DE102010041558A1

DE102010041558A1 - Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie sowie Verfahren zur mikrolithographischen Belichtung

Info

Publication number: DE102010041558A1
Application number: DE102010041558A
Authority: DE
Inventors: Jochen Hetzler; Sascha Bleidistel; Toralf Gruner; Joachim Hartjes; Markus Schwab; Alexander Wolf
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-03-29
Also published as: WO2012041461A2; TW201234126A; US20130182264A1; CN103140805A; CN103140805B; TWI560525B; WO2012041461A3

Abstract

Eine Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Mikrolithographie zum Belichten eines Substrats (20) umfasst ein Projektionsobjektiv (18) sowie eine optische Messvorrichtung (40) zum Bestimmen einer Oberflächentopographie des Substrats (20) vor dessen Belichtung. Die Messvorrichtung (40) weist einen Messstrahlengang auf, welche außerhalb des Projektionsobjektivs (18) verläuft, ist dazu konfiguriert, Topographiemesswerte zeitgleich an mehreren Stellen der Substratoberfläche (21) zu ermitteln.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zum Belichten eines Substrats, insbesondere eines Wafers, sowie ein Verfahren zur mikrolithographischen Belichtung eines Substrats mittels einer Projektionsbelichtungsanlage.
Zur hochgenauen Abbildung von Mikro- oder Nanostrukturen mit Hilfe einer Lithographiebelichtungsanlage ist es wichtig, die Position und die Topographie bzw. die Oberflächenbeschaffenheit des zu belichtenden Substrats zu kennen, um das Substrat immer im besten Fokus halten zu können. Zur Ermittlung der Position werden beispielsweise Fokussensoren verwendet, die während der Belichtung des Substrats in unmittelbarer Umgebung eines Substrattisches ein Messsignal in nahezu streifendem Einfall auf die Substratebene leiten und wieder einfangen.
Zur Vermessung der Oberflächentopographie des Substrats wird oft eine zur Projektionsoptik parallel aufgebaute Vermessungsoptik eingesetzt. Lithographiebelichtungsanlagen mit einer derartigen Vermessungsoptik weisen häufig zwei Wafertische bzw. eine sogenannte „Tandem-Stage” auf. Bei diesen Anlagen wird die Oberflächentopographie des Substrats zunächst auf einem Messtisch mittels der Vermessungsoptik durch punktweises Abtasten oder Abscannen der Substratoberfläche vermessen.
Danach wird das Substrat auf einen Belichtungstisch geladen und belichtet. Dabei wird der jeweils belichtete Abschnitt des Substrats auf Grundlage der gemessenen Oberflächentopographie kontinuierlich im besten Fokus gehalten. Die Abweichungen der Oberflächentopographie von einer idealen planen Fläche liegen oft im μm-Bereich. Andere Lithographieanlagen verwenden zwei identische Tische („Twin-Stage”) abwechselnd als Belichtungs- und Messtische. Damit entfällt das Umladen des Wafers.
Der hohe Waferdurchsatz bei modernen Lithographieanlagen erfordert eine kurze Messzeit von weniger als 30 Sekunden. Dazu ist es notwendig, den Messtisch bei der Topographiemessung mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Beschleunigungen zu bewegen. Der technische Aufwand dazu ist erheblich. Zudem kommt es durch die hohen Beschleunigungen oft zu einem unerwünschten Übertrag von Schwingungen des Messtisches auf den Belichtungstisch mit daraus resultierenden Bildlagefehlern bei einer zeitgleich erfolgenden Belichtung eines anderen Wafers.
Bei Lithographieanlagen mit nur einem Tisch für Vermessung und Belichtung ist die Messzeit noch kritischer. Die Messzeit geht direkt in den Durchsatz der Maschine ein. Aufgrund weiter steigenden Anforderungen hinsichtlich des Waferdurchsatzes verringert sich das Zeitbudget für die Topograhiemessung weiter.
Zugrunde liegende Aufgabe
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Projektionsbelichtungsanlage sowie ein Verfahren zur mikrolithographischen Belichtung bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere die Oberflächentopographie eines Substrats mit einer verkürzten Messzeit ohne Beeinträchtigung der Bildqualität bei der Substratbelichtung vermessen werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorgenannte Aufgabe kann beispielsweise erfindungsgemäß gelöst werden mittels einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zum Belichten eines Substrats, welche ein Projektionsobjektiv sowie eine optische Messvorrichtung zum Bestimmen einer Oberflächentopographie des Substrats vor dessen Belichtung aufweist. Die Messvorrichtung weist einen Messstrahlengang auf, welcher außerhalb des Projektionsobjektivs verläuft. Die Messvorrichtung ist weiterhin dazu konfiguriert, Topographiemesswerte zeitgleich an mehreren Stellen der Substratoberfläche zu ermitteln.
Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung dazu konfiguriert, an einem diskreten Messzeitpunkt eine ortsaufgelöste Messung durchzuführen. Damit erfolgt eine parallele Messung an mehreren Stellen der Substratoberfläche. Wiederum mit anderen Worten erfolgt die Bestimmung der Oberflächentopographie mittels einer flächigen Vermessung, d. h. an mehreren Stellen der Substratoberfläche werden simultan Topographiemesswerte bestimmt. Unter der Oberflächentopographie eines Substrats wird die Abweichung der Oberfläche von einer idealen planen Fläche verstanden. Die Oberflächentopographie kann auch als Höhenvariation der Oberfläche des Substrats bezeichnet werden. Wie nachstehend näher erläutert, kann die erfindungsgemäße flächig messende Messvorrichtung beispielsweise ein Fizeau-Interferometer, ein Shack-Hartmann-Sensor oder ein Deflektometer umfassen.
Der Messstrahlengang der Messvorrichtung verläuft außerhalb des Projektionsobjektivs, d. h. außerhalb sämtlicher an der Abbildung einer Maskenstruktur durch das Projektionsobjektiv beteiligter optischer Elemente. Mit anderen Worten verläuft der Messstrahlengang außerhalb des geometrischen Bereichs, der die beteiligten optischen Elemente des Projektionsobjektivs beinhaltet, das heißt außerhalb einer alle beteiligten optischen Elemente beinhaltenden Umhüllung. Insbesondere weist das Projektionsobjektiv ein Gehäuse auf und der Messstrahlengang verläuft außerhalb des Gehäuses. Die Messvorrichtung ist erfindungsgemäß damit nicht in das Projektionsobjektiv integriert, sondern stellt eine separate Einrichtung dar.
Durch die erfindungsgemäße zeitgleiche Vermessung mehrerer Stellen der Substratoberfläche kann die zur Vermessung der gesamten Oberflächentopographie benötigte Messzeit im Vergleich zur herkömmlich verwendeten Punkt-für-Punkt-Vermessung wesentlich verkürzt werden. So können ganze Bereiche der Substratoberfläche oder sogar die gesamte Substratoberfläche simultan vermessen werden. Damit können die Anforderungen an die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Substrats während der Messung wesentlich verringert werden. Damit kann wiederum verhindert werden, dass Schwingungen des Messtisches auf einen zur gleichzeitigen Belichtung eines anderen Substrats vorgesehenen Belichtungstisch übertragen werden. Durch die erfindungsgemäße Simultanvermessung kann die Messzeit sogar derart verringert werden, dass auf einen zweiten Substrattisch komplett verzichtet werden kann. Die Vermessung und die Belichtung des Substrats kann damit nacheinander auf dem gleichen Substrattisch erfolgen, ohne den Substratdurchsatz durch die vorausgehende Messung wesentlich zu verringern.
Die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage umfasst ein Projektionsobjektiv zum Abbilden von Maskenstrukturen auf das Substrat. Abhängig von der verwendeten Belichtungswellenlänge weist das Projektionsobjektiv Linsenelemente und/oder Spiegelelemente auf. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist vorteilhafterweise eine Aufzeichnungseinrichtung auf, welche die gesamte gemessene Oberflächentopographie des Substrats aufzeichnet, so dass die Topographiemesswerte bei der danach erfolgenden Belichtung des Substrats zur Verfügung stehen.
In einer Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die Substratoberfläche zumindest abschnittsweise auf die Detektionsfläche eines ortsauflösenden Detektors, z. B. in Gestalt einer CCD-Kamera, abzubilden.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die Oberflächentopographie des Substrats abschnittsweise zu vermessen. Weiterhin weist die Messvorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu konfiguriert ist, die Messergebnisse der einzelnen Substratabschnitte zusammenzufügen. Die simultan vermessenen Substratabschnitte können beispielsweise einen Durchmesser von etwa 100 mm aufweisen, sodass die Vermessung eines 300 mm-Wafer mit etwa zehn Abschnittsmessungen erfolgen kann, welche dann von der Auswerteeinrichtung zu einer die gesamte Substratoberfläche abdeckenden Topographieverteilung zusammengefügt werden. Dabei können dem Fachmann bekannte Stitching-Verfahren angewandt werden.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weist die Messvorrichtung einen Erfassungsbereich zum zeitgleichen ortsaufgelösen Erfassen der Substrattopographie auf, wobei der Erfassungsbereich eine Flächenausdehnung von mindestens 10% der gesamten Substratoberfläche aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weist die Projektionsbelichtungsanlage eine Substratverschiebevorrichtung zum Verschieben des Substrats zwischen einzelnen Topographiemessungen auf, sodass nacheinander unterschiedliche Abschnitte des Substrats vermessen werden können. Wie bereits vorstehend erläutert, werden daraufhin die Messungen für die einzelnen Substratabschnitte zusammengefügt. Damit reicht es aus, wenn die Messvorrichtung einen Erfassungsbereich aufweist, der lediglich einen Teil der Substratoberfläche abdeckt.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung wird die Substratverschiebevorrichtung von einem Belichtungstisch der Projektionsbelichtungsanlage gebildet, von dem das Substrat bei dessen Belichtung gehalten wird. In dieser Ausführungsform wird auf einen separaten Messtisch verzichtet, was den konstruktiven Aufwand für die Projektionsbelichtungsanlage wesentlich verringert.