DE3402177A1

DE3402177A1 - Einrichtung zum kopieren einer maske auf ein halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE3402177A1
Application number: DE19843402177
Authority: DE
Inventors: Herbert E. Eschen Mayer; Werner Dr. Vaduz Tabarelli
Original assignee: Individual
Current assignee: Perkin Elmer Censor Anstalt
Priority date: 1984-01-23
Filing date: 1984-01-23
Publication date: 1985-07-25
Also published as: US4592650A; JPS60164326A

Description

Dr. Werner Tabarelli Vaduz (Fürstentum Liechtenstein)

Einrichtung zum Kopieren einer Maske auf ein Halbleitersubstrat

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kopieren einer Maske auf ein Halbleitersubstrat zur Herstellung integrierter Schaltkreise mittels eines Projektionsobjektivs, wobei zur Feststellung des Fokussierzustandes die Schärfe der durch das Projektionsobjektiv erfolgenden Abbildung eines auf das Substrat projizierten bzw. auf diesem befindlichen Musters in eine Detektorebene beurteilt wird.

Bei der aus DE-OS 29 05 635 bekannten Einrichtung wird ein durch das Projektionsobjektiv rUckprojiziertes Abbild des Bildes der als von zwei parallelen Kanten begrenztes Fenster ausgebildeten Ausrichtmarke der Maske von einem zwischen Maske und Projektionsobjektiv angeordneten halbdurchlässigen Spiegel auf eine Auswerteeinrichtung geworfen und in einer Detektionsebene der Auswerteeinrichtung normal zu den Kanten des Fensters abgetastet, wobei proportional zum Intensitätsverlauf elektrische Signale erzeugt werden und die Steilheit der den Fensterkanten entsprechenden elektrischen Signale bestimmt wird, deren Wert zur Steuerung der relativen Position von Maske und Werkstück in Richtung der optischen Achse ausgewertet wird.

Das Muster auf dem Substrat, dessen Schärfe zur Feststellung des Fokussierzustandes herangezogen wird, muß jedoch nicht das Bild einer Ausrichtmarke auf der Maske sein, es kann vielmehr auch z.B. in Form einer Strichmarke auf dem Substrat selbst angebracht sein. Auch in diesem Fall ergibt die Steilheit des bei der Abtastung des Musters erzeugten elektrischen Signals ein Maß für den Fokussierzustand der Einrichtung.

Wird bei der bekannten Einrichtung eine Abweichung der Stellung des Substrats von der Idealposition in Richtung der optischen Achse festgestellt, so wird das Substrat so lange in dieser Richtung veschoben, bis die Steilheit der dem Intensitätsverlauf des Abbildes des Musters entsprechen-

den Signales einen Maximalwert erreicht. Nachteilig hiebei ist, daß das Substrat im allgemeinen über den Optimalwert hinaus verschoben werden muß, um diesen festzustellen, und dann wieder in die korrekte Lage zurückzubringen ist. Typischerweise sind also während eines Justiervorganges mehrere Verschiebungen des Substrats in Richtung der optischen Achse notwendig, welche relativ zeitaufwendig sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mehrfache Verschiebungen des Substrats in Richtung der optischen Achse während des Fokussiervorganges zu vermeiden. Der durch die bekannte Einrichtung erzielte Vorteil, daß die Beurteilung des Fokussierzustandes durch die Abtastung eines Intensitätsprofiles normal zur optischen Achse erfolgen kann, soll dabei erhalten bleiben. Eine solche Abtastung ist zur Feststellung der Ausrichtung des Substrates in der Horizontalebene ohnedies notwendig.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ohne Verschiebung des Substrats die optische Weglänge zumindest der vom Muster auf dem Substrat zum Detektor verlaufenden Strahlen wahlweise um verschiedene Beträge veränderbar ist.

Die Veränderung der optischen Weglänge der von dem Muster auf dem Substrat kommenden Strahlen führt dazu, daß die Schärfe der Abbildung des Musters auf dem Detektor sich ändert. Ihre Wirkung entspricht daher einer Verschiebung des Substrats in Richtung der optischen Achse, wobei hinsichtlich des Ausmaßes dieser virtuellen Verschiebung natürlich das Verkleinerungsverhältnis des Projektionsobjektivs zu berücksichtigen ist.

Konstruktiv kann die Veränderung der optischen Weglänge beispielsweise dadurch erzielt werden, daß ein Satz von planparallelen Glasplatten auf einer drehbaren Scheibe

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angeordnet wird, und schrittweise die einzelnen Scheiben in den Strahlengang geschoben werden. Dabei ist es vorteilhaft, sowohl die auf das Substrat einfallenden als auch die das Muster auf dem Substrat abbildenden Strahlen durch die Platten hindurchgehen zu lassen. Bei einer bestimmten Plattenstärke erfolgt dann nämlich eine scharfe Abbildung des Fensters in der Maske, durch welches der belichtende Strahl eintritt, auf die Substratoberfläche, was es erleichtert, dieses Abbild als den Fokussierzustand definierendes Muster zu verwenden.

