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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mehrfachbelichtung mindestens
eines mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichteten Substrats,
eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Mehrfachbelichtung
mindestens eines mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichteten
Substrats sowie ein Projektionssystem mit einem Beleuchtungssystem
und einem Projektionsobjektiv.
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Die
Leistungsfähigkeit
von Projektionsbelichtungsanlagen für die mikrolithographische
Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten
Bauteilen wird wesentlich durch die Abbildungseigenschaften der
Projektionsobjektive bestimmt. Darüber hinaus werden die Bildqualität und der
mit der Anlage erzielbare Wafer-Durchsatz wesentlich durch Eigenschaften
des dem Projektionsobjektiv vorgeschalteten Beleuchtungssystems
beeinflusst. Dieses muss in der Lage sein, das Licht einer primären Lichtquelle,
beispielsweise eines Lasers, mit möglichst hohem Wirkungsgrad
zu präparieren und
dabei in einem Beleuchtungsfeld des Beleuchtungssystems eine möglichst
gleichmäßige Intensitätsverteilung
zu erzeugen.
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Je
nach der Art und Größe der auf
dem Wafer zu erzeugenden Strukturen können geeignete Belichtungsparameter
am Beleuchtungssystem und/oder dem Projektionsobjektiv eingestellt
werden. Am Beleuchtungssystem kann beispielsweise konventionelle
Beleuchtung mit unterschiedlichen Kohärenzgraden sowie Ringfeldbeleuchtung
oder polare Beleuchtung zur Erzeugung einer außeraxialen, schiefen Beleuchtung
eingestellt werden. Am Projektionsobjektiv kann die numerische Apertur
eingestellt werden.
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Die
Wahl geeigneter Belichtungsparameter kann unter anderem dazu dienen,
bei einer vorgegebenen Wellenlänge
der primären
Lichtquelle Strukturen abzubilden, die aufgrund ihrer geringen Strukturgrößen bei
Verwendung anderer Belichtungsparameter nicht mit ausreichender
Güte abbildbar
wären.
Oft ist jedoch mit einer Wahl von Belichtungsparametern, bei der
solche feinen Strukturen aufgelöst
werden können,
eine große
Belichtungszeit verbunden, so dass der Wafer-Durchsatz gering ausfällt. Bei
einer Wahl von Belichtungsparametern, bei der ein höherer Wafer-Durchsatz
erzielt wird, können
solche feinen Strukturen häufig
nicht richtig aufgelöst
werden, wohl aber Strukturen mit größeren Strukturgrößen.
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Da
die auf dem Wafer zu erzeugenden Strukturen sich häufig in
feine und grobe Strukturen einteilen lassen, kann es günstig sein,
eine Doppelbelichtung des Wafers durchzuführen, bei der zur Abbildung
der groben Strukturen ein erster Satz von Belichtungsparametern
verwendet wird, für
die Abbildung der feinen Strukturen hingegen ein vom ersten verschiedener
zweiter Satz von Belichtungsparametern. Die Belichtungsparameter
des ersten Satzes können
z.B. so gewählt
werden, dass zur Abbildung der groben Strukturen nur eine geringe
Belichtungszeit benötigt
wird. Die Belichtungsparameter des zweiten Satzes können so
optimiert sein, dass nur diejenigen Strukturen abgebildet werden,
die so fein sind, dass sie mit dem ersten Satz von Belichtungsparametern
nicht abbildbar sind. Natürlich
sind auch Mehrfachbelichtungen mit mehr als zwei Belichtungen möglich.
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Bei
einer bekannten Art von Doppelbelichtung wird mit einem ersten Satz
von Belichtungsparametern eine Belichtung mittels einer Amplitudenmaske
durchgeführt.
Hierbei können
zur Erhöhung
der Auflösung
schräge
Beleuchtung wie z.B. annulare, Dipol- oder Quadrupolbeleuchtung
verwendet werden. Eine zweite Belichtung mit einem zweiten Satz von
Belichtungsparametern wird mittels einer Phasenmaske durchgeführt. Hierbei
wird am Beleuchtungssystem normalerweise eine kohärente Beleuchtung
mit kleinem Kohärenzgrad σ eingestellt.
Ein solches Verfahren wird z.B. in dem Artikel „Improving Resolution in Photolithography
with a Phase-Shifting Mask" von
M.D. Levenson, N.S. Viswanathan, R.A. Simson in IEEE Trans. Electr.
Dev., ED-29(12), pp. 1828–1836,
1982 sowie in dem Artikel „Pertormance Optimization
of the Double-Exposure" von G.N. Vandenberghe,
F. Driessen, P.J. van Adrichem, K.G. Ronse, J. Li, L. Karlaklin
in Proc. of the SPIE, Vol. 4562, pp. 394–405, 2002 dargestellt. Bei
dem dort beschriebenen Verfahren zur Mehrfachbelichtung wird zunächst ein
erster Satz von Belichtungsparametern für die erste Belichtung am Projektionssystem
eingestellt. Danach wird ein zweiter Satz von Belichtungsparametern
für die
zweite Belichtung am Projektionssystem eingestellt, was eine Umkonfiguration
des Projektionssystems erfordert. Durch diese Umkonfiguration des
Projektionssystems vom ersten auf den zweiten Satz von Belichtungsparametern
tritt ein Zeitverlust sowie ein mechanischer Verschleiß der Teile
auf, deren Position und/oder Form bei der Umkonfiguration verändert werden
muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Mehrfachbelichtung
bereitzustellen, welches einen hohen Wafer-Durchsatz ermöglicht.
