Brevet FR2526583A1 — publié le 19831110

La présente invention concerne un appareil'de lithographie utilisant un faisceau d'électronspour la fabrication de dispositifs à semiconducteurs et, plus particulièrement, un tel système dans lequel la pastille à exposer est maintenue, et déplacée par rapport au faisceau d'électrons, par un disque supporté par des paliers à air ou un coussin d'air L'appareil peut également servir à former des réticules de précision utilisés dans des processus lithographiques classiques. Dans la poursuite de son effort en vue de créer des dispositifs à circuits intégrés de plus en plus complexes, l'industrie des semiconducteurs se dirige vers des formes géométriques de dispositifs de plus en plus fines Les détails sont en fait devenus si fins que la résolution néces- saire pour des procédé S lithographiques commence à dépasser les limites de diffraction imposées par l'utilisation de la lumière visible ou même ultraviolette Donc, il y a développe- ment et mise au point de systèmes qui utilisent des faisceaux d'électrons ou des rayons X pour effectuer l'exposition des masques lithographiques servant à la fabrication des disposi- tifs à semiconducteurs Cependant, si une exposition lithogra- phique à la lumière peut se produire sous la pression atmosphé- rique, une lithographie utilisant des faisceaux d'électrons doit s'effectuer sous vide poussé En outre, puisque la zone pouvant être balayée et exposée par un faisceau d'électrons fonctionnant à grande résolution est hautement limitée, c'est- à-dire qu'elle représente une région plus petite que celle- de la pastille typique de semiconducteurs, il est nécessaire de déplacer physiquement la pastille, par rapport à la source du faisceau d'électrons, afin d'exposer différentes régions de la surface de la pastille. Une solution simple et facile de ce problème aurait consisté à placer les mécanismes de déplacement de la pastille au sein du système sous videmais cette solution n'a pas d'intérêt en pratiquecar ces mécanismes impliquent typi- quement des lubrifiants et composés organiques pouvant dégrader le vide et empoisonner rapidement la cathode émettrice d'élec- trons servant à engendrer le faisceau d'électrons Donc, on pense préférable que la platine, le porte-objets ou autre moyen de support de la pastille de semiconducteurs s'étende à l'extérieur de la chambre sous vide pour la liaison avec les mécanismes d'entraînement mécanique. De même, si des paliers à air ou coussins d'air ont largement servi à supporter des pastilles semicon- ductrices et divers éléments de mécanismes comprenant des platines de déplacement selon les axes X, Y de coordonnées, l'utilisation de tels paliers ou supports en liaison avec des systèmes fonctionnant sous vide n'a pas fait l'objet d'une large acceptation, non seulement parce que le gaz introduit dans le palier ou coussin d'air augmente les exigences concernant le pompage pour l'obtention du vide,mais aussi parce que la pression atmosphérique s'exerçant en face du vide a typiquement aussi placé une charge mécanique excessi- vement lourde sur le système La charge atmosphérique exerce des contraintes sur les pièces mobiles qui, si lourdement et si solidement construites soient-elles, présentent un peu de distorsion On comprend que cette distorsion gêne le positionnement précis de la pastille semiconductrice effectué par le mécanisme En outre, puisque les pièces mobiles soumises au vide doivent être construites de manière solide et lourde, elles ne peuvent être facilement déplacées à la grande vitesse fortement souhaitable pour effectuer un repositionnement rapide d'une pastille semiconductrice en vue d'obtenir le maximum de rendement de la machine ou du système lithographique. Parmi les divers objets de la présente invention, on peut noter la proposition d'un système lithogra- phique utilisant un faisceau d'électrons pour fabriquer des dispositifs à semiconducteurs; assurant un positionnement rapide et précis d'une pastille semiconductrice par rapport à une source de faisceau d'électrons; dans lequel la platine de déplacement de' la pastille peut être de construction relativement légère pour faciliter un positionnement rapide et n'exiger que la mise en oeuvre d'une énergie d'intensité raisonnable qui facilite le maintien d'un vide poussé dans l'environnement de la source du faisceau d'électrons qui ne soumet pas la platine de support et transport de la pastille à de fortes forces de distorsion; dans lequel la platine de support de pas- tille peut être déplacée sans frottement important; et qui est hautement fiable et de construction relativement simple et peu onéreuse. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, faite à titre illustratif et nullement limitatif en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une illustration schématique, en élévation, avec arrachage de certaines parties, d'un système lithographique utilisant un faisceau d'électrons et réalisé selon la présente invention la figure 2 est une coupe, sensiblement le long de la ligne 2-2 de la figure 1, montrant une surface de support réalisée par le dispositif de coussin d'air uti- lis 7 é dans le système représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue de dessus du système; et la figure 4 est une vue latérale de ce système. Bien entendu, des indices de référence corres- pondants indiquent des pièces correspondantes sur les diver- ses figures des dessins. En se référant maintenant plus particulière- ment à la figure 1, on y voit qu'un projecteur d'un faisceau d'électrons dirigé vers le haut est indiqué généralement par l'indice de référence 11 On sait que de tels canons à électrons peuvent être construits de manière à assurer une résolution extrêmement élevée, mais la région sur 3 laquelle un balayage peut s'effectuer est très limitée Afin d'exposer la totalité de la surface d'une pastille semi-conductrice, qui peut avoir un diamètre de l'ordre de 7,6 à 12,7 cm, il est ainsi nécessaire de déplacer la pastille de manière à aligner les différentes régions de la surface de cette pastille avec le canon en vue de les exposer Selon la présente invention, le rôle d'une platine de déplacement selon les axes X et Y de coordonnées pour le transport de la pastille est assumé par un disque sur coussin d'air analogue à une plaque, désigné dans son ensemble par l'indice 13. Le disque ou palet 13 est supporté entre deux plaques 15 et 17 d'obtention d'un coussin d'air et qui pré- eri Lent des surfaces de positionnement se faisant face Les plaques 15 et 17, dites ci-après plaques de support pneumati- que, sont complétées par des structures d'équilibrage res- pectives, désignées par les indices 19 et 21, respectivement. Comme on l'expliquera plus en détail ci-après, les plaques de support pneumatique constituent, avec leurs collecteurs ou manifolds respectifs, des régions annulaires de mise sous pression et de mise sous vide qui supportent effectivement le disque 13 sans contact physique, tout en permettant le maintien d'un vide dans l'appareillage. Sur la face inférieure du disque 13 est montée une colonne 31 qui porte un mandrin 33 convenant pour mainte- nir une pastille semiconductrice ou un réticule à exposer dans le système ou appareil selon la présente invention. Les pastilles semiconductrices sont de préférence montées dans des supports individuels qui sont à leur tour reçus par le mandrin plutôt que d'avoir un contact direct du mandrin avec les pastilles semiconductrices elles-mêmes, un tel contact direct pouvant constituer une source de débris micros- copiques risquant de nuire au fonctionnement de la machine. La colonne 31 s'étend vers le bas en traversant des ouvertures centrales ménagées dans la plaque 17 et le manifold 21 Ces ouvertures sont dimensionnées de manière que le disque avec la pastille puisse se déplacer latéralement de manière suffi- sante pour mettre n'importe quelle partie de la pastille en alignement avec l'axe du canon 11 à électrons Une écluse, ou un sas d'air, 36,et un mécanisme à cassette de chargement de pastilles, désigné de façon générale par l'indice 37, sont situés d'un côté de la chambre sous dépression, et ils sont agencés de manière à permettre de charger et décharger les pastilles du mandrin 33 lorsque le disque 13 a été posi- tionné de manière à aligner le mandrin 33 sur le mécanisme de chargement Les détails et mécanismes d'entraînement de ces éléments ont été omis du dessin de manière à ne pas rendre plus difficile la compréhension de l'invention pro- prement dite. Afin de permettre le déplacement du disque 13 essentiellement sans frottement, ce disque est supporté sur un coussin d'air, c'est-à-dire sur un support pneumatique. On peut voir sur la figure 2 que la plaque 17 comporte, autour de sa périphérie, plusieurs rainures 