Brevet FR2567281A1 — publié le 19860110

La présente invention se rapporte à un procédé d'exposition d'une pastille de semi-conducteur par une lampe à vapeur de mercure. Lors de la fabrication d'un dispositif à semi- conducteur tel qu'un circuit intégré, un circuit intégré à grande échelle, un circuit intégré à super grande échelle ou analogue, un processus de photofabrication est effectué. Par exemple, afin de retirer des portions d'un film d'oxyde de silicium formé sur une surface d'un substrat, qui, par exemple, est une pastille de silicium, un processus de photofabrication est effectué selon une configuration d'image comme une configuration de circuit. Ce processus de photofabrication comprend des-étapes telles qu'un film d'un vernis photosensible est formé sur le film d'oxyde de silicium sur le substrat en silicium et le film de vernis photosensible est alors exposé à des rayons ultraviolets à travers un photomasque ayant une image de configuration. Après exposition, le film de vernis photo- sensible est développé et le film d'oxyde de silicium est alors soumis à un traitement d'attaque. Ensuite, un traitement de formation d'un circuit comme une diffusion, une implantation d'ions ou analogue est appliqué au substrat en silicium à travers le film d'oxyde de silicium ainsi attaqué. Une pastille de semi-conducteur est généralement circulaire avec sa surface supposée être subdivisée en sections carrées minuscules agencées en rangées et colonnes. Chacune de ces sections minuscules sera ensuite découpée pour former des puces qui seront respectivement des dispositifs à semi-conducteur. Une feuille d'une pastille de semi-conducteur a généralement 76 mm, 127 mm ou 152 mm. Les dimensions des pastilles de semi-conducteur ont tendance à augmenter avec les progrès de la techno- logie de fabrication. Une lampe à vapeur de mercure de forte puissance est indispensable afin d'exposer simultanément toute la surface d'une pastille de semiconducteur de façon que 2 2567281 toutes les sections minuscules, qui seront individuellement formées en puces, soient imprimées en une fois. L'utilisation d'une telle lampe à vapeur de mercure de forte puissance est cependant accompagnée de problèmes tels que le système d'exposition o la lampe est assemblée est grand et qu'un degré considérablement élevé de technique est requis pour l'uniformité de l'éclairement à la surface de la pastille de semi-conducteur. En consé- quence, il est très difficile de répondre à la tendance de l'agrandissement des pastilles de semi-conducteur, dans la pratique. En tenant compte de ce qui précède, on a récem- ment proposé d'exposer des sections minuscules, qui sont agencées en rangées et colonnes sur une pastille de semi-conducteur, les unes après les autres en succession, de façon que des images de configuration soient imprimées en succession et respectivement sur les sections minuscules. Dans un tel procédé échelonné d'exposition, on expose une surface équivalente seulement à l'une des sections minus- cules dans chaque opération d'exposition. Par conséquent, le procédé échelonné d'exposition permet d'utiliser une lampe à mercure de faible puissance, ce qui amène des avantages sensibles tels qu'un système d'exposition employé peut être réduit en dimension et que l'éclairement peut être facilement rendu uniforme à la surface de chaque pastille de semi-conducteur parce que la surface de chaque exposition est faible. Par suite, une image de configura- tion peut être imprimée à un degré élevé de précision. Cependant, une lampe à vapeur de mercure ne peut être allumée et éteinte de manière répétée en un cycle court parce que la vapeur de mercure qu'elle renferme subit une condensation alors que la lampe est éteinte. Il est par conséquent avantageux de forcer une lampe à vapeur de mercure à s'éclairer de manière répétée et alternée à un bas niveau de consommation de courant et à un niveau haut de consommation de courant tout en maintenant la lampe à vapeur de mercure à un état continuellement 3 0 2z567281 allumé, ' exposer une section minuscule dfune pastille de semi-conducteur, laquelle section minuscule a pris une position d'exposition, à la lumière de la lampe à vapeur de mercure lorsque -la lampe à vapeur de mercure est éclairée au niveau haut de consommation de courant et lorsque la lampe à vapeur de mercure est éclairée au niveau