Die Erfindung kann jedoch ohne weiteres auch durch Abänderung jener bekannten Einrichtungen verwirklicht werden, bei denen ein Drehspiegel, welcher sich nicht im Strahlengang des auf das Substrat einfallenden Justierlichtes befindet,dazu dient, ein Bild des Musters auf dem Substrat über einen in der Detektorebene angeordneben Spalt zu führen. Hiebei kann vorgesehen werden, daß zur Veränderung der optischen Weglänge der auf den Detektor· fallenden Strahlen die Spiegelflächen des Drehspiegels verschiebenen Abstand von dessen Drehachse aufweisen. Die symmetrisch zur Drehachse angeordneten Spiegelflächen können andererseits mit einem Satz von an der Außenfläche nicht spiegelnden planparallelen Glasplatten verschiedener Dicke belegt sein. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß die seitliche Versetzung des auf den Detektor geworfenen Bildes gering bleibt und die rechnerische Auswertung des Meßergebnisses damit vereinfacht wird. Ein gewisser Nachteil jener Ausführungsformen der Erfindung, bei denen lediglich die vom Substrat kommenden Strahlen hinsichtlich ihrer optischen Weglänge veränderbar sind, besteht darin, daß ein unscharfes Bild der Fensterkanten der Maske immer unscharf bleibt, sofern das Substrat diffus diffundiert. Das Verändern der optischen Weglänge der von einem solchen unscharfen Bild auf dem Substrat stammenden Strahlen muß dann in der Weise vorgenommen werden, daß jene optische Weglänge festgestellt wird, bei welcher die

geringste Unscharfe des Musters festgestellt wird. Ist andererseits die Unscharfe des Musters, welche auf dem Substrat durch Projektion eines Fensters in der Maske auf das Substrat entsteht, zu groß, so müßten zur erfindungsgemäßen Fokussierung scharfe Marken herangezogen werden, die auf dem Substrat selbst angebracht sind.

Einzelheiten der Erfindung werden anschließend anhand der Zeichnung erläutert. Dabei stellt

Fig. 1 in Schrägansicht die bekannte Anordnung der wesentlichsten Elemente einer Projektionskopiereinrichtung für integrierte Schaltungen dar.

Fig. 2 zeigt in schernatischem Horizontalschnitt ein Detail aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die zeitliche Abfolge des'Detektorsignals, welches durch das Bild eines bestimmten Musters auf dem Substrat erzeugt wird,

Fig. 4 und 5 sind Beispiele für die erfindungsgemäße Abänderung des Drehspiegels 26 in Fig. 4, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für eine einen Plattensatz tragende Scheibe, durch welche eine Einrichtung nach Fig. 1 im Sinne der Erfindung abgeändert werden kann.

Fig. 7 ist ein Diagramm, welches die Unscharfe des vom Detektor 21 registrierten Bildes in Abhängigkeit von der optischen Weglänge der Strahlen beschreibt, welche das Justiermuster auf dem Substrat abbilden.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung dient zur Abbildung eines aus durchsichtigen und undurchsichtigen Teilbereichen zusammengesetzten Musters einer durch einen Rahmen 4 gehaltenen Maske 2. Diese Abbildung erfolgt mittels eines verkleinernden Projektionsobjektivs 5 auf ein Substrat 6. Der Hauptanwendungsbereich ist die Herstellung integrierter Schaltkreise, für welche es notwendig ist, auf das selbe Substrat 6 nacheinander ver-

schiedene Muster aufzubringen. Aus diesem Grunde ist eine äußerst genaue gegenseitige Ausrichtung der Maske 2 und des auf einem Tragtisch 10 angeordneten Substrats 6 notwendig. Diese Ausrichtung erfolgt bei der bekannten Einrichtung nach Fig. 1, indem ein Paar von Spiegeln 14,15 in jenen Bereich geschwenkt wird, welcher bei der Projektionsbelichtung des Substrats 6 freigehalten werden muß, um den Belichtungsvorgang nicht zu stören. Justierlicht 1, welches typischerweise eine Wellenlänge von 547 oder 578 nm aufweist und daher den Photolack auf dem Substrat 6 nicht wesentlich beeinflußt, wird auf ein Fenster 3 in der Maske 2 gerichtet. Das Justierlicht gelangt über den halbdurchlässigen Spiegel 15 und den Umlenkspiegel 14 durch das Projektionsobjektiv 5 auf das Substrat 6. Dieses weist im bekannten Fall dunkle Marken 8 in gut reflektierender Umgebung auf. Wird nun auf diese Marke 8 das Fenster 3 in der