41 en forme de H On peut voir que le dessin des rainures suit la périphérie externe de la plaque de support pneumatique en formant un contour de forme générale carrée à coins arrondis Au milieu de la barre transversale de chaque rainure en H, une soupape à aiguille 42 commande et limite l'écoulement de pénétration d'air dans cette structure de rainures La structure 21 de manifold ou collecteur fournit de l'air pur sous pression aux rainures en forme H, cet air passant par les soupapes 42 à aiguilles, et ce courant d'air constitue un coussin d'air entre la face supérieure de la structure 17 de support et la face inférieure du disque 13 Afin d'assurer la plus grande précision de positionnement et le minimum de pertes d'air, la finition des surfaces complémentaires des plaques et 17 de support pneumatique et du disque 13 présente un degré élevé de planéité et d'état lisse de surface Chaque rainure 41 en forme de H distribue l'air par sa soupape respective à aiguille pour créer une région de pression de support Les régions adjacentes forment ensemble une zone annulaire de pression entre la plaque 17 de support pneumati- que et le disque 13. Comme antérieurement indiqué, la chambre dans laquelle la pastille est exposée au faisceau d'électrons est maintenue sous vide poussé Comme une partie du gaz provenant du coussin d'air s'écoule nécessairement en direc- tion de la chambre dans laquelle règne un vide, deux rainures 43 et 45 sont prévues vers l'intérieur de la plaque par rapport à la rainure 41, et la structure de manifold 21 assure des niveaux successivement croissants de pompage pour faire le vide de manière à aspirer et éliminer le gaz s'échappant ainsi vers l'intérieur de la plaque Dans ce cas également, la quantité d'air qui s'échappe est maintenue à une valeur minimale par l'observation de tolérances serrées entre les surfaces en regard du disque 13 et des plaques et 17. Si la face supérieure du disque 13 était exposée à l'atmosphère, comme ce serait le cas dans des systèmes classiques à platine à support pneumatique, le disque serait soumis à l'action d'importantes forces de distorsion puisque, sur la région centrale de ce disque, la pression atmosphé- rique pourrait correspondre à une-force de plusieurs tonnes. Pour pouvoir résister à ces forces sans distorsion inaccepta- ble, le disque devrait être massif et réalisé de manière à présenter la rigidité requise; Un tel caractère massif nuirait, bien entendu, à un mouvement rapide et précis du disque Selon la présente invention, donc, une second plaque de support pneumatique est prévue du côté supérieur du disque 13 La plaque supérieure 15 est essentiellement le complément de la plaque inférieure 17; elle présente un réseau périphérique de rainures 41 en forme de H et au moins une rainure 46 de pompage plus à l'intérieur de la zone de support pneumatique, en vue de supporter une zone centrale sous vide Pour équilibrer les forces-s'exerçant sur le disque 13, la plaque supérieure 15 comporte une ouverture centrale 47 qui est mise sous dépression à l'aide d'un orifice ou conduit 48 On comprendra qu'il n'est pas néces- saire de maintenir cette région sous le niveau très élevé de dépression appropriée pour la chambre recevant le faisceau d'électrons mais qu'il suffit que la dépression y atteigne le niveau nominal permettant à la force-totale exercée sur la région centrale du disque d'être négligeable en regard de la rigidité de ce disque De même, puisqu'il n'est pas nécessaire d'y maintenir un degré élevé de dépression, une seule rainure de balayage, située à l'intérieur des organes assurant le support pneumatique, peut suffire à maintenir un pompage différentiel entre la région à support pneumatique et la région centrale sous vide On comprendra que la plaque supérieure 19 doit être assez solide,puisqu'elle doit suppor- ter les grandes forces atmosphériques dont la présente inven- tion évite l'application sur le disque 13. Une série d'éléments 51 à 54 de bâti s'étendent de la chambre principale sous dépression, vers l'extérieur et autour de l'espace pouvant être balayé par le disque 13, pour fixer la structure du manifold et de l'élément supérieur de support pneumatique et pour maintenir ainsi en alignement sensible les plaques supérieure 15 et inférieure 19 de support pneumatique Ces éléments de bâti servent à posi- tionner cette structure en un sens latéralmais ils