DE1597430B2 - Objektiv fuer die hochaufloesende monochromatische abbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv für die hochauflösende, monochromatische Abbildung der in einer Maske enthaltenen Strukturen auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht bedecktes Substrat.

Für die Herstellung von Halbleiteranordnungen wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, nach dem eine Maskenstruktur auf die Struktur eines Substrates einjustiert und anschließend abgebildet wird. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn bei der Fertigung von Planartransistoren in die Basiszonen die Emitterzonen eindiffundiert werden sollen. Hierzu wird zunächst die auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers befindliche Oxydschicht, in der sich noch die Basisdiffusionsfenster befinden, durch Oxydation wieder vervollständigt. Anschließend wird auf die Oxydschicht eine Photolackschicht aufgebracht, auf die die Strukturen einer Maske, die den vorgesehenen Öffnungen der Emitterdiffusionsfenster in der Oxydschicht entsprechen, photographisch abgebildet werden. Die Photolackschicht wird danach, je nach Art des Photolackes, an den belichteten oder unbelichteten Stellen in einer Lösung entfernt, so daß die vom Photolack unbedeckten Teile der Oxydschicht zur Bildung der Emitterdiffusionsfenster in einer Ätzlösung abgebeizt werden können. Aus dem angegebenen Verfahren ergibt sich, daß in einer Projektionsvorrichtung für die Abbildung der Maskenstruktur auf ein Substrat zunächst eine Einjustierung der Maskenstruktur auf die Substratstruktur erfolgen muß. Hierzu wird ein Beobachtungslichtbündel verwendet, durch das die Substratstruktur über ein Objektiv in die Maskenebene abgebildet wird. Eine andere Lichtquelle liefert das Projektionslichtbündel, mit dem die Maskenstruktur über das genannte Objektiv vorzugsweise verkleinert in die Photolackschicht des Substrates abgebildet wird.

Die Fig. 1 zeigt eine Projektionsvorrichtung, wie sie neuerdings verwendet wird.

Über einer Maske 1 mit der abzubildenden Struktur 9 ist eine das Projektionslichtbündel 7 liefernde Lichtquelle 2 angeordnet. Das Lichtbündel trifft über einen Kondensor 3 und ein Filter 4 auf die Maske 1 und bildet deren Struktur 9 auf das Halbleitersubstrat 6 ab. Hierzu wird das Projektionslichtbündel 7 zwischen der Maske 1 und dem Abbildungsobjektiv 16 an einer teilverspiegelten, planparallelen Platte 5 vorzugsweise um 90° umgelenkt, so daß die optische Achse des Objektivs in eine parallele Lage zur Maskenebene gebracht werden muß. Das Halbleitersubstrat wird mit Hilfe der Lichtquelle 11 beleuchtet, deren Lichtbündel 14 in Richtung der optischen Achse des Objektivs 16 verläuft, über einen Kondensor 12 und ein Filter 13 den teildurchlässigen Spiegel 5 ohne Ablenkung durchdringt und durch das Objektiv auf die Substratoberfläche fällt. Das dort reflektierte Lichtbündel wird an der teilverspiegelten Oberfläche 17 der planparallelen Platte 5 umgelenkt und bildet die Substratstruktur 8 in die Ebene der Maskenstruktur 9 ab. Die Strukturen können mit Hilfe eines gegen die Lichtquelle 2 austauschbaren Splitfield-Mikroskopes 15 beobachtet und exakt aufeinander einjustiert werden.

