DE3311249A1

DE3311249A1 - Fotolithografieverfahren und -vorrichtung unter anwendung einer im fernen uv emittierenden lichtquelle

Info

Publication number: DE3311249A1
Application number: DE19833311249
Authority: DE
Inventors: Marshal Greenblatt; John C Matthews; Michael G Ury; Charles H Wood
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Fusion Systems Corp
Priority date: 1982-03-29
Filing date: 1983-03-28
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE3311249C2; US4532427A; JPH0166748U; JPS58196023A

Description

Patentanwälte* ** Etitopfe"hn PAfenf »Attorneys

München 7 Stuttgart

25. März 1983

FUSION SYSTEMS CORPORATION
12140 Parklawn Drive

Rockville, Maryland 20852 /V.St.A.

Unser Zeichen: F 945

Fotolithografieverfahren und -vorrichtung unter Anwendung einer im fernen UV emittierenden Lichtquelle

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fotolithografie unter Anwendung einer Lichtquelle, die im fernen UV-Bereich emittiert,

Die Fotolithografie hat bekanntlich in jüngster Zeit die Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie Transistoren und integrierte Schaltungen wirtschaftlicher und rentabler gemacht. Derartige Halbleitervorrichtungen sind Bausteine in praktisch allen elektronischen Geräten für den Konsumbereich sowie für industrielle und militärische Anwendungen, einschließlich Rechner, Datenverarbeitungsgeräte, automatisierte Anlagen und Fernseher, die den Lebensstandard in jüngster Zeit beträchtlich erhöht haben.

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Bei der Fotolithografie wird ein Muster in einer optischen Maske, das den Eigenschaften der herzustellenden integrierten Schaltung entspricht, mittels Ultraviolettlicht (UV) auf einer Halbleiterscheibe abgebildet.

Die Scheibe ist mit einem UV-empfindlichen Fotolack

bzw. Fotoresist beschichtet, der sich bei der Belichtung mit dem UV-Licht chemisch an den Stellen verändert, die durch das Muster in der Maske bestimmt sind. Nach der Belichtung wird das Fotoresist entwickelt IQ und die Halbleiterscheibe weiter verarbeitet, indem die Stellen geätzt werden, die durch das abgebildete Muster bestimmt sind, und indem Verunreinigungen aufgebracht werden. Das Verfahren kann auf der Scheibe fortgesetzt werden, bis die gewünschte Transistorvorrichtung oder integrierte Schaltung hergestellt ist.

Die Lichtquelle, die verwendet wird, um das Ultraviolettlicht für herkömmliche Fotolithografie zu erzeugen, ist typischerweise eine mit Elektroden versehene Bogenlampe mit Quecksilberfüllung, in der die Strahlung durch einen Lichtbogen erzeugt wird, der zwischen den zwei Elektroden im Innern der Lampenhülle erzeugt wird. Zur Belichtung von herkömmlichen Fotoresists liefert die Lampe eine Strahlung im üblichen UV-Wellenlängenbereich von 260 bis 4 60 nm.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen wird angestrebt, die Größe der Schaltungseinzelheiten im Rahmen des Möglichen zu vermindern, so daß eine größere Anzahl von Schalungselementen bzw. schnellere Schaltungselemente auf einem einzigen integrierten Schaltungsplättchen gegebener Größe untergebracht werden können. Es ist beispielsweise bekannt, daß ein moderner Rechner, der so klein ist, daß er auf einen Tisch gestellt werden kann, eine Rechenleistung aufweist, die bei Rechnern einer früheren Generation ein Volumen von der Größe eines Zimmers benötigt hätte, woraus

sich enorme Kosteneinsparungen ergeben. Diese enorme Verminderung der Baugröße und der Herstellungskosten wurden größtenteils durch die Technik der integrierten Schaltungen ermöglicht, die mit der oben erläuterten

g Technik der Fotolithografie einhergeht, die es ermöglicht, mikroskopisch kleine Schaltungseinzelheiten .aufzudrucken, ·