n'assu- ment pas réellement le rôle de support de cette structure en fonctionnement, puisque les paliers à air ou éléments de support pneumatique jouent effectivement ce rôle. Le déplacement du disque 13 dans la direction des axes X et Y est réalisé à l'aide d'un système de servo- moteurs, indiqués en 61 et 63 respectivement, dont chacun comporte un codeur de position convenant pour une commande de rétroaction. Le servomoteur 63 correspondant à l'axe des Y est stationnaire et il est monté directement sur la structure de manifold supérieur 19 Le servomoteur 63 entra 1 ne une vis-mère 64 qui à son tour positionne le long de l'axe des Y un écrou 65 à recirculation de billes Une structure de bâti léger, indiquée généralement par l'indice 66, est entratnée avec l'écrou 65 Le bâti 66 a une forme générale triangulaire et comprend un long élément diagonal 67 direc- tement relié à l'écrou 65, un rail 68 correspondant à l'axe des Y; une courte entretoise 69 en diagonale et un élément orthogonal 70 de bâti Le mouvement du rail, 68 est étroite- ment limité le long de l'axe des Y par deux étriers ou éléments de guidage 72 et 74 à coussin d'air Chaque élément de guidage serre le rail entre deux surfaces de support pneumatique Le poids du bâti total 66 est supporté par des roues 81 à 84 qui chevauchent des éléments plats respectifs 85 à 88 La roue 84 n'est pas visible sur la vue de dessus de la figure 3 puisqu'elle se trouve au-dessous du servo- moteur 61 correspondant à l'axe des X. Le servomoteur 61, correspondant à l'axe des X, est porté par le bâti 66 de forme triangulaire avec lequel ce servomoteur se déplace Le servomoteur 61 entraîne une vis 91 de commande qui positionne à son tour un écrou 93 à recirculation de billes le long de l'axe des X L'écrou 93 porte un bras 95 qui s'étend horizontalement le long de l'axe des X sur le côté de la plaque de support pneumatique, puis descend vers le disque auquel il est fixé pour en commander le déplacement le long de l'axe des X Le rôle du bras 95 consiste seulement à déplacer le disque dans le sens de l'axe des X et il n'exerce pas d'autres contraintes ni effets de positionnement sur-le disque. Un rail droit 101, qui s'étend le long de l'axe des X, est monté le long d'un côté du disque pour limiter le mouvement de ce disque à la forme linéaire voulue Deux étriers ou éléments de guidage 103 et 105 limitent ou ali- gnent le rail 101 Les éléments 103 et 105 de guidage sont essentiellement semblables aux éléments 72 à 74 de guidage qui limitent le mouvement du bâti triangulaire 66 le long de l'axe des Y Cependant, les éléments 103 et 105 de guidage ne sont pas fixes mais ils-sont montés sur le bâti triangu- laire 66 mobile, de sorte que le disque peut être déplacé le long de l'un ou l'autre axe par le servomoteur respectif. Comme cela se fait de plus en plus dans de tels systèmes, la coordination du positionnement en fonction des coordonnées X et Y, d'une part, avec le balayage et l'exposition aux effets du canon à électrons est réalisée à l'aide d'une cal- curatrice numérique universelle programmée de façon appro- priée Cependant, le système à pression équilibrée selon la présente invention peut servir avec des commandes du type calculatrice numérique ou avec des circuits de commande électroniques spéciaux qui, dans l'un et l'autre cas, ne font pas partie de l'aspect inventif de la présente invention. Les exigences concernant la rigidité du disque 13 étant nettement réduites dans le cas du système de la présente invention, ce disque peut être réalisé en une matière relativement légère De préférence, le disque 13 est réalisé sous forme d'un stratifié comportant une âme légère, par exemple deux plaques minces en aluminium qui constituent les surfaces de travail séparées par une entre- toise en nids d'abeilles en aluminium Une telle structure donne un ensemble relativement rigide en forme de plaque ayant un très faible poids. Du fait que la présente invention permet de réa- liser un disque ayant une masse relativement faible, ce disque peut être entralné à une vitesse relativement élevée à l'aide des servomoteurs qui dissipent ainsi relativement peu d'énergie Comme le comprendront les experts en ce domaine, il est hautement souhaitable d'éviter l'utilisation de dispositfs à forte alimentation en énergie dans l'environ- nement de l'équipement de fabrication de semiconducteurs de précision, puisque