-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft eine mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage mit einem variablen Transmissionsfilter, insbesondere einem variablen Apodisierungsfilter.
-
2. Beschreibung des Standes der Technik
-
Integrierte elektrische Schaltkreise und andere mikrostrukturierte Bauelemente werden üblicherweise hergestellt, indem auf ein geeignetes Substrat, bei dem es sich meist um einen Silizium-Wafer handelt, mehrere strukturierte Schichten aufgebracht werden. Zur Strukturierung der Schichten werden diese zunächst mit einem Photolack (resist) bedeckt, der für Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches, z. B. Licht im tiefen ultravioletten (DUV, deep ultraviolet), vakuumultravioletten (VUV, vacuum ultraviolet) oder extremen ultravioletten (EUV, extreme ultraviolet) Spektralbereich, empfindlich ist. Anschließend wird der so beschichtete Wafer in einer Projektionsbelichtungsanlage belichtet. Dabei wird ein Muster aus beugenden Strukturen, das auf einer Maske angeordnet ist, auf den Photolack mit Hilfe eines Projektionsobjektivs abgebildet. Da der Betrag des Abbildungsmaßstabs dabei im Allgemeinen kleiner als 1 ist, werden derartige Projektionsobjektive gelegentlich auch als Reduktionsobjektive bezeichnet.
-
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.
-
In Projektionsbelichtungsanlagen besteht häufig der Bedarf, Intensitätsverteilungen in bestimmten Ebenen ortsabhängig beeinflussen zu können. Zu diesem Zweck wird in die betreffende Ebene ein Filter eingeführt, das, wenn es vom Projektionslicht durchtreten wird, als Transmissions- oder Graufilter bezeichnet wird. Daneben sind Filter bekannt, die in Reflexion wirken. Ein solches Reflexionsfilter kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die reflektierende Beschichtung von Spiegeln ortsabhängig verstimmt wird.
-
Eine besonders wichtige Anwendung von Filtern sind sog. Apodisierungsfilter. Hierunter versteht man Filter, die in einer Pupillenebene eines Objektivs angeordnet sind. Im Allgemeinen dienen Apodisierungsfilter dem Zweck, unerwünschte Beugungsordnungen zu unterdrücken. Zumindest im Zusammenhang mit der Mikrolithographie wird der Begriff jedoch häufig in einem allgemeineren Sinne verstanden. Er bezeichnet dann ein Filter, mit dem sich der Amplitudenterm der optischen Übertragungsfunktion verändern lässt.
-
Häufig besteht bei Transmissionsfiltern in mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlagen, und insbesondere bei Apodisierungsfiltern, ein Bedürfnis, die Filterwirkung schnell und ortsabhängig verändern zu können.
-
Aus der
US 5,444,336 A ist ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bekannt, bei dem unterschiedliche Apodisierungsfilter in eine Pupillenebene des Projektionsobjektivs eingeführt werden können. Die Zahl der damit realisierbaren unterschiedlichen Filterverteilungen ist hier jedoch logischerweise auf die Zahl der zur Verfügung stehenden Apodisierungsfilter begrenzt.
-
Die
US 2006/0092396 A1 beschreibt ein Projektionsobjektiv, bei dem ein Transmissionsfilter aus LCD-Zellen aufgebaut ist, die individuell angesteuert werden können.
-
Bei einem aus der
US 2010/0134891 A1 bekannten Apodisierungsfilter wird die reflektierende Beschichtung eines gekrümmten Spiegels lokal verstimmt. Allerdings ist es schwierig, diese Verstimmung wieder rückgängig zu machen.
-
Aus der
US 5,614,990 A ist eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem variablen Transmissionsfilter bekannt, das eine Platte aus photochromen Glas und einen Scanner oder ein Array aus Lichtquellen hat, um unterschiedliche Bereiche des Glases mit Anregungslicht zu beleuchten.
-
Aus der
WO 2008/092653 A2 ist ein variables Transmissionsfilter für ein Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bekannt. Bei einem Ausführungsbeispiel können zwei Graufilter relativ zueinander entlang der Scanrichtung verfahren werden.
