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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage
sowie Verfahren zur Messung der Lichtintensität von Projektionslichtpulsen
einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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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 Strukturen, das auf einer Maske angeordnet ist, auf
den Photolack mit Hilfe eines Projektionsobjektivs abgebildet. Da
der Abbildungsmaßstab
dabei im Allge meinen 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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Die
Leistungsfähigkeit
der verwendeten Projektionsbelichtungsanlagen wird nicht nur durch
die Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs, sondern auch
durch ein Beleuchtungssystem bestimmt, das die Maske mit dem sogenannten
Projektionslicht beleuchtet. Das Beleuchtungssystem enthält zu diesem
Zweck eine Lichtquelle, meist einen gepulst betriebenen Laser, mit
dem das Projektionslicht erzeugt wird, das dann mit mehreren optischen
Elementen auf die Maske gerichtet wird. Die Lichtintensität des Projektionslichts
ist dabei von besonderer Bedeutung, da diese maßgeblich die Belichtungszeit
bestimmt, mit der der Photolack belichtet werden muss, um die mit
der Belichtung zusammenhängenden
chemischen Reaktionen zu aktivieren. Eine hohe Lichtintensität ist dabei
meist vorteilhaft, da dies zu kürzeren
Belichtungszeit und somit zu einem höheren Durchsatz der Projektionsbelichtungsanlage
führt.
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Zur
Erfassung der Lichtintensität
von einzelnen Projektionslichtpulsen des Projektionslichts können an verschiedenen
Stellen der Projektionsbelichtungsanlage und insbesondere in dem
Beleuchtungssystem lichtempfindliche Messeinheiten vorgesehen sein,
die nach dem photoelektrischen Effekt arbeiten und auffallendes Licht
in einen elektrischen Strom umwandeln. Dabei ist bei gepulsten Systemen
vor allem die elektrische Ladung, d. h. das Zeitintegral des von
den Messeinheiten kommenden Photostroms, von Interesse, da dieses proportional
zu der von den Messeinheiten absorbierten Lichtleistung ist. Besondere
Schwierigkeiten ergeben sich dabei aus der Tatsache, dass die Projektionslichtpulse
mit einer sehr kurzen Pulslänge
von weniger als 200 ns vorliegen.
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Zur
Detektierung der Photostrompulse der Messeinheiten werden üblicherweise
Transimpedanzverstärkerschaltungen
verwendet, die mittels eines Operationsverstärkers Ströme in Spannungen mit sehr kleinem
Fehler umwandeln. Durch die hohe Eingangsimpedanz und den niedrigen
Offsetstrom heutiger Operationsverstärker entstehen bei diesen Schaltungen
kaum Störsignale
oder Rauschen. Um anschließend
das Zeitintegral eines Photostrompulses zu erhalten, ist es prinzipiell
möglich,
die Ausgangsspannung einer solchen Schaltung zu digitalisieren und
numerisch zu integrieren. Durch die endliche Abtastfrequenz einer
solchen Digitalisierung entsteht jedoch, bedingt durch die sehr
kurzen Projektionslichtpulse und den damit verbundenen kurzen Photostrompulsen,
ein erheblicher Fehler bei der numerischen Integration.
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Daher
wurden bislang analoge Integratoren verwendet, um diesen Fehlern
entgegenzuwirken. Ein analoger Integrator weist jedoch eine deutlich
höhere
Komplexität
auf und macht es zudem notwendig, über eine Zusatzschaltung die
Integration zurückzusetzen.
Durch diese Zusatzschaltung mit ihren parasitären Kapazitäten wird jedoch ein deutlicher
Messfehler eingeführt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage
und Verfahren dafür
anzugeben, mit denen eine bessere Messung der Lichtintensität der Projektionslichtpulse
möglich wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage,
die eine lichtempfindliche Messeinheit zur Messung der Lichtintensität von Projektionslichtpulsen,
mit deren Hilfe die Projektionslichtpulse in Strompulse umwandelbar
sind, und eine Transimpedanzverstärkerschaltung mit einem Ausgang
aufweist, mit deren Hilfe die Strompulse in Spannungspulse umwandelbar
sind. Die Transimpendanzverstärkerschaltung
weist dazu einen Operationsverstärker
mit einem invertierenden Differenzeingang und einem nicht invertierenden
Differenzeingang, einen Gegenkopplungswiderstand und einen Ladungspuffer, insbesondere
einen Kondensator, auf, der zwischen dem invertierenden Differenzeingang
und dem nicht invertierenden Differenzeingang geschaltet ist und
mit dem die Strompulse verlängerbar
sind.
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Die
Erfindung basiert also auf der Erkenntnis, dass man die langen Pausen
zwischen zwei Projektionslichtpulsen ausnutzen kann, um mit einem
Ladungspuffer die Strompulse des von den lichtempfindlichen Messeinheiten
kommenden Photostroms in der Transimpedanzverstärkerschaltung über einen
wesentlich längeren
Zeitraum als die Dauer des Projektionslichtpulses zu verteilen.
