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Dokumentenidentifikation DE10345496B4 20.12.2007
Titel Verfahren zum Bestimmen einer lateralen Position eines Substrats in einer lithographischen Belichtungseinrichtung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Stäcker, Jens, 01099 Dresden, DE;
Hommen, Heiko, 01099 Dresden, DE
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 30.09.2003
DE-Aktenzeichen 10345496
Offenlegungstag 04.05.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse G03F 9/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer lateralen Position eines Substrats in einer lithographischen Belichtungseinrichtung,

  • – bei dem an einem Substrat oder an einer Schicht auf einem Substrat eine Positionsmarkierung ausgebildet wird, mit deren Hilfe die Position des Substrats bestimmbar ist,
  • – bei dem durch eine Anordnung von Detektoren, die an verschiedenen Positionen entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, an der Positionsmarkierung ein Verlauf einer Meßgröße entlang der ersten Richtung gemessen wird,
  • – wobei die Positionsmarkierung erste Gebiete, in denen die Meßgröße einen ersten Wert annimmt, und zweite Gebiete, in denen die Meßgröße einen anderen, zweiten Wert annimmt, aufweist und wobei die Detektoren in der Nähe von Grenzen zwischen ersten und zweiten Gebieten Meßwerte messen, die zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert liegen,
  • – wobei die Positionsmarkierung mindestens ein Paar von zwei Flächenbereichen aufweist, die jeweils durch zwei senkrecht zur ersten Richtung verlaufende Begrenzungen begrenzt und in der ersten Richtung voneinander beabstandet sind und in denen zweite Gebiete angeordnet sind,
  • – und wobei zwischen den beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen ein mittleres erstes Gebiet angeordnet ist.

Ein solches Verfahren wird bei der Halbleiterfertigung eingesetzt, um ein zu belichtendes Halbleitersubstrat in beiden lateralen Richtungen relativ zu einer Belichtungseinrichtung, insbesondere zu einer vorstrukturierten Maske (Reticle) zu positionieren. Durch die Positionierung wird die lagegenaue Abbildung auf dem für eine integrierte Halbleiterschaltung vorgesehenen Bereich des Halbleitersubstrats gewährleistet.

Zu diesem Zweck besitzen Halbleitersubstrate in dem Sägerahmen, d.h. demjenigen Bereich, der die für die integrierten Schaltungen vorgesehenen Bereiche einzeln umgibt, Positionsmarkierungen vorgesehen, durch deren Erfassung beispielsweise mit optischen Hilfsmitteln die exakte Lage des Substrats erkennbar und korrigierbar ist. Bei der optischen Lageerkennung besitzen die Positionsmarkierungen zwei Arten von Gebieten, in denen die zur Lagebestimmung gemessene Meßgröße (beispielsweise die Lichthelligkeit am Substrat reflektierten Lichts) unterschiedliche Meßwerte ergibt. Beispielsweise können neben ersten Gebieten, die isolierte Gebiete, ein zusammenhängendes oder mehrere teilweise zusammenhängende Gebiete bilden, zweite Gebiete in Form von geätzten Gräben vorgesehen sein, in denen reflektiertes Licht aufgrund geometrischer Effekte mit einer nur sehr geringen Intensität reflektiert wird. Durch die optische Erkennung mit Hilfe von Detektoren läßt sich beim Überfahren oder Abtasten mehrerer erster und zweiter Gebiete nebeneinander als Meßgrößenverlauf eine örtlich aufgelöste Helligkeitsverteilung messen, die Aufschluß über die Lage etwa der zweiten Gebiete und damit des Halbleitersubstrats relativ zur Belichtungseinrichtung geben. Üblicherweise ist auf einem Halbleitersubstrat für jede laterale Richtung jeweils mindestens eine Positionsmarkierung angebracht.

Die Erfassung der Position in einer bestimmten, lateralen Richtung erfolgt üblicherweise durch eine Messung an einem Linienmuster oder Streifenmuster, das zwei voneinander in der zu vermessenden Richtung beabstandete Flächenbereiche aufweist, in denen zweite Gebiete angeordnet sind, wobei der den Abstand dieser beiden Flächenbereiche bestimmende Zwischenraum als (mittleres) erstes Gebiet ausgebildet ist. Beispielsweise kann dieses mittlere erste Gebiet frei von Gräben sein, wohingegen in den beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen Gräben vorgesehen sind. Eine Erfassung reflektierter Helligkeitswerte über beide Flächenbereiche sowie den Zwischenraum zwischen ihnen hinweg liefert eine Helligkeitsverteilung entlang der ersten lateralen Richtung, durch die sich die Position der beiden Flächenbereiche relativ zur ersten lateralen Richtung ablesen läßt. Die Mitte eines als Graben ausgebildeten Flächenbereichs ist beispielsweise anhand der Position eines Minimums im Verlauf der gemessenen Strahlungsintensität erkennbar; der Vergleich der Lage dieses Minimums mit der Sollposition der grabenförmigen Flächenbereiche erlaubt eine Nachkorrektur der lateralen Substratposition.

