Brevet FR2523323A1 — publié le 19830916

- Dispositif d'alignement pour machines de fabrication de circuits intégrés La présente invention concerne le domaine des machines de fabrication de circuits intégrés et notamment de celles appelées "photorépéteurs sur tranche" Elle a plus particulièrement pour objet un dispositif d'alignement du réticule, c'est-à-dire du masque reproduisant à grande échelle l'un des tracés à réaliser sur chaque puce élémen- taire de la tranche, avec l'emplacement approprié sur la tranche avant insolation d'une résine photosensible sur cette dernière - On connaît déjà de nombreuses machines de ce type. Elles comportent, de façon générale, une table porte- réticule munie de moyens permettant de la déplacer dans son plan, au moins dans deux directions orthogonales x et y correspondant à deux axes principaux du réticule, ûne table de réception de tranche de semiconducteur, typiquement de silicium, portant au moins un motif d'ali- gnement, ladite table étant équipée de moyens de déplace- ment suivant deux directions conjuguées des directions x et y; une optique de photoréduction disposée entre les tables; des moyens d'illumination du réticule en lumière actinique permettant d'insoler la tranche de semiconduc- teur, et des moyens d'observation simultanée d'un motif d'alignement sur la tranche et d'un motif de référence sur le réticule, comprenant un microscope et des détecteurs. Il est essentiel que la machine de fabrication permette d'aligner l'image du réticule à reproduire sous une forme réduite par rapport à la tranche avec une précision élevée, de l'ordre de 0,1 micron, sur la tranche. La réalisation d'un dispositif d'alignement répondant à cette condition soulève de nombreux problèmes dont la résolution est dans une certaine mesure contradictoire. Au cours de l'alignement, il faut éviter d'appliquer aux zones de la couche de résine photosensible qui recouvre la tranche une dose de lumière actinique qui impressionne la résine là o elle doit ultérieurement être insolée; 2 - si l'on tente de résoudre ce problème en utilisant, pour l'alignement, une lumière de longueur d'onde suffi- samment élevée pour ne pas impressionner la résine photo- sensible, on se heurte au problème des aberrations chroma- tiques Si par exemple l'alignement est effectué avec une première longueur d'onde (ligne e du mercure par exemple) tandis que l'insolation est effectuée avec une seconde lon- gueur d'onde (ligne g du mercure par exemple), il est très difficile de réaliser une optique ayant exactement la même focale pour les deux longueurs d'onde. Pour résoudre ce problème, on a réalisé des dispo- sitifs d'alignement dans lesquels le réticule est aligné par rapport à la tranche en deux étapes, en faisant int 7 er- venir une référence intermédiaire: l'alignement s'effectue pour une position fixe de la tranche par rapport au champ de l'optique de photoréduction, puis on fait subir à la table de réception de la tranche une translation dont l'amplitude et la direction correspondent à l'inter- valle entre la position d'alignement et la position d'insolation On pourra trouver une description de machines de ce genre dans de nombreux documents, tels que les brevets US 4 103 998, FR 2 408 847 et FR 2 482 750. On a également proposé d'effectuer l'alignement à l'aide d'un pinceau étroit de lumière provenant de la source d'insolation, délimité par un diaphragme qui masque toute la partie du faisceau autre que celle correspondant à la zone du motif d'alignement Ce masque est ensuite retiré pour l'insolation On arrive ainsi à une disposition très complexe (US-A 4 153 371). La présente invention vise à fournir un dispositif d'alignement répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'effectuer de façon simple et directe l'alignement de la tranche par rapport au réticule alors que la tranche est dans les conditions et à l'emplacement o elle sera ultérieurement insolée et sans imposer une limitation quelconque sur l'emplacement du motif d'aligne- ment dans le circuit à réaliser (bien que ce motif soit -3 avantageusement placé dans l'un des chemins de découpe de la tranche). Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif dans lequel les moyens d'observation, destinés à rechercher la coïncidence entre le motif d'alignement sur la tranche et le motif de référence sur le réticule comprennent un microscope muni d'un système optique commu- table entre un état o il dégage le trajet du faisceau d'insolation et un état dans lequel il dirige un pinceau de lumière d'éclairage provenant d'une source incorporée au microscope et de même longueur d'onde que les moyens d'illumination,à travers le motif de référence,vers la tranche et dans lequel il ramène la-lumière réfléchie- par le réticule et la lumière réfléchie par la tranche vers le microscope en faisant passer le rayon moyen par le foyer objet de l'optique de photoréduction. Un tel dispositif n'impose aucune limitation sur la taille du circuit élémentaire à reproduire, c'est-à- dire des puces à réaliser à partir de la tranche Le -20 système optique associé au microscope peut comporter un miroir de renvoi déplaçable entre une position escamotée et une position d'alignement Pour que les rayons moyens incident et réfléchi sur la tranche aient le même trajet, ce qui impose que le rayon incident passe par le foyer objet de l'optique de photoréduction, quel que soit le -point du champ de cette optique qui est visé, on disposera généralement, entre les moyens d'illumination et le réticule, et-à proximité immédiate de ce dernier, une lentille de champ donhtia focale est sensiblement égale à la distance entre le réticule etle foyer objet Ainsi, si les rayons arrivant sur la lentille de champ à partir des moyens d'illumination sont parallèles à l'axe optique, les rayons réfractés passeront toujours par le foyer objet, quelle que soit la position du microscope La lentille de champ influera très peu sur le grandissement et la qualité de l'image, puisqu'elle est à proximité du réticule Son seul effet est de rabattre les rayons vers le foyer objet. 4 - L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe en perspec- tive, des éléments optiques d'une machine de fabrication de circuits intégrés comportant un dispositif d'alignement suivant l'invention, les distances suivant l'axe optique n'étant pas respectées pour plus de clarté; la figure la est une vue de détail à grande échelle montrant l'emplacement d'une puce taire) et de ses motifs d'alignement sur la tranche i la figure 2 est un schéma de principe montrant les éléments optiques du microscope de la figure l et de ses éléments associés; les figures 3 et 4 sont des diagrammes montrant l'allure des signaux analysés la figure 5 est un schéma montrant une variante de la figure 2. La machine de fabrication de circuits intégrés montrée schématiquement en figure 1 est du type habituelle- ment appelé 'photo répéteur sur tranche" Cette machine est destinée à reproduire à intervalles réguliers, sur la résine photosensible qui recouvre une tranche 2 de semi- conducteur (silicium en général) le tracé dessiné sur un réticule ou masque 1 La constitution générale de la machine montrée en figure 1 est classique Elle comporte un illuminateur 3 capable de fournir, pendant une durée bien déterminée, un faisceau parallèle de lumière actinique, une table porte-réticule 5, un objectif de photoréduction 4 destiné à recueillir la lumière qui a traversé le réti- cule et à former l'image de ce dernier sur la tranche de silicium 2, portée par une table 6 On ne décrira pas en détail les éléments mécaniques constitutifs, étant donné qu'ils peuvent avoir n'importe quelle constitution clas- sique, par exemple celle décrite dans le brevet US 4 153 371 Il suffit de noter que la table porte-réticule - est prévue pour permettre de déplacer le réticule suivant deux directions orthogonales x et y et en rotation autour d'un axe parallèle à l'axe optique de la machine Cette table permet de régler l'orientation du réticule 1 de façon que les bords du tracé soient parallèles aux axes x et y. La table 6 permet de donner à la tranche 2 des déplacements suivant les directions x et y correspondant au pas de répétition du tracé sur la tranche. Le réticule 1 porte non seulement le tracé de circuit à reproduire, mais aussi des motifs de référence 7 qui seront amenés à coïncider avec des motifs d'alignement 8 portés par la tranche de façon à assurer l'alignement avec une préci- sion qui doit être de l'ordre de 0,1 micron dans les deux directions x et y On a représenté sur les figures l et la plusieurs motifs d'alignement successifs, tels que 8, pour chaque puce 9 La raison en est que, lorsqu'on utilise une résine photosensible positive, la couche de résine qui a été insolée disparaît au développement, en même temps que le motif d'alignement qui vient d'être uti- lisé, de