La présente invention a trait à un appareil de masquage optique d'une couche photosensible, notamment en fabrication de dispositifs à semi-conducteur.
On sait que pour réaliser, sur une plaquette le plus souvent en matériau semi-conducteur approprié, diverses diffusions localisées d'impuretés ou encore divers dépôts métalliques formés par évaporation sous vide ou autrement en vue de l'obtention de connexions, on a de plus en plus recours à la photogravure, par exemple suivant le processus suivant:
:
- on recouvre au moins une face de la plaquette d'une couche d'oxyde de silicium ou de métal, puis d'une couche de résine photosensible;
on place sur la plaquette ainsi sensibilisée un masque plan en matière transparente comportant des plages opaques définissant des motifs à photograver et on expose la plaquette ainsi masquée à un rayonnement ultraviolet, afin de polymériser ou de dépolymériser suivant la nature de la résine utilisée les zones non masquées de la couche photosensible;
;
- on immerge la plaquette dans un bain révélateur qui permet de mettre à nu la couche d'oxyde de silicium ou de métal, à l'intérieur ou à l'extérieur desdits motifs suivant le cas, de manière à pouvoir ensuite attaquer chimiquement ladite couche d'oxyde de silicium ou de métal dans les zones dénudées, la résine subsistant après révélation servant de masque pendant ladite attaque chimique.
On sait aussi que le procédé par contact ainsi décrit a été très avantageusement remplacé par un procédé dit de masquage optique où les motifs du masque ne sont plus au contact de la couche sensible mais projetés optiquement sur celle-ci, au moyen d'un système optique approprié, qui, durant l'irradiation, donne du masque une image aérienne amenée à coïncider avec le plan de la couche sensible. de façon à localiser l'irradiation sur celle-ci aux mêmes zones que découvrirait un masque de contact.
A ce stade, il convient de rappeler que le pouvoir résolvant d'un système masque-appareil d'optique-couche sensible qui se chiffre généralement en nombre de traits réalisables au millimètre et qui est limité par le flou du bord de ces traits peut être condi tionné par la résine photosensible, par le masque ou par l'appareil optique formant une image du masque sur la couche photosensible
Le pouvoir résolvant de la résine photosensible peut facilement, en choisissant convenablement la résine et la minceur de la couche. être rendu supérieur à 1000 traits au millimètre.
Le pouvoir résolvant du masque que l'on suppose, pour plus de difficulté, réalisé à l'échelle 1 dépend de la nature de ce masque qui peut être un cliché photographique à émulsion (de 10 à 15 #m) sur plaque de verre ou bien un masque métallique généralement au chrome réalisé par photogravure d'une mince couche de chrome, elle-même obtenue par sublimation du métal sous vide sur une plaque de verre polie sur ses deux faces. Compte tenu de l'épaisseur réalisable de chrome (de l'ordre de 1000 ), un tel masque permet d'obtenir des zones opaques dont le noircissement est comparable à celui que donne un bon cliché photographique, mais la définition des bords des traits, autrement dit le dégradé entre blancs et noirs, est bien meilleur.
Pour concrétiser les idées, si le dégradé peut être réduit à moins de 0,5 um sur un cliché photographique, il est pratiquement nul dans le cas d'un masque au chrome. ce qui fait que le pouvoir résolvant d'un tel masque peut atteindre 2000 traits au millimètre.
Il en résulte qu'en utilisant un masque au chrome, le pouvoir résolvant au niveau de la couche photosensible n'est limité pratiquement que par les caractéristiques de l'appareil optique permettant de former l'image du masque sur ladite couche.
Les derniers progrès accomplis dans l'art antérieur peuvent être considérés comme résultant des articles suivants parus dans des revues des Etats-Unis:
a) Electronics Abroad , volume 38. N > 25, 13 décembre 1965. page 237;
b) Electronics , 17 février 1969, pages 13 E et 14 E.
Tel qu'il est schématisé à la fig. 1, un appareil de masquage optique représentatif du dernier état de l'art antérieur (référence b) comprend essentiellement les éléments suivants:
un objectif 1 sur l'axe optique duquel sont inclinés à 45 une lame transparente semi-réfléchissante, dite lame sépara trice, 2, et un miroir plan 3;
¯un porte-masque 4 disposé à la verticale du miroir 3 et garni d'un masque M;
un porte-plaquette 5 disposé à la verticale de la lame 2 et garni d'une plaquette P à couche photosensible S;
¯une source de rayonnement visible 6 permettant d'éclairer par l'intermédiaire d'un système optique la couche S, normalement à celle-ci, à travers la lame 2;
;
¯une source de rayonnement ultraviolet 7 permettant d'irradier par l'intermédiaire d'un système optique le masque M, normalement à celui-ci, puis par l'intermédiaire du miroir 3 de lvob- jectif I et de la lame 2, la couche S.
