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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks bei der Herstellung eines optischen Elements, insbesondere für die Mikrolithographie.
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Stand der Technik
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Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
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Weitere, in der Mikrolithographie eingesetzte optische Systeme umfassen auch Inspektionssysteme z.B. in Form eines Maskeninspektionssystems zur Inspektion von Retikeln bzw. Masken zur Verwendung in einer Projektionsbelichtungsanlage oder eines Waferinspektionssystems zur Beobachtung und Prüfung von Waferoberflächen.
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In für den EUV-Bereich ausgelegten optischen Systemen, d.h. bei Wellenlängen von z.B. etwa 13 nm oder etwa 7 nm, werden mangels Verfügbarkeit geeigneter lichtdurchlässiger refraktiver Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet. Im Hinblick auf die aufgrund der begrenzten Reflektivitäten der einzelnen Spiegelflächen in solchen Systemen auftretenden Transmissionsverluste ist grundsätzlich eine Minimierung der Anzahl der im jeweiligen optischen System eingesetzten Spiegel wünschenswert. Des Weiteren geht die Erhöhung des Auflösungsvermögens u.a. durch Steigerung der numerischen Apertur mit einer fortwährenden Vergrößerung der Spiegelflächen einher. Dies führt in der Praxis zu anspruchsvollen Herausforderungen u.a. hinsichtlich der Herstellung der Spiegel und deren Anordnung im jeweils zur Verfügung stehenden Bauraum des optischen Systems.
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Um die Spiegel in der jeweils gewünschten Endspezifikation herzustellen, ist die Durchführung einer Mehrzahl von Bearbeitungsprozessen, insbesondere von Polierprozessen, erforderlich.
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Hierbei können sich in der Praxis Probleme daraus ergeben, dass die jeweils in der konkreten Anwendung wünschenswerten Substratmaterialien - beispielsweise monokristallines Silizium (Si) zur Erzielung einer hinreichenden Wärmeleitfähigkeit - aus Gründen der Verfügbarkeit, unter Kostengesichtspunkten oder im Hinblick auf die erforderlichen großen Abmessungen des Spiegelsubstrats nur in suboptimaler Qualität bzw. Reinheit vorliegen. Insbesondere können innerhalb des Substratmaterials Partikel aus Fremdphasen vorhanden sein, wobei lediglich beispielhaft Siliziumnitrid (Si3N4)-Einschlüsse innerhalb eines aus kristallinem Silizium (Si) gefertigten Spiegelsubstrats oder auch Borcarbid (B4C)-Einschlüsse innerhalb eines aus Kupfer (Cu) gefertigten Spiegelsubstrats genannt werden können. Aufgrund der größeren Härte dieser Einschlüsse bzw. Partikel im Vergleich zum jeweils umgebenden Substratmaterial erfolgt ggf. das Polieren für diese Einschlüsse bzw. Partikel mit vergleichsweise geringerem Abtrag mit der Folge, dass besagte Einschlüsse bzw. Partikel im Laufe des Polierprozesses zunehmend aus der Substratoberfläche herausragen.
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3a-3b zeigen schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines solchen Szenarios, wobei die innerhalb eines Substratmaterials 30 befindlichen Einschlüsse bzw. Partikel mit „31“ lediglich schematisch und stark vereinfacht sowie nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Lediglich beispielhaft können typische Durchmesser der Einschlüsse im Bereich von (30-100)µm liegen. 3a zeigt dabei eine sich nach Durchführung eines dem Polieren typischerweise vorangehenden Schleifprozesses ergebende Situation, wonach einige mit 31` bezeichnete Einschlüsse bzw. Partikel zunächst teilweise an der bearbeiteten Substratoberfläche freigelegt sind. 3b zeigt das vorstehend bereits beschriebene und sich im Laufe des Polierprozesses ergebende Szenario, in welchem einige mit 31` bezeichnete Einschlüsse bzw. Partikel infolge vergleichsweise geringeren Polierabtrags teilweise aus der jeweils umgebenden Substratoberfläche herausragen.