An das abbildende Objektiv 16 sind außer der Forderung nach einer möglichst hohen Auflösung bzw. einer günstigen Kontrastübertragungsfunktion einige weitere Forderungen zu stellen. Für die Beobachtung der Justierung muß eine lange Wellenlänge benutzt werden, für die der Photolack nicht mehr empfindlich ist, während für die Projektion eine Wellenlänge verwendet wird, die einen möglichst intensiven Photoprozeß im Photolack auslöst und zu kurzen Belichtungszeiten führt. Die meisten in Frage kommenden Photolacke haben eine spektrale Empfindlichkeitsverteilung, die sich von kurzen Wellenlängen von etwa 200 mm bis etwa 450 mm oder in einem Fall bis 530 mm erstreckt. Darauf folgt, daß die Projektionswellenlänge kleiner als 450 mm und ίο die Beobachtungswellenlänge größer als 530 mm sein muß, was sich glücklicherweise mit der Augenempfindlichkeit deckt.

Ferner ist bei Objektiven bekannt, die Bilder von zwei verschiedenen Wellenlängen durch chromatische Korrektur zusammenzulegen. Hierbei handelt es sich jedoch stets um Objektive mit breitem Wellenlängenspektrum.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv für die hochauflösende monochromatisehe Abbildung der in einer Maske enthaltenen Strukturen auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht belegtes Substrat anzugeben, das optimal korrigiert ist. Zur Vereinfachung und Verbesserung der bisher verwendeten Projektionsvorrichtung wird daher erfindungsgemäß ein Objektiv vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, daß das Objektiv für zwei diskrete Wellenlängen derart optimal korrigiert ist, daß keine bzw. eine vernachlässigbar kleine chromatische Quer- und Längsabweichung der einen Wellenlänge gegenüber der anderen Wellenlänge aufteilt, wobei die eine der beiden diskreten Wellenlängen zur Projektion des Maskenmusters auf das Substrat unter Verwendung einer einzelnen Spektrallinie und die andere Wellenlänge zur Beobachtung und gegenseitigen Justierung von Maske und Substrat dient.

Wegen der geforderten maximalen Auflösung und der unvermeidlichen chromatischen Aberration des Objektivs ist es notwendig, mit sehr schmalen Wellenlängenbereichen zu arbeiten, innerhalb derer die chromatische Aberration gegen die Auflösung vernachlässigbar ist. Daher werden als Projektions-Lichtquellen, insbesondere Quecksilberdampf hochdrucklampen verwendet, die in den fraglichen Spektralbereichen schmale und intensive Linien besitzen, die z. B. durch Interferenzfilter ausgefiltert werden können. Für die Projektion sind besonders die Spektrallinien bei 365 nm, 405 nm und 436 nm und für die Beobachtung die Spektrallinien bei 546 nm und 578 nm geeignet. Bei der Abbildung des Maskenmusters auf die HaIbleiterscheibe mit Hilfe der früher angewandten Kontaktkopie wurde dagegen das ganze Spektrum der Quecksilberdampflampe von der kurzwelligen Durchlässigkeitsgrenze des für die Maske verwendeten Glases bei 300 nm bis zur langwelligen Empfindlichkeitsgrenze des Photolacks bei 450 bzw. 530 nm ausgenutzt und damit Belichtungszeiten von einigen Sekunden erreicht. Um bei der neuerdings verwendeten Projektionsmaskierung in die gleiche Größenordnung der Belichtungszeit zu kommen, wurde bereits vorgeschlagen, ein Projektionsobjektiv mit einer achromatischen Korrektur für die beiden Wellenlängen 405 und 436 nm zu verwenden, so daß wenigstens zwei Wellenlängen und das dazwischenliegende Spektrum zur Projektion des Maskenbildes auf die Halbleiteroberfläche ausgenutzt werden kann. Die Funktion der Längs- und Querabweichung eines derart korrigierten Objektivs über der Wellenlänge ist in F i g. 2 dargestellt und mit der Ziffer 18 bezeichnet.