Bei der Auswertung des gemessenen Meßwertverlaufs werden bevorzugt Flanken hoher Steigung zwischen Bereichen, in denen der Meßwert den ersten oder den zweiten Wert annimmt, ausgewertet; diese Flanken befinden sich im Übergangsbereich zwischen ersten und zweiten Gebieten der Substratoberfläche. Eine Auswertung der lateralen Substratpositionen aufgrund von Extrema, d.h. Maxima oder Minima des Meßgrößenverlaufs wird herkömmlich nicht vorgenommen, da die zur Ausbildung der zweiten Gebiete geätzten Gräben in der Regel deutlich breiter sind als die Breite derjenigen Grenzbereiche zwischen ersten und zweiten Gebieten, wo beide Helligkeitswerte ineinander übergehen. Daher ist der Meßgrößenverlauf an Extrempunkten sehr schwach gekrümmt bzw. Höhen und Tiefen des Meßgrößenverlaufs sind sehr breit und eignen sich schlecht für eine laterale Justierung. Die Flanken hingegen, wo die Helligkeitsunterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Wert variieren, sind aufgrund ihres hohen Kontrasts hierzu besser geeignet; beispielsweise kann ihr Durchlauf durch eine Höhenlinie im Bereich des Mittelwertes zwischen dem ersten und dem zweiten Wert bereits näherungsweise für die laterale Position einer Grenze zwischen einem erhöhten und einem als Graben ausgebildeten Bereich des Substrats herangezogen werden.

US 2002/0095234 A1 offenbart ein Verfahren zur lateralen Positionsbestimmung, bei dem ein Streifenmuster aus vielen Erhebungen und Gräben als Meßmarke verwendet wird. Jede Erhebung und jeder Graben erzeugt ein Intensitätsmaxium. Aufgrund der dichten Folge der Maxima ist die korrekte Zuordnung eines Maximums zu einer Erhebung oder alternativ zu einem Graben erschwert. Ferner liegt die Intensität auch an den Extrema zwischen denjenigen Intensitätswerten, die einer vollständigen Reflexion oder Transmission entsprechen würden. Der maximale Kontrast wird daher bei der offenbarten Meßmarke nicht ausgenutzt. Ferner entfällt die Möglichkeit, die Genauigkeit der lateralen Positionsbestimmung durch zusätzliche Messungen an besonders stark ausgeprägten Flanken zu bestimmen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit des eingangs beschriebenen Verfahrens weiter zu erhöhen. Insbesondere soll ohne eine Veränderung der Detektoren, ihrer Anzahl oder ihrer räumlichen Dichte eine feinere Messung der lateralen Position eines Substrats in zumindest einer Richtung ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem eingangs genannten Verfahren

  • – die Positionsmarkierung neben den voneinander abgewandten Begrenzungen der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche jeweils ein äußeres erstes Gebiet aufweist, das entlang der ersten Richtung so breit ist, daß im Bereich des äußeren ersten Gebietes angeordnete Detektoren überwiegend den ersten Wert als Meßwert für die Meßgröße messen,
  • – wobei die äußeren ersten Gebiete entlang der ersten Richtung breiter sind als die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche,
  • – und daß das mittlere erste Gebiet in der ersten Richtung so schmal ist, daß der durch die Detektoren gemessene Verlauf der Meßgröße im Bereich des mittleren ersten Gebietes ein lokales Maximum oder Minimum aufweist, dessen Wert von dem ersten Wert verschieden ist und zwischen dem ersten und dem zweiten Wert liegt,
  • – wobei das mittlere erste Gebiet in der ersten Richtung schmaler ist als die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche.

Erfindungsgemäß wird bei dem Meßverfahren, bei dem herkömmlich ausschließlich Flanken starker Steigung innerhalb eines gemessenen Meßgrößenverlaufs zur Positionsbestimmung des Substrats ausgewertet werden, die Positionsmarkierung auf dem Substrat so gestaltet, daß zusätzlich zu diesen Flanken ein Extremum ausgebildet wird, und im Gegensatz zu herkömmlichen Positionsmarkierungen, deren Strukturen (erste oder zweite Gebiete) stets Abmessungen haben, die lediglich Extrema im Meßgrößenverlauf mit sehr schwacher Krümmung erzeugen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das mittlere erste Gebiet so schmal ist, daß der in dessen Mitte (oder aufgrund von Fehlertoleranzen in der Nähe von dessen Mitte) gemessene Extremwert nicht an den ersten Wert heranreicht, der zumindest im mittleren Bereich des mittleren ersten Gebietes als Meßwert zu erwarten wäre. Stattdessen sind die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche, in denen aufgrund der dort angeordneten zweiten Gebiete (etwa Vertiefungen wie Gräben) ein anderer, insbesondere der zweite Wert zu erwarten wäre, so dicht nebeneinander angeordnet, daß zwischen ihnen, d.h. im mittleren ersten Gebiet, der Meßgrößenverlauf infolge der seitlichen Verschmierung der Meßergebnisse den eigentlich zu erwartenden ersten Wert als Meßwert nicht mehr erreicht. Das beobachtete Extremum ist dadurch zwar weniger stark ausgeprägt, d.h. besitzt im Falle einer optischen Messung einen geringeren Kontrast zu den Extrema oder den Meßwerten in den voneinander beabstandeten Flächenbereichen, jedoch ist zwischen ihnen der Kurvenverlauf im Bereich des zusätzlichen Extremums spitzer und stärker gekrümmt; solch ein Extremum eignet sich gut für eine gemeinsame Auswertung mit den voneinander abgewandten Außenflanken des Meßgrößenverlaufs im Bereich der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche. Da erfindungsgemäß das mittlere erste Gebiet so schmal ist, daß das dort gemessene Extremum nicht an den ersten Wert heranreicht, ist gewährleistet, daß dieses Extremum nicht etwa aufgrund eines zu großen Abstandes zwischen den beabstandeten Flächenbereichen unnötig verbreitert ist und dann eine nur begrenzt genaue Aussage über die seitliche Position des Substrats liefert.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Positionsmarkierung neben voneinander abgewandten äußeren Begrenzungen der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche jeweils ein äußeres erstes Gebiet aufweist, das entlang der ersten Richtung so breit ist, daß im Bereich der äußeren ersten Gebiete angeordnete Detektoren überwiegend dem ersten Wert als Meßwert für die Meßgröße messen. Dadurch wird erreicht, daß zwischen jeweils einem der voneinander beabstandeten Flächenbereiche und einem äußeren ersten Gebiet eine Flanke starker Steigung der Meßgröße auftritt, die zur Positionsbestimmung des Substrats besser geeignet sind als die inneren Flanken im Bereich der einander zugewandten Begrenzungen der voneinander beabstandeten Flächenbereiche; dort sind die Flanken kürzer, da das erfindungsgemäß ausgebildete Extremum im mittleren ersten Gebiet nicht an den ersten Wert heranreicht.

