Brevet FR2518255A1 — publié le 19830617

La présente invention concerne un appareil d'alignement destiné à l'exposition de plaquettes semi- conductrices et plus précisément un tel appareil d'ali- gnement qui utilise une cible formant une zone de Fresnel à la surface de la plaquette et réduisant les erreurs dues à l'inclinaison de la surface de la plaquette. Au cours de la fabrication des circuits inté- grés, il faut habituellement former une succession de des- sins sur une plaquette semi-conductrice par mise en oeuvre d'opérations photolithographiques Ces dessins doivent être réalisés dans une position repérée avec précision les uns par rapport aux autres Comme la technique des circuits intégrés a progressé vers des circuits de plus grande den- sité, nécessitant une résolution de plus en plus fine, les critères de mise en position repérée sont devenus de plus en plus serrés. On a déjà proposé de faciliter la mise en po- sition repérée ou l'alignement de dessins photolithographi- ques successifs, par création, à la surface de la plaquette semiconductrice, de repères ou marques d'alignement sous forme d'une cible formant une lentille de Fresnel Une telle cible peut jouer le rôle d'une lentille de diffraction et peut créer des images de luminosité utile Un tel appareil d'alignement est décrit par exemple dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique N O 4 037 969 Dans l'appareil d'alignement décrit dans ce brevet, la cible de Fresnel est éclairée par de la lumière cohérente et l'image ponctuelle résul- tante formée au-dessus de la surface de la plaquette est détectée par un photodétecteur Les signaux créés par le photodétecteur commandent alors le positionnement relatif d'un semi-conducteur et d'un dessin ou réticule qui doit être projeté sur la plaquette Bien que cet appareil per- mette une grande précision dans certaines circonstances, on a constaté qu'il était très sensible à toute inclinaison de la surface de la plaquette et qu'il existait apparemment un certain nombre de sources d'inclinaison localisée de la surface de la plaquette Ce problème se pose parce que l'inclinaison de la cible de Fresnel provoque un déplace- ment de l'image ponctuelle d'une manière qui ne peut pas être distinguée du déplacement provoqué par une transla- tion latérale de la plaquette. L'invention concerne ainsi un appareil d'ali- gnement précis d'une plaquette semi-conductrice au cours de sa fabrication, un appareil qui utilise une cible for- mant une lentille de Fresnel formée sur la plaquette, un appareil qui est peu sensible aux erreurs dues à l'incli- naison de la surface de la plaquette, un appareil qui donne un alignement avec une précision exceptionnellement élevée, un appareil qui est très fiable et qui est relativement simple et peu coûteux. Plus précisément, l'invention concerne un ap- pareil de positionnement ou d'alignement précis de pla- quettes semi-conductrices destinées à subir une exposition dans un appareil formant des images par projection L'ap- pareil comporte des repères formant des cibles de Fresnel à la surface de la plaquette, les repères étant éclairés par de la lumière cohérente afin que, par diffraction, ils forment des images ponctuelles du premier ordre au-dessus et au-dessous de la surface de la plaquette Les images ponctuelles ainsi formées sont reprises afin qu'elles for- ment des images avec des grandissements à peu près égaux, sur des détecteurs photoélectriques respectifs si bien que chaque détecteur transmet un signal de sortie de sortie qui contient une composante d'erreur représentative de la position relative de l'image ponctuelle projetée La po- sition de la plaquette semi-conductrice est alors réglée d'après la somme des signaux formés par les détecteurs afin qu'une position dans laquelle les composantes d'erreur des signaux soient égales et opposées soit cherchée Com- me l'inclinaison crée des composantes d'erreur qui sont opposées alors que le déplacement de la cible provoque des composantes qui s'ajoutent, les erreurs de positionnement dues à des inclinaisons localisées sont minimales. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- 2518 55 entson:essortiroe%: mieux de la description qui va suivre, faite en rcférei ce aux dessins annexes sur lesquels: la figure I est un schéma représentant le fonc- tionnement d'un appareil d'alignement réalisé selon l'in- vention; la figure 2 est une vue en plan d'une cible de Fresnel ayant un dessin utile pour la mise en oeuvre de l'appareil selon l'invention, lorsque cette cible est formée à la surface d'une plaquette semiconductrice; la figure 3 représente la disposition physique des éléments optiques utiles dans un appareil industriel d'exposition de semiconducteurs la figure 4 est une coupe montrant comment un déplacement latéral de la plaquette provoque un