DE60113154T2

DE60113154T2 - Lithographisches Herstellungsverfahren mit einem Überdeckungsmessverfahren

Info

Publication number: DE60113154T2
Application number: DE60113154T
Authority: DE
Inventors: Rene Monshouwer; H. Jacobus NEIJZEN; E. Jan VAN DER WERF
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP4153304B2; ATE303614T1; US7277185B2; US6937344B2; EP1348150B1; US20050231732A1; TW526573B; JP2004517477A; US20020080364A1; WO2002052351A1; DE60113154D1; KR20020079918A; KR100830140B1; EP1348150A1

Description

Die Erfindung betrifft ein lithographisches Herstellungsverfahren unter Verwendung eines lithographischen Projektionsapparates und mit einem Verfahren zum Messen der Überlagerung, wobei dieses Verfahren zumindest eine Substrat-Überlagerungsmarke mit einer periodischen Struktur verwendet, die eine Periode P₁ und eine entsprechende Schutzschicht-Überlagerungsmarke mit einer periodischen Struktur der Periode P₂ aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Einrichtungen mittels eines lithographischen Projektionsapparates, wobei dieses Verfahren das Verfahren zum Messen der Überlagerung umfasst.
Der lithographische Projektionsapparat ist ein wichtiges Werkzeug bei der Herstellung integrierter Schaltungen (ICs) mittels Diffusion und Maskierverfahren. Mit Hilfe dieses Apparates werden mehrere Masken mit unterschiedlichen Maskenmustern nacheinander an der gleichen Stelle auf ein Halbleitersubstrat abgebildet.
Unter einem Substrat versteht man eine Platte aus einem Material, zum Beispiel Silizium, in die ein vollständiges Bauteil, wie eine integrierte Schaltung, schichtweise durch eine Anzahl aufeinander folgender Sätze von Verarbeitungsschritten zu formen ist. Jeder dieser Sätze umfasst folgende Hauptverarbeitungsschritte: Aufbringen einer Schutzschicht auf das Substrat, Ausrichten des Substrats mit einer Maske, Abbilden des Musters dieser Maske auf die Schutzschicht, Entwickeln der Schutzschicht, Ätzen des Substrats durch die Schutzschicht sowie Reinigungs- und andere Verarbeitungsschritte. Der Begriff Substrat umfasst Substrate während unterschiedlicher Stufen im Herstellungsprozess der Teile, d.h. sowohl ein Substrat, das nur eine Schicht von Bauteilestrukturen aufweist, als auch ein Substrat, das bis auf eine alle Schichten von Bauteilestrukturen aufweist, sowie alle Zwischensubstrate.
Das Substrat muss die gewünschten physikalischen und chemischen Veränderungen zwischen den aufeinander folgenden Projektionen der unterschiedlichen Maskenmuster durchlaufen. Hierfür muss das Substrat aus dem Apparat entfernt werden, nachdem es mit einem Maskenmuster belichtet worden ist. Sobald es die gewünschten Prozessschritte durchlaufen hat, muss das Substrat wieder auf der gleichen Stelle im Apparat angeordnet werden, damit es mit einem zweiten Maskenmuster belichtet werden kann, und so weiter. Dann muss sichergestellt sein, dass die Bilder des zweiten Maskenmusters und weiterer Maskenmuster in Bezug auf die im Substrat bereits gebildeten Bauteilestrukturen genau positioniert sind. Hierfür weist der lithographische Projektionsapparat ein Ausrichtsystem auf, mit dem Ausrichtmarken auf dem Substrat in Bezug auf Ausrichtmarken auf der Maske ausgerichtet werden. Dieses Ausrichtsystem umfasst eine optische Ausrichtmessvorrichtung zum Messen von Abweichungen der Ausrichtung.
Hier ist unter Ausrichtung der Prozess der Gewährleistung der Masken-zu-Substrat-Registrierung zu verstehen, wenn sich der Wafer im Projektionsapparat befindet. Überlagerung bedeutet den Grad der Registrierung nach der Belichtung des Maskenmusters eine bestimmten Lage und des Maskenmusters der nachfolgenden Lage. Die Ausrichtung erfolgt mittels Masken-Ausrichtmarken und Substrat-Ausrichtmarken. Die Ausrichtung ist ein erforderlicher Schritt beim Herstellungsprozess von Bauteilen wie integrierten Schaltungen (ICs), garantiert jedoch nicht eine ausreichende Überlagerung eines ersten Lagenmusters und eines zweiten im Substrat gebildeten Lagenmusters, da viele Fehlerfaktoren mitspielen. Die Genauigkeit der Überlagerung hängt hauptsächlich ab von der Genauigkeit der Wafer-Stufe, der Genauigkeit der Ausricht-Messeinrichtung, dem durch Substratdeformation hervorgerufenen Vergrößerungsfehler und der Genauigkeit, mit der das Muster auf der Maske platziert ist. Eine größere Genauigkeit der Überlagerung ist erforderlich, da die Bauteile kleiner werden. Daher wird eine genauere und zuverlässigere Messung der Überlagerung immer wichtiger, um Überlagerungsfehler korrigieren zu können.
Bei einem herkömmlichen Korrekturverfahren für Überlagerungsfehler wird, nachdem eine erste Substratlage mit dem erforderlichen Muster versehen worden ist, das Muster für eine nachfolgende Substratlage in eine auf dem Substrat aufgetragene Schutzschicht abgebildet. Dann wird das Substrat vom Projektionsapparat entfernt und die Schutzschicht entwickelt, und die Überlagerung zwischen dem entwickelten Musterbild und dem Muster der ersten Substratlage wird über ein unabhängiges Genauigkeits-Messsystem gemessen, gewöhnlich ein abtastendes Elektronenmikroskop (SEM). Die Überlagerungsfehler-Korrekturfaktoren werden berechnet und dem Projektionsapparat, der auch Belichtungsapparat genannt wird, für die Korrektur der Überlagerung zugeführt. Nach erfolgter Korrektur des Überlagerungsfehlers werden alle Wafer einer Beschickung belichtet.
Zum Messen der Überlagerung wird herkömmlicher Weise ein Verfahren verwendet, das als das „KLA-Verfahren" bekannt ist. Bei diesem Verfahren werden Überlagerungsmarken der ineinander geschachtelten Art (box-in-box) verwendet. Die Überlagerungsmarke der ersten Lage und der in der Schutzschicht weisen die gleiche Form auf, gewöhnlich eine geschlossene Form wie ein Quadrat, eine Marke ist jedoch kleiner als die andere, so dass die erste Marke in die andere Marke hineinpasst. Die Ausrichtung der Marken in Bezug auf einander und die Abstände zwischen den entsprechenden Umrisslinien der beiden Marken wird gemessen, um die Genauigkeit der Überlagerung bestimmen zu können.
Der Artikel: „Submicrometer lithographic alignment and overlay strategies" in SPIE, Band 1343, X-ray/EUV Optics for Astronomy, Microscopy, Polarimetry and Projection Lithography" (1990), S. 245-255 offenbart, dass ein optisches Moiré-Verfahren sowohl zum Messen der Ausrichtung als auch der Überlagerungsgenauigkeit verwendet werden kann. Die Moiré-Struktur wird durch zwei Gitter mit unterschiedlichen Perioden bzw. unterschiedlicher Ausrichtung ihrer Gitterzeilen gebildet. Es ist ein Versuch beschrieben, bei dem diese Gitter überlagert sind und ihre Wirkung beobachtet wird, wenn sie beleuchtet werden. Die beiden Gitter werden nacheinander in der gleichen Schutzschicht abgebildet, ohne die Schutzschicht zwischen den Belichtungen zu entwickeln. Hinsichtlich der Überlagerungsmessung wird nur festgestellt, dass die Multiplizierung der Verschiebung zwischen den Gittern mit kleiner Periode, die durch die erzeugten Moiré-Ränder mit größerer Periode gegeben sind, zu einem starken Verfahren zum Messen der Überlagerung zwischen den beiden Gittern führt. Ferner wird festgestellt, dass die Phase des Differenz-Randmusters, d.h. des Moiré-Musters, in Bezug auf einen externen Bezug wie z.B. die Kante der Gittermarke eine direkte Messung der Überlagerung ergibt, ohne zu erklären, wie ein derartiger Vergleich eingesetz werden sollte.
