to a certain beam Degree has no influence on the alignment. As a result, the process is significantly less prone to errors than the existing methods and very easy and inexpensive to implement. In the patent Claim 2 is the method for a rear side alignment in connection with a for contact or proximity copying mask aligner applied.

Das im Patentanspruch 1 allgemein definierte Verfahren ist direkt und operiert mit einer einzigen Beobachtungsebene. In der Ausführung des Patentanspruchs 2 wird dies erreicht, wie in Abb. 1 skizziert, durch die optische Abbildung der auf der Lithografiemaske befindlichen Justiermarken durch den Wafer hindurch auf sich selbst mit Hilfe von reflektierenden Mikrolinsen, die bei der Strukturierung der Rückseite des Wafers mit generiert wurden. Die relative Lage und Orientierung einer Justiermarke und ihres Bildes ist dabei punktsymmetrisch zur optischen Achse der abbildenden Mikrolinse.The method generally defined in claim 1 is direct and operates with a single observation level. In the embodiment of claim 2, this is achieved, as sketched in Fig. 1, by optically imaging the alignment marks on the lithography mask through the wafer onto itself with the aid of reflecting microlenses, which are also generated during the structuring of the back of the wafer were. The relative position and orientation of an alignment mark and its image is point-symmetrical to the optical axis of the imaging microlens.

Dieser Umstand wird für das Ausrichten genutzt. Liegt das Zentrum einer Justiermarke exakt auf der optischen Achse, dann gilt dies auch für ihr Bild; dieser Zustand stellt perfektes Alignment dar und ist durch die Verwendung geeigneter Justiermarken gut detektierbar, wie in Abb. 3, wo das punkt symmetrische Bild der Marke genau in die Lücken der Originalstruktur fällt. Ist die Marke gegenüber der optischen Achse verschoben, dann ist ihr Bild um die gleiche Entfernung punktsymmetrisch zur Achse verschoben. Der Abstand zwischen der Marke und ihrem Bild ist somit doppelt so groß wie die relative Verschiebung der Strukturen auf beiden Waferseiten. Alignmentfehler lassen sich also mit doppelter Empfindlichkeit detektieren.This fact is used for the alignment. If the center of an alignment mark lies exactly on the optical axis, then this also applies to your image; this condition represents perfect alignment and can be easily detected by using suitable alignment marks, as in Fig. 3, where the point-symmetrical image of the mark falls exactly into the gaps in the original structure. If the mark is shifted with respect to the optical axis, then its image is shifted point symmetrically to the axis by the same distance. The distance between the mark and its image is thus twice as large as the relative shift of the structures on both sides of the wafer. Alignment errors can therefore be detected with double sensitivity.

Da die Mikrolinsen auf der Waferrückseite im Rahmen der Strukturierung dieser Seite mit generiert werden können, verursachen diese Linsen normalerweise keinen zusätzlichen Herstellungsaufwand. Durch Implementierung in Form diffraktiver Fresnellinsen lassen sich extrem geringe Spezifikations toleranzen gewährleisten. Beispielsweise lässt sich die Brennweite exakt auf die halbe Waferdicke einstellen, so dass eine Justiermarke und ihr Bild auf der Wafervorderseite in genau der gleichen Ebene liegen, wenn die Maske mit dem Wafer in Kontakt ist. Durch perfekte Symmetrie und Zentrierung der Ringe der Fresnellinsen ist darüberhinaus leicht sicherzustellen, dass deren optische Achsen genau orthogonal zur (rückseitigen) Waveroberfläche verlaufen.Because the microlenses on the back of the wafer are part of the structuring of this side these lenses usually do not require additional manufacturing effort. Implementation in the form of diffractive Fresnel lenses enables extremely low specifications ensure tolerances. For example, the focal length can be exactly half the wafer thickness adjust so that an alignment mark and its image on the front of the wafer are in exactly the same plane when the mask is in contact with the wafer. With perfect symmetry and centering The rings of the Fresnel lenses are also easy to ensure that their optical axes are accurate run orthogonal to the (back) surface of the waver.