Außerdem
soll eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungs anlage zur Durchführung eines
solchen Verfahrens bereitgestellt werden, mit der im Vergleich zu
herkömmlichen
Systemen eine Steigerung der Produktivität bei mindestens gleichbleibender
Qualität
und geringeren Kosten möglich
ist. Zudem sollen kostengünstige
Projektionssysteme bereitgestellt werden, welche bei einem solchen
Verfahren eingesetzt werden können.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
mit den Merkmalen von Anspruch 12, sowie ein Projektionssystem mit
den Merkmalen von Anspruch 28.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Der Wortlaut sämtlicher
Ansprüche
wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
der eingangs genannten Art umfasst folgende Schritte: Durchführen einer
ersten Belichtung des Substrats gemäß eines ersten Satzes von ersten
Belichtungsparametern. Durchführen
mindestens einer zweiten Belichtung des Substrats gemäß eines
zweiten Satzes von zweiten Belichtungsparametern, wobei für die erste
Belichtung ein erstes Projektionssystem und für die zweite Belichtung ein
von dem ersten Projektionssystem räumlich getrenntes zweites Projektionssystem
verwendet wird. An dem ersten und zweiten räumlich getrennten Projektionssystem
können die
Sätze von
Belichtungsparametern für
die jeweilige Belichtung optimiert eingestellt werden. Ein Verstellen
der Projektionssysteme während
der Mehrfachbelichtung ist daher nicht notwendig, so dass einerseits
Zeit eingespart werden und andererseits kein durch das Umstellen
der Belichtungsparameter bedingter Verschleiß an beweglichen Teilen der
Projektionssysteme auftreten kann. Die Reihenfolge von erster und
zweiter Belichtung kann den Erfordernissen des Prozesses angepasst
werden. Das erste und das zweite Pro jektionssystem können für eine vereinfachte
Durchführung
des Verfahrens vorteilhafterweise in einer gemeinsamen Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
angeordnet sein.
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Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die erste Belichtung mit
Hilfe einer ersten Maske und die zweite Belichtung mit Hilfe einer
von der ersten Maske verschiedenen zweiten Maske durchgeführt. Bei
Verwendung von verschiedenen Masken für beide Belichtungen können z.B.
Strukturen mit einer ersten Strukturrichtung mittels der ersten
Maske und Strukturen mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen
Strukturrichtung mittels der zweiten Maske auf das Substrat abgebildet
werden.
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Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens ist die erste Maske eine Amplitudenmaske
und die zweite Maske eine Phasenmaske. Eine Abbildung von groben
Strukturen kann mit der Amplitudenmaske erfolgen, die als Transmissionsmaske
oder Reflexionsmaske ausgebildet sein kann. Feine Strukturen können mit
der Phasenmaske auf das Substrat übertragen werden, die ebenfalls
in Transmission oder Reflexion betrieben werden kann.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens enthält
der erste Satz von Belichtungsparametern mindestens einen Belichtungsparameter,
der bei dem zweiten Projektionssystem nicht eingestellt oder einstellbar
ist und/oder der zweite Satz von Belichtungsparametern enthält mindestens
einen Belichtungsparameter, der bei dem ersten Projektionssystem
nicht eingestellt oder einstellbar ist. Durch Einstellen von unterschiedlichen
Belichtungsparametern an den beiden Projektionssystemen können diese
für verschiedene
Belichtungsarten optimiert werden. Hierdurch kann die Komplexität jedes
einzelnen für die
Belichtung verwendeten Projektionssystems reduziert werden. Eine
solche Reduktion der Komplexität
von Projektionssystemen kann zu einer Kostenreduktion beitragen.
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Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens weist ein Satz von Belichtungsparametern
mindestens einen Belichtungsparameter aus folgender Gruppe auf: Kohärenzgrad σ der Beleuchtung,
Annularität
der Beleuchtung, Polarität
der Beleuchtung, Orientierung der Beleuchtung in Bezug auf mindestens
eine Strukturrichtung der Maske, Zeitprofil der Belichtung, Wellenlänge der
Belichtung.