bas de consommation de courant, de déplacer la - pastille de semi-conducteur de manière échelonnée de façon qu'une autre section minuscule de la pastille de semi-conducteur, laquelle autre section minuscule doit être soumise à l'exposition suivante, puisse prendre la position d'exposition alors que la lumière de la Iampe à vapeur de mercure est interrompue au moyen d'un obturateur.' La façon ci- dessus peut produire un niveau requis de quantité de lumière au niveau haut de consommation de courant et en même temps maintient la lampe à vapeur de mercure à son état allumé au niveau bas de consommation de courant tout en évitant la perte de courant électrique. Dans un tel procédé échelonné d'exposition, la lumière de la lampe à vapeur de mercure n'est pas utilisée alors que l'obturateur est fermé, avec pour résultat des inconvénients tels qu'une grande quantité d'électricité est encore perdue et que l'obturateur peut être considéra- blement endommagé du fait de son exposition à de la lumière de forte énergie. L'obturateur doit fonctionner rapidement, parce que si son mouvement d'ouverture ou de fermeture doit être lent, une exposition non uniforme d'une pastille de semi-conducteur du fait de ce lent mouvement d'ouverture ou de fermeture de l'obturateur pose un problème. Afin de répondre à cette condition, il est indispensable que l'obturateur soit d'un poids léger. Cependant, un obturateur léger aura inévitablement pour résultat une mauvaise résistance à la chaleur. Par suite, un tel obturateur de poids léger a tendance à subir une déformation du fait de la chaleur qui s'accumule tout en interrompant la lumière et par conséquent à développer un mauvais fonctionnement qui nuit à son-opération 4 2567281 régulière d'ouverture- et de fermeture. En tenant compte de ce qui précède, on peut envisager d'éclairer, pendant chaque période de fermeture de l'obturateur, la lampe à vapeur de mercure avec une consommation de courant plus faible que sa consommation de courant pendant le temps d'exposition, c'est-à-dire alors que 1 'obturateur est maintenu ouvert. On a cependant trouvé que le procédé d'exposition ci-dessus posait un nouveau problème. En effet, du point de vue réduction du prix de l'énergie et augmentation de la quantité de lumière rayonnée pendant l'exposition, il devient de plus en plus préférable que la différence entre la consommation de courant de la lampe à vapeur de mercure pendant l'exposition et celle pendant la période de fermeture de l'obturateur augmente. Par ailleurs, si la différence ci-dessus est trop importante, cela pose certains autres problèmes par le fait que tandis que la lampe à vapeur de mercure est éclairée plus longtemps, ses électrodes subissent une usure en un stade précoce et la quantité de lumière à rayonner par la lampe à vapeur de mercure est par conséquent réduite, ou bien lorsque la lampe à vapeur de mercure est éclairée au niveau haut de consommation de courant, la consommation de courant est trop élevée et l'enveloppe de la lampe à vapeur de mercure se trouve détériorée ce qui écourte la durée d'utilisation de la lampe à vapeur de mercure ou bien lorsque la lampe à vapeur de mercure est éclairée au niveau bas de consommation de courant, la vapeur de mercure se condense dans l'enveloppe de la lampe à vapeur de mercure et l'éclairement de la lampe à vapeur de mercure est par conséquent troublé. Etant donné ce qui précède, la présente invention a pour objet un procédé d'exposition d'une pastille de semi-conducteur par une lampe à vapeur de mercure, lequel procédé d'exposition est capable d'effectuer une exposi- tion stable, qui est répétée à un court intervalle de temps, sur une longue période de temps sans poser des -*2567281 problèmes tels que ceux ci-dessus mentionnés tout en prolongeant la durée d'utilisation de la lampe à vapeur de mercure. Selon un aspect de l'invention, on prévoit en conséquence un procédé pour exposer, à travers un masque de configuration, en succession, des petites sections d'une pastille de semi-conducteur à une lumière rayonnée d'une lampe à vapeur de mercure pendant des étapes à un niveau haut, pendant chacunedesquelles la consommation de courant de la lampe à vapeur de mercure est à un niveau haut, en éclairant continuellement la lampe à vapeur de mercure et en alternant de manière répétée chacune des étapes à un niveau haut