Es wird natürlich angestrebt, in derselben Richtung jQ weiter zu entwickeln, um integrierte Schaltungen zu

erhalten, die eine noch größere Dichte der Schaltungselemente aufweisen. Es wurde jedoch gefunden, daß herkömmliche UV-Wellenlängen zu lang sind, um abzubildende Linien mit einer Breite in der Größenordnung ^g von 1 ym aufzulösen, da Beugungseffekte auftreten, durch die Abbildungsgualität beeinträchtigt wird. Dieser Effekt wird intuitiv verständlich, wenn man sich vor Augen hält, daß bei so geringen Linienbreiten die Maskenschlitze selbst in den Bereich der Wellen-2Q länge des verwendeten Lichtes kommen, wodurch das Verhalten des Lichtes beim Durchgang durch diese Schlitze beeinflußt wird*

Um dieses Problem zu lösen, ist es erforderlich, ein Abbildungsmedium mit kürzerer Wellenlänge als herkömmliches Ultraviolettlicht zu verwenden. Es wurden bereits verschiedene Anstrengungen in dieser Richtung unternommen, einschließlich die Anwendung von Röntgen- und Elektronenstrahlen; die besten Erfolgsaussichten verspricht jedoch die Anwendung von fernem Ultravio~ lettlicht im Bereich von 190 bis 260 nm. Die letztgenannte Lösung wird bevorzugt, da ein großer Teil der Apparaturen für die Anwendung von fernem UV bereits aus der herkömmlichen Ultraviolettechnik zur 3g Verfugung stehen, z.B. Masken und Ausrichtungsgeräte.

Abgesehen von seiner Anwendung zum Abdrucken von Linien mit hoher Auflösung im Bereich von Breiten

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unterhalb eines Mikrometers kann fernes UV-Licht auch verwendet werden, um die Abbildungsqualität beim Drucken von Linien mit üblicher Auflösung zu verbessern. Wie allgemein bekannt ist, ergibt die Anwendung von kürzeren Wellenlängen eine größere Schärfentiefe an der Halbleiterscheibe und vergrößert die Wahrscheinlichkeit, daß ein scharfer Abdruck entsteht, selbst wenn die Maske und die Scheibe nicht präzise positioniert sind.

Aus den oben angegebenen Gründen werden in jüngster Zeit erhebliche Anstrengungen unternommen, um Fotolithografiesysteme zu schaffen, die mit fernem UV-Licht arbeiten. Ein für fernes UV geeigneter Fotolack ist als Polymethylmethacrylat (PMMA) bekannt und heute im Gebrauch. Das Fehlen einer geeigneten Lichtquelle für fernes UV hat jedoch verhindert, daß die Anwendung von fernem UV-Licht auch auf die Schaffung von integrierten Schaltungen mit höherer Packungsdichte ausgedehnt wurde. Die Mängel der herkömmlichen Lichtquellen für die Fotolithografie unter Anwendung von fernem UV sind ausführlich erläutert in "Optical Lithography in the 1 ym Limit", Daryl Ann Doane, Solid State Technology, August 1980, Seiten 101-114 sowie in "A Practical Multilayer Resist Process for 1 pm Lines", Batchelder et al, Semiconductor International, April 1981, Seiten 214-218.