Das Zeitintegral über
die Strompulse (also die Ladung) bleibt dabei erhalten. Da nun in
der längeren
Zeit des elektrischen Spannungspulses am Ausgang der Transimpedanzverstärkerschaltung
von dem Analog-Digital-Wandler und dem nachfolgenden Digitalintegrator
mehr Momentanwerte aufgenommen werden können, wird somit eine genauere
numerische Integration ermöglicht.
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Eine
solche künstliche
Verlängerung
der Zeitkonstante eines solchen Systems wird dabei insbesondere
durch den Kondensator erreicht, der zwischen den invertierenden
und den nicht invertierenden Differenzeingang des Operationsverstärkers der
Transimpedanzverstärkerschaltung
geschaltet ist.
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Vorzugsweise
ist die lichtempfindliche Messeinheit in dem Beleuchtungssystem
der mikrolithographischen Projektions belichtungsanlage angeordnet.
Die Anordnung verschiedener lichtempfindlicher Messeinheiten in
dem Beleuchtungssystem der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage
ermöglicht
die Lichtintensität
der Projektionslichtpulse an verschiedenen Orten im Beleuchtungssystem,
die beispielsweise einer Pupillenfläche zugeordnet sein können, zu
bestimmen und somit die Eigenschaften des Projektionslichts genau
zu erfassen, bevor dieses auf die Maske fällt.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn zur Erzeugung der Projektionslichtpulse
eine Lichtquelle vorgesehen ist, mit der Projektionslichtpulse mit
einer Pulslänge
von weniger als 250 ns erzeugbar sind, die mehr als 60 ms auseinanderliegen.
Bei der Verwendung einer solchen Lichtquelle sind die Pausen zwischen
den Projektionslichtpulsen ausreichend lang, um die Strompulse des
Photostroms zu strecken und mit einer ausreichenden Genauigkeit
zu integrieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte perspektivische Darstellung einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungsanlage;
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2 eine
Transimpedanzverstärkerschaltung
mit einem Kondensator zur künstlichen
Verlängerung der
Zeitkonstante.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 zeigt
in einer stark schematisierten perspektivischen Darstellung eine
Projektionsbelichtungsanlage 10, die für die lithographische Herstellung
mikrostrukturierter Bauteile geeignet ist. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 enthält ein Beleuchtungssystem 12,
das auf einer Maske 14 ein schmales, in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
rechteckiges Beleuchtungsfeld 16 ausleuchtet. Andere Beleuchtungsfeldformen,
z. B. Ringsegmente, kommen selbstverständlich ebenfalls in Betracht.
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Hierzu
umfasst das Beleuchtungssystem 12 als Lichtquelle einen
gepulst betriebenen Laser, der Projektionslichtpulse mit einer Wellenlänge von
beispielsweise 193 nm oder 248 nm und einer Pulslänge von
weniger als 250 ns, typischerweise zwischen 50 ns und 200 ns, erzeugt,
die mehr als 60 ms, typischerweise zwischen 66 ms und 333 ms, auseinander
liegen. Ferner weist das Beleuchtungssystem 12 verschieden
optische Elemente auf, die die Eigenschaften des Projektionslichts
bestimmen, das auf dem Beleuchtungsfeld 16 auftrifft. Unter
anderem kann dabei auch ein sogenanntes Multi-Mirror-Array zum Einsatz
kommen, mit dem die sogenannte Beleuchtungswinkelverteilung des
Projektionslichts flexibel einstellbar ist, indem mittels vieler
individuell einstellbarer Mikrospiegel die Intensitätsverteilung
des Projektionslichts in einer Pupillenfläche des Beleuchtungssystems 12 variiert
wird.
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Innerhalb
des Beleuchtungsfeldes 16 liegende Strukturen 18 auf
der Maske 14 werden dann mit Hilfe eines Projektionsobjektivs 20 auf
eine lichtempfindliche Schicht 22 abgebildet. Die lichtempfindliche
Schicht 22, bei der es sich z. B. um einen Photolack handeln
kann, ist auf einem Wafer 24 oder einem anderen geeigneten
Substrat aufgebracht und befindet sich in der Bildebene des Projektionsobjektivs 20.
Da das Projektionsobjektiv 20 im allgemeinen einen Abbildungsmaßstab |β| < 1 hat, werden die
innerhalb des Beleuchtungsfeldes 16 liegenden Strukturen 18 verkleinert
als Bereich 16' abgebildet.
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Bei
der dargestellten Projektionsbelichtungsanlage 10 werden
die Maske 14 und der Wafer 24 während der
Projektion verfahren. Das Verhältnis
der Verfahrgeschwindigkeiten ist dabei gleich dem Abbildungsmaßstab β des Projektionsobjektivs 20.
Falls das Projektionsobjektiv 20 eine Invertierung des
Bildes erzeugt, verlaufen die Verfahrbewegungen der Maske 14 und
des Wafers 22 gegenläufig,
wie dies in der 1 durch Pfeile A1 und A2 angedeutet
ist. Auf diese Weise wird das Beleuchtungsfeld 16 in einer
Scanbewegung über die
Maske 14 geführt,
so dass auch größere strukturierte
Bereiche zusammenhängend
auf die lichtempfindliche Schicht 22 projiziert werden
können.
