DE2500746C3 - Belichtungseinrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Belichtungseinrichtung zum Belichten einer photoempfindlichen Schicht durch eine Photomaske, die mikroskopische Bildmuster, beispielsweise eine integrierte Schaltung, trägt Die Erfindung betrifft insbesondere eine Belichtungseinrichtung, die sich zur Verwendung bei dein photolithographischen Drucken einer Mikroschaltung auf einem Halbleitersubstrat eignet

Bei der Belichtung einer photoempfindhchen Schicht, beispielsweise einer Photoresist- oder Photolack- ίο schicht, die auf einem Substrat aufgebracht ist, treten zwei unerwünschte Effekte auf, die zu einer Beschädigung oder Zerstörung des gedruckten Bilds führen können. Einer der Effekte wird durch die Beugung des Lichts und der andere durch die stehende Welle verursacht, die in der photoempfindlichen Schicht auftritt.

Es ist bekannt daß Negativfilme, die mikroskopische Bilder tragen, beim Abdrucken durch das Kontaktdruckverfahren wegen dem Einfluß der Beugung keine fehlerfreien Reproduktionsbilder liefern, wobei sich die Beugung aus dem ungenügenden Kontakt zwischen dem Negativfilm und der photoempfindlichen Schicht ergibt Dieses Phänomen ist besonders ernst bei dem Druckverfahren, bei dem der Film nicht mit der photoempfindlichen Schicht in Kontakt steht, und das zu dem Zweck entwickelt worden ist, Beschädigungen an der Photomaske und dem Mikroplättchen zu vermeiden, die jedesmal dann verursacht werden, wenn die Photomaske in engen Kontakt mit der auf dem Mikroplättchen aufgebrachten, photoempfindhchen Schicht gebracht wird. Aus der DT-OS 21 40 549 ist eine Vorrichtung bekannt, die diesen Nachteil durch Ausnutzung eines physikalischen Phänomens überwindet, welches darin besteht, daß ein Beugungsmuster durch Überlagerung durch ein anderes Beugungsmuster gelöscht werden kann, dessen Licht eine solche Phase hat, die von der Phase des Lichtes des ersten Musters um eine halbe Wellenlänge verschoben ist.

Wenn der auf das Halbleiterplättchen auftreffende Lichtstrom andererseits aus monochromatischem Licht besteht werden stehende Wellen in der photoempfindlichen Schicht erzeugt, die auf der Oberfläche des HaIbleiterplättchens aufgebracht ist. Dadurch werden Runzeln auf den gehärteten Abschnitten der entwickelten und verarbeiteten, photoempfindlichen Schicht des Mikroplättcliens erzeugt Um diesen Mangel zu überwinden, ist es erwünscht, eine lichtdurchlässige Schicht mit einer bestimmten Dicke und mit einem Brechungsindex, der nahezu gleich dem Brechungsindex der photoelektrischen Schicht ist, vorzusehen und zwischen der photoempfindlichen Schicht und dem Mikroplättchen anzuordnen und diese photoempfindliche Schicht mit einem Lichtstrom zu belichten, der Lichtstrahlen mit vielen verschiedenen Wellenlängen enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Belichtungseinrichtung für Druckzwecke anzugeben, bei der die Zahl der Beugungsbilder (Beugungsfransen), die sich bei Überlagerung gegenseitig löschen können, erhöht wird, um einen integrierenden Effekt bei der Löschung der Beugungsbilder zu erhalten, so daß die Kontur des verbesserten Bildes glatter gemacht wird. Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Einfallswinkel der Belichtungs-Lichtströme, die auf die Photomaske auftreffen, je nach der Linienbreite des mikroskopischen, von der Photomaske eetraeenen Musters oder Bildes geändert.

Die erfindungsgemäße Belichtungseinrichtung ist in vorteilhafter Weise so aufgebaut daß eine optische Einrichtung leicht eingebaut oder vorgesehen werden kann, um die stehende Welle zu kompensieren.

Der Begriff »integrierender Effekt« bezieht sich auf die unendliche Überlagerung von Beugungsbildern, die durch die kontinuierliche Verteilung der Einfallswinkel der auf die Photomaske auftretenden Strahlen bewirkt wird. Praktisch ist es jedoch unmöglich, einen aus Strahlen bestehenden Lichtstrom oder ein Strahlenbündel mit kontinuierlich variierenden Einfallswinkeln herzustellen. Folglich wird in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 2 dieser integrierende Effekt dadurch angenähert, daß eine endliche Zahl von Beugiingsbildern überlagert wird. Dies wird durch Verwendung eines Lichtstroms oder Strahlenbündels erreicht, dessen Strahlen eine kontinuierliche Verteilung der Einfallswinkel aufweisen.

Ferner ist es erwünscht die Einfallswinkel, mit denen die Strahlen auf die Photomaske auftreffen, in Abhängigkeit von der mittleren Breite der das mikroskopische Muster bildenden Linien und in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Photomaske und der phoioempfindlichen Schicht zu variieren. Dazu wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Irisblende oder eine Blendenplatte mit mehreren Öffnungen unterschiedlichen Durchmessers verwendet, um die Größe der Blendenöffnung der Einrichtung und damit den maximalen Einfallswinkel zu ändern. Die optische Einrichtung zum Kompensieren der stehenden Welle wird in Zusammenhang mit der Beschreibung des entsprechenden Ausführungsbeispiels erläutert.

