-
Die
Erfindung betrifft eine Blende mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Gebieten
für einen
Belichtungsapparat zur Projektion eines Musters in eine auf einem
Halbleitersubstrat angeordnete photoempfindliche Schicht, sowie
ein Verfahren zum Herstellen der Blende. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Blende, die in den Strahlengang einer Illuminatoroptik
des Belichtungsapparates eingebracht wird.
-
Zur
Strukturierung einzelner Ebenen einer integrierten Schaltung werden
in der Halbleiterfertigung Belichtungsapparate eingesetzt. Mit ihnen
werden jeweils Photomasken bestrahlt, auf denen das auf das Halbleitersubstrat
zu übertragende
Muster gebildet ist. Das Halbleitersubstrat ist üblicherweise mit einer photoempfindlichen
Schicht bedeckt, die im Bildbereich der in dem Muster gebildeten Öffnungen belichtet
wird und in einem Bildbereich der in dem Muster auf der Maske gebildeten
opaken Flächen
unbelichtet bleibt. Die photoempfindliche Schicht wird anschließend entwickelt
und dabei in Abhängigkeit von
der Belichtung entfernt. Die in der entwickelten Schicht gebildeten Öffnungen
werden in eine unterliegende Schicht – beispielsweise in einem Ätzvorgang – übertragen.
Die auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Schichtmasken können auch
zur lokalen Implantation, chemischen Umwandlung der Oberfläche, etc.
genutzt werden.
-
Der
Aufbau eines solchen Belichtungsapparates kann grundsätzlich unterteilt
werden in eine Strahlungsquelle, eine Illumi natoroptik, die Photomaske,
eine Projektionsoptik und die Bildebene, welche das Halbleitersubstrat
aufnimmt. Dabei wird das von der Strahlungsquelle erzeugte Licht
monochromatisiert und in Richtung auf die Illuminatoroptik gebündelt. Die
Strahlungsquelle ist in der Regel innerhalb eines Ellipsoidalspiegels
angeordnet.
-
Die
Illuminatoroptik umfasst eine Anzahl von Kondenserlinsen, Umlenkspiegeln
und Blenden, die den Strahlengang in dem Belichtungsapparat definieren.
Zur Homogenisierung der Lichtverteilung über das Bildfeld ist darin
oftmals auch eine sogenannte Fly-Eye-Lens, eine facettenartige Linse
mit einer Vielzahl von fokussierenden Linsenelementen, vorgesehen.
-
Der
den Strahlengang in der Illuminatoroptik durchlaufende Lichtstrahl
fällt nach
dem Passieren einer letzten Kondenserlinse als paralleles Strahlenbündel auf
die Photomaske und wird dort an den darauf das Muster bildenden
Strukturen in verschiedene Teilstrahlen gebeugt. Der Ablenkwinkel
der die verschiedenen Beugungsordnungen repräsentierenden Teilstrahlen hängt von
der Dichte der Strukturen auf der Maske ab.
-
Die
gebeugten Teilstrahlen durchlaufen weiter die Projektionsoptik,
die ein möglichst
kontrastreiches und hochaufgelöstes
Abbild des Musters in der Bildebene erzeugt, in welcher die photoempfindliche Schicht
des Halbleitersubstrats positioniert ist. In der Projektionsoptik
ist eine Aperturblende vorgesehen, mit welcher die Numerische Apertur
eingestellt und die Auflösung
beeinflusst werden kann.
-
Aus
der Druckschrift US 6,704,092 B2 ist ein Belichtungsapparat bekannt,
der auf der oben beschriebenen Grundstruktur basiert. Eine der Blenden ist
dabei an einer definierten Posi tion in dem Strahlengang relativ
zu den Kondenserlinsen angeordnet. In dieser Position ist die Intensitätsverteilung
des von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtes in einer Ebene senkrecht
zur optischen Achse des Strahlengangs mit derjenigen Intensitätsverteilung,
die in der entsprechenden Ebene am Ort des Musters auf der Photomaske
entspricht, durch eine Fourier-Transformation verknüpft. Im
trivialen Fall ist einer homogenen Verteilung des Lichts am Ort
der Maske entspricht dies einer nahezu punktförmigen Verteilung des Lichts
am Ort der Blende. Im folgenden wird der Ort der Blende auch als
Fourier-Ebene bezeichnet.
