Brevet FR2560397A1 — publié le 19850830

Aareil de microlithographie optique à système d'alignement local La présente invention a pour objet un appa- reil de microlithographie optique utilisé notamment pour la fabrication des circuits intégrés. Elle con- cerne plus particulièrement le système d'alignement local. On sait qu'un circuit intégré est fabriqué par une succession de dépôts de couches et de gravure de ces couches. Pour réaliser un motif par gravure, on recouvre le circuit intégré d'une couche de résine photosensible et on insole cette résine avec un fais- ceau énergétique qui est intercepté par un masque re- produisant l'image du motif à réaliser sur le circuit intégré. La résine insolée est ensuite éliminée lais- sant à nu les zones du circuit intégré à graver. Pour des circuits dont la dimension minima- le des motifs (largeur des conducteurs métalliques, longueur des canaux des transistors MOS,.o) est de l'ordre de 3 imt au moins, la méthode la plus courante consiste à réaliser un masque à l'échelle 1. Cette méthode, dite projection 1:1, est intéressante par son faible coGt et par sa simplicité qui permet une production à haut débit. Cette méthode simple ne peut être utilisée pour la fabrication des circuits intégrés dont la di- mension typique des motifs est de l'ordre de 1 lm. La fabrication de tels circuits est réalisée principale- ment par deux méthodes: la microlithographie optique et la microlithographie par faisceau d'électrons. L'appareil de l'invention est basé sur la première méthode. Plus particulièrement, il met en oeuvre la méthode de photorépétition directe sur tranche (en anglais "directsteponwafer"). Dans cette méthode le rapport des dimensions respectives d'un masque et d'un circuit intégré est de l'ordre de 10 à 1; un objectif de photoreduction est donc disposé entre ceux-ci. Pour positionner successivement chaque circuit intégré d'une plaquette au droit du masque en vue de l'insoler, l'appareil comprend un moyen de dé- placement de la plaquette. Les circuits intégrés étant disposés régulièrement sur la plaquette, ce moyen effectue un déplacement de la plaquette d'un pas constant entre deux insolations. La longueur du déplacement peut être contrôlée par exemple par une méthode mettant en oeuvre l'interférence de faisceaux laser. Deux méthodes connues sont utilisées pour aligner les circuits intégrés d'une plaquette dans l'axe optique de l'appareil. On va décrire ces deux méthodes en référence aux figures 1 et 2. Ces métho- des sont respectivement la méthode d'alignement glo- bal et la méthode d'alignement local. Les figures la, lb et lc illustrent la mé- thode d'alignement global d'une plaquette. La figure la représente, en vue de dessus, une plaquette 2 com- portant une pluralité de zones rectangulaires 4 dis- posées régulièrement sur cette plaquette. Sur ces zones, des couches successives seront déposées puis gravées créant ainsi un circuit intégré. On appellera "puces" ces zones dans la suite du texte. Outre ces puces, la plaquette 2 comporte également des marques de repérage 6 qui sont utili- sées pour aligner ladite plaquette. Ces marques peu- vent être constituées d'un simple trait, comme repré- senté sur la figure, ou peuvent être à deux dimen- sions, par exemple une croix. Dans le premier cas au moins deux marques sont nécessaires pour positionner la plaquette en translation et en rotation; dans le second cas, une seule marque suffit. L'alignement de la plaquette est réalisé par un système optique schématisé sur la figure lb. Le système optique représenté comprend deux miroirs d'angle 8, un prisme 10 et un microscope d'alignement 12. Ce système optique est relié à un moyen qui com- mande le déplacement du support de la plaquette de telle sorte que les marques de repère 6 occupent des positions de référence. La plaquette est ensuite translatée pour être positionnée sous la colonne optique du système de microlithographie. Ce système optique comprend une source S de lumière monochromatique, une lentille convergente 14, un réticule 16, constitué d'une lame de verre 18 sur la face inférieure de laquelle un masque 20 est réalisé par dép8t puis gravure d'une feuille métallique, et un objectif de photoréduction 22. Chaque puce 4 de la plaquette 2 est insolée suc- cessivement. L'alignement correct de chaque puce 4 avant insolation n'est pas contr8ôlé. Ceci permet de gagner du temps et donc d'avoir un débit élevé, mais ceci conduit en revanche à une tolérance importante dans l'alignement des différentes couches constituant la puce. Sur les machines connues, ce défaut dUaligne- ment est de l'ordre de 0,7 lum et est dû pour une grande part au déplacement de la plaquette du système d'alignement au système de microlithographie opti- que, ce déplacement étant d'une longueur d'approxima- tivement 100 mm. Cette tolérance de 0,7 ima dans l'aligne- ment des puces interdit pratiquement de réaliser des motifs de dimension inférieure à 