Brevet FR2563908A1 — publié le 19851108

La présente invention concerne un procédé et un appareil de détection. En raison des petites dimensions utilisées dans les composants modernes à semi-conducteurs, il importe que l'alignement de la plaquette semiconductrice et des différents masques utilisés pendant les opérations de lithographie soient maintenus dans des tolérances très serrées. L'alignement est souvent effectué en deux phases, la phase finale avec des tolérances de l'ordre du micron ou au-dessous, ayant une plage de capture de quelques microns ou quelques dizaines de microns seulement. Cela impose qu'une phase initiale d'alignement préalable soit effectuée pour amener l'ali- gnement de la plaquette et du masque dans la plage de capture de l'appareil d'alignement final. Différents appareils antérieurs d'alignement préalable, comme le modèle ADE Corp. PA-407 Pre-Aligner, utilisent des capteurs optiques ou capacitifs pour détecter le bord d'une plaquette semi-conductrice. Ces détecteurs de bord de l'état de la techniaue sont sujets à des erreurs provoquées par des bavures ou l'accumulation de substance photosensible sur le bord de la plaquette. D'autres appareils antérieurs d'alignement préalable, comme celui décrit par Mayer et Loeback dans "Characteri- sation Data and Cross-Matching of a High Performance Step-and-Repeat Aligner", SPIE Conference on Optical Microlithography SPIE Vol 334 (1982), Santa Clara, California, utilisent la détection de la lumière normale- ment réfléchie pour distinguer des marquages d'alignement comme des lignes ou des croix sur la surface de la plaquette. Ces appareils antérieurs peuvent produire une détection de marquage erronée en raison des varia- tions du rapport signal bruit résultant de variations du pouvoir réflecteur ou de l'épaisseur de la substance photosensible couvrant la surface de la plaquette. L'invention concerne donc un appareil de détec- tion d'un marquage sur une surface, ce détecteur compre- nant une source d'énergie qui émet un faisceau d'énergie pouvant être réfléchi le long d'un axe; un dispositif de focalisation positionné sur l'axe pour focaliser le faisceau sur une surface ou à proximité; et un détecteur positionné sous un premier angle par rapport à l'axe pour détecter une partie du faisceau réfléchi par un marquage sur la surface. La réalisation et la disposition de l'appareil sont de préférence telles que l'axe est pratiquement perpendiculaire à la surface quand l'appareil est utilisé; de préférence également, l'appareil est mobile dans une direction de translation qui est parallèle à la surface. Le marquage est une rainure dans la surface et sa forme préférée est celle d'un "V"; la rainure a un axe longitudinal qui est perpendiculaire à la direction de translation précitée. De préférence, deux détecteurs sont disposés pour détecter des parties réfléchies du faisceau incident et sont positionnés dans le plan de l'axe sous des angles pratiquement égaux avec ce dernier. Les deux détecteurs fournissent également un signal électrique de sortie indiquant l'intensité de l'énergie incidente et un dispositif est prévu pour additionner ou multi- plier ensemble les signaux de sortie ou pour soustraire l'un de l'autre afin de déterminer l'alignement précis du marquage avec le faisceau. La source d'énergie est de préférence une source lumineuse, les deux détecteurs étant des photodétecteurs. L'invention concerne également un procédé de positionnement précis d'une pièce en utilisant un marquage formé sur une surface de la pièce, ce procédé consistant à focaliser un faisceau d'énergie pouvant être réfléchi sur la surface, à produire un mouvement relatif du marquage et du faisceau focalisé pour que le faisceau se déplace le long de la surface, et à détecter une partie du faisceau réfléchi par le marquage suivant un axe pré- déterminé. Dans un mode de réalisation de l'invention, un appareil de détection optique utilise deux photodétec- teurs pour détecter une rainure en "V"' dans la surface de la plaquette semi-conductrice. Une source de lumière et un ensemble de lentilles forment un faisceau lumineux conique sur la surface de la plaquette et les deux photodétecteurs sont décalés par rapport à l'axe optique du faisceau lumineux. Etant donné que la lumière est réfléchie normalement par rapport à la surface plane de la plaquette, aucune lumière n'est détectée quand le faisceau lumineux est focalisé sur la surface plane de la plaquette. La lumière qui est focalisée sur la rainure en "V" est réfléchie sous un certain angle et rencontre l'un des photodétecteurs ou les deux. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatif: La figure 1 représente schématiquement un appareil comprenant une source lumineuse selon un mode de réalisa- tion de l'invention. Les figures 2A, 2B et 2C illustrent schématique- ment différents trajets des rayons lumineux quand la surface d'une plaquette semi-conductrice subit une translation au-dessous de l'appareil de la figure 1, La figure 3A représente schématiquement le signal de sortie d'un appareil de l'état de la technique,et Les figures 3B, 3C et 3D représentent schémati- quement des signaux de sortie de l'appareil selon les figures 1 et 2. La figure 1 représente donc un appareil selon un mode de réalisation de l'invention.Dans une phase initiale d'alignement préalable d'une plaquette semi- conductrice 1 dans un appareil de lithographie, il importe de déterminer avec précision,la position d'un marquage de référence sur la plaquette 1. Le marquage de référence utilisé est une rainure 3 en "V" qui est gravée à la surface de la plaquette 1. En utilisant des agents de gravure bien connus dépendant de l'orien- tation, il est possible de graver la rainure 3 avec des dimensions étroitement contr8ôlées, bien qu'un contr8le serré des dimensions ne soit pas nécessaire. Pour une rainure 3 en UV" qui a une longueur de 3 mm, une largeur de 110 gm et une profondeur de 80 gm dans une plaquette de silicium 1 d'orientation i107, un cône de lumière qui est projeté sur la rainure 3 avec l'axe du cône pratiquement perpendiculaire à la surface de la plaquette 1,est réfléchi principalement par les parois de la rainure 3, de sorte que deux cônes de lumière émergent avec un angle d'environ 40 par rapport à la normale. Une source de lumière 11 émet de la lumière qui est focalisée par les lentilles 9 sur la plaquette 1. Bien qu'une source de lumière soit utilisée dans ce mode de réalisation, il est bien évident que toute source d'énergie appropriée peut convenir. Mais une source de lumière est plus commode et des sources de lumière qui conviennent peuvent être des lasers, des diodes électroluminescentes ou des sources polychromatiques. Les lentilles 9 peuvent être par exemple deux doublets ayant des diamètres de 10 mm et des distances focales de 20 mm. Entre les deux doublets se trouve un diaphragme 8 d'un diamètre de 4 mm pour commander l'angle du cône des rayons. Les lentilles 9, le diaphragme 8 et la plaquette 1 sont sélectionnés et positionnés de manière que le diamètre de l'image sur la plaquette 1 soit inférieur ou égal à la largeur de la rainure 3 et le cônedes rayons peut être réglé pour une sensibilité maximale. Quand l'image de la source lumineuse 11 est formée sur la surface plane de la plaquette 1, comme le montre la figure 1, la lumière est réfléchie presque perpendiculairement à la surface. Seule un peu de lumière diffusée ou dispersée est reçue par les deux photodétecteurs 5 et 7 qui sontdécalés par rapport à l'axe optique du dispo- sitif optique défini par la source 11 et les lentilles 9. Les figures 2Aà 2C montrent l'appareil et la plaquette 1 quand cette dernière subit une translation en-dessous de l'appareil. Selon la figure 2A, la lumière est focalisée sur la paroi gauche de la rainure 3 et elle est réfléchie sous un angle d'environ 40 par rapport à la normale vers le photodétecteur 5. Les photodétecteurs 5 et 7 sont décalés d'environ 40 par rapport à l'axe optique de la source 11 afin de recevoir la lumière réfléchie par les parois de la rainure 3. Les photodétecteurs 5 et 7 peuvent consister en l'un quelconque d'un certain nombre de photodétecteurs bien connus qui fonctionnent dans la plage de fréquences de la source 11; les signaux de sortie des deux photo- détecteurs sont transmis à un multiplicateur ou un soustracteur 10 (Fig. 1) qui produit un signal de produit ou de différence. Selon la figure 2B, la lumière est focalisée sur le centre de la rainura 3 et elle est réfléchie vers les deux photodétecteurs 5 et 7. Lorsqu'une autre translation a lieu, la lumière est réfléchie vers le photodétecteur 7 seulement et finalement, la réflexion normale à la surface de la plaquette 1 se produit à nouveau comme le montre la figure 2C. La présence d'une substance photosensible dans la rainure 3 n'affecte pas sérieusement les performances de l'appareil. La figure 3A représente le signal de sortie d'un appareil détecteur de la technique antérieure qui détecte la lumière réfléchie perpendiculaire à la surface de la plaquette 1, avec une détection maxi- male sur la surface plane de la plaquette et une détec- tion minimale sur la rainure 3. Mais en raison des variations de l'épaisseur et du pouvoir réflecteur d'une couche photosensible sur la surface de la plaquette 1 (et dans la rainure 3) des variations importantes d'amplitude du signal de sortie se produisent. Il en. résulte que la détection de la rainure 3 peut être masquée. La figre 3B montre les signaux de sortie des photodétecteurs 5 et 7 quand la plaquette 1 subit une translation au-dessous de l'appareil représenté sur les figures 2A, 2B, 2C. La signature caractéristique à deux crêtes de détection de la rainure 3 n'est pas masquée par la présence de substance photosensible sur la plaquette. La détection du centre de la rainure 3 est faite par la forme d'ondes représentée sur la figure 3B au point d'intersection des deux courbes. La figure 3C montre le signal résultant qui est le produit des deux signaux représentés sur la figure 3B. La multiplication des deux signaux peut être effectuée par le multiplicateur pour faciliter la détection de crête. La figure 3D montre une forme d'ondes résultante qui est la diffé- rence des deux signaux représentés sur la figure 3B. La soustraction des deux signaux peut aussi être effectuée dans un soustracteur 10 pour faciliter la détection du passage par zéro. REVENDICATIONS 1. Appareil de détection d'un marquage sur une surface, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'énergie (11) qui émet un faisceau d'énergie pouvant être réfléchi le long d'un axe, un dispositif de foca- lisation (9) positionné sur l'axe pour focaliser le faisceau sur une surface ou au voisinage et un détecteur (5) positionné sous unpremier angle par rapport à l'axe pour détecter une partie du faisceau réfléchi par un marquage (3) sur la surface. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa réalisation et sa disposition sont telles que l'axe est pratiquement perpendiculaire à la surface quand l'appareil est utilisé. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que, lorsqu'il est utilisé, l'appareil est mobile dans une direction de translation parallèle à la surface. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le marquage (3) est une rainure dans la surface. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le marquage est une rainure en "V" dans la surface. 6. Appareil selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'axe longitudinal de la rainure en "V" est perpendiculaire à la direction de translation. 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6, carac- térisé en ce que le faisceau focalisé sur la surface a une largeur égale ou inférieure à celle de la rainure en "V". 8. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le détecteur (5) est disposé sur un axe de détection qui se trouve dans un plan parallèle à la direction de translation. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un second détecteur (7) disposé sur un second axe de détection situé dans le même plan, sous un angle avec l'axe optique opposé audit premier angle, le second détecteur ayant pour fonction de détec- ter une seconde partie réfléchie du faisceau. 10. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux angles sont pratiquement égaux. 11. Appareil selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que chaque détecteur (5,7) est agencé pour produire un signal électrique de sortie indiquant l'intensité de l'énergie incidente et un dispositif (10) étant prévu pour additionner ou multiplier les sorties ensemble ou pour les soustraire l'une de l'autre afin de déterminer un alignement précis du marquage avec le faisceau. 12. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 11, caractérisé en ce que la source d'énergie (11) est une source de lumière, et chaque détecteur (5, 7) est un photodétecteur. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le dispositif de focalisa- tion (9) comporte un ensemble de lentilles et un diaphrag- me (8) qui définit la largeur du faisceau. 14. Détecteur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 13, caractérisé en ce que la surface (1) est la surface d'une plaquette semi-conductrice. 15. Procédé de positionnement précis d'une pièce à usiner en utilisant un marquage formé sur une surface de la pièce, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à focaliser un faisceau d'énergie pouvant être réfléchi sur la surface, à produire un mouvement relatif du marquage (3) et du faisceau foca- lisé pour que ce dernier se déplace le long de la surface et à détecter une partie du faisceau réfléchi par le marquage le lona d'un axe prédéterminé. 16. procédé selon la revendication 15, caracté- risé en ce que le faisceau est un faisceau lumineux. 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le faisceau est déplacé dans une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la pièce. 18. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 15 à 17, caractérisé en ce que le faisceau est dirigé perpendiculairement à la surface de la pièce. 19. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 15 à 18, caractérisé en ce que le marquage (3) est constitué par une rainure dans la surface de la pièce à usiner. 20. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 15 à 19, caractérisé en ce que le faisceau est dirigé perpendiculairement à la surface de la pièce. 21. Procédé selon la revendication 18 ou l'une des revendications 19 et 20 lorsqu'elles dépendent de 18, caractérisé en ce que deux détecteurs (5,7) sont montés, l'un de chaque côté de l'axe du faisceau perpendiculaire pour détecter les parties du faisceau réfléchi par le marquage (3) sous des angles égaux par rapport à l'axe du faisceau perpendiculaire.