DE2748101B2

DE2748101B2 - Einrichtung zum planparallelen Ausrichten eines Werkstücks, insbesondere eines flachen, z.B. scheibenförmigen Werkstücks

Info

Publication number: DE2748101B2
Application number: DE2748101A
Authority: DE
Inventors: Andrew Frederick Fairfax Horr; William Frederick Williston White
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1977-10-27
Publication date: 1979-04-26
Also published as: JPS5343024B2; DE2748101C3; US4093378A; BR7707305A; FR2369610B1; JPS5356974A; FR2369610A1; GB1583970A; DE2748101A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen wird, nachdem jeweils ein Wafer geläppt und poliert wurde sowie auf diesem eine als Photowiderstand wirkende Schicht angebracht wurde, auf dem Photowiderstand ein Muster belichtet, indem durch eine Maske Licht hindurch projiziert wird. Die Maske weist die für ein wiederholtes Belichten des Photowiderstandes mit jeweils dem gleichen Muster erforderliche Markierung auf. Mit zunehmender Verkleinerung der Elemente und der Verbindungsleitungen sowie mit zunehmender Vergrößerung sowohl aktiver als auch passiver Elemente in den einzelnen Chips des Wafers wird das Ausrichten der Wafer in bezug auf die Maske, insbesondere nachdem z. B. eine Vielzahl von Diffusionen stattgefunden hat, immer schwieriger. Denn durch d*is Zusemrnendran^en von imnicr mehr Elementen euf einem Wafer wird es beispielsweise erforderlich, einerseits die Leitungen und Elemente genauer festzulegen und andererseits zu vermeiden, daß Randteile des betreffenden Wafers unbrauchbar werden, weil Leitungen falsch angeordnet und nicht genau aufeinander ausgerichtet sind. Dieser geringere Ertrag je Water führt selbstverständlich zu wesentlich erhöhten Kosten.

Außer diesen Problemen bei der Ausrichtung des

Wafers zur Vorbereitung und Durchführung der

ίο photolithographischen Prozesse besteht die Forderung, die Ausrichtung des Wafers ohne physischen Kontakt mit der Oberfläche des Wafers durchzuführen, weil diese gegen Beschädigungen außerordentlich empfindlich ist Außerdem kann es vorkommen, daß bei der Berührung von Vorrichtungsteilen mit der Waferoberfläche Teile der Photowiderstandsschicht abgelöst werden und Störeinflüsse beim Ausricht- und Belichtungsvorgang zur Folge haben.

Stand der Technik

Einrichtungen zum Ausrichten von Wafern zur Maske zur Durchführung der vorher beschriebenen Prozesse sind bereits in großer Zahl bekannt und beispielsweise in den US-Patentschriften 36 45 622 und 37 11 081 beschrieben. Bei diesen Anordnungen ist die Maske in einem fixierten Rahmen gelagert, während der Wafer »schwimmend« auf einem Luftkissen, also relativ zur Maske bewegbar geführt ist; der Wafer wird zu seiner Ausrichtung an die Maske herangeführt, durch das unmittelbare Anliegen an dieser planparallel zur Maskenebene ausgerichtet und sodann in dieser Ausrichtung um einen bestimmten, für den Belichtungsvorgang vorgesehenen Abstand von der Maske wegbewegt. Dieses Verfahren hat den offensichtlichen Nachteil, daß bei der Waferbewegung zwischen dem Wafer zum Zwecke des Ausrichtens und der Maske physischer Kontakt stattfindet. Das kann dazu führen, daß hierbei abgelöste Photowiderstandspartikel die Genauigkeit der Ausrichtung beeinträchtigen und durch

to diese und andere Einflüsse Beschädigungen der Waferoberfläche auftreten, welche Störungen in der Funktion der aufzutragenden Schaltungsmuster zur Folge haben.

