Brevet FR2458830A1 — publié le 19810102

Système de représentation optique muni d'un système de dé- tection opto-électronique servant à déterminer un écart entre le plaà image du système de représentation et un se- cond plan destiné à la représentation." L'invention concerne un système de re- présentation optique muni d'un système de détection opto- électronique servant à déterminer un écart se produisant entre le plan image du système de représentation et un se- cond plan sur lequel doit 9tre formée une représentation par le système de représentation, qui est muni d'une sour- ce de rayonnement fournissant un faisceau auxiliaire, d'un élément de réflexion qui est inséré dans la voie du fais- ceau auxiliaire réfléchi une première fois par le second plan et qui renvoie le faisceau auxiliaire à nouveau àers le second plan, ainsi que de deux détecteurs sensibles à rayonnement insérés dans la voie du faisceau auxiliaire réfléchi deux fois par le second plan, les détecteurs et l'élément de réflexion étant reliés rigidement au système de représentation et la différence se produisant entre les signaux de sortie des deux détecteurs constituant une me- sure pour ledit écart. Des systèmes de lentilles permettant de représenter de petits détails comportent une grande ouver- ture numérique et, de ce fait, une faible profondeur de netteté. Pour les systèmesde lentilles de ce genre, qui sont utilisés entre autres pour la représentation d'une configuration de masque sur un substrat pour la fabrica- tion des circuits intégrés, il importe de pouvoir détecter un écart se produisant entre le plan réel de la représen- tation, par exemple de la configuration de masque, et le plan sur lequel doit s'effectuer la représentation par exemple le substrat, afin de pouvoir effectuer une correc- tion à l'aide du système de lentilles. Il est possible de déterminer ledit écart suivant la voie capacitive. Dans ce cas, le système de lentilles doit 9tre relié à une plaque métallique et la surface du substrat doit être métallisée. La variation de la capacité formée par la plaque métallique et la surface métallisée constitue une mesure pour ledit écart. Cet écart pourrait également être mesuré à l'aide d'un pal- peur de pression d'air. Ces méthodes présentent le désa- vantap que la mesure de la distance doit s'effectuer à O5 l'extérieur du champ du système de représentation. De plus, la distance comprise entre le palpeur capacitif ou le palpeur de pression d'air et le second plan, par exem- ple la surface du substrat, destinée à la représentation, est tas petite, ce qui extra!ne le risque d'endommagement de, soit le palpeur soit la surface du substrat. Une mé- thode pour déterminer par voie optique ledit écart est intéressante du fait que la mesure peut s'effectuer au centre du champ du système de représentation et les élé- ments de détection peuvent ttre disposés à une assez gran- de distance au plan destiné à la représentation. Le brevet des Etats-Unis NO 3.264.935 décrit la façon, dont une telle méthode optique peut être appliquée à un projecteur de diapositives. À cet effet, un faisceau auxiliaire est di2igé à grand angle d'incidence sur la diapositive à projeter. L'angle d'incidence est l'angle compris entre le faisceau auxiliaire et l'axe op- tique du système de lentilles de projection. Le faisceau auxiliaire réfléchi par la diapositive atteint le plan de deux détecteurs sensibles à rayonnement. Lors d'un dépla- cement de la diapositive suivant l'axe optique du système de lentilles de projection, le faisceau auxiliaire se dé- place sur les détecteurs. Une comparaison des signaux électriques de ces détecteurs permet d'obtenir une indi- cation sur la grandeur et la direction d'un écart se pro- duisant entre la position réelle et la position requise de la diapositive. Afin d'empocher que le signal différen- tiel des détecteurs soit tributaire d'un basculement de la diapositive, le système de détection selon le brevet des Etats-Unis présente un élément de réflexion, qui est inséré dans la voie de rayonnement du faisceau auxiliaire réfléchi une première fois par la diapositive et qui ren- voie le faisceau vers la diapositive. Les détecteurs sont appliqués dans