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Als
Kohärenzgrad σ der Beleuchtung
wird das Verhältnis
der ausgangsseitigen numerischen Apertur des Beleuchtungssystems
zur eingangsseitigen numerischen Apertur eines nachfolgenden Projektionsobjektivs
bezeichnet. Dabei entsprechen kleine Werte von σ einer weitgehend oder vollständig kohärenten Beleuchtung,
während
die Köhärenz abnimmt,
je größer σ wird. Unter
Annularität
versteht man die radiale Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichtes
in einer Pupillenebene. Man unterscheidet hierbei zwischen verschiedenen
Formen von Beleuchtung, je nachdem ob ein Anteil der Lichtintensität in der
Nähe der
optischen Achse (axiale Beleuchtung) liegt oder ob ein Hauptteil
weiter davon entfernt lokalisiert ist (außeraxiale Beleuchtung). Unter
Polarität
der Beleuchtung wird die radiale Symmetrie einer außeraxialen
Beleuchtung verstanden. Bei dieser kann es sich z.B. um eine Dipolsymmetrie
oder eine Quadrupolsymmetrie handeln. Eine solche multipolare Beleuchtung
kann in Bezug auf mindestens eine Strukturrichtung der Maske eine
bestimmte Orientierung aufweisen. Diese Orientierung kann so gewählt werden,
dass eine Verbesserung der Abbildungsqualität erreicht wird.
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Unter
dem Zeitprofil der Belichtung wird nicht nur der Belichtungszeitraum,
sondern auch der zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität während des
Belichtungszeitraums verstanden. Die Wellenlänge des Beleuchtungslichts
kann sich von Belichtung zu Belichtung bzw. zwischen den Projektionssystemen
unterscheiden, wodurch eine Anpassung an die abzubildenden Strukturen
erreicht werden kann.
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Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Position des Substrats
bei der zweiten Belichtung im zweiten Projektionssystem so eingestellt,
dass sie mit einer äquivalenten
Position des Substrats bei der ersten Belichtung im ersten Projektionssystem
mit einer Genauigkeit einstellbar ist, die klein gegen die kleinste
abzubildende Strukturgröße ist.
Dadurch wird eine wirksame Kontrolle des Overlays zwischen Strukturen,
die bei der ersten und der zweiten Belichtung abgebildet werden,
ermöglicht.
Eine solche Kontrolle wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität der mit dem
Verfahren auf dem Substrat erzeugbaren Strukturen aus. Die Genauigkeit,
mit der die Overlay-Kontrolle für
den Anwendungsfall einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
durchgeführt
werden sollte, liegt im Bereich von wenigen Nanometern. Um diese
Genauigkeit zu erreichen, kann das Substrat im Projektionssystem
mittels einer messungsunterstützten
Positionierungsvorrichtung positioniert werden.
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Bei
einer Ausführungsform
des Verfahrens wird zwischen der ersten Belichtung und der zweiten Belichtung
ein Transfer des Substrats vom ersten Projektionssystem zum zweiten
Projektionssystem durchgeführt.
Durch den Transfer des Substrats müssen die beiden Projektionssysteme
nicht bewegt werden. Für
den Transfer des Substrats kann in einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
eine geeignete Transporteinrichtung vorgesehen sein. Alternativ
kann natürlich
auch das Substrat bei der ersten und der zweiten Belichtung am selben
Ort verbleiben, wenn die Projektionsobjektive relativ zum Substrat
verfahren werden.
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Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Substrat beim Transfer
nach dem Entfernen aus dem ersten Projektionssystem und vor dem
Einbringen in das zweite Projektionssystem zwischengelagert. Hierzu
kann eine Zwischenlagerungsvorrichtung vorgesehen werden. Das Zwischenlagern
ermöglicht
das Fortsetzen der Durchführung
von ersten Belichtungen, selbst wenn die zweite Belichtung nicht
direkt im Anschluss an die erste Belichtung durchgeführt werden
kann. Dies kann sich insbesondere dann als vorteilhaft erweisen,
wenn die zweite Belichtung eine längere Zeitdauer benötigt als
die erste Belichtung, oder wenn am zweiten Projektionssystem Wartungsarbeiten,
Reinigungsarbeiten etc. durchgeführt
werden müssen.
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Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens wird für eine Belichtung an einem
Projektionssystem in dieser Reihenfolge eine Eingabe des Substrats
in den Bereich einer Belichtungsposition, eine messungsunterstützte Positionierung
in die Belichtungsposition, die Belichtung und eine Ausgabe des
Substrates aus der Belichtungsposition durchgeführt, wobei eine messungsunterstützte Positionierung
eines ersten Substrats im ersten Projektionssystem und eine Belichtung
eines zweiten Substrats im zweiten Projektionssystem mindestens
zeitweise gleichzeitig durchgeführt
werden. Durch ein solches paralleles Arbeiten an zwei Substraten
gleichzeitig kann der Wafer-Durchsatz, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzielbar ist, wesentlich gesteigert werden. Darüber hinaus kann die Lichtquellenauslastung deutlich
erhöht
werden.
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Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens wird für eine erste Belichtung als
Belichtungsparameter eine erste polare Beleuchtung und für mindestens eine
zweite Belichtung als Belichtungsparameter eine zweie polare Beleuchtung
mit zur ersten Belichtung unterschiedlicher Orientierung eingestellt.