2 iim. Pour les li- thographies plus fines, il est nécessaire d'utiliser un appareil muni d'un système d'alignement localf c'est-à-dire un système permettant de réaligner cha- que puce de la plaquette avant insolation. Un tel appareil est représenté schématiquement sur les figu- res 2a et 2b. La figure 2a représente en vue de dessus une plaquette 2 comportant une pluralité de puces 4. Une marque de repérage 24 est disposée à c8té de cha- cune des puces. Ces marques permettent d'aligner in- dividuellement chaque puce sous le système de micro- lithographie optique. Ces marques peuvent être à une dimension, par exemple un trait, ou à deux dimen- sions, par exemple une croix. Le système de microlithographie optique de la figure 2b comporte les mêmes éléments que celui de la figure lc, c'est-à-dire une source monochromatique S, une lentille convergente 14, un réticule 16 cons- titué d'une lame de verre 18 et d'un masque 20 et un objectif de photoréduction 22. Une marque de référence 26 a été ajoutée sur la lame 18 à côté du masque 20. Cette marque est projetée par l'objectif de photoréduction 22 sur la plaquette 2. L'alignement correct d'une puce de la plaquette est réalisé en faisant coincider la projec- tion de cette marque 26 avec la marque de repérage 24 de la puce située sous l'objectif de photoréduction. L'image de la marque 26 sur la plaquette 2 et la zone alentour est renvoyée par un séparateur de faisceau 28 disposé entre le réticule 16 et l'objectif de pho- toréduction 22 pour être analysée. Un moyen de dépla- cement commande alors le mouvement de la plaquette en fonction de ce signal 29 afin d'aligner correctement la puce 4 à insoler. L'alignement local permet une meilleure précision dans la superposition des différentes cou- ches d'une puce. La précision d'alignement est ici de 256o0397 1'orrdre de 0,1 'um, ce qui est nettement meilleur que arans les appareils dotés d'un système d'alignement global. Il est ainsi possible de réaliser des cir- cuits intégrés dont le dimension minimale des motifs est de l'ordre de 1 ^Emo On comprend que l'alignement de chaque puce pénalise le débit de production des circuits intégrés par rapport à l'alignement globalo Pour ne pas trop limiter ce débit, le realignement n'est pas réalisé toute les puces, mais toutes les puceso la valeur de n étant choisie en fonction des caractéristiques de l'appareil. Le système d'alignement local de l'appas reil repraésenté sur la figure 2b n'est pas parfaitO Une premiêre limitation de ce système réside dans le fait que l!objectif de phooeréduction 22 n'est corri- gé que pour une longueur d'onde précise qui est la longueur d'onde de la source monochromatique $o Un alignement correct ne peut donc se faire qu'avec cette source. Ceci est gênant car la marque de epé- rage 24 se trouvant dans le champ de l'objectif de photoréduction 22 est attaquée par le rayonnement issu de la source S. D'autre part, selon les niveaux technolo- giques, la marque de repérage 24 peut être très peu contrastée, ce qui rend difficile l'alignement du dé 4 associé. Le système d'alignement local de l'appa- reil de l'invention remédie à ces problèmes en auto- risant l'éclairage de la marque 24 par un faisceau optique à large spectre ou par le choix d'un faisceau monochromatique dont la longueur d'onde peut être choisie parmi une pluralité. Parmi les sources d'éclairement disponibles, on pourra ainsi utiliser avantageusement une longueur d'onde a laquelle la ré- 560 3 sine recouvrant la puce est iinsensible. L'objectif de photloréductiorin qui est dé- pourvu d'aberrations pour une seule longueur d'onde, n'est pas compatible avec la source d'éclairement de l'invention. Par ailleurs, un objectif de photoréduc- tion dépourvu d'aberrations pour une gamme de lon- gueurs d'ondes est pratiquement impossible a réaliser dans l'état actuel de la technique. On se propose donc de disposer un sépara- teur de faisceau entre l'objectif de photoréduction et la plaquette pour éclairer celle-ci sans utiliser les moyens du système optique de microlithographie. Ce séparateur de faisceau a aussi pour rôle de renvoyer l'image de la zone entourant la marque de repérage de la puce à insoler, image qui est ensuite traitée par un moyen qui commande le déplacement de la plaquette pour réaliser l'alignement de la puce à insoler. De manière précise, l'invention a pour objet un appareil de microlithographie optique com- prenant un support recevant une plaquette sur laquel- le sont réparties des puces à insoler munies chacune d'au moins une marque de repérage en position, un système optique, et un moyen d'alignement local de la plaquette, ledit système optique comprenant une sour- ce de rayonnement, une lentille convergente, un réti- cule et une puce de photoréduction pour afficher l'image du réticule sur un dé de la plaquette, ledit système d'alignement local comprenant un séparateur de faisceau entre l'objectif de photoréduction et la