Das Hauptproblem besteht in dem Fehlen einer Lichtquelle mit ausreichender Intensität im fernen UV-Spektralbereich, um eine schnelle Belichtung von für fernes UV empfindlichen Fotoresists auf Fertigungsstraßen zu erreichen. Dies hat zu unannehmbar langen Verarbeitungszeiten und folglich zu einer geringen Ausbeute von vollständigen Halbleitervorrichtungen pro Zeiteinheit geführt. Die derzeit am meisten verbreiteten Quellen für fernes UV setzen weniger als 2% der Eingangsleistung in Strahlung im fernen UV-Spektralbereich um. Derartige

Quellen haben ferner eine kurze Lebensdauer von nur etwa 100 Stunden, was zu beträchtlichen Abschaltzeiten zum Auswechseln der Lampen führt. Es wurde auch versucht, andersartige Lampen für fernes UV zu verwenden, jedoch weisen diese eine relativ niedrige Ausgangsleistung im fernen UV-Bereich auf, und zusätzlich sind weitere Probleme aufgetreten wie ungleichförmige Lichtabgabe, alterungsbedingte schnelle Verschlechterungen der Spektralverteilung sowie kritische Justierung. '

Anhand der Literatur läßt sich verfolgen, daß folgende Arten von Lichtquellen bereits für den Zweck der Fotolithografie mit fernem UV in Betracht gezogen wur^den:

1. Hauptsächlich wurden kompakte Xenon-Quecksilber-Bogenlampen verwendet, bei denen es sich um Hochdruck-Elektroden-Bogenlampen handelt. Diese Lampen gleichen den kompakten Quecksilber-Bogenlampen, die für herkömmliche UV-Fotolithografie verwendet werden, wobei jedoch durch die Hinzufügung von Xenon in der Füllung das Spektrum zu fernem UV hin verlagert wird. Selbst bei einer solchen Hinzufügung liegt jedoch nur ein sehr kleiner Teil der Lampenausgangsleistung im gewünschten Bereich von 190 bis 260 nm. Die Lampe muß also bei sehr hohem Leistungspegel betrieben werden, um die Möglichkeiten der Erzeugung von fernem UV-Licht voll auszuschöpfen; nichtsdestoweniger bleibt jedoch die Belichtungszeit länger als erwünscht. Die hohen Leistungspegel, mit denen derartige Lampen betrieben werden müssen, beschleunigen jedoch den Alterungsprozeß, durch den die Spektralverteilung des ausgestrahlten Lichts verschlechtert wird, so daß ein häufiger •Lampenwechsel erforderlich ist.

2. Die gepulste Xenonlampe ist eine Nieder-Mittel-

druck-BOgenlampe, die mit kurzen Hochenergieimpulsen betrieben wird und ein kontinuierliches Spektrum 200 bis 315 nm abgibt, wobei etwa 6% der Ausgangsleistung zwischen 200 und 260 nm liegen. Die An-Wendung derartiger Lampen wurde jedoch eingeschränkt durch die ungleichförmige Lichtabgabe und durch die von ihnen erzeugten hochfrequenten Störungen.

3. Deuteriumlampen erzeugen ein kontinuierliches Spektrum im Bereich von 200 bis 315 nm, jedoch wurde gefunden, daß die Ausgangsleistung für praktische Anwendungen zu gering ist.

4. Gepulste Quecksilberlampen sind Hochdruck-Bogenlampen, die mit kurzen Hochenergieimpulsen betrieben werden. Sie erzeugen ein kontinuierliches Spektrum zwischen 200 und 300 nm, jedoch fehlt es ihnen an der Reproduzierbarkeit und an einer ausreichend langen Lebensdauer.

5. Dotierte Lampen sind üblicherweise kompakte Bogenlampen mit verbesserter Spektralverteilung durch Dotierung des Lampenmaterials während der Herstellung. Es wurde gefunden, daß derartige Lampen schwankende Ausgangsleistungen und kurze Lebensdauer aufweisen.

6. Lichtquellen niedriger Leistung wie Leuchtstofflampen oder keimtötende Lampen, bei denen ein relativ großer Anteil des Spektrums im fernen UV-Bereich liegt, wurden ebenfalls bereits in Betracht gezogen. Die Ausgangsleistung und die Leuchtdichte derartiger Quellen ist jedoch unzureichend für die Belichtung von Fotolacken.