Insbesondere bei Verwendung von Dipolbeleuchtung können hierdurch
Strukturen mit unterschiedlichen Orientierungen besonders vorteilhaft
auf das Substrat übertragen
werden.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens erfolgt die erste und die zweite Belichtung mit dem
Licht derselben zugeordneten Lichtquelle. Durch Verwendung von zwei
oder mehr Projektionssystemen mit einer gemeinsamen Lichtquelle
zur Durchführung
des Verfahrens lassen sich Kosten einsparen. Als Verteilungseinrichtung
kann eine verstellbare op tische Weiche zur wahlweisen Umlenkung
von Licht zum ersten oder zum zweiten Projektionssystem in einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
vorgesehen sein. Eine solche Weiche kann schnell angesteuert werden,
so dass das Licht am Projektionssystem zum gewünschten Zeitpunkt zur Verfügung steht.
Die Weiche kann mindestens einen drehbaren und/oder verschiebbaren
Spiegel oder ein entsprechendes Umlenkprisma aufweisen. Durch Verwendung
eines solchen Spiegels oder Prismas kann der Lichtverlust bei der
Umlenkung gering gehalten werden. Alternativ zu einer mit einer
Lichtquelle zeitlich getrennt durchgeführten ersten und zweiten Belichtung
kann die erste und die zweite Belichtung auch zeitlich teilweise überlappen,
wenn das Licht der Lichtquelle mittels einer Verteilungseinrichtung
in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgespalten wird. Es ist alternativ
möglich,
dass der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mehrere
Lichtquellen zugeordnet sind.
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Eine
erfindungsgemäße Mirkolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
der eingangs genannten Art umfasst ein erstes Projektionssystem,
an dem ein erster Satz von Belichtungsparametern eingestellt oder
einstellbar ist, sowie mindestens ein von dem ersten Projektionssystem
räumlich
getrenntes zweites Projektionssystem, an dem ein zweiter Satz von
Belichtungsparametern eingestellt oder einstellbar ist.
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Bei
einer Weiterbildung der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
ist die Wellenlänge
mindestens einer zugeordneten Lichtquelle kleiner als 260 nm, sie
beträgt
insbesondere 248 nm, 193 nm oder 157 nm. Die Verwendung solcher
kleiner Wellenlängen
ermöglicht
die Abbildung besonders feiner Strukturen. Es ist möglich, in
einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mehrere Lichtquellen
mit unterschiedlicher Wellenlänge
einzusetzen.
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In
einer Ausführungsform
der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage weist diese ein erstes
und/oder ein zweites Projektionssystem auf, an dem ausschließlich ein
spezialisierter Satz von Belichtungsparametern einstellbar oder
eingestellt ist. Ein solches Projektionssystem kann an die individuellen
Anforderungen eines Belichtungsprozesses angepasst sein. Es ist
somit nicht nötig,
dass das Projektionssystem für
alle denkbaren Einsatzbedingungen optimiert werden kann. Durch diese
Spezialisierung entfällt
eine kostenaufwändige
Ausstattung des Projektionssystems mit beweglichen und/oder verstellbaren
und/oder austauschbaren optischen Komponenten zur Realisierung diverser
Sätze von Belichtungsparametern.
Durch den Einsatz von maßgeschneiderten, „schlanken" Projektionssystemen, die
für bestimmte
Belichtungsarten optimiert sind, können die Betriebskosten optimiert
werden. Umfangreiche Sonderausstattungen, die bei herkömmlichen
Systemen zur Bereitstellung großer
Variabilität zur
Verfügung
stehen, können
entfallen. Bei erfindungsgemäßen Systemen
ist eine Arbeitsteilung/Aufgabenspezialisierung nach dem Prinzip
der Fließbandarbeit
möglich.
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In
einer Weiterbildung der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
weist das erste und/oder das zweite Projektionssystem ein Beleuchtungssystem
auf, an dem ausschließlich
axiale Beleuchtung mit unterschiedlichen Kohärenzgraden einstellbar ist.
Bei einer solchen Spezialisierung des Beleuchtungssystems kann auf
optische Komponenten zur Erzeugung einer außeraxialen Beleuchtung, beispielsweise
auf Axicons, verzichtet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage weist das erste und/oder
das zweite Projektionssystem ein Beleuchtungssystem auf, an dem
ausschließlich
kohärente, konventionelle
Beleuchtung mit einem Kohärenzgrad σ von weniger
als 0,35 einstellbar ist. Ein solches Projektionssystem lässt sich
vorteilhaft bei einer Belichtung mittels einer Phasenmaske verwenden,
da diese mit im wesentli chen parallel zur optischen Achse auf die
Maske einfallenden Strahlen durchgeführt werden sollte.
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Bei
einer Ausführungsform
der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage weist das erste und/oder
das zweite Projektionssystem ein Beleuchtungssystem auf, an dem
ausschließlich
außeraxiale Beleuchtung
einstellbar ist. Mit einem solchen Projektionssystem kann beispielsweise
ausschließlich eine
Dipolbeleuchtung erzeugbar sein. Durch eine Doppelbelichtung an
zwei Projektionssystemen, bei denen die Dipolbeleuchtung des ersten
und zweiten Projektionssystems unterschiedlich orientiert sind, können auch
bei verhältnismäßig großen Wellenlängen des
Beleuchtungslichts feine Strukturen auf dem Substrat erzeugt werden.
