Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Entwicklungs-oder Ätzprozessen

Abstract

 Zur Steuerung eines Entwicklungs- oder Ätzvorganges wird das zu ätzende oder die zu entwickelnde Schicht tragende Werkstück (6), das beispielsweise ein zur Herstellung von integrierten Schaltungen dienendes Halbleiterplättchan sein kann, mit einer Gitterstruktur (G) versehen. Diese auf einem zur Erzeugung der gewünschten Struckturen nicht benötigten oder von diesen ausgesparten Bereich des Werkstücks vorgesehene Gitterstrucktur wird durch den Ätz- oder Entwicklungsvorgang gleichzeitig mit den gewünschten Strukturen erzeugt. Um festzustellen, ob die geätzten oder entwickelten Bereiche ihre Sollform, d.h. die vorgeschriebene Breite oder Tiefe bzw. den vorgeschriebenen Verlauf der Kantenprofile erreicht haben, wird während des Ätz- oder Entwicklungsvorganges ein Lichtstrahl auf die entstehende Gitterstruktur gerichtet und die Intensität der dabei entstehenden zweien Beugungsordnung gemessen. Die Gitterstruktur ist so ausgebildet, daß bei Erreichen der Sollform die zweite Beugungsordnung verschwindet oder ein Minimum durc läuft, wodurch die Beendigung des Ätz- oder des Entwicklungsvorganges mit großer Genauigkeit angezeigt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Entwicklungs- oder Ätzvorgängen durch Messung einer vom Werkstück während des Bearbeitun^gsvor- ganges beeinflußten Strahlung.

[0002] 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 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 die Beleuchtungsstärke in den Randzonen eines belichteten Bereiches, beispielsweise eines linienförmigen Bereiches, selbst bei exaktester Ausleuchtung in der Regel wesentlich niedriger ist als in der Mitte.: Das hat zur Folge, daß die Beleuchtungsstärke als Funktion des Abstandes von der Linierimitte nicht einen rechteckförmigen Verlauf, sondern einen allmählichen Abfall zu den Linienrändern hin aufweist, was zur Folge hat, daß die Breite der durch eine Entwicklung oder eine Ätzung freigelegten Bereiche eine starke Abhängigkeit von der Entwicklungs- bzw. Ätzdauer hat. Selbst bei angenähert rechteckigem Verlauf der Belichtungsprofile kann eine Verbreiterung der freigelegten Bereiche über die belichteten Bereiche hinaus durch ein sogenanntes "Unterätzen" unter Umständen ganz wesentlich vergrößert werden. Die oben angesprochenen hohen Anforderungen an die Genauigkeit der entwickelten oder geätzten Muster werden noch dadurch erhöht, daß bei der.Herstellung einer integrierten Schaltung eine Vielzahl von Belichtungen in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten erforderlich ist.

[0003] Die Entwicklung der belichteten Photolackschicht 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, Reinheit und Temperatur des Entwicklers sowie Beschaffenheit, Reinheit und Dicke der Lackschichten, vor allem aber die Beleuchtungsstärke während der Belichtung der Photolackschichten von großem Einfluß auf die Dicke der freigelegten Linien - sind, können trotz genauester Prozeßüberwachung Fehler nicht mit der erforderlichen Sicherheit ausgeschlossen werden.

[0004] 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 von 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 Durchbruch ! durch eine geätzte Schicht oder das Aufhören der Veränderung der Breite dieser Schicht, nicht aber das Vorliegen einer bestimmten Breite festgestellt werden kann. Das gleiche gilt für die in der Literaturstelle "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 15, No. 11, April 1973, Seiten 1532 und 3533 beschriebene Vorrichtung, bei der anstelle des reflektierten Lichtes das durch das Werkstück hindurchtretende Licht zur Anzeige der Beendigung des Ätzvorganges verwendet wird.

[0005] Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren zur überwachung und Steuerung von Entwicklungs- und/oder Ätzvorgängen anzugeben, mit dessen Hilfe es bei niedrigem technischen Aufwand möglich ist, den Entwicklungs-oder Ätzprozeß bei Vorliegen genau definierter Linienbreiten abzubrechen und somit sogar bei der Belichtung eintretende Fehler weitgehend ausgleichen zu können. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

[0006] Gegenüber den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß anstelle einer Reihe von bei der Durchführung.eines Entwicklungs- oder Ätzprozesses erforderlicher, sehr exakter Messungen nur die Intensität einer öder mehrerer Beugungsordnungen gemessen werden muß. Aufgrund dieser Mes- sung muß dann nur ein einziger Parameter, beispielsweise die Entwicklungszeit, geändert werden, um Änderungen eines oder mehrerer der oben erwähnten Parameter unschädlich zu machen. Anstelle von Meßungen und Steuerungen einer Vielzahl von Parametern wird dadurch nur die Messung einer Lichtintensität und die Steuerung eines einzi- ^gen Parameters erforderlich. Da die "in Situ" durchführbare Meßung nicht einen für das Endergebnis des Prozesses maßgeblichen Parameter, 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 erreicht werden.

[0007] Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.

[0008] Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung des bei Belichtung durch eine vorgegebene Maske auftretenden Intensitätsverlaufs und des nach Abschluß des Entwicklungsvorganges vorliegenden Verlaufs der Lackdicke.

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

7ig. 3 die perspektivische Darstellung eines Ausschnit tes des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 4 den Verlauf der Intensität der Beugung zweiter Ordnung als Funktion der Entwicklungs- oder Ätzzeit.

[0009] Anhand von Fig. 1 werden die Verhältnisse bei der Belichtung einer Photolackschicht durch eine Maske erläutert. Fällt, wie in Fig. 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 Ranbereichen der undurchsichtigen Schich. 3 auftrtenden Beugungserscheinungen, der durch die Linie 10 dargestellte Intensitätsverlauf. Wird die so belichtete Lackschicht entwickelt, so wird nach einer vorgegebenen Zeit zunächst der zwischen den Linien 11 und 12 liegende Bereich eines unter der Lackschicht liegenden Halbleiterplättchens 6 fast gleichzeitig freigelegt. Es ist leicht einzusehen, daß die Breite dieses Bereiches mit der Breite des durchsichtigen Bereiches 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 emittelbaren Zeit die Breite des freigelegten Bereiches des Halbleiterplättchens 6 der Breite des durchsichtigen Bereiches der Maske 4 gleich sein. Diese experimentell ermittelte Entwicklungszeit gilt aber nur, wenn alle anderen Parameter, nämlich die Intensität der Belichtung, die Dauer der Belichtung, die Konzentration, Reinheit und Temperatur des Entwicklers 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 ganzen Bereich zwischen den Linien 13 und 14 einnehmen und, bei manchen Photolacken, nach einer weiteren Verlängerung der Entwicklungszeit durch "Unterätzen" der Lackschicht noch größer werden. Es ist leicht einzusehen, daß zu einer genauen Übertragung des durchlässigen Bereiche der Maske 4 eine ganze Reihe von zum Teil sehr schwer zu überwachenden Parametern mit größter Genauigkeit eingehalten werden muß. Jede Veränderung eines dieser Parameter kann zur Verkleinerung oder zur Vergrößerung der freigelegten Bereiche des Halbleiterplättchens 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 elektrischen Eigenschaften einer mit disem Verfahren hergestellten Halbleiterschaltung ganz wesentlich verändert werden.

[0010] In Fig. 2 wird ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch und in Fig. 3 ein Ausschnitt aus Fig. 2 perspektivisch dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einem Gefäß 15, in dem ein Entwickler 16 untergebracht ist. Im Entwickler 16 befindet sich ein mit einer Photolackschicht überzogenes Halbleiterplättchen 6, das mit dem in Fig. 1 veranschaulichten Verfahren belichtet wurde. Die mit S bezeichneten und im verkleinerten Maßstab dargestellten Bereiche des Halbleiterplättschens 6 und der darauf befindlichen Photolackschicht wurden mit einem Muster belichtet, das die zum Aufbau einer integrierten Schaltung in unterschiedlicher Weise dotierten odermit leitenden Schichten überzogenen Bereiche und Linienstrukturen enthält. Der mittlere, mit G bezeichnete Bereich des Halbleiterplättchens 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 Abstände zwischen der Linien in den Bereichen S. Diese Breiten und Abstände können aber auch größer oder kleiner als die Breiten und Abstände der Linien im Bereich S gewählt werden. Ferner ist eine Lichtquelle 18 zur Erzeugung eines monochromatischen kollimierten Lichtstrahls 19 vorgesehen, der durch ein Fenster 17 des Gefäßes 15 auf den mit einer Gitterstruktur belichteten Bereich G des Halbleiterplättchens 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 G durch die Entwicklung entstehende Gitter fal- | lenden Strahlung 19 liegen. !

[0011] Die Orte der Lichtdetektoren 22 und 23 sind eine eindeutige Funktion der Gitterkonstante g des im Bereich G 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 Beugungsordnungen 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 Gitterlinien gleich der halben Gitterkonstante g, die Linienabstände also gleich den Linienbreiten, so wird, wie aus der Beugungsoptik bekannt, die Intensität des Beugungsmaximums zweiter Ordnung gleich O. Da die Flanken der Gitterlinien 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 Fig. 4 als Funktion der Entwicklungszeit schematisch dargestellt. Bei extrem fein strukturierten Lichtmustern, bei denen die Linienbreiten und Linienabstände an der Grenze des optischen Auflösungsvermögens liegen, kann es vorteilhaft sein, die Linienbreiten und Linienabstände des zur Prozeßsteuerung verwendeten Gitters größer zu machen, um zu vermeiden, daß bei dem sich in diesem Fall möglicherweise ergebenden sinusähnlichen Gittern der Intensitätsverlauf im Bereich der zweiten Beugungsordnung oder im Bereich anderer Beugungsordnungen verfälscht wird. Es hat sich herausgestellt, daß für jede Linienbreite eines zu übertragenden Schaltungsmusters eine optimale Gitterkonstante experimentell ermittelt werden kann, bei der das Minimum bestimmter Beugungsordnungen ein eindeutiges Kriterium für die Beendigung des Entwicklungsvorganges für das belichtete Schaltungsmuster ist.. Weisen die durch Belichtung der Photolackschicht übertragenen Schaltungsmuster sehr große Linienbreiten und Linienabstände auf, kann es zweckmäßig sein, die - Gitterkonstante kleiner zu machen und dadurch die Empfind lichkeit der Anzeige zu erhöhen.

[0012] Ist der Entwicklungsvorgang weit genug fortgeschritten, und beginnt das im Bereich G belichtete Gitter sich allmählich auszubilden, so wird im Bereich der beispielsweise durch den Strahl 20 angedeuteten Richtung der zweiten Beugungsordnung, wie in Fig. 4 angedeutet, zunächst kein Licht vorliegen. Bei forschreitender 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 der freigelegten Bereiche gleich der halben Gitterkonstante, 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. Dieser Verlauf der Intensität der zweiten Beugungsordnung 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 Bdugungordnung anzuordnen, der den Intensitätsverlauf,dieser Beugungsordnung in elektrische Signale umwandelt und über eine Leitung 25 zur Auswertschaltung 26 überträgt. Die Auswertschaltung 26 ist so ausgelegt,-daß bei Erreichen bestimmter Intensitätswerte im Bereich einer oder mehrerer Beugungsordnungen auf einer Ausgangsleitung 27 ein den Entwicklungsvorgang beendendes Signal auftritt.

[0013] Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf durch Masken oder sonstige zu reproduzierende körperliche Vorlagen übertragende Muster beschränkt. Sie kann vielmehr auch im Zusammenhang mit durch sogenannte "Artwork"-Generatoren, die beispielsweise als Licht- oder Elektronenstrahlschreiber ausgebildet sein können, erzeugte Muster verwendet werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung von Entwicklungs- oder Ätzvorgängen durch Messung einer vom Werkstück während des Bearbeitungsvorganges beieinflußten Strahlung, dadurch gekennzeichnet,
daß neben dem zu entwickelnden oder zu ätzenden Muster auch ein Gitter, beispielsweise durch Belichtung auf das Werkstück übertragen wird,
daß das Werkstück im Bereich des Gitters mit einem Strahl geeigneter Wellenlänge beaufschlagt wird und , die Lage und/oder Intensität einzelner oder mehrerer Beugungsmaxima festgestellt bzw. gemessen und die Ergebnisse als Kriterium für die Steuerung des zu überwachenden Prozesses ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch.gekennzeichnet, daß das Gitter im gleichen Prozeßabschnitt wie die zu entwickelnden oder zu ätzenden Muster übertragen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gitter an einer von dem zu entwickelnden' oder zu ätzenden Bereich freien Stelle angebracht wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Auftreten des Minimums der zweiten Ordnung der am Gitter gebeugten Strahlung als Kriterium für die Beendigung des Entwicklungs- oder Ätzvorganges ausgewertet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gitterlinien gleiche Breiten und Abstände wie die Linien des zu entwickelnden oder zu ätzenden Musters aufweisen.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 ; bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gitterlinien größere Breiten und Abstände als die Linien des zu entwickelnden oder zu ätzenden Musters aufweisen.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übertragung des Gitters und der zu entwikkelnden oder zu ätzenden Muster mit Hilfe von Mas- ken erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übertragung der Gitter und der zu entwikkelnden oder zu ätzenden Muster durch Lichtstrahl-oder Elektronenstrahlschreiber erfolgt.

9. Vorrichtung zur Steuerung von Entwicklungs- oder Ätzvorgängen durch Messung einer von einem Werkstück während des Bearbeitungsvorganges beeinflußten Strahlung, kennzeichnet durch
ein ein durchsichtiges Fenster (17) aufweisendes Gefäß (15) zur Durchführung des Entwicklungs- oder Ätzvorganges, durch eine einen monochromatischen, auf einen Gitterbereich (G) des Werkstückes gerichteten Strahl (19) erzeugende Lichtquelle (18), durch im Bereich der zweiten und dritten.Beugun^gs-ordnungen (20, 21) der auf den Gitterbereich (G) auftreffenden monochromatischen Strahlung angeordnete Lichtdetektoren (22, 23), deren Ausgänge über Leitungen (24, 25) mit einer Auswertschaltung (26) verbunden sind, an deren Ausgangsleitung (27) ein den Entwicklungs- oder Ätzvorgang steuerndes elektrisches Signal auftritt.

Zeichnung