DE2257473C3

DE2257473C3 - Projektionsobjektiv für das Drucken von Maskenmustern

Info

Publication number: DE2257473C3
Application number: DE19722257473
Authority: DE
Inventors: Ichiro Yokohama Kanagawa Kano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1971-11-24
Filing date: 1972-11-23
Publication date: 1984-09-20
Also published as: JPS5510884B2; DE2257473A1; DE2257473B2; JPS4859833A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv für das Drucken von Maskenmustern, das bei gleichbleibendem Abbildungsmaßstab sowohl beim Ausrichten als auch beim Drucken der Maskenmuster verwendbar ist.

Bekanntlich werden integrierte Schaltungen durch Drucken von Mustern von Photomasken auf ein Siliziumsubstrat hergestellt. Dabei werden bestimmte Teile der Oxydschicht auf den? Siliziumsubstrat entfernt, damit Verunreinigungen ins Innere des Silizium-Substrats diffundieren können. Ein diesen zu entfernenden Teilen entsprechendes Muster wird mittels der Photomaske auf eine Photoresist genannte lichtempfindliche Beschichtung auf dem Substrat gedruckt, wobei diese Teile gegenüber einer Ätzlösung durch Bestrahlung mit Licht löslich oder unlöslich gemacht werden. Auf diese Weise können bei einer einzigen integrierten Schaltung mehrere Druckvorgänge nacheinander vorgenommen werden, an die sich jeweils eine Ätzung anschließt. Da die einzelnen Muster in einer genauen Zuordnung zueinander angeordnet werden müssen, ist es erforderlich, eine entsprechende Ausrichtung vorzunehmen. Da bekanntlich das Photoresist gegenüber Licht mit kurzen Wellenlängen empfindlich, gegenüber Licht mit langen Wellenlängen jedoch unempfindlich ist, verwendet man als Lichtquelle eine Quecksilberdampflampe, da das Photoresist gegenüber den von dieser Lichtquelle ausgehenden charakteristischen Wellenlängen von 405 und 436 nm, d. h. der A- bzw. g-Linie, empfindlich ist, gegenüber den charakteristischen Wellenlängen von 546 und 578 nm, d. h. der e- bzw. rf-Linie, unempfindlich ist.

Das Ausrichten der Masken erfolgt im allgemeinen mit Hilfe der durch das Projektionsobjektiv gehenden Lichtstrahlen, wobei dieses Projektionsobjektiv auch für das Drucken verwendbar sein soll. Das bedeutet iedoch. daß die chromatische Aberration des Projektionsobjektivs bezüglich der für die Ausrichtung durch Betrachten erforderliche Wellenlänge des Lichtes einerseits und bezüglich der für das Drucken erforderlichen Wellenlänge des Lichtes andererseits korrigiert werden muß. Liegt eine axiale chromatische Aberration voi, so wird die Bildlage des Maskenmusters in Richtung der optischen Achse durch einen Austausch der Lichtstrahlen zwischen dem Ausrichten und dem Drucken verschoben, so daß bei jedem Umschalten von Ausrichten auf Drucken die Maske oder das Substrat so bewegt werden muß, daß eine Scharfein stellung wieder erreicht wird. Eine laterale chromatische Aberration führt dazu, daß die durch Betrachten herbeigeführte genaue Ausrichtung der Maskenzu ordnungen beim Drucken nicht mehr gegeben ist.

Fs ist zwar bereits ein symmetrisch ausgebautes Objektiv, in dessen Mitte sich eine Aperturblende befindet, für 1 :1-Abbildungen bekannt (DE-OS 19 60 502). Mit diesem Objektiv sollen die Bildfehler verringert werden, wobei insbesondere laterale chromatische Aberrationen beseitigt werden.