Eine erste Ausführungsform sieht vor, daß die zweiten Gebiete in den beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen sich vollständig über die voneinander beabstandeten Flächenbereiche erstrecken. Hierbei sind die beiden Flächenbereiche zumindest über einen wesentlichen Teil der Abmessung der Positionsmarkierung in Richtung senkrecht zur ersten Richtung vollständig als Gräben (im Falle einer optischen Helligkeitsmessung) oder als zweite Gebiete (im Falle einer beliebigen Meßgröße) ausgebildet. Dabei sind die voneinander beabstandeten Flächenbereiche zwei zweite Gebiete und verlaufen streifenförmig in Richtung senkrecht zur ersten Richtung, entlang welcher die Substratposition gemessen wird.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, daß die zweiten Gebiete in beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen gemeinsam mit ersten Gebieten in den voneinander beabstandeten Flächenbereichen jeweils eine alternierende Folge von ersten und zweiten Gebieten bilden, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Hierbei sind die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche einzeln jeweils als zebrastreifenartige Abfolge von ersten und zweiten Gebieten ausgebildet. Deren zweite Gebiete sind vorzugsweise streifenförmig ausgebildet, wobei hier die Haupterstreckungsrichtung der zweiten Gebiete nicht senkrecht, sondern parallel zur ersten Richtung verläuft. Die zweiten Gebiete in den voneinander beabstandeten Flächenbereichen sind daher wesentlich kleiner als bei der ersten alternativen Ausführungsart.

Da auch bei der zweiten alternativen Ausführungsform die zweiten Gebiete lediglich in den voneinander beabstandeten Flächenbereichen, nicht jedoch in dem zwischen ihnen angeordneten mittleren ersten Bereich angeordnet sind, mißt die Detektorenanordnung entlang der ersten Richtung auch hier einen Meßgrößenverlauf mit einem örtlich schwankendem Meßwert. Die zweite Ausführungsart hat den Vorteil, daß der mittlere Meßwert im jeweiligen Flächenbereich neben dem mittleren ersten Gebiet näher an den Wert, der im mittleren ersten Gebiet gemessen wird, heranreicht. Im Falle einer optischen Intensitätsmessung wird dadurch etwa der Kontrastumfang gemindert.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Detektoren entlang der ersten Richtung nebeneinander aufgereiht sind. Sie sind somit im wesentlichen entlang einer durchgehenden Linie entlang der zu vermessenden Richtung der Substratposition aufgereiht und allenfalls geringfügig vor oder hinter diese Linie zurückversetzt, um eine räumlich dichtere Anordnung vieler kleiner Detektorzellen zu ermöglichen. Wird eine solche Detektorleiste zur Messung über die Positionsmarkierung gehalten, so genügt ein schmaler Meßstreifen innerhalb der Positionsmarkierung für eine eindeutige Positionsbestimmung des Substrats.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Anordnung der Detektoren und das Substrat in Richtung senkrecht zur ersten Richtung relativ zueinander bewegt werden und dabei die Detektoren eine zeitliche integrierende Messung der Meßgröße durchführen. Hierbei fährt die Detektorleiste über die Positionsmarkierung in einer lateralen Richtung senkrecht zur ersten lateralen Richtung hinweg, wodurch mit Blick auf lokale Strukturdefekte oder Maskenungenauigkeiten eine präzisere, weil zeitlich integrierte und dadurch räumlich gemittelte Messung ausgeführt wird. Diese Meßmethode führt in Verbindung mit der zweiten alternativen Ausführungsart außerdem zu einer idealen Mittelwertbildung in Richtung senkrecht zur ersten Richtung, und zwar unabhängig davon, ob die Detektoranordnung anfangs über ersten oder über zweiten Bereichen innerhalb der beabstandeten Flächenbereiche angeordnet ist. Dadurch wird diesen beiden Flächenbereichen ein mittlerer Meßwert, der zwischen dem ersten und dem zweiten Wert liegt, zugeordnet; der Kontrastumfang wird halbiert.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß bei der Bewegung der Anordnung der Detektoren und des Substrats relativ zueinander zwei disjunkte Mengen von Detektoren über die voneinander beabstandeten Flächenbereiche hinwegfahren. Somit verändert die zusätzliche Bewegung, die während der Messung ausgeführt wird, die Relativposition der einzelnen Detektoren bzw. ihrer Meßzellen relativ zur Substratposition zumindest entlang der ersten zu vermessenden Richtung nicht; die Meßbewegung führt somit zu einer räumlichen Mittelung angesichts zu erwartender statistischer Strukturdefekte, führt andererseits aber nicht zu einer zusätzlichen Unschärfe oder Verschmierung des Meßgrößenverlaufs. Die Meßwerte einander benachbarter Detektoren erfahren somit keine zusätzliche Nivellierung auf einen gemeinsamen Mittelwert.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche in der ersten Richtung zwischen 1 und 2 &mgr;m breit sind und daß das mittlere erste Gebiet in der ersten Richtung zwischen 0,5 und 1 &mgr;m breit ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der entlang der ersten Richtung gemessene Verlauf der Meßgröße von dem ersten Wert im Bereich der beiden äußeren ersten Gebiete ausgehend jeweils über ein Minimum oder Maximum im Bereich der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche zu dem Maximum oder Minimum im Bereich des mittleren ersten Gebietes führt, wobei die lokale Krümmung des Verlaufs der Meßgröße bei dem Maximum oder Minimum im Bereich des mittleren ersten Gebietes entgegengesetzt zur lokalen Krümmung an den Minima oder Maxima im Bereich der voneinander beabstandeten Flächenbereiche ist. Beispielsweise ist das erfindungsgemäß ausgebildete mittlere Extremum ein Maximum, wohingegen die Extrema im Bereich der voneinander beabstandeten Flächenbereiche Minima sind oder umgekehrt. Sofern der Meßgrößenverlauf in den äußeren ersten Gebieten im wesentlichen den ersten Wert annimmt, haben die Minima den zweiten Wert angenommen; das erfindungsgemäß ausgebildete Maximum zwischen ihnen hat einen Wert, der zwischen dem ersten und dem zweiten Wert liegt.

