DE102004017082A1

DE102004017082A1 - Optische Abbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102004017082A1
Application number: DE200410017082
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Ing. Holderer; Christian Dr. Wagner; Rudolf von Bünau
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-11-10
Also published as: WO2005098482A1

Abstract

Optische Abbildungsvorrichtung, insbesondere Objektiv für die Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, mit einer im Bereich einer Pupillenebene der optischen Abbildungsvorrichtung angeordneten Einrichtung zum Abdunkeln der Pupille. Die Einrichtung weist mechanische Elemente (11a-11e) auf, welche über einen Antrieb in der Art betätigbar sind, dass die Abdunklung der Pupille radial variierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abbildungsvorrichtung mit einer im Bereich einer Pupillenebene der optischen Abbildungsvorrichtung angeordneten Einrichtung zum Abdunkeln der Pupille.

Optische Abbildungsvorrichtungen, insbesondere Projektionsobjektive für die Mikrolithographie, sind beispielsweise aus der EP 0 638 847 A1 bekannt. Diese werden eingesetzt, um in Projektionsbelichtungsanlagen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen Halbleiterstrukturen, wie Leiterbahnen, Kontaktlöcher zur Anbindung des Halbleiters oder dergleichen von einer Maske auf einen Wafer zu belichten.

Da das Auflösungsvermögen optischer Abbildungsvorrichtungen proportional zur Wellenlänge λ des verwendeten Lichts und umgekehrt proportional zur bildseitigen numerischen Apertur (NA) der optischen Abbildungsvorrichtung ist, wird es zur Erzeugung immer feinerer Halbleiterstrukturen angestrebt, einerseits die bildseitige numerische Apertur der Projektionsobjektive zu vergrößern und andererseits immer kürzere Wellenlängen zu verwenden.

Neben dem Auflösungsvermögen spielt die bei der Abbildung erzielbare Schärfentiefe (DoF, depth of focus) eine wichtige Rolle für eine vorlagengetreue Abbildung. Die Schärfentiefe ist ebenfalls proportional zur verwendeten Wellenlänge, jedoch umgekehrt proportional zum Quadrat der numerischen Apertur. Daher ist eine Steigerung der numerischen Apertur ohne geeignete Maßnahmen zur Sicherung einer ausreichenden Schärfentiefe nur begrenzt sinnvoll.

Mit steigenden numerischen Aperturen der Projektionsobjektive zur Herstellung von immer feineren Strukturen gestaltet sich beispielsweise die Abbildung von isolierten Kontaktlöchern aufgrund begrenzter Schärfentiefe und begrenztem Kontrast immer schwieriger. Die Schärfentiefe kann dabei so klein werden, dass kein fertigungstauglicher Prozess mehr möglich ist.

Durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch Auswahl entsprechender Masken, können zwar Schärfentiefe und Kontrast vergrößert werden, jedoch entstehen dann störende Nebenmaxima im Abbildungsprozess, welche diesen im Extremfall ebenfalls unmöglich machen.

Es ist bekannt, die Pupille des Projektionsobjektivs in der Mitte abzudunkeln. Ein Blocken der 0. Beugungsordnung des verwendeten Lichts, wobei die 1. Beugungsordnung ungehemmt das Objektiv passieren kann, erhöht Schärfentiefe und Kontrast. Dies kann beispielsweise durch eine im Blendenraum des Projektionsobjektivs angeordnete mechanische Blende als sogenannter Pupillenfilter erreicht werden.

Zum Stand der Technik bezüglich Pupillenfiltern wird auf die DE 195 02 827 A1 und die DE 102 18 989 A1 verwiesen.