la voie de rayonnement du faisceau auxi- liaire réfléchi deux fois par la diapositive. Un tel système de détection peut égale- ment-ttre utilisé dans un dispositif destiné à la repré- sentation d'une configuration de masque sur un substrat semiconducteur pour la fabrication de circuits intégrés. C'est notamment pour cette application que le système de détection présente le désavantage d'ttre sensible à des différences de réflexion locales du substrat. Un circuit intégré est formé en plusieurs stades au cours desquels plusieurs configurations de masque doivent 9tre représen- tées successivement sur le substrat. Lors de la représen- tation d'une configuration de masque, les structures ap- pliquées déjà au cours d'un stade précédent sur le subs- trat risque de fonctionner comme diffracteurs. Par suite d'une telle diffraction, les deux moitiés de la tache de rayonnement formée sur les deux détecteurs acquièrent une intensité différente, malgré le fait que la distance com- prise entre le substrat et le système de lentilles de re- présentation est exacte. La présente invention vise à fournir un système de détection qui ne présente pas les susdits dé- savantages. Le système conforme à l'invention est carac- térisé en ce qu'un premier système de lentilles est prévu pour la Localisation d'un étroit faisceau auxiliaire en une petite tache de rayonnement sur le second plan, qu'un second système de lentilles est prévu pour la représenta- tion de ladite tache de rayonnement sur l'élément de ré- flexion, que l'élément de réflexion est un élément inver- seur de faisceau, qui réfléchit le faisceau auxiliaire en lui-même et que ce dernier est focalisé par le second sys- tème de lentilles en la tache de rayonnement formée pen- dant la première rencontre entre le faisceau auxiliaire et le second plan. Par-"réfléchi en lui-même", il y a lieu d'entendre que le rayon principal du faisceau auxiliaire réfléchi coïncide avec le rayon principal du faisceau auxi- liaire aller et que les rayons lumineux faisant partie, dans le faisceau auxiliaire aller, de la première ou de la seconde moitié de faisceau, font partie respectivement de la seconde et de la première moitié de faisceau dans le faisceau auxiliaire réfléchi. Les deux moitiés du faisceau auxiliaire réfléchi vers les détecteurs ont été en contact avec les deux moitiés de la région recouverte par la tache de rayonnement sur le second plan, ou substrat. Ainsi, l'intensité des deux moitiés de faisceau est influencée, dans la même mesure, par d'éventuelles différences de ré- flexion locales dans ladite région du second plan et, de ce fait, la différence en intensité entre les deux moitiés de faisceau n'est pas tributaire de ces différences en ré- flexion. Ce qui est d'importance dans le brevet des Etats- Unis ne 3 264 935, c'est que le faisceau auxiliaire est deux fois réfléchi par la diapositive. A cet effet, il n'est pas nécessaire que le faisceau auxiliaire frappe la diapositive deux fois à exactement la même position. De plus, la grandeur du faisceau auxiliaire n'est pas d'impor- tance. En revanche, pour le-système de détection conforme à l'invention, il est essentiel qu'un étroit faisceau auxi- liaire frappe le second plan deux fois dans exactement la m8me petite région. Le système de détection conforme à l'invention peut avantageusement être appliqué à un dispositif servant à la représentation répétée d'une configuration de masque sur un substrat, dispositif qui comporte un système de len- tilles de projection disposé entre un porte-masque et un porte-substrat, le système de détection est utilisé pour déterminer un écart se produisant entre le plan image du système de lentilles de projection et le substrat. De plus, l'invention s'applique en général aux systèmes de représen- tation o des différences de réflexion peuvent se présenter dans le plan de représentation o ce plan peut présenter un basculement. A ce sujet, on pense à des microscopes, tant des microscopes à réflexion que des microscopes à transmis- sion. Etant donné l'incidence du faisceau auxiliaire, un objet transparent réfléchit toujours une quantité de rayon- nement, qui suffit pour 9tre utilisé pour la détection d'une variation