Brevet FR2504281A1 — publié le 19821022

- Appareil de projection à dispositif de mise au point La présente invention a pour objet un appareil de projection sur une surface image à l'aide d'une optique du type comportant un dispositif de mise au point muni d'un jeu de moyens de détection des écarts entre la surface image et une position nominale par rapport à l'optique, ce jeu ayant des moyens solidaires de l'optique pour former, sur ladite surface, une tache de lumière monochromatique en incidence oblique et des moyens de reprise de la lumière provenant de ladite surface pour former de la tache une image qui est centrée sur un photodétecteur différentiel lorsque la surface occupe sa position nominale par rapport à l'optique. L'invention trouve une application particulièrement importante dans les appareils utilisés pour la fabrication des circuits intégrés, et notamment dans ceux, connus sous le nom de "photorépéteurs sur tranche", destinés à former de façon répétitive l'image d'un réticule ou masque dans des zones successives de la surface d'une tranche de semi- conducteur. Il est nécessaire de maintenir la distance entre l'optique, qui constitue l'objectif du photorépéteur, et la surface image sous peine de dégradation de celle-ci. A titre d'exemple, on peut mentionner que la distance entre objectif et surface image est de 6 mm sur un photorépéteur commercial actuel et que la tolérance est alors de 2 microns pour projeter des traits dont la largeur est de 1 micron. On connaît déjà des appareils de projection constituant photorépéteur du type ci-dessus défini, dont le dispositif de mise au point fonctionne de façon automatique Un tel dispositif existe par exemple sur les photorépéteurs fabri- qués par la société G C A depuis 1977 au moins La constitution et le fonctionnement de principe des moyens de détection sont illustrés sur les figures 1 et 2 ci- jointes Les moyens comprennent une source 10 de lumière monochromatique associée à une lentille 11 qui forme de la source une image 12 qui se trouve sur la surface de la tranche 13 lorsque cette dernière est dans sa position nominale, comme indiqué sur la figure 1 Des moyens de reprise de la lumière, schématisés sous forme d'une len- tille 14, forment de la tache de lumière sur la surface 13 une image qui, lorsque la tranche 13 est dans sa position nominale, est centrée par rapport à un photodétecteur diffé- rentiel 15, qui peut notamment être constitué soit par une diode à deux quadrants, soit par deux diodes séparées On obtient ainsi par différence un signal d'erreur que l'on introduit dans une boucle d'asservissement. Comme le montre la Figure 2, tout décalage en altitude àz de la tranche 13 provoque un décalage Ax de l'image sur le photodétecteur différentiel 15, donc un signal d'erreur qui est une fonction croissante de Ax et dont le signe dépend du sens de Az. Un tel dispositif de mise au point automatique is peut être très sensible, surtout s'il utilise une incidence très oblique Mais il présente un inconvénient grave Une irrégularité de réflexion de la surface de la tranche 13 entraîne une asymétrie dans la répartition d'intensité de la tache et peut entraîner une erreur de mise au point. On a tenté d'écarter cette difficulté en obli- geant la lumière à suivre le même traiet dans un sens, puis dans l'autre, en remplaçant le photodétecteur 15 par un miroir de retour vers un détecteur placé à proximité de la source 10 (voir Solid State Technology, juin 1980) Cette solution n'est toutefois pas pleinement satisfaisante non plus,étant donné notamment les problèmes de réalisation qu'elle soulève. L'invention vise à fournir un appareil de projec- tion du type ci-dessus défini, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notam- ment en ce qu'il comporte un dispositif de mise au point automatique permettant d'écarter de façon simple les pro- blèmes liés auxdéfautsde réflexion de la surface image. Dans ce but l'invention propose notamment un appareil dans lequel sont prévus deux jeux desdits moyens, correspondant à des trajets inverses de la lumière, et des moyens pour faire la somme des signaux différentiels fournis par les deux photodétecteurs. Pour permettre de disposer de jeux de moyens correspondant à des trajets inverses, on utilisera en genéral des lames semi-transparentes de renvoi de lumière provenant de la source de l'un des jeux et de trans- mission de la lumière vers le Dhotodétecteur de l'autre jeu. Le dispositif de mise au point automatique comporte avantageusement de plus des moyens de détection des écarts angulaires, c'est-à-dire en assiette, entre la surface image et une position nominale Ces moyens peuvent notam- ment comporter une source pour éclairer la surface Dar un faisceau parallèle en incidence oblique et des moyens pour focaliser l'image