Urbild des Maske 2 projiziert, entsteht das/in Fig. 3 dargestellten Muster auf dem Substrat 6. Dieses wird mittels des Spiegels 14 durch den halbdurchlässigen Spiegel 15 hindurch auf den Drehspiegel 26 geworfen. Dieser dreht sich um die Achse 27, wodurch das rückprojizierteBild 3'der Marke 3 und das Bild 8' der Marke 8 über die Detektorebene 24 des Detektors 21 geführt wird, welche einen Spalt 25 aufweist. Über eine Linse 30 wird der Spalt 25 auf einen Sensor 29 abgebildet, welcher ein der empfangenen Lichtstärke proportionales elektrisches Signal abgibt. Das in Fig. 3 dargestellte Bild wird dabei in X-Richtung überstrichen. Das entsprechende Signal steigt zunächst an, wenn das rückprojizierte Bild des Fensters 3 in den Bereich des Spaltes 25 gelangt und sinkt nach der Zeit t₁ ab, wenn das Bild der Marke 8 den Spalt 25 verdunkelt. Aus dem Verhältnis t-itp läßt sich die Abweichung der Marke 8 von der Ideallage bestimmen, in welcher diese Marke genau in der Mitte des Bildes 3' des Fensters 3 auf dem Substrat liegt. Der beschriebene Vorgang ermöglicht, wie aus DE-OS 29 05 bekannt ist, zusätzlich die Bestimmung des Fokussierzustandes der Einrichtung. Wenn nämlich das Bild 3' der Kanten des Fensters 3 auf dem

Substrat 6 scharf ist und außerdem auf die Detektorebene scharf abgebildet wird, ist die Zeit t₃, während welcher das in Fig. 3 dargestellte elektrische Signal von seinem Schwellwert auf den Normalwert ansteigt, sehr kurz. Sie verlängert sich entsprechend der Unscharfe, welche durch eine unscharfe Abbildung des Fensters 3 auf das Substrat und des Bildes 3' des Fensters 3 auf dem Substrat auf den Detektor 21 entsteht. In gleicher Weise ist die Breite der negativen Zacke, welche durch die Marke 8 auf dem Substrat 6 verursacht wird, ein Maß für die Genauigkeit der Abbildung der Marke 8 auf den Detektor 21.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß es im allgemeinen schwierig sein wird, aus dem Absolutwert der Flankenneigung des in Fig. 3 dargestellten elektrischen Signals, also aus dem Absolutwert von t₃, mit hinreichender Sicherheit auf die Abweichung der Lage des Substrats 6 von der Ideallage in Richtung der optischen Achse zu schließen. In der Praxis ist es notwendig, das Substrat mehrfach in Richtung der optischen Achse des Projekt.i.onsobjektivs 5 zu verschieben und das ent-

der Projektion 3'
sprechende Bild/des Fensters 3 und der Marke 8 durch den Drehspiegel 20 über den Spalt 25 zu führen. Zwischen diesen Abtastvorgängen vergeht wertvolle Zeit, in welcher das Substrat um Beträge, die im Mikronbereich liegen, verschoben werden muß und während der die Erschütterungen abklingen müssen, die durch eine solche Verschiebung hervorgerufen werden.

Erfindungsgemäß erfolgt die Feststellung des Fokussierzustandes des Substrats 6, ohne daß dieses entlang der optischen Achse verschoben wird. Vielmehr wird durch eine kontrollierte Veränderung der optischen Weglänge der vom Muster 8 bzw. 3' auf dem Substrat 6 kommenden Stahlen eine Verschiebung der Maske in Richtung der optischen Achse signalisiert. Hiezu genügt es, wie in Fig. 4 dargestellt, die Drehachse 27 des Spiegels 26 exzentrisch anzuordnen.

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Die Flächen 261' - 268' befinden sich dann, wenn sie der Reihe nach das in Fig. 3 dargestellte Abbild 8', 3" des Musters 8, 3' auf dem Substrat 6 über den Detektor 21 führen, an verschiedenen Stellen, was dazu führt, daß die verschiedenen Spiegelflächen ein verschieden scharfes Bild auf den Detektor 21 werfen. Die Schärfe, für welche der Wert von l/t₃ ein Maß bildet, kann, wie in Fig. 7 dargestellt, aufgetragen werden, wobei die Punkte 1_ - 8_ der Abtastung durch die Flächen 261' - 268' entsprechen. Wie man sieht, weist die entsprechende Kurve ein Maximum auf, also eine Spiegelstellung, bei welcher das Muster auf dem Substrat genau auf den Detektor abgebildet wird. Um die Gesamteinrichtung zu fokussieren, könnte theoretisch die Maske 2 um jene Strecke verschoben werden, um welche die der optimalen Spiegelstellung entsprechende optische Weglänge vom Normalwert abweicht. In der Praxis wird allerdings der Abstand zwischen Maske 2 und Projektionsobjektiv 5 konstant gehalten und das Substrat in Richtung der optischen Achse verschoben, da das Projektionsobjektiv 5 nur aufder Substratseite telezentrisch ist.