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Bei
einer Weiterbildung der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
weist das erste und/oder das zweite Projektionssystem ein Beleuchtungssystem
auf, das kein verstellbares optisches Element umfasst. Ein solches
Beleuchtungssystem kann optimal auf einen bestimmten Belichtungsprozess
zugeschnitten sein. Der Verzicht auf verstellbare optische Elemente
kann eine Kostenreduktion bewirken. Auch kann kein mechanischer
Verschleiß der Komponenten
des Beleuchtungssystems auftreten.
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In
einer Ausführungsform
der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage weist das erste und/oder
das zweite Projektionssystem ein Beleuchtungssystem auf, das kein
austauschbares optisches Element umfasst. Der Verzicht auf austauschbare optische
Elemente kann sich günstig
auf die Abbildungsqualität
auswirken, da ein solcher Austausch häufig mit dem Einbringen von
Kontaminationen in das Beleuchtungssystem verbunden ist.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Projektionssystem der eingangs genannten
Art, bei dem ausschließlich
eine kohärente,
konventionelle Be leuchtung mit einem Kohärenzgrad σ von weniger als 0,35 einstellbar
ist, sowie ein erfindungsgemäßes Projektionssystem,
an dem ausschließlich
außeraxiale
Beleuchtung einstellbar ist. Ein solches Projektionssystem kann
zusammen mit mindestens einem zweiten in eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
integriert sein, es kann aber auch einzeln in einer solchen Anlage
verwendet werden. Für
vorteilhafte Weiterbildungen solcher kostengünstiger, spezialisierter Projektionssysteme
sei auf obige Ausführungen
im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
verwiesen.
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Die
vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch
aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jeweils für
sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
Ausführungsformen
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können.
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1 zeigt
eine schematische Übersicht
einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage.
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer optischen
Weiche
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
einer optischen Weiche
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4 zeigt
ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Weiterbildung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Mehrfachbelichtung.
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In 1 ist
ein Beispiel einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 1 gezeigt,
die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten
Bauteilen einsetzbar ist und zur Erzielung von Auflösungen bis
zu Bruchteilen von Mikrometern mit Licht aus dem tiefen Ultraviolettbereich
arbeitet. Als Lichtquelle 2 dient ein KrF Excimer-Laser
mit einer Arbeitswellenlänge
von ca. 248 nm. Alternativ sind als UV-Lichtquellen auch F2 Excimer-Laser mit ca. 157 nm, ArF Excimer-Laser mit 193 nm
Arbeitswellenlänge
oder Quecksilberdampflampen mit 368 nm bzw. 436 nm Arbeitswellenlänge möglich.
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Der
Laser 2 ist mit einer Einrichtung verbunden, die den Lichtweg 3 bis
zu einer optischen Weiche 4 vorgibt. Dort teilt sich der
Lichtweg 3 in zwei Teilpfade. Im ersten Teilpfad 19a ist
ein erstes Projektionssystem 17 angeordnet, welches ein
erstes Beleuchtungssystem 5 zur Beleuchtung einer ersten Maske 6 und
ein erstes Projektionsobjektiv 7 zum Abbilden der von der
ersten Maske 6 getragenen Struktur auf ein zu belichtendes
Substrat aufweist. Im zweiten Teilpfad 19b ist ein zweites
Projektionssystem 18 angeordnet, welches ein zweites Beleuchtungssystem 8 zur
Beleuchtung einer zweiten Maske 9 und ein zweites Projektionsobjektiv 10 zum
Abbilden der von der zweiten Maske 9 getragenen Struktur
auf ein zu belichtendes Substrat aufweist.
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Jedes
der beiden Projektionssysteme 17, 18 weist außerdem ein
messungsunterstütztes
Positionierungssystem auf, um die Position einer unter dem jeweiligen
Projektionssystem angebrachten Waferstage 12, 14 relativ
zur Position der jeweiligen Maske 8, 9 auf Grundlage
optisch erfasster Messdaten einzustellen. Die Projektionsbelichtungsanlage 1 verfügt auch über einen
Steuerungscomputer 41 zur Kontrolle des gesamten in der
Projektionsbelichtungsanlage stattfindenden Prozesses.
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In
der Projektionsbelichtungsanlage 1 sind mehrere ausgezeichnete
Positionen für
den Wafer vorgesehen. Diese Positionen werden vom Wafer sukzessive
eingenommen, wenn an diesem ein Vorgang wie Belichtung, Messung
oder Lagerung durchgeführt
wird. Eine Eingabeposition 15 dient zur Lagerung des Wafers
vor dem Einbringen in die Projektionsbelichtungsanlage 1.
Eine Belichtungsposition 11 bzw. 13 wird vom Wafer
bei der Belichtung am ersten bzw. zweiten Projektionssystem eingenommen.
Zwischen den beiden Belichtungspositionen kann der Wafer mit Hilfe
einer Transporteinrichtung bewegt und dabei gegebenenfalls mittels
einer Zwischenlagerungsvorrichtung 45 in einer Übergabeposition 40 gehalten
werden. Eine Ausgabeposition 16 nimmt der Wafer schließlich nach
dem Entfernen aus der Projektionsbelichtunsanlage 1 ein.