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Die 2 zeigt
das Schema eines Intensitätsmesssystems 30.
Das Intensitätsmesssystem 30 weist hierzu
eine lichtempfindliche Messeinheit 32 auf, die einfallende
Lichtintensität
in einen Photostrom umwandelt und in dem Beleuchtungssystem 12 der
Projektionsbelichtungsanlage 10 angeordnet ist. Im Falle
der hier verwendeten gepulsten Lichtquellen bedeutet dies, dass
ein Projektionslichtpuls in einen Photostrompuls I(ω) umgewandelt
wird. Eine solche lichtempfindliche Messeinheit 32 kann
beispielsweise mittels einer Photodiode oder, insbesondere zur Überwachung
der von einem Multi-Mirror-Array erzeugten Intensitätsverteilung
in einer Pupillenfläche,
mittels einer positionsempfindliche Diode (PSD) realisiert werden.
Des Weiteren umfasst das Intensitätsmesssystem 30 eine
Transimpedanzverstärkerschaltung 34,
die als Hauptbestandteile einen Operationsverstärker 36 mit einem
invertierenden Differenzeingang 38 und einem nicht invertierenden
Differenzeingang 40, einem Gegenkopplungswiderstand 42 sowie
einen Kondensator 44 aufweist.
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Der
Operationsverstärker 36 wird
in der Transimpedanzverstärkerschaltung 34 so
geschaltet, dass der nicht invertierende Differenzeingang 40 auf
Masse gelegt wird und der invertierende Differenzeingang 38 mit der
lichtempfindlichen Messeinheit 32 verbunden wird. Über den
Gegenkopplungswiderstand 42 wird der invertierende Differenzeingang 38 zudem
mit dem Ausgang 46 des Operationsverstärkers 36 verbunden,
so dass der Operationsverstärker
in Gegenkopplung betrieben wird und am invertierenden Differenzeingang 38 ein
sogenannter virtueller Nullpunkt erzeugt wird. Da beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel
die Photostrompulse I(ω)
von sehr kurzer Dauer, wie beispielsweise weniger als 200 ns, sind,
aber zeitlich weit auseinanderliegen, wie beispielsweise mehr als
100 ms, wird zur künstlichen
Verlängerung
der Photostrompulse I(ω)
der Kondensator 44 zwischen den invertierenden Differenzeingang 38 und
den nicht invertierenden Differenzeingang 40 geschaltet.
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Die
soeben geschilderte Schaltung wird als lineares System am besten
durch ihr spektrales Verhalten, d. h. in Abhängigkeit einer Winkelfrequenz ω, beschrieben.
Durch einfache Betrachtungen kann man so mit Hilfe der Kirchhoff-Regeln
die komplexe Übertragungsfunktion
des Systems berechnen. Mit der Differenzverstärkung G des Operationsverstärkers
36 und
dem Widerstand R des Gegenkopplungswiderstands
42 gilt
für das
Verhältnis
von ausgehendem Spannungspuls U(ω)
zu eingehendem Photostrompuls I(ω):
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Aus
Gleichung 1 ist ersichtlich, dass durch den Kondensator 44 mit
der Kapazität
C ein Imaginärteil eingeführt wird,
der für
die zeitliche Ausdehnung des Spannungspulses U(ω) am Ausgang 46 des
Operationsverstärkers 36 verantwortlich
ist. Das zeitliche Integral von U(ω) ist dabei proportional zu
dem von I(ω),
da im zeitlichen Mittel die Ladung, die durch den Kondensator 44 fließt, Null
ist. Mathematisch wird dies daraus ersichtlich, dass für ω = 0 der
Term mit der Kapazität
C vollständig
verschwindet, d. h. der Kondensator 44 also keinen Einfluss
auf das Integral hat.
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Da
die parasitären
Parallelwiderstände
eines Kondensators typischerweise extrem groß sind, wird über diese
keine Ladung dissipiert. Daher ist das Ladungsintegral auch bei
realen Systemen exakt.
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Der
so verbreiterte Spannungspuls U(ω)
kann durch die längere
Messzeit von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert und anschließend numerisch
integriert werden. Da durch die zeitliche Dehnung des Pulses dessen
Amplitude sinkt, kann ein Analog-Digital-Wandler mit einem kleineren
Messbereich und dafür besserer
Auflösung
zum Einsatz kommen. Außerdem
kann auf schnelle Verstärker
und Analog-Digital-Wandler
verzichtet werden, da die Flanken der Pulse weniger steil sind.
Dies ist mit Blick auf die Kosten, die Komplexität, die Wärmebildung und insbesondere
auch auf die Signalübertragung
und den Platzbedarf beim Einsatz vieler Photodioden, wie beispielsweise
bei der Überwachung
eines Multi-Mirror-Arrays, von Vorteil.