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Substratverschiebevorrichtung von einem Messtisch gebildet, welcher zusätzlich zu einem Belichtungstisch, von dem das Substrat bei dessen Belichtung gehalten wird, in der Projektionsbelichtungsanlage vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform erfolgt die Topographievermessung eines Substrats gleichzeitig mit der Belichtung eines anderen Substrats. Damit ist es möglich den Waferdurchsatz einer Projektionsbelichtungsanlage weiter zu steigern, da die erfindungsgemäße Messung in sehr kurzer Zeit erfolgt und damit den zukünftig noch höheren Waferdurchsatz nicht limitiert.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung als Wellenfrontmessvorrichtung konfiguriert. Gemäß einer Variante umfasst die Messvorrichtung dazu einen Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor, und gemäß einer anderen Variante ein Interferometer in Gestalt eines flächig vermessenden Interferometers, wie etwa eines Fizeau-Interferometers.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung umfasst die Messvorrichtung eine Lichtquelle zum Aussenden von Messlicht sowie einen gekrümmten Spiegel, insbesondere einen Parabolspiegel, zum Lenken des Messlichts auf die Substratoberfläche.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert ist, die Topographie der gesamten Substratoberfläche innerhalb von weniger als einer Sekunde zu ermitteln. Vorzugsweise weist die Messvorrichtung dazu einen ortsauflösenden Detektor auf, der 10–100 Bilder pro Sekunde erfassen kann.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, Messlicht unter einem schrägen Winkel auf die Substratoberfläche einzustrahlen. Unter einem schrägen Winkel wird ein von 90° relativ zur Oberfläche abweichender Winkel verstanden. Vorzugsweise weicht der Einstrahlwinkel um mindestens 10°; insbesondere um mindestens 30°, so z. B. um 60° vom 90°-Winkel ab. Eine derartige, Messlicht unter einem schrägen Winkel einstrahlende Messvorrichtung kann beispielsweise als Mach-Zehnder-Interferometer konfiguriert sein.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung umfasst die Messvorrichtung ein Deflektometer, welches dazu konfiguriert ist, eine Messstruktur unter Reflexion an der Substratoberfläche auf eine Detektoroberfläche abzubilden. Als Messstruktur kann beispielsweise ein Streifenmuster zum Einsatz kommen. Ein derartiges Streifenmuster kann eindimensional oder zweidimensional, etwa in Gestalt eines Schachbrettmusters, gestaltet sein.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, im Rahmen der Bestimmung der Oberflächentopographie die Topographie einer oberflächennahen Schicht des Substrats zu vermessen.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weist die optische Messvorrichtung eine spektral derart breitbandige Lichtquelle auf, dass eine Schichtdickenbestimmung an der Substratoberfläche vorgenommen werden kann. Dazu werden die Interferenzeffekte an den Schichten bei verschiedenen Wellenlängen berücksichtigt. Damit können z. B. Dickenverläufe von auf einem Wafer aufgebrachten Photolackschichten oder von anderen, auf einen Rohwafer aufgebrachten Schichten vermessen werden.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung umfasst die Projektionsbelichtungsanlage weiterhin eine Steuerungseinrichtung, die dazu konfiguriert ist, während der Belichtung des Substrats die Fokusposition der Belichtungsstrahlung relativ zur Substratoberfläche auf Grundlage der mittels der Messvorrichtung bestimmten Oberfächentopographie zu steuern. Die Einstellung der Fokusposition kann beispielsweise durch Relativverschiebung des Substrats gegenüber der Projektionsoptik in Richtung der optischen Achse des Projektionsobjektivs, durch Verschiebung der Maske in Richtung der optischen Achse, durch Veränderung der Verteilung der auf der Maske eintreffenden Beleuchtungsstrahlung und/oder durch Veränderung der optischen Eigenschaften des Projektionsobjektivs erfolgen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur mikrolithographischen Belichtung eines Substrats bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst: Anordnen des Substrats in einem Strahlengang einer optischen Messvorrichtung und Bestimmen einer Oberflächentopographie des Substrats mittels der Messvorrichtung durch zeitgleiche Ermittlung von Topographiemesswerten an mehreren Stellen der Substratoberfläche, Verändern der Stellung des Substrats durch Starrkörperbewegung zur Positionierung des Substrats in einem Strahlengang einer Belichtungsstrahlung einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Belichtens des Substrats mittels der Belichtungsstrahlung, wobei während der Belichtung die Fokusposition der Belichtungsstrahlung relativ zur Substratoberfläche auf Grundlage der bestimmten Oberflächentopographie gesteuert wird. Damit wird erfindungsgemäß die Oberflächentopographie vollständig bestimmt, bevor das Substrat belichtet wird. Zu Vorteilen sowie weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die vorstehend bezüglich der erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage gemachten Ausführungen verwiesen.
Die Starrkörperbewegung kann eine Verschiebung, Drehung und/oder Verkippung des Substrats umfassen. Gemäß einer Ausführungsform wird das Substrat in einer Ebene quer zur optischen Achse des Projektionsobjektivs von einer Messstellung unterhalb der Messvorrichtung in eine Belichtungsstellung unterhalb des Projektionsobjektivs verschoben.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Messvorrichtung in die Projektionsbelichtungsanlage integriert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Topographie der gesamten Substratoberfläche innerhalb von weniger als einer Sekunde ermittelt.