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Bei
der Durchführung
einer Doppelbelichtung mit Hilfe der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 1 wird
ein mit Fotolack beschichteter Wafer, der ein zu belichtendes Substrat
mit einer lichtempfindlichen Schicht darstellt, von der Eingabeposition 15 in
die Nähe
der ersten Belichtungsposition 11 transferiert. Für diesen
und auch die folgenden Transfers sind Transportvorrichtungen in
der Projektionsbelichtungsanlage 1 vorgesehen, die in der
Figur nicht bildlich dargestellt sind. Zur exakten Positionierung
des Wafers in der Belichtungsposition wird dieser mittels der messungsunterstützten Positionierungsvorrichtung,
so lange mittels einer ersten Waferstage 12 verfahren,
bis er die gewünschte
Position relativ zum ersten Projektionssystem 17 auf wenige Nanometer
genau eingenommen hat. Die Positionierung wird auf Basis von Messdaten
eines Alignmentsystems 42 durchgeführt. Die Maske 6 wird
von einer Haltevorrichtung gehalten, die verfahrbar ist, so dass die
Positionierung der Maske auf die Positionierung des Wafers abstimmbar
ist. Der Wafer wird mit dem vom Laser 2 kommenden Licht,
welches an der optischen Weiche 4 in den ersten Teilpfad 19a geleitet wird,
belichtet.
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Die
verstellbare optische Weiche 4 kann hierbei in einer Ausführungsform 4a,
wie sie in 2 in einer Draufsicht gezeigt
ist, ausgebildet sein. Diese hat einen drehbaren Spiegel 20 zur
Strahlumlenkung. Das Beleuchtungslicht, welches den Lichtweg 3 durchläuft, wird
in der hier gezeigten ersten Stellung des Spiegels 20 vollständig in
der ersten Teilpfad 19a umgeleitet, indem seine Richtung
vom Spielgel um 90° umgelenkt
wird. Alternativ kann der Spiegel 20 in eine zweite Stellung
gedreht werden, die eine Umlenkung des Beleuchtungslichts in den zweiten
Teilpfad 19b ermöglicht.
Diese zweite Stellung des Spiegels 20 ist in der Figur
durch eine gepunktete Linie angedeutet. Der Spiegel 20 kann
automatisch mittels des Steuerungscomputers 41 ansteuerbar
sein, so dass der Weg des Beleuchtungslichts schnell zwischen dem
ersten Teilpfad 19a und dem zweiten Teilpfad 19b umgestellt
werden kann. Zur präzisen
Einleitung des Lichts in die beiden Teilpfade 19a, 19b ist
eine automatische Messung von Position und Winkel des Beleuchtungsstrahls
vorgesehen.
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Die
verstellbare optische Weiche 4 kann auch in einer anderen
Ausführungsform 4b realisiert sein,
wie in 3 in einer Draufsicht gezeigt. Diese hat ein verschiebbares
Spiegelprisma 21 zur Strahlumlenkung. Das Spiegelprisma 21 ist
als gleichschenkliges Prisma ausgeführt, dessen gleich lange Seitenflächen jeweils
mit einer Spiegelschicht versehen sind. Das Beleuchtungslicht, welches
den Lichtweg 3 durchläuft,
wird in der in der Figur gezeigten ersten Stellung des Spiegels 21 in
der ersten Teilpfad 19a umgeleitet, indem seine Richtung
von der Spiegelschicht um 90° umgelenkt
wird. Alternativ kann der Spiegel 21 in eine zweite Stellung
verschoben werden, die eine Umlenkung des Beleuchtungslichts in
den zweiten Teilpfad 19b ermöglicht. Diese Stellung des
Spiegelprismas 21 ist in der Figur durch eine gepunktete
Linie dargestellt.
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Alternativ
zur selektiven Strahlumlenkung mit einer verstellbaren optischen
Weiche kann das Licht mit einer geeigneten optischen Anordnung gleichzeitig
in beide Teilpfade 19a, 19b eingestrahlt werden.
Dies kann beispielsweise durch das Einbringen eines Strahlteilers
anstelle des Spiegels 20, bzw. des Spiegelprismas 21 geschehen.
Es können
alternativ auch mehrere Lichtquellen mit gegebenenfalls unterschiedlicher
Wellenlänge
in der Projektionsbelichtungsanlage vorgesehen sein, deren Licht
mit geeigneten Verteilungseinrichtungen zu den Projektionssystemen
geleitet oder auf die Projektionssysteme aufgeteilt wird.
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Beim
Durchtritt des von der Weiche 4 kommenden Lichts durch
das Projektionssystem 17 wird eine auf der ersten Maske 6 vorhandene
Struktur auf den Wafer übertragen.
