DE10220045A1

DE10220045A1 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes aus Quarzsubstrat

Info

Publication number: DE10220045A1
Application number: DE10220045A
Authority: DE
Inventors: Nils Dieckmann; Kirstin Becker; Dieter Bader
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-05-04
Filing date: 2002-05-04
Publication date: 2003-11-13
Also published as: EP1502132A1; US20050117203A1; AU2003227646A1; US20040021843A1; WO2003093880A1; JP2005524862A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes aus Quarzsubstrat für Beleuchtungssysteme mit Beleuchtungsquellen, die Strahlen von 157 nm Wellenlänge oder kürzer emittieren, wird Quarzsubstrat (9) auf wenigstens einer Seite mit einem Stützkörper (11) verbunden. Anschließend wird das Quarzsubstrat (9) auf einen Sollwert mit einer Dicke im mu-Bereich abgetragen. Das optische Element kann ein diffraktives optisches Element oder eine Streuscheibe sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes aus Quarzsubstrat für Beleuchtungssysteme mit Beleuchtungsquellen, die sehr kurzwellige Strahlen, insbesondere von 157 nm Wellenlänge oder kürzer, emittieren.
Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem für die Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen.

In Beleuchtungssystemen für den photolithographischen Strukturprozeß von Halbleiterbauelementen ist es bekannt, die Ausleuchtung in der Beleuchtungspupille mittels diffraktiver optischer Elemente (DOE) einzustellen. Diese werden hierzu in dem Beleuchtungssystem der Projektionsbelichtungsanlage an entsprechenden Stellen eingebaut. Für die diffraktiven optischen Elemente ist bekannt, in Beleuchtungssystemen, die im tiefen UV- Bereich arbeiten, diese Elemente aus Quarzglas bzw. Quarzsubstrat zu fertigen, in denen eine entsprechende Oberflächenstruktur eingebracht ist.

In Beleuchtungssystemen der vorstehend genannten Art werden darüber hinaus auch zur Homogenisierung der Pupille Streuscheiben eingesetzt, die ebenfalls aus Quarzsubstrat bestehen.

Durch die Verwendung von Lichtquellen mit immer kürzeren Wellenlängen ergibt sich jedoch beim Einsatz von Quarzsubstrat ein Problem. Insbesondere bei einer Bestrahlung mit Licht von 157 nm Wellenlänge oder kürzer ist Quarzsubstrat nicht mehr ausreichend stabil. Aus diesem Grunde müssen bei derart kurzen Wellenlängen diffraktive optische Elemente oder Streuscheiben aus einem Material hergestellt werden, welches zum einen transparent ist und zum anderen gegenüber diesen kurzen Wellenlängen widerstandsfähig ist. Hierfür ist unter anderem Kalziumfluorid (CaF₂) bekannt. Nachteilig dabei ist jedoch, daß die Herstellung eines diffraktiven optischen Elementes oder einer Streuscheibe aus Kalziumfluorid sehr aufwendig und teuer ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes, insbesondere eines diffraktiven optischen Elementes oder einer Streuscheibe zur Verwendung bei Lichtquellen mit sehr kurzwelliger Strahlung zu schaffen, welches ohne aufwendiges Herstellungsverfahren hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes aus Quarzsubstrat für Beleuchtungssysteme mit Lichtquellen geschaffen, die Strahlen von sehr kurzer Wellenlänge, insbesondere von 157 nm Wellenlänge oder kürzer, emittieren, wobei das Quarzsubstrat auf wenigstens einer Seite mit einem Stützkörper verbunden wird und anschließend auf einen Sollwert mit einer Dicke im µ-Bereich abgetragen wird.

In überraschender Weise haben die Erfinder festgestellt, daß man trotz der an sich nicht ausreichenden Stabilität von Quarzsubstrat (Quarzglas) dieses auch dann bei 157 nm Wellenlänge oder kürzer einsetzen kann, wenn man es entsprechend in der erfindungsgemäßen Weise sehr dünn herstellt. In diesem Fall treten keine Probleme mit der Stabilität auf und die ansonsten bei einer Verwendung von Quarzsubstrat auftretenden Strahlungsverluste sind bei dieser Dicke ebenfalls vernachlässigbar.

Bei einer gewünschten Dicke der Quarzsubstratschicht im µ- Bereich kann jedoch kein selbsttragendes optisches Element, z. B. ein diffraktives optisches Element oder eine Streuscheibe, hergestellt werden. In erfindungsgemäßer Weise wird deshalb ein Träger für das dünne Quarzsubstrat geschaffen, der selbstverständlich gegenüber dem vorgesehenen Wellenlängenbereich widerstandsfähig und transparent sein muß, wenn er an dem optischen Element verbleiben soll. Hierfür wurde Kalziumfluorid als Substrat vorgesehen, das in einer Ausgestaltung der Erfindung an das Quarzsubstrat angesprengt sein kann.