Es ist ferner schon ein Projektionsobjektiv vom Gaußtyp für das Drucken von Maskenmustern bekannt (DE-PS i5 72 700), das zum Zweck einer Änderung des Abbildungsmaßstabes durch Brennweitenänderung ein austauschbares Linsenelement enthält, welches sich von den anderen, gegen dieses austauschbaren Linsenelementen in der Brechkraft, den Radien und der Linsendicke unterscheidet, wobei die durch den Austausch dieses Linsenelements sich ergebenden Störungen des Korrektionszustandes durch ein entsprechendes Verschieben der vordersten objektseitigen Linsenglieder ausgeglichen werden. Das Objektiv ist nur für eine einzige Wellenlänge korrigiert.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das Projektionsobjektiv der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß jeweils die lateralen und axialen chromatischen Aberrationen sowohl für wenigstens eine Wellenlänge zum Ausrichten der Maskenmuster als auch für wenigstens zwei Weilenlängen beim Drucken der Maskenmuster korrigiert sind.

Diese Aufgabe wird bei dem Projektionsobjektiv der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Beim Austausch der Linsenelemente wird somit wenigstens eine Wellenlänge mit chromatischer Aberrationskorrektur verändert, wobei sich die Linsenelemente entsprechend in der Brechkraft, der Brechzahl, der Dispersion, den Radien und/oder der Linsendicke unterscheiden.

Der nicht auswechselbare Teil des Objektivs ist so ausgelegt, daß chromatische Aberrationen bezüglich spezieller Lichtwellenlängen korrigiert sind. Durch die für das Ausrichten und für das Drucken entsprechend korrigierten austauschbaren Linsenelemente ist es möglich, eine hervorragende Aberrationskorrektur für wenigstens drei und im allgemeinen für vier Wellenlängen zu erzielen. Für das Betrachten beim Ausrichten genügt es, wenn eine Korrektur bezüglich einer charakteristischen Wellenlänge vorhanden ist, günstiger für das Ausrichten sind jedoch zwei charakteristische Wellenlängen, wobei das dafür in das Objektiv einzusetzende Linsenelement entsprechend korrigiert ist. Für das Drucken sind insgesamt zwei charakteristische Wellenlängen erforderlich, um einerseits den Betrag der zugeführten Lichtenergie zu erhöhen und um andererseits eine gleichmäßige Belichtung zu

erzielen, da bei Verwendung von Lichtstrahlen einer Wellenlänge diese beim Eintreten in die photoempfindliche Schicht auf dem Substrat die Form einer stehenden Welle annehmen, wodurch die Belichtung ungleichmäßig wird.

Vorteilhafterweise ist die Linsenanordnung des Objektivs symmetrisch, wobei das für das Ausrichten und das Drucken austauschbare Linsenelement in der Nähe der Mitte des Objektivs angeordnet ist. Unter Symmetrie isl dabei nicht eine extrem genaue Symmetrie zu verstehen, da optische Systeme zum Drucken mit etwas erhöhter Genauigkeit etwas von der exakten Symmetrie abweichen. Jedoch ist bei der erfindungsgemäß vorzusehenden Symmetrie die gute Korrektur der chromatischen Aberrationen gewährleistet.

Zweckmäßigenveise ist das austauschbare Linsenelement konkav.

An Hand der Zeichnungen werden die Eigenschaften eines bekannten Objektivs sowie ein erfindungsgemäßes Objektiv beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 und 2 zeigen die Korrektur der Farbfehler bei einem Objektiv herkömmlicher Bauart;

F i g. 3 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Objektivs;

F i g. 4 und 5 zeigen die Korrektur der Farbfehler des Objektivs von F i g. 3;

F i g. 6 zeigt das Objektiv von F i g. 3 im Detail;