-
Aus der
US 2003/0067591 A1 , der
US 2001/0046039 A1 und der
US 6 404 499 B1 sind Beleuchtungssysteme für Projektionsbelichtungsanlagen bekannt.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage anzugeben, die ein Transmissionsfilter enthält, dessen Filterfunktion, d. h. die zweidimensionale Verteilung des Transmissionskoeffizienten über die Filterfläche hinweg, in weiten Grenzen beliebig und so schnell veränderbar ist, dass der Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage nicht für längere Zeit unterbrochen werden muss.
-
Eine erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage, welche diese Aufgabe löst, weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
-
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass man beliebige Funktionen durch Überlagerung von Gaußfunktionen annähern kann. Folglich lässt sich eine beliebige Filterfunktion im Transmissionsfilter einstellen, wenn eine genügend hohe Zahl von refraktiven optischen Elementen bereitgestellt wird, die jeweils einen absorbierenden Bereich haben, in dem der Absorptionskoeffizient in Richtung senkrecht zur optischen Achse der Projektionsbelichtungsanlage zumindest im Wesentlichen den Verlauf eines Gauß-Profils hat. Die einzelnen refraktiven optischen Elemente müssen dann lediglich so verfahren werden, dass sich die gaußförmigen Absorptionsprofile zu der gewünschten Filterfunktion überlagern.
-
Je mehr refraktive optische Platten mit einem derartigen absorbierenden Bereich zur Verfügung stehen, desto besser kann die gewünschte Filterfunktion angenähert werden. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass man mit mehr als 10, aber weniger als 50 refraktiven optischen Elementen eine sehr gute Annäherung an für die Praxis relevante Filterfunktionen erzielen kann. Simulationen haben ergeben, dass man bereits mit 15 bis 25 Platten für viele wichtige Filterfunktionen eine hervorragende Annäherung erhält. Vor allem für die für optische Systeme wichtigen Zernike-Polynome niedrigerer Ordnung (bis etwa Z16) wird eine gute und, wenn die Zahl der refraktiven optischen Elemente auf etwa 36 erhöht wird, sogar eine sehr gute Annäherung erreicht.
-
Um Lichtverluste durch die zahlreichen refraktiven optischen Elemente zu verringern, sind diese in einer Immersionsflüssigkeit aufgenommen, die vorzugsweise indexangepasst ist, d. h. den gleichen Brechungsindex wie die refraktiven optischen Elemente hat. An den Grenzflächen der refraktiven optischen Elemente kommt es dann weder zur Brechung noch zu Lichtverlusten durch teilweise Reflexion.
-
Baulich lässt sich ein solches Transmissionsfilter mit einer Immersionsflüssigkeit am besten realisieren, wenn es einen abgedichteten und zumindest teilweise für das Projektionslicht transparenten Behälter aufweist, der im Strahlengang des Projektionslichts angeordnet ist und in dem die refraktiven optischen Elemente und die Immersionsflüssigkeit aufgenommen sind. Wenn auch die Verfahreinrichtung in den Behälter ausgenommen ist, muss dieser nicht mit Dichtungen versehen sein, um Betätigungsstäbe o. ä., welche die Verfahreinrichtung mit den einzelnen refraktiven optischen Elementen verbinden, aus dem Behälter herauszuführen.
-
Vorzugsweise hat jedes optische Element genau einen absorbierenden Bereich, in dem der Absorptionskoeffizient in Richtung senkrecht zu der optischen Achse der Projektionsbelichtungsanlage den Verlauf eines Gauß-Profils hat. Falls nur bestimmte Filterfunktionen realisiert werden sollen, kann es zweckmäßig sein, zur Verringerung der Zahl der erforderlichen refraktiven optischen Elemente mehr als einen solchen absorbierenden Bereich auf einem oder mehreren der refraktiven optischen Elemente vorzusehen.
-
Am günstigsten ist es, wenn die refraktiven optischen Elemente Planplatten sind. Vor allem bei einer perfekt indexangepassten Immersion können jedoch auch andere Geometrien für die refraktiven optischen Elemente in Betracht kommen.