plaquette, une source d'éclairement de la plaquette par ledit séparateur de faisceau, un moyen pour re- cueillir l'image de la zone éclairée autour de la marque de repérage, un motif d'alignement et un moyen pour commander le déplacement du support de plaquette pour aligner l'image de la marque de repérage sur le motif d'alignement. Selon l'invention, la source d'éclairement peut être soit à large spectre, soit monochromatiqueo Une source monochromatique peut être notamment obte- nue en interposant un filtre sur le trajet d'un fais- ceau à large spectre. Selon une autre caractéristique de l'in- vention, le système d'alignement comprend deux motifs d'alignement et deux moyens pour recueillir lLimage de deux marques de repérage associées à une puce, le moyen de déplacement déplaçant la plaquette pour ali- gner chaque marque de repérage avec un motif d'ali- gnement. Selon une autre caractéristique de lain- vention, chaque moyen pour recueillir l'image de la marque de repérage est un objectif de visée ayant dans son plan focal le motif d'alignement. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitam tif, en référence aux dessins annexés, dans les- quels: - les figures!az lb et lca déjà décriteso illustrent schématiquement un appareil de micoli= thographie optique muni d'un système dalignemewt global selon l'art connu, - les figures 2a et 2b, déjà décrites, il- lustrent un appareil de microlithographie optique muni d'un système d'alignement local selon!Part con- nu, - la figure 3 représente schématiquement un appareil de microlithcgrapbie optique muni d'un sys- tème d'alignement local selon l'invention, - la figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation du système d'alignement local d'un appareil de microlithographie optique se- lon l'invention. Le système optique de microlithographie de l'appareil représenté sur la figure 3 est classique. Il comprend une source monochromatique S, une lentil- le convergente 14, un réticule 16 composé d'une lame de verre 18 sur la face inférieure de laquelle est gravé un masque 20, et un objectif de photoréduction 22. Un moyen de déplacement non représenté positionne successivement chaque puce 4 de la plaquette 2 dans l'axe du système optique de microlithographie pour les insoler. Selon l'invention, le système d'alignement local de l'appareil de microlithographie optique com- prend un séparateur de faisceau 30 disposé dans l'axe du système optique entre l'objectif de photoréduction 22 et la plaquette 2, un objectif de visée 32 pour recueillir l'image de la zone de la plaquette centré sur la marque de repérage 24 associée à la puce 4 à - insoler, une source d'éclairement S', un second sépa- rateur de faisceau 34 et un motif d'alignement 36. Le séparateur de faisceau 30 peut être no- tamment un prisme séparateur, un miroir escamotable ou un miroir dichroique. La lentille 14, l'objectif de photoréduc- tion 22 et le séparateur de faisceau 30 sont alignés sur l'axe optique de l'appareil. Ils sont fixes par rapport à cet axe. L'alignement du réticule est obte- nu, de manière connue, par la mise en coincidence de marques de repérage sur ce réticule avec des marques de repérage sur le porte-réticule (non représenté). Pour positionner la puce 4 à insoler, la plaquette 2 est éclairée par la source S' du système d'alignement local, le faisceau de la source S étant occulté. L'objectif de visée 32 a deux degrés de li- berté en translation dans le plan perpendiculaire à l'axe du système optique de microlithographieo Il est déplacé de manière connue, soit manuellemente soit automatiquement, pour que la marque de repérage 24 associée à la puce 4 tombe dans son champ de vision. Le motif d'alignement 36 suit les déplacements de l'objectif de visée, par exemple en étant solidaire de cet objectif de visée par l'intermédiaire d'un bâti 33, afin d'être maintenu dans le plan focal 35 de l'objectif de visée 32. Des moyens optiques anne- xes non représentés, tels que des renvois d'angles permettent au faisceau issu de la source SI d9éclai- rer la plaquette 2 par 'intermediaire du séparateur de faisceau 34 et de l'objectif 32 quelle que soit la position de ce dernier. L'alignement de la puce 4 est réalisé par la comparaison de la position du motif d'alignement 36 et de l'image de la marque de repérage 24 dans le plan focal de l'objectif de visée 32. Un moyen com- mande le déplacement de la plaquette pour faire coin- cider ces deux miarques. La comparaison de la position du motif d'alignement et de l'image de la marque de repérage peut être réalisée selon tout procédé connu. Ce peut être notamment un procédé photométrique si la marque de repérage et le motif d'alignement sont res- pectivement une croix mâle et une croix femelle, ou ce peut être un procédé de corrélation si la marque de repérage et le motif d'alignement forment chacun un réseau. Selon l'invention, la source d'éclairement S' peut être monochromatique ou à large