Zusätzlich zu den obigen Betrachtungen muß auch noch bedacht werden, daß alle bekannten Strahlungsquellen Lampen sind, die Elektroden enthalten und Licht durch

eine Lichtbogenerzeugung zwischen diesen Elektroden emittieren. Der erzeugte Lichbogen ist üblicherweise von größerer Länge als Breite und bildet überdies eine unstabile Strahlungsquelle. Die durch das Vorhan-* densein eines Lichtbogens auftretenden Probleme sind in der US-PS 3 569 083 erläutert; sie machen die Anwendung eines optischen Integrators zwingend erforderlich, um eine gleichmäßige Neuverteilung des Lichtes vorzunehmen, bevor dieses auf der Scheibe auftrifft. jQ Da ferner der Lichtbogen in optsicher Hinsicht als Punktquelle anzusehen ist, muß die Bogenlampe für eine gute Abbildungsqualität in kritischer Weise sehr genau positioniert werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Fotolithografie unter Anwendung von ferner UV-Strahlung mittels einer Lichtquelle, die im fernen UV-Bereich eine größere Ausgangsleistung als herkömmliche Lichtquellen aufweist.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist insbesondere in den Patentansprüchen angegeben.

Die druch die Erfindung geschaffene Lichtquelle weist eine hohe Ausgangsleistung im fernen UV-Spektralbereich auf, was zu einer schnelleren Belichtung von Fotoresists bzw. Fotolacken führt, die für fernes UV-Licht empfindlich sind. Durch Anwendung der Erfindung beträgt z.B. die für die Belichtung erforderliche Zeitspanne nur ein Fünftel bis ein Zehntel der bei her- . kömmlichen Systemen benötigten Zeit. Durch die Erfindung wird ferner eine Lichtquelle geschaffen, die eine wesentlich längere Lebensdauer als die oben erwähnten Arten von Lampen aufweist und darüber hinaus von den diesen anhaftenden Mängeln frei ist.

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Durch die Erfindung wird es also ermöglicht, sehr schmale Linien auf Halbleiterscheiben bei kürzeren Belichtungszeiten und folglich höherer Geschwindigkeit als bei Anwendung herkömmlicher Technik aufzudrucken bzw. abzubilden.

Die durch die Erfindung geschaffene Lichtquelle weist ferner einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als herkömmliche Lichtquellen auf.

Ein weiterer Vorteil der durch die Erfindung geschaffenen Lichtquelle für fernes UV besteht darin, daß ihre Lichtabgabe gleichmäßiger ist als bei herkömmlichen Quellen, so daß optische Integriereinrichtungen der herkömmlichen Systeme entfallen können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Quelle für fernes UV-Licht besteht darin, daß sie weniger häufig ausgewechselt werden muß als bei herkömmlichen Systemen, so daß die Ausschaltzeiten zum Erneuern der Lampe reduziert werden.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung kann überdies eine kritische Justierung der Strahlungsquelle entfallen..

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtquelle besteht darin, daß ihre spektrale Zusammensetzung nur wenig alterungsabhängig ist.

Die oben angegebenen vorteilhaften Eigenschaften werden durch Anwendung einer mikrowellenerregten, elektrodenlosen Lampe als Lichtquelle für die Fotolithografie im fernen UV-Bereich erreicht.

Im Gegensatz zu den mit Elektroden versehenen Bogenlampen ist also die vorgeschlagene Strahlungsquelle elektrodenlos. Die kolbenförmige Hülle ist mit einem

Piasinamedium gefüllt, z.B. Quecksilber in einem Edelgas, und ist in eine Metallkammer eingesetzt, der Mikrowellenenergie zugeführt wird. Diese Energie erregt ein Plasma praktisch in dem gesamten Volumen der Hülle, welches Ultraviolettstrahlung aussendet, die durch ein UV-durchlässiges Fenster in der Kammer austritt.