de la source sur un photodétecteur à quatre quadrants, le groupement des signaux de sortie des quatre quadrants permettant d'obtenir des signaux d'erreur en assiette autour de deux axes perpendiculaires. Enfin, l'invention vise par ailleurs à résoudre un problème particulier au cas des photorépéteurs Quand on manipule des réticules ou masques en vue de les impres- sionner en plusieurs zones successives sur une tranche de semiconducteur, il est nécessaire de prendre des précau- tions pour éviter le dépôt sur ces réticules de particules dont l'imaee serait reproduite sur le circuit intégré A l'heure actuelle, on connaît des appareils d'inspection de réticule par comparaison photométrique de deux zones homo- logues de motifs adjacents Mais cette solution a de nombreux inconvénients C'est en effet le réticule que l'on contrôle, et non pas l'image du réticule dans le plan de la tranche Et, de plus, il existe un risque que des poussières se déposent pendant le transfert entre l'appareil de contrôle et le photorépéteur. L'invention vise également à écarter cet inconvé- nient Dans ce but,elle propose un appareil de projection constituant photorépéteur, comprenant des moyens de forma- tion de deux zones homologues de motifs adjacents sur 3 O deux détecteurs photoélectriques et de mesure de la diffé- rence de signaux de sortie des deux détecteurs. Cette solution est applicable chaque fois que plusieurs motifs élémentaires de circuit intégré figurent -4- sur un même réticule, ce qui est fréquemment le cas étant donné que l'on réduit ainsi la durée de photorépéti- tion sur tranche On examine directement l'image réelle et non pas le réticule, ce qui permet de ne tenir compte que des défauts susceptibles d'être imprimés effectivement sur la tranche de silicium et d'accepter des réticules qui seraient rejetés sur un appareil classique d'inspection. La résolution de détection de défaut est du même ordre que la résolution de l'objectif, c'est-à-dire égale ou même inférieure au micron. Les différents composants du dispositif peuvent occuper des positions très diverses par rapport à ceux qui servent directement à la projection Par exemple, les moyens de détection d'écart angulaire peuvent utiliser un trajet de lumière faisant un angle, par exemple droit, avec les trajets de lumière dans lesdits jeux de moyens. 2504281 ' - L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: les figures 1 et 2 sont des schémas de principe montrant un jeu de moyens de détection d écart suivant l'art antérieur, respectivement lorsque la surface image est dans sa position nominale et lorsqu'elle en est écartée; la figure 3 est un schéma de principe, simi- laire à la figure 1, montrant l'ensemble des moyens de détection d'un appareil suivant un premier mode de réali- sation de l'invention, dans lequel seuls sont détectés les écarts en altitude; les figures 4 et 5 sont des schémas de prin- cipe similaires aux figures 1 et 2, montrant des moyens pouvant être associés à ceux de la figure 3 et permet- tant une détection des écarts angulaires, c'est-à-dire en assiette; la figure 6 est un schéma en plan, montrant la répartition et la constitution des photodétecteurs de moyens de détection des écarts en altitude et en assiette la figure 7 est un schéma d'implantation des moyens dans un photorépéteur; la figure 8 est un schéma de principe, en perspective, montrant l'implantation de moyens d'inspection de réticule pour appareil de projection constituant photo- répéteur. On décrira tout d'abord, en faisant référence à.la figure 3, les moyens de détection des écarts en altitude entre la surface image 13, constituée par une tranche de silicium susceptible de présenter des défauts d'épaisseur et de planéité,et une position de référence. Ces moyens sont entièrement symétriques et peuvent être regardés comme comportant deux jeux de moyens identiques Le premier jeu (sur lecuel les éléments corres- pondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence) comprend une source de lumière mono- 6 - chromatique 10 dont le faisceau de sortie est recueilli par une lame semi-transparente 16 dont le rôle apparaîtra plus loin Le faisceau réfléchi par cette lame est focalisé par une lentille 11 et un miroir de renvoi 17 en une tache S 12 qui se trouve sur la surface de la tranche 13 lorsque celle-ci occupe sa position nominale Un miroir 17 a symétrique du miroir 17 et une lentille 14 symétrique de la lentille 11 refocalisent la tache 12 sur un photodétecteur différentiel 15 à travers une lame semi-transparente 16 a. Symétriquement, un système comportant la lame semi- trans Darente 16 a, la lentille 14 et le miroir 17 a forme de la source 10 a une image confondue avec la tache 12 La lumière réfléchie par la surface 13 est reprise par le miroir 17, la lentille 11 et la lame