et une étape à un niveau bas pendant laquelle la consommation de courant de la lampe à vapeur de mercure est à un niveau bas, procédé dans lequel l'éclairement de la lampe à vapeur de mercure dans chacune des étapes à un niveau haut est effectué tout en contrôlant la consommation de courant à moins de 2,5 fois la consommation de courant dans l'étape au niveau bas. Selon le procédé d'exposition de l'invention, la lampe à vapeur de mercure est éclairée à un niveau bas de consommation de courant alors que la lumière rayonnée par la lampe à vapeur de mercure n'est pas utilisée pour l'exposition. Il est ainsi possible de réduire, de manière significative, l'électricité perdue par la lampe à yapeur de mercure et en même temps d'éviter une dégradation possible de l'obturateur du fait de sa surchauffe. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparat- tront plus clairement au cours de la description explica- tive qui va suivre faite en référence aux dessins schéma- tiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une illustration schématique simplifiée d'un exemple d'un système d'exposition; - la figure 2 est une représentation graphique montrant un exemple de la forme d'onde de la consommation de courant d'une lampe à vapeur de mercure, sur l'axe des ordonnées, en fonction du temps, laquelle forme d'onde varie du fait de la répétition d'une étape au niveau haut (H) et d'une étape au niveau bas (B); - la figure 3 est une vue fragmentaire et en plan d'une pastille de semi-conducteur, illustrant certaines des sections à exposer; - la figure 4 est une illustration schématique d'un exemple de lampes à vapeur de mercure; et - la figure 5 est une illustration schématique fragmentaire et agrandie de la lampe à vapeur de mercure représentée sur la figure 5. L'invention sera décrite ci-après en détail en se référant aux dessins joints. Pour imprimer une image de configuration par des rayons ultraviolets à la'façon ci-dessus mentionnée, on emploie un système d'exposition ayant un système optique de focalisation de la lumière et de projection tel que représenté par exemple sur la figure 1. Sur la figure 1, le chiffre de référence 1 indique une lampe à vapeur de mercure à arc court qui est une source de lumière d'expo- sition. Cette lampe à vapeur de mercure à arc court 1 est installée en une position telle que son arc soit placé au point focal d'un miroir 5 focalisant la lumière. La lumière L, qui a été émise par la lampe 1 à vapeur de mercure à arc court, est focalisée par le miroir 5 foca- lisant la lumière puis est projetée sur un photomasque 11 portant une image de configuration de circuit par un premier miroir plan 6, un intégrateur 8, un second miroir plan 7 et une lentille convergente 10. La lumière, qui a été transmise à travers le photomasque 11, est projetée par une lentille réductrice 12 sur une pastille de semi- conducteur 2 supportée en place sur un sensibilisateur (non représenté) et portant un film de vernis photosensible fait d'une résine sensible aux rayons ultraviolets et formé à la surface supérieure de la pastille de semi- 7Ad: 2567281 conducteur 2, pour ainsi imprimer sur la pastille de semiconducteur 2, une image de configuration de circuit correspondant au photomasque 11 mais de dimension réduite avec un rapport de réduction de 1/10-1/5. Le chiffre de référence 4 désigne un obturateur, tandis que le chiffre 9 indique un filtre. Dans la présente invention, une pastille de semi'- conducteur est exposée.à la façon qui suit. Dans le système montré sur la figure 1, du courant électrique - est continuellement appliqué à une lampe 1 à vapeur de mercure incorporée dans un miroir 5 focalisant la lumière de façon que la lampe I à vapeur de mercure soit conti- nuellement allumée -Tandis que l'on maintient l'état allumé ci-dessus, le courant électrique à appliquer à la lampe à vapeur de mercure I est alors contrôlé-par un circuit de commande de fonctionnement 3 afin que le courant électrique prenne la forme d'onde de base illustrée à titre d'exemple sur la figure 2. En conséquence, le niveau de consommation de coiurant de la lampe à vapeur de mercure 1 alterne périodiquement et de manière répétée entre un niveau haut, c'est-à-dire l'étape A pendant la- quelle la consommation de courant de la lampe à vapeur de mercure 1 est à un niveau tel qu'environ 1,3-2,5 fois la consommation