Bei der Herstellung eines diffraktiven optischen Elementes, in das eine Oberflächenstruktur eingebracht ist, wird man dieses in einem ersten Verfahrensschritt auf der Seite des diffraktiven optischen Elementes, in das die Oberflächenstruktur eingebracht ist, mit einem Stützkörper versehen. Anschließend wird das diffraktive optische Element, das ja aus Quarzsubstrat besteht, bis auf den gewünschten Sollwert abgetragen, was z. B. durch Läppen und Polieren erfolgen kann. Abschließend wird auf das dünn geschliffene Quarzsubstrat ein Träger aufgebracht, z. B. angesprengt, wonach der Stützkörper von dem Quarzsubstrat gelöst wird.

Bei der Herstellung einer Streuscheibe wird auf beiden Seiten des Stützkörpers ein Quarzsubstrat aufgebracht, das anschließend jeweils bis auf den gewünschten Sollwert abgeschliffen wird. In die beiden auf diese Weise geschaffenen sehr dünnen Quarzschichten werden dann in deren Oberflächen die Profilierungen zur Bildung einer Streuscheibe eingeätzt. Da in diesem Falle der Stützkörper gleichzeitig als Träger für den späteren Einsatz der auf diese Weise geschaffenen Einheit als Streuscheibe dient, ist es erforderlich, daß er aus einem Material besteht, das gegenüber der verwendeten Wellenlänge, z. B. von 157 nm oder kürzer, widerstandsfähig und transparent ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem;

Fig. 2 bis Fig. 5 die Herstellung eines diffraktiven optischen Elementes;

Fig. 6 und Fig. 7 die Herstellung einer Streuscheibe.

In Fig. 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie dargestellt. Diese dient zur Belichtung von Strukturen auf ein mit photosensitiven Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend aus Silizium besteht und als Wafer 2 bezeichnet wird, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z. B. Computerchips.

Die Projektionsbelichtungsanlage 1 besteht dabei im wesentlichen aus einer Beleuchtungseinrichtung 3 mit einer nicht näher dargestellten Lichtquelle 3a, einer Einrichtung 4 zur Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer gitterartigen Struktur versehenen Maske, einem sogenannten Reticle 5, durch welches die späteren Strukturen auf dem Wafer 2 bestimmt werden, einer Einrichtung 6 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 2 und einer Abbildungseinrichtung nämlich einem Projektionsobjektiv 7.

Das grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, daß die in das Reticle 5 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 2 belichtet werden, insbesondere mit einer Verkleinerung der Strukturen auf ein Drittel oder weniger der ursprünglichen Größe. Die an die Projektionsbelichtungsanlage 1, insbesondere an das Projektionsobjektiv 7, zu stellenden Anforderungen hinsichtlich der Auflösungen liegen dabei im Bereich von wenigen Nanometern.

Nach einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 2 weiterbewegt, so daß auf demselben Wafer 2 eine Vielzahl von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 5 vorgegebenen Struktur, belichtet wird. Wenn die gesamte Fläche des Wafers 2 belichtet ist, wird dieser aus der Projektionsbelichtungsanlage 1 entnommen und einer Mehrzahl chemischer Behandlungsschritte, im allgemeinen einem ätzenden Abtragen von Material, unterzogen. Gegebenenfalls werden mehrere dieser Belichtungs- und Behandlungsschritte nacheinander durchlaufen, bis auf dem Wafer 2 eine Vielzahl von Computerchips entstanden sind. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung des Wafers 2 in der Projektionsbelichtungsanlage 1 wird diese häufig auch als Stepper bezeichnet.

Die Beleuchtungseinrichtung 3 stellt einen für die Abbildung des Reticles 5 auf dem Wafer 2 benötigten Projektionsstrahl 8, beispielsweise Licht oder eine ähnliche elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Lichtquelle 3a für diese Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 3 über optische Elemente so geformt, daß der Projektionsstrahl 8 beim Auftreffen auf das Reticle 5 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen aufweist.

Über den Projektionsstrahl 8 wird ein Bild des Reticles 5 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 7 entsprechend verkleinert auf den Wafer 2 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Das Projektionsobjektiv 7 besteht dabei aus einer Vielzahl von einzelnen refraktiven und/oder diffraktiven optischen Elementen, wie z. B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlußplatten und dergleichen.