Ein anderes Verfahren zur Ausrichtung von Wafern und eine Einrichtung der eingangs genannten Art ist im IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 14, Nr. 5, Seiten 1604/05 beschrieben. Bei dieser Einrichtung wird die Ausrichtung des Wafers zur Maske ohne Kontakt mit der Waferoberfläche erzielt, nämlich unter Verwendung von pneumatischen Abstandsfühlern. Diese befinden sich in einer bezüglich der Maskenebene planparallel angeordneten Justierplatte. Der auch hier »schwimmend« gelagerte Waferträger wird auf die Justierplatte zu bewegt und unter Auswertung der von den Abstandsfühlern abgegebenen Staudrucksignale planparallel eingestellt. Nach diesem Ausrichtvorgang wird die Position des Waferträgers fixiert und die Justierplatte ausgefahren, worauf der Waferträger mit dem Wafer um einen vorgegebenen Betrag auf die Maske zu verstellt wird. Diese Anordnung stellt grundsätzlich eine Verbesserung des vorgenannten Standes der Technik dar, da jeglicher physischer Kontakt mit der Waferoberfläche vermieden ist. Sie hat jedoch den Nachteil, daß an die Lagerung und Führung der Justierplatte außerordentlich hohe Anforderungen gestellt werden, die nur sehr schwer erfüllbar sind. Aus diesem Grunde sind Einstellfehler bei der Justierung des Wafers auch mit dieser Einrichtung nicht ganz auszuschließen. Allen

bisher bekannten Einrichtungen dieser Gattung ist aber gemeinsam, daß die planparallele Ausrichtung des Wafers nur einmal nämlich vor Beginn des photolithographischen Prozesses, durchgeführt werden kann und ein nachträgliches Korrigieren der Einstellposition ohne Unterbrechung der Prozesse nicht möglich ist

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, welche mit einfachem apparativem Aufwand eine genaue Ausrichtung des Werkstücks sowie eine kontinuierliche Überwachung der Ausrichtposition ermöglicht, so daß auch während der Durchführung der Bearbeitungsprozesse auftretende Änderungen, etwa in der Folge von Temperaturänderungen oder ähnlichen Einflüssen, die Ausrichtposition des Werkstücks ständig überwacht und erforderlichenfalls selbsttätig korrigiert wird. Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs ] angegebenen Ausbildung der Einrichtung gelöst worden.

Die erfLndungsgemäße Einrichtung eignet sich zwar insbesondere für flache, z. B. scheibenförmige Werkstücke, wie Wafer, ist jedoch auch für andere Körper, z. B. halbkugel- oder kugelabschnittförmige Werkstücke mit Vorteil einzusetzen.

Wird die erfindungsgemäße Einrichtung ^rür die Bearbeitung von Wafera eingesetzt, so ist der Rahmen für die. Maske vorzugsweise ringförmig und weist nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nach innen ragende Auflagestücke auf, in welchen je ein Fühler und ein Hubstift angeordnet ist. Ein am Rahmen befindlicher Innenring mit einem ringförmigen Vakuumkanal kann vorzugsweise zum Festhalten der stirnseitigen Umfangsfläche des Halters für das Werkstück vorgesehen werden, wobei gleichzeitig eine Abschirmung des Werkstückbereiches gegen die Umgebung und eine kontinuierliche Reinigung des Waferbereiches erzielt werden.

Ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist, daß die Ausrichtung des Werkstücks zu der vorgegebenen Referenzebene nicht nur einmal stattfindet, sondern kontinuierlich überprüft wird, so daß jegliche Veränderungen in der Planarposition des Werkstücks auch während der Durchführung photolithographischer und anderer Prozesse ständig korrigiert werden.

Ein Ausführu.igsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schaubildlicher, teilweise auseinandergezo- so gener Anordnung eine Einrichtung zum Ausrichten eines Wafers in bezug auf eine Maske,

F i g. 2 eine rückseitige Ansicht des Maskerrahmens mit eingelegten Wafer,

F i g. 3 einen vergrößerten Schnitt in der Linie 3-3 der ^r>=> F i g. 2 einschließlich der zugehörigen Steuerschaltung.

Die in den Zeichnungen dargestellte Einrichtung 10 besteht aus einem ringförmigen Rahmen 11 mit L-förmigen Querschnitt und einem an diesem befindlichen Innenring 11a, an welchem um jeweils 120° gegeneinander versetzt drei Auflagestücke 12 angeordnet sind. Jedem der Auflagestücke 12 ist ein Hubantrieb 13 zugeordnet, wobei in Fig. 1 zur Verdeutlichung der Darstellung lediglich zwei Hubantriebe 13 dargestellt sind. Jeder der Hubantriebe 13 besteht aus einem Hubübertrager 14, einem Z-förmigen Hubarm 15 und einem Hubstift 16. Die Hubstifte 16 ragen aus dem betreffenden Auflagestück 12 hervor. In den Auflagestücken 12 ist weiterhin je ein Abstandsfühler 17 angeordnet Im Innenring 11a ist ein Vakuumkana! 18 so geführt, daß er zwischen den Auflagestücken 12 und dem Körper des Rahmens 11 verläuft