Da die optischen Parameter diffraktiver Fresnellinsen stark wellenlängenabhängig sind, wird (nähe rungsweise) monochromatisches Licht verwendet, was bestmöglichen Kontrast in der Beobachtungs ebene gewährleistet. Bei der im Patentanspruch 3 beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung für das Rückseitenalignment gemäß Patentanspruch 2 dient dazu ein Laser (vgl. Abb. 2). Das durch die Kohärenz des Lasers verursachte Specklerauschen wird weggemittelt durch Einfügen eines spatialen Zufalls-Phasenmodulators, welcher in Form einer rotierenden Mattscheibe realisiert ist.Since the optical parameters of diffractive Fresnel lenses are strongly wavelength-dependent, (approximately) monochromatic light is used, which ensures the best possible contrast in the observation plane. In the illumination device for the rear side alignment described in claim 3, a laser is used for this purpose (cf. Fig. 2). The speckle noise caused by the coherence of the laser is averaged out by inserting a spatial random phase modulator, which is implemented in the form of a rotating focusing screen.

Zu der im Patentanspruch 2 beschriebenen Ausführung und der dortigen Anwendung sind eine Reihe von Alternativen denkbar; einige davon sind unter Punkt 4 der Patentansprüche konkret aufgeführt. Gemeinsam sind allen Alternativen die im Patentanspruch 1 aufgelisteten Verfahrensgrundprinzipien, insbesondere, dass zum optimalen Ausrichten nur eine Beobachtungsebene benötigt wird und dass die Amplituden- und Phasenverteilung des einfallenden Lichts und damit insbesondere dessen Richtung bis zu einem gewissen Grad keinen Einfluss auf den zu beobachtenden Effekt hat, somit also keinen Alignmentfehler induzieren kann.To the embodiment described in claim 2 and the application there, a number of alternatives are conceivable; some of these are specifically listed under point 4 of the claims. Common to all alternatives are the basic principles of the method listed in claim 1, in particular that only one observation plane is required for optimal alignment and that the amplitude and phase distribution of the incident light and thus in particular its direction has to a certain extent no effect on the effect to be observed , therefore cannot induce an alignment error.

Explanations to the pictures Fig. 1

Dargestellt ist eine fotolithografische Maske (1) im beinahen Kontakt mit der zu strukturieren den Vorderseite eines Wafers (2) sowie die beiden kartesischen Koordinatensysteme (21) und (22) des Masken- bzw. des Wafersystems gemäß der Definition unter Patentanspruch 1. Gemäß der Ausführung von Patentanspruch 2 ist das Zentrum der Justiermarke (4) gegenüber der als Referenz marke fungierenden Fresnellinse (3) auszurichten, und zwar so, dass die Justiermarke genau an der Position (6) liegt, wo die optische Achse (5) der Fresnellinse die strukturierte Maskenseite durchstößt. In diesem Fall perfekter Ausrichtung wird die Justiermarke (4) auf sich selbst abgebildet, was durch den Strahlengang (7) symbolisiert wird. Im Falle einer lateralen Verschiebung der Maske kommt die Justiermarke (4) auf eine Position (8) außerhalb der optischen Achse (5) zu liegen und die Linse (3) erzeugt ein Bild an Position (11) punktsymmetrisch zur optischen Achse, was durch die Strahlengänge (9) und (10) symbolisiert wird. Shown is a photolithographic mask ( 1 ) in close contact with the structure of the front of a wafer ( 2 ) and the two Cartesian coordinate systems ( 21 ) and ( 22 ) of the mask and the wafer system as defined in claim 1. According to the Execution of claim 2 is to center the center of the alignment mark ( 4 ) relative to the Fresnel lens ( 3 ) acting as a reference mark, in such a way that the alignment mark is exactly at the position ( 6 ) where the optical axis ( 5 ) of the Fresnel lens structured mask side pierces. In this case of perfect alignment, the alignment mark ( 4 ) is imaged on itself, which is symbolized by the beam path ( 7 ). In the event of a lateral displacement of the mask, the alignment mark ( 4 ) comes to a position ( 8 ) outside the optical axis ( 5 ) and the lens ( 3 ) generates an image at position ( 11 ) point symmetrically to the optical axis, which is due to the Beam paths ( 9 ) and ( 10 ) is symbolized.