In der US 5,521,036 ist ein Positionierverfahren offenbart, das die folgenden Schritte umfasst. Gemessen werden die Koordinatenpositionen vorgewählter Belichtungsbereiche. Es werden kalkulative Feldkoordinaten der vielen Belichtungsbereiche im statischen Koordinatensystem berechnet. Dann wird das lichtempfindliche Substrat in eine Belichtungsposition gebracht, während es gemäß somit berechneten kalakulativen Feldkoordinaten bewegt wird. Somit werden spezielle Marken, die auf einer Maske gebildet sind, in jeder von einer Vielzahl von vorbestimmten Positionen auf dem lichtempfindlichen Substrat belichtet. Ferner werden Koordinatenpositionen latenter Bilder von wenigstens drei speziellen Marken auf dem statischen Koordinatensystem von Bildern (latenten Bildern) einer Vielzahl spezieller belichteter Marken gemessen. Die Vielzahl dieser gemessenen Koordinatenpositionen wird statistisch berechnet, wodurch eine Vielzahl von zweiten Parametern berechnet wird, die für den Erhalt von Koordinatenpositionen für jede der vielen speziellen Marken (latenten Bildern) auf dem statischen Koordinatensystem verwendet werden. Die speziellen Marken der Maske werden innerhalb eines nicht belichteten Bereichs (in dem kein Grundmuster gebildet ist) in der Nähe des Außenumfangs des lichtempfindlichen Substrats belichtet. Die latenten Bilder der Retikel-Marken werden in Bereichen gebildet, in denen die Schaltkreismuster und die Ausrichtmarken nicht gebildet sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Messen der Überlagerung zu schaffen, das kein unabhängiges Messsystem benötigt und die Möglichkeiten eines lithographischen Projektionsapparates effektiv nutzt. Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert. Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen.
Das neuartige Verfahren umfasst eine neue Anwendung eines bestehenden Ausricht-Messsystems zum Messen der Überlagerung zwischen zwei Gittern mit kleiner Periode, deren Gitterperioden sich leicht voneinander unterscheiden.
Die jeweiligen Perioden p₁ und p₂ der Substrat-Ausrichtmarke und der Schutzschicht-Überlagerungsmarke sind vorzugsweise der Ordnung des Auflösungsvermögens des Projektionssystems zugehörig. Wegen der kleinen Perioden können mit dem neuen Verfahren kleine Überlagerungsfehler gemessen werden. Die Periode der Interferenzstruktur oder Moiré-Struktur wird durch die Perioden der Substrat-Ausrichtmarke und der Schutzschicht-Ausrichtmarke bestimmt. Durch die richtige Auswahl der Perioden p₁ und p₂ kann die Periode der Interferenzstruktur der Periode einer herkömmlichen Substrat-Ausrichtmarke gleich gemacht werden, so dass das Verfahren mit einer herkömmlichen Ausrichteinrichtung durchgeführt werden kann. Die tatsächlichen Überlagerungsfehler werden durch das neue Verfahren vergrößert und ein kleiner Überlagerungsfehler führt zu einer erheblich stärkeren Verschiebung der Interferenzstruktur in Bezug auf die Bezugsausrichtmarke und zu einer erheblichen Veränderung des Überlagerungssignals von der Ausrichteinheit. Dies bedeutet, dass eine geringere Interpolation des Erfassungssignals erforderlich ist, so dass eine wesentlich genauere Messung möglich wird. Da das durch das neue Verfahren gegebene Überlagerungsfehlersignal über einen relativ großen Bereich ein gemitteltes Signal ist, ist dieses Signal auf lokale Verformungen der Oberfläche weniger empfindlich.
Festzustellen ist, dass der Artikel: „Overlay Accuracy Measurement Technique Using the Latent Image on a Chemically Amplified Resist" in: Jpn.J.Appl.Phys. Band 35 (1996), S. 55-60 offenbart, dass der im Belichtungsapparat vorhandene Ausrichtsensor zum Messen der Überlagerungsgenauigkeit verwendet werden kann, damit sich der Durchsatz des Apparates nicht reduziert. Es wird jedoch nur eine Überlagerungs-Gittermarke verwendet. Auf diese Marke werden zwei Laserstrahlen gerichtet, die sich überlagern, wodurch ein Schwebungssignal erzeugt wird. Die Phase dieses Schwebungssignals, Informationen über die Verschiebung der Überlagerungsmarke, wird erfasst, indem die Phasenverschiebung mit der Phase eines Bezugs-Schwebungssignals verglichen wird.
Die zum Messen der Überlagerung verwendete Ausricht-Messeinrichtung kann eine so genannte Einrichtung auf der Achse sein, wobei eine Substrat-Ausrichtmarke direkt auf eine Masken-Ausrichtmarke durch die Projektionslinse des Apparates abgebildet wird. Dieses Verfahren ist auch als TTL-Verfahren (Through The Lens) bekannt. Die Ausrichteinrichtung kann auch eine Einrichtung außerhalb der Achse sein. Bei dieser Einrichtung wird eine Substrat-Ausrichtmarke auf eine Bezugs-Ausrichtmarke außerhalb des Feldes des Projektionssystems des Apparates abgebildet. Bei einem sehr viel versprechenden Ausführungsbeispiel der Einrichtung außerhalb der Achse wird eine Substrat-Ausrichtmarke in Bezug auf eine Ausrichtmarke auf dem Substrathalter durch eine Bezugsmarke ausgerichtet, die außerhalb der Projektionssäule angeordnet ist. Während dieses ersten Ausrichtschrittes ist der Substrathalter mit dem Substrat außerhalb der Projektionssäule angeordnet. Nachdem der erste Ausrichtschritt durchgeführt worden ist, wird der Substrathalter in der Projektionssäule positioniert, und in einem zweiten Ausrichtschritt wird die Substrat-Ausrichtmarke durch die Projektionslinse auf eine Masken-Ausrichtmaske abgebildet.
Ein lithographischer Projektionsapparat kann nicht nur für die Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet werden, sondern auch für die Herstellung anderer Strukturen mit einer Strukturgröße von 1μm und darunter. Beispiele hierfür sind Strukturen integrierter oder planarer optischer Systeme, Leit- und Erfassungsmuster von Magnetspeichern, Strukturen von Flüssigkristall-Anzeigetafeln und Magnetköpfen. Auch bei der Herstellung dieser Strukturen müssen Bilder von Maskenmustern in Bezug auf ein Substrat sehr genau ausgerichtet sein.
Der lithographische Projektionsapparat kann ein Stepper oder eine Step-and-Scan-Vorrichtung sein. Bei einem Stepper wird das Maskenmuster in einem Schritt auf einen IC-Bereich des Substrats abgebildet. Danach wird das Substrat in Bezug auf die Maske so bewegt, dass sich ein nachfolgender IC-Bereich unterhalb des Maskenmusters und des Projektionslinsensystems befindet und das Maskenmuster auf den nachfolgenden IC-Bereich abgebildet wird. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis alle IC-Bereiche des Substrats mit dem Bild eines Maskenmusters versehen sind. Bei einer Step-and-Scan-Vorrichtung erfolgt ebenfalls das vorgenannte Schrittverfahren, das Maskenmuster wird jedoch nicht in einem Schritt, sondern durch Abtastbewegung abgebildet. Während des Abbildens des Maskenmusters wird das Substrat synchron mit der Maske in Bezug auf das Projektionssystem und den Projektionsstrahl bewegt, wobei die Vergrößerung des Projektionssystems berücksichtigt wird. Eine Reihe nebeneinander angeordneter Teilbilder von nacheinander belichteten Teilen des Maskenmusters wird in einen IC-Bereich abgebildet. Nachdem das Maskenmuster vollständig in einen IC-Bereich abgebildet worden ist, erfolgt ein Schritt zu einem nachfolgenden IC-Bereich. Ein mögliches Abtastverfahren ist in dem Artikel: „Submicron 1:1 Optical Lithography" von D.A. Markle im Magazin „Semiconductors International", Mai 1986, S. 137-142 beschrieben.
Im US-Patent 4,251,160 ist ein optischer lithographischer Projektionsapparat offenbart, der für die Herstellung integrierter Schaltungen gedacht ist und eine einzelne Einheit zur Ausrichtung auf der Achse aufweist. Die Substrat- und Masken-Ausrichtmarken sind Gitter. Eine doppelte Einheit zur Ausrichtung auf der Achse für die Ausrichtung einer ersten und einer zweiten Substrat-Ausrichtmarke in Bezug auf eine erste und eine zweite Masken-Ausrichtmarke ist im US-Patent 4,778,275 offenbart. Die Patentanmeldung WO 98/39689 offenbart eine Einheit zur Ausrichtung außerhalb der Achse, und das US-Patent 5,243,195 offenbart ein Ausrichtsystem, das sowohl eine Einheit zum Ausrichten auf der Achse als auch eine Einheit zum Ausrichten außerhalb der Achse aufweist.
Um den Überlagerungsfehler von der Position des Bildes der Interferenzstruktur in Bezug auf die Bezugs-Ausrichtmarke bestimmen zu können, ist eine weitere Bezugsmarke erforderlich. Eine Ausführungsform des Messverfahrens, bei dem eine derartige weitere Bezugsmarke verwendet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Substrat-Bezugsmarke verwendet wird, die im wesentlichen die gleiche Periode wie die Interferenzstruktur aufweist, dass die Substrat-Bezugsmarke auf die Bezugsmarke abgebildet wird und der Unterschied zwischen den Positionen des Bildes der Inter ferenzstruktur und des Bildes der Substrat-Bezugsmarke in Bezug auf die Bezugs-Ausrichtmarke bestimmt wird.