de la distance comprise entre l'objet à examiner et l'objectif du microscope. La description ci-après, en se référant au des- sin annexé, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure i représente schématiquement un sys- tème de représentation muni d'un système de détection opto- électronique connu. La figure 2 illustre le principe du système de détection conforme à l'invention. La figure 3 montre une forme de réalisation d'un tel système. Sur la figure 1, un système de représentation est désigné par L 1. Un système de détection opto-électro- nique est constitué par une source de rayonnement S, qui émet un faisceau auxiliaire b, une première lentille L2, une seconde lentille L3 et deux détecteurs, par exemple des photodiodes D1 et D2. Le système de détection est relié rigidement au système de lentilles L1 par l'intermédiaire des supports St. La lentille L2 forme une tache de rayonnement V sur le plan P dans lequel doit être formée une représenta- tion par le système de lentilles L 1. Cette tache de rayon- nement est projetée par la lentille L3 sur les photodiodes D1 et D2* Le système de détection est aligné par rapport au système de lentilles L1 de façon que la lentille L3 repré- sente le point d'intersection de l'axe optique 00' du sys- tème L1 avec le plan image de ce système, dans le plan des deux détecteurs D1 et D2. Si le plan P colncide avec le plan image du système L1, la tache de rayonnement V est re- présentée dans la tache V', qui se situe symétriquement par rapport aux détecteurs D1 et D2* Ces détecteurs reçoivent ainsi des intensités de rayonnement égales. Ainsi, le si. gnal de départ Sr d'un amplificateur différentiel A connec- té aux détecteurs D1 et D2 est zéro, par exemple. Dans le cas d'une variation de la distance comprise entre le plan P et le système à lentilles L1, l'image V' de la tache de -5 rayonnement V est décalée sur les détecteurs D1et D2. Si, - comme le montre la figure 1, le plan P descend, la tache de rayonnement V1 formée sur ce plan est représentée en Vi, suivant la marche de rayons indiquée par par des traits interrompus. Puis, le détecteur D1 reçoit une plus grande 0 intensité de rayonnement que le détecteur D2 et le signal S est par exemple positif. Dans le cas o le plan P monte r il se produit l'inverse et le détecteur D1 reçoit une plus petite quantité de rayonnement que le détecteur D2. Dans ce cas, le signal Sr est par exemple négatif. Le signal S peut être amené à un servosystème, non représenté sur le dessin, permettant de corriger la position du système à lentilles Lie L'angle d'incidence 0 sous lequel le faisceau auxiliaire b atteint le plan P est choisi aussi grand que possible, par-exemple dans l'ordre de 80-, afin d'obtenir une sensibilité aussi grande que possible pour des erreurs de position du plan P par rapport au système de lentilles L et pour obtenir une réflexion aussi grande que possible du faisceau auxiliaire sur le plan P. Conformément à l'invention, dans la voie du faisceau b réfléchi par le plan P est inséré un élément inverseur ou rétroréflecteur. Un tel rétroréfleeteur peut tre constitué par un dispositif dit "oeil de chat" qui, comme le montre la figure 2, est constitué par une len- tille L et un réflecteur r, le réflecteur étant disposé au plan focal de la lentille L 3 Un tel'beil de chat" per- met de réfléchir un faisceau en lui-même. La figure 2 ne montre que la partie de la voie du faisceau b dans l'am- biance du plan P. Le faisceau b forme la tache de rayonne- ment V sur ledit plan. Le faisceau réfléchi par la plan P est émis vers le réflecteur r par le prisme de réflexion P4. Après réflexion par ce réflecteur, le faisceau b parcoixt la même voie en sens inverse. Une petite partie b' du faisceau b est repré- sentéed'une façon sombre pour indiquer la façon, dont cette partie parcourt la voie du rayonnement. A la pre- mière arrivée sur le plan P, cette partie fait partie de la moitié du faisceau b1. La partie de faisceau b' par- vient alors dans la partie de droite Vr de la tache de rayonnement V. Après réflexion par le plan P et le pris- me de réflexion P4, la partie de faisceau b' traverse la partie de gauche de la lentille L Y Après réflexion par