Fig. 2

Es ist prinzipiell dargestellt, wie ein konventioneller Mask-Aligner (20) mit Hilfe des Verfahrens und der Ausführung der Patentansprüche 1 und 2 sowie mit Hilfe der Beleuchtungsvorrichtung (40) von Patent anspruch 3 für ein Rückseitenalignment aufgerüstet werden kann. Im Mask-Aligner (20) befinden sich eine Maske (1) und ein Wafer (2) in Kontakt. Die Ebene der sich berührenden Oberflächen wird mittels eines Mikroskopobjektivs (21), einer CCD-Kamera (23) und eines Monitors (50) beobachtet. über den Strahlteiler (22) wird das Beobachtungsfeld beleuchtet, und zwar mittels eines Lichtwellenleiterbündels (30), das an einer dafür vorgesehenen Verbindungsstelle (24) befestigt ist und normalerweise mit Licht einer thermischen Lichtquelle gespeist wird. Hier wird stattdessen die Beleuchtungsvorrichtung (40) verwendet, die im wesentlichen aus einem Laser (41), einer Aufweitungsoptik (42) und (43) und einer rotierenden Mattscheibe (44) besteht. Das damit erzeugte und manipulierte Licht wird in das Lichtwellenleiterbündel (30) eingekoppelt.It is shown in principle how a conventional mask aligner ( 20 ) with the help of the method and the implementation of claims 1 and 2 and with the help of the lighting device ( 40 ) of claim 3 can be upgraded for a rear alignment. A mask ( 1 ) and a wafer ( 2 ) are in contact in the mask aligner ( 20 ). The plane of the contacting surfaces is observed using a microscope objective ( 21 ), a CCD camera ( 23 ) and a monitor ( 50 ). The observation field is illuminated via the beam splitter ( 22 ), specifically by means of an optical fiber bundle ( 30 ) which is attached to a connection point ( 24 ) provided for this purpose and is normally fed with light from a thermal light source. Instead, the lighting device ( 40 ) is used here, which essentially consists of a laser ( 41 ), an expansion lens ( 42 ) and ( 43 ) and a rotating screen ( 44 ). The light generated and manipulated in this way is coupled into the optical fiber bundle ( 30 ).

Fig. 3

Dargestellt sind zwei Aufnahmen der Beobachtungsebene gemäß der Ausführung von Patentanspruch 2, die den Zustand fehlerhafter (1) bzw. perfekter (2) Ausrichtung von Maske und Wafer illustrieren. Zu erkennen sind jeweils die Justiermarke auf der Maske (3) und ihr Bild (4) als dunkler Schatten. Posi tion (5) stellt den Durchstoßpunkt der optischen Achse des Abbildungssystems auf der Waferrückseite durch die Beobachtungsebene dar.Shown are two recordings of the observation plane according to the embodiment of claim 2, which illustrate the state of incorrect ( 1 ) or perfect ( 2 ) alignment of the mask and wafer. The alignment mark on the mask ( 3 ) and its image (4) can be recognized as a dark shadow. Posi tion ( 5 ) represents the point of penetration of the optical axis of the imaging system on the back of the wafer through the observation plane.

Claims

1. Method for aligning photolithographic masks with respect to planar substrates (wafers) to be processed, such that the z axis of a Cartesian coordinate system, henceforth called the mask system, the exact position of which is defined by alignment marks on the mask and the x and y axes of which Spanning the plane of the structured mask surface, by lateral displacement in x and / or y with the z-axis of a second Cartesian coordinate system, henceforth called wafer system, is covered, the exact position of which is defined by reference marks on or in the wafer to be processed and whose x and y axes span a plane parallel to the xy plane of the mask system, characterized in that

that the distance between the z-axes of the mask system and the wafer system, which is a measure of the alignment of the two systems, can be optimally determined by observing an optical effect in a single observation plane orthogonal to the z-axes,
that this optical effect is caused by the interaction of incident light with the alignment marks on the mask and the reference marks on or in the wafer,
- That this optical effect is largely independent of the spatial phase and amplitude distribution of the incident light.