Le mode d'utilisation d'un tel appareil est le suivant:
dans une première étape, on éclaire la couche S en lumière visible de la source 6, on règle la position de la plaquette P en direction de l'axe optique de façon que l'image de la couche S à travers l'objectif 1 se fasse dans le plan du masque M et que les plans de M et de S soient alors conjugués par rapport à l'objectif 1, ainsi que la position de la plaquette P dans son plan (opération de positionnement dite souvent alignement) de façon que la couche S soit correctement centrée et orientée par rapport à M; ces réglages peuvent se faire au moyen d'un microscope binoculaire à deux ol > jectifs à écartement variable permettant d'observer l'image de S dans le plan de M;
cette dernière étape est particulièrement importante dans le cas de pluralité de motifs différents à irradier les uns après les autres;
¯dans une seconde étape, on irradie la couche S en lumière ultraviolette de la source 7 à travers le masque M. le miroir 3, l'objectif 1 et la lame 2.
Quelle que puisse être l'excellente qualité de l'objectif utilisé au point de vue de la correction des aberrations géométriques, l'é- quipement de l'art antérieur que l'on vient de décrire voit son pouvoir résolvant limité par les particularités suivantes:
l'aberration physique que constitue la diffraction par l'ob- jectif (diamètre relativement important de la tache centrale de diffraction donnée par l'objectif) entraine un certain flou d'image optique en raison des trop grandes distances qui séparent les faces frontales de l'objectif de la surface S d'un côté, du masque M de l'autre;
dans le cas particulier souvent recherché d'un grandissement de moins un, ces distances sont égales et leur trop grande valeur résulte de la nécessité d'interposer la lame séparatrice 2 entre l'objectif I et le plan de la surface S;
la présence permanente de la lame séparatrice 2 a pour effet de détériorer gravement la qualité de l'image optique fournie par l'objectif, tant par les réflexions parasites se produisant sur les faces de cette lame que par ses défauts d'homogénéité entraînant, du fait qu'elle se trouve dans un espace ou la lumière est en faisceau convergent, c'est-à-dire non parallèle, diverses aberrations dont celle d'astigmatisme;
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la présence permanente du miroir 3, se trouvant lui aussi dans un espace où la lumière est en faisceau non parallèle, provo que encore une fois diverses aberrations dont celle d'astigmatisme, qui contribuent à endommager l'image optique fournie par l'objectif.
Au moyen d'un tel système, le pouvoir résolvant accessible est de 300 traits au millimètre en zone marginale et de 400 traits en zone centrale, dans un champ de l'ordre de 50 mm de diamètre.
La présente invention a essentiellement pour but d'améliorer notablement le pouvoir résolvant.
L'invention a pour objet un appareil de masquage optique d'une couche photosensible déposée sur une plaquette, notamment de matériau semi-conducteur. comprenant au moins un premier et un second demi-objectifs. séparés par un intervalle. un porte-masque dans le plan objet du premier demi-objectif, un porte-plaquette dans le plan image du second demi-objectif, une source de rayonnement ultraviolet, une source de lumière visible et des moyens de déplacer le porte-plaquette dans un plan perpendiculaire à l'axe du second demi-objectif, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de diriger, en directions axiales des deux demi-objectifs, d'abord le faisceau en provenance de la source de lumière visible, puis le faisceau en provenance de la source de rayonnement ultraviolet, respectivement du porte-plaquette au porte-masque et vice versa,
ces moyens comportant au moins une surface semi-rèfléchissante placée dans l'espace compris entre les deux demi-objectifs.
Du fait que les points objet et image, où sont placés de préférence le masque et la couche sensible respectivement, peuvent être choisis très proches des faces frontales de l'objectif et que l'on peut supprimer tous éléments optiques accessoires dans les espaces objet et image, les aberrations de diffraction pour un objectif de diamètre donné sont réduites au minimum. D'autre part la lumière transmise, dans un sens ou dans l'autre, dans l'espace intermédiaire entre les deux demi-objectifs, peut être avantageusement en faisceau parallèle ou sensiblement parallèle.