Dieser Unterschied zwischen den Positionen ist ein Maß der Verschiebung zwischen der Substrat-Überlagerungsmarke und der Schutzschicht-Überlagerungsmarke. Die Substrat-Bezugsmarke kann aus einer globalen Ausrichtmarke bestehen.
Unter globaler Ausrichtmarke versteht man eine Ausrichtmarke, die eine periodische Struktur zum Ausrichten eines Substrats als solches in Bezug auf eine Bezugs-Ausrichtmarke wie z.B. eine Masken-Ausrichtmarke aufweist. Die Periode der globalen Ausrichtmarke ist wesentlich größer als die Auflösungsgrenze des Projektionssystems, durch das die globale Substrat-Ausrichtmarke auf die Wafer-Ausrichtmarke abgebildet wird, die im Prinzip eine globale Ausrichtmarke ist.
Die bei dem Messverfahren verwendeten Ausrichtmarken können verschiedene Strukturen aufweisen, vorausgesetzt, sie sind periodisch. Der so genannte Siemens-Stern ist eine derartige periodische Ausrichtmarke, die bei optischen Lithographieverfahren bereits eingesetzt wird.
Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass Gitter für die Substrat-Überlagerungsmarke und die Schutzschicht-Überlagerungsmarke und die Bezugsmarke verwendet werden.
Gitterstrukturen haben sich als Ausrichtmarken sehr bewährt.
Die Schutzschicht-Überlagerungsmarke wird in der Schutzschicht durch Abbilden einer entsprechenden Marke, die auf der Maske außerhalb des Maskenmusters in der Schutzschicht vorgesehen ist, durch den Lithographieapparat gebildet. Der Bereich der Substratschicht, in dem sich das Markenbild befindet, kann entwickelt werden und das entwickelte Markenbild kann für die Durchführung des Messverfahrens verwendet werden.
Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht-Überlagerungsmarke eine latente Marke ist.
Unter einer latenten Marke versteht man ein latentes oder nicht entwickeltes Bild einer Maskenmarke. Eine Schutzschicht mit einem derartigen latenten Bild umfasst Bereiche, die lineare Bereiche im Falle einer Gittermarke sind, die eine unterschiedliche Phasenwirkung auf einen einfallenden Strahl als ihre Umgebung haben. Diese Wirkungen werden durch die Intensitätsschwankungen in dem Strahl, der die Marke abbildet, hervorgerufen, wobei diese Schwankungen lokale Änderungen des Brechungsindexes in der Schicht und eine lokale Verkleinerung dieser Schicht bewirken. Aufgrund dieser Phasenwirkungen ist die latente Überlagerungsmarke für den Ausrichtstrahl erkennbar. Der Vorteil der Verwendung einer latenten Überlagerungsmarke besteht darin, dass das Substrat mit dem Markenbild in der Schutzschicht für die Entwicklung dieses Bildes nicht vom lithographischen Apparat entfernt zu werden braucht.
Die Erfindung kann auf verschiedene Arten eingesetzt werden, was zu verschiedenen Ausführungsformen des Messverfahrens führt.
Eine erste Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Ausrichtung auf der Achse verwendet wird und dass die Bezugsmarke eine Masken-Ausrichtmarke ist.
Bei dieser Ausführungsform wird die Interferenzstruktur auf eine Masken-Ausrichtmarke über das Projektionssystem abgebildet, das Maskenstrukturen auf das Substrat projizieren soll.
Diese Ausführungsform ist vorzugsweise weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzstruktur auf eine Masken-Ausrichtmarke über ein optisches Filter abgebil det wird, das Beugungsordnungen der von den Überlagerungsmarken kommenden Strahlung auswählt, um zu der besagten Masken-Ausrichtmarke zu gelangen.
Dieses optische Filter bzw. diese Blende verhindert, dass Rauschstrahlung, die zum Beispiel durch falsche Reflexion an Bauteilen im Apparat hervorgerufen wird, den Detektor erreichen kann. Indem zum Beispiel nur die Beugungen erster Ordnung zum Abbilden der Interferenzstruktur auf die Masken-Ausrichtmarke gewählt werden, kann die Genauigkeit der Überlagerungsmessung um einen Faktor zwei erhöht werden.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Ausrichtung außerhalb der Achse verwendet wird.
Die Interferenzstruktur wird auf eine Bezugsausrichtmarke abgebildet, die Teil einer Einrichtung zur Ausrichtung außerhalb der Achse ist, die gleich neben der Projektionslinse angeordnet ist. Mit dieser Einrichtung kann eine Anzahl von Beugungsordnungen der Ausrichtstrahlung vom Substrat, zum Beispiel die erste bis zur siebten Ordnung, separat erfasst werden. Die Maske wird ebenfalls ausgerichtet in Bezug auf die Einrichtung zur Ausrichtung außerhalb der Achse, so dass das Substrat und die Maske auf indirekte bzw. zweistufige Weise ausgerichtet werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens der Ausrichtung außerhalb der Achse besteht darin, dass es auf CMP-Prozessparameter sehr unempfindlich ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen von Einrichtungen in zumindest einer Schicht eines Substrats, wobei das Verfahren folgende aufeinander folgende Schritte aufweist:

– Ausrichten einer Maske, die mit wenigstens einer Überlagerungsmarke in Bezug auf ein erstes Substrat versehen ist;
– Abbilden der Überlagerungsmarke mittels Projektionsstrahlung in eine Schutzschicht auf dem Substrat;
– Bestimmen der Überlagerung zwischen der in der Schutzschicht gebildeten Überlagerungsmarke und einer Überlagerungsmarke im Substrat und Korrigieren von Überlagerungsfehlern;
– Abbilden eines Maskenmusters, das Mustereigenschaften aufweist, die Eigenschaften des Bauteils entsprechen, die in der besagten Schicht zu konfigurieren sind, in eine Schutzschicht auf jedem Substrat, in die die Eigenschaften des Bauteils zu bilden sind, mittels Projektionsstrahlung; und
– Entfernen von Material oder Hinzufügen von Material in Bereichen der besagten Schicht, wobei diese Bereiche durch das Maskenmusterbild abgegrenzt sind.

Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen, die nicht einschränkend sein sollen, offensichtlich und klar.
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Ausführungsform eines lithographischen Projektionsapparates zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf ein Substrat;
2 eine Ausführungsform einer globalen Substrat-Ausrichtmarke;
3 eine Ausführungsform einer Doppel-Ausrichtmesseinrichtung, durch die das neue Überlagerungs-Messverfahren ausgeführt werden kann;
4 eine Ausführungsform einer Substrat-Überlagerungsmarke und einer Schutzschicht-Überlagerungsmarke;
5 einen vergrößerten Querschnitt dieser Marken;
6 ein Ordnungsfilter der Messeinrichtung zur Ausrichtung auf der Achse und Teilstrahlen erster Ordnung, die durch die Überlagerungsmarken erzeugt werden; und
7 eine Ausführungsform einer Messeinrichtung zur Ausrichtung außerhalb der Achse, durch die das neue Überlagerungs-Messverfahren ausgeführt werden kann.
1 zeigt das Prinzip und eine Ausführungsform eines lithographischen Projektionsapparates zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf ein Substrat. Die Hauptkomponenten dieses Apparates sind eine Projektionssäule, in der eine Maske MA angeordnet ist, die ein abzubildendes Maskenmuster C aufweist, und ein bewegbarer Substrattisch WT, über den das Substrat W in Bezug auf das Maskenmuster positioniert werden kann. Der Apparat weist ferner eine Beleuchtungseinheit auf, die aus einer Strahlungsquelle LA, beispielsweise einem Krypton-Fluorid-Laser, einem Linsensystem LS, einem Reflektor RE und einer Sammellinse CO besteht. Der durch die Beleuchtungseinheit zugeführte Projektionsstrahl PB beleuchtet das Maskenmuster C, das in der Maske MA, die sich auf einem (nicht dargestellten) Maskenhalter im Maskentisch MT befindet, vorhanden ist.
Der das Masken-Muster C durchlaufende Projektionsstrahl PB durchläuft ein Projektionslinsensystem PL, das in der Projektionssäule angeordnet und nur graphisch dargestellt ist. Das Projektionssystem bildet nacheinander eine Abbildung des Musters C in jedem der IC-Bereiche oder Substratfelder des Substrats W. Das Projektionslinsensystem weist z.B. eine Vergrößerung M von ¼, eine numerische Apertur der Größenordnung 0,5 oder mehr und ein beugungsbegrenztes Bildfeld mit einem Durchmesser der Größenordnung 0,25 auf. Diese Zahlen sind willkürlich und können mit jeder neuen Generation der Projektionsvorrichtung variieren. Das Substrat W ist in einem (nicht dargestellten) Substrat-Halter angeordnet, der zu einem Substrat-Tisch WT gehört, der z.B. durch Luftlager getragen wird. Das Projektionslinsensystem PL und der Substrat-Tisch WT sind in einem Gehäuse HO angeordnet, das an seiner Unter seite durch eine Grundplatte BP aus z.B. Granit und an seiner Oberseite durch den Masken-Tisch MT verschlossen ist.
