DD243629A3

DD243629A3 - Strahlungsquelle fuer optische geraete, insbesondere fuer fotolithografische abbildungssysteme

Info

Publication number: DD243629A3
Application number: DD83256179A
Authority: DD
Inventors: Walter Gaertner; Klaus Guenther; Wolfgang Retschke
Original assignee: Walter Gaertner
Priority date: 1983-11-01
Filing date: 1983-11-01
Publication date: 1987-03-11
Also published as: NL8403294A; JPS60202936A; FR2554302A1; CH666776A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle fuer optische Geraete, insbesondere fuer fotolithografische Abbildungssysteme. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine leistungsstarke, scharf begrenzte und raeumlich partiell kohaerente Strahlungsquelle zu schaffen. Ziel ist es dabei, eine hohe Lebensdauer der Strahlungsquelle zu erreichen und beim Einsatz in fotolithografischen Einrichtungen eine genaue und schnelle Belichtung von fotoempfindlichen Schichten zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass in einem gasdichten, mit einem Arbeitsmedium gefuellten Gefaess Eintritts- und Austrittsoeffnungen vorgesehen sind, ueber die durch optische Mittel zur Fokussierung die Strahlung externer Laser im Entladungsmedium in einem Abstand zur Wand des Gefaesses konzentriert wird. Desweiteren wird die vorteilhafte Ausgestaltung des Gefaesses und der Anordnung der Laser dargelegt. Fig. 2

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle für optische Geräte, insbesondere für fotolithografische Abbildungssysteme. Sie ist vorzugsweise dort anwendbar, wo eine Strahlungsleistung benötigt wird, die größer ist als die von Quecksilber-Hochdrucklampen, wie zum Beispiel in fotolithografischen Einrichtungen zur Belichtung einer Fotolackschicht auf einer Halbleiterscheibe.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind zur Zeit zahlreiche Strahlungsquellensysteme bekannt, die in wissenschaftlichen Geräten eingesetzt werden und deren Eigenschaften den Bedingungen des Einsatzgebietes weitgehend angepaßt wurden. Diese Eigenschaften betreffen die spektrale Verteilung der Emission und die erreichbare Strahldichte sowie die räumliche und Winkelverteilung der erzeugten Strahlung. Forderungen nach spektralen Strahlungsleistungen, die die spektrale Strahlungsleistung eines schwarzen Strahlers oberhalb des Schmelzpunktes fester Körper übersteigen, können nur durch Plasma erfüllt werden. Plasmen erzeugt man durch Aufheizung eines Arbeitsmediums, vorzugsweise, indem man einen elektrischen Strom hindurchfließen oder hochfrequente elektromagnetische Felder einwirken läßt. Die erreichbaren Strahldichten sind nach oben begrenzt durch die maximale je Volumeneinheit umsetzbare elektrische Leistung, der die Elektroden- und Wandmaterialien thermisch standhalten. Bei Hochfrequenzaufheizung entfällt die Begrenzung durch Elektrodenbelastung, es kommt aber das Problem der räumlichen Konzentrierung der Hochfrequenz-Energie hinzu.

Verzichtet man auf stationären Betrieb der Strahlungsquelle, so ist eine kurzzeitige Steigerung des Leistungsumsatzes um einige Größenordnungen dadurch möglich, daß die Umwandlung der eingespeisten Leistung in Strahlung erheblich schneller verläuft, als ihre Übertragung auf die Wände und, sofern vorhanden. Elektroden des Entladungsgefäßes. Aber auch in dieser Betriebsart ist neben mechanischen Belastungen durch Stoßwellen, die aber nur in ungünstigen Fällen hinreichend wirken, die Abdampfung und Erosion der Wand- und Elektrodenmaterialien bei einer geforderten Lebensdauer der Strahlungsquelle ein Hindernis bei der Erzeugung intensiver Strahlungsflüsse. Da^ei ist zu beachten, daß bei stationär wie impulsmäßig betriebenen Quellen oberhalb eines typabhängigen Leistungspegels, der bei den technischen Anwendungen praktisch überall bereits erreicht ist, jede weitere Steigerung der Strahlungsleistung mit einer unverhältnismäßig starken Verringerung der Lebensdauer erkauft werden muß. Eine solche kurzlebige Strahlungsquelle ist aber für sehr viele Einsatzzwecke unbrauchbar, weil sie den Wartungsäufwand der mit ihnen bestückten Geräte unzumutbar erhöht, wenn man bedenkt, daß ein Lampenwechsel in der Regel mit hohem Justieraufwand und zeitraubender Anpassung des optischen Übertragungssystems an den spezifischen Strahlungsfluß jeder einzelnen Lampe verbunden ist.

