JPH0766904B2 - デバイス製作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はマスクの位置合せ法、より具体的には平坦な試
料の相対する面上に写真食刻マスク（フォトマスク）を
位置合せする方法に係る。

本発明の背景 写真食刻マスク及びエッチングは、それが集積回路の製
作に広く用いられているため、よく理解されている。そ
のようなプロセスにおいて、半導体ウエハはフォトレジ
スト材料の薄い層で被覆され、パターン化されたフォト
マスクを通して、化学的作用をもつ光に露出される。現
像後、フォトレジスト被覆それ自身がマスクとして働
き、選択エッチングのようなウエハの選択的な処理を可
能にする。

同じプロセスがシリコンウエハから光ファイバを接続す
るためにも有用であることがわかっている。各コネクタ
は光ファイバを含み、コネクタの位置合せをするために
用いられる相対する側の溝を有するシリコンチップを含
む。光波伝送のための光ファイバの位置合せはきわめて
厳密さを必要とするから、支持用の溝は典型的な場合１
ミクロン未満である許容度以内で、正確に配置されるこ
とが重要である。この理由のため、そのようなコネクタ
の製作において、フォトレジスト材料で被覆された半導
体ウエハの相対する側に、正確にフォトマスクを位置合
せすることは厳密さを必要とする。

1976年６月15日承認されたケイ・エイチ・チャウ（K.H.
Chau）の米国特許第3,963,489号は、半導体ウエハの相
対する側の上にあるフォトマスクの位置合せをするため
の従来技術の一例である。チャウ（Chau）の技術は２つ
のフォトマスクの間にはさまれたウエハに重なるマスク
の対応する部分にある目印を使う。これらの印を適切に
あわせると、 ２つのマスクのパターンが間にはさまれているウエハに
対して位置合せされる。

１ミクロン以下の許容度でマスクの位置合せを行うこの
ような方式を用いる一つの問題は、位置合せをするため
の十分高パワーの顕微鏡は通常２つのマスクの間隔より
小さな視野深度をもつことである。従って、操作する者
は位置合せ操作中、位置合せの印を同時に両方見ること
はできない。この問題を解決する１つの方法は、２つの
マスクを近接させたままそれらの位置合せをし、次にウ
エハを挿入するためそれらを離す。実際には不可能では
なくとも、必要な近接許容度を保ったまま、必要な機械
的分離を行うことは、きわめて困難である。

本発明の要約 本発明に従うと、これらの問題は１つのマスクの周囲に
複数のゾーンプレートを作り、他方のマスクの周囲に複
数の透明なスリットを作り、各対応するスリットは対応
するプレートと位置合せされる。次に、ゾーンプレート
の１つを通して平行光を向け、ウエハの相対する側を位
置合せし、次にゾーンプレートにより焦点を合わせた光
ビームが対応する透明スリットを通過するまで、相互に
マスクを移動させることによりマスクの位置合せをする
と便利である。対応する透明スリットを有する３個のゾ
ーンプレートを、Ｘ、Ｙ及び角（又は０）方向の位置合
せ用に用いてよい。

透明スリットを通しての光ビームの透過は、光検出器に
より自動的に検出すると便利である。以下でより詳細に
説明するように、透明スリットを横切って光ビームを走
査し、走査中３本の光の強度を測定し、３つの強度点を
放物線にあわせるよう計算機を用いることにより、高精
度の位置合せが行える。計算機は放物線の最大値を決
め、次に透明スリットの中心に対応させ、マスクを光ビ
ームに対して移動させ、スリットの中心に光ビームを正
確にあわせる。

詳細な記述 第１図を参照すると、本発明の一般的な原理を示すため
の第１及び第２のフォトマスク11及び12が概略的に示さ
れている。便宜上フォトマスクのパターンも露出すべき
それらの間のウエハも示されていない。示されているデ
バイスは、マスク合せを目的とするためだけのものであ
る。

下部フォトマスク11の周囲に、３つのゾーンプレート13
A、13B及び13Cが配置されている。上部フォトマスク12
上のゾーンプレートとそれぞれ位置を合せて、３つの透
明スリット14A、14B及び14Cがある。図示されるよう
に、ゾーンプレートは回折要素で、それは同心円状に配
置された時、環状レンズとして働く。ゾーンプレート13
A−Ｃ及び透明スリット14A−Ｃは、写真食刻マスクパタ
ーンをフォトマスク中に作るのと同時に作ると便利であ
る。