Wie in der oberen rechten Ecke von 1 dargestellt, umfasst die Maske zwei Ausrichtmarken M₁ und M₂. Diese Marken bestehen vorzugsweise aus Beugungsgittern, sie können alternativ jedoch aus anderen periodischen Strukturen gebildet sein. Die Ausrichtmarken sind vorzugsweise zweidimensional, d.h. sie verlaufen in zwei gegeneinander senkrechte Richtungen, die X- und Y-Richtungen gemäß 1. Das Substrat W, z.B. ein Halbleitersubstrat oder Wafer, umfasst eine Vielzahl von Ausrichtmarken, vorzugsweise ebenfalls zweidimensionale Beugungsgitter, von denen zwei, P₁ und P₂, in 1 dargestellt sind. Die Marken P₁ und P₂ befinden sich außerhalb der Substratfelder, in denen die Abbildungen des Masken-Musters erzeugt werden müssen. Die Substrat-Ausrichtmarken P₁ und P₂ sind vorzugsweise als Phasengitter ausgebildet, und die Masken-Ausrichtmarken M₁ und M₂ sind vorzugsweise als Amplitudengitter ausgebildet.
2 zeigt eins der beiden identischen Substrat-Phasengitter in großem Maßstab. Ein derartiges Gitter kann vier Teilgitter P_1,a, P_1,b, P_1,c und P_1,d umfassen, wobei zwei davon, nämlich P_1,b und P_1,d, für die Messung der Ausrichtung in X-Richtung und die beiden anderen Teilgitter P_1,a und P_1,c für die Messung der Ausrichtung in Y-Richtung verwendet werden. Die beiden Teilgitter P_1,b und P_1,c weisen eine Gitterperiode von z.B. 16μm und die Teilgitter P_1,a und P_1,d eine Gitterperiode von z.B. 17,6μm auf. Jedes Teilgitter kann einen Flächenbereich von z.B. 200 × 200μm² bedecken. Mit diesen Gitter-Marken und einem geeigneten optischen System kann eine Ausrichtgenauigkeit, die im Prinzip unter 0,1μm liegt, erzielt werden. Es sind unterschiedliche Gitterperioden gewählt worden, um den Erfassungsbereich der Ausricht-Messeinrichtung zu vergrößern.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Ausricht-Messeinrichtung, nämlich eine Doppel-Ausrichtmesseinrichtung. Bei dieser Einrichtung werden zwei Ausrichtstrahlen b und b' zum Ausrichten der Substrat-Ausrichtmarke P₂ in Bezug auf die Masken- Ausrichtmarke M₂ und der Substrat-Ausrichtmarke P₁ in Bezug auf die Masken-Ausrichtmarke M₁ jeweils verwendet. Der Ausricht-Messstrahl b wird auf die Reflexionsfläche 27 eines Prismas 26 über ein Reflexionselement 30, z.B. einen Spiegel, reflektiert. Die Fläche 27 reflektiert den Strahl b auf die Substrat-Ausrichtmarke P₂, die einen Teil der Strahlung als Strahl b₁ zu der dazugehörigen Masken-Ausrichtmarke M₂ schickt, wo eine Abbildung der Marke P₂ gebildet wird. Ein Reflexionselement 11, z.B. ein Prisma, das die Strahlung, welche die Marke M₂ durchlaufen hat, auf einen strahlungssensitiven Detektor 13 richtet, ist über der Marke M₂ angeordnet.
Der zweite Ausrichtstrahl b' wird über einen Spiegel 31 auf einen Reflektor 29 im Projektionslinsensystem PL reflektiert. Dieser Reflektor schickt den Strahl b' auf eine zweite Reflexionsfläche 28 des Prismas 26, wobei diese Fläche den Strahl b' auf die Substrat-Ausrichtmarke P₁ richtet. Diese Marke reflektiert einen Teil der Strahlung des Strahls b' als Strahl b₁' auf die Masken-Ausrichtmarke M₁, wo eine Abbildung der Marke P₁ gebildet wird. Die Strahlung des Strahls b₁', der die Marke M₁ durchläuft, wird über einen Reflektor 11' auf einen strahlungssensitiven Detektor 13' gerichtet. Die Arbeitsweise der Doppel-Ausrichteinrichtung wird anhand von 3 näher beschrieben, die eine weitere Ausführungsform einer derartigen Einrichtung zeigt.
Die Projektionsvorrichtung umfasst ferner ein Fokusfehler-Detektionssystem zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der Bildebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfläche des Substrats W. Eine gemessene Abweichung kann korrigiert werden, z.B. indem das Projektionslinsensystem in Bezug auf den Substrat-Halter entlang der optischen Achse des Projektionslinsensystems verschoben wird. Das Fokusfehler-Detektionssystem kann aus den Elementen 40 bis 46 bestehen, die in einem (nicht dargestellten) Halter angeordnet sind, der fest mit dem Halter des Projektionslinsensystems verbunden ist. Das Element 40 ist eine Strahlungsquelle, z.B. ein Dioden-Laser, der einen Fokus-Erfassungsstrahl b₃ abgibt. Dieser Strahl wird über ein Reflexionsprisma 42 in einem kleinem Winkel auf das Substrat W gerichtet. Der vom Substrat reflektierte Fokus-Erfassungsstrahl wird über ein Prisma 43 auf einen Retro-Reflektor 44 gerichtet. Der Retro-Reflektor reflektiert den Strahl in sich selbst, so dass der Fokus-Erfassungsstrahl einmal mehr den gleichen Pfad, nun als Strahl b₃' durch Reflexion auf das Prisma 43 zum Substrat und von diesem Substrat zum Prisma 42 durchquert. Dann erreicht der reflektierte Fokus-Erfassungsstrahl einen Strahlenteiler 41, der den Strahl zu einem weiteren Reflektor 45 reflektiert. Dieser Reflektor schickt den Fokus-Erfassungsstrahl zu einem strahlungssensitiven Detektionssystem 46. Dieses Detektionssystem besteht z.B. aus einem positionssensitiven Detektor oder aus zwei separaten Detektoren. Die Position des durch den Strahl b₃' auf diesem Detektionssystem gebildeten Strahlungs-Punkts hängt von dem Maß ab, in dem die Bildebene des Projektionslinsensystems mit der Fläche des Substrats W übereinstimmt. Eine ausführliche Beschreibung des Fokusfehler-Detektionssystems kann der US-A 4,356,392 entnommen werden.
Anstelle dieses Fokus-Detektionssystems mit einem monochromem Fokus-Erfassungsstrahl wird vorzugsweise ein Fokus-und-Neigungs-Detektionssystem verwendet, das mit einem Breitbandstrahl arbeitet. Ein derartiges Breitband-Fokus-Detektionssystem ist in der US-A 5,191,200 beschrieben.
Um die X- und Y-Positionen des Substrats sehr genau bestimmen zu können, umfasst die Vorrichtung ein zusammengesetztes Interferometer-System mit mehreren Messachsen, von denen nur ein Teilsystem mit einer Achse in 1 dargestellt ist. Dieses Teilsystem umfasst eine Strahlungsquelle 50, z.B. einen Laser, einen Strahlenteiler 51, einen stationären Referenzspiegel 52 und einen strahlungssensitiven Detektor 53. Der von der Quelle 50 abgegebene Strahl b₄ wird durch den Strahlenteiler 51 in einen Messstrahl b_4,m und b_4,r geteilt. Der Messstrahl erreicht den Messspiegel in Form einer reflektierenden Oberfläche des Substrat-Tisches bzw. vorzugsweise einer reflektierenden Seitenfläche des Substrat-Halters, der Teil des Substrat-Tisches ist und auf dem das Substrat fest gesichert ist. Der vom Messspiegel reflektierte Messstrahl wird über den Strahlenteiler 51 mit dem durch den Referenzspiegel 52 reflektierten Referenzstrahl verbunden, um so eine Interferenzstruktur an der Stelle des Detektors 53 zu bilden. Das zusammengesetzte Interferometer-System kann wie in der US-A 4,251,160 beschrieben ausgeführt sein und weist dann zwei Messachsen auf. Alternativ kann das Interferometer-System drei Messachsen aufweisen, wie in der US-A 4,737,823 beschrieben, ist jedoch vorzugsweise ein System mit wenigstens fünf Messachsen, wie in der EP-A 0 498 499 beschrieben.
Durch Anwendung eines Substratpositions-Detektionssystems in Form eines zusammengesetzten Interferometer-Systems können die Positionen der Ausrichtmarken P₁ und P₂ und den Marken M₁ und M₂ – und die gegenseitigen Abstände dazwischen – während der Ausrichtung in einem System von Koordinaten, die durch das Interferometer-System definiert sind, fixiert werden. Somit ist es nicht erforderlich, auf einen Rahmen der Projektionsvorrichtung oder auf ein Bauteil dieses Rahmens Bezug zu nehmen, so dass Änderungen dieses Rahmens, z.B. aufgrund von Temperaturschwankungen, mechanischem Schlupf und dergleichen die Messungen nicht beeinträchtigen.