Innerhalb gewisser Grenzen läßt sich die Strahlungsleistung unter Beibehaltung der Gesamtbelastung der Strahlungsquelle durch selektive Umwandlung der investierten elektrischen Energie in Strahlung bei gewünschter Wellenlänge und bevorzugter Ausbreitungsrichtung steigern. Dies ist möglich durch eine optimierte Zusammensetzung des Arbeitsmediums sowie durch optimale Druck- und Temperaturverhältnisse des Plasmas bei der Abstrahlung. Dabei sind jedoch Einschränkungen zu beachten, die sich aus der Unverträglichkeit verschiedener Arbeitsmedien mit den Elektroden- und Wandmaterialien bei Arbeitstemperatur ergeben, so daß häufig mit Rücksicht auf die Standzeit der Materialien die Entladungsbedingungen fern vom Optimum gewählt werden müssen. Weitere Einschränkungen ergeben sich bei nichtstationärem Betrieb dadurch, daß die Strahlungsquelle gleichzeitig die Funktion eines elektrischen Hochleistungsschalters und die eines Wandlers elektrischer Energie in Strahlung erfüllen muß. Auch hier wird der Optimierungsspielraum für eine effektive Strahlungserzeugung eingeschränkt, weil ein zuverlässiges Zünden und Durchschalten an gewisse Plasmazustände gebunden ist.

Sowohl für den stationären als auch den Impulsbetrieb ergeben sich bei Strahlern mit Elektroden abgeschattete Raumwinkelbereiche, in denen die Strahlung nicht genutzt werden kann, obwohl der Einsatz geeigneter optischer Bauelemente wie z. B. Ellipsoidreflektoren und/oder Lichtleitfasern eine Ausnutzung auch dieser Bereiche gestatten würde, und damit ein Maximum an abgestrahlter Energie dem optischen System zugeführt werden könnte.

Zur Ausleuchtung optischer Systeme bei der fotolithografischen Mikrostrukturierung werden auch Laser als Strahlungsquellen verwendet (SPIE Vol. 174 [1979], S.28...36, „Coherent illumination improves step-and-repeat printing on wafers", by Michel Lacombat et al.) Die hauptsächlichen Einschränkungen derartiger Lichtquellen ergeben sich aus ihrer hohen räumlichen Kohärenz und damit verbundenen Strukturverzerrungen, ihrer hohen Monochromasie und damit verbundenen Stehende-Wellen-Effekten im fotoempfindlichen Material. Weiterhin stehen im allgemeinen in vorteilhaften Spektralbereichen Laser mit hoher Strahlungsleistung bzw. günstigem Wirkungsgrad nicht zur Verfügung.

Anwendungen mit Excimer-Lasern, die die erforderliche Energie im gewünschten Wellenlängenbereich (UV-Bereich) emittieren, sind auf kontaktlithografische Verfahren beschränkt (SPIE Vol. 334 [1982], S.259...262, „Ultrafast high resolution contact Lithography using excimer laser", by K.Jain et al.), da die zur Ausleuchtung projektionslithografischer Systeme erforderliche räumliche partielle Kohärenz nicht in einem Maße realisiert werden kann, das einen technischen Einsatz rechtfertigt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer leistungsstarken Strahlungsquelle, welche eine hohe Lebensdauer aufweist und die es gestattet, einen großen Raumwinkelbereich zu erfassen und die eine genaue und schnelle Belichtung von fotoempfindlichen Schichten erlaubt und damit eine hohe Produktivität bei fotolithografischen Einrichtungen gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle für optische Geräte, insbesondere für fotolithografische Abbildungssysteme zu schaffen, die die Strahlung eines Plasmas verwendet. Durch räumliche Trennung des Plasmas von der Wand oder anderen Einrichtungen eines Gefäßes sowie durch NichtVerwendung von Elektroden im Gefäß und Hochfrequenzfeldern zur räumlichen Konzentrierung der Energie soll eine hohe Lebensdauer und hohe Leistungsdichte erreicht werden. Des weiteren verringern sich die Belastungen des Gefäßes durch Stoßwellen bei Impulsbetrieb der Strahlungsquelle, und abgeschattete Raumwinkelbereiche durch Elektroden oder andere Einrichtungen im Gefäß treten nicht in Erscheinung.

Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle soll einen weiten Optimierungsspielraum für eine Strahlungserzeugung im gewünschten Wellenlängenbereich besitzen, da Arbeitsmedium, Druck- und Temperaturbedingungen nicht nach Verträglichkeit mit Elektrodenmaterialien ausgewählt werden müssen.

Gegenüber Laserstrahlung hat die Strahlungsquelle den Vorteil, daß sie speziell bei fotolithografischen Abbildungssystemen eine hohe räumlich partielle Kohärenz aufweist und spektral so aufgebaut ist, daß StehenderWellen-Effekte im fotoempfindlichen Material verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem gasdichten, mit einem Entladungsmedium gefüllten Gefäß mindestens eine für Laserstrahlung durchlässige Eintrittsöffnung sowie mindestens eine für Plasmastrahlung durchlässige Austrittsöffnung vorgesehen sind, und daß zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines strahlenden Plasmas im Entladungsmedium in an sich bekannter Weise mindestens ein Laser außerhalb des Gefäßes vorgesehen ist, wobei optische Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung im Entladungsmedium über eine Eintrittsöffnung angeordnet sind, so daß das Plasma einen Abstand zur Wand des Gefäßes aufweist und die Plasmastrahlung über die Austrittsöffnung das Gefäß verläßt.

Wenn die zugeführte Strahlungsleistung eines Lasers für einen Durchschlag im Entladungsmedium nicht ausreichend ist, dann ist es vorteilhaft, daß zur Zündung des Entladungsmediums außerhalb des Gefäßes mindestens ein weiterer impulsförmig betriebener Laser angeordnet ist, der durch optische Mittel zur Fokussierung über eine Eintrittsöffnung auf das gleiche Volumen gerichtet ist.

Eine günstige Variante hinsichtlich der Veränderung der örtlichen Lage des strahlenden Plasmas ergibt sich, wenn die optischen Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung außerhalb des Gefäßes angeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann man vorteilhaft Einrichtungen zur Justierung der optischen Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung vorsehen.

Eine vorteilhafte Vereinfachung im Aufbau der Strahlungsquelle ergibt sich, wenn optische Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung innerhalb und/oder in der Wand des Gefäßes angeordnet sind. So bietet sich die Möglichkeit, daß die innere Wand des Gefäßes als optisches Mittel zur Fokussierung der von außen zugeführten Laserstrahlung ausgebildet ist.

Zur Erfassung eines möglichst großen Raumwinkelbereiches ist es vorteilhaft, daß die innere Wand des Gefäßes als optisches Mittel zur Abbildung der vom Plasma ausgehenden Strahlung ausgeführt ist. Zweckmäßigerweise wird dann die innere Wand des Gefäßes als Konkavspiegel oder als Ellipsoidspiegel ausgeführt.

Vorteilhaft in bezug auf die Erzielung hoher Strahldichten und zur Erhöhung der Lebensdauer ist es, wenn an das Gefäß ein externes Kühlsystem angebracht ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand von folgenden Figuren näher erläutert:

Fig. 1: zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle in schematischer Darstellung; Fig. 2: zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die innere Wand des Gefäßes als optisches Bauelement ausgelegt wurde; Fig.3und4: zeigen Anwendungen, bei denen das Entladungsgefäß als Ellipsoidreflektor ausgelegt wurde.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle in schematischer Darstellung, wo sich in einem gasdichten Gefäß 1 das Entladungsmedium 2 befindet. Das Gefäß 1 besitzt zwei für Laserstrahlung durchlässige Eintrittsöffnungen 3 und 4 sowie eine für Plasmastrahlung durchlässige Austrittsöffnung 5. Die Eintrittsöffnung 3 ist durch das infrarotdurchlässige Fenster 6, und die Eintrittsöffnung 4 ist durch die ultraviolettdurchlässige Linse 7 verschlossen. Die Austrittsöffnung 5 ist mit dem Fenster 8 versehen. Außerhalb des Gefäßes 1 sind zwei Laser 9 und 10 vorgesehen. Die kohärente Strahlung 11 des Lasers 9, welcher ein stationärer CO₂-Laser ist, tritt durch das Fenster 6 in das Gefäß 1 und wird mit dem an der Wand des Gefäßes angeordneten Konkavspiegel 12 fokussiert. Der Strahl 13 des Lasers 10, welcher ein Stickstoff-Impulslaser ist, wird mit Hilfe der UV-durchlässigen Linse 7 auf den gleichen Punkt fokussiert und erzeugt dort einen elektrischen Durchschlag und dadurch ein absorptionsfähiges Plasma 14, das durch die Strahlung 11 auf hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Durch das Fenster 8 kann die Strahlung 15 des Plasmas dem nachgeschalteten optischen System zugeführt werden. Wenn die Strahlungsquelle impulsmäßig betrieben werden soll, wird anstelle des kontinuierlichen Lasers 9 ein gepulster CO₂-Laser eingesetzt. Auf den Impulslaser 10 kann dann in der Regel verzichtet werden, da die Feldstärke des gepulsten CO₂-Lasers in vielen Fällen für den Durchschlag ausreicht. Mit einer solchen Anordnung können zum Beispiel in einer Argon- oder Xenonatmosphäre als Arbeitsmedium mit einem Druck von 10⁶Pa etwa ellipsoidförmige Plasmen von 4mm bis 5mm Durchmesser bis zu einer Temperatur von 16000 K erzeugt werden. Die optische Tiefe und die Temperatur können durch Veränderung des Druckes in weiten Grenzen variiert werden: Bei steigendem Druck fällt die Temperatur, und die spektrale Verteilung nähert sich der Planckfunktion. Bei geringeren Drücken steigt die Temperatur, und die Emission wird linienhaft. Temperaturen weit oberhalb 20000 K können mit Helium als Arbeitsmedium, das in konventionellen elektrisch betriebenen Impulslichtquellen wegen der erheblichen

In Fig. 3 und Fig.4 sind Anwendungen dargestellt, in denen die Entladungsgefäße 35 und 36 als Ellipsoidreflektor ausgelegt wurden. Der Strahl 37 des CO₂-Lasers 38 wird mit Hilfe der Fokussierelemente, eines Konkavspiegels 39 beziehungsweise einer infrarotdurchlässigen Linse 40, auf die Brennpunkte 41 und 42 des durch die Reflexionsschichten der Ellipsoidspiegel 43 und 44 gebildeten Eilipsoide fokussiert. Das vom strahlenden Plasma emittierte Licht wird durch den Ellipsoidspiegel im zweiten Brennpunkt 45 beziehungsweise 46 des Ellipsoids gesammelt. Das in diesen Brennpunkten 45,46 abgebildete strahlende Plasma dient als sekundäre Strahlungsquelle für das mit den Kondensorlinsen 47,48 beginnende nachgeschaltete optische System.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Strahlungsquellefür optische Geräte, insbesondere für fotolithografische Abbildungssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gasdichten, mit einem Entladungsmedium gefüllten Gefäß mindestens eine für Laserstrahlung durchlässige Eintrittsöffnung sowie mindestens eine für Plasmastrahlung durchlässige Austrittsöffnung vorgesehen sind, und daß zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines strahlenden Plasmas im Entladungsmedium in an sich bekannter Weise mindestens ein Laser außerhalb des Gefäßes vorgesehen sind, wobei optische Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung im Entladungsmedium über eine Eintrittsöffnung angeordnet sind, so daß das Plasma einen Abstand zur inneren Wand des Gefäßes aufweist und die Plasmastrahlung über die Austrittsöffnung das Gefäß verläßt.
2. Strahlungsquelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Zündung des Entladungsmediums außerhalb des Gefäßes mindestens ein weiterer impulsförmig betriebener Laser angeordnet ist, der durch optische Mittel zur Fokussierung über eine Eintrittsöffnung auf das gleiche Volumen gerichtet ist.
3. Strahlungsquelle nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung außerhalb des Gefäßes angeordnet sind.
4. Strahlungsquelle nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Justierung der optischen Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung vorgesehen sind.
5. Strahlungsquelle nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß optische Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung innerhalb und/oder in der Wand des Gefäßes angeordnet sind.
6. Strahlungsquelle nach Punkt 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand des Gefäßes als optisches Mittel zur Fokussierung der von außen zugeführten Laserstrahlung ausgebildet ist.
7. Strahlungsquelle nach Punkt 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand des Gefäßes als optisches Mittel zur Abbildung der vom Plasma ausgehenden Strahlung ausgeführt ist.
8. Strahlungsquelle nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand des Gefäßes teilweise als Konkavspiegel oder als Ellipsoidspiegel ausgeführt ist.
9. Strahlungsquelle nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß an das Gefäß ein externes Kühlsystem angebracht ist.