Mit Hilfe der beiden zusätzlichen äußeren ersten Gebiete wird eine zusätzliche Überprüfung der ausreichend starken Krümmung des Kurvenverlaufs im Bereich des mittleren Extremums möglich, denn die Messung des ersten Wertes in den beiden äußeren ersten Gebieten erlaubt eine Messung des Gesamtkontrasts und einen Vergleich, wie weit der Wert des mittleren Extremums von dem ersten Wert entfernt ist. Reicht der Wert des mittleren Extremums an den ersten Wert heran, so sind die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche, in denen zweite Gebiete, etwa die Gräben, ausgebildet sind, zu weit voneinander entfernt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß als Meßgröße die Intensität elektromagnetischer Strahlung gemessen wird. Alternativ kommen Phasenmessungen elektromagnetischer Strahlung oder auch nicht-optische Messungen in Betracht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die ersten Gebiete Gebiete höherer Strahlungsintensität und die zweiten Gebiete Gebiete niedrigerer Strahlungsintensität sind. Ebenso kann die Strahlungsintensität im Bereich der ersten Gebiete niedriger und im Bereich der zweiten Gebiete höher sein.

Die zweiten Gebiete sind vorzugsweise als Gräben in dem Substrat oder in der Schicht auf dem Substrat ausgebildet. Im Falle einer Meßgrößenmessung mit Hilfe schräg zur Substratoberfläche auftreffender elektromagnetischer Strahlung, die durch das Substrat in Richtung der Detektoren reflektiert wird, ist im Wege der Helligkeitsmessung die laterale Substratposition bestimmbar.

Als Substrat wird vorzugsweise ein Halbleitersubstrat verwendet, dies kann eine oder mehrere integrierte Halbleiterschaltungen aufweisen. Wenn jedoch die Belichtung in der lithographischen Belichtungseinrichtung zur Strukturierung einer ersten Schicht der Halbleiterschaltung dient, ist das Substrat während der Positionierung noch unstrukturiert und besitzt zu diesem Zeitpunkt noch keine integrierte Halbleiterschaltung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 das Prinzip der lithographischen Strukturierung eines Substrats mit Hilfe in einer lithographischen Belichtungseinrichtung,

2 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Substrats,

3 eine Anordnung von Detektoren über einer Positionsmarkierung eines Substrats,

4A eine Detailansicht aus 3 gemäß einer ersten alternativen Ausführungsart,

4B eine Detailansicht aus 3 gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsart,

5 einen an einer erfindungsgemäße gestalteten Positionsmarkierung gemessenen Verlauf einer Meßgröße,

6 einen Verlauf der Meßgröße im Falle einer unzureichend angepassten sowie einer herkömmlichen Positionsmarkierung,

7 eine perspektivische Detailansicht eines Substrats und

8 den zeitlichen Verlauf einer zeitlich integrierenden Messung.