déplace- ment de la paire d'images ponctuelles; et la figure 5 mont-re comment une inclinaison lo- cale déplace la paire d'images ponctuelles. Sir les dessins, les références identiques dési- gnent des éléments correspondants sur les diverses figures. La figure 1 représente un appareil de position- nement selon l'invention associé à un appareil de formation d'image par projection, permettant la formation de dessins sur une plaquette semiconductrice La plaquette qui doit être exposée est repérée par la référence 11 et l'appareil de projection comprend un objectif principal 13 destiné à former une image d'un réticule 15 sur une partie choisie de la surface des plaquettes L'appareil de projection repré- senté est supposé Du type fonctionnant par exposition et répétition dans lequel une image du réticule 15 est projetée l en formant un dessin qui se répète et recouvre toute la surface de la piaquette. Une cible h zone de Fresnel ou lentille de Fres- nel est associce a cbaque emplacement de projection à la surface de la plaquette Une telle cible est repérée sur la figure 1 par la ref Lérence 17 mrlais il faut noter que la dimension du dessin a é-té tr-às exagérée à titre illustratif et que, en pratique, le diamsètre total de la cible peut être de l'ordre de 50 microns. La figure 2 représente un dessin convenable de cible Comme peuvent le noter les hommes du métier, cette cible est formée par exemple avec le premier dessin glo- bal formé à la surface de la plaquette si bien qu'il peut être utilisé comme référence au cours des opérations suc- cessives du processus de fabrication des circuits intégrés. De préférence, les cibles 17 de Fresnel sont placées loin de la partie de la surface qui doit former les surfaces intégrées réelles, par exemple dans les régions de sépara- tion formées entre les parties qui doivent constituer les circuits intégrés individuels. Un laser hélium-néon 21 est destiné à éclairer la cible de Fresnel avec de la lumière cohérente Le laser 21 est de préférence d'un type formant de la lumière pola- risée avec un seul mode, à une longueur d'onde nettement différente de celle qui est utilisée pour l'exposition de la plaquette revêtue de réserve photographique Par exemple, dans un mode de réalisation de l'invention, la source lumi- neuse qui expose la réserve à travers le réticule forme de la lumière à une longueur d'onde de 436 manomètres, et le laser 21 fonctionne à une longueur d'onde de 633 nano- mètres. La lumière du laser 21 est dirigée, par un répar- titeur polarisant 23 de faisceau et une lame quart d'onde , vers un miroir 27 placé sur le bord du réticule 15. Le miroir 27 renvoie la lumière du laser vers le bas, à travers l'objectif principal 13 de projection, sur la sur- face de la plaquette semi-conductrice 11, dans la région de la cible 17 de Fresnel La diffraction de la lumière cohérente incidente par la cible 17 forme deux images ponc- tuelles, une image réelle placée au-dessus de la surface de la plaquette et repérée par la référence PA, et une image virtuelle repérée par la référence PB et qui se trouve sous la surface de la plaquette Une partie au moins de la lu- mière diffractée par la cible de Fresnel 17 est collectée parl'objectif 13 de projection et les images ponctuelles i PA et PB forment de nouvelles images dans la colonne op- tique. Comme peuvent le noter les hommes du métier, l'objectif de projection 13 a subi une correction très pous- sée pour la longueur d'onde utilisée au cours de l'exposi- tion de la réserve photographique, mais sa distance focale peut être notablement différente aux autres longueurs d'onde. Dans le mode de réalisation particulier représenté, la dis- tance focale, pour la longueur d'onde du laser 21, est sup- posée nettement supérieure à celle qui correspond à la lon- gueur d'onde de la longueur d'exposition, si bien que les nouvelles images ponctuelles se trouvent en dehors des co- lonnes de projection Ces nouvelles images ponctuelles por- tent les références PA' et PB' respectivement. Comme peuvent le noter les hommes du métier, la partie de la lumière du laser qui est diffusée par la surface de la plaquette et qui revient vers le miroir 27 par l'intermédiaire de l'objectif 13, lorsqu'elle a tra- versé la lame quart d'onde 25, est polarisée si bien que la plus grande partie de la lumière renvoyée passe direc- tement à travers le répartiteur 23 polarisé au lieu d'être renvoyée vers le laser 21. Un objectif relais 31 dirige la lumière prove- nant des images ponctuelles PA' et PB' dans un répartiteur de faisceau 33 La distance séparant PA' de l'objectif 31 est choisie afin qu'elle soit à peu près écale à la distance focale de l'objectif 31 si bien que la lumière pénétrant dans le répartiteur de faisceau à partir de l'image ponc- tuelle PA' est pratiquementcollimatée La partie de cette lumière qui est dirigée vers le bas est focalisée en 35 à nou- veau afin qu'elle forme une image ponctuelle PA" Cette image ponctuelle forme elle-même une nouvelle image après passage dans un objectif 37, sur un détecteur photoélectri- que 41 à quadrants. La distance focale de l'objectif 37 est choisie afin qu'elle assure un grandissement supplémentaire d'envi- ron 10/1, le grandissement total, comprenant l'objectif principal 13 de projection, étant d'environ 100/1 Il s'agit du grandissement efficace relatif au déplacement latéral de la cible de Fresnel 17. Au lieu de colimater la lumière provenant du point image PB', l'objectif 31 la refocalise sous forme d'une autre image ponctuelle PB", le trajet suivi par la lumière entre temps ayant été renvoyé vers le-bas par un miroir 39 L'image ponctuelle PB" forme elle-même une nou- velle image dans un objectif 38, sur un détecteur photoélec- trique 43 à quadrants La distance focale de l'objectif 38 est choisie, par rapport à la distance focale de l'ob- jectif 31, de manière que le grandissement total donné sur le détecteur 43 soit pratiquement égal à celui qui est obte- nu sur le photodétecteur 41 Cependant, l'égalité exacte n'est pas nécessaire puisque les sensibilités des deux dé- tecteurs à quadrants, dans le cas d'un déplacement latéral de la plaquette, sont de préférence adaptées par traitement ultérieur des signaux. Le système optique est aligné de manière que, lorsque la plaquette 11 est convenablement disposée, les images qui sont formées à nouveau à partir des images ponc- tuelles PA et PB soient centrées sur les photodétecteurs respectifs, dans l'hypothèse o la surface de la plaquette ne présente aucune inclinaison Comme peuvent le noter les hommes du métier, les détecteurs 41 et 43 sont des disposi- tifs qui comportent quatre photodétecteurs photoélectriques, par exemple des photodiodes, et qui détectent ainsi le dé- placement d'un point par rapport au point central, suivant deux axes transversaux Les signaux de sortie des deux dé- tecteurs 41 et 43 parviennent à des circuits électroniques convenables 45 de sommation et d'asservissement qui com- mandent des appareils de micropositionnement d'axe X et d'axe Y assurant le réglage de la position latérale de la plaquette 11 par rapport à l'appareil de projection L'ap- pareil de micropositionnement d'axe X est repéré par la référence 47 L'appareil de micropositionnement d'axe Y n'est pas représenté mais il est orienté, comme peuvent le noter les homliez du metier, afin qu'il donne un dépla- eement suivant l'axe transversal Lorsque la plaquette, bien que parfaitement plane, est déplacée latéralement, les deux images relayées sont décalées dans le même sens sur les détecteurs photoélectriques respectifs à quadrants. Ainsi, les signaux provenant des deux photodétecteurs don- nent des informations qui peuvent être utilisées comme si- anaux d'erreur pour le positionnement Il faut noter que les circuits électroniques de sommation et d'asservissement peuvent être analogiques ou numériques et, lorsqu'ils sont numériques, ils peu 'nt être incorporés à un ensemble global de comtmande X ordinat-ur, de plus en plus courant dans les ensembles de ce type. Selon l'iltvention, un signal représentant la somme des deux ignaux des détecteurs est utilisé pour la commande du positionneme-nrt de la plaquette Comme l'indique la fiqure 4, un duplae ment de la plaquette 11 vers la droite provoque un déplacemenk des deux images ponctuelles PA et PB du premier ordre vres la droite aussi, c'est-à-dire qu'elles se déplacent toutes deux dans le même sens par rapport à la position nominale voulue repérée par le trait d'axe Ainsi, on note quii convient d'utiliser la somme des signaux de sortie des deux photodétecteurs qui sont sensibles au déplacemrent des images ponctuelles relayées ou reformées D'autre part, une inclinaison locale de la surface de la plaquette comme indiqué sur la figure 5 pro- voque un déplacement de l'image réelle PA (au-dessus de la surface de la plaquette) vers la gauche et un déplace- ment de l'Jimage virtuelle (au-dessous de la surface de la l' plaquette) vers la droite On peut donc noter que, si l'on utilise la seule image réelle pour la commande de position dans un appareil asservi, il apparaît une erreur de trans- lation suffisante pour que l'image prenne la position voulue à la place du centre de la cible de Fresnel comme voulu. Cependant, comme 1 image virtuelle formée sous la surface de la plaquette se déplace en sens opposé, du fait de l'in- clinaison locale, In signal d'erreur d'asservissement, cor- respondant à la somme des déplacements, convenablement pcrndé- rés,est pratiquement insensible aux faibles variations d'in- clinaison locale tout en étant sensible au déplacement en translation de la cible de Fresnel. Lorsque la lumière cohérente