Nun muß aber für die Beobachtungswellenlänge, also für die Wellenlänge 546 nm oder 578 nm gefordert werden, daß, bezogen auf die Projektionswellenlängen, die chromatische Längs- und Querabweichung ebenfalls verschwindet. Eine Projektionsmaskierung ist nämlich nur dann möglich, wenn die Rückabbildung eines mit der Projektionswellenlänge projizierten Musters mit der Beobachtungswellenlänge sich wieder mit der Vorlage deckt. Dabei wird für jeden Punkt unterhalb des Bildfeldes nur ein maximaler Fehler von etwa 1 μτα zugelassen. Da die achromatische Korrektur bei dem früher verwendeten Objektiv bereits für die Wellenlängen 405 und 436 nm vorgenommen war und eine apochromatische Korrektur des Objektivs für drei Wellenlängen außerordentlich schwierig ist, bleiben noch drei gleichfalls mit Nachteilen behaftete Möglichkeiten, um die Forderung nach Verschwinden der Längs- und Querabweichung bei der Beobachtungswellenlänge zu erfüllen.

a) Mechanisches Nachfokussieren auf der Objektiv- und Bildseite auf gleichen Abbildungsmaßstab für die Beobachtung.

b) Mechanisches Nachfokussieren an der Objektivebene, der Bildebene oder dem Objektiv und Kompensation der Querabweichung durch Einschalten einer planparallelen Glasplatte im Objekt- oder Bildraum.

c) Kompensation von Längs- und Querabweichung durch Einschalten von je einer planparallelen Glasplatte mit definierter Dicke und Brechzahl, im Objekt- und Bildraum.

Die genannten Korrekturverfahren haben den Nachteil, daß entweder ein Nachfokussieren mit extremen Genauigkeitsforderungen bei jeder Beobachtung erforderlich ist, oder daß durch die verwendeten Kompensationsglasplatten Abbildungs- und Justierfehler in Kauf genommen werden müssen. Außerdem führen die planparallelen Glasplatten zu einer grundsätzlichen Streureflexion, die den Kontrast der optischen Abbildung vermindert. Nachteilig kommt hinzu, daß die in F i g. 2 dargestellte achromatische Korrektionskurve für die beiden dicht beieinanderliegenden Wellenlängen 405 und 436 nm berechnet ist, so daß die chromatische Aberration bei 546 nm einen großen Betrag und eine starke Wellenlängenabhängigkeit besitzt. Ein Abgleich mit Hilfe einer der angegebenen Möglichkeiten ist daher bei einem Objektiv mit einer chromatischen Korrektur entsprechend Kurve 18 (F i g. 2) stets nur für eine der Wellenlängen 546 oder 578 nm möglich.

Gegenüber diesen früher verwendeten Objektiven hat das neu vorgeschlagene Objektiv wesentliche Vorteile.

F i g. 2 zeigt die Korrekturkurve 19 für die chromatische Aberration bei einem Objektiv, dessen zur Projektionswellenlänge 436 nm bezogene Längs- und Querabweichung etwa bei der Beobachtungswellenlänge 560 nm verschwindet. Dadurch entfällt ein Nachfokussieren bei der Beobachtungswellenlänge gegenüber dem Fokus bei der Projektionswellenlänge.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der zur Projektionswellenlänge (405 oder 436 nm) bezogene Punkt verschwindender Quer- und Längsabweichung zwischen die für die Beobachtung und Justierung gewählten Wellenlängen von 546 nm und 578 nm fällt. Dies rührt daher, daß die Struktur auf der Halbleiterscheibe, zu der die Maske ausgerichtet werden soll, im allgemeinen aus einer Oxydschicht besteht, die bei der hier angewendeten Beleuchtung praktisch nur als Interferenzerscheinung sichtbar wird. Interferenzerscheinungen zeigen einen umso größeren Kontrast, je schmalbandiger die Beleuchtung ist. Dies kommt zwar den Objektiveigenschaften entgegen, aber andererseits ist die Interferenzerscheinung stark von der Dicke der Oxydschicht bzw. der Stufenhöhe der verschiedenen Oxydschichtbereiche und der noch auf der Oxydschicht befindlichen Lackschicht