Die erste Maske 6 ist im hier dargestellten Beispiel eine
als Transmissionsmaske ausgebildete Amplitudenmaske, bei der Strukturen
in Chrom auf einem Quarzträger
aufgebracht sind. Die Belichtung mit der ersten Maske 6 stellt
nur moderate Anforderungen an das erste Projektionssystem 17. Die
numerische Apertur des Projektionsobjektivs kann verhältnismäßig gering
sein, da die abzubildenden Strukturen recht grob sind. Trotz der
recht geringen Anforderungen kann es angezeigt sein, zur Belichtung
optische Verbesserungen der Auflösung
in Verbindung mit hoher numerischer Apertur einzusetzen. Insbesondere
kann hierbei schräg
einfallende Beleuchtung, also z.B. Dipolbeleuchtung, Quadrupolbeleuchtung
oder annulare Beleuchtung zum Einsatz kommen. Das Beleuchtungssystem 5 ist
auf die oben genannten Belichtungsparameter spezialisiert. Es enthält verstellbare
Axicon-Elemente zur wahlweisen Einstellung außeraxialer Lichtintensität sowie
ein Zoom-System zur Einstellung des maximalen Kohärenzgrades.
Es lässt
sich jedoch keine Beleuchtung mit geringem Kohärenzgrad σ < 0,35 einstellen.
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Nach
der ersten Belichtung wird der Wafer in die zweite Belichtungsposition 13 verbracht.
Es ist möglich,
den Wafer beim Transport von der ersten Belichtungsposition 12 zur
zweiten Belichtungsposition 13 zwischenzulagern. Hierzu
ist eine Zwischenlagerungsvorrichtung 45 in der Projektionsbelichtungsanlage 1 vorgesehen.
Zur Positionierung des Wafers in der zweiten Belichtungsposition 13 wird
dieser mittels einer mes sungsunterstützten Positionierungsvorrichtung
so lange mittels einer zweiten Waferstage 14 verfahren,
bis er seine gewünschte
Position relativ zum zweiten Projektionssystem 18 eingenommen
hat. Um eine exakte Überlagerung
der nacheinander erzeugten Belichtungsstrukturen zu gewährleisten,
wird die Positionierung mit Hilfe des messungsunterstützten Positionierungssystems
mit hoher Genauigkeit bezüglich
Abstandsposition (quer und parallel zur optischen Achse), Drehposition
und Kippposition durchgeführt.
Der Wafer wird anschließend
mit dem vom Laser 2 kommenden Licht belichtet, welches
mit Hilfe der optischen Weiche in den zweiten Teilpfad 19b geleitet
wird. Bei der Belichtung wird eine von der zweiten Maske 9 erzeugte
Struktur auf den Wafer übertragen.
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Bei
der zweiten Belichtung ist die Maske 9 eine Transmissions-Phasenmaske, welche
zur Abbildung feiner Strukturen, z.B. der Gate-Strukturen von Transistoren, geeignet
ist. Das auf die Phasenmaske 9 treffende Licht soll möglichst
parallel auf die Maske 9 auftreffen, weshalb das Beleuchtungssystem
für eine
kohärente,
konventionelle Beleuchtung bei kleinen Kohärenzgraden σ < 0,35 optimiert ist und das Projektionsobjektiv 10 eine
hohe numerische Apertur hat. Das Projektionssystem 18 ist
somit auf die Belichtung mit einer Phasenmaske 9 spezialisiert.
Es lässt
sich an diesem daher beispielsweise keine außeraxiale Beleuchtung einstellen.
Dementsprechend hat das Beleuchtungssystem weder verstellbare Axicon-Elemente
noch eine Wechseleinrichtung für
optische Komponenten.
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Nach
der zweiten Belichtung wird der Wafer aus der zweiten Belichtungsposition 13 in
eine Ausgabeposition 16 transferiert, womit die Doppelbelichtung
des Wafers abgeschlossen ist. Die auf der lichtempfindlichen Schicht
des Substrats erzeugten Strukturen werden nachfolgend in einem nicht
bildlich dargestellten Prozessschritt zur Strukturierung des Substrats
verarbeitet. Gegebenenfalls wird der Wafer danach mit einer neuen
lichtempfindlichen Schicht versehen, so dass ein weiterer Belich tungsprozess,
z.B. ein anderer Prozess der Doppelbelichtung, vorgenommen werden
kann, bis alle für
die Erzeugung eines Halbleiterbauelements notwendigen Strukturen
an dem Wafer erzeugt worden sind.
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Alternativ
zum hier beispielhaft dargestellten Fall können die erste Belichtung und
die zweite Belichtung auch mit einer ersten und einer zweiten von der
ersten unterschiedlichen Amplitudenmaske durchgeführt werden.
Hat die Maske z.B. in zwei unterschiedlichen Strukturrichtungen
verlaufende feine Strukturen, so kann im ersten Beleuchtungssystem eine
für die
erste Strukturrichtung optimierte Dipolbeleuchtung und im zweiten
Beleuchtungssystem eine demgegenüber
gedrehte zweite Dipolbeleuchtung eingestellt sein.