nominale de courant de la lampe à vapeur de mercure 1 etun niveau bas, c'est-à-dire l'étape B pendant laquelle la consommation de courant -de la lampe à vapeur de mercure 1 est à un niveau égal ou proche de sa consommation nominale de courant. A l'étape A du niveau haut de consommation de courant, un obturateur 4 est ouvert puis fermé afin de forcer la lumière rayonnée par la lampe à vapeur de mercure 1 à exposer une petite section d'une pastille de semi-conducteur 2 à travers un photomasque 11 pendant une période constante de temps, laquelle petite section est placée à une position d'exposition. L'étendue d'exposition peut être contrôlée à un niveau prescrit souhaité sur la surface exposée de la pastille de semi-conducteur 2 en ajustant le temps d'ouver- ture de l'obturateur 4 de manière appropriée. En d'autres termes, l'étendue d'exposition peut être contrôlée en maintenant l'obturateur 4 à sa position ouverte alors que la lampe à vapeur de mercure 1 est allumée à l'étape-A o la consommation de courant de la lampe à vapeur de mercure est au niveau haut. Alors, après fermeture de l'obturateur 4, la lampe à vapeur de mercure 1 est éclairée à l'étape B o sa consommation de courant est au niveau bas. Pendant l'étape B, l'obturateur est maintenu fermé. L'alternance répétée de l'étape A au niveau haut et de l'étape B au niveau bas est effectuée en synchronisme avec le déplacement échelonné de la pastille de semi- conducteur 2. En effet, comme le montre la figure 3, la pastille de semiconducteur 2 est supposée être subdivisée en un certain nombre de sections minuscules P agencées en rangées et colonnes. Ces sections minuscules P sont alors déplacées de manière échelonnée l'une après l'autre en succession dans la position d'exposition dans le système d'exposition, o elles sont exposées l'une après l'autre en succession en y étant maintenues à l'arrêt pendant un court instant. Une opération d'exposition est accomplie après l'action d'ouverture et de fermeture de l'obtura- teur 4 pendant que la.lampe à vapeur de mercure 1 est allumée à l'étape A, pour ainsi imprimer une image de configuration sur l'une des sections minuscules P de la pastille de semi-conducteur 2. La pastille 2 est déplacée de manière échelonnée alors que l'obturateur 4 est fermé, de façon qu'une autre section minuscule P, qui doit être exposée ensuite, atteigne la position d'exposi- tion. L'exposition est alors répétée de la même façon afin d'accomplir l'exposition de toutes les sections minuscules P agencées sur la pastille de semi-conducteur. A la façon ci-dessus, la lampe à vapeur de mercure 1 est allumée tout en faisant continuellement et de manière répétée alterner l'étape A au niveau haut de consommation de courant et l'étape B au niveau bas de consommation de courant. L'opération d'ouverture et de fermeture de l'obturateur 4 et la position de déplacement échelonné de la pastille de semi-conducteur 2 sont contrô- léesen association avec l'étape A et l'étape B. La période de temps Ta de chaque étape A au niveau haut de consomma- tion de courant peut être constante par exemple entre ms et 1.000 ms, tandis que les périodes de temps Tb des étapes B au niveau bas de consommation de courant peuvent être identiques ou différentes et peuvent être comprises par exemple entre 100 ms et 1.000 ms. L'exposi- tion d'une pastille de semi-conducteur est effectuée en contrôlant la grandeur de la consommation de courant à l'étape A du niveau haut de consommation de courant entre 1,3 et 2,5 fois la grandeur de la consommation de courant à l'étape B au niveau bas de consommation de courant. Dans ce cas, la grandeur de la consommation de courant à l'étape B au niveau bas de consommation de courant peut être déterminée de manière appropriée selon le type de chaque lampe à vapeur de mercure à employer. Usuellement, on peut l'établir à un niveau égal à la consommation nominale de courant de chaque lampe à vapeur de mercure à utiliser ou à +10% de la consommation nominale de courant. Si une lampe à vapeur de mercure doit être éclairée dans des conditions telles que la grandeur du niveau haut de consommation de courant dépasse 2,5 fois la grandeur du niveau bas de consommation de courant, ses électrodes subiront une usure en un stade précoce et la lumière rayonnée sera réduite en quantité ou bien sera rendue instable. Il sera ainsi impossible de maintenir l'exposi- tion au même état que celui au début. L'enveloppe de la lampe à vapeur de mercure peut également se détériorer du fait de sa surchauffe, lui permettant ainsi de dévelop- per un accident dangereux tel qu'une explosion. Lors- qu'elle est éclairée à l'étape du niveau bas de consomma- tion de courant, la vapeur de mercure peut se condenser dans l'enveloppe et l'éclairement de la lampe.