光ファイバでよい光源16A−Ｃからの光は、コリメート
レンズ17A−Ｃにより平行にされ、ゾーンプレート13A−
Ｃを通して向けられる。ゾーンプレートは光の焦点をあ
わせビームにし、それはマスクが適切に位置合せされた
時、対応する透明スリット14A−Ｃを通過する。

本発明に従うと、マスクは上部フォトマスク12を下部マ
スク11に対してＸ、Ｙ及びＯ方向に、３つの焦点を合わ
せたビームが３個のスリット14A−Ｃを透過するまで移
動させることにより、位置合せされる。上部フォトマス
ク12はゾーンプレート13Aからの焦点のあった光が透明
スリット14Aを透過し、光検出器18Aにより検出されるま
でＹ方向に動かすのが好ましい。最初の検出の後、フォ
トマスク12は窓14Aを透過した光が最大となる位置を決
るため、ゆっくりＹ方向に走査される。最大光パワー透
過の位置は、もちろん光ビームに対して透明スリットの
正確な中心を示す。スリット14A−Ｃは位置合せ中走査
方向に対し垂直に、長さ方向をもつ。たとえばＹ方向位
置合せに使われるスリット14AはＸ方向に長さ方向をも
つ。スリット14C及び14BはＹ軸に平行な線に沿って配置
される。

Ｙ方向の位置合せの後、上部フォトマスクは光が検出器
18B及び18Cにより最初に検出されるまで、Ｘ方向に走査
される。走査中光が検出器18B及び18Cの両方により同時
に検出されるように、角方向の調整を行う。そのような
調整はＸ方向及びＯの位置合せを示す検出器18B及び18C
が同時に最大光パワー検出をするまで、ゆっくりしたＸ
方向の各走査の後行ってよい。すべての検出器18A−Ｃ
の最大パワー出力により示されるように、３方向すべて
の位置合せの後、マスク11及び12はウエハの露出のため
固定される。

第２図は光ファイバコネクタの製作に用いて成功した本
発明に従うフォトマスク位置合せシステムを概略的に示
す。第１図と同じ参照番号をもつ要素は、同じ機能を果
すので、更に説明は加えない。第１図のように位置合せ
のため実際に動くのは下部フォトマスクである。

フォトマスクホルダ20はフォトマスク11を支持し、図示
されるように、Ｘ及びＯ方向にステップモータ21により
駆動される。レンズ17B及び17C及び光ファイバ光源16B
及び16Cはフォトマスク11へ包み込むように固定され、
それによって駆動される。フォトマスク11及び12は処理
すべきシリコンウエハ（図示されていない）の相対する
側に配置される。ウエハは上面と下面がフォトレジスト
で被覆され、両方のフォトマスクはシリコンウエハに転
写すべきパターンを含む。位置合せの後、紫外光源24及
び25がフォトマスクを通してフォトレジストを露出し、
シリコンウエハのエッチングを制御するためにその後使
用されるパターンを規定する。マスク合せ及びエッチン
グの後、ウエハはチップに切断され、その後光ファイバ
のコネクタとして用いられる。

ホルダ20の組立及びウエハの特別のエッチングの必要性
は、本発明の非常に厳密さを要する位置合せ能力のた
め、Ｙ方向の位置合せには必要としない。特に、本装置
は他方の要素と正確にかみあうように、Ｘ及びＯ方向に
きわめて正確に位置合せされたチップの相対する側の溝
を必要とする光ファイバコネクタの製作を意図したもの
である。Ｏ方向の位置合せのため、ホルダ20はフォトマ
スク11及び12から離れた軸のまわりに、回転させる。

一部分が第３図に詳細に示されたフォトマスクは、本質
的にガラスプレートである。マスクパターン及び透明な
スリットがフォトマスク12の下部表面上に形成され、一
方ゾーンプレート及び下部フォトマスクパターンは、フ
ォトマスク11の上部表面上に形成される。スリット14B
及びゾーンプレート13Bが第３図に示されている。透明
スリット及びゾーンプレートはフォトマスク11及び12上
のマスクパターンの形成と同時に、かつ同じプロセスに
より、写真食刻マスク合せとエッチングにより作ると便
利である。