semitransparente 16 pour former une image sur un photodétecteur 15 a similaire au photodétecteur 15. Si l'on suppose que les photodétecteurs 15 et 1 Sa comportent chacun deux quadrants, respectivement D 1 et D 2, Dla et D 2 a, le signal d'erreur sera: (D 1 D 2) + (D 2 a Dia) Les détecteurs seront évidemment placés et ajustés de façon que le signal de sortie, qui peut être élaboré par un circuit analogique additionneur classique, soit nul lorsque la surface 13 occupe sa position nominale. Grâce à cette disposition, on élimine le pro- blème rencontré en cas d'un seul passage de lumière: en effet, l'image d'une tache asymétrique sur le photodétec- teur 15 sera également asymétrique de la même manière sur le photodétecteur 15 a Par ailleurs, les sources 10 et 1 Oa peuvent sans inconvénient avoir des intensités légère- ment différentes, car on utilise la moyenne des deux signaux photoélectriques. A l'heure actuelle, les photorépéteurs compor- tent en général un dispositif de mise au point automatique, mais qui n'assure que la correction des écarts en altitude. La présente invention permet de réaliser aisément un contrôle de mise au point en assiette dont, jusqu'à présent, l'intérêt n'a pas été apprécié En fait, une mise au point 7 - automatique on assiette est extrêmement souhaitable, car elle seule permet de corriger des défauts lents de plané- ité des tranches de silicium. Les figures 4 et 5 montrent des moyens de détec- tion d'écart en assiette qui peuvent être incorporés dans un appareil de projection pour fournir, a un dispositif de mise au point, les signaux d'entrée nécessaires à un réglage en assiette. Les moyens montrés en figures 4 et S comprennent des moyens permettant d'envoyer, sur la tranche 13, un faisceau de lumière parallèle monochromatique, en incidence oblique Ces movens comprennent une source 18 et une optique schématisée par une lentille 19 Une seconde optique, également schématisée par une lentille 20, foca- lise l'imaee du point source 18 sur un photodétecteur ouadruple 21 qui peut être constitué par une diode à quatre quadrants D 11, D 12, D 13 et D 14 Comme le montre la figure S, un décalage en assiette Ad autour d'un axe perpendicu- laire au vlan de la figure se traduit par un décalage Ax sur le photodétecteur 21 Si l'on désigne par D 11, D 12, D 13 et D 14 les signaux de sortie des quatre quadrants, le signal d'erreur correspondant sera: (D 11 + D 13) (D 12 + D 14) De façon similaire, tout décalage AY en assiette autour d'un axe parallèle au plan de la figure se traduira par un signal d'erreur: (D 11 + D 12) (D 13 + D 14) Les signaux d'erreur peuvent être injectés dans des boucles d'asservissement en et 'Y On ne décrira pas ici ces boucles, pas plus que les dispositifs mécani- ques de remise en position correcte, car elles peuvent être d'un type classique, tel par exemple que celui décrit dans "The Bell System Technical Journal", novembre 1970, pp 2158-2160. Il faut remarquer qu'un double passage de 8 - lumière suivant deux trajets opposés n'est pas nécessaire ici, car la refocalisation sur le photodétecteur s'accom- pagne d'une détermination de valeur moyenne. Les movens de détection d'écart en altitude et S en assiette peuvent être situés autour de l'objectif d'un même photoréDéteur, comme le montre les figures 6 et 7; les trajets optiques des moyens de mesure d'écart en alti- tude et en assiette sont croisés et les trajets encadrent l'objectif 22 Les sources 15, 15 a et 18 peuvent être constituées par des émetteurs indépendants mais d'intensité suffisante (diode laser par exemple) ou par les parties terminales de fibres optiques Les miroirs de renvoi 17 et 17 a ainsi que les lames semi-transparentes 16 et 16 a sont constitués par des prismes. En utilisant des lentilles Il et 11 a de focale mm et un grandissement de dix, un défaut de mise au point en altitude Az = 2 microns donne un déplacement du spot qui est approximativement de 40 microns Un défaut d'assiette AL = 5 microns/cm donnera, pour une focale de 50 mm, un déplacement du spot égal à 50 microns environ. On voit que de tels déplacements sont aisément décelables à l'aide de photodétecteurs courants. On décrira maintenant, en faisant référence à la figure 8, des moyens d'inspection de l'image du réticule qui peuvent être incorporés à un photorépéteur comprenant par ailleurs un dispositif de mise au point automatique du genre oui a été décrit plus haut. La figure 8 montre schématiquement l'objectif de réduction 22 du photorépéteur qui permet de former, du réticule objet 23, une fois ce dernier en place dans le photorépéteur, une image réelle aérienne 24 L'inspection et la vérification s'effectuent Dar comparaison entre les zones homologues de deux motifs adjacents, ce qui ne cons- titue par une limitation réelle, car des raisons de