le réflecteur r, la partie de faisceau b' traverse la partie de droite de la lentille L3 pour parvenir dans la partie de gauche V1 de la tache de rayonnement V. Après deux réflexions sur le plan P, la partie de faisceau b' fait partie de la mctié de faisceau b2. Cela s'applique à toutes les parties de faisceau à partir desquelles est formée la moitié de faisceau b1. lOnmut poser qu'après une réflexion double au plan p, la moitié de faisceau b1 a été en contact, tant avec la partie de droite qu'avec la partie de gauche de la région sur le plan P au-dessous de la tache de rayonnement V. Evidemment, il en est de même pour la moitié de faisceau b2. Airai, ni des différences de réflexion locales provoquées par des structures diffractantes dans le plan P, ni des inégali- tés de ce plan ou sa position inclinée par rapport au système de lentilles L1 ne peuvent influer sur la répar- tition d'intensité sur les moitiés de faisceau b1 et b2. Comme élément inverseur présentant un gros- sissement -1 peut être utilisé, dans le système de dé- tection conforme à l'invention, également un réflecteur concave ou une combinaison d'un réflecteur plan et d'une lentille cylindrique. La figure 3 représente une forme de réalisa- tion d'un système de détection conforme à l'invention à utiliser dans un dispositif pour la représentation de masques sur un substrat. La surface du substrat est in- diquée par le plan P et le système de lentilles de pro- jection par L1 Ce système peut se déplacer suivant son axe optique 00' à l'aide de moyens d'entraînement connus en soi non représenté sur le dessin, qui sont commandés par le signal 5r déduit des signaux provenant des deux détecteurs. Dans des directions perpendiculaires à l'axe optique 00', le système de lentilles de projection est immobile dans son boCtier H. Comme l'indique la figure 3, le système de lentilles de projection peut 9tre fixé à l'aide de ressorts Sp dans le bottier H. Au lieu de ressorts, il est possible d'utiliser des membranes com- me moyens de fixtion. Dans un dispositif servant à la représenta- tion répétée d'une configuration de masque sur un subs- trat, la colonne de projection et le substrat peuvent se déplacer l'un par rapport à l'autre dans deux directions perpendiculaires entre elles. Pour plus de particulari- tés sur un tel dispositif, il y a lieu de s'en référer à la demande de brevet français publiée sous le NO 2.379.097. Il y a lieu de noter que dans un tel dis- positif, le plan image du système de lentilles de pro- jection coïncide pratiquement avec le plan focal de ce système. Afin d'obtenir également un signal suffisam- ment élévé Sr. pour de petits déplacements du plan P pasr t au sjstème de lentilles L1 c'est-à-dire une différence suffisante entre les intensités de rayonne- ment sur les deux détecteurs, il faut que la tache de rayonnement V présente une grande luminance. C'est pour cette raison qu'on utilise de préférence un laser comme source de rayonnement S. Le faisceau de rayonnement b délivré par le laser doit être stable. De préférence, on utilise un laser à diode semiconductrice, DL sur la fi- gure 3, par exemple un laser à diode APGaAs, qui peut 3-5 -9tre disposé tout près du substrat. De plus, il est pos- sible d'utiliser un laser à gaz, qui se trouve à plus grande cxstance du substrat, le rayonnement provenant de ce laser étant guidé au substrat par l'intermédiaire d'une fibre photoconductrice. Le faisceau de laser b est converti par la lentille 14 en un faisceau parallèle et ensuite amené, par réflexion au diviseur de faisceau BS e- par l'inter- médiaire des prismes de réflexion P2 et P5 à la surface de substrat p. La lentille L 2 forme la tache de rayon- nement V sur le substrat. Ensuite, le faisceau b parcourt le trajet de rayonnement décrit à l'aide des figures 1 et 2. Une partie du faisceau b réfléchi deux fois par la surface de substrat est transmise par le diviseur de faisceau BS aux détecteurs D1 et D2. La lentille L5 for- me une représentation de la tache de rayonnement V sur ces détecteurs. Le diviseur de faisceau BS peut être constitué par un réflecteur semi-transparent ou un prisme semi- transparent. De plus, il est possible d'utiliser un pris- me