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Der Umstand, dass das Polieren typischerweise unter Verwendung eines elastischen Poliermediums erfolgt und sich dieses Poliermedium stärker (d.h. mit vergleichsweise größerem Anpressdruck) auf besagten, herausragenden Einschlüssen bzw. Partikeln 31' abstützt - während der besagte Anpressdruck in dem Umgebungsbereich reduziert ist - hat nun in nachteiliger Weise zur Folge, dass die Einflusszone der besagten Einschlüsse bzw. Partikel 31` nicht auf den jeweiligen Partikelradius begrenzt ist, sondern sich infolge der nicht-nominellen Auflage des elastischen Poliermediums auf der zu bearbeitenden Substratoberfläche über einen erheblich größeren Bereich (typischerweise in einer Größenordnung des mehrfachen, z.B. 10-fachen Partikelradius) erstreckt. Ein weiteres, in 3b ebenfalls veranschaulichtes Szenario ist das mögliche Herausbrechen einzelner Einschlüsse bzw. Partikel (in 3b mit 31'' bezeichnet), welche dann ein Verkratzen der Substratoberfläche bewirken können.
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Infolge der entstehenden Passeschäden wird die gewünschte optische Wirkung des gefertigten Elements (z.B. Spiegels) in dem entsprechenden Bereich nicht mehr verwirklicht, was letztlich dazu führen kann, dass auch ein das betreffende optische Element aufweisendes System (z.B. eine Projektionsbelichtungsanlage) die erforderliche Spezifikation nicht mehr erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks bei der Herstellung eines optischen Elements bereitzustellen, welches die Minimierung von Passefehlern unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks bei der Herstellung eines optischen Elements, insbesondere für die Mikrolithographie, wobei ein Polieren eines Substratmaterials zur Erzeugung einer gewünschten Oberflächengeometrie des Werkstücks erfolgt, und wobei vor diesem Polieren ein selektiver Ätzprozess zur wenigstens teilweisen Entfernung von innerhalb des Substratmaterials vorhandenen Partikeln durchgeführt wird.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, die Bearbeitung eines Werkstücks bei der Herstellung eines optischen Elements, insbesondere die Bearbeitung eines Spiegelsubstrats eines (z.B. für den EUV-Betrieb ausgelegten) Spiegels, in solcher Weise vorzunehmen, dass noch vor dem Polieren innerhalb des Substratmaterials vorhandene Einschlüsse bzw. Partikel im Wege eines selektiven Ätzprozesses zumindest teilweise entfernt werden. Dabei geht die Erfindung unter anderem von der Überlegung aus, dass besagte teilweise Partikel-Entfernung zwar den Verbleib von Vertiefungen an den entsprechenden Partikelpositionen zur Folge hat, dass jedoch ein damit einhergehender Passeschaden bzw. die Beeinträchtigung der optischen Wirkung des letztlich gefertigten optischen Elements wesentlich geringer ist als diejenigen Passeschäden, die - wie eingangs beschrieben - durch die aus der jeweils bearbeiteten Substratoberfläche herausragenden Einschlüsse bzw. Partikel verursacht werden. Im Unterschied zu dem eingangs anhand von 3b einleitend beschriebenen Szenario entfällt nämlich der nachteilige Effekt, dass beim Aufliegen des elastischen Poliermediums auf aus der Substratoberfläche herausragenden Einschlüssen bzw. Partikeln eine nicht-nominelle Auflage über einen im Vergleich zum Partikelradius erheblich größeren Bereich gegeben ist.
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Mit anderen Worten verursachen die nach dem erfindungsgemäßen selektiven Ätzen verbleibenden Vertiefungen letztlich lediglich Passeschäden, welche in ihrer räumlichen Dimension den jeweiligen Abmessungen der ursprünglichen Partikel vergleichbar sind und somit nicht - wie in dem anhand von 3b einleitend beschriebenen Szenario - um ein Mehrfaches darüberliegen.