1 zeigt eine lithographische Belichtungseinrichtung 2, in der ein Halbleitersubstrat 1 oder eine Schicht 1a auf dem Substrat mit Hilfe beispielsweise einer Lichtquelle 7 und eines optischen Systems 8 lithographisch strukturiert wird. Dadurch wird ein vorstrukturiertes Muster einer Maske 4 optisch auf das Substrat übertragen. Eine solche Strukturübertragung von einer Maske 4 (Reticle) in verkleinertem Maßstab auf das Substrat 1 muß für jede lithographische Ebene einer integrierten Halbleiterschaltung durchgeführt werden. Da die herzustellenden Strukturen aller Ebenen bzw. Schichten auf dem Substrat in lateraler Richtung zueinander justiert sein müssen, ist vor jeder lithographischen Belichtung eine Kontrolle und gegebenenfalls eine Korrektur der lateralen Position des Substrats 1 erforderlich.

2 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Substrats 1, bei dem zwischen rechteckförmigen Bereichen, die für integrierte Halbleiterschaltungen 21 vorgesehen sind, der Sägerahmen angeordnet ist, welcher später beim Vereinzeln der Halbleiterchips entfernt wird. In diesem Sägerahmen sind Positionsmarkierungen 3 untergebracht, und zwar mindestens jeweils eine Positionsmarkierung für jede laterale Richtung x und y.

3 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer solchen Positionsmarkierung 3 sowie eine über dieser Positionsmarkierung angeordnete Anordnung 6 vieler Detektoren 5, die zur Messung der Substratposition entlang einer lateralen Richtung x vorgesehen ist. Die Positionsmarkierung 3 besitzt erste Bereiche 11, in denen die von den Detektoren 5 gemessene Meßgröße, zumindest in ausreichendem Abstand zu Grenzen zu zweiten Bereichen 12, einen ersten Wert annimmt. Dieser Wert ist beispielsweise eine hohe Lichtintensität, die nur in dem breiteren, in 3 weiß dargestellten Flächenbereichen gemessen wird. In der Mitte der zweiten Gebiete 12, die beispielsweise Gräben mit verminderter Reflexion elektromagnetischer Strahlung sein können, messen die Detektoren hingegen einen anderen Wert der Meßgröße. In der Nähe von Grenzen, die in 3 dem Umfang der zweiten Gebiete 12 entsprechen, messen die Detektoren 5 aufgrund einer durch Streuung oder andere lichtverteilende Effekte hervorgerufene Verschmierung von Meßwerten Werte mittlerer Höhe, so daß der durch die Detektoren 5 entlang der Richtung x gemessene Meßgrößenverlauf von links nach rechts nicht abrupt springt, sondern einen sanften Kurvenverlauf erzeugt. Die Anordnung 6 der Detektoren 5 kann, wie durch den Pfeil dargestellt, senkrecht zur Meßrichtung x bewegt werden, in welchem Falle eine zeitlich integrierte Messung durchgeführt wird. Diese Messung erfolgt über die Länge der zweiten Gebiete 12 in Richtung y senkrecht zur Meßrichtung x, wodurch etwaige Defekte an der Grenze zwischen ersten 11 und zweiten Bereichen 12 korrigiert werden.

Zur Messung der Substratposition in der Richtung x genügt die Vermessung eines einzigen zweiten Gebietes 12. Wird beispielsweise die Intensität reflektierten Lichts gemessen und ist jedes Gebiet 12 ein Graben, so enthält der gemessene Verlauf der Meßgröße im Bereich des Grabens ein Intensitätsminimum, dessen Lage zur Lagebestimmung und -korrektur des Substrats nutzbar ist.

Die in 3 dargestellten zweiten Gebiete 12 sind relativ breit im Vergleich zur Wellenlänge des zu ihrer Strukturierung verwendeten Lichts, sie sind insbesondere viel breiter als die typische Strukturbreite in den zu fertigenden integrierten Halbleiterschaltungen 21. Daher werden herkömmlich die Flanken des Helligkeitsverlaufs entlang der x-Richtung, nicht jedoch die Lage der relativ breiten Intensitätsminima zur Berechnung der Substratposition ausgewertet.

Um eine präzisere Positionsbestimmung des Substrats zu ermöglichen, sind die zweiten Gebiete 12 aus 3 erfindungsgemäß in besonderer Weise weitergebildet, wie in dem kreisförmig umgebenden Ausschnitt aus 3 lediglich angedeutet. Erkennbar sind zwei voneinander in der Richtung x beabstandete Gebiete 13, die mit Bezug auf die 4A und 4B in zwei zueinander alternativen Ausführungsarten nachstehend beschrieben werden.

4A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des kreisförmig umgebenden Ausschnitts auf 3. Anstelle der herkömmlich etwa 4 &mgr;m breiten, entlang der Richtung x durchgehend ausgebildeten zweiten Gebietes bzw. Grabens 12 sind erfindungsgemäß zwei voneinander in x-Richtung beabstandete Flächenbereiche 13 vorgesehen; diese sind bei der Ausführungsart gemäß 4A vollständig als zweite Gebiete 12, also etwa als Gräben ausgebildet. Der Zwischenraum zwischen beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen 13 ist vollständig als erstes Gebiet 14 ausgebildet; weitere äußere erste Gebiete 15 grenzen an zwei voneinander abgewandte äußere Begrenzungen R der Flächenbereiche 13 an. Dadurch entsteht eine Folge von drei Stegen mit zwei Gräben zwischen ihnen, wobei der mittlere Steg 14 so schmal ist, daß sein gemessenes Intensitätsprofil in der Mitte zwischen beiden Flächenbereichen 13 nicht mehr den Wert erreicht, der in den beiden äußeren ersten Gebieten 15 in ausreichendem Abstand von den Flächengebieten 13 gemessen wird. Die Detektoren 5, die in 3 oberhalb des kreisförmig markierten Grabens 12 angeordnet sind, sind in 4A als Mengen M zusammengefaßt. Werden sie in Richtung y über die zweiten Gebiete bzw. Gräben 12 bewegt, messen sie stets eine geringe reflektierte Lichtintensität. Durch die Relativbewegung der Anordnung 6 der Detektoren 5 in Richtung y über die Positionsmarkierung hinweg werden somit Maskenungenauigkeiten in den Rändern bzw. Begrenzungen R zwischen den voneinander beabstandeten Flächenbereichen 13 und den ersten Gebieten 14, 15 außerhalb von ihnen statistisch korrigiert.

Bei der alternativen Ausführungsart gemäß 4B sind die voneinander beabstandeten Flächenbereiche 13 selbst als in y-Richtung verlaufende alternierende Folge von ersten Gebieten 16 und zweiten Gebieten 12 ausgebildet. Die ersten Gebiete 14, 15 sind gegenüber 4A unverändert. Sie stellen beispielsweise Stege dar, die in 4B mit den Stegen 16 verbunden sind und die Gräben 12 jeweils allseitig umschließen. Wird die Anordnung 6 von Detektoren 5 in Richtung y über die erfindungsgemäß 4B ausgebildete Positionsmarkierungen 3 bewegt, so führt eine zeitliche Integralmessung in den Detektoren 5 der Teilmengen M gleicher Position wie in 4A zu einem mittleren gemessenen Helligkeitswert für die beabstandeten Flächenbereiche 13, wodurch sich der Gesamtkontrast der Positionsmarkierung vermindert, und zwar halbiert. Hierbei wird zusätzlich ausgenutzt, daß aufgrund der durch Lichtstreuung und andere Effekte bewirkten Verschmierung der Lichtintensitäten nah nebeneinander angeordneter Strukturen beim Überfahren der Flächenbereiche 13 zu einem weitgehend monotonen Helligkeitswert führt.

5 zeigt einen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessenen Meßgrößenverlauf einer Meßgröße H, die im Bereich der beiden äußeren ersten Gebiete 15 der Positionsmarkierung 3 in Höhe eines ersten Wertes h1 verläuft und im Bereich der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche 13, die jeweils zweite Gebiete, vorzugsweise Gräben 12 aufweisen, über eine jeweils steile Flanke F zu einem Extremum in Höhe eines zweiten Wertes h2 führen. Erfindungsgemäß ist zwischen beiden Extrema M2 infolge eines mittleren ersten Gebietes 14 größerer Helligkeit ein weiteres Extremum M1 entgegengesetzter Krümmung beobachtbar, welches anstelle oder zusätzlich zu den steilen Außenflanken F zur Positionserkennung des Substrats auswertbar ist. Idealerweise befindet sich das Maximum M1 in der Mitte des mittleren ersten Gebietes 14, woraus die Lage der Begrenzungen R der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche 13 in der zu vermessenden Richtung x errechenbar ist.

Erfindungsgemäß ist die Breite des mittleren ersten Gebietes 14 so klein, daß das in diesem Bereich gemessene Extremum M1 nicht bis an den ersten Wert h1 heranreicht. Dadurch ist gewährleistet, daß der Verlauf der Meßgröße H im Bereich des Extremums M1 ausreichend "spitz" bzw. die Krümmung in diesem Bereich ausreichend hoch ist, um eine ausreichend präzise Positionsbestimmung anhand dieses Extremums zu ermöglichen.

6 zeigt den Verlauf der Meßgröße H im Falle einer nicht ausreichend angepassten Positionsmarkierung (durchgezogene Linie) sowie im Falle einer herkömmlichen Positionsmarkierung (strichpunktierte Linie). Bei der herkömmlich ausgebildeten Positionsmarkierung sind beide Gebiete 13, die voneinander beabstandet sind, sowie der zwischen ihnen liegende Bereich 14 zu einem einheitlich strukturierten, und zwar beispielsweise als einheitlicher Graben ausgebildeten zweiten Gebiet verbunden. Dieser breite Graben liefert ein Meßgrößenprofil, das, wie durch den strichpunktierten mittleren Teil dargestellt, ein sehr breites Minimum mit nur sehr geringer Krümmung des Kurvenverlaufs aufweist. Aufgrund solch eines Extremums ist eine Substratposition nur bedingt präzise bestimmbar, weshalb herkömmlich lediglich die Flanken F des Meßgrößenverlaufs zur Positionserkennung herangezogen werden.

Auch im Falle einer Abwandlung dieses Profils, bei dem der mittlere Bereich 14 als erstes Gebiet, etwa als Steg ausgebildet wird, entsteht im allgemeinen ein Maximum in der Mitte des Kurvenverlaufs, das in derselben Höhe wie der rechts und links gemessene erste Wert h1 liegt und bei dem die Krümmung des Kurvenverlaufs ebenfalls zu gering und die seitliche Lage des Maximums zu unbestimmt ist, um eine sinnvolle Auswertung zum Zwecke der Positionsbestimmung des Substrats zu unterstützen. Der Bereich, in dem bei der durchgezogenen Meßkurve in 6 das mittlere Extremum vermutet werden kann, ist durch den dargestellten Doppelpfeil dargestellt.