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Die
in der 1 beispielhaft dargestellte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
kann für eine
Mehrfachbelichtung dadurch erweitert werden, dass mehr als zwei
Projektionssysteme vorgesehen werden. Für einen reibungslosen Ablauf
der Belichtung kann ein integrales Spülkonzept zur Vermeidung von
Kontaminationen in der Anlage vorhanden sein. Dieses kann z.B. dadurch
realisiert werden, dass mehrere, separate Spülsysteme ineinander verschachtelt
werden, so dass von außen
nach innen das in der Anlage vorhandene Gas immer sauberer wird.
Die Projektionssysteme 17, 18 können mit
verstellbaren Korrekturelementen sowie mit Messapparaturen versehen
sein, die es ermöglichen,
jedes einzelne Projektionssystem optimal auf die Erzeugung einer
bestimmten Struktur auf dem Substrat abzustimmen.
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Anhand
von 1 wurde der Weg eines einzelnen Wafers durch die
Projektionsbelichtungsanlage 1 beschrieben. Selbstverständlich kann,
um den Wafer-Durchsatz zu erhöhen,
zu einem gegebenen Zeitpunkt mehr als nur ein einziger Wafer die
Projektionsbelichtungsanlage 1 durchlaufen.
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4 zeigt
ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Weiterbildung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Ordinate ist in fünf Abschnitte
eingeteilt, die jeweils einer Position eines Wafers in der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 1 entsprechen.
Die erste Position ist die Eingabeposition 15 von 1,
die zweite Position die Belichtungsposition 11 des ersten
Projektionssystems. Dem dritten Abschnitt ist die Übergabeposition 40 zugeordnet.
Dem vierten Abschnitt ist die zweite Belichtungsposition 13 von 1 zugeordnet
und dem fünften
Abschnitt die Ausgabeposition 16. Wird ein Verfahrensschritt
an einer der fünf
Positionen der Projektionsbelichtungsanlage 1 durchgeführt, so
wird dies in der 4 durch einen Kasten dargestellt,
in dem die an der Position durchgeführte Maßnahme beschrieben wird. Diese
Tätigkeiten
sind bei der Eingabeposition 15, der Ausgabeposition 16 und
der Übergabeposition 40 die
Eingabe, Ausgabe und Übergabe
eines Substrats. Bei der ersten und zweiten Belichtungsposition 11, 13 kann
diese Tätigkeit entweder
einen Einmessvorgang (messungsunterstützte Positionierung) oder einen
Belichtungsvorgang umfassen. Entlang der Abszisse ist der zeitliche Verlauf
der an den einzelnen Positionen durchgeführten Tätigkeiten aufgetragen.
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Verfolgt
man den Weg eines einzelnen Substrats in der Projektionsbelichtungsanlage,
so beginnt dieser Weg im ersten Abschnitt 15 mit einem Eingabevorgang 30.
Das Substrat wird anschließend an
die erste Belichtungsposition 11 transferiert, wo zur exakten
Positionierung ein Messvorgang 31 sowie nachfolgend ein
Belichtungsvorgang 32 durchgeführt wird. Das Substrat wird
danach in einem Übergabevorgang 33 an
die Übergabeposition 40 in
der Zwischenlagerungsvorrichtung 45 transferiert. Von dort
wird es in die zweite Belichtungsposition verbracht, wo ein Messvorgang 34 zur
messungsunterstützten
Positionierung und danach ein Belichtungsvorgang 35 durchgeführt wird.
Zum Abschluss wird das Substrat in einem Ausgabeschritt 36 aus
der Projektionsbelichtungsanlage entfernt.
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Wenn
mehrere Substrate gleichzeitig in der Projektionsbelichtungsanlage
vorhanden sind, kann der oben beschriebene Prozessverlauf zeitversetzt an
mehreren Substraten gleichzeitig ablaufen. Hierzu ist selbstverständlich ein
gewisser zeitlicher Versatz zum oben beschriebenen Prozessverlauf 30, 31, 32, 33, 34, 35 nötig. Mehrere
solcher parallel ablaufender Prozessverläufe sind in 4 dargestellt.
Ein optimierter Prozessablauf kann beispielsweise dadurch erreicht
werden, dass ein Wafer bei der Übergabe von
einer Waferstage zur nächsten
zwischengelagert wird, während
der vorhergehende Wafer durch das vorhergehende Projektionssystem
zur Positionsbestimmung eingemessen wird und der nachfolgende Wafer
unter dem nachfolgenden Projektionssystem belichtet wird. Dadurch
werden die Phasen von Einmessen und Belichten des Wafers entkoppelt,
so dass die Laserlichtquelle 2 optimal ausgelastet ist.
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Durch
die Parallelisierung ist eine hohe Ausnutzung der Projektionsbelichtungsanlage
und somit ein hoher Wafer-Durchsatz erzielbar. Die für jeden Prozessschritt
benötigte
Zeit wurde zur Vereinfachung der Darstellung in 4 gleich
gewählt,
es versteht sich aber von selbst, dass unterschiedliche Prozessschritte
im Normalfall eine unterschiedliche Zeitdauer benötigen. Somit
ist ein Verfahren zur sukzessiven Belichtung von Wafern durch mindestens zwei
spezialisierte Projektionssysteme 17, 18 in einer Projektionsplattform 1 geschaffen.