diviseur de polarisation, une lame > étant insérée dans la voie de rayonnement entre ce prisme et le subs- trat,.X représentant la longueur d'onde du faisceau b. Le rayonnement de la source DL est ainsi polarisé de façon à 9tre réfléchi par le prisme diviseur de polarisation. Le faisceau b parcourt deux fois la lame > d'onde, de sorte que le plan de polarisation du rayonnement est tourné en totalité de 900 et que le faisceau est trans- mis par le prisme. Le signal de différence S des deux détec- teurs D1 et D2 est déterminé, en première instance, par la distance comprise entre le plan image du système de lentilles L1 et le plan P. Toutefois, ce signal est éga- lement tributaire de l'intensité totale du faisceau de rayonnement b réfléchi deux fois par le plan P. Cette intensité est sujette à des variations ceci par suite d'une éventuelle variation de l'intensité de la source de rayonnement ou par suite de variations du coefficient de réflexion ou de transmission des éléments optiques disposés dans la voie du rayonnement. Pour éliminer l'influence des variations de l'intensité totale du faisceau atteignant les détecteurs D1 et D2, les signaux de sortie des détecteurs sont ad- ditionnés, de sorte qu'on obtient un signal de somme St Un circuit diviseur analogue permet de déterminer le si- gnal SIr = Sr/St, signal qui constitue une mesure pour l'erreur de position de plan P du substrat par rapport au système de lentilles de projection et qui n'est pas tributaire des variations de l'intensité de la source de rayonnement et des variations du coefficient de ré- flexion ou de transmission dans la voie de rayonnement. Pour obtenir également la quantité de rayonnement néces- saire pour la précision requise sur les détecteurs dans le cas de coefficients de réflexion ou de transmission peu favorables, il faut établir la source de rayonnement à un pouvoir de rayonnement aussi élevé que possible. Ainsi, la durée de vie de la source de rayonnement ris- que d'#tre réduite surtout dans le cas o cette dernière est constituée par un laser à diode semiconductrice. De plus, un diviseur exempt d'écarts est un élément couteux. Les susdits désavantages peuvent ttre évités par l'utilisation du signal de somme St pour régler l'in- tensité de la source de rayonnement de façon que l'inten- sité de rayonnement totale sur les détecteurs D1 et D2 reste constante, comme cela s'effectue dans une forme de réalisation préférentielle conforme à l'invention. Dans le cas o la source de rayonnement est une diode émettant du rayonnement, il est possible de corriger à cet effet l'intensité du courant électrique servant à la commande de cette source de rayonnement. Un laser à diode semiconductrice, par exemple un laser ALGaAs, fonctionne dep1éférence à l'aide d'im- pulsions de courant, du fait que cela est avantageux pour la durée de vie du laser. De plus l'angle sous le- quel un tel laser émet son rayonnement est sujet à des variations, dans le cas o l'intensité du courant élec- trique traversant le laser subit des variations. L'inten- sité du rayonnement émis par un laser à diode est de préférence réglée par variation, à largeur d'impulsion constante, de la fréquence d'impulsion des impulsions de courant électrique. Comme le montre la figure 3, les signaux des détecteurs D1 et D sont amenés à, d'un c8té, un circuit de soustraction à 1, à la sortie duquel apparatt le si- gnal Sr,' et de l'autre côté, à un circuit additionneur - 2' dont la sortie fournit un signal St. Le signal St peut être amené à une entrée d'un amplificateur différen- tiel A dont l'autre entrée est connectée à une source de référence Ref. La sortie de l'amplification différen- tiel est connectée à un oscillateur VCO, qui fournit une série d'impulsions, dont la fréquence est déterminée par la tension se produisant à sa sortie. La sortie de l'oscillateur est connectée à un générateur PG. Le cou- rant électrique nécessaire pour le fonctionnement du la- ser à diode DL est fourni par le générateur d'impulsions sous forme d'impulsions, dont la durée est constante et dont la fréquence de répétition est égale à celle des impulsions de l'oscillateur VCO. L'intensité de rayonnement moyenne du laser à diode peut