-
Um den absorbierenden Bereich zu erzeugen, können die refraktiven optischen Elemente eine absorbierende Beschichtung tragen. Die absorbierende Beschichtung kann in der Art eines Graufilters mit kontinuierlichem Verlauf aufgetragen sein. Daneben kommt eine Realisierung des gaußförmigen Absorptionsprofils durch die Aufbringung von einzelnen vollständig absorbierenden Punkten in Betracht, deren Dichte gaußförmig variiert.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dem variablen Transmissionsfilter eine Recheneinheit zugeordnet, die dazu eingerichtet ist, die von der Verfahreinrichtung einzustellenden Verfahrwege zu berechnen, wenn ihr eine zweidimensionale Soll-Filterverteilung vorgegeben wird. Die Verfahrwege können dabei insbesondere in einem numerischen Optimierungsverfahren bestimmt werden.
-
Um die Optimierung zu verbessern, können bestimmte Randbedingungen an die gaußförmigen Absorptionsprofile gestellt werden. So kann beispielsweise der Absorptionskoeffizient in dem absorbierenden Bereich jeweils den Verlauf eines Gaußprofils haben, das ab einem Schwellenwert, insbesondere von 0.5% des Maximalwerts, abgeschnitten ist. Die numerische Optimierung wird dadurch vereinfacht.
-
Außerdem können Gauß-Profile mit quantisierten Gaußkoeffizienten verwendet werden, wobei sich eine sog. ”weiche Quantisierung” als praktikabler herausgestellt hat.
-
Wenn das refraktive optische Element in oder in der Nähe einer Pupillenebene des Projektionsobjektivs angeordnet ist, kann es als Apodisierungsfilter verwendet werden. Grundsätzlich kommt aber auch eine feldnahe Position des refraktiven optischen Elements in Betracht, um beispielsweise die Uniformität der Belichtung zu verbessern. Falls eine feldabhängige Apodisierung gewünscht ist, muss das refraktive optische Element an einer Position zwischen einer Pupillenebene und einer Feldebene angeordnet sein.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
-
1 eine stark vereinfachte perspektivische Darstellung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage;
-
2 einen vereinfachten meridionalen Schnitt durch die in der 1 gezeigte Projektionsbelichtungsanlage;
-
3 einen meridionalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes variables Transmissionsfilter, das Teil des in der 2 gezeigten Projektionsobjektivs ist;
-
4 eine Draufsicht auf die zweidimensionale Filterverteilung des in der 3 gezeigten Transmissionsfilters;
-
5 einen Graphen zur Illustration, wie sich unterschiedliche gaußförmige Absorptionsverteilungen zu einer gewünschten Gesamt-Filterfunktion addieren;
-
6 einen Graphen, der eine modifizierte gaußförmige Filterfunktion zeigt.
-
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
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 eine Lichtquelle LS, die zur Erzeugung von Projektionslicht mit einer Mittenwellenlänge von 193 nm eingerichtet ist, und ein Beleuchtungssystem 12, welches das von der Lichtquelle LS erzeugte Projektionslicht auf eine Maske 14 richtet und dort ein schmales, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckförmiges Beleuchtungsfeld 16 ausleuchtet. Andere Beleuchtungsfeldformen, z. B. Ringsegmente, kommen ebenfalls in Betracht.
-
Innerhalb des Beleuchtungsfeldes 16 liegende Strukturen 18 auf der Maske 14 werden mit Hilfe eines Projektionsobjektivs 20, das mehrere Linsen L1 bis L4 enthält, 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 auf ein Projektionsfeld 18' abgebildet.
-
Bei der dargestellten Projektionsbelichtungsanlage 10 werden die Maske 14 und der Wafer 24 während der Projektion entlang einer mit Y bezeichneten Richtung verfahren. Das Verhältnis der Verfahrgeschwindigkeiten ist dabei gleich dem Abbildungsmaßstab β des Projektionsobjektivs 20. Falls das Projektionsobjektiv 20 das Bild invertiert (d. h. β < 0), verlaufen die Verfahrbewegungen der Maske 14 und des Wafers 24 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.