3 zeigt das Prinzip des Doppel-Ausrichtsystems mit Bezug auf eine Ausführungsform, die sich von der nach 1 durch eine unterschiedliche Art des Einkoppelns der Ausrichtstrahlen b und b' in das Projektionslinsensystem unterscheidet. Die Doppel-Ausrichtvorrichtung umfasst zwei separate und identische Ausrichtsysteme AS₁ und AS₂, die symmetrisch gegenüber der optischen Achse AA' des Projektionslinsensystems PL angeordnet sind. Das Ausrichtsystem AS₁ ist der Masken-Ausrichtmarke M₂ zugeordnet und das Ausrichtsystem AS₂ ist der Masken-Ausrichtmarke M₁ zugeordnet. Die entsprechenden Elemente der beiden Ausrichtsysteme weisen die gleichen Bezugsziffern auf, wobei sich diejenigen der Elemente des Systems AS₂ durch ihren Strichindex unterscheiden.
Die Struktur des Systems AS₁ sowie die Art, in der die wechselseitige Position der Masken-Ausrichtmarke M₂ und z.B. der Substrat-Ausrichtmarke P₂ bestimmt werden, wird im Folgenden als erstes beschrieben.
Das Ausrichtsystem AS₁ umfasst eine Strahlungsquelle 1, die einen Ausrichtstrahl b abgibt. Dieser Strahl wird über einen Strahlungsteiler 2 zum Substrat reflektiert. Der Strahlungsteiler kann ein zum Teil transparenter Reflektor oder ein zum Teil transparentes Prisma sein, ist vorzugsweise jedoch ein polarisationssensitives Teilungsprisma, dem eine Viertelwellenlängen-Platte 3 folgt. Das Projektionslinsensystem PL fokussiert den Ausrichtstrahl b auf einen kleinen Strahlungs-Punkt V, dessen Durchmesser im Bereich von 1mm auf dem Substrat W liegt. Dieses Substrat reflektiert einen Teil des Ausrichtstrahls als Strahl b₁ in Richtung der Maske MA. Der Strahl b₁ durchläuft das Projektionslinsensystem PL, welches den Strahlungs-Punkt auf die Maske abbildet. Ehe das Substrat in der Projektionssäule angeordnet wird, ist es vorab in einer Vor-Ausrichtstation, z.B. der in der US-A 5,026,166 beschriebenen Station, ausgerichtet worden, so dass sich der Strahlungs-Punkt V auf der Substrat-Ausrichtmarke P₂ befindet. Diese Marke wird dann durch den Strahl b₁ auf die Masken-Ausrichtmarke M₂ abgebildet. Unter Berücksichtigung der Vergrößerung M der Projektionslinse, werden die Ausmaße der Masken-Ausrichtmarke M₂ an die der Substrat-Ausrichtmarke P₂ angepasst. Das Bild der Marke P₂ stimmt dann genau mit der Marke M₂ überein, wenn die beiden Marken wechselseitig auf korrekte Weise angeordnet sind.
Auf ihrem Weg zum und vom Substrat W haben die Ausrichtstrahlen b und b₁ die Viertelwellenlängen-Platte 3, deren optische Achse sich in einem Winkel von 45° in die Polarisationsrichtung des von der Quelle 1 kommenden linear polarisierten Strahls b erstreckt, zweimal durchquert. Der die Platte 3 durchlaufende Strahl weist dann eine Polarisationsrichtung auf, die um 90° zu derjenigen des Strahls b gedreht wird, so dass der Strahl b₁ das polarisationssensitive Prisma 2 durchläuft. Die Verwendung des polarisationssensitiven Prismas zusammen mit der Viertelwellenlängen-Platte schafft den Vorteil, dass nur ein Minimum an Strahlungsverlust auftritt, wenn der Ausricht-Messstrahl in den Strahlungspfad des Ausrichtsystems eingekoppelt wird.
Der die Ausrichtmarke M₂ durchlaufende Strahl b₁ wird durch ein Prisma 11 reflektiert und z.B. durch ein weiteres Reflexionsprisma 12 zu einem strahlungssensitiven De tektor 13 geleitet. Dieser Detektor ist z.B. eine zusammengesetzte Photodiode mit z.B. vier separaten strahlungssensitiven Bereichen, die mit der Anzahl der Teilgitter gemäß 2 übereinstimmen. Die Ausgangssignale der Teil-Detektoren enthalten Informationen über das Ausmaß, in dem die Marke M₂ mit dem Bild der Marke P₂ übereinstimmt. Diese Signale können elektronisch verarbeitet und für die Verschiebung der Maske in Bezug auf das Substrat durch (nicht dargestellte) Antriebssysteme verwendet werden, so dass das Bild der Substrat-Ausrichtmarke P₂ mit der Masken-Ausrichtmarke M₂ übereinstimmt.
Ein Strahlungsteiler 4, der einen Teil des Strahls b₁ als Strahl b₂ abteilt, kann zwischen dem Prisma 11 und dem Detektor 13 angeordnet sein. Der geteilte Strahl trifft dann z.B. über zwei Linsen 15 und 16 auf eine Fernsehkamera, die mit einem (nicht dargestellten) Monitor verbunden ist, auf dem die Ausrichtmarken P₂ und M₂ für den Bediener der lithographischen Vorrichtung sichtbar werden.
Analog zu dem vorstehend Beschriebenen hinsichtlich der Ausrichtmarken P₂ und M₂ können die Marken M₁ und P₁ und M₁ und P₂ jeweils in Bezug auf einander ausgerichtet werden. Das Ausricht-Messsystem AS₂ wird für die zuletzt genannten Ausrichtungen verwendet.
Vorzugsweise ist eine so genannte Ordnungsblende im Pfad der Ausrichtstrahlung zwischen dem Substrat und der Maske angeordnet. Diese Blende, die in 3 mit der Bezugsziffer 25 bezeichnet ist, lässt nur die Strahlung durch, die für den Messvorgang erforderlich ist und blockiert andere Strahlung, zum Beispiel aufgrund falscher Reflektion von Bauteilen im System, so dass der Rauschabstand des Detektorsignals verbessert wird. Die Ausrichtmarken P₁ und P₂ in Form von Gittern oder anderen Beugungselementen teilen die darauf auftreffenden Ausricht-Messstrahlen in einen nicht abgelenkten Teilstrahl nullter Ordnung und eine Vielzahl von abgelenkten Teilstrahlen erster und höherer Ordnung. Aus diesen Teilstrahlen werden nur diejenigen gleicher Beugungsordnung von der Ordnungsblende ausgewählt. Diese Blende ist im Projektionslinsensystem an einer Steile angeordnet, bei der die in den unterschiedlichen Beugungsordnungen gebeugten Teilstrahlen räumlich in ausreichendem Maß getrennt sind, z.B. in der Fourier-Ebene des Projektionssystems. Die Ordnungsblende 25 besteht aus einer Platte, die für die Ausricht-Messstrahlung undurchlässig ist und eine Vielzahl von Strahlung durchlassenden Öffnungen bzw. Bereichen aufweist. Weisen die Ausrichtmarken eine zweidimensionale Struktur auf, hat die Platte vier Öffnungen: zwei für die im relevanten Bereich in der Plus- und Minusrichtung der X-Achse gebeugten Teilstrahlen und zwei für die in der Plus- und Minusrichtung der Y-Achse gebeugten Teilstrahlen. Ferner ist eine weitere Ordnungsblende, welche die Auswahl des gewünschten Bereichs verbessert, vorzugsweise im Detektionsabschnitt angeordnet, d.h. in dem Teil des Strahlungspfades von der Masken-Ausrichtmarke bis zum Detektor 13, 13'. Die in erster Ordnung gebeugten Teilstrahlen werden vorzugsweise für die Messung der Ausrichtung verwendet. Wenn nur die ersten Ordnungen zum Abbilden der Substratmarke auf der Maskenmarke verwendet werden, beträgt die Periode des Bildes der Substratmarke die Hälfte des Substratgitters selbst, wenn die Vergrößerung des Projektionslinsensystems nicht beachtet wird. Daraus folgt, dass die Genauigkeit, mit der die Gitter für eine spezielle Periode des Gitters P₂ ausgerichtet sind, zweimal so groß ist wie in dem Fall, in dem der Teilstrahl nullter Ordnung ebenfalls verwendet worden ist.
