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Die
Erfindung betrifft mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlagen,
wie sie zur Herstellung hochintegrierter elektrischer Schaltkreise
und anderer mikrostrukturierter Bauelemente verwendet werden. Die
Erfindung betrifft insbesondere Maßnahmen, um identische Strukturen
mit gleichen Breiten abbilden zu können.
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Integrierte
elektrische Schaltkreise und andere mikrostrukturierte Bauelemente
werden üblicherweise
hergestellt, indem auf ein geeignetes Substrat, bei dem es sich
beispielsweise um einen Silizium-Wafer handeln kann, mehrere strukturierte Schichten
aufgebracht werden. Zur Strukturierung der Schichten werden diese
zunächst
mit einem Photolack bedeckt, der für Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches,
z.B. Licht im tiefen ultravioletten Spektralbereich (DUV, deep ultraviolet),
empfindlich ist. Anschließend
wird der so beschichtete Wafer in einer Projektionsbelichtungsanlage
belichtet. Dabei wird ein Muster aus beugenden Strukturen, das sich auf
einer Maske befindet, auf den Photolack mit Hilfe eines Projektionsobjektivs
abgebildet. Da der Abbildungsmaßstab
dabei im allgemeinen kleiner als 1 ist, werden derartige Projektionsobjektive
häufig
auch als Reduktionsobjektive bezeichnet.
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Nach
dem Entwickeln des Photolacks wird der Wafer einem Ätzprozeß unterzogen,
wodurch die Schicht entsprechend dem Muster auf der Maske strukturiert
wird. Der noch verbliebene Photolack wird dann von den verbleibenden
Teilen der Schicht entfernt. Dieser Prozeß wird so oft wiederholt, bis
alle Schichten auf den Wafer aufgebracht sind.
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Für eine einwandfreie
Funktion der auf diese Weise hergestellten mikrostrukturierten Bauelemente
ist es erforderlich, daß Strukturen
mit identischen Abmessungen unabhängig von ihrer Orientierung und
ihrer Lage auf der Maske mit gleicher Breite auf dem Photolack abgebildet
werden. Als Maß für die Gleichmäßigkeit,
mit der identische Strukturen über das
Feld verteilt abgebildet werden, wird häufig die CDU (critical dimension
uniformity) verwendet.
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Die
heute in der Regel eingesetzten Photolacke haben die Eigenschaft,
daß sie
eine relativ scharfe Belichtungsschwelle haben. Dies bedeutet, daß ein Punkt
auf dem Photolack vollständig
belichtet ist, wenn die darauf während
des gesamten Belichtungsvorgangs auftreffende Strahlungsenergie
einen bestimmten Wert überschreitet.
Liegt diese Strahlungsenergie unterhalb dieses Wertes, so bleibt
der Punkt unbelichtet. Die Breite einer Struktur hängt deswegen
davon ab, über
welchen Bereich auf dem Photolack hinweg die Belichtungsschwelle überschritten wird.
Die auf ein Flächenelement
auftreffende Strahlungsenergie wird in der Photometrie im allgemeinen als
Bestrahlung bezeichnet. In der Mikrolithographie wird hingegen für diese Größe der Begriff
Strahlungsdosis oder kurz Dosis verwendet. Die Einheit der Strahlungsdosis
ist Joule pro Quadratmillimeter (J/mm2).
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben,
die verhindern, daß identische
Strukturen je nach Lage und Orientierung auf der Maske mit unterschiedlicher
Breite abgebildet werden.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Beleuchtungssystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
Projektionsbelichtungsanlage in einer schematisierten, nicht maßstäblichen
Seitenansicht;
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2 wesentliche
Komponenten eines Beleuchtungssystems der in der 1 gezeigten
Projektionsbelichtungsanlage in einem vereinfachten Meridionalschnitt;
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3 mehrere
Feldpunkte in einer Austrittsebene des Beleuchtungssystems;
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4a bis 4d Austrittspupillen
mit einer Parzellenstruktur für
die in der 3 gezeigten Feldpunkte;
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5 eine
Draufsicht auf eine Parzellenteilungsblende zur feineren Unterteilung
der Parzellenstruktur;
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6a und 6b Austrittspupillen
mit durch die Parzellenteilungsblende unterteilten Parzellenstruktur
für zwei
der in der 3 gezeigten Feldpunkte;
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7 eine
Draufsicht auf eine Aperturblende mit einer rechteckigen Blendenöffnung;
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8a bis 8d Austrittspupillen
mit einer durch die Aperturblende begrenzten Parzellenstruktur für die in
der 3 gezeigten Feldpunkte;
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9a eine
Integratorstab-Anordnung mit einem integrierten Streuelement;
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9b die
Integratorstab-Anordnung, bei welcher das Streuelement durch ein
nicht streuendes Element ersetzt ist; und
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10 einen
meridionalen Schnitt durch das Streuelement aus der 9a.
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In
der 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage vereinfacht
und nicht maßstäblich in
einem Meridionalschnitt gezeigt und insgesamt mit 10 bezeichnet.
Die Projektionsbelichtungsanlage 10 umfaßt ein Beleuchtungssystem 12,
die der Erzeugung eines Projektionslichtbündels 14 dient. Die
Projektionsbelichtungsanlage 10 umfaßt ferner ein Projektionsobjektiv 16,
in dessen Objektebene 18 ein Retikel 20 verfahrbar
angeordnet ist. In einer Bildebene 22 des Projektionsobjektivs 16 befindet
sich eine lichtempfindliche Schicht 24, die auf einem Substrat 26, bei
dem es sich z.B. um einen Siliziumwafer handeln kann, aufgebracht
ist.
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Die 2 zeigt
in einer schematischen Darstellung Einzelheiten des Beleuchtungssystems 12. Das
Beleuchtungssystem 12 enthält eine Lichtquelle 28,
die z.B. als Excimer-Laser ausgeführt sein kann. Das von der
Lichtquelle 28 erzeugte Projektionslichtbündel 14 durchtritt
zunächst
eine Strahlformungseinrichtung 30 und ein Zoom-Axicon-Objektiv 32. Das
Zoom-Axikon-Objektiv 32 bildet, ggf. zusammen mit einem
nicht dargestellten diffraktiven optischen Element, eine Pupillenformungseinrichtung,
mit dem sich das Winkelspektrum des aus dem Zoom-Axikon-Objektiv 32 austretenden
Lichtes verändern
läßt. Das
Zoom-Axikon-Objektiv 32 ist
dabei so ausgebildet, daß sich
auch sehr kleine Beleuchtungssettings mit einem Kohärenzparameter σ einstellen
läßt, der kleiner
ist als 0,2 in mindestens einer Richtung senkrecht zur optischen
Achse.
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Im
Lichtweg hinter dem Zoom-Axikon-Objektiv 32 ist ein Integratorstab 34 angeordnet,
der das Projektionslichtbündel 14 mischt
und homogenisiert. Der Integratorstab 34 hat eine Lichteintrittsfläche 36 und
eine Lichtaustrittsfläche 38,
die eine Zwischenfeldebene 40 des Beleuchtungssystems 12 festlegt. Die
Zwischenfeldebene 40 ist optisch konjugiert zu einer Austrittsebene 41 des
Beleuchtungssystems 12, die mit der Objektebene 18 des
nachfolgenden Projektionsobjektivs 16 zusammenfällt. Die
optische Konjugation wird dabei mit Hilfe eines Abbildungsobjektivs 42 erzielt,
welches die Zwischenfeldebene 40 auf die Austrittsebene 41 abbildet.
Innerhalb des Abbildungsobjektivs 42 befindet sich eine
Pupillenebene 45.
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Bei
einer nicht vollständigen
Ausleuchtung der Lichteintrittsfläche 36 des Integratorstabs 34 entsteht
eine Parzellenstruktur der Austrittspupille, die von der Lage der
Feldpunkte in der Austrittsebene 41 abhängt. Diese feldabhängige Parzellenstruktur
führt zu
einer Ungleichmäßigkeit
der Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes auf dem Retikel 20.
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Dies
wird im folgenden mit Bezug auf die 3 sowie 4a bis 4d erläutert:
Die 3 zeigt
die Austrittsebene 41 des Beleuchtungssystems 12,
die mit der Objektebene 18 des Projektionsobjektivs 16 zusammenfällt. Mit
FPa, FPb, FPc und FPd sind vier Feldpunkte in der Austrittsebene 41 bezeichnet,
in denen Lichtbündel
LBa, LBb, LBc bzw. LBd konvergieren. Dabei wird angenommen, daß der Feldpunkt
FPa in der Mitte und der Feldpunkt FPd am Rand des Beleuchtungsfeldes liegt.
Eine gleichförmige
Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes wird nur dann erzielt, wenn
an allen Feldpunkten FPa, FPb, FPc und FPd Licht mit der gleichen
Intensität
auftrifft. Dies setzt voraus, daß die in jedem Lichtbündel LBa,
LBb, LBc und LBd enthaltene Lichtenergie gleich ist.
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Die 4a bis 4d zeigen
für die
vier Feldpunkte FPa, FPb, FPc bzw. FPd deren Austrittspupille, die
mit 44a, 44b, 44c bzw. 44d bezeichnet ist.
Die Austrittspupille gibt die Winkelverteilung an, mit der Licht
auf den betreffenden Feldpunkt auftritt. Jedem Ort in der Austrittspupille
ist dabei genau ein Winkel zugeordnet. An gepunktet dargestellten
Flächen
ist die Austrittspupille ausgeleuchtet; während an weißen oder
schwarzen Flächen
kein Licht vorhanden ist.
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In
den schematischen Darstellungen ist erkennbar, daß die Austrittspupillen 44a, 44b, 44c bzw. 44d nicht
vollständig
ausgeleuchtet werden. Vielmehr enthalten die Austrittspupillen 44a, 44b, 44c, 44d ausgeleuchtete
und periodisch angeordnete Parzellen 46, die durch gitterartig
angeordnete, nicht ausgeleuchtete horizontale Streifen 47 und
vertikale Streifen 49 voneinander getrennt sind. Die durch
die Parzellen 46 hervorgerufene Parzellenstruktur ist jedoch
bei den Feldpunkten FPa, FPb, FPc und FPd un terschiedlich, da sich
die Lage der vertikalen Streifen 49 voneinander unterscheidet.
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Verursacht
wird die periodische Parzellenstruktur dadurch, daß die Lichteintrittsfläche 36 des Integratorstabs 34 nicht
vollständig
ausgeleuchtet, sondern nur partiell mit Licht gefüllt wird.
Bei den in den 4a bis 4d gezeigten
Austrittspupillen 44a, 44b, 44c, 44d ist
beispielsweise angenommen, daß die
Lichteintrittsfläche 36 des
Integratorstabs 34 nur zu 80% mit Licht gefüllt ist.
Die Ausleuchtung der Lichteintrittsfläche 36 hängt wiederum
ab von dem Beleuchtungssetting, das mit Hilfe des Zoom-Axikon-Objektivs 32 eingestellt
werden kann. Bei sehr kleinen konventionellen Beleuchtungssettings,
bei denen die Winkel zur optischen Achse und damit die Beleuchtungsapertur
klein bleiben, ist die Ausleuchtung der Lichteintrittsfläche 36 am
kleinsten. Dadurch entstehen relativ große Parzellen 46, die
durch relativ weit auseinander liegende streifenförmige Bereiche 47, 49 voneinander
getrennt sind.
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Gerade
bei solchen Parzellenstrukturen, wie sie in den 4a bis 4d gezeigt
sind, bewirken die nicht ausgeleuchteten Streifen 47, 49 jedoch,
daß die
Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes ungleichförmig wird. Da die Anordnung
der vertikalen Streifen 49 vom Feldort abhängt, erhalten
die Feldpunkte FPa bis FPd unterschiedlich viel Licht. Eine gleichförmige Ausleuchtung
würde nur
dann erzielt, wenn die gesamte ausgeleuchtete, in den 4a bis 4d gepunktet
dargestellte Fläche
der Austrittspupillen 44a bis 44d identisch ist.
Dadurch, daß sich
die vertikalen Streifen 49 über die runde Austrittspupille 44a bis 44d verschieben,
wenn man von einem Feldpunkt FPa in der Feldmitte zum Rand des Beleuchtungsfeldes
wandert, ist die tatsächlich
ausgeleuchtete Fläche
der Austrittspupille jedoch unterschiedlich. Dies zeigt beispielsweise
ein Vergleich der Austrittspupillen 44a und 44d.
Am Feldpunkt FPd hat sich von rechts ein weiterer vertikaler Streifen 49 in
die Austrittspupille 44d geschoben, wodurch sich die gesamte
ausgeleuchtete Fläche
verringert.
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Im
folgenden werden unterschiedliche Maßnahmen erläutert, wie man eine Ungleichförmigkeit der
Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes verringern kann, die durch die
Parzellenstruktur der Austrittspupille 44 verursacht ist.
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Eine
erste Möglichkeit
wird mit Bezug auf die 5 und 6a, 6b erläutert. Die 5 zeigt in
einer Draufsicht eine Parzellenteilungsblende 50, die einen
Steg 52 enthält.
Der Steg 52 kann beispielsweise aus einem Substrat aus
Glas oder CF2 bestehen, auf dem eine Chromschicht zur Bildung eines
lichtundurchlässigen
Bereichs aufgebracht ist. Die Parzellenteilungsblende 50 kann
bei Bedarf, d.h. insbesondere bei kleinen konventionellen Beleuchtungssettings,
unmittelbar vor die Lichteintrittsfläche 36 mit Hilfe eines
geeigneten Einschubhalters 54 in den Strahlengang eingeschoben
werden. In der 5 ist die Lichteintrittsfläche 36 des
Integratorstabs 34 mit einer gestrichelten Linie angedeutet.
Der Steg 52 unterteilt somit die Lichteintrittsfläche 36 in zwei
gleiche Hälften.
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Dadurch
entstehen in der Austrittspupille zusätzliche nicht ausgeleuchtete
vertikale Streifen 149, deren Abstand voneinander genauso
groß ist
wie der Abstand zwischen den vertikalen Streifen 49. Wie dies
in den 6a und 6b im
Vergleich zu den 4a und 4b erkennbar
ist, führen
die zusätzlichen
vertikalen Streifen 149 dazu, daß sich die Parzellen 146 in
der Austrittspupille 144a, 144b der Feldpunkte
FPa, FPb verkleinern. Durch die verkleinerten Parzellen 146 wird
erreicht, daß sich
die unterschiedliche Lage der Parzellen 146, wie sie für unterschiedliche
Feldpunkte FPa, FPb beobachtet wird, nur noch sehr geringfügig auf
die Gleichförmigkeit
der Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes auswirkt.
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Noch
kleinere Parzellen 146 können erzielt werden, wenn die
Parzellenteilungsblende 50 nicht nur mit einem Steg 52,
sondern mit zwei Stegen versehen wird. Da allerdings jeder Steg
zu Lichtverlusten führt,
sollte ein Kompromiß zwischen
möglichst geringen
Lichtverlusten einerseits und einer möglichst gleichmäßigen Ausleuchtung
des Beleuchtungsfeldes andererseits erzielt werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Verbesserung der Gleichförmigkeit
der Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes wird im folgenden mit Bezug
auf die 7 sowie 8b bis 8d erläutert.
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Die 7 zeigt
in einer Draufsicht eine Aperturblende 60 mit einer quadratischen
Blendenöffnung 62,
die bei Bedarf mit Hilfe eines Einschubhalters 64 (siehe 1)
in oder in der Nähe
der Pupillenebene 45 angeordnet werden kann. Die Form der
Blendenöffnung 62 ist
dabei so gewählt,
daß unabhängig von der
Lage der Parzellen 46 die Anzahl der nicht ausgeleuchteten
streifenförmigen
Bereiche konstant bleibt.
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Bei
dem in den 7 sowie 8b bis 8d gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist die Ausdehnung der Blendenöffnung 62 in
horizontaler Richtung gerade so gewählt, daß sich stets genau ein unausgeleuchteter
vertikaler Streifen 29 innerhalb der Blendenöffnung 62 befindet.
Die horizontale Ausdehnung der Blendenöffnung 62 entspricht
somit der Breite einer Parzelle 46 zuzüglich der Breite eines vertikalen
Streifens 49. Bei der in der 8a gezeigten
Konstellation sind zwei halbe vertikale Streifen 49 zu
beiden Seiten der Blendenöffnung 62 nicht
ausgeleuchtet. Bei den in den 8b bis 8d gezeigten Austrittspupillen 244b bis 244d befindet
sich ein vertikaler Streifen an unterschiedlichen Positionen innerhalb
der Blendenöffnung 62.
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Eine
weitere Möglichkeit,
wie die Gleichmäßigkeit
der Ausleuchtung im Beleuchtungsfeld verbessert werden kann, wird
im folgenden anhand der 9a, 9b sowie 10 beschrieben.
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Die 9a zeigt
eine Integratorstab-Anordnung 134, die alternativ zu dem
Integratorstab 34 in dem Beleuchtungssystem 12 eingesetzt
werden kann. Die Integratorstab-Anordnung 134 weist
einen ersten Teilstab 341 und einen zweiten Teilstab 342 auf,
wobei zwischen einer Lichtaustrittsfläche des ersten Teilstabs 341 und
einer Lichteintrittsfläche
des zweiten Teilstabs 342 ein plattenförmiges Streuelement 70 zur
Verschmierung der Parzellenstruktur angeordnet ist.
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Das
Streuelement 70 ist gegen einen dritten Teilstab 343 austauschbar,
der zwischen der Lichtaustrittsfläche des ersten Teilstabs 341 und
der Lichteintrittsfläche
des zweiten Teilstabs 342 mit Hilfe einer nicht näher dargestellten
Wechselvorrichtung positionierbar ist. Die 9b zeigt
die Integratorstabanordnung 134 in diesem Zustand.
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Durch
das Streuelement 70 wird, je nach Stärke der Streuwirkung, die Parzellenstruktur
entweder vollständig
zerstört
oder zumindest so weit verschmiert, daß der Intensitätsabfall
in den vertikalen Streifen 49 nur noch gering ist. Im letztgenannten Fall
wirkt sich die Lage vertikalen Streifen 49 nur noch wenig
auf die Gleichförmigkeit
der Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes aus.
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Anstatt
ein separates Streuelement 70 vorzusehen, kann eine streuende
Struktur auch unmittelbar auf eine der Stirnflächen der Teilstäbe 341, 342 aufgebracht
werden. Die Streuwirkung kann dann allerdings nicht mehr durch Austausch
des Streuelements 70 gegen ein drittes Teilelement 343 verändert werden.
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Am
günstigsten
ist es, wenn das Streuelement 70 als planparallele Platte
ausgebildet ist, deren dem Strahlengang ausgesetzten Flächen durch Sandstrahlen
u. ä. aufgerauht
sind. Jede der beiden Seiten erzeugt dabei den halben benötigten Streuwinkel,
der in der Größenordnung
von etwa 1° liegen kann.
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Da
eine solche Platte eine endliche Dicke hat, besteht die Gefahr,
daß an
der Eintrittseite gestreutes Licht an den umlaufenden Seitenrändern der Platte
austritt und somit für
die Beleuchtung verlorengeht. Vorzugsweise werden diese umlaufenden
Ränder
deswegen so poliert, daß an
dem Rand Totalreflexion auftritt. Die 10 zeigt
dies für
das Streuelement 70 in einem meridionalen Schnitt. Die
totalreflektierenden Ränder
sind darin mit 72 bezeichnet.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend erläuterten
Maßnahmen,
welche jeweils die Gleichmäßigkeit
der Ausleuchtung im Beleuchtungsfeld verbessern, sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination eingesetzt werden können.