光源16B及び16Cは離れた光源から光を伝達するための光
ファイバで、レンズ17B及び17Cは光ファイバからの光を
平行にするためのガラスレンズである。光検出器18B及
び18Cの出力は、計算機27に向けられる。計算機は本発
明に従い周知の方法により自動的にプログラムされる。

計算機は上で述べたように、スリットを通して最大光強
度を検出するようプログラムできるが、スリットを焦点
のあったビームの中心により正確にあわせるより複雑な
方法も見出されている。位置合せ前にスリット又は上部
フォトマスク12上に焦点を合わせた光ビームは、第４図
の曲線29により示されるような強度分布をもつ。曲線29
すなわちゾーンプレートに焦点を合わせて得られた光分
布は、エアリー機能として知られている。スポットサイ
ズは最大強度の２分の１における曲線の一部の距離ｄと
とられる。第４図中に示されたスポットが長方形スリッ
トを横切って走査されるにつれ、光検出器により検出さ
れた光パワー又は積分された光強度は、第５図の曲線30
で示されるように、距離とともに変化する。曲線30は数
学的には第４図の曲線29と長方形スリットのたたみこみ
として知られている。点31は光がスリットに入り始める
走査方向の距離を表わし、点32は光ビームがスリットを
離れる点である。スポットは有限の幅をもつから、31と
32の間の距離はスリットの実際の幅より大きい。

先に述べたように、正確に最大を検出することは、曲線
の傾斜の変化の割合が、その最大値で比較的小さいた
め、幾分困難である。その代りスリットが最初に検出さ
れた後、光出力の等間隔のサンプル点が、ビームがスリ
ットを横切るとともにとられるよう、ゆっくりと段階状
に走査される。計算機は中心のピークの位置を決るた
め、放物線関数にこれらのサンプル点をあわせる。その
後の走査の開始は、より中心が得られるよう調整され、
操作は中心が得られるまで、くり返される。

３つのサンプル点を用いると、２つの出力サンプル点が
等しい時、中心があう。たとえば、第１のゆっくりした
走査中得られるサンプルの組が、点34、35及び36である
とする。点34の値は点36より低いから、続く走査はわず
かに右にずれた位置で始めなければならない。これは点
34を“曲線を上げ”、点36は“曲線を下げる”ように動
かすであろう。点34及び36における光パワーが等しい
時、点35はスリットの中央にあり、正確な位置合せが行
われたととることができる。そのような位置合せは自動
的で、１ミクロンより小さい許容度が得られる。

最初の光検出を行うための速い最初の走査中、走査ステ
ップはそれぞれ2.5ミクロンであった。

スリット幅は0.5ミクロンであった。遅い走査中各ステ
ップは1.5ミクロンで、それはスリット幅内で３つの読
み取りをするのに適当であった。最大値の２分の１にお
けるスポットサイズは2.5ミクロンであったが、検出し
うるスポットサイズ幅は著しく大きかった。

角方向又はＯ位置合せはＸ方向の位置合せと関連して行
う。２つの検出器により同時に検出されない光の量及び
光が検出される順序は、角方向の位置合せ誤差の大きさ
と方向を示す。計算機は速い走査と遅い走査の両方の
間、Ｏ調整を行うようプログラムされる。各遅い走査の
後、くり返し走査した最初の位置及びマスクの角方向位
置の両方が調節され、両スリット上の両方のビームの中
心が正確にあうまで走査がくり返される。位置合せの後
マスクはウエハの相対する側の上に固定され、光源24及
び25によるウエハの両側の露出が行われる。