Eine spezielle Ausführung der Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt werden. Es wird eine Belichtungseinrichtung für Druckzwecke angegeben, bei der das Bild einer Maske auf eine lichtempfindliche Schicht abgedruckt wird, wobei die nachteiligen Einflüsse auf ein Minimum herabgesetzt werden, die auf der an der Schichtoberfläche auftretenden Beugung und auf der in der Schicht auftretenden, stehenden Welle beruhen. Die Einrichtung ist so ausgelegt, daß die von einer Lichtquelle kommenden Strahlen parallel gemacht und dann in eine Fliegenaugenlinse gerichtet werden. Die Austrittsstrahlen dieser FUegenaugenlinse werden dann wieder parallel gemacht um die Maske auszuleuchten. Die Lichtströme der parallelen Strahlen, die auf die Maske unter verschiedenen Einfallswinkeln auftreffen, beseitigen die Einflüsse der Beugung auf das Bild der Maske. Die Belichtungseinrichtung weist ferner einen Filter auf, der in den optischen Weg zwischen der Lichtquelle und der Fliegenaugenlinse herausnehmbar eingefügt wird, um den Einfluß der stehenden Welle zu beseitigen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung, an der das Prinzip der Erfindung erläutert wird,

F i g. 2 einen schematischen Schnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Belichtungseinnchtung für Druckzwecke,

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Fliegenaugenlinse, die bei der Einrichtung von F i g. 2 verwendbar ist,

^p i g. 4 und 5 vergrößerte Schnitte durch jedes Linsenelement der Fliegenaugenlinse von F i g. 3,

F i g. 6 einen schematischen Schnitt durch ein spezielles Ausführungsbeispiel, bei dem ein Filter zum Kompensieren der stehenden Welle verwendet wird,

F i g. 7A und 7B schematische Darstellungen, die die

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Auswirkung des Filters zum Kompensieren der stehenden Welle darstellen,

F i g. 8 die spektralen .Kennlinien von gewöhnlich verwendeten Photolacken,

F i g. 9 ein Spektrum einer üblichen Quecksilberdampflampe,

Fig. 10 die Kennlinie der spektralen Empfindlichkeit eines Beispiels für einen Photolack,

F i g. 11 eine Transmissionskennlinie eines Filters zum Kompensieren der stehenden Welle,

F i g. 12 ein anderes Beispiel für die Auswirkung des Filters zum Kompensieren der stehenden Welle,

F i g. 13 eine Teildarstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung im Schnitt, und

F i g. 14 einen schematischen Schnitt durch einen Filter zum Kompensieren der Beleuchtungsstärke, der in der Einrichtung von F i g. 13 verwendbar ist.

F i g. 1 zeigt die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei die Oberfläche 1 einer photoempfindlichen Schicht und eine Photomaske 2 dargestellt ist, in der ein transparenter Bereich 3 ausgebildet ist, der als Schlitz für ein Strahlenbündel 4 dient. Die Forlsetzung des Schlitzes 3 bildet eine Mikroschaltung. Der Abstand zwischen der Oberfläche 1 und der Maske 2 liegt im Bereich von 6 μπι bis 30 μΐη, und die Breite des Schlitzes 2 beträgt etwa 1,5 μπι bis 3 μηι. Das Belichtungs-Strahlenbündel 4 besteht aus Strahlen mit jeweils unterschiedlichen Neigungswinkeln gegenüber der Senkrechten auf der Photomaske 3. Durch parallele Strahlen, die durch den Schlitz 3 unter einem rechten Winkel zu der Ebene der Pholomaske 2 durchtreten, wird ein Beugungsbild 5 erzeugt. Durch Strahlen, die durch den Schlitz 3 unter Winkeln, die um diskrete Grade von dem rechten Winkel abweichen, hindurchtreten, werden mehrere Beugungsbilder mit ähnlichem Profil wie das Beugungsbild 5 an entsprechenden Positionen erzeugt, die voneinander um kleine diskrete Abstände versetzt sind, so daß die Überlagerung dieser Beugungsbilder eine Verteilung 6 erzeugt. Es ist zu beachten, daß die Qualität des Bildes der Photomaske, das auf die photoempfindliche Schicht projiziert wird, hauptsächlich durch die sekundären Maxima von jedem der Beugungsbilder beeinträchtigt wird.

In F i g. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein optisches System gezeigt, das ein Belichtungs-Strahlenbünde! 4 gemäß F i g. 1 erzeugt. Dieses System weist einen sphärischen, konkaven Spiegel 10, eine Lichtquelle 11, die in dem Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 10 liegt, eine erste Sammellinse 12, die auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle 11 zu dem Spiegel 10 liegt, um die von der Lichtquelle U kommenden Strahlen parallel zu machen, und eine Fliegenaugenlinse 13 auf, die in dem Strahlengang der von der Sammellinse 12 kommenden, parallelen Strahlen liegt

Der Aufbau der Fliegenaugenlinse 13 ist im einzelnen in F i g. 3 gezeigt, wobei jedes der Linsenelemente 13a, 136,13c... eine negative (konkave) Linse mit einer kurzen Brennweite ist, wie in F i g. 4 gezeigt ist Mehrere Linsenelemente mit identischen Abmessungen sind zusammen mit Abstandsstücken, (nicht gezeigt) zwischen zwei Metallplatten 20 mit öffnungen angeordnet deren Durchmesser etwas kleiner als der der Linsenelemente ist und die aufeinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise wird die Zahl der Linsenelemente in einer Fliegenaugenlinse 13 so groß wie möglich gemacht und die Linsenelemente werden so nahe wie möglich beieinander angeordnet In der Praxis kann die Zahl der Linsenelemente jedoch ein Kompromiß mit verschiedenen Herstellungsfaktoren sein. Die Fliegenaugenlinse 13 ist in der Einrichtung von F i g. 2 so angeordnet, daß das Linsenelement 13a koaxial mit der

5 optischen Achse der Einrichtung ausgerichtet ist, während die anderen Linsenelemente 136 und 13c radial unter Abstand dazu liegen. Die gestrichelte Linie F deutet die Brennpunktebene an, die die virtuellen Brennpunkte der Linsenelemente enthält Statt der negativen Linsen als Linsenelemente in der Fliegenaugenlinse 13 können auch positive (konvexe) Linsenelemente verwendet werden, wie in Fig.5 gezeigt ist In diesem Fall liegt die Brennpunktebene, die die reellen Brennpunkte der positiven Linsenelemente enthält, unterhalb der Fliegenaugenlinse 13.

Die Einrichtung weist eine zweite Sammellinse 15 auf, die koaxial mit der optischen Achse der Einrichtung ausgerichtet ist, und deren Brennpunkt auf der Brennpunktebene F liegt, um die von der Fliegenaugenlinse 13 kommenden Strahlen auf eine Photomaske

16 zu kollimieren, die in der der Eintrittspupille der zweiten Sammellinse 15 entsprechenden Position angeordnet ist. Hinter der Photomaske 16 ist eine Photolackschichl 17 angeordnet die auf einem Halbleiterplättchen 18 aufgebracht ist. Ein vorbestimmter Abstand zwischen der Maske 16 und der Photolackschicht

17 wird durch eine Maskenhalterung 19 fest eingestellt. Im folgenden wird die Wirkungsweise der Einrichtung von F i g. 2 beschrieben. Die aus der Lichtquelle 11 austretenden Strahlen werden beim Durchtritt durch die erste Sammellinse 12 abgelenkt wobei die Strahlen untereinander und zu der optischen Achse parallel gemacht werden. Wenn man die Herstellung von integrierten Schaltungen im Auge hat ist das Resultat um so besser, je kürzer die Belichtungszeit der Photolackschicht ist. Daher ist es wichtig, den Wirkungsgrad der von der Lichtquelle 11 abgestrahlten Lichtenergie durch die Verwendung einer Sammellinse 12 zu vergrößern. Als nächstes tritt das aus parallelen Strahlen bestehende Lichtbündel in die Fliegenaugenlinse 13 ein. die das einfallende Licht in viele Teilstrahlenbündel unterteilt, wobei sie jedes Teilstrahlenbündel divergent macht. Das Teilstrahlenbündel von dem mittleren Linsenelement 13a hat einen zentralen Strahl L\ und einen Randstrahl L·, die nach Durchtritt durch die zweite Sammellinse 15 parallel zueinander werden und in die Maske 16 unter rechten Winkeln zu dieser eintreten. Das Linsenelement 13c, das in dem Feld am nächsten bei dem Umfang der Fliegenaugenlinse 13 angeordnet ist liefert ein Teilstrahlenbündel mit einem zentralen Strahl L· und einem Randstrahl La, die nach Durchtritt durch die zweite Sammellinse 15 parallel zueinander werden und in die Maske 16 unter einem Neigungswinkel θ gegenüber der Senkrechten auf der Maske 16

SS eintreten. Ein Randstrahl Ls, der durch das Linsenelement 136 erzeugt wird, tritt in die Maske 16 untei einem Neigungswinkel ein, der kleiner ais der Neigungswinkel des von dem Linsenelement 13c erzeugter Randstrahls La ist Aus der vorhergehenden Oberlegung ist ersichtlich, daß der maximale Neigungswinke! Θ, der in der Einrichtung zur Verfugung steht, von dem Abstand /(Fig.3) zwischen der Achse des Linsenelements 13c und der Achse X der Fliegenaugenlinse 13 abhängt Wenn daher eine neben der Fliegenaugenlinse 13 angeordnete Blende 14 betätigt wird, um die Blendenöffnung der Einrichtung zu verkleinern, wird der maximale Neigungswinkel θ verkleinert
Bei der Einrichtung nach F i g. 2 wird die Maske mit

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einer Anzahl ankommender Wellcnfronten beleuchtet, die gleich der Zahl der Linsenclcmcntc in der Flicgenaugenlinse 13 ist. Damit diese Wellen auf der Maske effektiv überlagert werden, ist es erforderlich, die Vignettierung in dem Lichtstrom zwischen der Fliegcnaugenlinse und der Maske zu verhindern. Die Maske muß so angeordnet sein, daß sie mit der Eintrittspupille der zweiten Sammellinse zusammenfällt. Die Fliegenaugenlinse wird so ausgeführt, daß ihr Durchmesser in Abhängigkeit von dem maximalen Neigungswinkel der Strahlen, der für die Kompensation der sekundären Maxima erforderlich ist. bestimmt wird, und daß sie aus solchen Linsenelementen aufgebaut wird, deren Lichtstärke jeweils unter Berücksichtigung des Durchmessers der zweiten Sammellinse und der Fliegenaugenlinsc bestimmt wird. In der Praxis ist es unmöglich, die Einrichtung jedesmal auszutauschen, wenn eine Maske durch eine andere mit einer anderen Schiitzbreiie als die vorhergehende Maske ersetzt wird. Es ist jedoc'i bevorzugt, den Neigungswinkel der Strahlen zu ändern. Daher wird bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Blende 14 vorgesehen, die so eingestellt oder gesteuert werden kann, daß der maximale Neigungswinkel optimiert wird. Da die Betätigung der Blende keinen nachteiligen Einfluß auf die anderen optischen Teile hat. kann das gesamte System unter sehr stabilen Bedingungen betrieben werden. Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Maske 16 durch Strahlen mit verschiedenen Einfallswinkeln ausgeleuchtet wird (Fi g. 1). so daß der Einfluß der Beugung auf das RiId der Maske, welches auf die Oberfläche der Photolackschicht 17 projiziert wird, ausgeschaltet wird.

Da die Fliegenaugenlinse sowohl als Strahlteiler, als auch als Zerstreuungslinse für jedes abgespaltete Teilstrahlenbündel dient, wird sie zu einer Mattscheibe, wie sie beispielsweise aus rauh geschliffenem Glas oder Opalglas gebildet werden kann, wenn die Zahl der aufgespaltenen Teilstrahlcnbündel näherungsweise unendlich wird. Aufgerauhtes Glas oder Opalglas hat jedoch im allgemeinen ein viel besseres Streuvermögen als das Linsenclcmcm. d. h. es hat kein Richtvermögen, so daß die Leuchtstarke der Lichtquelle erhöht werden muß, um äquivalente Ergebnisse zu erzielen. Wenn eine Mattscheibe statt der Fliegenaugenlinse in der Einrichtung von F ι g. 2 verwendet wird, muß sie so angeordnet werden, daß ihre Streufläche mit dem vorderen Brennpunkt der zweiten Sammellinse zusammenfällt.

Der Aufbau und die Anordnung der Einrichtung von F i g. 2 ist ferner zurr. Einfügen einer optischen Einrichtung geeignet, die die stehende Welle kompensieren kann. Um das Einfügen einer Kompensationseinrichtung für die stehende Welle zu erleichtern, ist das Sammellinsensystem der Einrichtung in zwei Teile unterteilt, von denen der eine Teil aus paraHelen Strahlen bestehendes, auf die Fliegenaugenlinse gerichtetes Strahlenbündel und der zweite die aus der Fliegenaugenlinse austretenden Strahlenbündel konvergent macht. Die Kompensationseinrichtung für die stehende Welle wird herausnehmbar in dem Strahlengang des aus parallelen Strahlen bestehenden Strahlenbündels zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Sammellinsenanordnung eingesetzt

In Fig.6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, welches eine Lichtquelle 21, einen konkaven Spiegel 22, dessen Vorderseite der Lichtquelle 2t zugewandt ist. eine afokale Sammellinse 23 mit positiver Brechkraft, die auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle 21 /u dem Spiegel 22 angeordnet ist. und aus einem Sammellinsenelcmeni 23a und einem Zcrstreuungslinsenelement 23i> besteh', einen Filter 24 zum Kompensieren der stehenden Welle und eine eine Vielzahl Strahlenbündel erzeugende Linsenanordnung 25 auf, die als Anordnung von Zerstreuungslinsenelementen, wie z. B. die oben erwähnte Fliegcnaugenlinse. aufgebaut ist. Die Linsenanordnung 25 kann auch anders aufgebaut sein. Beispielsweise kann sie eine aus

ίο optischen Fasern bestehende Platte, bei der sich der Brechungsindex der Fasern mit dem Radius ändert, eine Mattscheibe oder ein richtungsselektivcs Strcuelement sein. Die Einrichtung von F i g. 6 weist ferner eine Blende 26 auf, die nahe bei und vor der Linsenanordnung 25 angeordnet ist, ein konvergentes optisches System oder eine Linse 27, einen Filter 28 zur Kompensation der Beleuchtungsstärke, eine Maske 29. die mikroskopische Bildmuster trägt, und ein Mikroplättchen 30 auf. auf dem nacheinander eine transparente Schicht und eine Photolackschicht aufgebracht ist. Alle diese Teile sind koaxial mit der optischen Achse der Einrichtung ausgerichtet. Eine Lampe mit hoher Leuchtdichte, die Strahlen mit scharf definierter Wellenlänge erzeugen kann, die für ein vorgegebenes Photoresist- oder Photolackmaierial geeignet sind, eignet sich als Lichtquelle 21. Die Quecksilberdampflampe wird für diesen Zweck in großem Umfang benutzt, wobei die Strahlen kurzer Wellenlänge, beispielsweise die ^-Linie. Λ-Linie oder 365-πιμ-ίίηίε, verwendet werden. Die effektive Ausnutzung dieser Strahlen ist ein wichtiger Faktor bei der Ausgestaltung der optischen Einrichtung. In diesem Zusammenhang trägt der Spiegel 22 zu einer zusätzlichen Erhöhung in dem Wirkungsgrad d,er Lampe zu der Einrichtung dadurch bei. daß er die Strahlen auf die Sammellinse 23 richtet, die sonst nicht in die Sammellinse 23 eintreten wurden. Ein anderer Faktor, um das aus der Lampe austretende Licht effektiv zu sammeln, ist die Verkleinerung der Lichtstärke der ersten Sammellinse 23. Die Lichtstärke selbst ist als das Verhältnis der Brennweite zu dem Linsendurchmesser definiert. Der Durchmesser der Linse kann wegen der Baugröße der Einrichtung nicht sehr erhöht werden. Daher wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung als erste Sammellinsengruppe eine Linse mit verkleinerter Brennweite verwendet, wobei die Linsengruppc aus einem Sammellinsenelement und einem Zerstreuungslinsenelement besteht, die in dieser Reihenfolge von der Vorderseite her. bezogen auf das Bestrahlungshcht. angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung der ersten Sammellinse 23 besteht dann, daß die Lichtquelle 21 in allen Richtungen Strahlen aussendet, die beim Durchtritt durch das vordere Sammcllinscnelement 23a in konvergente Strahlen umgelenkt werden, und die konvergenten Strahlen von dem Linsen- element 23a werden durch das hintere Zerstreuungslinsenelement 23b parallel zueinander gemacht, so daß die Anordnung und Konstruktion der auf die Sammellinse 23 folgenden Teile erleichtert wird. Die Position des Filters 24 zum Kompensieren der stehenden Welle ist nicht auf die in F i g. 6 gezeigte Lage beschränkt. Die Anordnung des Filters 24 hinter der ersten Sammellinse 23 ist jedoch vorteilhaft wenn man den Durchmesser des Filters 24 klein halten will. Dieser Filter wird herausnehmbar in den Strahlengang eingeführt und kann leicht durch einen anderen Filter 24' ersetzt werden, der andere Filtereigenschaften hat

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Filters zur Kompensation der stehenden Welle erläutert. Um das

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Auflösungsvermögen des photoempfindlichen Materials, beispielsweise des in großem Umfang verwendeten Photolacks, zu erhöhen, ist es erforderlich, die Dikke der auf das Halbleiterplättchen aufgebrachten, photoempfindlichen Schicht so klein wie möglich zu halten. Mit der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Beschichtungstechnik unter Verwendung von einem Zerstäuber kann eine gleichförmige Schicht mit einer Dikke in der Größenordnung von Mikron aufgebracht werden. Andererseits liegen die Linienbreiten der zu druckenden Bildmuster ebenfalls in der Größenordnung von Mikron. Daher ist eine genaue Kontrolle der Dicke der Photolackschicht bei der Herstellung von integrierten Schaltungen sehr wichtig. Ferner ist zu beachten, daß sowohl die Linienbreiten der Druckmuster, als auch die Dicke der photoempfindlichen Schicht in der Größenordnung von Mikron liegen, d. h. sie liegen in der Nähe der Wellenlängen des Lichts. In gewisser Hinsicht ist beim Drucken von integrierten Schaltungen eine sehr hohe Genauigkeit in der Nähe der Leistungsgrenze des optischen Systems erforderlich, so daß winzige Fehler bei der Reproduktion der Linienbreiten bereits berücksichtigt werden müssen. Diese Probleme treten sowohl bei dem Projektionsverfahren, als auch bei den Druckverfahren mit und ohne Kontakt zwischen Maske und Photolackschicht auf. Ein allen Verfahren gemeinsames Problem ist die stehende Welle, die in der Photolackschicht erzeugt wird.

Das Substrat, auf das ein IC-Muster durch Drucken übertragen wird, besteht gewöhnlich aus Silicium oder Metall, beispielsweise Aluminium, so daß die in die photoempfindliche Schicht eintretende Lichtwelle mit der von dem Substrat reflektierten Lichtwelle interferiert und eine stehende Welle bildet. Wenn die Belichtung des Photolacks zur Verbesserung des Auflösungsvermögens unter Berücksichtigung der stehenden Welle optimiert wird, werden Runzeln in den gehärteten Abschnitten der entwickelten und verarbeiteten Photolackschicht erzeugt. Wenn die Belichtung erhöht wird, um das Auftreten der Runzeln zu verhindern, muß das Auflösungsvermögen wegen der Überbelichtung bis zu einem gewissen Grad geopfert werden. Die Bildung von Runzeln hängt zu einem hohen Maße von dem Kontrast des Bildes ab, so daß dieses Problem bei dem Kontakt-Druckverfahren, welches einen hohen Kontrast sicherstellt, vermieden werden kann, während es bei Druckverfahren ohne Kontakt zwischen Maske und Photoresistschicht oder bei Projektionsverfahren unter Verwendung von Linsen schwerwiegend wird.

Wie bereits erwähnt wurde, wird die stehende Welle durch die Welle erzeugt, die von dem Substrat reflektiert wird, auf dem die Photolackschicht aufgebracht ist. Die stehende Welle hat eine Energieverteilung entlang der Dicke der Photolackschicht. Solch eine Energieverteilung innerhalb der Photolackschicht verschlechtert die Gleichförmigkeit der Belichtung in Richtung entlang der Dicke der Schicht, wodurch das Maß der Härtung der photoempfindlichen Schicht mit dem Abstand von der Oberfläche des Substrats variiert, so daß eine unbefriedigende Bildreproduktion resultiert die auf der erhöhten Rauhigkeit der Kanten des Bildmusters und der Bildung von Runzeln und im Extremfall dem Ablösen der Photolackschicht von dem Substrat beruht

Der Einfluß der stehenden Welle kann durch Verwendung einer vielfarbigen Lichtquelle auf ein Minimum herabgesetzt werden, die scharf begrenzte Lichtstrahlen mit mehreren unterschiedlichen Wellenlängen erzeueen kana In diesem Fall werden mehrere stehende Wellen für die Strahlen mit den jeweiligen Farben erzeugt, die inkoherent überlagert werden. Dadurch wird eine Schwebung erzeugt, so daß die Spitzen und Täler der stehenden Wellen sich an einem Teil der gesamten Länge der Dicke gegenseitig aufzuheben versuchen. Daher ist die resultierende, kombinierte Welle in diesem Abschnitt sehr gleichförmig in Richtung der Dicke. Wenn daher eine transparente Schicht zwischen der photoempfindlichen Schicht und dem Substrat an-

ίο geordnet wird, kann die Lage der photoempfindlichen Schicht durch Kontrolle der Dicke der transparenten Schicht so eingestellt werden, so daß die photoempfindliche Schicht diesen Abschnitt einnimmt, wodurch eine gleichförmige Belichtung bewirkt wird. Um den Einfluß der stehenden Welle durch eine vielfarbige Lichtquelle effektiv zu beseitigen, ist es ferner notwendig, eine systematische Bestimmung der spektralen Eigenschaften der Lichtquelle und der spektralen Empfindlichkeit des photoempfindlichen Materials durchzuführen. Wenn die Belichtung beispielsweise durch Verwendung von zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge durchgeführt wird, ist es erwünscht, daß die Einflüsse dieser beiden Lichtstrahlen auf die photoempfindliche Schicht nach der Entwicklung zueinander identisch sind. Wenn dies so ist, ist die Stelle, an der sich die Spitzen und Täler der stehenden Wellen gegenseitig ausgleichen, für die gleichförmige Belichtung in höherem Maße bevorzugt. Die Position der Stelle, in der der Ausgleich auftritt, hängt jedoch stark von den Reflexionseigenschaften des Substrats, der Dicke und dem Brechungsindex der dazwischen liegenden, transparenten Schicht und der Dicke und dem Brechungsindex der photoempfindlichen Schicht ab. Um einen effektiven Ausgleich an dieser Stelle sicherzustellen, ist es ferner notwendig, die Intensitätsverhältnisse oder Intensitätsverteilung der Lichtstrahlen mit don unterschiedlichen Wellenlängen zu steuern, die bei der Belichtung verwendet werden. Diese Situation wird an Hand der F i g. 7A und 7B erläutert, wobei Fig. 7A eine resultierende, kombinierte Welle zeigt, die auftritt, wenn die ^-Linie und die Λ-Linie gleiche Effekte auf den Photolack haben. Fig.7B zeigt die resultierende, kombinierte Welle, die auftritt, wenn die Λ-Linie einen zweimal so großen Effekt wie die ^--Linie hat. Es ist ersichtlich, daß die Bedingungen von Fi g. 7 A zum Beseitigen des Einflusses der stehenden Welle mehr zu bevorzugen sind.

Andererseits besteht das Verfahren der Herstellung von IC-Einrichtungen darin, eine Reihe von Mustern durch aufeinanderfolgende Ausrichtungs- und Herstellungs-Verfahrensschritte übereinander anzuordnen, bis das fertige Produkt hergestellt ist Bei diesem Verfahren werden photolacke als photoempfindliches Material verwendet wobei die Zahl der in einem Arbeitsgang verwendeten Photolacke nicht immer auf einen Photolack beschränkt ist Vielmehr können zwei oder mehr Photolacke verwendet werden, wenn eine Vielzahl von IC-Mustern auf einem Halbleiterplättchen oder Mikroplättchen erzeugt wird. Wenn verschiedene Photolacke als photoempfindliches Material verwendet werden, ist es nicht erforderlich, das optische System selbst zu ändern. Von einem systematischen Standpunkt her ist es jedoch erforderlich, die spektralen Eigenschaften des Systems zu ändern. F i g. 8 zeigt die Kurven der spektralen Empfindlichkeit von drei Photolacken. Es ist zu beachten, daß die spektralen Eigenschaften des Systems je nach der Form der spektralen Empfindlichkeitskurve des verwendeten Photolacks in

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weiten Grenzen variiert werden muß.

Bei der optischen Einrichtung einer tatsächlichen Druckvorrichtung wird gewöhnlich eine in bezug auf die Farbtemperatur unveränderliche Lichtquelle verwendet, die es nicht gestattet, daß die optische Einrich- s tung verschiedene spektrale Eigenschaften für verschiedene Photolacke aufweist. Die Steuerung des Intensitäisverhältnisses oder der Intcnsitätsverteilung der Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle zum Zwecke des effekten Ausgleichs der stehenden Welle /ur Verfü- ι ο gung stehen, wird erfindungsgemäß durch das Auswechseln des Filters zur Kompensation der stehenden Welle in Abhängigkeit von einer Änderung in den spektralen Eigenschaften des Photolacks bewirkt. Dies wird im einzelnen an Hand der F i g. 9, 10 und 11 be- i«; schrieben. Fig.9 zeigt das Spektrum einer Quecksilberdampflampe. Dieses Spektrum ist dadurch charakterisiert, daß es helle, für Quecksilber charakteristische Linien hat, nämlich beispielsweise die 365.01 ιημ-Linie, die h-Linie (404.66 ιημ), die g-Linie (435.84 ηιμ) und die e-l.inie (546.07 πιμ). Die Intensitäten der 3b5 ηιμ-Linie. der Λ-Linic und der ^-Linic in dem Spektrum sind so groß, daß die Intensitäten der anderen Linien vernachlässigt werden können. Aus diesem Grund kann gesagt werden, daß die tatsächliche Belichtung nur von diesen hellen Spektrallinien bewirkt wird. Beim Drucken mikroskopischer Muster werden die ^-Linie mit kürzerer Wellenlänge als die ^-Linie wegen der Blauempfindlichkeit und dem guten Auflösungsvermögen des Photolackmaterials häufig verwendet. Fig. 10 zeigt ein Beispiel der spektralen Empfindlichkeit eines Photolacks. Die meisten, gegenwärtig erhältlichen Photolakke sind im nahen ultravioletten Bereich empfindlich. Dieses Beispie! eines Photolacks, das in Fi g. 10 charakterisiert ist, ist gegen Strahlen mit einer Wellenlänge größer als 430 ΐημ unempfindlich. Folglich sind die hellen Spektrallinien, die für die Belichtung des Photolacks tatsächlich verwendbar sind, auf drei Linien beschränkt, nämlich die h-Linie, die 365 πιμ-Linie und die 334 mu-Linie. Unter der Annahme, daß zwei dieser Limen. nämlich die Λ-Linie und die 365 ιημ-Linie. in einer Belichtung verwendet werden, kann der Einfluß jeder tatsächlichen Spektrailinie auf den Photolack durch das Verhältnis zwischen der Farbtemperatur der Lichtquelle und der relativen Empfindlichkeit des photoempfindliehen Materials auf die entsprechende Spektrallinie abgeschätzt werden. Bei der Kombination der Quecksilberdampflampe von F i g. 9 und dem Photolack von F i g. 10 sind sowohl die relative Intensität der Lampe, als auch die spektr?¹ Empfindlichkeit des Photolacks bei der 365 Γτιμ-Linie größer als bei der Λ-Linie, so daß der Effekt der stehenden Welle für die Strahlen der 365 ιημ-Linie stärker ist.

Um den Einfluß der stehenden Welle zu eliminieren, wird daher bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Filter zum Kompensieren der stehenden Welle verwendet, der eine Durchlässigkeitskennlinie hat, die in F i g. 11 gezeigt ist Dieser Filter kompensiert die spektralen Eigenschaften der Lampe so, daß die Einflüsse der 365 ηιμ-Linie und der Λ-Linie gleich groß gemacht werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.

Ferner macht es die Austauschbarkeit des Kompensationsfilters für die stehende Welle in der Einrichtung möglich, die Lage des verhältnismäßig flachen Teils der resultierenden, kombinierten Welle je nach der Lage der photoempfindlichen Schicht gegenüber dem Substrat einzustellen, wenn die Design-Parameter der transparenten Zwischenschicht vorgegeben sind, die beispielsweise aus S1O2 bestehen kann und zwischen dem Substrat und der photoempfindlichen Schicht liegt. Beispielsweise rückt die erste Stelle, gerechnet vom Substrat aus, an der sich die Spitzen und Tiilcr der stehenden Wellen der beiden Strahlungen mit den unterschiedlichen Wellenlängen ausgleichen, mit wachsendem Unterschied zwischen den beiden Wellenlängen näher zu dem Substrat hin. Bei kleincrem Wellenlängenunterschied liegt diese erste Stelle weiter von dem Substrat weg, wobei jedoch die Stelle in vorteilhafter Weise breiter wird. Daher wird mit steigender Zahl der verwendbaren Wellenlängen die Möglichkeit erhöht, den nachteiligen Einfluß der stehenden Welle auf ein Minimum herabzusetzen, wenn nur eine geeignete Kombination von Strahlungen mit unterschiedlicher Wellenlänge unter Berücksichtigung der spektralen Empfindlichkeit des Photolacks dadurch ausgewählt wird, daß der entsprechende Filter verwendet wird, und wenn gleichzeitig das Intensitätsverhältnis der Strahlungen in geeigneter Weise gesteuert wird.

Fig. 12 zeigt eine resultierende, zusammengesetzte Welle, die dann auftritt, wenn die Wirkungen der ^r-Linie, der Λ-Linie und der 365 [πμ-Linie untereinander ausgeglichen sind, wobei die Stelle, an der der F'nfluß der stehenden Welle auf ein Minimum herabgesetzt ist, viel näher bei dem Substrat als bei den in den F i g. 7A und 7B gezeigten Fällen liegt. Es ist zu beachten, daß die Kompensation der stehenden Welle, die durch den austauschbaren Filter der erfindungsgcmaßcn Einrichtung durchgeführt wird, den großen Vorteil bietet, daß die Prozentzahl der verwertbaren Produkte aus den fertigen Produkten erhöht wird.

Im folgenden wird noch einmal auf F i g. 6 Bezug genommen. Die Anordnung 25 zur Erzeugung einer Vielzahl Strahlenbündel liegt vor der zweiten Sammellinse 27, so daß die aus der Anordnung 25 austretenden Strahlen auf die Sammellinse 27 unter Einfallswinkeln auftreffen, die in einem bestimmten Bereich gleichförmig verteilt sind. Der Kompensationsfilter 24 für die stehende Welle und die Anordnung 25 sind so ausgeführt, daß ihre jeweiligen Durchmesser etwas größer als der Durchmesser des aus der ersten Sammellinse 23 austretenden Strahlenbündels ist. Die Blende 26, die nahe bei und hinter der Anordnung 25 liegt, dient zur Steuerung des maximalen Einfallswinkels der auf die Maske 29 auftreffenden Strahlen. Die zweite Sammellinse 27 ist als einfache, konvexe Linse dargestellt, durch die die vielen von der Anordnung 25 erzeugten Teil-Sirahlenbündel gesammelt werden, so daß sie die Maske 29 effektiv ausleuchten. Der Durchmesser der Linse 27 muß groß genug sein, um einen gewissen Einfallswinkel auf der Maske sicherzustellen und einen großen Teil der aus der Anordnung 25 austretenden Strahlen zu sammeln. Wie in Fig. 13 dargestellt ist, sammelt beispielsweise die zweite Sammellinse 27 die aus der Fliegenaugenlinse 25 austretenden Strahlen ohne Vignettierung und ermöglicht es, daß die Maske 29 in deren Eintrittspupille angeordnet wird. Es ist zu beachten, daß eine Verkleinerung des Durchmessers des aus parallelen Strahlen bestehenden Strahlenbündels, das durch die erste Sammellinse 23 erzeugt wird, in vorteilhafter Weise dazu führt, daß die effektive öffnung der zweiten Sammellinse 27 kleiner gemacht werden kann.

Die photoempfindlichen Materialien zur Verwendung bei dem Drucken von mikroskopischen Bildmustern sind gewöhnlich Photolacke. Die Photolackschichten sind jedoch sehr empfindlich gegen eine un-

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gleichmäßige Beleuchtungsstärke. Daher ist bevorzugt, die Ungleichmäßigkeit auf veniger als 5% zu begrenzen. Die Vermeidung des Vignettierungseffekts durch die oben beschriebene Anordnung ist ein wichtiger Faktor zum Erzielen einer gleichmäßigen Beleuchtungsstärke. In einer praktischen Ausführung der Einrichtung kann jedoch eine in befriedigendem Maße gleichförmige Verteilung der Belichtungs-Lichtenergie auf der Maske nicht nur dadurch bewirkt werden, daß man die Vignettierung vermeidet. Daher wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ferner ein ND-Filter verwendet, um die ungleichmäßige Beleuchtungsstärke auf der Maske zu kompensieren. Ein Beispiel eines ND-Filters ist in Fig. 14 gezeigt. Eine kombinierte Platte, die als ND-Filter wirkt, besteht aus einem plankonvexcn Linsenelement 31 aus einem Material mit einer größeren Absorption für die Strahlen, denen das Photolackmaterial ausgesetzt wird, und einem plankonvexen Linsenelement 32 aus einem Material mit einer kleineren Absorption. Die beiden Linsenelemente sind einander berührend angeordnet. In diesem Fall können der kombinierten Platte unterschiedliche Kompensationsfunktionen dadurch verliehen werden, daß man Linsenelemente 31 und 32 mit unterschiedlichen, axialen Dicken und Krümmungsradien verwendet.

Ein anderes Beispiel für einen ND-Filter ist eine transparente Platte, auf die Metall, beispielsweise Aluminium oder Chrom, aufgedampft wird, so daß die Platte eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Dichteverteilung erhält.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß durch die Erfindung eine Beüchtungseinrichtung geschaffen wird, deren Form und Aufbau dazu geeignet ist, eine optische Einrichtung vorzusehen, um Unscharfen an den Kanten des Bildmusters zu vermeiden und um die stehende Welle in der photoempfindlichen Schicht zu kompensieren. Die aktinischen Strahlen von der Lichtquelle können durch die Photomaske auf die photoempfindliche Schicht in einer solchen Weise hindurchtreten, daß das mikroskopische Bildmuster effektiv auf die photoempfindfiche Schicht aufgedruckt werden kann.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

1. Ergänzungsblatt; zur Patentschrift Nr. 25 OO 746

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   Or. 27-54

   Ausgegeben Haiti JÄH. ISSO

   sÄ# Das Paietö ^5 Otf^iWird du*ch rechtskraftfg<»e Urteil des k; BunaespatentB^riohtfrvom 14v August 1979 dadurch teilweise für nichtig #rkilr1;<|?dJUS die Patentansprüche 1, 2 ;und 8 wie folgt

   -gefaßt

   Belich'tungSeinrichtung zua Belichten einer fotoempfindlichen Schicht mit einem mikroskopischen Bildmuster, mit einer Lichtquelle, einem optischen System und einer das mikroskopische Bildmustöc^iii Jornv eines Felds von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen aufweisenden Maske, die mittels einer Maskenhalterung im Abstand in der Größenordnung von Mikron oberhalb.der Oberfläche der fotoempfindlichen Schicht gehalten ist, wobei das optische System eine Teilstrahlenbündel erzeugende Anordnung und eine der Maske vorgeschaltete Kollimatorlinseneinrichtung aufweist, deren primärer Brennpunkt im wesentlichen mit der Ebene zusammenfällt, die die Ausgangspunkte der von der Anordnung erzeugten Teilstrahlenbündel enthält, und die die Strahlen der Teilstrahlenbündel kollimiert, die die Maske ausleuchten, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Sammeleinrichtung (10, 12j 22, 23) vorgesehen ist, aus der die von der Lichtquelle (11, 21) kommenden Strahlen im wesentlichen parallel austreten, und daß die Teilstrahlenbündel erzeugende Anordnung (13» 25) sich in dem Strahlengang des aus der optischen Sammeleinrichtung . (10, 12j 22, 23) austretenden Strahlenbündels befindet und so ausgebildet ist, daß jedes Teilstrahlenbündel divergent ist und daß eine Vielzahl von nahe benachbarten Ausgangspunkten vou Teilstrahlenbündeln ein Feld vollständig überdeckt.

   Patentanspruch 2

   Einrichtung nach Anspruch 1 mit einer Lichtquelle mit kleiner Leuchtfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die

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   optische Sammeleinrichtung (10,' 12^22, 2J) ^aIs Sammeilinseneinrichtung ausgebildet ist, und daß die Teilstrahlenbündel erzeugende Anordnung als Lineenanordnung (I5v ^5) ausgebildet ist, di^ in Torrn eines Feldes aus einer ,Vielzahl, von Sinzellinaen-aufgebaut ist, wobei, die" Anordnung so getroff en ist, daß der primäre Brennpunkt der EollimatorlinseneinrichtunB (15». 27) im wesentlichen mit einer Ebene zusammenfällt, die die Brennpunkte der Linsellinsen der Linsenanordnung enthält, und daß die Position der Maske (16, 29) nahezu mit der büdseitigen Brennebene der Kollimatorlinseneinrichtung zusammenfällt. ..; '■ \ ' ■ ' · .·. -. ";'■'

   Patentanspruch 8

   Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Vielzahl vorgegebener, voneinander verschiedener Wellenlängen aufweist, und daß ein Bauteil, der ein Substrat aufweist, auf dem eine photoempfindliche Schicht und eine lichtdurchlässige Schicht mit einem Brechungsindex nahezu gleich dem Brechungsindex der photoempfIndliohen Schicht zwischen dem Substrat und der photoempfindlichen Schicht aufgebracht 1st, so angeordnet ist, daß die freiliegende Oberfläche der photoempfindlichen Schicht mit der Ebene zusammenfällt, in die ein Bild der Maske projiziert wird, und ferner gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (24, 24') zur Berücksichtigung des Effektes der stehenden Welle, die zwischen der Sammellinseneinrichtung (10, 12$ 22, 23) und der die Vielzahl Teillichtbündel erzeugenden Anordnung (13» 25) angeordnet ist, um die Intensitätsverhältnieae der vorgegebenen Wellenlängen in der Weise auszugleichen oder zu kompensieren, daß die Wirkungen dieser Wellenlängen auf die photoempfindliche Tchicht gleich groß sind. ~ ... ;