In einem becherförmigen Halter 20 (F i g. 1 und 3) befindet sich eine Membranfeder 21, welche mit ihren Kanten auf einer abgesetzten Ringauflage 22 des Halters 20 aufliegt Auf diese Weise Ist zwischen der Membranfeder 21 und dem Halter 20 ein freier Raum gebildet welcher eine entsprechende Formänderung der Membranfeder 21 ermöglicht Eine Glasplatte 23 dient als Auflage für ein Werkstück und ist im Zentralbereich der Membranfeder 21 mittels einer zentralen Auflage 24 befestigt Infolge dieser zentralen Befestigung der Glasplatte 23 an der Membranfeder 21 kann die Glasplatte 23 sowohl in axialer wie auch in Drehrichtung verstellt werden. In der Glasplatte 23 befinden sich eine Anzahl radialer und konzentrischer Kanäle 25, die mit einem Zentralkanal 26 in der Auflage

24 verbunden sind Der Zentralkanal 26 ist über eine Leitung 27 mit einem Vakuumanschluß 28 verbunden. Durch das Wirksamwerden von Vakuum in den Kanälen

25 kann ein Werkstück, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Wafer 30 aus Halbleitermaterial, zuverlässig auf der Glasplatte 23 fixiert werden.

An der Glasplatte 23 befindet sich weiterhin ein Richtstift 31 sowie eine Mehrzahl metallischer Anschläge 32. Die Anschläge 32 sind, wie beispielsweise aus F i g. 1 erkennbar ist, so am Umfang der Glasplatte 23 verteilt daß sie jeweils mit den zugeordneten Hubstiften 16 am Rahmen 11 ausgerichtet sind, wenn der Halter 20 auf den Rahmen 11 aufgesetzt wird. Der Wafer 30 hat am Umfang eine Kerbe 31a und ist in Drehrichtung so orientiert daß diese mit dem Richtstift 31 an der Glasplatte 23 ausgerichtet ist. An der (in Fig. 1) rückwärtigen Seite des Rahmens 11 befindet sich eine Photomaske 35, die mit Hilfe eines optischen Projektionssystems (nicht gezeigt) auf den entsprechend ausgerichteten Wafer projiziert werden soll.

Im folgenden wird das Ausrichten des Wafers 30 in bezug auf die Referenzebene im einzelnen erläutert

Der Wafer 30 ist auf einer seiner Oberflächen mit einer Photowiderstandsschicht 36 versehen und mit der entgegengesetzten Fläche auf der Glasplatte 23 mittels Vakuum festgehalten. Nun wird der Halter 20 in den Rahmen 11 eingesetzt, wobei seine Axiallage im Verhältnis zum Halter 11 durch den Innenring 11a bestimmt ist und gleichzeitig der Vakuumkanal 18 wirksam wird. Jetzt kann die Glasplatte 23 mittels des Hubantriebes 13 in bezug auf den Halter 20 justiert werden.

Wenn der Halter 20 in den Rahmen 11 eingesetzt und mittels des im Vakuumkanal 18 im Innenring Ua wirksamen Vakuums fixiert ist, werden die Abstandsfühler 17 eingeschaltet, um die Position der Oberfläche des Wafers 30 in bezug auf eine Referenzebene abzutasten. Die Abstandsfühler 17 sind im vorliegenden Fall als pneumatische Fühler ausgestaltet, weiche mit einem auf die Druckunterschiede reagierenden pneumatischen Schalter 40 verbunden sind. Der in F i g. 3 dargestellte pneumatische Schalter 40 besteht aus einem Gehäuse 41 mit einer oberen Kammer 42 und einer unteren Kammer 43, die durch einen dazwischen liegenden Balg 44 gebildet werden. Der Balg 44 ist aus leitendem Material und an eine Spannungsquelle Vangeschlossen. Die Kammern 42 und 43 sind an Lufteinlässe 46 bzw. 47 angeschlossen, und an jeder der Kammern befindet sich ein elektrischer Kontakt 48 bzw. 49. Mit der unteren

Kammer 43 ist weiterhin über eine Auslaßleitung 51 ein Druckregelventil 50 verbunden, welches das Druckpotential in der zugeordneten Kammer 43 überwacht. Eine Ausgangsleitung 52 führt von der oberen Kammer 42 zu dem zugeordneten Auflagestück 12 am Innenring 11a und dient als Abstandsfühler 17.