Die Einrichtung nach Fig. 5 funktioniert ganz ähnlich wie jene nach Fig. 4. Die spiegelnden Flächen 261" - 268" weisen hier jedoch alle den gleichen Abstand von der Drehachse 27 auf. Die unterschiedliche optische Weglänge der vom Muster auf dem Substrat 6 zum Detektor 21 gelangenden Strahlen wird hier durch einen Satz verschieden dicker Glasplatten 282 - 288 erzeugt, welche von diesen Strahlen je zweimal durchsetzt werden. Entsprechend Brechungsindex und Dicke der Platten verlängert sich die optische Weglänge.

Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 4 und 5 haben den Vorteil, daß ihre Verwirklichung nur ganz geringe Abänderungen in der bestehenden Einrichtung nach Fig. 1 notwendig macht. Andererseits bringt es jedoch auch Vorteile, die Einrichtung gemäß

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Fig. 1 um den dort strichliert angedeuteten Teil 7 zu ergänzen. Es handelt sich hiebei um eine einen Satz von Glasplatten 221 - 228 tragende Scheibe 7, welche synchron mit dem Drehspiegel 26 gemäß Fig. 2 durch den Antrieb 9 bewegt wird. Bei einer bestimmten Stellung der Scheibe 7 erzeugt das Projektionsobjektiv 5 sowohl ein scharfes Abbild 3' des Fensters 3 auf dem Substrat 6, als auch ein scharfes Abbild des Musters 8, 3' auf dem Substrat in der Detektorebene 24. Die Abhängigkeit der in Einheiten von l/t₃ gemessenen Schärfe der vom Detektor 21 festgestellten Intensitätswechsel ist dadurch sehr deutlich und es ist nicht notwendig, die Breite der negativen Zacke des Intensitätssignals anstelle der Flankenneigung desselben zur Beurteilung des Fokussierzustandes heranzuziehen.

Ist auf die beschriebene Weise die Abweichung der Stellung des Substrats 6 in Richtung der optischen Achse vom Sollwert festgestellt worden, wird dieses um den entsprechenden Betrag verschoben. Die unterschiedliche Brechkraft des Projektionsobjektivs 5 für das zur Veränderung des Photolacks dienende Belichtungslicht und das Justierlicht 1 wird bei der dargestellten iinricntung automatisch berücksichtigt, da das Spiegelpaar 14,15 das Justierlicht 1 faltet, wogegen bei der eigentlichen Berlichtung keine solche Strahlverlängerung stattfindet. Wäre das Spiegelpaar 14,15 nicht vorgesehen, müßte bei der schließ.lichen Verschiebung des Substrats 6 auch noch die Abhängikeit der Brechkraft des Objektivs von der Lichtwellenlänge berücksichtigt werden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Kopieren einer Maske auf ein Halbleitersubstrat ;ur Herstellung integrierter Schaltkreise mittels eines Projektionsobjektivs, wobei zur Feststellung des Fokussierzustandes die Schärfe der durch das Projektionsobjektiv erfolgenden Abbildung eines auf das Substrat projizierten bzw. auf diesem befindlichen Musters in eine Detektorebene beurteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ohne Verschiebung des Substrats die optische Weglänge zumindest der vom Muster (3,8·) auf dem Substrat (6) zum Detektor (21) verlaufenden Strahlen wahlweise um verschiedene Beträge veränderbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der optischen Weglänge ein Satz von planparallelen Glasplatten (221 - 228) vorgesehen ist, die wahlweise in den Strahlengang sowohl der auf das Substrat (6) einfallenden als auch der das Muster (3',8) aufdem Substrat (6) abbildenden Strahlen bringbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Satz von planparallelen Glasplatten (221-228) auf einer drehbaren Scheibe (29) angeordnet ist (Fig. 6).

4. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Drehspiegel (26) das Bild des Musters über einen in der Detektorebene angeordneten Spalt führt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (261¹ - 268') des Drehspiegels (26') verschiedenen Abstand von der Drehachse (27) des Drehspiegels (26') aufweisen (Fig. 4).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Drehspiegel das Bild des Musters über einen in der Detektorebene ange-

ordneten Spalt führt, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichen Abstand von der Drehachse (27) des Drehspiegels (26") aufweisenden Spiegelflächen (261·¹ - 268") des Drehspiegels (26") mit einem Satz von nicht spiegelnden planparallelen Glasplatten (282 - 288) verschiedener Dicke belegt sind (Fig. 5).