-
Eine
Optimierung des Abbildungsverhaltens wird erreicht, indem bestimmte
Ausgestaltungen der Blende bereitgestellt und in den Belichtungsapparat eingesetzt
werden. Bekannt ist z.B. eine Dipolblende, die zwei runde Öffnungen
umfasst, die symmetrisch in einem Abstand von der optischen Achse
angeordnet sind. In der genannten Druckschrift US 6,704,092 B2 wird
eine Modifikation der in der Fourier-Ebene erhaltenen Intensitätsverteilung
erzielt, indem ein speziell dieser Blende zugeordnetes Beugungsgitter
(diffraction grating) in den Strahlengang eingebracht wird. Das
Beugungsgitter spaltet den von der Strahlungsquelle stammenden Strahl
in zwei Teilstrahlen auf, die von der optischen Achse abgelenkt
werden. Sie werden von einer der Kondenserlinsen in die Fourier-Ebene
fokussiert, wo sie abseits der optischen Achse auf die Dipol-Lochblende
fallen.
-
Auf
das Muster der Photomaske fallen dann jeweils unter einem unterschiedlichen,
schrägen Winkel
zwei Teilstrahlen ein. Der schräge
Einfall bietet den Vorteil, dass bei geringer Numerischer Apertur
die 0-te und die +1-te Beugungsordnung zum Luftbild, welches in
der Bildebene der Projektionsoptik ent steht, beitragen. Die –1-te Beugungsordnung wird
hingegen durch einen hohen Ablenkwinkel in der Aperturblende ausgefiltert.
Dies führt
zu einem schärferen
Intensitätskontrast.
Auf diese Weise lassen sich verschiedene Blendentypen realisieren,
die jede für
sich ein bestimmtes Abbildungsverhalten in Abhängigkeit von dem auf der Photomaske
gebildeten Muster erzielen sollen. Bei der Dipol- oder der gleichfalls
bekannten Quadrupolbeuchtung sind z.B. die Winkel, mit denen die Öffnungen
innerhalb der Blenden- bzw. Fourier-Ebene angeordnet sind, mit den
entsprechenden Winkeln von Strukturen, z.B. Orientierungen von Linien-Spalten-Mustern,
auf der Maske abgestimmt. So können
in durch das Muster vorgegebenen Vorzugsrichtungen erhöhte Auflösungen erzielt
werden.
-
Herkömmlich verwendete
Blenden sind als Plättchen
realisiert, in denen Öffnungen
vorgesehen sind, die Licht einer gewünschten Intensitätsverteilung
in der Fourier-Ebene passieren lassen.
-
Eine
geeignete Blende wird für
ein vorgegebenes Muster, das mittels einer Photomaske auf ein Halbleitersubstrat
zu übertragen
ist, ausgewählt,
indem beispielsweise eine numerische Simulation der optischen Projektion
ausgeführt
wird. Bei einer solchen Simulation werden für jede Einstellung von optischen
Parametern (Fokus, Dosis, Numerische Apertur, Vergrößerung,
Linsenabstände
etc.) in dem Strahlengang Lichtbeiträge von einzelnen Flächen in der
Fourier-Ebene zu dem in der Bildebene entstehenden Luftbild bestimmt.
Durch eine Optimierung des Luftbildes unter Variation der Lichtbeiträge einzelner
Flächen
erhält
man eine „optimale
Verteilungsfunktion" von
Lichtbeiträgen
in der Fourier-Ebene.