In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung wird weiterhin mittels der Messvorrichtung eine Schichtdickenbestimmung an der Substratoberfläche vorgenommen.
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage angegebenen Merkmale können entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. Umgekehrt können die bezüglich der vorstehend ausgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale entsprechend auf die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage übertragen werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:
1 eine Veranschaulichung einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Messvorrichtung zum Bestimmen einer Oberflächentopographie eines Substrats in Gestalt eines Wafers,
2 eine Draufsicht auf einen Wafer mit einer Veranschaulichung von nacheinander vermessenen Oberflächenabschnitten,
3 eine Schnittansicht eines Wafers,
4 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Messvorrichtung zum Bestimmen einer Oberflächentopograhie mit einem Shack-Hartmann-Sensor,
5 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Messvorrichtung zum Bestimmen einer Oberflächentopograhie in Gestalt eines Fizeau-Interferometers mit einem Parabolspiegel,
6 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Messvorrichtung zum Bestimmen einer Oberflächentopograhie in Gestalt eines Mach-Zehnder-Interferometers,
7 eine Veranschaulichung des Erfassungsbereichs der Messvorrichtung gemäß 6, sowie
8 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Messvorrichtung zum Bestimmen einer Oberflächentopograhie in Gestalt eines Deflektometers.
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.
Zur Erleichterung der Beschreibung der Projektionsbelichtungsanlage ist in der Zeichnung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In 1 verläuft die x-Richtung nach rechts, die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein und die z-Richtung nach oben.
In 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage 10 für die Mikrolithographie in einer Ausführungsform nach der Erfindung veranschaulicht. Die Projektionsbelichtungsanlage umfasst ein Beleuchtungssystem 12 zur Beleuchtung einer Maske 14 mit einer Belichtungsstrahlung 26 sowie ein Projektionsobjektiv 18. Das Projektionsobjektiv 18 dient dazu, Maskenstrukturen 16 auf der Maske 14 aus einer Maskenebene auf ein Substrat 20, z. B. in Gestalt eines Siliziumwafers oder eines transparenten sogenannten Flat-Panels abzubilden. Dazu umfasst das Projektionsobjektiv 18 mehrere zeichnerisch nicht dargestellte optische Elemente zum Führen der Belichtungsstrahlung 26 in einem Belichtungsstrahlengang 27. Diese damit an der Abbildung durch das Projektionsobjekiv 18 beteiligten optischen Elemente sind in einem geometrischen Bereich angeordnet, welcher in der vorliegenden Ausführungsform durch ein Gehäuse 37 umschlossen ist.
Das Beleuchtungssystem 12 umfasst eine Belichtungsstrahlungsquelle 24 zur Erzeugung der Belichtungsstrahlung 26. Die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung 26 kann je nach Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage 10 im UV-Wellenlängenbereich, z. B. bei 248 nm oder 193 nm oder auch im extrem ultravioletten Wellenlängenbereich (EUV), z. B. bei 13,5 oder 6,8 nm liegen. Je nach Belichtungswellenlänge sind die optischen Elemente des Beleuchtungssystems 12 und des Projektionsobjektivs 18 als Linsen und/oder als Spiegel ausgeführt.
Die von der Belichtungsstrahlungsquelle 24 erzeugte Belichtungsstrahlung 26 durchläuft eine Strahlaufbereitungsoptik 28 und wird daraufhin von einem Illuminator 30 auf die Maske 14 eingestrahlt. Die Maske 14 wird von einem Maskentisch 17 gehalten, welcher gegenüber einem Rahmen 25 der Projektionsbelichtungsanlage 10 verschiebbar gelagert ist. Das Substrat 20 ist zur Belichtung auf einem Belichtungstisch 32 angeordnet, welcher als Substratverschiebevorrichtung dient. In dieser Stellung ist das Substrat 20 im Belichtungsstrahlengang 27 angeordnet, damit trifft die Belichtungsstrahlung auf das Substrat 20.
Der Belichtungstisch 32 umfasst einen Substrathalter 34 zum Fixieren des Substrats 20 von dessen Unterseite her, beispielsweise durch Unterdruck, sowie eine Verschiebebühne 36, mittels der das Substrat quer zur optischen Achse 19 des Projektionsobjektivs 18, d. h. in x- und y-Richtung gemäß des Koordinatensystems aus 1 verschoben werden kann. Weiterhin ermöglicht die Verschiebebühne 36 eine Verschiebung des Substrats 20 in Richtung der optischen Achse 19 und damit in z-Richtung gemäß dem Koordinatensystem aus 1. Eine derartige Verschiebung in z-Richtung dient insbesondere dazu, bei der Belichtung des Substrats 20 dessen Oberfläche im Fokus der Belichtungsstrahlung 26 zu halten.
Üblicherweise wird die Oberfläche 21 des Substrats 20 abschnittsweise, d. h. Feld für Feld, belichtet. Dabei werden sowohl Substrat 20 als auch Maske 14 entlang der x-Achse gegenläufig bewegt, so dass ein schlitzförmiger Belichtungsbereich über die Substratoberfläche 21 gescannt wird. Dies erfolgt mehrfach, so dass die Maske 14 nebeneinander in Gestalt einer Vielzahl von Feldern auf der Substratoberfläche 21 abgebildet wird.