Dans des formes particulières de réalisation:
- ledit masque étant pris à l'échelle 1/1, le grandissement de l'objectif est pris égal à moins un, les deux éléments de celui-ci étant alors identiques; on profite de l'amélioration du pouvoir résolvant du système pour travailler au grandissement¯1, qui a l'avantage généralement recherché de réaliser le masque en vraie grandeur comme dans le procédé de contact;
- I'élément de l'objectif situé du côté du masque est fixe et l'élément de l'objectif situé du côté de la plaquette est à tirage variable;
on a ainsi l'avantage de ne pas avoir à régler la position en direction axiale ni du masque qui, en fabrication de série n'est pas touché, ni de la plaquette qui peut nécessiter de temps en temps une reprise du réglage de mise au point, ne serait-ce que par suite de l'introduction de poussières entre la surface sensible et son plan de calage;
cette reprise de réglage peut se faire au micron près;
¯ladite lame séparatrice est montée escamotable pour permettre son enlèvement après que les réglages optiques aient été effectués et avant l'opération d'irradiation, ce qui est possible sans déréglage optique puisque la lame se trouve dans un espace où la lumière est en faisceau parallèle ou sensiblement parallèle;
- ledit appareil comporte un dispositif à membrane pneumatique permettant d'appliquer instantanément ladite plaquette par sa couche sensible sur des butées de position axiale déterminée; ce dispositif permet évidemment, en fabrication de série, d'augmenter notablement la cadence d'irradiation des plaquettes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation de l'appareil objet de l'invention, en se référant aux dessins annexés dans lesquels:
La fig. 1 est une vue en coupe axiale verticale d'un appareil optique de l'art antérieur déjà décrit dans l'entrée en matière.
La fig. 2 est une vue en coupe axiale verticale d'un appareil de masquage optique suivant l'invention, équipé d'un microscope de pointé et dans lequel les deux demi-objectifs sont colinéaires.
La fig. 3 est une vue de face du même appareil de masquage optique équipé d'une caméra et d'un récepteur de télévision.
La fig. 4 est une vue en coupe axiale d'un appareil de masquage optique suivant l'invention dans lequel les deux demi-objectifs ont des axes perpendiculaires, et
la fig. 5 représente une variante de l'appareil de la fig. 4.
L'appareil représenté à la fig. 2 comporte, comme l'appareil connu de la fig. 1:
un objectif 1 et une lame séparatrice 2 disposée à 45 par rapport à l'axe optique de l'objectif;
- un porte-masque 4 garni d'un masque M;
- un porte-plaquette 5 garni d'une plaquette P à couche photosensible S;
¯une source de lumière visible 6 permettant d'éclairer la couche S par réflexion sur la lame 2;
une source de rayonnement ultraviolet 7 permettant d'irradier le masque M puis, par l'intermédiaire de l'objectif, la couche S.
Mais, par rapport à l'appareil connu de la fig. 1, l'appareil suivant l'invention de la fig. 2 présente les particularités suivantes.
L'objectif 1 est divisé en deux éléments 11, 12 de même axe optique vertical, disposés à une certaine distance l'un de l'autre du fait d'un boîtier intermédiaire 13 percé des ouvertures nécessaires.
On supposera ici, bien que ce ne soit pas obligatoire, que le grandissement de l'objectif 1 est de moins 1, ce qui fait que les deux éléments 11, 12 sont identiques.
L'élément supérieur 11 est porté par une potence 1 la, ellemême venue d'une colonne verticale 1 lob et supportant par un épaulement cylindrique un fourreau 1 1c dans lequel est insérée en position fixe la monture 1 ld de l'élément 11. Le fourreau 1 lc est percé coaxialement à sa partie supérieure d'une ouverture constituant le porte-masque 4, de façon que le masque M soit disposé au foyer de l'élément 11.
Le boîtier intermédiaire 13 de forme parallélipipédique présente notamment des épaulements cylindriques 131, 132 respectivement supérieur et inférieur, dans lesquels sont saisis et fixés le fourreau lic précité de l'élément 11 et un fourreau analogue 12c de l'élément 12. Dans le fourreau 12c de forme tubulaire, entièrement ouvert à sa partie inférieure, est insérée la monture 12d de l'élément inférieur 12, laquelle peut coulisser à frottement doux dans le fourreau 129. La monture 12d porte à cet effet, suivant une génératrice, une crémaillère (non représentée) qui coopère avec un pignon démultiplié (non représenté) lui-même commandé par un bouton moleté 12e pour que l'élément 12 puisse être positionné à un micron près au long de son axe optique.