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Dabei wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dem zusätzlich eingeführten Prozess des selektiven Ätzens bewusst ein erhöhter fertigungstechnischer Aufwand in Kauf genommen, um im Gegenzug die vorstehend beschriebene Verbesserung hinsichtlich der erzeugten Passeschäden zu erreichen. Des Weiteren beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren einen anderen Ansatz als die grundsätzlich zunächst in Betracht kommende Optimierung des verwendeten Substratmaterials (bei der durch entsprechende Anpassung der Herstellungsparameter die Entstehung unerwünschter Partikel bzw. Einschlüsse im Substratmaterial von vorneherein vermieden bzw. minimiert wird). Vielmehr wird erfindungsgemäß anstelle einer Optimierung des Substratmaterials letztlich die Verwendung auch von Substratmaterial suboptimaler Qualität (im Hinblick auf im Substratmaterial vorhandene Einschlüsse bzw. Partikel) ermöglicht, was sich unter Kosten- und Verfügbarkeitsaspekten gerade bei der Herstellung optischer Elemente wie z.B. Spiegel mit größeren Abmessungen (von z.B. mehr als 1 m) als besonders vorteilhaft erweist.
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In Ausführungsformen kann der selektive Ätzprozess ein reaktives Ionenätzen, ein plasma-unterstütztes chemisches Ätzen (PACE) oder auch ein nasschemisches Ätzen umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform besitzen die Partikel einen mittleren Durchmesser von weniger als 200 µm, insbesondere von weniger als 150 µm.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Polieren unter Verwendung eines elastischen Poliermediums.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Substratmaterial kristallines Silizium (Si) auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Partikel Siliziumnitrid (Si3N4) auf.
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Gemäß einer Ausführungsform werden vor Durchführung des selektiven Ätzprozesses die innerhalb des Substratmaterials vorhandenen Partikel lokalisiert.
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Gemäß einer Ausführungsform wird basierend auf dieser Lokalisierung der selektive Ätzprozess nur auf einen Teilbereich der zu bearbeitenden Substratoberfläche angewendet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element ein Spiegel.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element für eine Arbeitswellenlänge von weniger als 30 nm, insbesondere von weniger als 15 nm, ausgelegt.
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Die Erfindung betrifft weiter auch ein optisches Element, insbesondere für die Mikrolithographie, welches unter Anwendung eines Verfahrens mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen hergestellt ist, sowie ein optisches System einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit einem solchen optischen Element, insbesondere eine Beleuchtungseinrichtung oder ein Projektionsobjektiv, sowie eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage. Das optische System kann ferner auch ein Maskeninspektionssystem oder ein Waferinspektionssystem sein.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1a-1c schematische Darstellungen zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage; und
- 3a-3b schematische Darstellungen zur Erläuterung von bei einem herkömmlichen Verfahren auftretenden Problemen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei der Herstellung eines optischen Elements in Form eines Spiegels oder einer Linse wird typischerweise eine Schicht oder ein Schichtsystem (welches etwa im Falle eines Spiegels z.B. ein Reflexionsschichtsystem aus Molybdän- und Siliziumschichten aufweisen kann) auf ein Substrat aufgebracht. Zur Herstellung des optischen Elements ist die Durchführung einer Mehrzahl von Bearbeitungsprozessen, insbesondere von Polierprozessen, erforderlich. Das Substrat kann z.B. aus kristallinem Silizium (Si) hergestellt sein.
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Im Weiteren wird ein möglicher Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildungen von 1a-1c beschrieben.