Es wurde gefunden, daß die von einer solchen elektrodenlosen Lampe emittierte Strahlung eine Spektralzusammensetzung mit einem wesentlich größeren Anteil im fernen UV-Bereich aufweist als die herkömmlichen Bogenlampen. Es wird angenommen, daß das Fehlen von Elektroden einen Betrieb der Lampe in einem Betriebs-2_5 bereich ermöglicht, der günstig für die Erzeugung ferner UV-Strahlung ist.

Ferner handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Lichtquelle um eine relativ "helle", im fernen UV-Gebiet aussendende Quelle, wobei unter "Helligkeit" die Leuchtdichte bzw. Lichtabgabeleistung pro Oberflächeneinheit des Strahlungssenders verstanden wird. Da das Fotoresist mit einem bestimmten minimalen Lichtfluß pro Flächeneinheit belichtet werden muß, muß die verwendete Beleuchtungsquelle nicht nur eine hohe Gesamtleistung im fernen UV-Bereich abgeben, sondern auch eine bestimmte minimale "Helligkeit" aufweisen, damit bis zu der Fotoresistoberfläche hin eine verlustarme übertragung erfolgen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Fotolithografiesystems unter Anwendung von ferner UV-Strahlung, wobei als Lichtquelle

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eine Bogenlampe mit Elektroden verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fotolithografiesystems unter Anwendung von ferner UV-Strahlung, wobei als Lichtquelle

eine elektrodenlose Lampe verwendet wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Elektroden-Bogenlampe , wie sie bei herkömmlichen Systemen jQ verwendet wird;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendeten/ elektrodenlosen Lampenhülle mit zugeordneten Halterungsmitteln;

Fig. 5 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungs-

form eines erfindungsgemäßen Fotolithografiesystems unter Anwendung von ferner UV-Strahlung; und

Fig. 6 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Kühlsystems zur Anwendung bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform.

2g Das in Fig. 1 als Beispiel gezeigte herkömmliche Fotolithografiesystem unter Anwendung von ferner UV-Strahlung weist als Strahlungsquelle eine XeHg-Elektroden-Bogenlampe 2, einen elliptischen Reflektor 4, einen ersten dichroitischen Spiegel 6 und einen zweiten

3Q dichroitischen Spiegel 8 sowie eine optische Integriereinrichtung 10 und eine Kollimatorlinse 12 auf.

Die Bogenlampe 2 befindet sich im Brennpunkt des elliptischen Reflektors 4/ und die Lichtenergie wird von dem dichroitischen Spiegel 6 zu einem zweiten Brennpunkt reflektiert, wo sie durch die optische Integriereinrichtung 10 räumlich gleichförmig gemacht wird. Nach Reflexion am dichroitischen Spiegel 8

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wird das Licht durch die Kollimatorlinse 12 geführt, die ein paralleles, relativ homogenes Lichtbündel auf eine Maske 14 sowie eine Halbleiterscheibe 16 in der Belichtungsebene abgibt. Die Punktion der dichroitisehen Spiegel besteht darin, die Infrarotkomponente des Lichtes zu entfernen, indem dieses durchgelassen wird, während die ültraviolettkomponente reflektiert wird.

Wie bereits erläutert wurde, konnte das in Fig. 1 gezeigte System nicht die in es gesetzten Erwartungen erfüllen, da keine bessere Strahlungsquelle für fernes UV zur Verfugung stand. Es wurden zwar bereits auch andersartige Optiksysteme mit zusätzlichen oder anderen Reflektoren und Linsen in Verbindung mit Bogenlampen verwendet, z.B. gemäß der US-PS 3 860 335, jedoch sind diese mit denselben Mängeln behaftet.