Infolge der erfindungsgemäß sehr dicht aneinandergrenzenden Flächenbereiche 13 liefert die Messung im Bereich 14 ein Extremum M1, dessen Lage bezüglich der Richtung x mit hoher Genauigkeit ablesbar ist und dadurch die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöht.

7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Halbleitersubstrats, bei dem zwischen vier Bereichen für integrierte Halbleiterschaltungen 21 eine Positionsmarkierung 3 ausgebildet ist. Diese besitzt jeweils zwei Paare von Flächenbereichen 13, die beispielsweise vollständig als Gräben ausgebildet sein können und durch einen nur schmalen Steg 14 zwischen ihnen getrennt sind.

8 zeigt für den Fall der zweiten alternativen Ausführungsform, bei der diese Gebiete 13 in Richtung y abwechselnd als in Richtung x orientierte Gräben und Stege ausgebildet sind, das zeitliche Zustandekommen des Meßwertes derjenigen Detektoren 5 im Bereich der Menge M, die bei der Relativbewegung der Messung die Flächenbereiche 13 in y-Richtung überfahren. Mit zunehmender Zeit t erhöht sich die mit Hilfe der Detektoren gemessene Lichthelligkeit jeweils stückweise um einen gewissen Wert, der beim Überfahren der Stege 16 aus 4B zustande kommt. Dazwischen liegen im Kurvenverlauf aus 8 Bereiche geringer Steigung oder im Extremfall ohne jede Steigung, die beim Überfahren der Stege 12 aus 4B die bereits gemessene Helligkeit nicht weiter erhöhen. Dadurch wird nach dem vollständigen Überfahren jeweils eines der Flächenbereiche 13 ein mittlerer Meßwert erreicht, der zwischen dem ersten Wert h1 und dem zweiten Wert h2 der Meßgröße H liegt. Im falle starker Lichtstreuung bzw. Verschmierung der Lichtintensität wird der in 8 gestrichelt dargestellte Kurvenverlauf einheitlicher Steigung zum gleichen Meßresultat führen.

Die Erfindung ermöglicht eine noch präzisere Bestimmung der lateralen Position eines Substrats. Das Detektieren von Strahlungsintensitäten kann beispielsweise mit Hilfe von ccd-Detektorzellen (Charge Coupled Device) durchgeführt werden. Dadurch werden präzisere Overlay-Korrekturen aufeinander abgeschiedener oder strukturierter Ebenen integrierter Halbleiterschaltungen erzielbar. Die Erfindung ist auf alle Substratbearbeitungen, bei denen eine Strukturierung erforderlich ist, etwa auch bei Dotiervorgängen oder Ätzprozessen, sowie bei jedem anderen Vorgang einsetzbar, zu dessen Vorbereitung das Substrat seitlich positioniert werden kann. Das Substrat kann mit Hilfe eines Substratträgers (Chuck) oder zusätzlich relativ zu diesem positioniert werden; als Referenzposition können beliebige Markierungen von Teilen der Belichtungsvorrichtung oder anderer Gerätschaften eingesetzt werden. Die Abmessungen der ersten und zweiten Gebiete, insbesondere der voneinander beabstandeten Flächenbereiche der Positionsmarkierungen hängen lediglich von der verwendeten Herstellungstechnologie ab. Als spezielles Beispiel sei eine Breite der voneinander beabstandeten Flächenbereiche in x-Richtung von zwischen 1 und 2 &mgr;m, beispielsweise 1,5 &mgr;m genannt bei einem Abstand zwischen ihnen von zwischen 0,5 und 1 &mgr;m. In der Regel werden mehrere Paare voneinander beabstandeter Flächenbereiche vorgesehen sein; ihr Abstand beträgt beispielsweise 15 bis 25 &mgr;m. Die Optimierung der geometrischen Abmessungen erfolgt jedoch anhand der Vorgabe des erfindungsgemäßen Meßgrößenverlaufs, insbesondere der Lage und des Meßwerts des Extremwerts im mittleren ersten Gebiet. Entsprechend der häufig verwendeten Hartmaskentechnik kann die Positionsmarkierung in einer Resistschicht wie auch in einer mit Hilfe einer solchen Schicht bereits strukturierten Hartmaskenschicht vorgesehen sein. Die Auflösung in x-Richtung, die mit Hilfe der Vielzahl von ccd-Detektorzellen erreicht wird, kann zwischen beispielsweise 0,005 und 0,2 &mgr;m betragen bei typischen Ausdehnungen der Anordnung von Detektorzellen in x-Richtung von 100 bis 150 &mgr;m.

