DE2723902C2

DE2723902C2 - Verfahren zur Parallelausrichtung und Justierung der Lage einer Halbleiterscheibe relativ zu einer Bestrahlungsmaske bei der Röntgenstrahl-Fotolithografie

Info

Publication number: DE2723902C2
Application number: DE2723902A
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr.phil. 8013 Haar Hundt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE2723902A1; US4187431A; FR2392421A1; FR2392421B1; JPS53148285A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Parallelausrichtung und Justierung der Lage einer Halbleiterscheibe relativ zu einer Bestrahlungsmaske bei der Röntgenstrahl-Fotolithografie, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.

In der Halbleitertechnologie werden bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und integrierten ίο Schaltungen fotolithografische Prozesse durchgeführt, bei denen Strukturen einer Bestrahlungsmaske auf eine strahlungsempfindliche Lackschicht auf einer Halbleiterscheibe übertragen werden. Im gesamten Herstellungsprozeß ist es notwendig, mehrere Lagen von Strukturen miteinander zur Deckung zu bringen. Aus diesem Grunde muß bei den verschiedenen Belichtungsschritten die Halbleiterscheibe gegenüber der jeweiligen Maske sehr genau justiert werden. Dabei muß der Fehler in der Justierung der Masken relativ zu den Halbleiterscheiben kleiner als die kleinste in der Halbleiterscheibe zu erzeugende Struktur sein. Bei dem derzeitigen Herstellungsverfahren für integrierte Schaltkreise erfolgt die Strukturübertragung meist lichtoptisch. Die Justierung wird durch gleichzeitige Beobachtung zweier Paare von Justiermarken ausgeführt, wobei sich das eine Justiermarkenpaar auf der Maske und das andere auf der Halbleiterscheibe befindet. Gewöhnlich geschieht die Beobachtung lichtoptisch mit einem Justiermikroskop. Für sehr⁶⁰ genaue Justierungen im Bereich von 0,5 μίτι erreicht man jedoch die Grenze des Auflösungsvermögens der üblichen lichtoptischen Mikroskope.

In der Röntgenstrahl-Fotolithografie wird ein für Röntgenstrahlen empfindlicher Lack sowie für die⁶⁵ Abbildung der Maske Röntgenstrahlung verwendet. Aufgrund der kleinen Wellenlänge sind die Beugungserscheinungen bei dieser Art der Abbildung herabgesetzt, so daß die Strukturdimensionen, die abgebildet werden können, wesentlich kleiner sind als bei einer Abbildung mit sichtbarem Licht Aus diesem Grund muß bei der Röntgenstrahl-Fotolithografie eine Justierung mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 μπι erreicht werden.

Bei der herkömmlichen Justierung mit einsm Lichtmikroskop werden zunächst Maske und Halbleiterscheibe aufeinandergepreßt um die Halbleiterscheibe parallel zur Maske auszurichten, den sogenannten Keilfehlerausgleich. Durch Oberflächenrauhigkeiten der Halbleiterscheibe kann dabei die Maske leicht zerstört werden.

Beim eigentlichen Justiervorgang wird je nach Tiefenschärfe des Mikroskopes ein kleiner Abstand zwischen Maske und Halbleiterscheibe eingehalten. Durch Oberflächenrauhigkeiten der Halbleiterscheibe kann auch hierbei die N4aske sehr leicht zerstört werden. Dies ist ein wesentlicher Grund für eine schlechte Ausbeute bei der Halbleiterherstellung.

Weitere Schwierigkeiten können bei einem für die Röntgenstrahl-Fotolithografie verwendeten Justiersystem dadurch auftreten, daß das Material des Trägers, auf dem sich die zu justierenden Strukturen der Belichtungsmaske befinden, für Licht nicht oder nur sehr schwach durchlässig ist so daß aufgrund dieses Umstandes eine gleichzeitige Scharfeinstellung des Justiermikroskopes auf die Justiermarke der Maske und den lustis-rmarken der Halbleiterscheibe erschwert wird.

Aus »Solid-State Technology« (1972), Seiten 21—26 sowie auch aus der DE-AS 23 33 902 ist ein Justierverfahren für die Röntgenstrahl-Fotolithografie bekannt, bei dem die Justierung mit Hilfe von Röntgenstrahlen erfolgt. Dazu werden auf die Halbleiterscheibe sowie auf die Bestrahlungsmaske jeweils Justiermarken aus Röntgenstrahlen absorbierendem Material aufgebracht. Nach Durchdringung der Röntgenstrahlen durch diese Justiermarken wird mittels eines Detektors die Intensität der Strahlung gemessen und je nach Gestaltung der beiden Justiermarken auf Strahlungsmaximum oder Strahlungsminimum im Detektor justiert

Bei diesem bekannten Verfahren ist nachteilig, daß keine Möglichkeit für eine Kontrolle des gegenseitigen Abstandes von Halbleiterscheibe und Justiermarke besteht Für ein paralleles Ausrichten von Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske ist es auch bei diesem Verfahren notwendig, Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske aneinanderzupressen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Parallelausrichtung einer Halbleiterscheibe relativ zu einer Bestrahlungsmaske und die Zuordnung in ihrer Lage zueinander bei der Röntgenstrahl-Fotolithografie anzugeben, bei dem eine Parallel-Ausrichtung von Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske ermöglicht wird, ohne daß Bestrahlungsmaske und Halbleiterscheibe aneinandergepreßt werden müssen.

Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Verfahren gemäß der Erfindung nach der im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Weise gelöst.

Gemäß der Erfindung wird vorgesehen, daß das Röntgenstrahlbündel durch die Justiermarken auf der Belichtungsmaske hindurchtritt und auf die reflektierenden Justiermarken der Halbleiterscheibe trifft, und dann von den reflektierenden Justiermarken der Halbleiterscheibe in einem Röntgenstrahldetektor gelangt. Befindet sich in diesem Fall die Halbleiterscheibe nicht in der Soll-Entfernung von der Bestrahlungsmaske, so trifft

das Röntgenstrahlbündel nicht auf die reflektierenden Justiermarken, so daß in diesem Fall auch keine fiöntgenstrahlung in den Detektor gelangt. Zur Justierung wird der Abstand zwischen der Halbleiterscheibe und der Bestrahlungsmaske veitikal und horizontal verändert, so daß die in den Detektor fallende Röntgenstrahlung maximiert wird. Die Justierung kann auch in umgekehrter Weise erfolgen, indem die reflektierenden Justiermarken auf der Bestrahlungsmaske angebracht werden, und das zur Justierung verwendete Röntgenstrahlbündel zuerst die Halbleiterscheibe und eine darauf befindliche Justiermarke durchdringt, sodann auf die reflektierenden Justiermarken der Bestrahlungsmaske trifft und von dort in den Detektor gelangt.

Durch die Verwendung eines Röntgenstrahlbündels, welches gegenüber der Oberflächennormalen von Halbleiterscheibe bzw. Bestrahlungsmaske geneigt ist, wird erreicht, daß die Abstandskontrolle zwischen Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske genauer vorgenommen werden kann als mit einem fast senkrecht auf Halbleiterscheibe oder Bestrahlungsmaske einfallenden Strahlenbündel. Zweckmäßigerweise wird zur Parallel-Ausrichtung von Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske die Halbleiterscheibe verschoben. Dazu wird die reflektierende Justiermarke auf der Halbleiterscheibe angebracht. In diesem Fall ist es notwendig, ein Röntgenstrahlbündel unter einen solchen Winkel auf die Halbleiterscheibe auftreffen zu lassen, unter dem an dem Kristallgitter der Halbleiterscheibe eine Reflexion der Röntgenstrahlung auftrit*. Als Justiermarke wird in einem solchen Fall ein von absorbierendem Material umgebener Fleck der Halbleiterscheibe verwendet. Sofern an der Halbleiterscheibe keine ausreichend starken Reflexe auftreten, kann als Justiermarke auf der Halbleiterscheibe auch ein die Röntgenstrahlung reflektierender Kristall als Justiermarke aufgebracht werden. Die Justiergenauigkeit läßt sich erhöhen, wenn Justiermarken verwendet werden, deren Strukturen eine periodische Anordnung aufweisen, beispielsweise eine Folge von äquidistanten reflektierenden Streifen auf der Halbleiterscheibe und ein entsprechend aufgelöstes Absorpticnsmuster mit äquidistanten durchlässigen Streifen auf der Bestrahlungsmaske.

Im folgenden wird die Erfindung beschrieben und anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch den Strahlengang zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

F i g. 2 zeigt, wie mit Hilfe von periodisch ausgebildeten Justiermarken die exakte Ausrichtung von Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske erreicht wird.

Fig. 3 zeigt schematisch den Intensitätsveriauf der von den Röntgenstrahl-Detektoren aufgenommenen Röntgenstrahlung.

Die Justierung von Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske erfolgt z. B. in der Weise, daß in der Justiervorrichtung die Bestrahlungsmaske 1 fest montiert wird. Die Halbleiterscheibe 2 wird in einem Substrathalter 3 eingespannt. Dieser Substrathalter 3 kann mit einer Verschiebungsvorrichtung 40 in horizontaler Richtung und mit weiteren Verschiebungsvorrichtungen 41, 42, 43 in der vertikalen Richtung bewegt werden. Mit Hilfe der Vorrichtungen 41,42 und 43 kann eine Parallel-Ausrichtung der Halbleiterscheibe relativ zu der Bestrahlungsmaske 1 durchgeführt werden. Auf der Bestrahlungsmaske 1 befinden sich Justiermarken 5, die aus einem absorbierenden Material, beispielsweise aus Gold, bestehen, und die beispielsweise zwei Öffnungen aufweisen, so daß durch diese Öffnungen Röntgenstrahlung durchtreten kann. Zu diesen Justiermarken 5 befinden sich auf der Halbleiterscheibe 2 korrespondierende Justiermarken 6, und diese Justiermarken 6 bestehen aus einem Röntgenstrahlen absorbierenden Material, beispielsweise Gold, und sind so strukturiert, daß das Röntgenstrahlen ausorbierende Material um einen freien Fleck der Halbleiterscheibe herum angeordnet ist Die Justierung erfolgt mittels Röntgenstrahlen, die aus einer Röntgenquelle 7 austreten. In F i g. 1 sind zwei mögliche Strahlverläufe dargestellt. Ein Strahlenbündel 8 tritt durch eine in der Justiermarke 5 der Bestrahlungsmaske 1 befindlichen öffnung hindurch, trifft auf die Halbleiterscheibe 2, wird dort reflektiert, wobei die reflektierten Röntgenstrahlen durch eine andere Öffnung in der Justiermarke 5 der Bestrahlungsmaske 1 hindurchtreten und in einen Detektor 9 gelangen. Mit Hilfe der Verschiebevorrichtungen 40 bis 43 wird die Halbleiterscheibe so verschoben, daß die in den Detektor 9 einfallende Röntgenstrahlintensität maximal wird. Sofern der Einfallswinkel des Strahlenbündels 8 zu einer Reflexion an der Halbleiterscheibe 2 zu groß ist, kann mit Hilfe eines Beugungskristalles 10 ein anderes Strahlenbündel 11 in entsprechender Weise zur Justierung verwendet werden. Der Beugungskristall 10 wird dabei so angeordnet, daß das auf die Halbleiterscheibe fallende Strahlenbündel 11 im Reflexionswinkel auf die Halbleiterscheibe auftrifft.

In Fig.2 ist schematisch dargestellt, wie eine Justierung des Abstandes zwischen Halbleiterscheibe und Bestrahlungsmaske erfolgen kann. Als Justiermarken dienen bei der Bestrahlungsmaske äquidistante Streifen 25 aus Röntgenstrahlen absorbierendem Material, beispielsweise aus Gold. Die Justiermarken der Halbleiterscheibe 2 bestehen beispielsweise aus streifenförmig angeordneten Reflexionskristallen 26, wobei der Abstand dieser Reflexionskristalle 26 gleich dem Abstand der Streifen 25 auf der Bestrahlungsmaske ist. In dem Fall, in dem die Bestrahlungsmaske sowohl in der horizontalen x-Richtung wie auch in der vertikalen genau zur Best.-ahiungsmaske justiert ist, wird von dem einfallenden Strahlenbündel 8 ein Anteil 18 mit maximaler Intensität reflektiert.

In F i g. 2a ist der Fall dargestellt, daß die Halbleiterscheibe und die Bestrahlungsmaske genau aufeinander ausgerichtet sind.

In Fig.2b ist schematisch dargestellt, wie die Intensität des reflektierten Strahlenbündels 18 abnimmt, wenn die Halbleiterscheibe 2 um eine Strecke 5 aus ihrer Soll-Lage verrückt ist. In diesem FaI! trifft nicht das gesamte Röntgenlicht, das von den Justiermarken 25 auf der Bestrahlungsmaske durchgelassen wird, auf entsprechende Reflexionsmarken 26, so daß ein Anteil dieses Röntgenstrahlbündels nicht mehr reflektiert wird und somit nicht mehr in den Detektor 9 gelangt.

In Fig.3 ist der Intensitätsverlauf dargestellt, den man bei einer Verschiebung der Halbleiterscheibe in der horizontalen x-Richtung erhält. Dabei zeigt die Fig. 3a den Intensitätsverlauf, den man in dem Fall erhält, in dem die Halbleiterscheibe im Soll-Abstand von der Bestrahlungsmaske entfernt ist. F i g. 3b zeigt den Intensitätsverlauf für eine Verschiebung der Halbleiterscheibe in der ^-Richtung, wobei in diesem Fall die Halbleiterscheibe um eine Strecke AS aus ihrem Soll-Abstand von der Bestrahlungsmaske entfernt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspiüche:

1. Verfahren zur Parallelausrichtung und Justierung der Lage einer Halbleiterscheibe relativ zu einer Bestrahlungsmaske bei der Röntgenstrahl-Fotoüthografie durch Messung des Maximums der Intensität eines Röntgenstrahlbündels, welches auf ein Paar Justiermarken, gebildet aus einer Justiermarke auf der Halbleiterscheibe und einer Justiermarke auf der Bestrahlungsmaske, auftrifft und in einen Röntgenstrahldetektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe (2) und die Bestrahlungsmaske (1) mit jeweils drei, einander paarweise zugeordneten Justiermarken (5,

6) versehen wird, wobei für eine der Justiermarken '5 (5, 6) eines Paares eine reflektierende Justiermarke verwendet wird und ein. Röntgenstrahlbündel verwendet wird, welches unter einem von der Senkrechten abweichenden Winkel auftrifft

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Justiermarken auf der Halbleiterscheibe (2) angebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Halbleiterscheibe (2) als Justiermarke (6) Röntgenstrahlen reflektierende Einkristalle (26) angebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Justiermarken verwendet werden, welche eine periodische Anordnung aufweisen.

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