Le boîtier intermédiaire 13 présente d'autre part un épaulement latéral ouvert dans lequel est saisie et fixée la source de lumière visible 6 comprenant une ampoule à incandescence par exemple à filament de tungstène 61, un condenseur 62 et un filtre optique 63, ayant sa bande passante par exemple dans le jaune.
La paroi latérale du boîtier 13. opposée à la précédente, comporte une large ouverture, normalement fermée par une porte 13a, et qui permet d'introduire dans le boîtier la lame transparente se mi-réfléchissante 2 précitée, pour la placer inclinée à 45 par rag port aux axes optiques de l'objectif 1 et de la source 6, sur un porte-lame 21. La chambre constituée par le boîtier 13 comporte une avancée située sur l'avant du plan de la fig. 2 et de dimensions telles qu'elle peut recevoir le porte-lame 21. Celui-ci est porté par deux tiges 22, 22' (vues en coupe à la fig. 2) qui sont maintenues horizontales par deux glissières (non visibles à la fig. 2) fixées aux parois de ladite avancée du boîtier 13 et sont réunies extérieurement à cette avancée par une poignée (non visible à la fig. 2).
On peut ainsi à volonté retirer la lame 2 du boîtier 13 proprement dit.
Le porte-plaquette 5 est constitué de la façon suivante. Sur un socle 51 que l'on peut faire tourner au moyen d'une vis tangente mue par un bouton moleté 51a, est disposée une capsule pneumatique 52 surmontée d'une membrane 52a, et alimentée en air comprimé par un tuyau 52b. La plaquette P, munie de la couche sensible S, est placée sur une plaque métallique et fixée à elle par vide; cette plaque métallique repose sur la membrane détendue 52a.
Une fois celle-ci tendue par la pression pneumatique, la plaquette se trouve appliquée contre trois butées planes, 53a, fixées au verso d'une plaque 53, percée d'une ouverture centrale et solidaire du socle 51, par l'intermédiaire de deux colonnettes 53b. Le socle 51 repose lui-même sur une platine 54 et peut être déplacé dans son plan horizontal au moyen d'un bouton 55a agissant sur un micromanipulateur 55, de type classique en lui-même connu. L'élément 12 de l'objectif est supposé réglé de façon que le plan horizontal défini par les butées 53a soit au point-image de cet élément 12.
Au-dessous du porte-masque est disposée une barre horizontale l lof rigidement liée à la colonne í lb et porteuse à coulisse- ment par exemple:
d'un microscope de pointé auto-éclairant binoculaire 10 à deux objectifs à écartement variable par exemple, pouvant être déplacé dans un plan parallèle à celui du masque M pour permettre l'exploration de toute la surface utile dudit masque (fig. 2) ou encore d'une caméra de télévision 10' qui permet d'obtenir, avec un objectif approprié, une image agrandie du plan M sur l'écran d'un récepteur 10" placé sur la table support de l'appareil, ce qui facilite le travail de l'opérateur (fig. 3);
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¯d'une source de rayonnement ultraviolet 7 comprenant une ampoule à vapeur de mercure de type connu 71, un obturateur 72, par exemple à iris, et un filtre optique 73 ne laissant passer que la radiation, caractérisée par la raie du mercure correspondant à la longueur d'onde (par exemple de 4356 ) pour laquelle l'objectif 1 a été étudié et du domaine de sensibilité spectrale de la résine photosensible utilisée.
Le mode d'utilisation de l'appareil ainsi décrit est analogue à celui de la fig. 1.
Dans une première étape, le masque M étant supposé en place ainsi que la plaquette P munie d'une couche sensible S appliquée par voie pneumatique contre les trois butées 53a, et l'ampoule 61 étant allumée, on observe au moyen du microscope 10 l'image de S formée dans le plan de M. En agissant sur les boutons 51a et 55a, on centre et on oriente convenablement la plaquette P et par conséquent la couche S par rapport au masque M. Eventuellement. en cas de déréglage de la position de S au long de l'axe optique de l'objectif, ne serait-ce que par l'introduction de poussières, on agit sur le bouton 12e pour que l'image de S soit bien au point dans le plan de M.
Dans une seconde étape, on escamote la plaque 2, on remplace le microscope 10 par la source 7 et on ouvre l'obturateur 72, un bref moment. pour irradier la couche S à travers le masque M.