-
Die 2 zeigt die in der 1 dargestellte Projektionsbelichtungsanlage 10 in einem vereinfachten meridionalen Schnitt. Zusätzlich ist dort ein Masken-Verfahrtisch 26 eingezeichnet, mit dem die Maske 14 in einer Objektebene 28 des Projektionsobjektivs 20 verfahren werden kann.
-
Das Substrat 24 mit der darauf aufgebrachten lichtempfindlichen Schicht 22 ist in der Bildebene 30 des Projektionsobjektivs 20 mit Hilfe eines Substrat-Verfahrtischs 32 verfahrbar.
-
Das Projektionsobjektiv 20 enthält eine Zwischenbildebene 34 sowie eine erste Pupillenebene 36 und eine zweite Pupillenebene 38. In der ersten Pupillenebene 36 ist ein erfindungsgemäßes variables Transmissionsfilter 40 angeordnet, das in der 2 nur schematisch dargestellt ist. Infolge seiner Anordnung in einer Pupillenebene wirkt das Transmissionsfilter 40 als Apodisierungsfilter. Das Transmissionsfilter umfasst einen Behälter 42, der zumindest teilweise für das Projektionslicht transparent ist, sowie eine Verfahreinrichtung 44, die mit einer Recheneinheit 45 verbunden ist. Letztere wird ihrerseits von einer übergeordneten Prozesssteuerung 47 gesteuert.
-
Im Folgenden wird der Aufbau des variablen Transmissionsfilters 40 näher mit Bezug auf die 3 erläutert, die das variable Transmissionsfilter 40 in einem meridionalen Schnitt zeigt.
-
Der Behälter 42 ist annähernd dosenförmig ausgebildet und weist an seiner Ober- und Unterseite jeweils ein Eintrittsfenster 48 bzw. 50 auf, das für das Projektionslicht PL transparent ist. In dem Behälter 40 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel drei refraktive optische Elemente aufgenommen, die identisch sind und im dargestellten Ausführungsbeispiel als dünne Planplatten 52a bis 52c ausgeführt sind. Die Zahl der Planplatten ist hier lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit auf drei beschränkt; in einem realen System liegt die Zahl der Platten bei mindestens 10 und vorzugsweise zwischen 20 und 50.
-
Jede Planplatte 52a bis 52c besteht aus Glas und hat einen absorbierenden Bereich, in dem der Absorptionskoeffizient in Richtungen senkrecht zur optischen Achse OA des Projektionsobjektivs 20 zumindest im Wesentlichen den Verlauf eines Gauß-Profils hat. In der 3 sind diese Bereiche mit 54a, 54b bzw. 54c bezeichnet. Erzeugt werden können diese Bereiche beispielsweise durch Auftragen einer teilweise absorbierenden Beschichtung auf die Oberfläche der Planplatte.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel findet sich der absorbierende Bereich 54a, 54b bzw. 54c jeweils genau in der geometrischen Mitte der jeweiligen Planplatte 52a bis 52c. Die Bereiche 54a bis 54c können jedoch frei über den gesamten vom Projektionslicht PL durchtretenen Bereich verschoben werden, indem die Planplatten 52a bis 52c mit Hilfe der Verfahreinrichtung 44 senkrecht zur optischen Achse OA verfahren werden, wie dies in der 3 durch drei Pfeile 56a, 56b bzw. 56c angedeutet ist. In der 3 ist die Verfahrbarkeit der Planplatten 52a bis 52c nur in der X-Richtung angedeutet; zusätzlich können die Planplatten 52a bis 52c auch in der zur Papierebene senkrechten Y-Richtung verfahren werden.
-
Die 4 zeigt die Gesamt-Filterfunktion, d. h. die zweidimensionale Verteilung des Absorptionskoeffizienten des gesamten Transmissionsfilters 40, in einer Draufsicht. Mit Hilfe der Verfahreinrichtung 44 können die absorbierenden Bereiche 54a bis 54c frei senkrecht zur optischen Achse durch das vom Projektionslicht PL durchtretene und in der 4 durch einen Kreis 58 angedeutete Volumen verfahren werden. Die Gesamt-Filterfunktion ergibt sich dabei durch Multiplikation der Einzel-Filterfunktionen, die den einzelnen Planplatten 52a bis 52c zugeordnet und deren Lage in der XY-Ebene mit Hilfe der Verfahreinrichtung 44 individuell veränderbar sind.