à vapeurde mercure peut ainsi être troublé. Si la grandeur de la consommation de courant à l'étape a niveau haut de consommation d'énergie est inférieure à 1,3 fois la grandeur de la consommation de courant à l'étape au niveau bas de consommation de courant, l'économie d'électricité par changement du mode d'éclairement de la lampe à vapeur de mercure à la façon ci-dessus n'a pas de sens. La figure 4 est une illustration schématique montrant un exemple d'une lampe à vapeur de mercure 1 à arc court à assembler en tant que source de lumière d'exposition dans un système d'exposition utile dans la mise en pratique d'un mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 4, le chiffre de référence 101 indique une enveloppe faite de verre de silice, qui est équipée à ses deux parties extrêmes de bases 102A, 102B respectivement. Les chiffres de référence 103, 104 désignent respecti- vement une tige de support d'anode et une tige de support de cathode. Une anode 105 est montée au bout de la tige 103 de support d'anode tandis qu'une cathode 106 est fixée solidement au bout de la tige de support de cathode 104. Cette anode 105 et cette cathode 106 sont disposées en relation face à face, au centre, à l'inté- rieur de l'enveloppe101. Comme cela est illustré à échelle agrandie sur la figure 5! l'anode105 est formée d'une partie de base 51 ayant une forme de colonne de grand diamètre et d'une partie de bout conique en tronc de cône 53 qui s'étend vers l'avant et vers l'intérieur de la partie de base 51 pour se terminer par une surface plane 52. La cathode 106 est formée d'une partie de base 61 et d'une partie de bout 62 en forme de cône. Un exemple d'une telle lampe à vapeur de mercure à arc court 1 est le suivant: Spécification: Consommation nominale de courant 500 W (50V, 10A) Anode 105:. Diamètre externe D de la partie de base 51 4,0 mm Diamètre D2 de la surface-52. du bout 2,0 mm Angle d'ouverture ot de la partie 53 du bout- 90 degrés Cathode 106 Diamètre externe D de la partie de base 61 2,0 mm Distance entre les électrodes 3,0 mm Pression dans l'enveloppe alors - que la lampe est allumée environ 13 mbars En utilisant un système d'exposition d'une pastille de semi-conducteur-équipé d'une lampe à vapeur de mercure de la structure ci-dessustincdrporée en tant que source de lumière d'exposition, l'exposition d'une configuration a été entreprise sur une pastille de semi- conducteur en silicium selon le procédé échelonné d'exposi- tion tout en contrôlant l'éclairement de la lampe à vapeur de mercure aux conditions qui suivent. Etape A - Intervalle de temps Ta: 400 ms Consommation de courant: maintenue constante à 750 W. Etape B Intervalle de temps Tb: 400 ms Consommation de courant.: maintenue constante à 500 W. Aux conditions ci-dessus, il a été possible d'obtenir les mêmes résultats d'exposition que les résul- tats initiaux d'exposition même après-un temps écoulé de 600 heures. D'autres essais d'exposition- ont également été effectués dans les mêmes conditions que l'essai ci-dessus à l'exception que des lampes à vapeur de mercure ayant une consommation nominale de courant différehte ont été utilisées et que la consommation de courant à l'étape A au niveau haut de consommation de courant et celle à l'étape B au niveau bas de consommation de courant ont été modifiées à diverses valeurs données au tableau 1. Lorsque le rapport de la consommation de courant à l'étape A au niveau haut de consommation de courant à celui à-l'étape B au niveau bas de consommation de courant dépassait 2,5, la durée de vie applicable dans la pratique des lampes à vapeur de mercure est devenue considérablement plus courte. Tableau 1 Consommation Consommation de courant (W) Durée de vie applicable nominale de Rapport dans la pratique de la courant (W) Etape Etape lampe à vapeur de mercure (h) niveau haut niveau bas 500 1000 500 2 600 500 1250 500 2,5 600 500 1300 500 2,6 400 500 1350 500 2,7 250 * 450 180 2,5 600 460 180 