Um nun einen möglichst idealen Wert zum Abbilden der isolierten Kontaktlöcher zu erreichen und gleichzeitig die anderen Elemente bzw. Strukturen ebenfalls ausreichend gut abzubilden, müsste die Größe einer derartigen, für die Abdunklung der Pupille einsetzbaren Blende von einem minimalen Wert, welcher die anderen Abbildungen nicht stört, zu einem optimalen Wert zum Abbilden der isolierten Kontaktlöcher, insbesondere kontinuierlich, variierbar sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Abbildungsvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, wobei die Einrichtung zum Abdunkeln der Pupille in den Pupillenbereich der optischen Abbildungsvorrichtung einbringbar ist, und welche es dort erlaubt, bei minimaler Abschattung in ihrem kleinstmöglichen Ausmaß, einen größtmöglichen Abschattungsbereich zu realisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einrichtung zum Abdunkeln der Pupille mechanische Elemente aufweist, welche über einen Antrieb derart betätigbar sind, dass die Abdunklung der Pupille radial symmetrisch variierbar ist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in einfacher und vorteilhafter Weise eine Möglichkeit zur exakten Belichtung von Kontaktlöchern ohne ein Auftreten von störenden Nebenmaxima ermöglicht. Die sonstigen Elemente bzw. Strukturen können ebenfalls problemlos hergestellt werden, da die Abdunklung durch die Blendensanordnung für die jeweils zu belichtenden Strukturen – auch im Betrieb – kontinuierlich einstellbar ist und die Ausmaße der Blendenanordnung ohne gewollte Abdunklung minimal ist, wodurch die normale Belichtung nur geringfügig beeinflusst wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind anhand der Zeichnung verschiedene Ausführungsformen der Erfindung prinzipmäßig erläutert.
Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, welche zur Belichtung von Strukturen auf mit photosensitiven Materialien beschichtete Wafer verwendbar ist;
2 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung zur Abdunklung der Pupille eines Projektionsobjektivs von oben;
3 eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A aus 2;
4 eine Vergrößerung des Ausschnittes Z1 gemäß 2;
5 eine Schnittansicht gemäß der Linie B-B aus 4;
6 eine seitliche Schnittansicht einer Abwandlung der ersten Ausführungsform einer Einrichtung zur Abdunklung der Pupille eines Projektionsobjektivs, welche an den Bauraum im Projektionsobjektiv angepasst ist;
7 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung zur Abdunklung der Pupille eines Projektionsobjektivs von oben; und
8 eine um 90° gedrehte Vergrößerung des Ausschnittes Z2 gemäß 7.
In 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie dargestellt. Diese dient zur Belichtung von Strukturen auf mit photosensitiven Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend aus Silizium besteht und als Wafer 2 bezeichnet wird, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z.B. Computerchips.
Die Projektionsbelichtungsanlage 1 besteht dabei im wesentlichen aus einer Beleuchtungseinrichtung 3, einer Einrichtung 4 zur Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer gitterartigen Struktur versehenen Maske, einem sogenannten Reticle 5, durch welches die späteren Strukturen auf dem Wafer 2 bestimmt werden, einer Einrichtung 6 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 2 und einer Abbildungseinrichtung, nämlich einem Projektionsobjektiv 7 mit einer Pupillenebene 8 sowie mehreren optischen Elementen, wie z.B. Linsen 9, die über Fassungen 30 in einem Objektivgehäuse 7' des Projektionsobjektivs 7 gelagert sind.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 5 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 2 verkleinert abgebildet werden.
Nach einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 2 in XY- Richtung weiterbewegt, sodass auf demselben Wafer 2 eine Vielzahl von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 5 vorgegebenen Struktur, belichtet wird.
Die Beleuchtungseinrichtung 3 stellt einen für die Abbildung des Reticles 5 auf dem Wafer 2 benötigten Projektionsstrahl L, beispielsweise Licht oder eine ähnliche elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Quelle für diese Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 3 über nicht dargestellte optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl L beim Auftreffen auf das Reticle 5 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Kohärenz und dergleichen aufweist.
Über den Projektionsstrahl L wird ein Bild der eingebrachten Strukturen des Reticles 5 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 7 entsprechend verkleinert auf den Wafer 2 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Das Projektionsobjektiv 7 weist eine Vielzahl von einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflektiven optischen Elementen, wie z.B. Linsen 9, Spiegeln, Prismen, Planparallelplatten und dergleichen auf, wobei lediglich die Linse 9 dargestellt ist.
Zur Erhöhung von Schärfentiefe und Kontrast ist es bekannt, die Pupille 8 des Projektionsobjektivs 7 abzudunkeln. Dabei wird die 0. Beugungsordnung des Projektionsstrahls L geblockt, während die 1. Beugungsordnung ungehemmt das Projektionsobjektiv 7 passieren kann. Dies kann beispielsweise durch eine im Blendenraum des Projektionsobjektivs 7 angeordnete zusätzliche mechanische Einrichtung, insbesondere durch eine mechanische Blende erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung sieht mehrere Ausgestaltungen einer solchen mechanischen Blende vor, welche grundlegend jeweils mit der mechanischen Veränderung des abgeschatteten Bereichs, beispielsweise der Änderung des Durchmessers oder das Verschließen und Freigeben von radial symmetrisch angeordneten Öffnungen einen derartigen Effekt im Bereich der Lage der Pupille 8 des Projektionsobjektivs 7 erreichen. Die im folgenden beschriebenen Lösungen basieren auf mechanischen Konzepten, mit denen die Blende entweder von innen nach außen vergrößert wird oder die Transmission in einem festgelegten Bereich des Projektionsstrahls L immer stärker verringert wird.