2. Execution of the method mentioned in claim 1, characterized in that

that it is used to align a photolithographic mask with which the front of a wafer is to be structured by contact or proximity copying, relative to structures on the back of this wafer,
that reflecting diffractive micro Fresnel lenses, which were produced in the previous structuring of the back of the wafer, function as reference marks in the sense of the method of claim 1,
crosshair-like structures whose versions rotated 180 degrees around their center fill special gaps in the original versions act as alignment marks in the sense of the method of claim 1,
that the optical effect named in the sense of the method of claim 1 consists in imaging the alignment marks by means of the reference marks through the wafer back into the xy plane of the mask system, the observation taking place in this plane,
that the focal lengths of the Fresnel lenses functioning as reference marks in the sense of the method of claim 1 are selected such that the xy plane of the mask system is simultaneously the object and image plane of the image mentioned in the previous sub-point,
that the alignment marks are imaged symmetrically on themselves when the mask and wafer are perfectly aligned and that a lateral displacement of the mask system or wafer system along x and / or y can be observed from this position with double sensitivity,
- That by using (approximately) monochromatic light, the wavelength of which is identical to the design wavelength for the diffractive micro-Fresnel lenses, the wavelength of the wafer material for carrying out the application described here is sufficiently transparent and (spatially) incoherent, an easily observable speckle-free optical image with high image sharpness and high contrast is achieved.

3. Lighting device for the embodiment mentioned in claim 2, characterized in that

- That it makes it possible to upgrade commercially available mask aligners that are designed for a front side alignment only, whereby aligning the mask used for structuring the wafer front side is to be understood relative to the structures on precisely this wafer front side, for upgrading a rear side Alignment according to the embodiment named in claim 2,
that the requirement for monochromatic light according to the embodiment under claim 2 is taken into account by using a laser with a wavelength for which the respective wafer material is sufficiently transparent,
- That the incoherence of the incident light required according to the embodiment under claim 2 is achieved by a random phase modulation of the laser beam by means of a rotating matt disc,
- That the light thus generated is coupled via optical fiber bundles into the lighting / observation optics of a commercially available mask aligner in accordance with sub-item 1 .

4. Modifications of the embodiment named under claim 2 and the lighting device named under claim 3, characterized in that

- That the structuring of the wafer can be carried out as an alternative to the contact or proximity copying method by means of the projection method, in which case the mask structures projected into a plane on or in the wafer are then mapped back into said plane by means of the reference marks and the Observation also takes place at this level,
- that the execution under claim 2 can alternatively to the rear side alignment also have a front side alignment as defined in claim 3,
that any other geometric structures can be used as alignment marks in the sense of the method of claim 1, as an alternative to the thread-like cross-like structures of the embodiment of claim 2, which can be easily aligned with their images, such as (broken) rings or grids
- That as reference marks in the sense of the method of claim 1, alternatively to the diffractive micro Fresnel lenses of the embodiment of claim 2, other reflective imaging systems can be used, such as those generated and mirrored by ion exchange or by melting microlenses,
that when using achromatic imaging systems as reference marks in the sense of the method of claim 1, as an alternative to the monochromatic light source of the embodiment under claim 2, any light source can be used,
that as an (approximately) monochromatic light source in the lighting device according to claim 3, as an alternative to a laser, a correspondingly narrow-band filtered thermal light source or gas discharge lamp can also be used,
that with a sufficiently low spatial coherence of the alternative (approximate) monochromatic light sources mentioned in the previous sub-point, a random phase modulation as in the lighting device under claim 3 can be dispensed with,
- That other random mechano-optical as well as acousto, electro, magneto or liquid crystal optical modulators can be used for the random phase modulation in the lighting device under claim 3 al ternatively to a rotating screen.