-
Es
war bisher das Ziel, mit einer derart bestimmten optimalen Verteilungsfunktion
möglichst nahe
an ein kommerziell erhältliches,
lichtundurchlässiges
Blendenplättchen
mit volltransparenten, d.h. lichtdurchlässigen Öffnungen heranzukommen. An die
aus der Simulation ermittelten kontinuierlichen Intensitätsverteilungen
sind dabei die Formen der volltransparenten Öffnungen anzupassen, wobei
naturgemäß Kompromisse
eingegangen werden müssen. Die
Blende stellt nämlich
nur eine binäre
Intensitätsverteilung
zur Verfügung.
Es können
somit nicht immer die optimalen Einstellungen für ein abzubildendes Muster
gefunden werden im Vergleich zu dem, was theoretisch unter einer
freien Wahl der Blendenöffnungen
möglich
wäre.
-
Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Flexibilität bei der
Auswahl von Blenden für
die Übertragung
eines Musters von einer Maske in eine photoempfindliche Schicht
zu erhöhen.
Es ist vor allem eine Aufgabe der Erfindung, die Qualität der Abbildung
zu verbessern und die Auflösung
zu erhöhen.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Blende mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Gebieten
für einen
Belichtungsapparat zur Projektion eines Musters in eine photoempfindliche
Schicht auf einem Halbleitersubstrat, das in einer Bildebene des Belichtungsapparates
eingebracht ist, umfassend:
- – ein transparentes
Trägersubstrat
mit einer Oberfläche,
- – eine
Schicht lichtabsorbierenden Materials mit einer ersten Dicke, wobei
die Schicht
a) in den lichtdurchlässigen Gebieten der Blende von
der Oberfläche
des Trägersubstrates
entfernt ist, und
b) in den lichtundurchlässigen Gebieten der Blende
auf der Oberfläche
nicht entfernt ist und die erste Dicke aufweist.
-
Mit
einer solchen Blende können
schon in lediglich binärer
Form vorliegende Gebiete, d.h. solche Gebiete mit nur entweder einem
ersten oder einem zweiten Wert für
die Lichtdurchlässigkeit,
unter Bildung komplexer Ausformungen in die Fourier-Ebene abgebildet
werden. Das transparente Trägersubstrat stellt
dabei die mechanische Stabilität
her, auf der beliebige Gebiete in der Schicht lichtundurchlässigen Materials
ausgeformt werden können.
Oder anders ausgedrückt:
es können
beliebige Formen lichtdurchlässiger
Gebiete gebildet werden. Herkömmliche Blendenplättchen sind
hingegen auf einfache geometrische Figuren für die Öffnungen beschränkt.
-
Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung weiterhin sieht vor, dass die
Blende zusätzlich
wenigstens ein teilweise lichtdurchlässiges Gebiet auf der Oberfläche des
Substrates aufweist, in dem die Schicht lichtabsorbierenden Materials
gedünnt
ist, so dass die Schicht innerhalb des teilweise lichtdurchlässigen Gebiets
eine zweite Dicke aufweist, die geringer als erste Dicke ist. Die
Dünnung
kann beispielsweise durch eine gezielte, zeitlich begrenzte und
lokale Ätzung
der Schicht lichtabsorbierenden Materials bewirkt werden.
-
Eine
Ausgestaltung sieht vor, als Trägermaterial
Quarz und als Schicht lichtabsorbierenden Materials Chrom zu verwenden,
dessen Transparenz durch Einstellen von Dicken im Submikrometerbereich
variiert werden kann. Eine an dieser Stelle nachteilhafte Phasenverschiebung
aufgrund unterschiedlicher Schichtdicken liegt gerade für Chrom nicht
vor.
-
Es
wird folglich außerdem
noch möglich,
mit der Bildung von weiteren Gebieten mit einer reduzierten, aber
im Resultat auf dem Halbleitersubstrat merkbaren Lichtdurchlässigkeit
Zwischenwerte der Intensitätsverteilung
in der Fourier-Ebene re lativ zum Muster auf der Photomaske zu schaffen.
