DE2728361C2 - Verfahren zum Feststellen eines vorgebbaren Endzustands eines Entwicklungs- oder Ätzvorgangs - Google Patents
Verfahren zum Feststellen eines vorgebbaren Endzustands eines Entwicklungs- oder ÄtzvorgangsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines vorgebbaren Endzustands eines Ennvicklungs-
oder Ätzvorgangs nach dem Oberbegriff des Hsuptan-Spruchs
und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein derartiges Verfahren und eine Vorrich
lung zur Durchführung dieses Verfahrens, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegeben ist, sind
durch die Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 18, Nov. 1975, Nr. 6, Seiten 1867 bis 1870
bekannt.
Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen werden Halbleiterplättchen mit einer Photolackschicht
überzogen und anschließend mit Hilfe von Masken mit einem meist sehr komplizierten und sehr fein strukturierten
Muster belichtet. Wegen der immer höher werdenden Packungsdichten und weil die elektrischen
Eigenschaften der das Endprodukt bildenden integrierten Schaltkreise in hohem Maße von der genauen
Einhaltung der vorgegebenen Linienbreiten und Linienabstände der übertragenen Lichtmuster abhängig sind,
werden an die Präzision der verwendeten Masken und an die während des Belichtungsvorganges einzuhaltenden
Parameter höchste Anforderungen gestellt. Es hat
ίο sich gezeigt, daß die bei der Übertragung der
Lichtmuster auftretenden, meist sehr engen Toleranzen durch den Entwicklungsvorgang und durch einen unter
Umständen sich anschließenden Ätzvorgang in vielen Fällen so verschlechtert werden, daß die nach diesem
Verfahren erzeugten integrierten Schaltkreise nur zu einem geringen Prozentsatz verwendbar sind. Die
während eines Entwicklungs· oder Ätzvorganges eintretende Verschlechterung der Toleranzen ist unter
anderem damit zu erklären, daß Jie Beleuchtungsstärke
•ίο in den Rand/onen eines belichteten be 'eiches, beispielsweise
eines linienförmigen Bereiches, selbst bei
exaktester Ausleuchtung in der Regel wesenltich niedriger ist als in der Mitte. Das hat /ur Folge, daß die
Beleuchtungsstärke als Funktion des Abstandes von der
*'·> Linienmitte nich' einen rechteckförmigen Verlauf
sondern einen allmählichen Abfall zu den Linienrandern
hin aufweist, was zur holgi rut. daß die Breite der durch
eine F.nt wicklung oder eine Atzung freigelegten
Bereiche eine stark; Abhängigkeit von der l.ntwick
'» lungs bzw Ätzdauer hat Selbst bei angenähert
rechteckigem Verlauf der Belichtungsprofile kann eine
Verbreiterung der freigelegten Bereiche tiber die
belichteten Uerciche hinaus durch ein sogenanntes
»l nterätzen« unter Umständen ganz wesentlich ver
r>) gießen werden. Die oben angesprochenen hohen
Anforderungen an die Genauigkeit der entwickelten oder pe.it/cn Muster werden noch dadurch erhöht, dall
bei der Herstellung einer integrierten Schaltung eine
Vielzahl von Belichtungen m aufeinanderfolgenden
M> Verfahrensschritten erforderlich ist
Die Entwicklung der belichteten PhutulaLkii.hn.hi
wird üblicherweise durch genaue Einhaltung einer durch vorher durchzuführende Versuchsreihen ermittelten
Entwicklungszeit gesteuert. Da aber neben der Zeit auch eine Reihe anderer Parameter, wie Konzentration,
Reinheil und Temperatur des Entwicklers sowie Beschaffenheit, Reinheit und Dicke der Lackschichtcn
vor allem aber die Beleuchtungsstärke während der
Belichtung der Photolackschicht von großem Einfluß auf die Dicke der freigelegten Linien ist, können trot/
genauster Prozeßüberwachung Fehler nicht mit der erforderlichen Sicherheit ausgeschlossen werden.