Eine erste Lösung einer Blende 100 gemäß den 2 bis 5 sieht vor, dass mehrere übereinander angeordnete Flügelräder, d. h. Lamellen 11a bis 11e (in 3 näher dargestellt) gegeneinander verdreht werden können, wie dies beispielsweise bei Lufteinlässen in Feststoff befeuerten Öfen oder dergleichen der Fall ist. Die Intensität des durch diesen Bereich fallenden Lichts der 0. Beugungsanordnung lässt sich so beeinflussen.
2 zeigt die Blende 100 mit einer Basisplatte 10 und Stegen 10a in einer Ansicht von oben. Die Anzahl der Lamellen 11a bis 11e und die Größe eines Lamellenwinkels α werden so gewählt, dass möglichst wenig Lamellen 11a bis 11e eine gerade noch vertretbare Abschattung bei ganz offener Blende 100 herstellen. Des weiteren kann der Lamellenwinkel α zur Überlappung etwas größer sein als 360° geteilt durch die Anzahl der Lamellen 11a bis 11e. Die Lamellen 11a bis 11e sind derart drehbar um die Lage der Pupille 8 (in 1 dargestellt) angeordnet, dass sie unterschiedlich viele Bereiche freigeben oder verschließen und damit die Pupille 8 abdunkeln. Die Lamellen 11a bis 11e erstrecken sich spiegelsymmetrisch um die Lage der Pupille 8.
Auf einem Zapfen 12 drehbar gelagerte Lamellen 11a bis 11e schließen die Blende 100 (3). Angetrieben werden die Lamellen 11a bis 11e durch eine seitlich eingeführte Welle 20, an deren Ende ein Zahnrad 21 montiert ist. Dieses Zahnrad 21 treibt ein auf der obersten Lamelle 11e montiertes Planrad 22 an. Beim Schließen der Blende 100 wird die oberste Lamelle 11e direkt angetrieben und nimmt über einen Stift 12e die Lamelle 11d mit, wenn die Lamelle 11e ganz geschlossen ist. Dies wird immer weiter fortgesetzt bis schließlich auch die unterste Lamelle 11a bewegt wird. Wenn die Lamelle 11a mit einem Stift 12a am Anschlag angekommen ist, ist die Blende 100 ganz geschlossen. Die Stifte 12a bis 12e werden jeweils in einer Nut 13 geführt und haben die beiden Anschläge 13a und 13b als Begrenzungen für die beiden Bewegungsrichtungen (4).
Zur verbesserten Abfuhr der durch die Strahlungsabsorption entstehenden Wärme können, wie aus 3 ersichtlich, die Stege 10a in ihrer Dicke variiert werden, so dass bei gleichzeitig geringer Obskuration eine gute Wärmeleitung erreicht wird.
Je nach zur Verfügung stehendem Bauraum kann es günstig sein, die Blende entsprechend anzupassen. Eine solche Blende 100' ist in 6 dargestellt. Hier sind die Basisplatte 10 und die Lamellen 11a bis 11e an den zur Verfügung stehenden radialen Bauraum zwischen Linsen 9 und 9' des Projektionsobjektivs 7 angepasst. Die Basisplatte bzw. Fassung 10 der Blende 100' ist zwischen Linsenfassungen 30 und 31 montiert, welche mit dem Objektivgehäuse 7' (in den 3 und 6 gestrichelt angedeutet) verbunden sind.
Eine zweite Lösung einer Blende 101 sieht vor, dass der zentrale Bereich der Pupillenlage 8 des Projektionsobjektivs 7 durch mehrere wenigstens annähernd radial konzentrisch angeordnete kippbare Lamellen 11f bis 11h abgedeckt ist (7 und 8). Die Lamellen 11f bis 11h sind von einer Lage senkrecht zur optischen Achse der optischen Abbildungsvorrichtung 7 in eine Lage parallel zur optischen Achse kontinuierlich verschwenkbar. 7 zeigt die Gesamtansicht der Blende 101 von oben. 8 zeigt den Ausschnitt Z2 aus 7 um 90° gedreht und vergrößert.
Durch ein Aufstellen der Lamellen 11f bis 11h, so dass diese sich mit ihrer größten Breite entlang der optischen Achse (in 7 in Richtung in die Bildebene) des Projektionsobjektivs 7 ausrichten, lässt sich erreichen, dass der von den Lamellen 11f bis 11h eingenommene Bereich mehr oder weniger stark durchlässig wird. Dadurch kann die Abschattung im Bereich der Lage der Pupille 8 variiert werden.
Diese Lösung bietet zusätzlich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, mehrere Teilbereiche der Blende 101 einzeln zu öffnen oder zu schließen. Die gesamte Blende 101 ist wiederum auf der Basisplatte 10 montiert. Als Antriebe werden Wellen 20a bis 20c mit einer Schnecke 21 am abtriebsseitigen Ende zum Öffnen und Schließen der Lamellenbereiche 11f bis 11h verwendet. Damit wird ein Schneckenrad 22 angetrieben, welches fest auf einer flexiblen Welle 23 sitzt. Fest mit der flexiblen Welle 23 verbunden sind ebenfalls die Lamellen 11f bis 11h. Damit die Position der flexiblen Welle 23 und damit die Position der Lamellen 11f bis 11h während dem Öffnen oder Schließen der Blende 101 fest bleibt, wird die flexible Welle 23 auf Lagern 24 drehbar gelagert. Bei offener Blende 101 stehen die Lamellen 11f bis 11h senkrecht nach oben. Wenn die Blende 101 geschlossen wird, werden die Lamellen 11f bis 11h um 90° geschwenkt. Dabei deckt z. B. eine einzelne Lamelle 11f den Bereich 25f bzw. 11g den Bereich 25g ab. Wie vorstehend bereits beschrieben, ist es auch hier sinnvoll, auf eine gute Wärmeabfuhr zu achten, indem die Stege zum Objektivgehäuse 7' hin möglichst dick gewählt werden.
Eine analog zu der in 6 dargestellten gekrümmten Anordnung (nicht dargestellt) der Blende ermöglicht zum einen eine gute Ausnutzung eines radialen Bauraumes und zum anderen auch die Herstellung verschiedener Blendenöffnungen in verschiedenen Höhen.
Es ist günstig, wenn die Lamellen 11a bis 11h mit einer Beschichtung versehen werden, die das im Projektionsobjektiv 7 verwendete Licht, grundsätzlich mit allen Wellenlängen, insbesondere beispielsweise mit Wellenlängen von 632, 365, 248, 193, 157 nm oder kürzer, absorbiert, damit möglichst wenig Streulicht entsteht. Hierzu eignet sich eine Ta₂O₅-Schicht.
Bei einer weiteren Lösung sind in der größten Öffnung der Blende alle Lamellen unter einem zentralen Bereich verdeckt. Über einen Antrieb können diese sichelartigen Lamellen aus ihrer Position von innen nach außen geschwenkt werden, so dass der abgeschattete radial symmetrische Bereich vergrößerbar bzw. wieder verkleinerbar ist. Der Antrieb kann von der Seite über eine Welle oder, falls die Blende vor einem Spiegel angeordnet ist, von hinten durch eine kleine Bohrung in der Spiegelmitte eingeführt werden.