ίο abhängig. Es gibt daher viele Scheiben, deren Struktur bei der verwendeten Wellenlänge infolge unpassender Schichtdicke gerade nicht erkennbar wird oder nur einen sehr geringen Kontrast zeigt. Die Praxis hat gezeigt, daß Scheiben, die bei 546 nm einen geringen Kontrast haben, bei 578 nm gerade einen hohen Kontrast ergeben und umgekehrt. Das ist auf die bei der Halbleiterfertigung verwendeten Oxyd- und Lackschichtdicken zurückzuführen, die für die Wellenlängen-Differenz von 546 bis 578 nm gerade eine Änderung der Interferenzordnung um ¹A bis V2 ergeben. Wenn nun erfindungsgemäß der Punkt verschwindender Längs- und Querabweichung zwischen die beiden Beobachtungswellenlängen von 546 und 578 nm gelegt wird, ergeben sich entsprechend dem flachen Verlauf der Korrekturkurve 19 in F i g. 2 bei den Beobachtungswellenlängen 546 nm und 578 nm nur sehr geringe Längs- und Querabweichungen. Die dabei auftretenden Längsabweichungen der beiden Quecksilberdampfspektrallinien von 546 und 578 nm gegenüber der Projektionswellenlänge beträgt etwa 10 μΐη und ist gegen die Schärfentiefe vernachlässigbar. Die Querabweichung beträgt für beide Linien nur etwa 1 μΐη in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Damit wird es möglich, die Beobachtungswellenlänge durch einfaches Wechseln der Filter der jeweiligen Oxyd-Lackstruktur anzupassen, so daß stets bester Kontrast für alle Scheiben erzielt wird.

Als Filter können dabei für die Beobachtung und Justierung sowohl Interferenzlinienfilter mit etwa 10 bis 15 nm Bandbreite als auch Interferenzbandfilter mit 20 bis 30 nm Bandbreite verwendet werden, wobei die ersteren einen besseren Kontrast ergeben. Für die Projektion (405 oder 436 nm) können ebenfalls je nach dem Verlauf der Aberrationen und der gewünschten Auflösung Interferenzlinienfilter oder Interferenzbandfilter oder Tiefpässe verwendet werden. Ein derartiger Tiefpaß würde alle Frequenzen unterhalb der Bandkante des Tiefpasses bis zur jeweiligen Empfindlichkeitsgrenze des Photolackes durchlassen (z. B. 425 bis 450 nm). Während das Linienfilter die beste Auflösung, aber längste Belichtungszeit liefert, macht sich beim Bandfilter und noch stärker beim Tiefpaß hauptsächlich die chromatische Querabweichung am Bildrand als Unscharfe der tangentialen Linien bemerkbar.

Beim Bau des erfindungsgemäßen Objektivs ist schließlich noch die Wahl des Antireflexbelages von Bedeutung, da bei diesem Objektiv zwei weit auseinanderliegende Wellenlängen benutzt werden, während der übliche einschichtige Antireflexbelag nur für einen schmalen Bereich wirksam ist. Erschwerend kommt hinzu, daß bei allen beschriebenen Projektionsanordnungen bei der Beobachtung nicht nur das an verschiedenen Glas-Luft-Grenzflächen mehrfach reflektierte Streulicht stört, sondern wegen der Beleuchtung durch das beobachtende Objektiv hindurch auch das direkt reflektierte Licht, das einen entsprechend

wesentlich höheren Anteil des primären Lichtes liefert. Durch einen entsprechend ausgelegten, mehrschichtigen Belag kann dagegen eine Reflexionsminderung für die gewünschten Wellenlängen erzielt werden. Eine weitere Möglichkeit, den Streulichtanteil 5 bei der Beobachtung herabzusetzen, besteht darin, daß durch eine beim Kondensor 12 (F i g. 1) eingeschobene Blende, die auf die Halbleiterscheibe abgebildet wird, nur die Stellen der Halbleiterscheibe beleuchtet werden, die durch das Mikroskop 15 tatsächlich beobachtet werden.