Die größte Schwierigkeit bei Verwendung von XeHg-Bogenlampen besteht darin, daß weniger als 2% der Eingangsleistung in eine Leistung im Bereich von 190 bis 260 nm umgesetzt wird, so daß eine solche Lichtquelle also für die Fotolithografie unter Anwendung von ferner UV-Strahlung einen äußerst schlechten Wirkungsgrad auf-. weist. Dies führt zu übermäßig langen Belichtungszeiten in der Größenordnung von mehreren Minuten und folglich zu einer geringen relativen Ausbeute an fertigen Halbleitervorrichtungen. Das Problem wird noch durch die Tatsache verschärft, daß die Strahlungsquelle nur eine geringe Lebensdauer von etwa 100 Stun~ den aufweist, so daß ein häufiges Auswechseln erforderlich ist, was zu Abschaltzeiten und einer weiteren Verminderung der Produktivität führt.

überdies weist die herkömmliche Strahlungsquelle eine spektrale Zusammensetzung auf, die sich mit zunehmendem Alter schnell verschlechtert, und sie hat eine räumlich ungleichförmige Lichtabgabe, so daß die An-

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Wendung einer optischen Integriereinrichtung zwingend notwendig ist. Da schließlich der Lichtbogen im wesentlichen eine Punktquelle bildet, ist eine kritische Justierung erforderlich (2.B. eine Anordnung des Lichtbogens im Brennpunkt einer Ellipse), wodurch der Aufbau der Apparatur sowie das Auswechseln von Lampen zeitraubend und schwierig wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Fotolithografiesystem unter Anwendung von ferner UV-Strahlung ist als Kernstück des Systems eine elektrodenlose Lichtquelle vorgesehen, die gebildet ist aus einer für fernes UV-durchlässigen Lampenhülle 20 und einer Mikrowellenkammer 22, innerhalb welcher die Lampe angeordnet ist. Ferner sind eine Stromversorgung 24, ein Mikrowellengenerator 26, eine Mikrowellen-Kopplungseinrichtung 28 sowie eine optische Kopplungseinrichtung 30 dargestellt.

Die Lampenhülle 20 ist mit einem Medium gefüllt, das ein Plasma bilden kann, insbesondere Quecksilber in einem Edelgas unter relativ niedrigem Druck. Wenn Mikrowellenenergie in die Hülle eingekoppelt wird, so erzeugt sie ein Plasma bzw. heißes Gas darin, das Ultraviolettlicht aussendet. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform liefert die Stromquelle 24 elektrische Energie an den Mikrowellengenerator 20, bei dem es sich typischerweise um ein Magnetron handelt, welches elektromagnetische Energie im Mikrowellenbereich erzeugt. Diese Energie wird" in die Mikrowellenkammer über eine Transmissionsleitung und einen Kopplungsschlitz in der Kammer oder durch direktes Einsetzen des Mikrowellengenerators eingekoppelt. Die Mikrowellenenergie in der Kammer wird in die Lampenhülle 20 eingekopplet und erzeugt das Plasma. Das hierdurch erzeugt Ultraviolettlicht wird durch die optische Kopplungseinrichtung 30 zu einer Maske 32 und einer Halbleiterscheibe 34 in der Belichtungsebene geführt, um die Belichtung des auf der Scheibe

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aufgeschichteten Fotoresists zu bewirken, welches für fernes UV empfindlich ist.

Die Mikrowellenkammer 22 ist aus einem leitfähigen massiven Teil 33, das insbesondere aus leitfähigem Metall gebildet ist, sowie aus einem leitfähigen Gitterteil 36 gebildet. Das Gitter ist mit ausreichender Feinheit ausgebildet, um praktisch die gesamte Mikrowellenenergie im Inneren der Kammer zu halten, behindert jedoch nicht den Austritt des Ultraviolettlichts aus dieser Kammer. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der feste bzw. massive Teil der Kammer ein Kugelteil; bei anderen Ausführungsformen ist die Kammer z.B. zylindrisch oder weist irgendeine andere geometrische Gestalt auf. Bei der gezeigten Ausführungsform ist auch die Lampenhülle kugelförmig; bei anderen Ausführungsformen haben die Lampenhüllen aber eine andere Gestalt.