L'appareil décrit permet d'utiliser un objectif à très grande ouverture numérique, pour un objectif de diamètre donné, pour obtenir par exemple un pouvoir résolvant de l'ordre de 1000 traits par millimètre dans un champ d'environ 50 mm de diamètre avec un taux de modulation (en coordonnées espacelintensité lumineuse, c'est le rapport creux de valléelintensité de pics pour deux points-images voisins) élevé, cet objectif étant à la fois corrigé pour la longueur d'onde de mise au point et celle d'irradiation de la couche photosensible.
Plus généralement. la lame séparatrice ne pouvant altérer l'image objective, l'objectif nécessaire pour obtenir un pouvoir résolvant déterminé ne nécessite pas un pouvoir résolvant théorique supérieur à celui-ci. L'appareil décrit permet donc d'utiliser un objectif de qualité plus ordinaire, donc beaucoup moins onéreux que dans le cas de l'art antérieur, pour un même pouvoir résolvant réel et un objectif de diamètre donné.
Une première variante consiste à permuter les positions de la source 6 de lumière visible et de l'ensemble des éléments 11, M et 7. Dans ce cas, la lame séparatrice 2 est obligatoirement en service dans les deux étapes de mise au point et d'irradiation en ultraviolet et doit. en conséquence, être de la meilleure qualité possible. L'avantage de cette variante tient à une réduction de l'encombrement en hauteur de l'appareil.
Une seconde variante consiste (voir fig. 4):
- àrenvoyer l'ensemble 12, PS, 5 à angle droit de sa position précédente, donc en ligne avec la source 6 de lumière visible;
à ë insérer un miroir additionnel concave 3 appelé. dans les deux étapes de mise au point et d'irradiation, à renvoyer la lu mièvre provenant de l'élément 11, par l'intermédiaire de la lame 2, vers l'élément 12.
L'avantage de cette variante tient à ce que l'on peut choisir le rayon de courbure du miroir 3 de façon que l'ensemble optique 11,2,3. 12 soit aussi bien corrigé que l'ensemble précédent, mais présente une structure plus simple des éléments 11, 12, de fa çon qu'au total, à qualité inchangée de l'image, les pertes par al > sorption dans les verres soient notablement réduites et qu'en conséquence le contraste de l'image soit amélioré.
On fera observer que, dans cette seconde variante, la lame sé paratrice 2 est encore en service dans les deux étapes mais peut se trouver ici dans un espace où la lumière n'est plus rigoureusement parallèle. Il peut y avoir intérêt à remplacer la lame 2 par l'ensemble 2' de deux prismes rectangulaires isocèles accolés, dit cube de
Lummer.
Dans le montage de la fig. 4, la source 6 envoie sur la plaquette P un faisceau de lumière visible qui traverse successivement le cube 2' et l'élément 12. Mais une partie de cette lumière subit une réflexion sur la surface semi-réfléchissante du cube 2' en direction de l'élément 11 et éclaire le plan objet, c'est-à-dire le masque M, en constituant un fond lumineux nuisible au contraste de l'image de la plaquette P alors formée dans le plan de M.
Dans le montage de la fig. 5, on met à profit la simplicité relative des éléments dioptriques correcteurs peu convergents 11 et 12 associés au miroir, par rapport à la complexité d'un objectif purement dioptrique, à égalité de qualité d'image et de grandeur de champ, pour utiliser des éléments correcteurs très épais, suivant la possibilité indiquée pari. Dyson dans son article intitulé Unit
Magnification, Optical System without Seidel Aberrations , Journal ouf tue Optical Society ofAmerica , vol. 49, N0 7, juillet 1959.
L'élément dioptrique 112 incorpore un cube de Lummer 112a, équivalant pour cet élément à une lame à faces parallèles, prolongeant une partie dioptrique proprement dite 112b, et tel que les trajets optiques de la lumière ultraviolette dans les deux éléments 11, 112 soient identiques. La source de lumière visible 6 est disposée au-dessus du cube 112a de façon que le faisceau de lu mièvre correspondante arrive perpendiculairement à l'axe optique de 112.
Il est clair que, dans ce cas, il n'y a pas en étape d'éclairage en lumière visible de réflexion parasite de cette lumière en direction du masque M.
En étape d'éclairage en lumière ultraviolette, le cube de Lummer 112a est retiré, en direction perpendiculaire au plan de la fig. 2, au moyen d'une tirette (non représentée), de façon à ne pas avoir de pertes de lumière ultraviolette par réflexion sur la surface semi-réfléchissante du cube suivant l'axe optique de la source 6.