これまで述べた具体的な実施例は、単に本発明を説明す
るためだけのものである。他の放射も光ビームと機能的
には等価である。透明スリットに対するビームの相対的
な動きは、ビーム又はスリットのいずれかが停止してい
ることを意味する。本発明の精神及び視野を離れること
なく、当業者には各種の修正及び実施例が提案されるで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に従うフォトマスク位置合せ
用装置の概略図； 第２図は本発明のもう一つの実施例に従うマスク合せ及
び露出装置の概略図； 第３図は第２図の装置の一部の拡大図； 第４図は第３図に示された光ビームにより生じる光強度
対距離のグラフを示す図； 第５図は第２及び３図の装置により生じる光パワー対距
離のグラフを示す図である。 ＜主要部分の符号の説明＞ 11、12……フォトマスク 13A、13B、13C……ゾーンプレート 14A、14B、14C……透明スリット 16A、16B、16C……光源 18A、18B、18C……光検出器

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フォトレジスト材料で平坦部を被覆する工
   程、その部分の相対する側の上の平坦な第１及び第２の
   マスクを位置合せする工程、マスクされた感光性材料を
   化学反応を起す光に露出する工程、感光性材料を現像す
   る工程及び平坦部分の選択的処理用マスクとして現像し
   た感光性被覆を用いる工程を含む平坦部からのデバイス
   製作方法において、 第１のマスク中に少くとも第１のゾーンプレートを形成
   する工程 第１のゾーンプレートの第１のマスク中の位置に対する
   あらかじめ決められた位置における第２のマスク中に、
   少くとも第１の透明スリットを形成する工程及び 位置合せ工程は第１のゾーンプレートを通して第２のマ
   スクに光ビームを向け、光が第１の透明スリットを通過
   するまで、第１のマスクに対して第２のマスクを移動さ
   せることを含むこと を特徴とする方法。
2. 【請求項２】第１のマスク中に第２のゾーンプレートを
   形成する工程； 第２のマスク中に第２の透明スリットを形成する工程； を特徴とし、 位置合せ工程は更に第２のゾーンプレートを通し、光ビ
   ームを第２のマスクに向け、第２の光ビームが第２の透
   明スリットを通過するまで、第１のマスクに対して第２
   のマスクを移動させることを含む請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】光ビームが第１の透明スリットを最初に透
   過した後、光ビームが第１の透明スリットの幅を走査す
   るよう第１のマスクに対して第２のマスクを移動させ； そのような走査中、スリットを透過した光強度の複数の
   測定を行い； 測定結果を放物線にあわせ； その後第１の透明スリットの中心が光ビームの中心と本
   質的に一致するよう第２のマスクの位置を決るために放
   物線が使われる請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】第１の透明スリットの幅を横切って光ビー
   ムをくり返し走査させ； 各走査の間、スリットを通して３つの光強度の測定を行
   い； 各走査の後、くり返し走査の開始の位置が３つの測定の
   うちの２つが本質的に等しく、距離対光強度の３つの測
   定が本質的に放物線を描くまで変えられ、 そのような放物線は光ビーム上に第１の透明スリットの
   中心を置くよう用いられる請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】第１のマスクに対して第１のマスクを移動
   させる工程は、基準構造に対して第２のマスクを固定す
   る工程、基準構造に対して第１のマスクを移動させる工
   程から成り、光ビームは第１のマスクに対して固定され
   る請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】第１のプレーナ部分中に第１及び第２のゾ
   ーンプレートを形成する工程、第１及び第２のゾーンプ
   レートとそれぞれ位置合せするよう第２の部分中に第１
   及び第２の透明開口を形成する工程、第１及び第２の開
   口と相対する第１のプレーナ部とそれぞれ隣接して、第
   １及び第２の光検出器を配置させる工程、第１のゾーン
   プレートを通して第１の光ビームを第２の部分に向ける
   工程及び第１のビームが第１の開口を透過し、第１の光
   検出器により検出され、第２の光ビームが第２の開口を
   同時に透過して、第２の検出器により検出されるまで、
   第１の部分に対し第２の部分を移動させる工程を含む第