sorte que plusieurs peuvent être utilisés en succession lorsque la fabrication de la puce exige plu- sieurs expositions sous des réticules différents et plu- sieurs développements. Les motifs sont placés soit dans la partie du tracé proche du bord, soit pour utiliser au maximum la surface disponible de tranche dans les chemins 9 a de découpe de la tranche 2 (figure la) Les motifs peuvent avoir des formes très diverses mais, en règle générale, ils comporte- ront des lignes croisées à 450 des directions x et y pour permettre l'alignement suivant ces deux directions. Le dispositif d'alignement proprement dit comnrend un microscope d'observation 10 Le microscope 10 est lui aussi monté sur une table 11 à déplacements croisés permettant de le déplacer dans deux directions orthogonales conjuguées des directions x et y du réticule et de la tranche La table Il peut être associée à un dispositif de commande de déplacement programmé pour provoquer aes déplacements d'amplitude bien déterminée dans les deux directions L'amplitude de la translation suivant la direction x, fixée une fois pour toutes pour une puce de dimensions données, permet de passer de l'observation d'une puce à celle de la suivante La translation suivant la direction y permet de passer d'un motif d'alignement 8 sur la tranche (et du motif de référence correspondant 7 sur le réticule) au suivant. Le microscope est muni d'une source de lumière à la longueur d'onde d'insolation, dont un mode particulier de réalisation sera décrit plus loin Cette source permet d'éclairer une fenêtre 12 du réticule contenant le motif de référence 7 utilisé " objertif de photoréduction 4 forme une image de cette fenêtre sur une zone 13 de la tranche contenant le motif d'alignement 8 L'image du motif d'alignement 8 est, inversement, formée dans la fenêtre 12 par l'objectif (je photoréduction 4 Ainsi, le microscope 10 reçoit la lumière réfléchie par la fenêtre 12 et-la zone 13 et permet d'observer simultanément les motifs 7 et 8. Pour que les rayons moyens incident et réfléchi sur la tranche 2 suivent des trajets confondus, le rayon incident doit passer par le foyer objet F de l'objectif de photoréduction 4 quel que soit le point du champ visé par le microscope, Pour remplir cette condition, le dispositif d'alignement comporte, immédiatement au- dessus du réticule 1, une lentille de champ 14 dont la focale est égale à la distance entre le réticule 1 et le foyer F Ainsi, à condition que le rayon incident arri- vant sur la lentille 14 soit parallèle A l'axe optique, le rayon réfracté passera toujours par F, quelle que soit la position du microscope La lentille 14 influe très peu sur le grandissement et la qualité de l'image, puisqu'elle est à proximité de la fenêtre 12 Il suffira de lui donner une qualité optique comparable à celle de l'illuminateur 3 Pour que l'image soit satisfaisante, l'objectif de photoréduction 4 sera choisi tel que son foyer objet F soit au voisinage de sa pupille d'entrée Dans la pratique, cette condition est généralement remplie par les objectifs habituels, qui sont de type télécentrique. On a vu que le pinceau de lumière destiné à éclairer la fenêtre 12 doit être parallèle à l'axe optique. Le microscope 10 étant par contre placé latéralement, un miroir de visée 15,renvoyant la lumière à 90 , est placé sur le trajet optique-entre le microscope 10 et la lentille 14 Les motifs de référence devant pouvoir être inscrits sur la résine recouvrant la tranche 2, le miroir 15 doit pouvoir être escamoté rapidement pour permettre l'insolation. Cette disposition permet de plus d'isoler l'image obtenue par réflexion directe sur le réticule l en plaçant un dia- phragme 16 de forme appropriée Le dia-phragme 16 est placé au foyer image de l'objectif du microscope, o se forme l'image de la source incorporée au microscope, comme on le verra plus loin. Un seul dispositif d'alignement a été montré sur la figure 1 mais on peut naturellement placer deux dispositifs qui visent des motifs placés respectivement dans les chemins de découpe droit et gauche. La nécessité d'un miroir escamotable 15 (ou plus généralement d'un système optique commutable) n'impose pas de contrainte grave à la machine: en effet, le miroir 15 pouvant être très léger, les temps de mise en place et de retrait sont très brefs (par exemple 50 ms et 40 ms) Le temps nécessaire pour effectuer l'alignement à la précision nécessaire est également très bref, de