Dadurch kann die optimale Intensitätsverteilung, die beispielsweise
vorab in einer Simulation für
genau ein aktuell abzubildendes Muster für die entsprechende Fourier-Ebene
bestimmt wurde, durch Zwischenstufen weiter angenähert und
somit besser repräsentiert werden.
-
Die
Aufgabe wird des Weiteren gelöst
durch ein Verfahren zum Herstellen der Blende nach Anspruch 5. Vorteilhafte
Ausgestaltungen zur Blende und zum Verfahren zur Herstellung der
Blende sind den weiteren abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen. Es ist hervorzuheben, dass die erfindungsgemäße Blende
mit Vorteil nicht nur in der Illminatoroptik, sondern beispielsweise
auch in der Projektionsoptik eingesetzt werden kann, wo etwa im
Bereich der Aperturblende die Fourier-Ebene des Musters der Photomaske
mit einer genau das Muster der Photomaske – und nicht mehr nur die Strahlungsquelle – repräsentierenden
Intensitätsverteilung
entsteht.
-
Es
ist alternativ vorgesehen, anstatt einer Dünnung von Chrom und/oder auch
zusätzlich
zu einer dicken Chromschicht eine weitere Schicht teildurchlässigen Materials
zu verwenden. Diese könnte neben,
unter oder über
der Chromschicht angeordnet sein. Im Falle mehrerer Schichten, die übereinander angeordnet
sind, könnte
ein Wert für
die Lichtdurchlässigkeit
durch Entfernung einer Anzahl obenliegender Schichten eingestellt
werden, so dass der lokal verbleibende Teil von Schichten den zu
erzielenden Wert für
die Lichtdurchlässigkeit
erreicht.
-
Die
Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung von Chrom als lichtabsorbierendem
Material beschränkt.
Es kommen vielmehr auch dem Fachmann bekannte Materialien mit vergleichbaren
Eigenschaften in Betracht.
-
Die
Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer
Zeichnung näher
erläutert
werden. Darin zeigen:
-
1 eine Auswahl von Blenden mit Blendenplättchen nach
dem Stand der Technik: a) konventionelle Rundblende, b) annulare
Blende, c) Quadrupolblende, d) Dipolblende;
-
2 den
beispielhaften Aufbau eines Belichtungsapparates, in den eine erfindungsgemäße Blende
nach 3 eingepasst wird;
-
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Blende
(b), sowie die aus einer Simulation bestimmte, zu erzielende Intensitätsverteilung
(a).
-
In 1 ist eine Anzahl von Blenden 11 – 14 verschiedenen
Typs gezeigt, so wie sie herkömmlich verwendet
werden. 1a zeigt eine konventionelle Rundblende
mit einem Blendplättchen 30,
in dem eine runde Öffnung 20 gebildet
ist. Um einen hohen Schärfekontrast
zu erzielen, wird bei der Schrägbelichtung
oftmals auch eine annulare Blende 12 eingesetzt, wie sie
z.B. in 1b zu sehen ist. Sie umfasst zwei
Teilplättchen,
ein Rundblendenplättchen 31 und ein
zentrales kreisförmiges
Plättchen 32,
dessen Befestigung an dem äußeren Plättchen der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt ist. Durch die Teilplättchen wird eine ringförmige transparente Öffnung 21 gebildet.
-
Die 1c und 1d zeigen
eine Quadrupolblende 13 bzw. eine Dipolblende 14.
Sie umfassen Blendplättchen 33 bzw. 34 und
von der optischen Achse beabstandete Öffnungen 22 – 27.
Die optischen Achsen entsprechen in den 1c und 1d den
Mittelpunkten der runden Blendplättchen.
-
2 zeigt
den Aufbau eines Belichtungsapparates 2. Die Strahlungsquelle 70 erzeugt
einen monochromatischen Lichtstrahl 100, der durch einen
Ellipsoidalspiegel 72 in die Illuminatoroptik des Apparates 2 eingespeist
wird. Die Illuminatoroptik wird durch die Teile mit den Bezugszeichen 72 bis 94 ohne
Anspruch auf eine Vollständigkeit
der gezeigten Darstellung zusammengesetzt.
-
Der
Lichtstrahl passiert eine erste Kondenserlinse 74 und eine
Fly-Eye-Lens 76. Deren Eingangsebene ist konjugiert zu
der Ebene, in welcher sich das Muster der Photomaske befindet. Deren Ausgangsebene
bzw. diejenige ihrer Facetten ist dagegen Fourier-transformiert.
In dieser Ebene ist ein erster Aperturstop 78 der Illuminatoroptik
vorgesehen. Vor dem Durchstrahlen einer zweiten 80 und
einer dritten 82 Kondenserlinse trifft der Lichtstrahl 100 auf
einen Umlenkspiegel 84. Durch die dritt Kondenserlinse 82 wird
der Lichtstrahl fokussiert und auf ein transparentes Trägersubstrat 40 der
Blende 1 geworfen. Die Blende 1 ist in der Fourier-Ebene 50 angeordnet,
die über
eine Fourier-Transformation mit einer Intensitätsverteilung am Ort des Musters 98 der Photomaske 96 in
Beziehung steht.
-
Auf
der Oberfläche 44 des
Trägersubstrats 40 ist
eine Schicht 42 lichtabsorbierenden Materials angeordnet,
wie in dem Querschnitt der 3c zu sehen
ist. Genau genommen ist es die Schicht 42, die in der relativ
zur Ebene 99 des Musters 98 gebildeten Fourier-Ebene 50 innerhalb
der Illuminatoroptik angeordnet wird, wie 2 zeigt.
-
Über eine
vierte Kondenserlinse 86, eine Reticle-Blende 88,
eine fünfte
Kondenserlinse 90, einen Umlenkspiegel 92 und
eine sechste Kondenserlinse 94 trifft der Lichtstrahl auf
die Photomaske 96.
-
Es
sind noch weitere Maßnahmen
im gezeigten Strahlengang zu treffen, etwa die Einbeziehung eines
aufweitenden oder aufspaltenden Beugungsgitters. Der Übersichtlichkeit
halber sind diese in 2 nicht dargestellt. Der auf
dem Gebiet der lithographischen Projektion kundige Fachmann ist
mit seinem Wissen in der Lage, die entsprechenden Details beim Nachbau
des in 2 dargestellten Apparates einzufügen. Desgleichen
ist der Gang des Lichtstrahls 100, 101 vereinfacht
dargestellt, insbesondere ist ein schräger Lichteinfall auf die Blende 1 und
die Photomaske 96 in der Darstellung zur Übersichtlichkeit
in 2 ausgelassen, die mittels eines Diffraktions-
bzw. Beugungsgitters erzielt werden können. Derart gebeugte Lichtbeiträge treffen
beispielsweise auch außerhalb
der optischen Achse auf die Blende 1 und passieren insofern
in der Fourier-Ebene 50 auch den halbdurchlässigen Bereiche 48 in
diesem Ausführungsbeispiel.
In die Lichteverteilung gehen auch Faktoren wie etwa Inhomogenitäten und
die endliche Ausdehnung der Strahlungsquelle 70 ein.
-
Durch
eine Projektionsoptik 112 wird die bestrahlte Photomaske 96 bzw.
das aus Strukturen 110 gebildete Muster 98 auf
einem Halbleitersubstrat 116, das auf einer Substrathalterung 118 abgelegt
ist, abgebildet. Abhängig
von abzubildenden Muster 98 kann dabei auch die Numerische
Apertur mittels einer Aperturblende 114, die in einer Fourier-Ebene des
Musters 98 in der Projektionsoptik angeordnet ist, eingestellt
werden.
-
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in 2 eingesetzten
Blende im Detail. In 3a ist zunächst das Ergebnis einer numerischen
Simulation der Abbildung des Musters 98 auf das Halbleitersubstrat 116 gezeigt,
d.h. eine Intensitätsverteilung
in der Fourier-Ebene 50 der Blende 1, so wie sie
für die Durchführung einer
optimalen Abbildung verlangt wird. Bei einer optimalen Abbildung
handelt es sich beispielsweise um eine solche, bei der auf dem Halbleitersubstrat
ein maximaler Kontrast, eine größte Auflösung, etc.
oder eine daraus zusammengesetzte Größe erzielt wird.
-
Die
Strahlungsquelle 70 befindet sich in einer zu der Fourier-Ebene 50 konjugierten
Ebene, d.h. die Ausdehnung und Form der Strahlungsquelle ist unmittelbar
in der Fourier-Ebene 50 wiederzufinden. Für die numerische
Simulation wird mittels eines sogenannten Illuminator-scans diese
Intensitätsverteilung
vorab experimentell ausgemessen und neben dem Muster 98 als
Eingabeinformation verwendet.
-
Die
durch Simulation bestimmte Intensitätsverteilung, die einem optimalen
Projektionsergebnis entspricht, ist in 3a in
3 Graustufen 56, 58, 59 in schraffierter
Darstellung wiedergegeben. Das Simulationsergebnis wird in eine
Karte umgerechnet, in der jedem Punkt der bestimmten Intensitätsverteilung
aus 3a ein Grad für
die Lichtdurchlässigkeit zugeordnet
wird. Anhand dieser Karte wird ein mit einer lichtabsorbierenden
Schicht 42 aus Chrom beschichtetes Trägersubstrat in einem Ätzapparat
lokal entsprechend dem jeweiligen Grad der Lichtdurchlässigkeit
geätzt.
Genauer gesagt, es wird die Chromschicht jeweils in einem Maße 54, 55 durch Ätzen gedünnt (Bezugszeichen 52),
das mit dem Grad der Lichtdurchlässigkeit
korrespondiert.
-
Das
Ergebnis ist als Blende 1 in 3b zu sehen. 3c zeigt
einen Querschnitt durch die Blende entlang einer Strecke A-B.
-
Zusammengefasst
wird durch Dünnung 52 der
Schicht 42 ein weiteres, teilweise lichtdurchlässiges Gebiet 48 gebildet,
in dem die Schicht 42 nur noch eine geringere, zweite Dicke 62 aufweist.
Die Gebiete 46, 48, 49 korrespondieren
in ihrer Lage mit einer durch numerische Simulation bestimmten Intensitätsverteilung 56, 58, 59 in
einer Ebene 50, die zu der in der Ebene 99 des
Musters 98 bei einer Belichtung entstehenden Intensitätsverteilung über eine Fourier-Transformation
zusammenhängt.
-
- 1
- Blende
- 2
- Belichtungsapparat
- 11-14
- konventionelle
Blenden
- 21-27
- Öffnungen
in konventionellen Blenden
- 31-34
- Blendenplättchen (starr)
- 40
- Trägersubstrat,
transparent
- 42
- Schicht
lichtabsorbierenden Materials
- 44
- Oberfläche des
Substrates
- 46
- lichtundurchlässiges Gebiet
- 48
- teilweise
lichtdurchlässiges
Gebiet
- 49
- lichtdurchlässiges Gebiet
- 50
- Fourier-Ebene
(zur Ebene mit Muster auf der Maske)
- 52
- Dünnung, Ätzung
- 54
- schwaches
oder kurzes Ätzen
- 55
- langes
oder starkes Ätzen
- 61
- erste
Dicke
- 62
- zweite
Dicke
- 70
- Strahlungsquelle
- 72-94
- Illuminatoroptik
- 91
- Intensitätsverteilung,
optimiert in Simulation
- 96
- Photomaske
- 98
- Muster
auf Photomaske
- 99
- Ebene
des Musters im Belichtungsapparat
- 100
- Lichtstrahl
- 112
- Projektionsoptik
- 114
- Aperturblende
in Projektionsoptik
- 116
- Halbleitersubstrat
mit photoempfindlicher Schicht
- 118
- Substrathalterung