1
Substrat
1a
Schicht
2
Belichtungseinrichtung
3
Positionsmarkierung
4
Maske
5
Detektor
6
Anordnung von Detektoren
7
Lichtquelle
8
optisches System
11
erstes Gebiet
12
zweites Gebiet
13
Flächenbereich
14
mittleres erstes Gebiet
15
äußeres erstes Gebiet
16
erstes Gebiet im Flächenbereich 13
21
integrierte Halbleiterschaltung
F
äußere Flanke
H
Meßgröße
h1
erster Wert
h2
zweiter Wert
M
Menge von Detektoren
R
Begrenzung
t
Zeit
x
erste Richtung
y
zweite Richtung


Anspruch[de]
Verfahren zum Bestimmen einer lateralen Position eines Substrats (1) in einer lithographischen Belichtungseinrichtung (2),

– bei dem an einem Substrat (1) oder an einer Schicht (1a) auf ein Substrat (1) eine Positionsmarkierung (3) ausgebildet wird, mit deren Hilfe die Position des Substrats (1) bestimmbar ist,

– bei dem durch eine Anordnung (6) von Detektoren (5), die an verschiedenen Positionen entlang einer ersten Richtung (x) angeordnet sind, an der Positionsmarkierung (3) ein Verlauf einer Meßgröße (H) entlang der ersten Richtung (x) gemessen wird,

– wobei die Positionsmarkierung (3) erste Gebiete (11), in denen die Meßgröße (H) einen ersten Wert (h1) annimmt, und zweite Gebiete (12), in denen die Meßgröße (H) einen anderen, zweiten Wert (h2) annimmt, aufweist und wobei die Detektoren (5) in der Nähe von Grenzen zwischen ersten (11) und zweiten Gebieten (12) Meßwerte messen, die zwischen dem ersten Wert (h1) und dem zweiten Wert (h2) liegen,

– wobei die Positionsmarkierung (3) mindestens ein Paar von zwei Flächenbereichen (13) aufweist, die jeweils durch zwei senkrecht zur ersten Richtung (x) verlaufende Begrenzungen (R) begrenzt und in der ersten Richtung (x) voneinander beabstandet sind und in denen zweite Gebiete (12) angeordnet sind,

– und wobei zwischen den beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen (13) ein mittleres erstes Gebiet (14) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

– die Positionsmarkierung (3) neben den voneinander abgewandten Begrenzungen (R) der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13) jeweils ein äußeres erstes Gebiet (15) aufweist, das entlang der ersten Richtung (x) so breit ist, daß im Bereich des äußeren ersten Gebietes (15) angeordnete Detektoren (5) überwiegend den ersten Wert (h1) als Meßwert für die Meßgröße (H) messen,

– wobei die äußeren ersten Gebiete (15) entlang der ersten Richtung (x) breiter sind als die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13),

– und daß das mittlere erste Gebiet (14) in der ersten Richtung (x) so schmal ist, daß der durch die Detektoren (5) gemessene Verlauf der Meßgröße (H) im Bereich des mittleren ersten Gebietes (14) ein lokales Maximum oder Minimum (M1) aufweist, dessen Wert von dem ersten Wert (h1) verschieden ist und zwischen dem ersten (h1) und dem zweiten Wert (h2) liegt,

– wobei das mittlere erste Gebiet (14) in der ersten Richtung (x) schmaler ist als die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Gebiete (12) in den beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen (13) sich vollständig über die voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13) erstrecken. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Gebiete (12) in den beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen (13) gemeinsam mit ersten Gebieten (11; 16) in den beiden voneinander beabstandeten Flächenbereichen (13) jeweils eine alternierende Folge von ersten (11) und zweiten (12; 16) Gebieten bilden, die senkrecht zur ersten Richtung (x) verläuft. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (5) entlang der ersten Richtung (x) nebeneinander aufgereiht sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (6) der Detektoren (5) und das Substrat (1) in Richtung (y) senkrecht zur ersten Richtung (x) relativ zueinander bewegt werden und dabei die Detektoren (5) eine zeitlich integrierende Messung der Meßgröße (H) durchführen. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bewegung der Anordnung (6) der Detektoren (5) und des Substrats (1) relativ zueinander zwei disjunkte Mengen (M) von Detektoren (5) über die voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13) hinwegfahren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13) in der ersten Richtung (x) zwischen 1 und 2 &mgr;m breit sind und daß das mittlere erste Gebiet (14) in der ersten Richtung (x) zwischen 0,5 und 1 &mgr;m breit ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der entlang der ersten Richtung (x) gemessene Verlauf der Meßgröße (H) von dem ersten Wert (h1) im Bereich der beiden äußeren ersten Gebiete (15) ausgehend jeweils über ein Minimum oder Maximum (M2) im Bereich der beiden voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13) zu dem Maximum oder Minimum (M1) im Bereich des mittleren ersten Gebietes (14) führt, wobei die lokale Krümmung des Verlaufs der Meßgröße (H) bei dem Maximum oder Minimum (M1) im Bereich des mittleren ersten Gebietes (14) entgegengesetzt zur Krümmung an den Minima oder Maxima (M2) im Bereich der voneinander beabstandeten Flächenbereiche (13) ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße (H) die Intensität elektromagnetischer Strahlung gemessen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Gebiete (11; 14, 15, 16) Gebiete höherer Strahlungsintensität und die zweiten Gebiete (12) Gebiete niedrigerer Strahlungsintensität sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Gebiete (12) als Gräben in dem Substrat (1) oder in der Schicht (1a) auf dem Substrat (1) ausgebildet sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Halbleitersubstrat mit einer integrierten Halbleiterschaltung (21) ist.






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