F i g. 7 zeigt Diagramme für die Aberrationskorrektur des in F i g. 6 dargestellten Objektivs.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Diagramm für die Korrektur der axialen chromatischen Aberration ist Jcr Strahl für das Drucken auf die 436-nm-Linie und der Strahl für das Ausrichten auf die 546-nm-Linic uegrenzt, wobei für den gleichen Fall in F i g. 2 die Korrektur der lateralen chromatischen Aberration gezeigt ist. Obwohl in diesem Zustand die chromatischen Aberrationen für die 436- und 546-nm-Linien sicher entfernt sind, sind die Neigungen der chromatischen Aberrationskurven in der Nähe der 436- und 546-nm-Liniefi so groß, daß die chromatischen Aberrationen stark zunehmen, wenn sich die Wellenlänge gegenüber diesen Werten verändert. Deshalb ist es nicht zweckmäßig, mit einem solchen Objektiv die 405-nm-Linie als Licht zum Drucken zusammen mit der 436-nm-Linie und die 578-nm-Linie als Licht für das Ausrichten zusammen mit der 546-nm-Linie zu benutzen. Dies hätte den Nachteil, daß der Wirkungsgrad der Lichtquelle schlecht, für das Drucken eine lange Belichtungszeit erforderlich und die Ausrichtung durch Beobachtung unter ungünstigen Bedingungen zu machen wäre.

Wenn ein Objektiv so konstruiert werden kann, daß die chromatischen Aberrationen für wenigstens drei Wellenlängen von den Wellenlängen 405, 436, J4ö und 57S nm korrigiert werden, könnte der vorgehende Nachteil in weitem Rahmen beseitigt werden, •line solche Korrektur der chromatischen Aberrationen ist mit der herkömmlichen Technik jedoch schwierig durchzuführen. Erfindungsgemäß kann dies jedoch dadurch erreicht werden, daß ein Linsenglied des Objektivs durch ein anderes Linsenglied zwischen dem Drucken und dem Ausrichten ausgetauscht wird.

Ein Objektiv, das dieses erfindungsgemäße Prinzip verwirklicht, ist schematisch in den Fi g. 3a und 3b gezeigt, wobei Fig. 3a das Objektiv beim Ausrichten und F i g. 3 b das Objektiv beim Drucken zeigt. Die 'gesamte Linsenanordnung bzw. das gesamte Obejektiv ist im wesentlichen symmetrisch aufgebaut, wobei die vordere Linsengruppe A und die iiintere Linsengruppe B beim Ausrichten und beim Drucken verbleiben, während jeweils das mittlere Linsenelement C gegen das Element C' und umgekehrt austauschbar ist. Mit D ist die Photomaskenebene und mit E die Substratebene bezeichnet. Wenn beispielsweise eine Quecksilberdampflampe als Lichtquelle verwendet wird, müssen die chromatischen Aberrationen des Objektivs gemäß Fig. 3a für das Ausrichten für die

ίο 546-nm- und 578-nm-Linien korrigiert werden. Diese Korrektur der chromatischen Aberrationen ist durch die übliche Korrekturtechnik leicht zu erzielen. Während in F i g. 4 die Kurve 1 die Korrektur der axialen chromatischen Aberration erkennen läßt, ergibt sich aus der Kurve 2 von F i g. 5 die entsprechende laterale chromatische Aberration. Wie aus Fig. 3a zu ersehen ist, geht von der Maskenebene D ein paraxialer bzw. achsennaher Strahl in einem Winkel α bezüglich der optischen Achse aus, von dem die Strahlen der 546-nm-und 578-nm-Linien für die Verwendung als Ausrichtungslicht längs des Strahlenweges 3, 4, 5, 6 durch das Objektiv hindurchgehen und auf der Substratebene E in einem Winkel <x bezüglich der optischen Achse auftreffen, so daß ein Bild mit einer Vergrößerung von λ/λ' auf der Substratebene gebildet wird. Die Strahlen des Lichts für das Drucken der Wellenlängen 405 und 436 nm, die auf das Objektiv der Konstruktion von Fig. 3a auftreffen, entsprechen dem Strahl 3, verlaufen aber längs der Strahlenbahn 7, die von der für das Ausrichtungslicht verschieden ist, so daß sowohl der Durchgang als auch die Lage und die Vergrößerung sich gegenüber denen des Ausrichtungslichts unterschieden. Bei dem in Fig. 3 a gezeigten Strahlengang 8 wird angenommen, daß das Licht für das Drucken der 405-nm- und 436-nm-Linien in der entgegengesetzten Richtung von der Substratebene zur Linse in einem Winkel x^r bezüglich der optischen Achse projiziert wird. Diese Strahlenbahn kreuzt sich an der mittleren Konkavlinse C mit der Strahlenbahn 3, 7, die von der Maskenebene D ausgeht. Um die gleiche Vergrößerung der Bilder des Lichtes für das Drucken sowie des Lichtes für das Ausrichten zu erhalten, wobei die Bild- und. Substratebene lagefest sind, müßte die Strahlenbahn des Bildes für das Licht für das Drucken über den Weg 3, 7, 8, 6 verlaufen. Dies wird nun durch Verwendung einer anderen mittleren Konkavlinse erreicht, die aus Gläsern mit einem geeigneten Brechungsvermögen, geeigneten Brechungsindizes und Zer- Streuungsvermögen hergestellt ist, geeignete Krümmungsradien und geeignete Stärkender Linseneelementt; aufweist, wobei sich alle Werte von denen der ersteren Linse unterscheiden. In F i g. 3b ist dann der Strahlenweg für diesen Fall gezeigt. Die axiale chromatische Aberrationskurve dieses Objektivaufbaus für das Licht für das Drucken der 405-nm- und 436-nm-Linien ist in F i g. 4 durch 9 gezeigt, während in F i g. 5 die Kurve 10 für die laterale chromatische Aberration erkennbar ist.