Claims

Optische Abbildungsvorrichtung mit einer im Bereich einer Pupillenebene der optischen Abbildungsvorrichtung angeordneten Einrichtung zum Abdunkeln der Pupille, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (100, 100', 101) zum Abdunkeln der Pupille (8) mechanische Elemente (11a – 11h) aufweist, welche über einen Antrieb derart betätigbar sind, dass die Abdunklung der Pupille (8) radial variierbar ist.
Optische Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Elemente mehrere Lamellen (11a – 11e) aufweisen, welche sich spiegelsymmetrisch um die Lage der Pupille (8) erstrecken und jeweils einen Winkelbereich α einnehmen, welcher zur Überlappung etwas größer ist als 360° geteilt durch die Anzahl der Lamellen (11a – 11e), wobei die Lamellen (11a – 11e) um die Pupille (8) derart drehbar sind, dass sie unterschiedlich viele Bereiche freigeben oder verschließen.
Optische Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Elemente mehrere Lamellen (11f – 11h) aufweisen, welche konzentrisch zu der Pupille (8) angeordnet sind, und welche von einer Lage senkrecht zur optischen Achse der optischen Abbildungsvorrichtung (7) in eine Lage parallel zur optischen Achse kontinuierlich verschwenkbar sind.
Optische Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Elemente mehrere sichelartige Lamellen aufweisen, wobei der von allen sichelartigen Lamellen überdeckte radial symmetrische Bereich durch die Betätigung vergrößerbar oder verkleinerbar ist.
Optische Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Betätigung der mechanischen Einrichtung zum Abdunkeln der Pupille (8) die sichelartigen Lamellen zur Vergrößerung des abgeschatteten Bereichs von innen nach außen schwenkbar ausgebildet sind.
Optische Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb seitlich von einem Gehäuse (7') der optischen Abbildungsvorrichtung, (7) insbesondere über eine Welle (20, 20a, 20b, 20c), zuführbar ist.
Optische Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (11a – 11h) mit einer Schicht versehen sind, die das in der optischen Abbildungsvorrichtung (7) verwendete Licht absorbiert.
Optische Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht als Ta₂O₅-Schicht ausgebildet ist.
Optische Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (100') zum Abdunkeln der Pupille (8) durch eine gekrümmte Form an den Bauraum der optischen Abbildungsvorrichtung (7) angepasst sind.
Optische Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Projektionsobjektiv (7), insbesondere in einer Projektionsbelichtungsanlage (1) für die Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt ist.
Optische Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Licht eine Wellenlänge von 632, 365, 248, 193 oder 157 nm aufweist.