Die Abstandsfühler 17 arbeiten so, daß sie den Abstand des Werkstücks von der Mündung 17a abtasten. Zu diesem Zweck ist das Druckregelventil 50 des Schalters 40 zunächst voll geöffnet. Ein mechanischer Anschlag (nicht dargestellt), welcher die Position des Wafers 30 simuliert, ist in dem gewünschten Abstand an der Mündung 17a angebracht, und über die Lufteinlaßleitungen 46 und 47 wird den Kammern 42 und 43 Überdruck zugeführt. Der an der Mündung 17a entstehende Staudruck überträgt sich in die obere Kammer 42 und bewirkt, daß der Balg 44 gegen den Kontakt 49 verstellt wird. Nun wird das Druckregelventil 50 wirksam und erhöht deri Druck in der unteren Kammer 43 so lange, bis der Balg 44 seine (in F i g. 3 dargestellte) Mittellage zwischen den Kontakten 48 und 49 einnimmt, d. h, daß in den beiden Kammern 42 und 43 gleicher Druck herrscht

Wird nun der mechanische Anschlag von der Mündung 17a entfernt und an dessen Stelle das Werkstück eingeführt, so steigt der Druck in der oberen Kammer 42 an, wenn sich das Werkstück näher an der Mündung 17a befindet als zuvor der mechanische Anschlag, infolgedessen schließt sich der Kontakt zwischen dem Balg 44 und dem Kontakt 49. Auf diese Weise kann somit festgestellt werden, ob sich das Werkstück näher an der Mündung 17a befindet als der vorher abgetastete mechanische Anschlag. Umgekehrt schließt sich der durch den Kontakt 48 und den Balg 44 gebildete Schalter, wenn der Abstand des Werkstücks von der Mündung 17a größer ist als zuvor bei dem mechanischen Anschlag, weil jetzt der Staudruck, der die Druckverhältnisse in der oberen Kammer 42 bestimmt, geringer ist

Mit Hilfe dieser Vergleichsmethode kann bezüglich der Abstandsfühler 17 in den Auflagestücken 12 eine Referenzebene definiert werden, die für die Abstandsbestimmung und -korrektur bei der justierung des Wafers 30 herangezogen wird.

Die Kontakte 48 und 49 des pneumatischen Schalters 40 sind an die Steuerlogik 39 angeschlossen, welche ihrerseits über Steuerleitungen mit dem Hubübertrager 14 verbunden ist, derart, daß die Hubstifte 16, entsprechend dem im Schalter 40 ermittelten Ergebnis, zurückgezogen oder weiter ausgefahren werden.

Zunächst, wenn der Halter 20 noch nicht in den Rahmen 11 eingesetzt ist, sind die Hubübertrager Ϊ4 in derjenigen Position, in welcher die Hubstifte 16 aus den Auflagestücken 12 voll ausgefahren sind. Wird der Halter 20 zusammen mit einem Wafer 30 in den Rahmen 11 eingesetzt so drückt die Membranfeder 21 die Glasscheibe 23 und somit auch den Wafer 30 gegen die Mündungen 17a der Fühler 17. Wegen der ausgefahrenen Hubstifte 16 vermag jedoch die Membranfeder 21 nicht, den Wafer 30 bis zu der vorgegebenen Referenzebene zu bewegen. Der von den Fühlern 17 abgetastete Abstand aktiviert sodann die Steuerlogik 39, mit der Folge, daß die Stößel 14a der Hubübertrager 14 zurückgezogen werden. Die über die Anschläge 32 und die Hubstifte 16 übertragene Federkraft bewirkt, daß jeder der Hubarme 15 um seinen Drehpunkt 15a (Fig.3, unterhalb des Innenringes 11a angeordnet) geschwenkt wird, und daß die Glasplatte 23 abwärts bewegt wird, bis sie die Referenzebene erreicht. Überschreitet jedoch der Wafer 30 an irgendeiner Stelle die vorgegebene Referenzebene, so wird dies von dem betreffenden Abstandsfühler 17 festgestellt und eine entsprechende Verstellbewegung des zugeordneten Stößels 14a ausgelöst, so daß der betreffende Hubarm 15 nun um seinen Drehpunkt 15a eine entgegengesetzte Schwenkbewegung ausführt Hierdurch wird der zugeordnete Hubstift 16 um einen entsprechenden Betrag aus seinem Auflagestück 12 ausgefahren, wobei er auf den Anschlag 32 am Umfang der Glasplatte 23 wirksam wird. Die Glasplatte 23 wird somit in dem betreffenden Bereich gegen die Membranfeder 21 bewegt, bis der Wafer 30 die Referenzebene erreicht hat