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1a zeigt zunächst in zu 3a analoger Weise ein sich während der Bearbeitung eines Werkstücks in Form eines Spiegelsubstrats nach dem Schleifen des Substratmaterials 10 ergebendes Szenario, in welchem innerhalb des Substratmaterials 10 vorhandene Einschlüsse bzw. Partikel 11 an der aktuell bearbeiteten Oberfläche teilweise freigelegt werden. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesen Partikeln 11 um Einschlüsse aus Siliziumnitrid (Si3N4) innerhalb des aus kristallinem Silizium hergestellten Substratmaterials 10. Diese Partikel 11 können lediglich beispielhaft Durchmesser im Bereich von 30 µm bis 100 µm besitzen. Infolge der größeren Härte der Partikel 11 im Vergleich zum umgebenden Substratmaterial 10 würde ein unmittelbares Polieren zu dem einleitend anhand von 3b beschriebenen Effekt führen, dass der vergleichsweise geringere Abtrag der Partikel 11 beim Polieren ein partielles Herausragen der Partikel 11 aus der aktuell polierten Substratoberfläche und letztlich infolge des in der Umgebung der Partikel 11 verringerten Anpressdrucks des Poliermediums vergleichsweise große Passeschäden zur Folge hat.
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Um diesem unerwünschten Effekt entgegenzuwirken, erfolgt nun erfindungsgemäß anstelle der sofortigen Durchführung eines Polierprozesses zunächst die Durchführung eines selektiven Ätzprozesses zur wenigstens teilweisen Entfernung der besagten Partikel aus dem Substratmaterial 10. Dieser selektive Ätzprozess wird in Abhängigkeit von dem jeweiligen Material der Partikel 11 sowie abhängig vom Substratmaterial 10 gewählt. Im Ausführungsbeispiel mit Siliziumnitrid (Si3N4)-Einschlüssen innerhalb eines Substrats aus kristallinem Silizium (Si) geeignete selektive Ätzprozesse umfassen reaktives Ionenätzen (z.B. mit CHF3/O2/Ar in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen oder CF6 als Prozessgas), plasmaunterstütztes chemisches Ätzen (PACE= „Plasma Assisted Chemical Etching“) mit F2, NF3, CF4, O2 oder N2 als möglichen Prozessgasen sowie chemisches Ätzen mit kochender Phosphorsäure einer Temperatur von z.B. 180°C.
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1b zeigt den sich nach Durchführung des selektiven Ätzens ergebenden Zustand, in welchem an den ursprünglichen Partikelpositionen im Bereich der aktuell bearbeiteten Substratoberfläche Vertiefungen 12 vorhanden sind. Ausgehend von dem in 1b dargestellten Zustand erfolgt nun das Polieren, wobei die wie vorstehend beschrieben zurückgebliebenen Vertiefungen 12 ggf. geringfügig randseitig verrundet werden. Die resultierenden Passefehler sind auf Bereiche begrenzt, welche im Vergleich zum Szenario gemäß 3b erheblich geringere Radien aufweisen, da die elastische „Antwort“ des beim Polieren verwendeten Poliermediums nahezu vollständig im Bereich der Vertiefungen stattfindet. Simit gilt RL <<RE , wobei RL den typischen Radius der jeweils gestörten Bereiche im Szenario gemäß 1c und RE den typischen Radius der jeweils gestörten Bereiche im Szenario gemäß 3b bezeichnet.
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2 zeigt schematisch im Meridionalschnitt den möglichen Aufbau einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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Gemäß 2 weist die Projektionsbelichtungsanlage 101 eine Beleuchtungseinrichtung 102 und ein Projektionsobjektiv 110 auf. Eine Ausführung der Beleuchtungseinrichtung 102 der Projektionsbelichtungsanlage 101 hat neben einer Licht- bzw. Strahlungsquelle 103 eine Beleuchtungsoptik 104 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 105 in einer Objektebene 106. Bei einer alternativen Ausführung kann die Lichtquelle 103 auch als ein zur sonstigen Beleuchtungseinrichtung separates Modul bereitgestellt sein. In diesem Fall umfasst die Beleuchtungseinrichtung die Lichtquelle 103 nicht.
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Belichtet wird hierbei ein im Objektfeld 105 angeordnetes Retikel 107. Das Retikel 107 ist von einem Retikelhalter 108 gehalten. Der Retikelhalter 108 ist über einen Retikelverlagerungsantrieb 109 insbesondere in einer Scanrichtung verlagerbar. In 2 ist zur Erläuterung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem eingezeichnet. Die x-Richtung verläuft senkrecht zur Zeichenebene hinein. Die y-Richtung verläuft horizontal und die z-Richtung verläuft vertikal. Die Scanrichtung verläuft in 2 längs der y-Richtung. Die z-Richtung verläuft senkrecht zur Objektebene 106.
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Das Projektionsobjektiv 110 dient zur Abbildung des Objektfeldes 105 in ein Bildfeld 111 in einer Bildebene 112. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 107 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 111 in der Bildebene 112 angeordneten Wafers 113. Der Wafer 113 wird von einem Waferhalter 114 gehalten. Der Waferhalter 114 ist über einen Waferverlagerungsantrieb 115 insbesondere längs der y-Richtung verlagerbar. Die Verlagerung einerseits des Retikels 107 über den Retikelverlagerungsantrieb 109 und andererseits des Wafers 113 über den Waferverlagerungsantrieb 115 kann synchronisiert zueinander erfolgen.
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Bei der Strahlungsquelle 103 handelt es sich um eine EUV-Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle 103 emittiert insbesondere EUV-Strahlung, welche im Folgenden auch als Nutzstrahlung oder Beleuchtungsstrahlung bezeichnet wird. Die Nutzstrahlung hat insbesondere eine Wellenlänge im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm. Bei der Strahlungsquelle 103 kann es sich zum Beispiel um eine Plasmaquelle, eine synchrotronbasierte Strahlungsquelle oder um einen Freie-Elektronen-Laser („Free-Electron-Laser“, FEL) handeln. Die Beleuchtungsstrahlung 116, die von der Strahlungsquelle 103 ausgeht, wird von einem Kollektor 117 gebündelt und propagiert durch einen Zwischenfokus in einer Zwischenfokusebene 118 in die Beleuchtungsoptik 104. Die Beleuchtungsoptik 104 weist einen Umlenkspiegel 119 und diesem im Strahlengang nachgeordnet einen ersten Facettenspiegel 120 (mit schematisch angedeuteten Facetten 121) und einen zweiten Facettenspiegel 122 (mit schematisch angedeuteten Facetten 123) auf.
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Das Projektionsobjektiv 110 weist eine Mehrzahl von Spiegeln Mi (i= 1, 2, ...) auf, welche gemäß ihrer Anordnung im Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage 101 durchnummeriert sind. Bei dem in der 2 dargestellten Beispiel weist das Projektionsobjektiv 110 sechs Spiegel M1 bis M6 auf. Alternativen mit vier, acht, zehn, zwölf oder einer anderen Anzahl an Spiegeln Mi sind ebenso möglich. Der vorletzte Spiegel M5 und der letzte Spiegel M6 weisen jeweils eine Durchtrittsöffnung für die Beleuchtungsstrahlung 116 auf. Bei dem Projektionsobjektiv 110 handelt es sich um eine doppelt obskurierte Optik. Das Projektionsobjektiv 110 hat eine bildseitige numerische Apertur, die größer ist als 0.5 und die auch größer sein kann als 0.6 und die beispielsweise 0.7 oder 0.75 betragen kann.
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Die Erfindung ist bei der Herstellung eines beliebigen optischen Elements der Projektionsbelichtungsanlage 101 einsetzbar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Realisierung bei der Herstellung optischer Elemente für den Betrieb im EUV beschränkt, sondern auch bei der Herstellung optischer Elemente für andere Arbeitswellenlängen (z.B. im VUV-Bereich bzw. bei Wellenlängen kleiner als 250 nm) realisierbar.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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