Bei Verwendung eines Splitfieldmikroskops werden die beiden Objektive 20 und 21 (F i g. 1) verschiebbar derart angeordnet, daß alle auf einem Durchmesser des Bildfeldes bzw. der Halbleiterscheibe liegenden Bildpunkte beobachtet werden können. Dementsprechend ist es zweckmäßig, die genannte Blende als Schlitzblende auszubilden, die gerade diesen Durchmesser des Bildfeldes mit ausreichender Breite (als Bildfelddurchmesser des Mikroskopobjektivs) beleuchtet. Beträgt die Schlitzfläche noch 10% des gesamten Bildfeldes des Projektionsobjektivs, geht auch die Streulichtintensität auf etwa 10% zurück, ohne daß die bildübertragende Helligkeit im Splitfieldmikroskop abnimmt. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, zwischen die Maske 1 und das Mikroskop 15 noch eine Kollektivlinse einzufügen, die das gesamte, vom Objektiv 16 kommende Licht in das Mikroskop lenkt und bei geeigneter Auslegung der Beleuchtungseinrichtung für die Projektion gleichzeitig als Kondensorlinse dienen kann.

Das erfindungsgemäße Objektiv zeichnet sich besonders durch seinen einfachen Aufbau — es werden keine Kompensationsglasplatten mehr benötigt — und durch den Wegfall komplizierter Fokussierungsvorgänge aus, da es damit möglich wird, Fokussierung und Abbildungsmaßstab, die für Projektion und Beobachtung identisch sind, bei der Montage der Projektionsvorrichtung einmalig einzustellen und zu fixieren. Für die Anwendung der Projektionsmaskierung ist dies eine wichtige Voraussetzung, da bei einer ständigen visuellen Nachfokussierung während der Maskierung von Halbleiterscheiben eine deckungsgleiche Projektion verschiedener Muster unmöglich ist. Dies liegt daran, daß eine Nachfokussierung stets mit einem Einstellfilter in der Größenordnung des Tiefenschärfenbereichs behaftet ist, und daß sich in diesem Bereich der Abbildungsmaßstab bereits um einen Betrag ändert, der die deckungsgleiche Abbildung mit der geforderten Genauigkeit von etwa 1 μΐη

ausschließt. _ .. ,

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Objektiv für die hochauflösende monochromatische Abbildung der in einer Maske enthaltenen Strukturen auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht bedecktes Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv für zwei diskrete Wellenlängen derart optimal korrigiert ist, daß keine bzw. eine vernachlässigbar kleine chromatische Quer- und Längsabweichung der einen Wellenlänge gegenüber der anderen Wellenlänge aufteilt, wobei die eine der beiden diskreten Wellenlängen zur Projektion des Maskenmusters auf das Substrat unter Verwendung einer einzelnen Spektrallinie und die andere Wellenlänge zur Beobachtung und gegenseitigen Justierung von Maske und Substrat dient.

2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Projektion der Maskenstruktur auf das Substrat eine der Quecksilberdampf-Spektrallinien bei 365 nm, 405 nm oder 436 nm vorgesehen ist.

3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beobachtung und gegenseitigen Justierung von Maske und Substrat die Quecksilber-Spektrallinien 546 nm oder 578 nm vorgesehen sind.

4. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Korrektur des Objektivs so gewählt ist, daß der zur Projektionswellenlänge bezogene Punkt verschwindender Quer- und Längsabweichung zwischen die für die Beobachtung und Justierung gewählten Wellenlängen von 546 und 578 nm fällt.

5. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Projektion je nach geforderter Auflösung und Belichtungszeit Interferenzlinienfilter, Interferenzbandfilter oder Tiefpässe Verwendung finden.

6. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung des Substrates durch ein Interferenzfilter erfolgt, das so gewählt ist, daß aus den für die Beobachtung vorgesehenen Wellenlängen die ausgefiltert wird, bei der sich bei der Abbildung des Substrates auf die Maskenebene ein maximaler Kontrast ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen