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Die
Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage
in der Halbleiterlithographie sowie eine Projektionsbelichtungsanlage,
in der das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem
zur Anwendung kommt. Projektionsbelichtungsanlagen in der Halbleiterlithographie
beruhen auf dem Prinzip, dass eine auf einen Halbleiterwafer mittels
eines fotolitographischen Verfahrens abzubildende Struktur auf einer
Maske, einem sogenannten Reticle, beleuchtet und nachfolgend mittels einer
Projektionsoptik in der Regel verkleinert auf dem Halbleiterwafer
abgebildet werden. Dabei kann die Intensitätsverteilung, mittels derer
das Reticle beleuchtet wird, von der abzubildenden Struktur abhängen und
sich von Reticle zu Reticle ändern.
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Um
die Verteilung des Beleuchtungslichts auf dem Reticle entsprechend
anzupassen, wurden in der Vergangenheit verschiedene Ansätze vorgestellt.
So wurde beispielsweise vorgeschlagen, die gewünschte Intensitätsverteilung
in der Ebene des Reticles mittels in die Anlage einschiebbarer Blenden einzustellen.
Diese Vorgehensweise ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden:
da zur Herstellung eines einzigen Halbleiterbauelements üblicherweise 20
bis 30 Reticles verwendet werden, ergibt sich sehr häufig die
Anforderung, die entsprechenden Blenden zur Einstellung der gewünschten
Beleuchtungslichtverteilung zu wechseln. Dieser Wechsel verursacht einen
Stillstand des Fertigungsprozesses; ferner ist die verfügbare Anzahl
an möglichen
Beleuchtungslichtverteilungen bei dieser Vorgehensweise durch die
Anzahl der vorhandenen verschiedenen Blenden limitiert.
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Eine
Alternative zu dieser Vorgehensweise besteht darin, anstatt von
Blenden flächige,
aktive optische Elemente zu verwenden, durch die die gewünschte Verteilung
des Beleuchtungs lichts dynamisch eingestellt werden kann. So lässt sich
beispielsweise mittels eines sogenannten Micro-Mirror-Arrays mit
hunderten von in Zeilen und Spalten angeordneten, einzeln ansteuerbaren
Mikrospiegeln eine praktisch beliebige Verteilung der Intensität des Beleuchtungslichts
in einer Reticle- oder Pupillenebene der Projektionsbelichtungsanlage
einstellen. Allgemein soll unter einem Micro-Mirror-Array eine Gruppe
von Mikrospiegeln verstanden werden, wobei diese Gruppe auch eindimensional,
also linear, oder auch dreidimensional, also räumlich, angeordnet sein kann.
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In 2 ist
schematisch ein Beleuchtungssystem nach dem Stand der Technik dargestellt,
in dem diese Technologie zur Anwendung kommt. In dem aus dem Stand
der Technik bekannten derartigen Systemen sind dabei häufig extreme
Kippwinkel der einzelnen Mikrospiegel einzustellen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage
bzw. eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie
anzugeben, bei denen zur Einstellung der Beleuchtungslichtverteilung
ein Micro-Mirror-Array zur Anwendung kommt, wobei die Anforderungen
an den Verstellbereich der einzelnen Mikrospiegel des Micro-Mirror-Arrays
gegenüber dem
Stand der Technik reduziert sind.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Beleuchtungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 sowie durch die Projektionsbelichtungsanlage mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 10. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte
Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
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Das
erfindungsgemäße Beleuchtungssystem
für eine
Projektionsbelichtungsanlage für
die Halbleiterlithographie zeigt eine Lichtquelle zur Erzeugung
eines Strahlenbündels.
Zur Konditionierung des Strahlenbündels enthält das Beleuchtungssystem optische
Elemente, insbesondere eine Strahlformungseinheit zur Einstellung
unterschiedlicher Winkelausrichtungen unterschied licher Teilstrahlen
des Strahlenbündels.
Dabei weist die Strahlformungseinheit einen Micro-Mirror-Array mit
einer Mehrzahl von auf einem Trägerelement
angeordneten, um eine Nullstellung kippbaren Mikrospiegeln auf,
die in der Weise ausgebildet ist, dass bei einer Nullstellung aller
Mikrospiegel mindestens zwei Mikrospiegel vorhanden sind, für die Teilstrahlen,
die unter dem selben Winkel bezogen auf die Oberfläche der
beiden Mikrospiegel reflektiert werden, die Strahlformungseinheit
(2) in unterschiedlichen Richtungen verlassen.
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Mit
anderen Worten ist das Trägerelement
in der Weise ausgeführt,
dass die spiegelnden Oberflächen
der Mikrospiegel in einer Nullstellung der Mikrospiegel nicht in
der selben Ebene liegen.
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Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Trägerelement
mindestens zwei, insbesondere vier ebene Bereiche aufweist, auf
denen die Mikrospiegel angeordnet sind, wobei die ebenen Bereiche
um einen von Null verschiedenen Winkel gegeneinander verkippt sind.
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Der
Winkel, um den die o. g. Bereiche gegeneinander verkippt sind, kann
z. b. 8°–12° betragen
und dynamisch mittels einer geeigneten Aktuatorik einstellbar sein.
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Alternativ
oder auch zusätzlich
kann die Strahlformungseinheit (2) ein zusätzliches
optisches Element aufweisen, das geeignet ist, einen Teil der Teilstrahlen
des Strahlenbündels
zusätzlich
zu der bereits aufgrund des Micro-Mirror-Arrays erfolgten Ablenkung
weiter abzulenken. Dabei kann es sich bei dem zusätzlichen
optischen Element beispielsweise um eine Keilplatte handeln. Unter
Keilplatte wird dabei ein optisches Element aus einem für die Nutzstrahlung
durchlässigen
Material verstanden, wobei die Grenzflächen, welche die Nutzstrahlung
beim Durchtritt durch das optische Element passiert, nicht parallel
zu einander verlaufen. Auch andere optische Elemente, wie z. B.
Linsen oder diffraktive optische Elemente können für den genannten Zweck zur Anwendung
kommen.
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Das
zusätzliche
optische Element kann dabei in der Weise ausgeführt sein, dass es z. b. mittels einer
geeigneten Aktuatorik in den bzw. aus dem Strahlengang eingebracht
bzw. herausbewegt werden kann.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung sind mindestens zwei Lichtquellen
vorhanden. Dabei ist das Beleuchtungssystem in der Weise ausgelegt, dass
die Strahlenbündel,
die von den mindestens zwei Lichtquellen ausgehen, unterschiedliche
Bereiche des Micro-Mirror-Arrays erreichen. Hierbei kann es sich
um die bereits angesprochenen ebenen, gegeneinander verkippten Teilbereiche
handeln. Diese Ausführungsform
der Erfindung ermöglicht
es, eine insgesamt höhere
optische Leistung für
den Belichtungsvorgang zur Verfügung
zu stellen.
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Eine
weitere Variante der Erfindung besteht darin, dass in einer Nullstellung
der Mikrospiegel Teilstrahlen in zwei unterschiedlichen Richtungen
die Strahlformungseinheit (2) verlassen, wobei die Teilstrahlen
der ersten Richtung von einer ersten Gruppe der Mikrospiegel herrühren und
die Teilstrahlen der zweiten Richtung von einer zweiten Gruppe der
Mikrospiegel herrühren
und wobei die Anzahl der Mikrospiegel in beiden Gruppen etwa gleich
groß ist.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen und
Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
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Es
zeigen
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1 Eine
Projektionsbelichtungsanlage nach dem Stand der Technik,
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2 Eine
Detaildarstellung eines Beleuchtungssystems nach dem Stand der Technik,
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3 Einen
Micro-Mirror-Array nach dem Stand der Technik in vergrößerter Darstellung,
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4 Einen
erfindungsgemäßen Micro-Mirror-Array
in vergrößerter Darstellung;
und
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5 Eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
eine Projektionsbelichtungsanlage 31 für die Halbleiterlithographie
nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Anlage dient zur Belichtung
von Strukturen auf ein mit photosensitiven Materialien beschichtetes
Substrat, welches im allgemeinen überwiegend aus Silizium besteht
und als Wafer 32 bezeichnet wird, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen,
wie z. B. Computerchips.
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Die
Projektionsbelichtungsanlage 31 besteht dabei im wesentlichen
aus einem Beleuchtungssystem 33, einer Einrichtung 34 zur
Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer Struktur versehenen
Maske, eines sogenannten Reticles 35, durch welches die
späteren
Strukturen auf dem Wafer 32 bestimmt werden, einer Einrichtung 36 zur
Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 32 und
einer Abbildungseinrichtung, nämlich einem
Projektionsobjektiv 37, mit mehreren optischen Elementen 38,
die über
Fassungen 39 in einem Objektivgehäuse 40 des Projektionsobjektives 37 gelagert
sind.
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Das
grundsätzliche
Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 35 eingebrachten Strukturen
auf den Wafer 32 abgebildet werden; die Abbildung wird
in der Regel verkleinernd ausgeführt.
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Nach
einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 32 in Pfeilrichtung
weiterbewegt, sodass auf demselben Wafer 32 eine Vielzahl
von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 35 vorgegebenen Struktur,
belichtet wird. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung des
Wafers 32 in der Projektionsbelichtungsanlage 31 wird
diese häufig
auch als Stepper bezeichnet.
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Das
Beleuchtungssystem 33 stellt einen für die Abbildung des Reticles 35 auf
dem Wafer 32 benötigten
Projektionsstrahl 41, beispielsweise Licht oder eine ähnliche
elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Quelle für diese
Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die
Strahlung wird in dem Beleuchtungssystem 33 über optische Elemente
so geformt, dass der Projektionsstrahl 41 beim Auftreffen
auf das Reticle 35 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich
Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen
aufweist.
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Über die
Strahlen 41 wird ein Bild des Reticles 35 erzeugt
und von dem Projektionsobjektiv 37 entsprechend verkleinert
auf den Wafer 32 übertragen,
wie bereits vorstehend erläutert
wurde. Das Projektionsobjektiv 37 weist eine Vielzahl von
einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen 38,
wie z. B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen
auf.
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2 zeigt
schematisch eine detailliertere Darstellung des Beleuchtungssystems 33 der
in 1 gezeigten Projektionsbelichtungsanlage. Dabei
dient als Primärlichtquelle 1 des
Beleuchtungssystems 33 ein Laser, der beispielsweise als
F2-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von
157 nm, oder als ArF-Excimerlaser
mit 193 nm Arbeitswellenlänge ausgebildet
sein kann. Auch andere Primärlichtquellen
mit größerer oder
kleinerer Arbeitswellenlänge können zur
Anwendung kommen.
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Nach
seinem Austritt aus der Primärlichtquelle 1 tritt
der Lichtstrahl in eine Strahlaufweitungsoptik 7 ein, in
der ein weitgehend paralleles Strahlenbündel mit größerem Querschnitt erzeugt wird.
Dabei kann die Strahlaufweitungsoptik 7 Elemente enthalten,
durch die die Kohärenz
des Beleuchtungslichts reduziert wird. Der aufgeweitete, parallele
und homogene Strahl wird im weiteren Verlauf in dem Mikrolinsenarray 3 in
eine Mehrzahl paralleler Teilstrahlen zerlegt. Die Teilstrahlen
treffen in der Strahlformungseinheit 2 auf die Mikrospiegel
des Micro-Mirror-Arrays 21.
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In
der Strahlformungseinheit 2 wird dabei eine vorgegebene
Winkelverteilung der einzelnen Teilstrahlen durch eine entsprechende
Winkeleinstellung der einzelnen, in 2 nicht
näher bezeichneten
Mikrospiegel eingestellt, so dass sich nach dem Passieren des Diffusors 4 und
der Linse 5 in der Pupillenebene 6 eine vorgegebene
Intensitätsverteilung des
Beleuchtungslichtes ergibt. Die Mikrospiegel sind dabei typischerweise
in einem Winkelbereich von –10° bis +10° verstellbar.
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3 zeigt
zur Verdeutlichung der Problematik in vergrößerter Darstellung den Micro
Mirror Array 21. Er besteht aus dem Trägerelement 210 sowie den
auf dem Trägerelement 210 angeordneten
kippbaren Mikrospiegeln 211, 212, 213, 214.
Exemplarisch sollen in 2 die Teilstrahlen 221, 222, 223 und 224 betrachtet
werden, die an den Mikrospiegeln 211, 212, 213, 214 als
Teilstrahlen 221', 222', 223' und 224' reflektiert
werden. Die in der nachfolgenden Pupillenebene hierdurch erzeugten
Lichtpunkte sind im oberen Teil der 2 mit den
entsprechenden Zuordnungen zu den Teilstrahlen 221', 222', 223', 224' dargestellt.
Aus 2 wird erkennbar, dass, um die gewünschte Lichtverteilung
in der Pupillenebene wie dargestellt zu erreichen, die beiden Mikrospiegel 211 und 214 um
einen vergleichsweise großen
Winkel gegenüber
ihrer Nullstellung (diese ist im wesentlichen parallel zur Oberfläche des
Trägerelements 210)
verkippt werden müssen.
Dies führt
dazu, dass einige der auf dem Trägerelement 210 angeordneten Mikrospiegel 211, 212, 213, 214 in
einer Richtung bezogen auf die Nullstellung des Mikrospiegels in
einem weiten Verstellbereich eingestellt werden müssen, wohingegen
Winkelpositionen in der anderen Richtung bezogen auf die Nullposition
für diese
Mikrospiegel nie zur Verwendung kommen. Aufgrund der deswegen erforderlichen
extremen Verkippungen der Mikrospiegel wird die Ansteuerung bzw.
Einhaltung vorgegebener Winkelpositionen schwierig.
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Eine
erste erfindungsgemäße Variante
zur Lösung
der anhand 3 geschilderten Problematik besteht
darin, dass eine Anordnung verwendet wird, wie sie in 4 dargestellt
ist.