Gemäß der Erfindung wird das Ausricht-Messsystem von 1 und 3, oder andere ähnliche Systeme, zum Erfassen der Überlagerung eines Musters verwendet, das vorher im Substrat gebildet worden ist, sowie eines Musters, das in eine auf dem Substrat vorgesehene Schutzschicht abgebildet worden ist. Das für die Überlagerungsmessung verwendete Substratmuster und das Schutzschichtmuster sind spezielle Überlagerungsmarken, die eine periodische Struktur aufweisen, deren Periode wesentlich kleiner ist, als die der bis heute verwendeten Substrat-Ausrichtmarken. 4 zeigt einen kleinen Teil des Substrats W mit der Substrat-Überlagerungsmarke P₁₀ und eine Schutzschicht RL oben auf dem Substrat mit einer Schutzschicht-Überlagerungsmarke PE₁₁ im Querschnitt. Die Substrat-Überlagerungsmarke und die Schutzschicht-Überlagerungsmarke weisen jeweils Gitterperioden PE₁₀ und PE₁₁ auf, die vorzugsweise der Ordnung des Auflösungsvermögens bzw. der Auflösung des Projektionslinsensystems entsprechen. Diese Gitterperioden sind leicht unterschiedlich, wie in 5 gezeigt.
Der obere Teil von 5 zeigt einen Teil der Ausrichtmarken im Querschnitt und in sehr großem Maßstab. Diese Überlagerungsmarken sind durch Phasenstrukturen wie z.B. Phasengitter aufgebaut. Die Gitterperiode PE₁₀ der Substrat-Überlagerungsmarke ist größer als diese Periode PE₁₁ der Schutzschicht-Überlagerungsmarke, oder umgekehrt. Wenn diese Überlagerungsmarken durch einen Strahlungsstrahl wie z.B. den Strahl der Ausrichtmesseinrichtung beleuchtet werden, stören die Phaseneffekte dieser Marken auf dem Strahl, so dass eine Interferenz-Phasenstruktur oder Phasenabbildung erzeugt wird. Diese Phasenstruktur, die auch mit Schwebungsstruktur oder Schwebungsgitter bezeichnet werden kann, weist eine Schwebungsdauer PE_b auf, die gegeben ist durch: 1/PEb = 1/PE10 – 1/PE11.
Der Graph 60 im unteren Teil der 5 zeigt die Schwankung der mittleren Phasentiefe APD der Phasenstruktur in der X-Richtung, d.h. senkrecht zu den Gitterstreifen des Substrat-Feingitters und des Schutzschicht-Überlagerungsgitters. Die Phasenschwankung bzw. die Position der Höchst- und Mindestwerte der Schwebungsstruktur wird durch die wechselseitige Position der Überlagerungsgitter bestimmt. Um diese wechselseitige Position bzw. die wechselseitige Verschiebung in X-Richtung der Überlagerungsgitter messen zu können, wird die Schwebungs-Phasenstruktur auf ein vor einem strahlungsempfindlichen Detektor angeordnetes Messgitter bzw. eine Messmarke auf der Achse bzw. außerhalb der Achse abgebildet. Wenn für diese Abbildung ein optisches System verwendet wird, das die Grob-Schwebungsstruktur mit der Periode PE_b, jedoch nicht die Fein-Überlagerungsmarken mit den Perioden PE₁₀ und PE₁₁ auflösen kann, wird nur die sinusartige Schwankung der Phasenstruktur, d.h. die Position der Schwebungsstruktur erfasst. Um die wechselseitige Verschiebung der Überlagerungsmarken von der Position der Schwebungsstruktur bestimmen zu können, kann die letztere Position in Bezug auf die Messmarke mit der Position einer Substrat-Bezugsmarke in Bezug auf die gleiche Messmarke verglichen werden. Die Substrat-Bezugsmarke kann aus einer globalen Ausrichtmarke bestehen, die im Substrat neben der Fein-Ausrichtmarke angeordnet ist. Die Messmarke ist eine globale Masken-Ausrichtmarke im Falle einer Ausrichteinrichtung auf der Achse. Die wechselseitige Position der Überlagerungsmarken kann auf einfache Weise von der wechselseitigen Position der Substrat-Bezugsmarke und der Schwebungsstruktur bestimmt werden. Eine wechselseitige Verschiebung der Überlagerungsmarken über PE₁₁/2 führt zu einer Verschiebung der Schwebungsstruktur über PE_b/2.
Eine kleine Verschiebung der Überlagerungsmarken wird somit in eine wesentlich größere Verschiebung der Schwebungsstruktur übertragen, d.h. diese Verschiebung wird vergrößert. Der Vergrößerungsfaktor M_f ergibt sich wie folgt: Mf = VerschiebungSchwebung/VerschiebungÜberlagerungsmarken = PE10/(PE11 – PE10).
Wegen der Vergrößerung ist bei der Verarbeitung des Überlagerungssignals eine geringere Interpolation des Detektorsignals erforderlich, so dass die Messung genauer ist. Die Vergrößerung vermindert auch die Empfindsamkeit des Überlagerungsverfahrens auf Artefakte wie z.B. PICO, RICO und WICO. Diese Artefakte sind Versetzungen des Überlagerungssignals, hervorgerufen durch die große Kohärenzlänge des Mess-Laserstrahls, zum Beispiel eines He-Ne-Laserstrahls. Aufgrund der großen Kohärenzlänge kann durch Laserstrahlung, die durch optische Komponenten im System beeinflusst worden ist, die gewünschte Signalstrahlung, d.h. die Strahlung der positiven und negativen ersten Ordnung, bei der beschriebenen Ausführungsform beeinflusst werden. Die sich daraus ergebenden Artefakte können durch Polarisationseffekte der Maske oder des Retikels (polarization induced coherence offset :PICO), durch die Dicke des Retikels (reticle induced coherence offset: RICO) und durch die Z-Position des Substrats oder Wafers (wafer-induced coherence offset: WICO) induziert werden. Aufgrund der Vergrößerung ist die Positionsmessung der Schwebungsstruktur nicht sehr kritisch. Wenn ein Fehler Δ bei der Bestimmung der Position der Schwebungsstruktur gemacht wird, ergibt dies einen wesentlich kleineren Fehler von (1/M_f). Δ bei der Bestimmung der Überlagerung. Der Vergrößerungsfaktor kann in der Größenordnung von 10 oder 20 liegen.
Da das Messsignal ein gemitteltes Signal ist, das einem relativ großen Substratoberflächenbereich entnommen worden ist, ist dieses Signal für lokale Oberflächenverformungen weniger empfindlich.
Die Schwebungsdauer PE_b kann so ausgewählt sein, dass sie zu der einer globalen Masken-Ausrichtmarke, d.h. einer Ausrichtmarke auf der Achse, passt, so dass das Überlagerungs-Messverfahren mit der Ausrichteinrichtung auf der Achse von 3 eingesetzt werden kann. Sobald die Schwebungsdauer ausgewählt worden ist, besteht immer noch die Möglichkeit, die Eigenschaftsgrößen der Überlagerungsmarken auszuwählen, d.h. im Falle von Gittermarken die Perioden dieser Gitter. Somit ist es möglich, die Überlagerungsmarken auf minimale Empfindlichkeit auf Prozess induzierte Verformungen zu optimieren. Im Falle von Gittermarken bedeutet dies, zum Beispiel, dass die Gitterperiode die Größenordnung der IC-Bauteileigenschaften hat, die durch den lithographischen Apparat auf das Substrat projiziert werden sollen. Es wird erwartet, dass Gittermarken mit derart kleinen Perioden weniger anfällig auf die besagten Prozess induzierten Verformungen sind.
Die Substrat-Überlagerungsmarke kann eine Phasenmarke und/oder eine Amplitudenmarke sein. Handelt es sich um eine Phasenmarke, wird diese Marke in eine Schicht des Substrats geätzt. Die Schutzschicht-Überlagerungsmarke ist vorzugsweise eine Phasenmarke. Diese Marke kann aus einer Marke in einer entwickelten Schutzschicht bestehen. Die Phasentiefe einer derartigen Marke wird durch den Unterschied im Brechungsindex der Schutzschicht und dem des umgebenden Mediums, gewöhnlich Luft, und der Dicke der Schutzschicht bestimmt. Da dieser Unterschied im Brechungsindex recht groß ist, besteht eine enge Beziehung zwischen der Dicke der Schutzschicht und der Signalstärke des Ausrichtsignals. Die Schutzschicht-Überlagerungsmarke kann auch eine so genannte latente Marke sein, d.h. ein Bild einer Fein-Ausrichtmarke in einer Schutzschicht, die nicht entwickelt worden ist. Ein derartiges Bild umfasst erste Bereiche, die von einem Projektionsstrahl getroffen worden sind und zweite Bereiche, für die dies nicht zutrifft. Diese ersten und zweiten Bereiche stellen unterschiedliche optische Pfadlängen für den durch sie hindurch laufenden, die Ausrichtung bestimmenden Strahl bereit. Dieser Unterschied beruht entweder auf chemischen Änderungen in den ersten Bereichen, wobei diese Änderungen eine Änderung des Brechungsindexes in diesen Bereichen bewirken, oder auf Materialschwund in diesen Bereichen, was zu einem Höhenunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich führt. Diese Einwirkungen sind maßvoll und bei einer gewöhnlichen Dicke der Schutzschicht wird keine Änderung der Schwingung des Ausrichtsignals mit der Schutzschichtdicke auftreten. Die Anwendung einer latenten Fein-Ausrichtmarke schafft den Vorteil, dass das Substrat mit der Schutzschicht für die Entwicklung der Schutzschicht nicht vom lithographischen Apparat entfernt zu werden braucht.