l'ordre de 100 ms. L'insolation, sous une intensité lumineuse très supérieure à celle utilisée lors de l'alignement, sera généralement de l'ordre de 100 ms également. On décrira maintenant, en faisant référence à la -figure 2, la constitution générale du microscope et des organes associés (source et système d'analyse). La source incorporée au microscope est constituée, dans le mode de réalisation montré en figures 1 et 2, par une fibre optique 17 suffisamment souple pour pouvoir suivre les déplacements du microscope Cette fibre emprunte une fraction de la lumière provenant de la lampe d'insolation incorporée à l'illuminateur 3 (lampe au mercure en général). -8- La lumière sortant de la tranche terminale de la fibre 17, constituant source, traverse un diaphragme de champ 18 et un diaphragme d'ouverture 19 au niveau duquel peut être placé un prisme de Wollaston 20 lorsqu'on souhaite réaliser un contraste interférentiel Une lame semitrans- parente 21 renvoie le pinceau de lumière d'éclairage vers l'objectif du microscope 10. La lumière réfléchie par la tranche, qui va former des images des motifs 7 et 8 est reprise par l'objectif du microscope, traverse la lame semitransparente 21 et est séparée en deux voies, analysant chacune l'une des directions des motifs Un séparateur 22 (lame séparatrice semitranspa- rente ou cube séparateur, éventuellement polarisant) répartit l'intensité lumineuse entre les deux voies qui ont une cons- titution similaire La voie I par exemple comporte succes- sivement un filtre spatial 23, des miroirs de renvoi 24 et un détecteur 25 Le filtre spatial 23, généralement constitué par un diaphragme à fente perpendiculaire à la direction d'analyse, est destiné à bloquer l'image provenant de la réflexion directe sur le réticule 1 Il est placé au foyer image de l'objectif, correspondant au plan de la pupille, c'est-à-dire au seul endroit o pratiquement les deux images sont séparées Un prisme de Wollaston (non représenté) peut' être également placé à proximité du foyer pour réaliser un contraste interférentiel lorsqu'on n'a qu'une image de phase - Les miroirs 24 sur la voie I et 26 sur la voie II permettent de donner à l'image une position latérale cons- tante lorsque le microscope est déplacé suivant la direction y (figure 2) dans le champ de l'optique de réduction 4. Les translations latérales suivant la direction y sont ainsi transformées en translations longitudinales, suivant la direction x de déplacement global du dispositif d'ana- lyse dans son entier Le défaut de mise au point qui en résulte est dans la pratique compensé par la variation d'épaisseur traversée dans la lentille 14, lorsque le grandissement du microscope 10 est optimisé à cet effet. Les détecteurs 25 peuvent être de types divers. a -9- Lorsqu'en particulier les motifs sont du genre montré en figures 1 et la, l'analyse d'image peut s'effectuer par exemple à l'aide d'un balayage à fente La représen- tation obtenue est du genre montré en figure 3 La position du motif 8 sur la tranche est calculée après numérisation du signal par rapport au centre de la fenêtre d'analyse 12 et le recentrage est effectué par déplacement de la table 6 Avant traitement de signal, il est avantageux de le dériver, puis de redresser les pics négatifs de façon à arriver à la représentation de la figure 4. La mesure d'écart effectuée sur le signal permet ensuite d'effectuer l'alignement par déplacement en x et/ou en y de la table 5. La figure 5 (o les organes correspondant à ceux de la figure 2 portent le même numéro de référence) décrit une variante de réalisation permettant un asservissement. La source est constituée par la tranche terminale d'une fibre optique 17 placée dans un plan conjugué de la pupille de l'objectif photoréducteur Le champ éclairé est limité par un diaphragme de champ 18 Les figures de diffraction obtenues par projection du motif 7 du réticule sur le motif 8 de la tranche donnent naissance, à travers le motif 7, à une nouvelle image que le microscope 10 (lentilles 27 et 28) forme sur un détecteur Ce détecteur peut être constitué par les tranches terminales, régulièrement répar- ties sur des cercles concentriques, d'un faisceau de fibres optiques 29 Ces tranches terminales sont placées dans un plan conjugué de la pupille d'entrée 30 de l'objectif photoréducteur 4 On peut ainsi faire une analyse dans ce plan de Fourier Les tranches à une extrémité des fibres sont situées à