Aus diesem Grund hat man daher in letzter Zeit Verfahren zur Steuerung von Ätzvorgängen auf die
Steuerung des Entwicklungsvorganges übertragen. Es hat sich aber gezeigt, daß die bei der Überwachung und
Steuerung von Ätzvorgängen verwendeten Verfahren eine Reihe νο.ΐ Nachteilen aufweisen, die sie bei
Vorliegen von höchsten Anforderungen sowohl bei der Steuerung von Ätzvorgängen als auch bei der
Steuerung von Entwicklungsvorgängen in vielen Fällen unbrauchbar machen. So wird beispielsweise in der
Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 18, No. 6, November 1975, Seiten 1867 bis 1870 ein
Verfahren beschrieben, bei dem die Reflexion eines auf das Werkstück schräg einfallenden Lichtstrahls gemessen
und als Kriterium für die Beendigung eines Entwicklungs- oder Ätzvorganges ausgewertet wird. Es
ist leicht einzusehen, daß bei diesem Verfahren nur der erste Durchbrach durch eine geätzte Sv.hii.hi uder das
Aufhören der Veränderung der Breite diesei Schicht, nicht aber das Vorliegen einer bestimmten Breite
festgestellt werden kann. Das gleiche gilt für die in der Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«.
Bd. 15. Nr. 11, April 1973, Seiten 1532 und 3533 beschriebene Vorrichtung, bei der anstelle des reflektierten
Lichtes das durch das Werkstück durchtretende Licht zur Anzeige der Beendigung des Ätzverganges
verwendet wird.
Aus der Zeitschrift IEEE-Transactions on Electron
Devices. Bd. ED-22, Juli 1975, Nr. 7, Seiten 371 bis 375. ist
es bekannt. Muster mit Hilfe von Masken oder Elektronenslrahlschreibern herzustellen. Aus der Zeit
schrift !BM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 19. November 1976. Nr. 6, Seite 2241. ist es bekannt. Muster
mit einem Lichtstrahlschreiber herzustellen. Die Entwicklung von mit derartigen Vorrichtungen, aber auch
mit Hilfe von an sich bekannten Projektions- oder Kontaktverfahren belichteten Fotolackschichten, kann
in besonders vorteilhafter Weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht werden.
Die Ausnutzung von Beugungseffekten bei der
Herstellung integrierter Schaltkreise ist an sich bekannt: so wird in der deutschen Offenlegungsschrift 15 b4 240
ein Verfahren zum Ausrichten von Kopiermasken beschr.eben. bei dem Beugungsbilder der Strukturen auf
der H;ilMeiterobcrfläche und der Maske verwendet
werden wobei zunächst die erste und anschließend eine
möglichst hohe Beugungsordnung herangezogen wird. Mit diesem Verfahren lassen sich icdoch keine
Aussagen über die Entwicklung von I imenbreiten
wahrend des Ät/vorgangcs selbst gew innen
Die t rfindung geht von der Aufgabe aus. ein
Verfahren zum feststellen des Endzustands eines [■ntwK kliings (nler Atzvorgangs anzugeben, das mit
niedrigem technischem Aufwand r alisierbar ist und es
gesteint! den t.ntwieklungs ov'er Ät/prozeß bei
Vorliegen genau definierter Linientreuen abzubrechen und iugiir bei der Belichtung 'mgetretene Fehler
weitgehend auszugleichen; außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben
werden. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 beschriebene Erfindung gelöst.
Gegenüber den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen hat das erfindungsgemäßc Verfahren
den Vorteil, daß anstehe einer Reihe von bei der Durchführung eines Entwicklungs- oder Äupro/.ebses
erforderlichen sehr exakten Messungen nur dm Intensität einer oder mehrerer Beugungsnrdnungen
gemessen werden muß. Auf Grund dieser Messung muli darm nur ein einziger Parameter beispielsweise die
Entwicklungszeit geändert werden, um Änderungen eines oder mehrerer der oben erwähnten Parameter
unschädlich zu machen. An Stelle von Messungen und Steuerungen einer Vielzahl von Parametern wird
ίο dadurch nur die Messung einer Lichtintensität und die
Steuerung eines einzigen Parameters erforderlich- Da die »in situ« durchführbare Messung nicht einen für das
Endergebnis des Prozesses maßgeblichen Paiameter, sondern das Endergebnis selbst, nämlich die Linienbreite
erfaßt, kann die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens trotz der Einfachheit der verwendeten
Mittel durch keines der bisher vorgeschlagenen Verfahren auch nur angenähert erreic'nt werden.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. I die schematische Darsielli-';j des bei Belichtung
durch eine vorgegebene Marke auftretenden Intensitätsverlaufs / und des nach Abschluß des
Entwicklungsvorganges vorliegenden Verlaufs der Lackdicke D.
F ι g. 2 die schematische Darstellung eines Ausfuhrungsbeispiels
der Erfindung.
Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines Aus
schnittes des in F ig 2 dargestellten Ausführungsbei
jo spiels.
Fig. 4 den Verlauf der Intensität / der Beugung zweiter Ordnung als Funktion der Entwicklungs- oder
Ätzzeit.
Anhand von F ι g. 1 werden die Verhaltnisse bei der
Belichtung einer Photolackschicht durch eine Maske erläutert. Fällt, wie in F ι g. 1 dargestellt, eine kollimierte
Strahlung 1 auf eine aus einem durchsichtigen Trägerelement 2 und aus einem undurchsichtigen
Bereich 3 bestehende Maske 4, so ergibt sich im Bereich
einer Lackschicht 5. bedingt durch die in den Randbereichen der undurchsichtigen Schicht 3 auftreter
Jen Beugungserscheinungen, der durch die Linie 10 dargestellte Intensitätsverlauf. Wird die so belichtete
Lackschicht entwicklet, so wird nach einer vorgegebe-5
nen Zeit zunächst der zwischen den Linien 11 und 12 hegende Bereich eines unter der Lacksv.hicht liegenden
Halbleiterplättchens 6 fast gleichzeitig freigelegt Es ist
leicht einzusehen, daß die Breite dieses Bereiches mit
der Breite des durchsichtigen Bereichs der Maske 4 nicht übereinstimmt und weitgehend durch Schwankungen
der Intensität der Strahlung 1 verändert wird Bei
Fortsetzung des Entwicklungsprozesses wird nach einer nur experimentell ermittelbaren Zeit die Breite des
freigelegten Bereichs des Halbleiterplättchens 6 der Breite des durchsichtigen Bereiches der Maske 4 gleich
sein Diese expermenteli ermittelte F^nfvicklungszeit
gilt aber nur. wenn alle anderen Parameter, nämlich die
Intensität der Belichtung, die Dauer der Belichtung, die
Konzentration. Reinheit und Temperatur des Entwick-
Mi lers. sowie die Zusammensetzung, die Reinheit und die
Dicke der Photolackschicht mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden können. Wird die Entwicklungszeit
weiter vergrößert oder ändern sich die oben aufgezählten Parameter in einer bestimmten Richtung,
so wird der freigelegte Bereich des Halbleiterplättchens 6 allmählich den gärigen Bereich zwischen den Linien 13
und 14 einnehmen und, bei manchen Photolacken nach einer weiteren Verlängerung der Entwicklungszeis
durch »Unterätzen« der Lackschichl noch größer werden. Es ist leicht cinzuschctr, daß zu einer genauen
Übertragung der durchlässigen Bereiche der Maske 4 eine ganze Reihe von zum Teil sehr schwer zu
überwachenden Parametern mit größtur Genauigkeit eingehalten werden muß. jede Veränderung eines dieser
Parameter kann zur Verkleinerung oder zur Vergrößerung der freigelegten Bereiche des Halbleiterplältchens
6 führen, wodurch im schlimmsten Fall mehrere getrennt zu dotierende oder getrennt mit leitenden
Überzügen zu versehende Bereiche miteinander verschmelzen oder zumindest einander so nahe kommen,
daß die elektrische Eigenschaften einer mit diesem Verfahren hergestellten Halbleiterschaltung ganz wesentlich
veriindert werden.
In Fig. 2 wird ein einfaches Ausführungsbeispiel schematisch und in Fig. 3 ein Ausschnitt aus Fig. 2
perspektivisch dargestellt. Die Vorrichtung besieht aus einem Gefäß 15, in dem ein F.nlwicklcr 16 untergebracht
ict Ini Fmwirkler 16 befindet sich ein mit einer
Photolackschicht überzogenes Halbleitcrplättchcn 6, das mit dem in Fig.! veranschaulichten Verfahren
belichtet wurde. Die mit 5 bezeichneten und im verkleinertem Maßstab dargestellten Bereiche des
Halbleiterpiättchens 6 und der darauf befindlichen Photolackschicht wurden mit einem Muster belichtet,
das die zum Aufbau einer integrierten Schaltung in unterschiedlicher Weise dotierten oder mit leitenden
Schichten überzogenen Bereiche und L.inienstrukturen enthält. Der mittlere, mit G bezeichnete Bereich des
Halbleiterpiättchens und die darauf befindliche Photolackschicht wurde mit einem Muster belichtet, das aus
einer Anzahl von vorgegebene Breiten und Abstände voneinander aufweisenden Linien besteht. Die Breite
der Linien und der Abstände zwischen den einzelnen Linien des Gitters entsprechen in der Regel der
mittleren Breite der Linien und der Abslände zwischen den Linien in den Bereichen S. Diese Breiten und
Abstände können aber auch größer oder kleiner als die Breiten und Abstände den Linien im Bereich Sgewählt
werden. Ferner ist eine Lichtquelle 18 zur Erzeugung eines monochromatischen kollimierten Lichtstrahls 19
vorgesehen, der durch ein Fenster 17 des Gefaies 15 auf
den mit einer Gitterstruktur belichteten Bereichs O des Halbleiterplätlchens 6 fällt. Die Vorrichtung besteht
weiterhin aus zwei Lichtdetektoren 22 und 23. die in der Richtung der zweiten und dritten Beugungsordnung der
auf das im Bereich C durch die Entwicklung entstehende Gitter fallenden Strahlung 19 liegen.
Die Orte der Lichtdetektoren 22 und 23 sind eine eindeutige Funktion der Gitterkonstante g des im
Bereich C entstehenden Gitters. Während die Lage der Beugungsordnungen bei vorgegebener Richtung und
bei vorgegebener Wellenlänge der Strahlung 19 eine eindeutige Funktion der Gitterkonstante g, also
prozeßunabhängig ist, ist die Intensität dieser Beugungsanordnungen eine eindeutige Funktion der Breite
der durch den Entwicklungsvorgang freigelegten Linienbereiche. Wird während des Entwicklungsvorganges
die Breite b der durch den Entwicklungsvorgang freigelegten Bereiche zwischen den Giuerlinien gleich
der halben Gitlerkonstante g, die Linienabstände also
gleich den Linienbreiten, so wird, wie aus der Beugungsoptik bekannt, die Intensität des Beugungsmaximums
zweiter Ordnung gleich 0. Da die Ranken der
Giuerlinien nicht exakt senkrecht sind, wird in der Praxis die Intensität der zweiten Beugungsordnung
nicht gleich 0 sondern durchläuft ein Minimum. Der Verlauf dieser Intensität wird in F i g. 4 als Funktion der
Enlsvicklungszeil schemalisch dargestellt. Bei extrem fein strukturierten Liehtinustern, bei denen die Linienbreiten
und Linienabstände an der Grenze des optischen Auflösungsvermögens liegen, kann es vorteil
haft sein, die Linienbreiten und Linienabständc des zur
Prozeßsteuerung verwendeten Gitters größer zu machen, um zu vermeiden, daß bei dem sich in diesem
Fall möglicherweise ergebenden sinusähnlichen Gittern der Intensilälsverlauf im Bereich der/weiten Beugungs
Ordnung oder im Bereich anderer Beugungsordnungen verfälscht wird. Es hat sich herausgestellt, daß für jede
Linienbreile eines /u übertragenden Schaltungsmuslers
eine optimale Gitterkonstante experimentell ermiltcli
werden kann, bei der das Minimum bestimmter Beugungsordnungen ein eindeutiges Kriterium für die
Beendigung des Enlwicklungsvorganges für das belich tete Schaltungsmustcr ist. Weisen die durch Belichtung
der Photolackschicht übertragenen Schaltungsmuster sehr große Linienbreiten und l.inienabstände auf, kann
es zweckmäßig sein, die Gitterkonslanle kleiner zu machen und dadurch die Empfindlichkeil der Anzeige
zu erhöhen.
Ist der Entwicklungsvorgang weit genug fortgeschritten,
und beginnt das im Bereich C belichtete Gitter sich allmählich auszubilden, so wird im Bereich der
beispiefsweise durch den Strahl 20 angedeuteten Richtung der zweiten Beugungsordnung, wie in Fig.4
angedeutet, zunächst kein Licht vorliegen. Bei fortschreitender Ausbildung der Gitterstruktur, nämlich bei
allmählichem Breiterwerden der Abstände zwischen den einzelnen Gitterlinien, wird die Intensität im
Bereich der zweiten Beugungsordnung sehr rasch ansteigen um dann wieder schnell abzufallen. Wird die
Breite b der freigelegten Bereiche gleich der halben Gitterkonstante g. so wird ein Minimum erreicht. Bei
Fortsetzung des Ätzvorganges wird die Breite der freigelegten Bereiche größer als die halbe Gitterkonstante,
so daß die Intensität der Strahlung im Bereich der zweiten Beugungsordnung allmählich ansteigt.
nung wird durch den Lichtdetektor 22 in elektrische Signale umgewandelt, die über eine Leitung 24 zu einer
Auswertschaltung 26 übertragen werden. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann es sinnvoll sein, einen
weiteren Lichtdetektor 23 im Strahlengang 21 der dritten Beugungsordnung anzuordnen, der den Intensitätsverlauf
dieser Beugungsordnung in elektrische Signale umwandelt und über eine Leitung 25 zur
Auswertschaltung 26 übertragt Die Auswertschaltung 26 ist so ausgelegt, daß bei Erreichen bestimmter
Intensitätswerte im Bereich einer oder mehrerer Beugungsordnungen auf einer Aüsgangsleitung 27 ein
den Entwicklungsvorgang beendendes Signal auftritt
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung sind selbstverständlich nicht auf durch Masken oder sonstige
zu reproduzierende körperliche Vorlagen übertragene Muster beschränkt Sie können vielmehr auch im
Zusammenhang mit durch sogenannte »Artwork«-Generatoren, die beispielsweise als Licht- oder Elektronenstrahlschreiber
ausgebildet sein können, erzeugten Mustern verwendet werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum Feststellen eines vorgebbaren Endzustandes eines Entwicklungs- oder Ätzvorgangs,
insbesondere bei der Herstellung integrierter Schaltungen, bei dem der vorgegebene Endzustand
durch Messung der Intensität einer während des Entwicklungs- oder Ätzvorgangs vom Werkstück
zurückgeworfenen oder durch das Werkstück hindurchgegangenen monochromatischen Strahlung
ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Werkstück neben der Struktur der zu
entwickelnden oder zu ätzenden Muster auch die Struktur eines Gitters übertragen und mit den
Mustern entwickelt oder geätzt wird, daß das Werkstück mit der monochromatischen Strahlung
im Bereich des sich während des Entwicklungs- oder Ätzvorgangs ausbildenden Gitters beaufschlagt
wird, daß die Intensität eines oder mehrerer Beugungsmax'ma der an dem Gitter gebeugten
Strahlung bestimmt wird und daß der Entwicklungsoder Ätzvorgang beim Erreichen eines vorgebbaren
Punktes der als Funktion der Entwicklungs- oder Ätzzeit aufgetragenen Intensität (Fig.4) beendet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennleichr.et,
daß das Auftreten oes Minimums der !weiten Ordnung der am Gitter gebeugten Strahlung
als Kriterium für die Beendigung des Entwicklungs- oder Ät/vorganges verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien gleiche Breiten
und Abstände wie die L.nien d j zu entwickelnden oder zu ätzencen Musters .'.ufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien größere Breiten
und Abstände als die Linien des zu entwickelnden oder /u ätzenden Musters aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Gitters und der /u entwickelnden oder zu ät/enden
Muster mn Hilfe von Masken erfolgt.
b Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Gitter und der /u entwickelnden oder /u ät/enden
Muster durch lichtstrahl- oder F.lektronenstrahlschreiber
erfolgt.
7 Vorrichtung /ur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche I bis b. die ein Gefäß /ur
Durchführung des Fntwicklungs oder Atzvorgan
ges nut einem durchsichtigen Fenster enthält, die
ferner eine Lichtquelle mit einem durch das Fenster
auf das Werkstück gerichteten monochromatischen Lichtstrahl aufweist und die im Bereich der /u
messenden Lichtintensität einen Lichtdetektor ent
halt, dir ausgangsscitig mit einer Auswcrteschaltung
verbunden ist. deren Ausgangssignal den Fntwiik
lunps oder Ätzvorgang beendet, dadurch gekennzeichnet,
daß der monochromatische Lichtstrahl (19) auf ein (inter ((!) auf dem Werkstück gerichtet ist
und daß im Bereich der zweiten BeugungSördnung
(20) des an dem Gitter (G) gebeugten Lichtstrahls (19) ein Lichtdetektor (22) angeordnet ist, der mit der
Auswerlcschaltung (26) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der dritten Beugungsordnung
(21) des an dem Gitter (G) gebeugten Lichtstrahls (19) ein weilerer Lichtdetektor (23)
angeordnet ist, der mit der Auswerteschaltung (26) verbunden ist.
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