Die Substratoberfläche ist nicht perfekt eben, sondern weicht in Hinblick auf die Tiefenschärfe der Belichtungsstrahlung erheblich von einer ebenen Fläche ab, so dass bei der sukzessiven Belichtung des Substrats 20 der Fokus kontinuierlich an den Verlauf der Oberflächentopographie des Substrats 20 angepasst werden muss.
3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Substrats 20 in Gestalt eines Wafers im Querschnitt. Das tragende Element des Wafers bildet ein Hauptkörper 22, welcher je nach Verfahrensschritt lediglich den Siliziumgrundwafer 29 oder auch eine oder mehrere weitere darauf aufgebrachte oberflächennahe Materialschichten 31, z. B. in Gestalt von Oxid- oder Metallschichten umfasst. Auf dem Hauptkörper 22 ist eine photosensitive Schicht in Gestalt eines Photolacks 23 aufgebracht, welcher bei Belichtung mittels der Belichtungsstrahlung 26 seine chemische Zusammensetzung ändert. Aus 3 ist die vorstehend angesprochene Oberflächentopographie des Wafers ersichtlich, welche je nach Ausführungsform durch die Oberflächenvariation des Photolacks 23 oder auch des Hauptkörpers 22 gekennzeichnet ist.
In die Projektionsbelichtungsanlage 10 ist eine Messvorrichtung 40 integriert, welche zum Bestimmen der Oberflächentopographie des Substrats 20 vor der Belichtung des Substrats dient. In einer Ausführungsform wird das Substrat 20 auf dem Belichtungstisch 32 unterhalb der Messvorrichtung 40 in einem Messstrahlengang 45 der Messvorrichtung 40 angeordnet. Dazu wird der Belichtungstisch 32 in die in 1 gezeigte Stellung quer zur optischen Achse 19 des Projektionsobjektivs 18 verschoben. In einer alternativen Ausführungsform weist die Projektionsbelichtungsanlage 10 einen separaten Messtisch 38 auf, von dem das Substrat 20 bei der Vermessung mittels der Messvorrichtung 40 angeordnet wird, während sich gleichzeitig ein bereits vermessenes Substrat 20 auf dem Belichtungstisch 32 befindet und parallel belichtet wird.
Die Messvorrichtung 40 ist als flächig vermessende optische Messvorrichtung ausgeführt. Das heißt, bei der Vermessung der Oberflächentopographie des Substrats 20 werden zeitgleich an mehreren Stellen der Oberfläche 21 Topographiemesswerte ermittelt, im Gegensatz zu einer Punkt-für-Punkt-Abtastung der Substratoberfläche 21.
Als Messvorrichtung 40 werden erfindungsgemäß verschiedene Ausführungsformen optischer Messvorrichtungen vorgeschlagen. Eine erste Ausführungsform der Messvorrichtung 40 ist in 1 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Messvorrichtung 40 eine Messlichtquelle 42 sowie ein Fizeau-Interferometer 46. Die Messlichtquelle 42 erzeugt Messlicht 44 z. B. im sichtbaren Wellenlängenbereich, wie etwa Licht eines Helium-Neon-Lasers mit einer Wellenlänge von 633 nm. Als Messlichtquellen 42 kommen auch Laserdioden, Festkörperlaser und LED's in Frage. Das Messlicht 44 wird im Messstrahlengang 45 geführt und durchläuft dabei eine Kollimatorlinse 48 und wird daraufhin von einem Strahlteiler 50 in Richtung Substratoberfläche 21 umgelenkt. Vor dem Auftreffen auf die Substratoberfläche durchläuft das Messlicht 44 eine weitere Kollimatorlinse 52 sowie ein Fizeau-Element 54.
Das Fizeau-Element 54 weist eine Fizeau-Fläche 56 auf, an der ein Teil des Messlichts 44 als Referenzlicht zurückreflektiert wird, während der unreflektierte Teil des Messlichts 44 an der Substratoberfläche 21 reflektiert wird und daraufhin mit dem Referenzlicht nach Durchlaufen einer weiteren Kollimatorlinse 59 auf einer Detektionsfläche 60 eines ortsauflösenden Detektors 58 in Gestalt einer CCD-Kamera interferiert.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Kollimatorlinse 52 und das Fizeau-Element 54 durch ein einziges optisches Element in Gestalt eines Fizeau-Kollimators gebildet werden. Das Interferogramm auf der Detektionsfläche 60 wird vom Detektor 58 erfasst. Aus dem erfassten Interferogramm wird mittels einer Auswerteeinrichtung 62 der Oberflächenverlauf des vom Messlicht 44 bestrahlten Abschnitts der Substratoberfläche 21 bestimmt. Mit anderen Worten wird die Oberflächentopographie des Substrats 20 zumindest abschnittsweise ermittelt.