-
Der Behälter 42 ist mit einer Immersionflüssigkeit 60 gefüllt, deren Brechzahl zumindest näherungsweise gleich der Brechzahl der Planplatten 52a bis 52c ist. Auf diese Weise wird das Licht an den Planplatten 52 bis 52c nicht gebrochen und an den Grenzflächen nicht reflektiert.
-
Ein Gestänge 62 zum Verbinden der Planplatten 52a bis 52c mit der Verfahreinrichtung 44, die zu diesem Zweck eine Vielzahl von individuell ansteuerbaren Stellmotoren enthält, ist über Dichtungen 64 aus dem ansonsten fluiddichten Behälter 42 herausgeführt. Der Behälter 42 kann zusätzlich noch mit einer oder mehreren Öffnungen versehen sein (nicht dargestellt), um die Immersionsflüssigkeit bei Bedarf austauschen zu können. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, die Immersionsflüssigkeit 60 fortlaufend während des Betriebs umzuwälzen, um durch Absorption des Projektionslichts PL in den absorbierenden Bereichen 54a bis 54c lokal entstehende Wärme effizient abführen zu können.
-
Die 5 illustriert in einem Graphen anschaulich das Funktionsprinzip, wie eine gewünschte Filterfunktion, die in der 5 mit einer gestrichelten Linie 66 dargestellt ist, durch eine Überlagerung von mehreren Gaußfunktionen 68a bis 68e angenähert werden kann. Die Gaußfunktionen 68a bis 68e haben dabei unterschiedliche Höhen, aber sind stets gleich breit. Dieses lediglich für eine Dimension dargestellte Prinzip lässt sich selbstverständlich ebenso auf zwei Dimensionen erweitern.
-
Im Folgenden wird erläutert, wie das variable Transmissionsfilter 40 beispielsweise angesteuert werden kann:
Zunächst wird während einer Belichtungspause ein optischer Sensor 120 in die Bildebene 30 des Projektionsobjektivs 20 verfahren, wie dies in der 2 durch einen Pfeil 122 angedeutet ist. Der Bildsensor 120 vermisst die optischen Wellenfronten in der Bildebene und bestimmt auf diese Weise die Abbildungsqualität des Projektionsobjektivs 20. Die zentrale Prozesssteuerung 47 berechnet auf der Grundlage der vom Sensor 120 bereitgestellten Messergebnisse eine gewünschte Apodisierung, die vom Transmissionsfilter 40 eingestellt werden soll. Diese Apodisierung wird in Form einer Soll-Filterfunktion an die Recheneinheit 45 übergeben. Diese bestimmt in einem numerischen Optimierungsverfahren die Verfahrwege der einzelnen Planplatten 52a bis 52c im Transmissionsfilter 40 derart, dass die multiplikative Überlagerung der einzelnen gaußförmigen Absorptionsverteilungen sich möglichst gut der gewünschten Soll-Filterfunktion annähert. Die entsprechenden Stellbefehle werden dann von der Recheneinheit 45 an die Verfahreinrichtung 44 übergeben, die mit Hilfe der darin enthaltenen Stellmotoren die Planplatten 52a bis 52c so innerhalb des Behälters 42 verschiebt, dass sich für das hindurchtretende Projektionslicht PL die gewünschte Filterfunktion ergibt. Die damit bewirkte Apodisierung führt dann zu einer Verbesserung der Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs 20.
-
Um die numerische Optimierung zu vereinfachen, kann der Absorptionskoeffizient A(x, y) in Richtungen senkrecht zur optischen Achse OA nur annähernd den Verlauf eines Gauß-Profils haben. Insbesondere können die theoretisch unendlich langen Ausläufer des Gauß-Profils, in denen sich die Absorption dem Wert Null asymmtotisch nähert, abgeschnitten sein, wie dies die 6 für den Fall einer eindimensionalen Verteilung A(x) illustriert.