Die Fig. 2 bis 7 zeigen die Herstellung von optischen Elementen, die Teile einer solchen Projektionsbelichtungsanlage 1 sein können.

In dem Beleuchtungssystem 3, in welchem die Lichtquelle 3a angeordnet ist, die Strahlen mit einer Wellenlänge von 157 nm oder kürzer emittiert, sind in bekannter Weise diffraktive optische Elemente und Streuscheiben angeordnet.

In den Fig. 2 bis 5 ist die Herstellung eines diffraktiven optischen Elementes aus Quarzsubstrat 9 aufgezeigt.

Gemäß Fig. 2 wird Quarzsubstrat 9 in einer Dicke von mehreren Millimetern über eine Klebeschicht 10 auf einen Stützkörper 11 aufgebracht. Als Stützkörper 11 für das nachfolgende Abtragungsverfahren kann ebenfalls Quarzsubstrat 9 verwendet werden. Die Klebeschicht 10 wird auf die Seite des Quarzsubstrates 9 aufgebracht, in der bereits die Oberflächenstruktur 9a eingebracht ist.

Das Abtragsverfahren für das Quarzsubstrat 9 kann in einem ersten Schritt durch Läppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren bis auf den Sollwert im µ-Bereich erfolgen. Bei einer Verwendung als DOE kann die Sollwertdicke, z. B. 5 bis 10 µ betragen.

In Fig. 3 ist das Quarzsubstrat 9 mit dem gewünschten Sollwert nach dem Abtragsverfahren dargestellt. Aus zeichnungstechnischen Gründen wurde die Dicke des Quarzsubstrates 9 jedoch übertrieben stark dargestellt.

In einem nächsten Schritt, der in der Fig. 4 dargestellt ist, wird auf die abgetragene Seite des Quarzsubstrates 9 ein Träger 12 aufgebracht. Dies kann z. B. durch ein Ansprengen mit entsprechend optisch hochgenauen Flächen erfolgen. Der Träger 12, welcher gegenüber Strahlen von 157 nm Wellenlänge widerstandsfähig und transparent sein muß, kann aus Kalziumfluorid bestehen. Ein derartiges Ansprengverfahren ist z. B. aus der DE 197 04 936 A1 und der US 4,810,318 bekannt.

Nach dem Ansprengen des Trägers 12 an das Quarzsubstrat 9 wird der Stützkörper 11 mit der Klebeschicht 10 von der Seite des Quarzsubstrates 9 mit der Oberflächenstruktur 9a abgelöst, womit ein fertiges diffraktives optisches Element aus einem Quarzsubstrat mit einer Dicke von einigen µ vorhanden ist. Für die notwendige Stabilität und für die Verbindung mit einer festen Struktur des Beleuchtungssystems 3 dient der Träger 12. Als lösbaren Kleber 10 kann z. B. ein Warmkitt, wie Kanadabalsam, verwendet werden. Der Kitt selbst kann einen leichten Keil aufweisen.

Damit bei dem Abtragsverfahren des Quarzsubstrates 9 eine gleichmäßige Schichtdicke eingehalten werden kann, ist dafür zu sorgen, daß bei dem Abtragsverfahren der Stützkörper 11 mit seiner Rückseite exakt parallel eingestellt zu der zu bearbeitenden Seite des Quarzsubstrates 9 ist. Das Abtragsverfahren durch Läppen kann bis auf eine Dicke von ca. 15 bis 20 µ größer als die Solldicke erfolgen. Das Abtragen auf die gewünschte Solldicke erfolgt anschließend durch ein Polieren in einem iterativen Prozeß in Kombination mit Dickenmessungen. Bei Verwendung eines Warmklebers kann dann durch ein entsprechendes Erwärmen nach dem Abtragsverfahren und dem Ansprengen des Trägers 12 die Klebeverbindung zu dem Stützkörper 11 gelöst werden, wobei man dann auch die Klebereste vollständig von der Oberflächenstruktur 9a des diffraktiven optischen Elementes entfernt.

In den Fig. 6 und 7 ist die Herstellung einer Streuscheibe 14 dargestellt. Gemäß Fig. 6 wird auf den Stützkörper 11 auf beiden Seiten ein Quarzsubstrat 9 von üblicher Dicke, z. B. einigen Millimetern, aufgebracht. Anschließend werden die beiden Quarzsubstrate 9 jeweils auf den gewünschten Sollwert abgetragen. Die fertige Stärke ist aus der Fig. 7 ersichtlich, wobei auch hier aus zeichnungstechnischen Gründen die Dicke der beiden Quarzsubstrate 9 wesentlich größer dargestellt ist.