Bei der Konstruktion des Objektivs ist die axiale chromatische Aberration für das Licht für das Drucken in der Objektivanordnung für das Ausrichten positiv, was aus den chromatischen Aberrationskurven der F i g. 4 und 5 erkennbar ist, so daß das negative Brechungsvermögen der Konkavlinse C für das Drucken bezüglich des Drucklichtes schwächer sein muß als das negative Brechungsvermögen der Konkavlinse für das Ausrichten bezüglich des Lichtes für

das Drucken. Für die Korrektur der chromatischen Aberration des Lichtes für das Drucken der beiden Wellenlängen 405 und 436 nm muß das Dispersionsvermögen des Glases der Konkavlinse für das Drucken kleiner sein als das der Konkavlinse für das Ausrichten. An Stelle der Einstellung der Dispersion des Glases kann die Konkavlinse aus einer Anzahl verkitteter Linsen aufgebaut sein, v/obei die Dispersion des Kittgliedes durch die Krümmungsradien der Kittflächen entsprechend eingestellt ist. Die Bildfeldwölbung ist für das Licht für das Drucken stärker überkorrigiert als für das Licht für die Ausrichtung. Die Überkorrektur der Bildfeldwölbung kann jedoch bis zu einem bestimmten Ausmaß dadurch kompensiert werden, daß der Brechungsindex der Konkavlinse für das Drucken größer gemacht wird als der der Konkavlinse für das Ausrichten. Der durch Verwendung der Konkavlinse für das Drucken bedingte Astigmatismus unterscheidet sich von dem, der durch Verwendung der Konkavlinse für die Ausrichtung hervorgerufen wird. Dieser Unterschied kann bis zu einem bestimmten Ausmaß dadurch beseitigt werden, daß ein Unterschied zwischen den Stärken der beiden Konkavlinsen vorgesehen wird.

Das Auswechseln der mittleren Konkavlinsen kann einfach vorgenommen werden, da das gesamte Objektiv symmetrisch ist und die mittleren Konkavlinsenelemente weitaus kleiner als die anderen Objektivelemente sind. Die Vorrichtung, bei welcher das Objektiv eingebaut wird, hat speziell Filter, die ausgewechselt werden müssen, sowie ein Gerät für die Ausrichtung, d. h. ein Mikroskop für die Beobachtung der Ausrichtung, das zwischen dem Drucken und dem Einrichten einführbar bzw. entfernbar ist.

Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv kann wirksam das Spektrum der Lichtquelle ausnutzen, so daß nicht nur die für das Drucken erforderliche Belichtungszeit reduziert, sondern auch bis zu einem bestimmten Ausmaß die Verschlechterung des Bildes infoige der stehenden Welle verhindert werden kann, die in der Photoresist-Schicht beim Drucken mit monochromatischen Lichtstrahlen erzeugt wird. Weiterhin ändert sich die chromatische Aberration mit der Wellenlänge nicht stark, so daß selbst, wenn die Spektrallinien der Lichtquelle gestreut werden, ein klares Bild gedruckt werden kann. Die Neigungen der chromatischen Aberrationskurven der herkömmlichen Objektive gemäß F i g. 1 und 2 sind nämlich so groß, daß, obwohl die Aberration für die 436-nm- und 546-nm-Linien zum bestmöglichen Zustand hin korrigiert wird, die Aberration noch stark intensiviert wird, da die Wellenlänge sich in der Nähe dieser Wellenlängen ändert. Andererseits hat das erfindungsgemäße Objektiv gemäß F i g. 3 und 5 eine derart große Wirkung, daß die schwachen Neigungen der Aberrationskurven in der Nähe der 436-nm- und 546-nm-Linien die Benutzung von Lichtstrahlen gestatten, die

T₁ = -460,868

T₁ = 84,862

r, = 80,174

r_t = -146,658

r_s = 170,974

t/l ⁼⁼	2,890
Z₁ =	3,426
</, =	7,514
/1 =	0,069
d, =	5,202

Wellenlängen in den Bereichen von 405 bis 436 und 546 bis 578 nm haben, ohne daß die Aberrationen verstärkt werden. Darüber hinaus führt der breite Bereich der verwendbaren Wellenlängen zu einer Erhöhung der Lichtintensität, so daß das Ausrichten bei einem hellen Sehfeld durchgeführt und die Zeit für das Drucken verringert werden kann. Bei dem Ausrichten erhält man zumal den Vorteil, daß man auch ein helles Bild sehen kann. Selbst wenn die Spektrallinien der Lichtquelle gestreut sind, kann man auf ein deutliches und klares Bild infolge des gleichen Effektes blicken, den man auch bei dem Licht für da·-. Drucken hat.

Die in F i g. 6 gezeigte schcmatischc Anordnung zeigt ein erfindungsgemäßes Objektiv. Dabei werden bei dieser Ausführungsform die chromatischen Aberrationen für vier Wellenlängen, nämlich 405, 436, 546 und 578 nm dadurch korrigiert, daß die konkave Linse C für das Ausrichten und die konkave Linse C" für das Drucken, die jeweils in der Mitte angeordnet sind, aus miteinander verkitteten Linsenelementen aufgebaut werden, wobei der Betrag der Brechkraft der Linse C kleiner ist als der Betrag der Brechkraft der Linse C, da die Krümmungsradien beider Begrenzungsflächen der Linse C größer sind als diejenigen der Linse C, während die Dispersion dadurch entsprechend eingestellt wird, daß die Krümmungsradien der Kittflächen größer gemacht werden. Die Änderung des Astigmatismus ist klein, da die Stärke der Linse C geringer ist als die der Linse C.

Die Aberrationskurven für das Objektiv beim Ausrichten und Drucken sind in F i g. 7 gezeigt. Ein Farbquerfehler entfällt, da die beschriebene Ausführungsform des Objektivs genau symmetrisch ist und die Vergrößerung 1:1 beträgt, y' bedeutet die Bildhöhe, die Bezeichnungen e, d, g und h beziehen sich auf die charakteristischen Wellenlängen einer Quecksilberdampflampe, wobei die Λ-Linie 405 nm, die g-Linie 436 nm, die e-Linie 546 nm und die «/-Linie 578 nm entspricht. Die bei den Bezeichnungen dieser Linien angehängten Indizes s und in beziehen sich auf den sagittalen bzw. den medridionalen Strahl.

Im folgenden werden die Konstruktionsdaten des in F i g. 6 gezeigten Objektivs aufgeführt. Dabei sind r der Krümmungsradius der Linsenoberflächen, d die axiale Dicke der Linsenelemente, / der axiale Luftabstand der Linsenelemente, η die Brechzahl für die i/-Linie (578 nm) der verwendeten Gläser und ν die Abbesche Zahl dieser Gläser. Die Brennweite für die e-Linie (546 nm) beträgt Je = 173, die Vergrößerung R = 1,0 unddas wirksame Öffnungsverhältn'sf"» = 1/3.6. Die Indizes bei den Werten für die Dicke d der Linsenelemente, die axialen Luftabsände / und die Krümmungsradien r bezeichnen die Aufeinanderfolge, bezogen auf F i g. 6 von links nach rechts gesthen.

In der folgenden Tabelle sind die Daten auf fe = 100 normiert.

λ, = 1,60342 V₁ = 38,0

«, = 1,67790

= 55,3

1,67790 v₃ = 553

r.	= -606,003	= —194,901	= -199,404
r,	= 61,383	= 50,625	= 477,651
r_B	= 222,447	= -50,625	= -477,651
r*	= 46,482	= 194,901	= 199,404
*rio*	= -83,994	Drucken	= -26,520
ru	26,520	'»'	= 83,994
Ausrichten	r»'	= -46,482
*^rll*	ru	= -222,447
r_i3	r_u'	= -61,383
^ru		= 606,003
*ris*	rn	= -170,974
''ie	= 146,658
	= -80,174
r_i0	= -84,362
rn	= 460,868
r₂₂
^r23
"24
^25
»2«

I₃ = 0,069

d_t = 10,405

/, = 0,069

d_b = 11,754

d_t = 6,800

/. = 9,165

</, = 1,156

</„ = 3,468

d_% = 1,156

/, = 9,165

W = 8,587

d₇' = 1,156

d_a' = 4,624

d_t' = 1,156

/,' = 8,587

d₁₀ = 6,800 d_n = 11,754 /, = 0,069 d_u = 10,405 /_s = 0,069 </,.= 5,202 /, = 0,069 d_lt= 7,514 /,ο = 3,426 </,5= 2,890

n, = 1,63980

n₅ = 1,51633
n, = 1,63930

v₄ =55,3

v₆ =64,1 v, =44,9

/I₇ = 1,63980 v, = 34,6

n_s = 1,64850 v_e = 53,0

n_t = 1,63980 v, = 34,6

«,' = 1,63980 v,' = 34,6

/ie' = 1,64850 v₈' = 53,0

λ,' = 1,63980 V₉' = 34,6

M₁₀ = 1,63930 v₁₀ = 44,9

/J₁₁ = 1,51633 v_n = 64,1

n_lt = 1,67790 v₁₂ = 55,3

/i₁₃ = 1,67790 V₁₃ = 55,3

/I₁₄ = 1,67790 V₁₄ = 55,3

«is = 1,60342 v₁₅ = 38,0

Die Korrekturzustände der Aberrationen des vorstehenden Beispiels, die beim Ausrichten und beim Drucken auftreten, sind in F i g. 7 gezeigt. Das Objektiv dieser Ausführungsform ist genau symmetrisch, und die Vergrößerung ist eins, so daß von Natur aus kein Farbquerfehler gegeben ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Projektionsobjektiv für das Dnicken von Maskenmustern, das bei gleichbleibendem Abbildungsmaßstab sowohl beim Ausrichten als auch beim Drucken der Maskenmuster verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegeneinander austauschbare Linsenelemente vorgesehen sind, die sich in ihrem Aufbau derart unterscheiden, daß das Projektionsobjektiv bei Einschaltung des ersten Linsenelementes für mindestens zwei Wellenlängen der zum Drucken benutzten Strahlung der Lichtquelle hinsichtlich Farblängs- und Farbvergrößerungsfehler korrigiert ist und daß das Projektionsobjektiv bei Einschaltung des zweiten Linsenelememes für mindestens eine Wellenlänge der zum Ausrichten benutzten Strahlung wieder dieselbe Bildgröße und Lage der Bildebene aufweist wie bei Einschaltung des ersten Linsenelementes.

2. Cbjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung des Objektivs sj ir metriech ist und daß das für das Ausrichten und das Drucken austauschbare Linsenelement in der Nähe der Mitte des Objektivs angeordnet ist.

3. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das austauschbare Linsenekment ein konka\es Linsenelement ist.