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4 zeigt
einen Micro Mirror Array 21, dessen Trägerelement 210' in zwei gegenüber einander verkippte
Bereiche eingeteilt ist. Durch diese Verkippung wird erreicht, dass
die auf dem Trägerelement 210' angeordneten
Mikrospiegel 211, 212, 213, 214 bereits
einen gewissen Winkeloffset aufweisen, so dass extreme Winkelpositionen
der Mikrospiegel nicht eingestellt werden müssen. Aus 4 wird deutlich,
dass erfindungsgemäß die zu
der Darstellung in 3 identische Intensitätsverteilung
des Beleuchtungslichts in der Pupillenebene mit einem wesentlich
geringeren Verkippungswinkel der Mikrospiegel 211, 212, 213 und 214 erreicht
werden kann. Eine variable Einstellung der Verkippung der beiden Teilbereiche
des Trägerelements 210 gegeneinander kann
mittels der Aktuatoreinheit 230 erreicht werden, die beispielsweise
als Linearmotor, Stellschraube oder auch Piezoantrieb realisiert
sein kann. Die Aktuatoranordnung 230 greift über geeignete
Hebelelemente 235 an den Teilbereichen des Trägerelementes 210', die beispielsweise über ein
nicht dargestelltes Scharnier miteinander verbunden sein können, an.
Dabei kann der Verkippungswinkel der beiden Teilbereiche gegeneinander
insbesondere in einem Bereich von 8° bis 12° eingestellt werden, auch Einstellungen
außerhalb
dieses Bereichs sind denkbar. Auch eine Einteilung des Trägerelements 210 bzw. 210' in mehr als
zwei, insbesondere in vier Teilbereiche mit entsprechenden Offset-Winkeln
ist denkbar, wobei jedem Teilbereich ein Pupillenteilbereich zugeordnet
wird. Mit anderen Worten erreichen Strahlen aus einem bestimmten
Teilbereich des Micro Mirror Arrays 21 auch jeweils nur
den entsprechend zugeordneten Pupillenbereich. Insgesamt lässt sich
der benötigte
Winkelverstellbereich der einzelnen Mikrospiegel 211, 212, 213, 214 damit
ungefähr
halbieren.
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Der
Offset-Winkel pro Segment ist dabei so eingestellt, dass in der
Nullposition der Mikrospiegel 211, 212, 213, 214 die
Teilstrahlen einen Winkel von NA(MAX)/2 bezüglich des Pupillenkoordinatensystems
erhalten (Strahlen parallel zu der optischen Achse und vor der Pupillenlinse
liegen in der Mitte der Pupille). NA(MAX)/2 entspricht dabei dem
maximalen Radius der Pupillenebene. Wenn man die Offsetposition
auf NA(MAX)/2, also {R/2} setzt, dann kann man von hieraus in alle
Richtungen den Winkelbereich von ca. 2·R/2, also R, ausgehend von
der Nullposition, erreichen. Somit ergibt sich eine optimale Nutzung
des Verstellbereiches.
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5 zeigt
eine alternative Ausgestaltung der Strahlformungseinheit 2,
bei der auf eine verkippte Anordnung einzelner Bereiche des Trägerelements 210 gegeneinander
verzichtet werden kann. In der in 5 dargestellten
Variante wird die gewünschte
notwendige Winkeleinstellung der einzelnen Teilstrahlen dadurch
erreicht, dass ein zusätzliches
optisches Element 200 vorhanden ist, durch das die erforderliche
Ablenkung der entsprechenden Teilstrahlen vorgenommen wird. In dem
in 5 dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem
zusätzlichen optischen
Element 200 um eine Keilplatte, in der der gewünschte Effekt
auf refraktivem Wege erreicht wird. Durch die refraktive Wirkung
der Keilplatte 200 ergeben sich die gestrichelt gezeichneten
Strahlverläufe,
die mit den BZ 223'' und 224'' bezeichnet sind. Die Strahlverläufe 223' und 224' entsprechen
den Verläufen,
die sich ohne die Verwendung einer Keilplatte ergeben würden. Es
ist ferner denkbar, die Keilplatte 200 mit einer geeigneten
Mechanik zu versehen, durch die diese beispielsweise in den Strahlgang
gebracht bzw. aus diesem entfernt oder auch im Strahlengang selbst
verkippt werden kann. Auch die Verwendung mehrerer Keilplatten bzw.
optischer Elemente 200, die unterschiedlichen Bereichen
des Micro-Mirror-Arrays 21 zugeordnet sind, kann für bestimmte
Anwendungen vorteilhaft sein. Ferner müssen die beiden anhand 4 und 5 geschilderten
Konzepte nicht notwendigerweise alternativ verwendet werden, sondern
können
selbstverständlich auch
kombiniert werden.