Dabei kann der Erfassungsbereich der Messvorrichtung 40, auch Supapertur genannt, groß genug sein, um die gesamte Substratoberfläche 21 gleichzeitig zu erfassen. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, gemäß welcher der Erfassungsbereich 68 der Messvorrichtung 40 lediglich einen Teilbereich der Substratoberfläche 21 abdeckt. Gemäß dieser Ausführungsform werden nacheinander die in 2 dargestellten Abschnitte der Substratoberfläche 21 von der Messvorrichtung 40 erfasst, daraufhin wird in der Auswerteeinrichtung 62 die Oberflächentopographie des gesamten Substrats durch Zusammenfügen der Topographiemessungen für die einzelnen vermessenen Substratabschnitte ermittelt.
Der Erfassungsbereich 68 kann, wie in 2 gezeigt, kreisförmig sein und beispielsweise einen Durchmesser von etwa 100 mm aufweisen. Als zugehöriger ortsauflösender Detektor 58 kann beispielsweise eine 1000×1000-Pixel-CCD-Kamera Verwendung finden, womit dann eine laterale Auflösung der Oberflächentopographie von 0,3 mm erreicht werden kann. Die Bilderfassungsrate der CCD-Kamera liegt vorzugsweise bei 10–100 Bildern. Die axiale Messgenauigkeit, d. h. die Messgenauigkeit senkrecht zur Substratoberfläche kann etwa 1 nm betragen.
Die gemessene Oberflächentopographie des gesamten Substrats 40 wird daraufhin in einer in 1 dargestellten Aufzeichnungseinrichtung 64 gespeichert. Weiterhin werden Hilfsstrukturen am Belichtungstisch 32 mittels der Messvorrichtung 40 vermessen, um die axiale Position des Substrats 20 bei der Topographie zu referenzieren. Dazu muss jedoch die axiale Position des Substrats 20 grob bekannt sein, und zwar genau genug, um in den Fangbereich der Messvorrichtung 40 zu fallen. Bei Ausführung der Messvorrichtung 40 als Interferometer weist der Fangbereich 0,5 Wellenlängen des Messlichts 44 auf. Die axiale Position des Substrats 20 muss also auf 0,5 eine Wellenlängen genau bekannt sein, um die genauere interferometrische Messung verwerten zu können. Diese Grobbestimmung der axialen Position erfolgt mittels eines geeigneten Fokussensors, wie z. B. mittels eines kapazitiven Sensors.
Nach erfolgter Topographievermessung des Substrats 20 wird dieses unter das Projektionsobjektiv 18 verschoben. Dazu erfolgt je nach Ausführungsform ein Umladen des Substrats 20 vom Messtisch 38 auf den Belichtungstisch 32 oder aber das Substrat 40 verbleibt auf dem Belichtungstisch, welcher dann seine Position ändert. Nun wird der axiale Abstand des Substrats 20 in Bezug auf das Projektionsobjektiv 18 auf Grundlage der vorstehend ermittelten axialen Positionsmesswerte eingestellt.
Zur nun folgenden Belichtung des Substrats 20 werden die Topographiemesswerte von der Aufzeichnungseinrichtung 64 an eine Steuerungseinrichtung 66 übermittelt. Die Steuerungseinrichtung 66 steuert die Fokusposition der Belichtungsstrahlung 26 während der Belichtung des Substrats 20. Dies erfolgt durch derartige Ansteuerung des Belichtungstischs 32, des Maskentisch 17 und/oder des Projektionsobjektivs 18, dass er Fokus der Belichtungsstrahlung 26 der Oberflächentopographie des Substrats 20 genau folgt.
Wie bereits vorstehend erwähnt, kann das Messlicht 44 im Wesentlichen monochromatisch sein, wie etwa das Licht eines Helium-Neon-Lasers. Alternativ kann das Messlicht 44 auch ein auf mehrere Nanometer verbreitetes Wellenlängenspektrum aufweisen, so dass eine auf Weisslichtinterferometrie beruhende Messung erfolgen kann. Weißlichtinterferometrie ist beispielsweise in Kap. 12 des Fachbuches „Basics of Interferometry (second edition), P. Hariharan, Academic Press, September 2007 beschrieben. Weißlichtinterferometrie ist insbesondere geeignet, wenn anstatt eines herkömmlichen Substrats in Gestalt eines Siliziumwafers ein transparentes Medium, wie etwa ein Flat-Panel-Substrat vermessen wird. Reflexe von der Rückseite des Panels stören in der Weisslichtinterferometrie nicht das Messergebnis.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Topographiemessung bei mehreren Wellenlängen des Messlichts. Dabei werden die Wellenlängen derart ausgewählt, dass Interferenzeffekte zwischen Schichtoberseite und Schichtunterseite es ermöglichen, die Schichtdickenverläufe des Photolacks 23 auszumessen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung 40. Diese unterscheidet sich von der Messvorrichtung gemäß 1 lediglich darin, dass das Fizeau-Element 54 weggelassen ist und dem ortsauflösenden Detektor 58 ein Mikrolinsenarray 72 vorgelagert ist. Das Mikrolinsenarray 72 bildet zusammen mit dem Detektor 58 einen sogenannten Shack-Hartmann-Sensor 70. Ein derartiger Shack-Hartmann-Sensor 70 ist, wie bereits das vorstehend beschriebene Fizeau-Interferometer, eine Wellenfrontmesseinrichtung, mit der Abweichungen der Wellenfront des an der Substratoberfläche reflektierten Messlichts 44 von einer ebenen Welle ermittelt werden können. Diese Abweichungen entsprechen der Oberflächentopographie des Substrats 20.