l'emplacement de la figure de diffraction formée par les motifs du réticule et de la tranche, avantageusement constitués cette fois par des réseaux linéaires à pas constant Les moyens d'analyse photo- électrique situés aux autres extrémités des fibres sont fixes par rapport à la machine. Le dispositif d'alignement qui vient d'être décrit dans lequel les rayons passent toujours par le même chemin dans le microscope 10, permet de faire une analyse, donnant - un signal d'erreur, dans le plan de la pupille de l'objec- tif photoréducteur en un point quelconque du champ. Quel que soit le mode de réalisation adopté, l'optique commutable (miroir escamotable 15 par exemple) permet de ne donner à la résine qu'une insolation très faible au cours de l'alignement, et ce d'autant plus que ce dernier peut être fait en un temps très bref Aucun déplacement de la tranche n'est nécessaire entre aligne- ment et insolation, ce qui augmente la cadence de fonction- nement et supprime les problèmes de déplacement précis de la tranche sur de courtes distances Le fait de devoir placer le microscope d'observation sur une table permettant de le déplacer dans les deux directions ne constituant pas, dans la pratique, une contrainte réelle,pas plus que l'ad- jonction de la lentille de champ 14. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'alignement pour machine de fabri- cation de circuits intégrés comprenant une table porte- réticule ( 5) munie de moyens permettant de la déplacer dans son plan, au moins dans deux directions orthogonales x et y correspondant à deux axes principaux du réticule; une table ( 6) de réception de tranche de semiconducteur portant au moins un motif d'alignement ( 8), ladite table étant équipée de moyens de déplacement suivant deux directions conjuguées des directions x et y; une optique de photoréduction ( 4) disposée entre les tables; des moyens d'illumination du réticule en lumière actinique permettant d'insoler la tranche de semiconducteur à travers l'optique ( 4) ; et des moyens d'observation simultanée d'un motif d'alignement sur la tranche et d'un motif de référence sur le réticule, dispositif caractérisé en ce que les moyens d'observation, destinés à rechercher la coïnci- dence entre le motif d'alignement ( 8) sur la tranche et un motif de référence ( 7) sur le réticule, comprennent un microscope ( 10) muni d'un système optique ( 15) commutable entre un état o il dégage le trajet du faisceau d'insola- tion et un état dans lequel il dirige un pinceau de lumière d'éclairage provenant d'une source incorporée au microscope et de même longueur d'onde que la lumière d'insolation, à travers le motif de référence vers la tranche et un état dans lequel il ramène la lumière réflé- chie par le réticule et la lumière réfléchie par la tranche vers le microscope en faisant passer le rayon moyen par le foyer objet (F) de l'optique de photoréduction. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique escamotable est constituée par un miroir de visée ( 15) déplaçable enta'e une position o il est à l'intérieur du faisceau d'insolation et une position o il est à l'extérieur. 3 Dispositif suivant la revendication t ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille de champ ( 14) interposée entre l'illuminateur et le réticule, à proximité immédiate du réticule, dont la focale est sen- siblement égale à la distance entre le réticule et le foyer 12 - objet. 4 Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le microscope ( 10) est monté sur une table ( 11) à déplacement croisé permettant de le déplacer dans deux directions orthogonales conjuguées des directions x et y du réticule et de la tranche. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la source du pinceau de lumière d'alignement est constitué par la tranche terminale d'un guide optique d'amenée de lumière à partir de l'illuminateur. 6 Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une lame semitransparente ( 21) destinée à envoyer le pinceau de lumière incidente provenant de la source ( 17) vers l'optique commutable et à transmettre la lumière réfléchie vers un système d'analyse ( 22-26). 7 Dispositif suivant la revendication 6, caracté- risé en ce que le système d'analyse comporte un séparateur ( 22) de fractionnement du pinceau réfléchi en deux voies, comportant chacune un filtre spatial ( 23) et un détecteur, chaque voie étant affectée à une direction particulière des motifs.