parvenant sur la cible de Fresnel est colimatée, la hauteur de l'image réelle PA au-dessus de la surface de la plaquette est égale à la profondeur de l'image virtuelle PB au-dessous de la surface, et leurs déplacements latéraux, en présence d'une incli- naison locale, sont égaux et opposés Cette égalité n'est pas indispensable selon l'invention, puisque les sensibilités des deux photodétecteurs sont normalisées pour d'autres raisons et qu'une même normalisation ou égalisation peut prendre en considération les distances verticales différen- tes des -images ponctuelles par rapport à la cible de Fresnel. En fait, dans le mode de réalisation représenté, la lumière cohérente incidente n'est pascollimatée du fait de la pré- sence de l'objectif 13 Bien que cet effet puisse être neu- tralisé par utilisation d'un objectif compensateur avant introduction du faisceau laser dans la colonne de projection, il n'y aucune raison d'utiliser une telle complication puis- qu'un réglage de la sensibilité, assurant la compensation, peut être effectué lors de la normalisation des signaux des photodétecteurs. La figure 3 représente un mode de réalisation convenant en pratique pour la mise en oeuvre de l'invention, correspondant à un appareil de formation d'image microlitho- graphique par exposition et répétition du type " 4800 " de Burlington Division, GCA Corporation, Bedford, Massachusetts. Cet appareil du commerce a un rapport de projection de 10/1 entre le réticule 15 et la plaquette 11 Dans l'arrangement représenté sur la figure 3, le rayonnement du laser 21 est renvoyé par deux miroirs 61 et 63 avant d'entrer dans le répartiteur polarisant 23 et, après avoir traversé la lame quart d'onde 25, le rayonnement rencontre un miroir sup- plémentaire 65 qui renvoie le faisceau vers le haut dans le miroir 27 monté près du réticule 15 Le rayonnement qui revient, après avoir quitté le répartiteur 23, est ren- voyé par les miroirs 67 et 69 placés de part et d'autre de l'objectif 31 Le reste du système optique est placé pratiquement comme représenté sur la figure 1, mais l'ob- jectif 38 précède le miroir 39 au lieu de le suivre sur le chemin optique Dans cette réalisation matéreille par- ticulière, les distances focales des différents, objectifs sont les suivantes Objectif N O Distance focale 49,1 mm 31 40 mm 10 mmn 37 1,6 mm 38 10 mmn Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pourautant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Appareil de-positionnement précis de plaquettes semi-conductrices ayant des repères à cible de Fresnel ( 17), ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: des dispositifs de positionnement ( 47)à com- mande électrique destinés à régler la position de la pla- quette ( 11), un premier et un second détecteur photoélectri- ques ( 41, 43 X, un dispositif ( 21) de projection de lumière cohérente sur les repères ( 17) afin que des images ponc- tuelles respectives (PA, PB) soient formées au-dessus et au-dessous de la surface de la plaquette, un dispositif ( 33) utilisant la lumière renvoyée par les repères et destiné à projeter chaque image ponctuelle sur un détecteur respectif afin que chaque détecteur forme un signal de sortie représentatif d'une composante d'erreur qui indique la position de l'image ponctuelle projetée res- pective par rapport au détecteur, et un dispositif- signaux sont égales et opposées. 2 Appareil d'alignement de plaquettes semi- conductrices en vue de leur exposition dans un appareil de formation d'image par projection, la surface des pla- quettes ayant des repères à cible de Fresnel, ledit ap- pareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second dispositif de posi- tionnement ( 47) à commande électrique destinés à ajuster la position de la plaquette ( 11) dans un appareil de for- mation d'image par projection, -le long d'axes transversaux, un premier et un second détecteur ( 41, 43) à quadrants, un dispositif ( 21 > de projection de lumière cohérente sur les repères afin que des images ponctuelles 1 Pre P'iucr:& iut Er par diffraction au-dessus - aud soscla s-uriace de 'La plaquette, un uipoitf tui-1 sant la lumière dif- fractée par les r-epër,s et C sind à projecter chaque image :-onctueile sur u N C 6 tecteur re Cpetif à quadrants, avec des granid-isseirent 8 pictiqueïnerîL é'gaux, de manière que les étecteursà quadrai Ts fori-meî 7 t c i-,iacu Ln des signaux de sortie comprenant de 3 composantes dlerreu r qui indiquent la posi- tion de I imge onctuelle projetée respective par rapport au dé tur, et un dci 11::p-o Lîî- F I 4-5) commtrandé par une somme des signaux creiés par Th - S ëde, x éter et destiné à commander chacun des disposaitif dle pstonm afin qu 2 ils re- cherchent une positi on, le long de l'axe correspondant, dans laquelle 'les cwoatsderu des signaux sont égales et opposées.