Auf gleiche Weise wie für das Ausricht-Messverfahren kann das neue Überlagerungs-Messverfahren verbessert werden, indem ein Raum- bzw. Brechungsordnungsfilter oder eine Blende verwendet wird. Dieses Filter überträgt zum Beispiel nur die Teilstrahlen erster Ordnung von der Schwebungsstruktur. Dieses Filter kann dem Filter 25 von 3 ähneln. Die Empfindlichkeit des Überlagerungs-Messverfahrens auf Rauschen und andere Störungen, die in der Ausricht-Messeinrichtung auftreten können, können durch ein derartiges Filter erheblich reduziert werden. Der Vorteil der Anwendung nur der Teilstrahlen erster Ordnung für die Abbildung der Schwebungsstruktur auf ein Maskengitter besteht darin, dass die Periode des Strukturbildes die Hälfte der Struktur selbst ausmacht, ungeachtet der Vergrößerung des Projektionslinsensystems. Als Ergebnis ist die Ausrichtgenauigkeit zweimal so hoch wie in dem Fall, bei dem der Teilstrahl nullter Ordnung ebenfalls für die Abbildung verwendet worden ist.
6 ist eine graphische Darstellung des Verfahrens, wobei ein Ordnungsfilter 25' verwendet wird. In dieser Figur ist b der Überlagerungs-Messstrahl und 75 ein Reflektor, der den Strahl b in die Projektionssäule einkoppelt, die das nicht dargestellte Projektionslinsensystem des lithographischen Apparates umfasst. Die optische Achse des Projektionslinsensystems stimmt mit dem vertikalen Teil des Pfads des Strahls b überein. Die Substrat-Überlagerungsmarke und die Schutzschicht-Überlagerungsmarke und die durch sie erzeugte Schwebungsstruktur sind schematisch durch die Gitterstruktur P_c dargestellt, die eine Verbundkonstruktion ist. Die Teilstrahlen b_Pb(+1) und b_Pb(–1) sind die Bereiche des Überlagerungsstrahls, die durch die Gitterstruktur jeweils in der positiven und negativen ersten Brechungsordnung gebeugt werden. Diese Teilstrahlen laufen durch die Öffnungen des Raum- bzw. Ordnungsfilters zu einer Masken-Ausrichtmarke und einem Detektor. Die Teilstrahlen anderer Beugungsordnungen werden durch das Filter blockiert und können somit den Detektor nicht erreichen.
6 zeigt ferner zum Zweck der Darstellung die Teilstrahlen b_P10(+1) und b_P10(–1), die durch das Fein-Substratüberlagerungsgitter P₁₀ allein in der positiven und negativen ersten Ordnung gebeugt würden, sowie die Teilstrahlen b_P11(+1) und b_P10(–1), die durch das zusätzliche Fein-Schutzschichtüberlagerungsgitter P₁₁ allein in der positiven und negativen ersten Ordnung gebeugt werden würden. Aufgrund der kleinen Perioden dieser Feingitter sind die Beugungswinkel so groß, dass diese Teilstrahlen nicht einmal in das Projektionslinsensystem eintreten. Dies bedeutet, dass die Ausrichteinrichtung nur die Schwebungsstruktur und nicht eine einzelne Fein-Überlagerungsmarke abbildet.
Das neue Verfahren kann auch für zweidimensionale Ausrichtung verwendet werden, d.h. eine Ausrichtung in sowohl X- als auch Y-Richtung. Die Substrat-Feinausrichtmarke und die zusätzliche Ausrichtmarke sollten dann sowohl in Y-Richtung als auch in X-Richtung verlaufende Gitterstreifen aufweisen, ähnlich wie in 2 für die globale Ausrichtmarke dargestellt.
Anstelle der in den 1 und 3 dargestellten Ausricht-Messeinrichtung auf der Achse können zur Durchführung des Überlagerungs-Messverfahrens auch weitere Ausricht-Messeinrichtungen auf der Achse verwendet werden.
Das Projektionssystem, das u.a. zum Abbilden der Schwebungsstruktur auf die Masken-Ausrichtmarke verwendet wird, kann nicht nur ein Linsenprojektionssystem sein, sondern kann auch ein Spiegelsystem oder ein System mit Linsen und Spiegeln sein. Ein Spiegelprojektionssystem wird in einem Apparat wie z.B. einem EUV-Apparat verwendet, wobei der Projektionsstrahl eine so geringe Wellenlänge hat, dass kein geeignetes Linsenmaterial erhältlich ist.
Das neue Verfahren kann auch mit einer Einrichtung zur Ausrichtmessung außerhalb der Achse versehen sein, zum Beispiel einer Einrichtung, durch die die Ausrichtung einer Substratmarke in Bezug auf einen Bezug bestimmt wird und wobei Teilstrahlen höherer Ordnung, d.h. Teilstrahlen mit einer Beugungsordnung, die höher 1 ist, verwendet werden. Da die Messung der Überlagerung nicht mehr durch das Projektionssystem erfolgt, können mehr Teilstrahlen verwendet werden, insbesondere Teilstrahlen höherer Ordnung. Da im allgemeinen das Auflösungsvermögen der Ausricht-Messeinrichtung mit zunehmender Ordnungszahl der Teilstrahlen zunimmt, kann die Genauigkeit der Messung der Überlagerung erheblich verbessert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, Überlagerungs-Messstrahlung mit mehr als einer Wellenlänge zu verwenden, so dass die an die Tiefe der Gitterrillen gestellten Anforderungen erheblich vermindert werden können.
7 ist der Schaltplan einer Einrichtung zum Messen der Ausrichtung außerhalb der Achse. Bei dieser Figur ist die Verbundkonstruktion des Substratgitters einschließlich der Schwebungsstruktur, mit P_c bezeichnet. Ein paralleler, auf diese Struktur auftreffender Überlagerungs-Messstrahl b mit einer Wellenlänge λ wird in mehrere Teilstrahlen geteilt, die sich in (nicht dargestellten) unterschiedlichen Winkeln α_n senkrecht zum Gitter erstrecken, wobei die Winkel durch die bekannte Gitterformel: sin αn = N·λ/Pdefiniert sind, wobei N die Beugungsordnungszahl und P die Gitterperiode ist. Der durch die Gitter-Verbundkonstruktion reflektierte Pfad der Teilstrahlen umfasst ein Linsensystem L₁, das die unterschiedlichen Richtungen der Teilstrahlen in verschiedene Positionen u_n dieser Teilstrahlen in einer Ebene 78 umwandelt: un = fl·αn
In der Ebene 78 können Einrichtungen zur weiteren Trennung der verschiedenen Teilstrahlen vorgesehen sein. Hierzu kann in dieser Ebene eine Platte angeordnet sein, die Beugungselemente in Form von z.B. Keilen aufweist. In 4 ist die Keilplatte mit WEP bezeichnet. Die Keile sind beispielsweise an der Rückseite der Platte vorgesehen. Ein Prisma 77, durch das der von der Strahlungsquelle 76, zum Beispiel einem He-Ne-Laser, kommende Überlagerungs-Messstrahl in die Überlagerungs-Messeinrichtung eingekoppelt werden kann, kann dann an der Vorderseite der Platte vorgesehen sein. Dieses Prisma kann auch verhindern, dass der Teilstrahl nullten Ordnung die Detektoren erreicht. Die Anzahl der Keile entspricht der Anzahl der zu verwendenden Teilstrahlen. Bei der gezeigten Ausführungsform gibt es sechs Keile pro Messrichtung für die positiven Ordnungen, so dass die Teilstrahlen bis zur und einschließlich der siebten Ordnung zur Messung der Überlagerung verwendet werden können. Alle Keile haben einen unterschiedlichen Keilwinkel, so dass eine optimale Trennung der Teilstrahlen erreicht werden kann.
Ein zweites Linsensystem L₂ ist hinter der Keilplatte angeordnet. Dieses Linsensystem bildet die Gitterstruktur P_c in eine ebene Bezugsplatte RGP ab. Wäre die Keilplatte nicht vorhanden, würden alle Teilstrahlen auf der Bezugsplatte überlagert sein. Da die verschiedenen Teilstrahlen in verschiedenen Winkeln durch die Keilplatte gebeugt werden, befinden sich die durch die Teilstrahlen gebildeten Abbildungen an verschiedenen Positionen auf der Bezugsplatte. Diese Positionen x_n sind gegeben durch: xn = f2·γn,wobei γ der Winkel ist, bei dem ein Teilstrahl durch die Keilplatte gebeugt wird und wobei f₂ die Brennweite des Linsensystems L₂ ist. (Nicht dargestellte) Bezugsgitter G₉₀ – G₉₆ können an diesen Positionen gegeben sein, wobei hinter jedem dieser Git ter ein separater Detektor 90 bis 96 angeordnet ist. Das Ausgabesignal jedes Detektors hängt davon ab, in welchem Maße das Bild der Struktur P_c mit dem relevanten Bezugsgitter Übereinstimmt. Somit kann das Ausmaß der Überlagerung mit jedem der Detektoren 90 bis 96 gemessen werden. Jedoch hängt die Genauigkeit, mit der die Messung stattfindet, von der Ordnungszahl des verwendeten Teilstrahls ab; wenn diese Ordnungszahl größer ist, ist die Genauigkeit größer. Die Gitterperiode jedes Bezugsgitters wird an die Ordnungszahl des zugehörigen Teilstrahls angepasst. Wenn die Ordnungszahl größer ist, ist die Gitterperiode kleiner und es kann ein kleinerer Ausrichtfehler erfasst werden.