rapi- dité conduisent généralement à exposer plusieurs motifs à la fois On peut noter au passage que le champ utile d'un photorépéteur est généralement de l'ordre de 1 cm x l cm et que l'invention sera donc utilisable chaque fois oue la dimension unitaire de chaque motif ne dépasse pas 0,5 cm, 2504281 ' -9- ce qui est le cas le plus fréquent. Les moyens d'inspection comprennent deux miroirs ou, comme illustré sur la figure 8, deux prismes à réflexion totale 25 et 25 a en forme de demicube Ces deux nrismes envoient deux images homologues d'une petite surface du circuit intégré sur deux détecteurs photosensibles 26 et 26 a par l'intermédiaire de deux objectifs de microscopes 27 et 27 a L'ensemble de ces éléments peut constituer un ensemble très compact, logé près de la tranche de silicium, sur un support solidarisé de la table en xy qui porte la tranche. Lorsque l'illuminateur 28 est allumé et provoque la formation des images montrées en tirets en 24, les signaux mesurés par les photodétecteurs 26 et 26 a sont différents si les surfaces homologues,délimitées par des cercles sur la figure 8, n'ont pas la même transmission La différence entre les deux signaux signale la présence d'un défaut opaque ou transparent sur l'une des deux images. La surface vue par chaque détecteur photoélectrique 26 et 26 a correspondra par exemple à un rectangle de 1 x 5 microns ou de 1 x 10 microns On peut ainsi analyser l'image du réticule par balayage du type télévision, par lignes successives, larges de 5 microns ou 10 microns. L'opération complète de comparaison entre deux circuits de 5 x 5 mm conduit donc à balayer 1000 lignes de largeur 5 microns et de longueur 5 mm, soit un Darcours total de la table de 5 mètres Le temps total de contrôle ne sera donc que de 100 secondes si le déplacement se fait à une vitesse moyenne de 5 cm/s On voit que l'on ne réduit pas sensiblement le débit du photorépéteur du fait de l'ins- pection du réticule avant d'exposer un ou plusieurs lots de tranches. Les moyens montrés en figure 8 peuvent être enregis- trés avec leur position en mémoire d'un minicalculateur qui, en fin de contrôle, fournit la cartographie du circuit. Cette image du circuit aide à retrouver le défaut sous microscope et à le faire disparaître si cela est possible, par exemple s'il s'agit d'une poussière Il n'est pas nécessaire de décrire ici les moyens d'enregistrement - en mémoire, étant donné qu'ils peuvent être classiques. 2504281 'i 11 - Revendications 1 Appareil de p^jection sur une surface image ( 13) à l'aide d'une optique cbrmportant un dispositif de mise au point muni d'un jeu de moyens de 4 étectionr, des écarts entre la surfacet-nag e et une position no iea _par rapport à l'optique, ce jeu ayant des moyens solidaires de l'op- tique pour former, sur ladite surface, une tache de lumière monochromatique en incidence oblique et des moyens de reprise de la lumière provenant de ladite surface pour for- mer de la tache une image qui est centrée sur un photo- détecteur différentiel lorsque la surface occupe sa position nominale par rapport à l'optique, caractérisé en ce que le dispositif comporte deux jeux desdits moyens ( 10-15 et l Oa-15 a) correspondant à des trajets inverses de la lumière et des moyens pour faire la somme des sienaux différentiels fournis par les deux photodétecteurs. 2 Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des lames semi-transparentes de renvoi de lumière provenant de la source ( 10) de l'un des jeux et de transmission de la lumière vers le photodétecteur de l'autre jeu. 3 Appareil suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection des écarts angulaires entre la surface image et une position nominale, lesdits moyens comportant une source ( 18, 19) dirigeant vers la surface ( 13) un faisceau de iumière parallèle en incidence oblique, des moyens pour focaliser la lumière réfléchie sur un détecteur à quatre quadrants ( 21) et des moyens pour former, à partir des signaux de sortie du détecteur des signaux d'écart autour de deux axes perpendiculaires. 4 Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détection d'écart angulaire uti- lisent un trajet de lumière faisant un angle, par exem- ple droit, avec les trajets de lumière dans lesdits jeux de moyens. Appareil de projection suivant l'une quelconque des revendications précédentes, constituant photorépéteur sur tranche, caractérisé en ce que, pour permettre 1 J - l'examen à l'emplacement d'insolation, lesdits moyens sont placés autour de l'objectif ( 22) du photorépéteur. 6 Appareil de projection constituant photo- répéteur, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de formation de deux zones homologues de motifs adjacents sur deux détecteurs photoélectriques et de mesure de la différence de signaux de sortie des deux détecteurs.