   １及び第２のプレーナ部分の位置合せ方法。
7. 【請求項７】第１の部分に対して第２の部分を移動させ
   る工程は、Ｘの直線方向に第１の部分に対して第２の部
   分を移動させる工程を含む請求項６記載の方法。
8. 【請求項８】第１のプレーナ部に対して第２のプレーナ
   部を移動させる工程は、基準構造に対して第２の部分を
   静止させたまま保ち、基準構造に対して第１の部分を移
   動させる工程を含み、第１及び第２の光ビームは第１の
   入力に対して固定される請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】第１の部分に対して第２の部分を移動させ
   る工程は、角度方向に第１の部分に対して第２の部分を
   移動させることを含む請求項７記載の方法。
10. 【請求項１０】第１のプレーナ部分に第３のゾーンプレ
    ートを形成する工程、第３のゾーンプレートと位置合せ
    するよう第２の部分中に第３の透明開口を形成する工
    程、第３の開口に隣接し、第１のプレーナ部分と相対し
    て第３の光検出器を配置する工程、第３のゾーンプレー
    トを通して第２の部分に第３の光ビームを向ける工程、
    第３のビームが第３の開口を透過して第３の光検出器に
    より検出されるまで、第１の部分に対して第２の部分を
    移動させる工程が更に含まれる請求項６記載の方法。
11. 【請求項１１】第１及び第２の光ビームがそれぞれ第１
    及び第２の光検出器により検出されるまで、第２の部分
    を移動させる工程は、第１の部分に対してＸの直線方向
    に第２のプレーナ部分を移動させ、次に第１の部分に対
    して角度方向に第２のプレーナ部分を移動させる工程及
    び第３の光ビームが検出されるまで第２の部分を移動さ
    せる工程は、第１の部分に対しＸ方向には垂直なＹの直
    線方向に第２のプレーナ部分を移動させる工程を含む請
    求項10記載の方法。
12. 【請求項１２】第１の光ビームの最大光強度が第１の光
    検出器により検出され、第２の光ビームの最大光強度が
    第２の光検出器により検出されるよう、第１の部分に対
    して第２の部分が配置される請求項６記載の方法。
13. 【請求項１３】第１及び第２の光ビームがそれぞれ第１
    及び第２の開口の幅を横切って走査するようにされ、各
    開口を通過した光強度を３ケ所での等間隔の測定を行
    い、各走査の後くり返し走査の開始位置及び第２のマス
    クの角度方向が、３ケ所の測定のうちの２つが本質的に
    等しく、距離対光強度の３つの測定結果がそれぞれ本質
    的に放物線を描くまで変えられ、放物線はそれぞれ第１
    のビーム上に第１の開口の中心が来て、第２のビーム上
    に第２の開口の中心が来るように使われる請求項12記載
    の方法。
14. 【請求項１４】フォトレジスト材料で平坦部を被覆する
    工程、平坦部の相対する側にある平坦な第１及び第２の
    マスクの位置合せをする工程、マスクされた感光性材料
    を化学的作用をもつ光に露出する工程、感光性材料を現
    像する工程及び現像した被膜を平坦部の選択的な加工の
    ためのマスクとして使用する工程を含む平坦部からのデ
    バイス製作方法において、 第１のマスク中に第１の開口を形成する工程； 第１の開口と位置合せして第２のマスク中に第２の開口
    を形成する工程及び 位置合せする工程が第１の開口を通して第２のマスクに
    光を向ける工程及び光ビームが第１及び第２の開口を透
    過するまで第２のマスクに対して第１のマスクを相対的
    に移動させる工程を含むことを特徴とする方法。
15. 【請求項１５】第１の開口がゾーンプレートで、 第２の開口が透明スリットで、 第１及び第２の開口を貫いての光ビームの透過を同時に
    検知するために、光検出器を用いる請求項13記載の方
    法。
16. 【請求項１６】第２のマスクに対して第１のマスクを相
    対的に移動させる工程は、第１及び第２の開口を貫いて
    の光の透過が最大になる位置を決るため、光ビームで開
    口をくり返し走査する工程及び第１及び第２の開口を貫
    く光の透過が最大になるような位置において、第１のマ
    スクに対して第２のマスクを固定する工程を含む請求項
    14記載の方法。
17. 【請求項１７】第１のマスク中に第３の開口を形成し、 第３の開口と位置合せして第２のマスク中に第４の開口
    を形成し、 位置合せ工程は第３の開口を通して第２のマスクに第２
    の光ビームを向ける工程及び第２の光ビームが第３及び
    第４の開口を透過するまで、第２のマスクに対して第１
    のマスクを移動させる工程を含む請求項14記載の方法。