toute source éventuelle de chaleur peut introduire des distorsions thermiques dans le systèie et détruire ainsi la précision extrême souhaitée. Il va de soi que,sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être appor- tées au système lithographique décrit et représenté. REVENDICATIONS 1 Système lithographique utilisant un faisceau d'électrons pour fabriquer des dispositifs ayant de fines formes géométriques, ce système étant caractérisé en ce qu'il comprend: un organe ( 11) destiné à former un faisceau d'électrons convenant pour heurter un cache photolithogra- phique et pour réaliser un balayage, par ce faisceau, sur une région limitée un disque mobile ( 13) analogue à une plaque comprenant, d'un côté, un organe ( 33) destiné à tenir un dispositif devant être exposé à ce faisceau d'électrons un premier organe ( 17) de positionnement du disque ( 13), présentant une première surface de support de ce disque comprenant une région annulaire pouvant être mise sous pression pour supporter le disque ( 13) à l'aide d'une pression de gaz et, à l'intérieur de cette région pouvant être mise sous pression, une région pouvant être mise sous dépression pour aspirer le gaz s'échappant entre le disque ( 13) et la première surface de support, ledit organe ( 17) comportant une ouverture centrale permettant au faisceau d'électrons de venir heurter un dispositif-porté par le disque ( 13); un second organe ( 15) de positionnement du disque ( 13), constituant une seconde surface de support du côté du disque ( 13) o'pposé à la première surface de support, ladite seconde surface comportant également une région annu- laire pouvant être mise sous pression pour maintenir une séparation entre ladite seconde surface et le disque ( 13) - et, à l'intérieur de cette région pouvant être mise sous pression, une région pouvant être mise sous vide; des éléments ( 51-54) de bâti qui relient les premier ( 17) et second ( 15) organes de positionnement pour maintenir en alignement fixe les régions respectives, pou- vant être mises sous pression et sous vide, desdits organes; et un dispositif ( 63,64,65,66,68,72,74,81 à 84, à 88; 61,66,91,93,95,101,103, 105) d'entraînement selon les axes X, Y de coordonnées pour positionner de façon régla- ble le disque ( 13) par rapport à l'organe ( 11) de formation du faisceau d'électrons, afin de permettre à des parties choisies d'un dispositif porté par ce disque ( 13) de venir dans la région balayée par le faisceau, de sorte que le disque ( 13) est positionné avec précision entre lesdites surfaces sans être soumis à dès forces de distorsion. 2 Système lithographique pour la fabrication de dispositifs à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend: un organe ( 11) pour former dans un vide un fais- ceau convenant pour heurter un cache photolithographique et pour imprimer à ce faisceau un mouvement de balayage sur une région limitée plus petite que celle d'une pastille semi- conductrice, devant être exposée à l'action de ce faisceau d'électrons un disque mobile ( 13) comportant, d'un côté, un organe destiné à maintenir une pastille semiconductrice devant être heurtée par ce faisceau d'électrons un premier organe ( 17) de positionnement du dis- que ( 13), présentant une première surface de support de ce disque ( 13) et comprenant une région annulaire pouvant être mise sous pression pour supporter le disque ( 13) à l'aide d'une pression de gaz et, à l'intérieur de cette région pou- vant être mise sous pression, une région pouvant être mise en dépression pour enlever le gaz s'échappant entre le disque ( 13) et la première surface de support, cet organe ( 17) com- prenant une ouverture centrale permet-tant le passage du faisceau devant heurter un dispositif porté par le disque ( 13); un second organe ( 15) de positionnement du disque ( 13), présentant une seconde surface de support du côté du disque ( 13) opposée à ladite première surface de support, cette seconde surface comprenant également une région annu- laire pouvant être mise sous pression pour maintenir une séparation entre ladite seconde surface et le disque ( 13) et, à l'intérieur de cette région pouvant être mise sous pression, une région pouvant être mise sous vide; des éléments ( 51 à 54) de bâti, qui relient les premier ( 17) et second ( 15) organes de positionnement du disque ( 13), pour maintenir en alignement fixe les régions respectives pouvant être mises sous pression et sous vide, de ces organes; et un dispositif ( 63,64,65,66,68,72,74,81 à 84, à 88; 61,66,91,93,95,101,103,105) d'entraînement selon les axes X et Y de coordonnées pour positionner de façon réglable le disque ( 13) par rapport à l'organe ( 11) de forma- tion du faisceau d'électrons, afin de permettre à des parties choisies d'une pastille semiconductrice portée par le disque ( 13) de venir au sein de la région balayée par le faisceau, de sorte que le disque ( 13) est positionné avec précision entre lesdites surfaces de portée sans être soumis à des forces de distorsion. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque organe ( 17,15) de positionnement du disque ( 13) comprend, autour de la périphérie de la surface de support respective, plusieurs rainures ( 41) en forme de H permettant de distribuer du gaz sous pression pour créer une région sous pression. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une soupape doseuse ( 42) est disposée dans la partie formant branche transversale de chacune des rainures ( 41) en forme de H. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque organe ( 17,15) de positionnement du disque ( 13) comprend, à l'intérieur des rainures ( 41) en forme de H, une rainure annulaire ( 43,45) permettant d'aspirer le gaz s'é-chappant vers l'intérieur de la région sous pression. 6 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second organe ( 15) de positionnement du disque ( 13) présente une ouverture centrale ( 47) alignée avec l'organe ( 11) de formation du faisceau et pouvant être mise sous vide. 7 Système lithographique utilisant un faisceau d'électrons pour la fabrication de dispositifs à semiconduc- teurs, caractérisé en ce qu'il comprend un organe ( 11) destiné à former un faisceau d'électrons convenant pour exposer un masque photolithographique et pour soumettre ce faisceau à un mouvement de balayage sur une région limitée plus petite qu'une pastille semiconductrice devant être heurtée par le faisceau un disque mobile ( 13), analogue à une plaque et qui comprend, d'un côté, un organe destiné à maintenir une pastille semiconductrice devant être heurtée par le faisceau d'électrons un premier organe ( 17) de positionnement du disque ( 13), présentant une première surface de support infé- rieure à celle du disque ( 13) et comprenant une région annu- laire pouvant être mise sous pression pour supporter le disque par du gaz injecté sous pression à travers plusieurs orifices et, à l'intérieur de cette région pouvant être mise sous pression, une région pouvant être mise sous dépression et qui comprend au moins une rainure annulaire ( 43, 45) pour aspirer du gaz s'échappant vers l'intérieur et provenant' d'entre le disque '( 13) et la première surface de support, cet organe ( 17) comprenant une ouverture centrale permettant au faisceau d'électrons de heurter un dispositif porté par le disque ( 13) un second organe ( 15) de positionnement du disque ( 13), semblable au premier organe ( 17), présentant une seconde surface de support du côté du disque ( 13) opposé à la première surface de support, cette seconde surface comprenant une région annulaire pouvant être mise sous pres- sion pour maintenir une séparation entre ladite seconde surface et le disque ( 13) par du gaz injeété sous pression par plusieurs orifices et, à l'intérieur de cette région pouvant être mise sous pression, une région pouvant être mise sous dépression et qui comprend au moins une gorge annu- laire ( 46) pour aspirer le gaz s'échappant vers l'intérieur en provenance de la région pouvant être mise sous pression des éléments ( 51 à 54) de bâti reliant les premier ( 17) et second ( 15) organes de positionnement du disque ( 13) pour maintenir en alignement fixe les régions respectives, pouvant être mises sous pression et sous dépression, des organes ( 17,15) et un dispositif ( 63,64,65,66,68,72,73,81 à 84, à 88; 61,66,91,93,95,101,103,105) d'entraînement selon les axes de coordonnées X, Y pour positionner de façon réglable le disque ( 13) par rapport à l'organe ( 11) de formation du faisceau d'électrons afin de permettre à des parties choisies d'une pastille semiconductrice portée par le disque ( 13) de venir au sein de la région balayée par le faisceau, de sorte que le disque ( 13) est positionné avec précision entre lesdites surfaces sans être soumis à des forces de distorsion.