Bei einem Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor 70 ist die Erzeugung einer Referenzwelle nicht notwendig. Das Mikrolinsenarray 72 erzeugt kleine Lichtpunkte auf der Detektionsfläche 60. Die Schwerpunkte der Lichtpunkte definieren den lokalen Gradienten der Wellenfront. Durch zweidimensionale Integration wird die Wellenfront ermittelt.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 40. Diese umfasst wie die Messvorrichtung gemäß 1 ebenfalls ein Fizeau-Interferometer und unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 lediglich darin, dass anstelle der Kollimatorlinse 52 ein Parabolspiegel 76 angeordnet ist. Das Messlicht 44 durchläuft in der Ausführungsform gemäß 5 den Strahlteiler 50 und wird vom Parabolspiegel 76 auf die Substratoberfläche 20 gelenkt. Die an der Substratoberfläche 21 reflektierte Messstrahlung sowie die am Fizeau-Element reflektierte Referenzstrahlung werden vom Strahlteiler auf die Detektionsfläche 60 gelenkt. Diese Ausführungsform der Messvorrichtung 40 kann bezüglich Bauraum oder Gewicht vorteilhaft sein.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 40. Diese umfasst ein sogenanntes Mach-Zehnder-Interferometer. Bei diesem wird die von der Messlichtquelle 42 erzeugte Messstrahlung 44 mittels eines Kollimators 78 in einem schrägen Winkel auf einen Strahlteiler 80, welcher parallel zum Substrat 20 angeordnet ist, eingestrahlt. Die Einstrahlung erfolgt derart, dass ein Teil des Messlichts 44 vom Strahlteiler 80 als Referenzlicht auf einen Planspiegel 82 reflektiert wird, von dem das Referenzlicht auf den Strahlteiler 80 zurückgeworfen wird, so dass dieses durch weitere Reflektion an dem Strahlteiler 80 mit dem Teil des Messlichts 44, welches den Strahlteiler 80 durchlaufen hat, auf der Detektionsfläche 60 des ortsauflösenden Detektors 58 interferiert.
Zu Variationen des Interferometers gemäß 6 wird auf „Semiconductor Wafer and Technical Flat Planes Testing Interferometer, Johannes Schwider et al., Applied Optics Vol. 25, No. 7, Seite 1117–1121 (1. April 1986) verwiesen. Der Vorteil der in 6 gezeigten Ausführungsform besteht in einem flachen Einfallwinkel des Messlichts 44 auf die Substratoberfläche und damit einem vergrößerten Erfassungbereich 68 in Richtung der Projektion der Einstrahlrichtung auf die Substratoberfläche 21. Der resultierende Erfassungsbereich 68 ist in 7 veranschaulicht. Aus der Figur ist klar ersichtlich, dass die Ausdehnung des Erfassungsbereichs 68 in x-Richtung gegenüber dessen Ausdehnung y-Richtung stark vergrößert ist. Zur Vermessung der Substratoberfläche 21 reicht es aus, das Substrat 20 lediglich in y-Richtung zu verfahren, so dass die Substratoberfläche 21 sukzessive vom Erfassungsbereich 68 abgescannt wird.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung 40, welche in Gestalt eines Deflektometers ausgebildet ist. Dieses umfasst eine Messstruktur 86 z. B. in Gestalt eines feinen Schachbrettgitters, welches von der Messlichtquelle 42 beleuchtet wird. Die Messstruktur 86 wird unter Reflexion an der Substratoberfläche 21 über einen Kollimator 84 auf die Detektionsfläche 60 des ortsauflösenden Detektors 58 abgebildet. Eine Oberflächendeformation des Substrats 20 führt zu einer verzerrten Abbildung. Die Gradienten der Oberfläche 21 sind proportional zur Bildverzerrung. Durch Integration wird mittels der Auswerteeinrichtung 62 die Oberflächentopographie des Substrats 20 bestimmt.