Da der Stützkörper 11 in diesem Falle gleichzeitig als Träger für die spätere Streuscheibe dient, muß er aus einem Material bestehen, welches gegenüber den Strahlen der Lichtquelle 3a, z. B. von 157 nm Wellenlänge oder kürzer, widerstandsfähig und transparent ist. Bei dem Ausführungsbeispiel wird hierfür Kalziumfluorid verwendet. Nach dem Abtragen der beiden Quarzsubstrate 9 auf die gewünschten Sollwerte, welche bei einer Verwendung als Streuscheibe zwischen 40 bis 70 µ, vorzugsweise ca. 50 µ, betragen kann, erfolgt in bekannter Weise durch ein Ätzverfahren, die gewünschte Oberflächenprofilierung zur Bildung einer Streuscheibe. In einfacher Weise kann dies - wie bekannt - durch ein Ätzbad erfolgen. Da der Träger 11 aus Kalziumfluorid jedoch durch das Ätzbad in negativer Weise verändert werden würde, wird vorher die gesamte Einheit aus Stützkörper 11 bzw. Träger und den beiden Quarzsubstraten 9 am Umfang mit einer Versiegelung 13 versehen. Auf diese Weise ist der Stützkörper bzw. Träger 11 bei einem Ätzbad entsprechend geschützt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes aus Quarzsubstrat für Beleuchtungssysteme mit Lichtquellen, die Strahlen einer sehr kurzen Wellenlänge, insbesondere von 157 nm Wellenlänge oder kürzer, emittieren, wobei das Quarzsubstrat (9) auf wenigstens einer Seite mit einem Stützkörper (11) verbunden wird, und anschließend auf einen Sollwert mit einer Dicke im µ-Bereich abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines diffraktiven optischen Elementes aus einem Quarzsubstrat, in das eine Oberflächenstruktur (9a) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (11) auf der Seite des diffraktiven optischen Elementes (9), in das die Oberflächenstruktur (9a) eingebracht ist, mit dem Quarzsubstrat (9) verbunden wird, daß anschließend das auf einen Sollwert abgetragene Quarzsubstrat (9) auf einen Träger (12) aufgebracht wird, der gegenüber einer Strahlung von 157 nm Wellenlänge oder kürzer widerstandsfähig und transparent ist, und daß abschließend das Quarzsubstrat (9) von dem Stützkörper (11) gelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (11) über eine lösbare Klebeschicht (10) mit dem Quarzsubstrat (9) verbunden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützkörper (11) Quarzglas verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seite des Stützkörpers (11) auf der von dem Quarzsubstrat (9) abgewandten Seite zu der zu bearbeitenden Fläche des Quarzsubstrates (9) parallel gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrag des Quarzsubstrates (9) in einem ersten Schritt durch Läppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren bis auf den Sollwert erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger (12) Kalziumfluorid verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer Streuscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (11) auf beiden Seiten mit dem Quarzsubstrat (9) verbunden wird, wobei der Stützkörper (11), der nach dem Abtragen der beiden Quarzsubstrate (9) auf deren Sollwert als Träger wirkt, der gegenüber einer Strahlung der Lichtquelle (3a) widerstandsfähig und transparent ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützkörper (11) Kalziumfluorid verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (11) auf beiden Seiten an das Quarzsubstrat (9) angesprengt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper als Träger (11) mit dem auf seinen beiden Seiten angebrachten Quarzsubstrat (9) am Umfang mit einer Versiegelung (13) versehen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Stützkörper (11) und den beiden Quarzsubstraten (9) gebildete Einheit zur Bildung der Streuscheibe geätzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzung in einem Ätzbad erfolgt.

14. Optisches Element, das aus Quarzsubstrat (9) von wenigen 10 µ Dicke besteht und das auf einem Träger (11, 12) angeordnet ist, der gegenüber sehr kurzwelligen Strahlen, insbesondere von 157 nm Wellenlänge oder kürzer, widerstandsfähig und transparent ist.

15. Optisches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein diffraktives optisches Element ist, in das eine Oberflächenstruktur (9a) eingebracht ist.

16. Optisches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine Streuscheibe (14) ist.

17. Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem für die Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen, mit einem oder mehreren optischen Elementen, die Quarzsubstrat (9) aufweisen, die in einer Dicke im µ- Bereich jeweils auf einen Träger (11, 12) aufgebracht sind, welcher gegenüber Strahlen einer Lichtquelle der Anlage widerstandsfähig und transparent ist.

18. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein diffraktives optisches Element ist, in das eine Oberflächenstruktur (9a) eingebracht ist.

19. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine Streuscheibe ist.