2,55 500 470 180 2,61 400 1000 2500 1000 2,5 600 1000 2600 1000 2,6 350 1000 2700 1000 2,7 300 * * Fissures développées dans les enveloppes en verre. Le procédé selon l'invention peut produire les effets avantageux qui suivent: (1) La lampe à vapeur de mercure est éclairée à un faible niveau de consommation de courant tandis que la lumière rayonnée par la lampe à vapeur de mercure n'est pas utilisée pour l'exposition. Il est ainsi possible de réduire, à un point important, l'électricité perdue par la lampe à vapeur de mercure et en même temps d'éviter une dégradation possible de l'obturateur du fait de sa surchauffe. Dans un mode de réalisation préféré, le lampe à vapeur de mercure peut être éclairée à son niveau de consommation nominale de tourant aux étapes au niveau bas de consommation de courant et sa consommation de courant augmente aux étapes au niveau haut de consommation de courant. Ainsi, le degré d'exposi- tion peut être ajusté selon la nécessité ou comme on le souhaite. En conséquence, l'exposition des pastilles de semi-conducteur peut être avantageusement effectuée avec une petite lampe à vapeur de mercure. Par suite, le - système d'exposition ne nécessite pas trop de place pour son installation, ce qui permet d'abaisser le prix requis pour l'entretien d'une salle propre ou analogue o le système d'exposition est installé et en conséquence d'abaisser le prix de fabrication des dispositifs à semi- conducteur de manière sensible. (2) Comme l'éclairement de la lampe à vapeur de mercure à l'étape au niveau haut de consommation de courant est effectué en contrôlant la consommation de courant de la lampe à vapeur de mercure en dessous de 2,5 fois la consommation de courant à l'étape au niveau bas de consommation de courant, il est possible d'éviter ou de minimiser l'usure des électrodes de la lampe à vapeur de mercure et en même temps d'empêcher la détério- ration de son enveloppe du fait d'une surchauffe. Par ailleurs, la lampe à vapeur de mercure est exempte de troubles d'éclairage qui autrement se produiraient du fait de la condensation de la vapeur de mercure dans l'enveloppe. Par conséquent, la quantité de lumière rayonnée par la lampe à vapeur de mercure aux étapes au niveau haut de consommation de courant peut être maintenue au même niveau que la quantité de lumière au début. Par suite, il est possible d'entreprendre l'expo- sition des pastilles de semi-conducteur par de la lumière en une quantité stable sur une longue période de temps en faisant alterner de manière répétée l'étape au niveau haut de consommation de courant et l'étape-au niveau bas de consommation de courant en un court intervalle de temps. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Procédé pour exposer, à travers un masque de configuration, en succession, des petites sections d'une pastille de semi-conducteur à la lumière rayonnée d'une lampe à vapeur de mercure dans des étapes à un niveau haut, pendant chacune desquelles la consommation de courant de la lampe à vàpeur de mercure est à un niveau haut, en éclairantcontinuellement la lampe à vapeur de mercure et en faisant alterner, de manière répétée, chacune des étapes au niveau haut et une étape au niveau bas pendant laquelle la consommation de courant de la lampe à vapeur de mercure est à un niveau bas, caractérisé en ce que l'éclairement de la lampe à vapeur de mercure (1) dans chacune des étapes au niveau haut est effectué tout en contrôlant la consommation de courant à moins de 2,5 fois la consommation de courant dans l'étape au niveau bas. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un obturateur (4) est ouvert puis fermé une fois seulement pendant la période de chacune des étapes au niveau haut afin d'exposer la petite section correspon- dante de la pastille de semi-conducteur à une position d'exposition et alors que l'obturateur est fermé, la pastille de semi-conducteur (2) est décalée de manière échelonnée pour placer la petite section suivante à la position d'exposition. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur de la consommation de courant dans l'étape au niveau bas est de +10% de la consommation nominale de courant de la lampe à vapeur de mercure. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur de la consommation de courant dans l'étape au niveau haut est d'au moins 1,3 fois celle à l'étape au niveau bas.