Bezugszeichenliste

10: Projektionsbelichtungsanlage
12: Beleuchtungssystem
14: Maske
16: Maskenstrukturen
17: Maskentisch
18: Projektionsobjektiv
19: optische Achse
20: Substrat
21: Substratoberfläche
22: Hauptkörper
23: Photolack
24: Belichtungsstrahlungsquelle
25: Rahmen
26: Belichtungsstrahlung
27: Belichtungsstrahlengang
28: Strahlaufbereitungsoptik
29: Siliziumgrundwafer
30: Illuminator
31: Materialschicht
32: Belichtungstisch
34: Substrathalter
36: Verschiebebühne
37: Gehäuse
38: Messtisch
40: Messvorrichtung
42: Messlichtquelle
44: Messlicht
45: Messstrahlengang
46: Interferometer
48: Kollimatorlinse
50: Strahlteiler
52: Kollimatorlinse
54: Fizeau-Element
56: Fizeau-Fläche
58: ortsauflösender Detektor
59: Kollimatorlinse
60: Detektionsfläche
62: Auswerteeinrichtung
64: Aufzeichnungseinrichtung
66: Steuerungseinrichtung
68: Erfassungsbereich
70: Shack-Hartmann-Sensor
72: Mikrolinsenarray
76: Parabolspiegel
78: Kollimator
80: Strahlteiler
82: Planspiegel
84: Kollimator
86: Messstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kap. 12 des Fachbuches „Basics of Interferometry (second edition), P. Hariharan, Academic Press, September 2007 [0060]
„Semiconductor Wafer and Technical Flat Planes Testing Interferometer, Johannes Schwider et al., Applied Optics Vol. 25, No. 7, Seite 1117–1121 (1. April 1986) [0066]

Claims

Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Mikrolithographie zum Belichten eines Substrats (20), mit einem Projektionsobjektiv (18) sowie einer optischen Messvorrichtung (40) zum Bestimmen einer Oberflächentopographie des Substrats (20) vor dessen Belichtung, wobei die Messvorrichtung (40) einen Messstrahlengang (45) aufweist, welcher außerhalb des Projektionsobjektivs (18) verläuft, und die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, Topographiemesswerte zeitgleich an mehreren Stellen der Substratoberfläche (21) zu ermitteln.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, die Substratoberfläche (21) zumindest abschnittsweise auf die Detektionsfläche (60) eines ortsauflösenden Detektors (58) abzubilden.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, die Oberflächentopographie des Substrats (20) abschnittsweise zu vermessen, und eine Auswerteeinrichtung (62) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, die Messergebnisse der einzelnen Substratabschnitte zusammenzufügen.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welche eine Substratverschiebevorrichtung (36) zum Verschieben des Substrats zwischen einzelnen Topographiemessungen aufweist, sodass nacheinander unterschiedliche Abschnitte des Substrats (20) vermessen werden können.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 4, bei der die Substratverschiebevorrichtung (36) von einem Belichtungstisch (32) der Projektionsbelichtungsanlage (10) gebildet wird, von dem das Substrat (20) bei dessen Belichtung gehalten wird.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 4, bei der die Substratverschiebevorrichtung (36) von einem Messtisch gebildet wird, welcher zusätzlich zu einem Belichtungstisch (32), von dem das Substrat (20) bei dessen Belichtung gehalten wird, in der Projektionsbelichtungsanlage (10) vorgesehen ist.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) als Wellenfrontmessvorrichtung konfiguriert ist.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) einen Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor umfasst.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) ein Interferometer (46) umfasst.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) eine Lichtquelle (42) zum Aussenden von Messlicht (44) sowie einen gekrümmten Spiegel (76) zum Lenken des Messlichts (44) auf die Substratoberfläche (21) umfasst.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) einen Erfassungsbereich (68) zum zeitgleichen ortsaufgelösen Erfassen der Substrattopographie (21) umfasst, wobei der Erfassungsbereich (68) eine Flächenausdehnung von mindestens 10% der gesamten Substratoberfläche (21) aufweist.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, die Topographie der gesamten Substratoberfläche (21) innerhalb von weniger als einer Sekunde zu ermitteln.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, Messlicht (44) unter einem schrägen Winkel auf die Substratoberfläche (21) einzustrahlen.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) ein Deflektometer umfasst, welches dazu konfiguriert ist, eine Messstruktur (86) unter Reflexion an der Substratoberfläche (21) auf eine Detektoroberfläche (60) abzubilden.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, die Topographie einer oberflächennahen Schicht (31) des Substrats (20) zu vermessen.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die optische Messvorrichtung (40) eine spektral derart breitbandige Lichtquelle aufweist, dass eine Schichtdickenbestimmung an der Substratoberfläche (21) vorgenommen werden kann.
Projektionsbelichtungsanlag nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Steuerungseinrichtung (66) umfasst, die dazu konfiguriert ist, während der Belichtung des Substrats (20) die Fokusposition der Belichtungsstrahlung (26) relativ zur Substratoberfläche (21) auf Grundlage der mittels der Messvorrichtung (40) bestimmten Oberfächentopographie zu steuern.
Verfahren zur mikrolithographischen Belichtung eines Substrats (20) mit den Schritten: – Anordnen des Substrats in einem Strahlengang (45) einer optischen Messvorrichtung (40) und Bestimmen einer Oberflächentopographie des Substrats (20) mittels der Messvorrichtung (40) durch zeitgleiche Ermittlung von Topographiemesswerten an mehreren Stellen der Substratoberfläche (21), – Verändern der Stellung des Substrats (20) durch Starrkörperbewegung zur Positionierung des Substrats in einem Strahlengang einer Belichtungsstrahlung einer Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Mikrolithographie, sowie – Belichten des Substrats (20) mittels der Belichtungsstrahlung (26), wobei während der Belichtung die Fokusposition der Belichtungsstrahlung relativ zur Substratoberfläche (21) auf Grundlage der bestimmten Oberflächentopographie gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Messvorrichtung (40) in die Projektionsbelichtungsanlage (10) integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Topographie der gesamten Substratoberfläche (21) innerhalb von weniger als einer Sekunde ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem weiterhin mittels der Messvorrichtung (40) eine Schichtdickenbestimmung an der Substratoberfläche (21) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem die Projektionsbelichtungsanlage (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 konfiguriert ist.