non seulement 9tre réglée par adaptation de la durée des impulsions du courant électrique, mais égale- ment par adaptation de la fréquence des impulsions. Le réglage du laser à diode est tel que pour une perte de rayonnement maximale à prévoir dans la voie de rayonnement, la quantité de rayonnement totale captée par les détecteurs suffit tout juste pour atteindre la précision requise déterminée entre autres par le courant de fuite et le bruit des détecteurs. Dans le cas de plus faibles pertes de rayonnement, la source de rayonnement peut présenter une plus faible intensité de rayonnement, ce qui est favorable pour la durée de vie de la source. Le déplacement e de la tache de rayorietent sur les photodiodes Dl et D2 est donnée par la relation à = 4.M.h sinat expression dans laquelle h représente le déplacement du plan pl tion sur ce plan, et M le grossissement du système de lentilles L5 L2. Ce grossissement est égal au rapport entre la distance focale de la lentille L et celle de la lentille L2. Du fait que le faisceau de focalisation est réfléchi deux fois par le plan P. la sensibilité du système de détection est devenue deux fois plus éle- vée* C'est pour cette raison que dans la susdite ex- il s produit un facteur 4 au lieu d'un fac- teur 2 pour le déplacement t. Dans une forme de réalisation pratique d'un système de détection conforme à l'invention, il était toujours possible de détecter un déplacement du plan P *sur 0,1 1um. REVENDICATIONS 1. Système de représentation optique muni d'un système de détection opto-électronique servant à déter- miner un écart se produisant entre le plan image du système de représentation et un second plan sur lequel doit être formée une représentation par le système de représentation, qui est muni d'une source de rayonnement fournissant un faisceau auxiliaire, d'un élément de ré- flexion qui est inséré dans la voie du faisceau auxmliai- re réfléchi une première fois par le second plan et qui renvoie le faisceau auxiliaire à nouveau vers le second plan, ainsi que de deux détecteurs sensibles à rayonne- ment insérés dans la voie du faisceau auxiliaire réflé- chi deux fois par le second plan, les détecteurs et l'é- lément de réflexion étant reliés rigidement au système de représentation et la différence se produisant entre les signaux de sortie des deux détecteurs constituant une mesure pour ledit écart, caractérisé en ce qu'un premier système de lentille (L2) est prévu pour la fo- -20 calisation d'un étroit faisceau auxiliaire (b) en une petite tache de rayonnement (Y) sur le second plan (P), qu'un second système de lentilles est prévu pour la re- présentation de ladite tache de rayonnement sur l'élé- ment de réflexion, que l'élément de réflexion est un élément inverseur de faisceau (r, E3), qui réfléchit le faisceau auxiliaire en lui-même et que ce dernier est focalisé par le second système de lentilles (L3) en la tache de rayonnement (V) formée pendant la première ren- contre entre le faisceau auxiliaire et le second plan. 2. Système de représentation optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sorties des deux détecteurs sont connectées à un circuit addition- neur, dont la sortie est connectée à un circuit de ré- glage pour la correction de l'intensité de la source de rayonnement de façon que la somme des signaux de détec- tion reste égale. 3. Système de représentation optique selon la revendication 2, dans lequel la source de rayonnement est un laser à diode semiconductrice émettant des impul- sions de rayonnement, caractérisé en ce que le circuit de réglage comporte un oscillateur qui est contr8lé par la tension de somme des détecteurs et dont lasDr- tie est connectée à une source de courant électrique commandant le laser à diode. 4. Dispositif pour la représentation répétée d'une configuration de masque sur un substrat, compor- tant un système de lentilles de projection inséré en- tre un porte-masque et un porte substrat, muni d'un sys- tème de détection selon la revendication 1, o la dif- férence entre les signaux de sortie provenant des détec- teurs constitue une mesure pour l'écart se produisant entre le plan image du système de lentilles de projec- tion et le substrat.