spectre. La source d'éclairement peut ainsi être choisie selon le niveau technologique afin d'avoir toujours une marque de repérage 24 très contrastée. Un mode de réalisa- tion simple de cette source d'éclairement S' polyva- lente consiste à utiliser une source S' à large spec- tre, par exemple de longueur d'onde comprise entre 300 et 800 nanomètres, et un ensemble de filtres amo- vibles interceptant le faisceau de la source Si'. Ces filtres peuvent par exemple être répartis sur la pé- riphérie d'un disque dont la mise en rotation permet de présenter n'importe quel filtre devant la sour- ce SI. L'utilisation d'une telle source S' qui n'est pas monochromatique et de longueur d'onde fixe n'est possible que si l'objectif de visée 32 est cor- rigé pour les aberrations pour toutes les longueurs d'onde, ce qui peut être aisément réalisé, l'objectif de visée étant un système optique peu complexe. Le système d'alignement local de l'appa- reil représenté sur la figure 3 permet d'aligner en translation la plaquette 2, l'alignement en rotation étant réalisé une fois pour toutes au début de l'in- solation. Dans certains cas, par exemple lorsque le masque est très complexe, il peut être intéressant de pouvoir réaligner en rotation chaque puce de la pla- quette avant insolation. Ceci peut être réalisé avec deux marques de repérage placées aux deux extrémités de chaque puce. L'alignement en rotation et en position peut être également réalisé si à chaque puce 4 de la plaquette 2 sont associées deux marques de repérage et si le système d'alignement local comporte deux objectifs de visée pour projeter l'image de chacune de ces marques sur motifs d'alignement. La figure 4 illustre schématiquement un tel système d'alignement. Sur cette figure, on a repré- senté la partie inférieure du système de microlitho- graphie optique comprenant l'objectif de photoréduc- Z560397 tion 22 et le séparateur de faisceau 30. Chaque puce 4 de la plaquette 2 est munie de deux marques de repérage 24a et 24b. Par l'inter- médiaire de deux objectifs de visée 32a et 32b, la source d'éclairement (non représentée) éclaire les zones situées autour des marques de repérage 24a et 24b et renvoie l'image de ces zones sur le plan 38, situé dans le plan focal des objectifs de visée 32a et 32b, sur lequel sont inscrits deux motifs d'ali- gnement 36a et 36b. Il est bien entendu que dans les deux modes de réalisation de l'appareil de l'invention, l'ali- gnement peut être réalisé toutes les puces ou seule- ment toutes les n puces, o n est un nombre entier supérieur ou égal à 1. 7S60397 REVENDICATIONS 1. Appareil de microlithographie optique comprenant un support recevant une plaquette (2) sur laquelle sont réparties des puces (4) à insoler mu- nies chacune d'au moins une marque (24, 24a, 24b) de repérage en position, un système optique et un moyen d'alignement local de la plaquette, ledit système op- tique comprenant une source de rayonnement (S), une lentille convergente (14), un réticule (16) et un ob- jectif de photoréduction (22) pour afficher l'image du réticule (16) sur une puce (4) de la plaquette (2), ledit appareil étant caractérisé en ce que le système d'alignement local comprend un séparateur de faisceau (30) entre l'objectif de photoréduction (22) et la plaquette (2), une source d'éclairement (S') de la plaquette (2) par ledit séparateur de faisceau, un moyen pour recueillir l'image de la zone éclairée au- tour de la marque de repérage, un motif d'alignement (36, 36a, 36b) et un moyen pour commander le déplace- ment du Fupport de plaquette pour aligner l'image de la marque de repérage sur le motif d'alignement. 2. Appareil de microlithographie optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'éclairement (S') délivre un faisceau mono- chromatique. 3. Appareil de microlithographie optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'éclairement (S') délivre un faisceau à large spectre. 4. Appareil de microlithographie optique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un filtre amovible interceptant le faisceau de la source d'éclairement (S'). 5. Appareil de microlithographie optique eALc A:unc queicne C.....t à ' i àdans lequZ ch aque puc die la lpoatuette p rte au moins deux marqaues de zpéi:aet3 e24a 2) en position0 cae ractérisé en ce quail comprend un s.cond motif d'ali- grnement et un seconud moy>en pour recueiilir limage de la zone ciaire autour de la scornde marque de rap@ Zage et en ce ue le loyen de d eiac2nend cormande le déplacement du sunport de ppauette rour aligner cha= cuïia des marques de repérage av;aec un motif d'aligne- 0 rment. 9 c Appareil de mitOlithographie oiptique seloin lun eoe ziz r vendicationsa 1 à 5, ce- ractrisé ern ce cue cehaque itoyen pour recueillitr linimage de lu zone éclaireo autour d ude marque de repérage eat un objectif de visée (U32 32a9 32b), un motif d'ali-.neriten.t se trouvant dans le plane focal de chacun desdits objectifs de visée.