Bisher ist nur ein Satz von Beugungsordnungen betrachtet worden. Jedoch bildet, zusätzlich zu den Teilstrahlen der positiven ersten, zweiten, dritten etc. Ordnung die Beugungsstruktur P_c auch Teilstrahlen der negativen ersten, zweiten, dritten etc. Beugungsordnung. Sowohl die Teilstrahlen der positiven als auch der negativen Ordnung können für die Bildung des Strukturbildes verwendet werden, d.h. ein erstes Bild der Struktur wird gemeinsam durch die positive erste und die negative erste Ordnung gebildet, ein zweites Bild wird gemeinsam durch die Teilstrahlen der positiven zweiten und der negativen zweiten Ordnung gebildet, und so weiter. Für die Teilstrahlen der positiven ersten Ordnung und der negativen ersten Ordnung brauchen keine Keile verwendet zu werden, es können jedoch planparallele Platten an den Positionen dieser Teilstrahlen in der Ebene der Keilplatte vorgesehen sein, die Pfadlängenunterschiede ausgleichen. Folglich sind sowohl für die positiven als auch für die negativen Ordnungen sechs Keile für die Ordnungen 2 bis 7 erforderlich. Auch für die Überlagerungsmessung in Y-Richtung können sieben Teilstrahlen zusammen mit sieben weiteren Bezugsgittern verwendet werden. Eine zweite Reihe von zwölf Keilen wird dann auf der Keilplatte in Y-Richtung in der Ausführungsform von 7 angeordnet.
Weitere Einzelheiten und Ausführungsformen der Einrichtung zur Ausrichtung außerhalb der Achse, wobei verschiedene Beugungsordnungen verwendet werden können, können der WO 98/39689 entnommen werden. Diese Patentanmeldung beschreibt auch, unter welchen Umständen die verschiedenen Beugungsordnungen verwendet werden, und dass Ausrichtstrahlung mit zwei Wellenlängen bei der Einrichtung zur Ausrichtung außerhalb der Achse verwendet werden kann. Letzteres schafft den Vorteil, dass keine zwingenden Anforderungen an die Rillentiefe der Substrat-Ausrichtmarken gestellt werden müssen.
In der Praxis wird das erfindungsgemäße Überlagerungs-Messverfahren als ein Schritt des Herstellungsverfahrens eines Bauteils in zumindest eine Schicht von Substraten aufgebracht, nämlich zum regelmäßigen Überprüfen der Arbeit von, u.a., der Ausrichteinrichtung. Nachdem die Überlagerung gemessen worden ist und, wenn erforderlich, eine Korrektur u.a. der Ausrichteinrichtung für ein Substrat einer Beschickung durchgeführt worden ist, wird ein Maskenmuster in eine Schutzschicht auf die anderen Substrate der Beschickung abgebildet. Sobald dieses Bild entwickelt worden ist, wird Material zu Bereichen dieser Substratschicht hinzugefügt oder entfernt, wobei die Bereiche durch das gedruckte Bild dargestellt sind. Diese Verfahrensschritte des Abbildens und Hinzufügens bzw. Abnehmens von Material werden für alle Schichten so lange wiederholt, bis das gesamte Bauteil fertig ist, wobei mehr Überlagerungs-Messschritte durchgeführt werden können.
Die Erfindung ist mit Bezug auf ihre Anwendung in einem Apparat zum Abbilden eines Maskenmusters auf ein Substrat für die Herstellung integrierter Schaltungen beschrieben worden, dies bedeutet jedoch nicht, dass sie darauf begrenzt ist. Die Erfindung kann auch in einem Apparat für die Herstellung von integrierten oder planaren optischen Systemen, Magnetköpfen oder Flüssigkristallanzeigetafeln verwendet werden. Der Projektionsapparat kann nicht nur ein optischer Apparat sein, bei dem der Projektionsstrahl ein Strahl aus elektromagnetischer Strahlung und das Projektionssystem ein optisches Projektionslinsensystem oder Projektionsspiegelsystem ist, sonder kann auch ein Apparat sein, bei dem der Projektionsstrahl ein Strahl mit geladenen Teilchen, wie z.B. ein Elektronenstrahl oder ein Ionenstrahl oder ein Röntgenstrahl, ist, bei dem das zugeordnete Projektionssystem, z.B. ein Elektronenlinsensystem, verwendet wird.

Claims

Lithographisches Herstellungsverfahren unter Verwendung eines lithographischen Projektionsapparates mit einem Verfahren zum Messen der Überlagerung zwischen dem Bild eines Maskenmuster (C) in einer Schutzschicht (RL) auf einem Substrat (W) und dem Substrat (W), wobei das Verfahren zumindest eine Substrat-Überlagerungsmarke (P₁₀) mit einer periodischen Struktur verwendet, die eine Periode (P₁), eine entsprechende Schutzschicht-Überlagerungsmarke (P₁₁) mit einer periodischen Struktur der Periode (P₂), und eine Ausrichtungs-Messeinrichtung (AS₁, AS₂), die einen Teil der Vorrichtung bildet und ausgelegt ist, um die Ausrichtung der Substrat-Ausrichtmarke (P₁, P₂), die auf dem Substrat (W) ausgebildet ist und eine periodische Struktur mit der Periode p_s aufweist, in Bezug auf eine Bezugsmarke (M₁, M₂) mit einer periodischen Struktur der Periode p_r, die an die Periode p_s angepasst ist, zu verwenden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Beleuchten der Substrat-Überlagerungsmarke (P₁₀) und der Schutzschicht-Überlagerungsmarke (P₁₁) zum Erzeugen eines Interferenzmusters (60) mit einer Periode p_b, die an die Periode p_r angepasst ist, und – Abbilden des Interferenzmusters (60) auf die genannte Bezugsmarke (M₁, M₂) mittels eines Ausrichtstrahles.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Substrat-Bezugsmarke (P₁, P₂) mit im wesentlichen der gleichen Periode wie das Interferenzmuster (60), wobei die Substrat-Bezugsmarke auf die Bezugsmarke (M₁, M₂) abgebildet wird und die Differenz zwischen den Positionen der Bilder des Interferenzmusters (60) und der Substrat-Bezugsmarke (P₁, P₂) in Bezug auf die Bezugsmarke (M₁, M₂) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Gittern für die Substrat-Überlagerungsmarke (P₁₀), die Schutzschicht-Überlagerungsmarke (P₁₁) und die Bezugsmarke (M₁, M₂).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht-Überlagerungsmarke (P₁₁) eine latente Marke ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Ausrichtmesseinrichtung verwendet wird und dass die Bezugsmarke eine Masken-Ausrichtmarke (M₁, M₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzmuster (60) auf eine Maskenausrichtmarke (M₁, M₂) über ein optisches Filter (25) abgebildet wird, welches Beugungsordnungen der von den Überlagerungsmarken (P₁₀, P₁₁) kommenden Strahlung, die sich zu der Maskenausrichtmarke (M₁, M₂) fortpflanzt, selektiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ausrichteinrichtung (AS₁, AS₂), die außerhalb der Achse eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von Einrichtungen in zumindest einer Schicht eines Substrates (W), wobei das Verfahren folgende aufeinanderfolgenden Schritte aufweist: – Ausrichten einer Maske (MA), die mit zumindest einer Überlagerungsmarke in Bezug auf ein erstes Substrat (W) versehen ist; – Abbilden der Überlagerungsmarke mittels Projektionsstrahlung in eine Schutzschicht (RL) auf dem Substrat (W); – Bestimmen der Überlagerung zwischen der Überlagerungsmarke (P₁₁), die in der Schutzschicht (RL) ausgebildet ist, und einer Überlagerungsmarke (P₁₀) in dem Substrat (W) und Korrigieren von Überlagerungsfehlern; – Abbilden, mittels Projektionsstrahlung, eines Maskenmusters (G) mit Mustereigenschaften, die Eigenschaften der in der genannten Schicht zu konfigurierenden Einrichtung entsprechen, in eine Schutzschicht (RL) auf jedem Substrat (W), in dem die Einrichtungseigenschaften auszuformen sind, und – Entfernen von Material von oder Hinzufügen von Material auf Bereiche(n) der genannten Schicht, wobei diese Bereiche durch das Maskenmusterabbild abgegrenzt sind.