Für die Auswahl der Hubübertrager 14 bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Diese können beispielsweise als elektromechanische Betätiger, wie piezoelektrische Übertrager, ausgebildet sein, welche entsprechend dem Stand der Technik bei ganz kurzen Haltezeiten lineare Schrittbewegungen geringster Größe, z.B. 0,15μπι, auszuführen imstande sind. Beim Einsatz derartiger Elemente besteht die Möglichkeit, deren Arbeitsweise so zu programmieren, daß sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden, je nachdem, wie groß der jeweilige Verstell weg ist.

Gemäß den Zeichnungen sind drei Fühler und Hubstiftc vorgesehen. Dies ist die Mindestzahl, um die Ist-Lage des Werkstücks zur Referenzebene zu definieren. In Ausrichtsystemen für optische Belichtungsprozesse wird im allgemeinen die Referenzebene parallel zu der Photomaske gewählt so daß mit der Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Lage des Werkstücks und der Referenzebene sowohl die Einheitlichkeit der Abstände der einzelnen Werkstückoberflächenbereiche zur Maske (Relativabstände) gewährleistet ist als auch der absolute Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Maske. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß der pneumatische Schalter 40 vorzugsweise kontinuierlich arbeitet, so daß während des Belichtungsvorganges die Position des Wafers 30 ständig überprüft und gegebenenfalls nachjustiert wird, was beispielsweise bei veränderlichen Temperaturverhältnissen oder anderen Einflüssen von Vorteil ist. Anstelle von piezoelektrischen Elementen können, worauf weiterhin hinzuweisen ist auch andere Antriebselemente verwendet werden, die Verstellmöglichkeiten in sehr kleinen Schritten bieten, wie z. B. Schrittmotoren mit Schrittgrößen in der Größenordnung von 0,2—0,1 μηι.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum planparallelen Ausrichten eines Werkstücks, insbesondere eines flachen, z. B. scheibenförmigen Werkstücks, in bezug auf eine Referenzebene, mit einer axial verstellbaren Trägerplatte für das Werkstück und einer Mehrzahl in bezug auf die Referenzebene fixierten, auf die Werkstücksoberfläche gerichteten Abstandsfühlern, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (23) in einem axial verstellbaren Halter (20) axial federnd gelagert ist und das Werkstück (30) am Umiang überragt, daß mindestens drei, die ausgerichtete Position des Werkstücks (30) bestimmende, mittels je eines Hubantriebes (13) einzeln verstellbare Hubstifte (16) in einem stationären Rahmen (11) angeordnet und außerhalb des Werkstückrandes auf die Trägerplatte (23) wirksam sind, und daß jedem Hubstift zumindest ein den zugehörigen Antrieb (13) steuernder Abstandsfühler(17) zugeordnet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (11) ringförmig ist und eine Anzahl nach innen ragender Auflagestücke (12) aufweist, in welcher je ein Abstandsfühler (17) und ein Hubstift (16) angeordnet sind, und daß der Rahmen (11) einen Innenring (llaj mit einem ringförmigen Vakuumkanal (18) aufweist, welcher Vakuumkanal (18) bei eingefahrenen Halter (20) auf dessen stirnseitige Umfangsfläche wirksam ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubstifte (16) über je einen Stößel (14a) und einen Hubarm (15) von einem Hubübertrager (14) angetrieben werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubübertrager (14) als piezoelektrische Elemente ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsfühler (17) als pneumatische Fühlerelemente ausgebildet sind, welchem je ein pneumatisch/elektrischer Schalter (40) und eine den Hubübertrager (14) steuernde Steuerlogik (39) zugeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung der Trägerplatte (23) in dem Halter (20) eine zentral gelagerte, scheibenförmige Membranfeder (21) angeordnet ist.