2Q Die optische Kopplungseinrichtung ist insbesondere aus einer Anzahl von Linsen gebildet, welche die Ultraviolettenergie bei nur geringen Verlusten zur Ebene"

der Halbleiterscheibe führen. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt die Kopplung lediglich über die Luft. Die Erfindung ist auf alle verschiedenen Arten der Fotolithografie anwendbar, einschließlich Kontaktdruck, Annäherungsdruck und Projektionsdruck, je nach Ausbildung der optischen Kopplungseinrichtung. Um die Lichtausgangsleistung zu erhöhen, kann ein Teil der

QQ Innenseite der Mikrowellenkammer mit einem für fernes UV reflektierenden Material beschichtet werden.

Der besonders hervorzuhebende Vorteil des in Fig. 2 gezeigten Fotolithografiesystems besteht darin, daß eine Lichtquelle verwendet wird, die eine wesentlich höhere Ausgangsleistung im fernen UV-Bereich abgibt als bei herkömmlichen Systemen. Z.B. setzt die elektrodenlose Lichtquelle ungefähr 7% der elektrischen Ein-

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gangsleistung in Ausgangsleistung im fernen UV-Spektralbereich um, im Gegensatz zu nur etwa 2% bei den weites tens verbreiteten herkömmlichen Quellen. Die elektrodenlose Strahlungsquelle zeigt sich ferner durch eine hohe "Helligkeit" auf, wie sie für eine gute Belichtung von Fotoresists erforderlich ist, die für fernes UV empfindlich sind.

Hierdurch ergeben sich wesentlich kürzere Belichtungszeiten als bei herkömmlichen Systemen. Wenn z.B. das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung angewendet werden, um Fotoresists in Mehrschichttechnik zu belichten, die unter dem Stichwort der tragbaren, anpassbaren Maske bekannt ist, welche verwendet wird, um Linien einer Breite von weniger als einem Mikrometer über profilierte Oberflächen aufzudrucken, so werden Belichtungszeiten von etwa 30 Sekunden erwartet, im Gegensatz zu Minuten, die bei den herkömmlichen Systemen erforderlich sind.

Ferner wird im voraus angenommen, daß die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Lampe wenigstens 500 Stunden beträgt, im Gegensatz zu nur etwa 100 Stunden bei Bogenlampen, wobei überdies die spektrale Zusammensetzung weniger alterungsabhängig ist.

Wie in der bereits genannten US-PS 3 569 083 erläutert ist, ist ferner in,den herkömmlichen Systemen eine optische Integriereinrichtung erforderlich, um die ungleichförmige Lichtabgabe des Lichtbogens vor dem Auftreffen auf der Scheibe zu vergleichmäßigen. Diese Integriereinrichtung ist üblicherweise eine Fliegenaugenlinse mit einer Vielzahl von Segmenten. Da jedoch die elektrodenlose Lampe, wie weiter unten erläutert wird, eine Volumenquelle ist, sendet sie die Strahlung relativ gleichförmig in alle Richtungen aus, so daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine optische Integriereinrichtung voraussichtlich ent-

fallen kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die elektrodenlose Lampe, da sie ein Volumenstrahler ist, keine kritische Justierung in bezug auf die optische Kopplungseinrichtung erfordert. Im Gegensatz hierzu müssen Bogenlampen, deren Lichtbogen eine Punktquelle bildet, kritisch justiert werden, z.B. im Brennpunkt eines elliptischen Reflektors bei dem in Fig. 1 gezeigten System.

Die oben erläuterten Vorzüge, die sich durch die Anwendung einer elektrodenlosen Lampe ergeben, werden unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 leichter verständlich, die eine herkömmliche kompakte Bogenlampe und eine erfindungsgemäße elektrodenlose Lampe einander gegenüberstellen.

Es wird zunächst auf Fig. 3 bezug genommen. Die Bogenlampe besteht aus einer Hülle 50, in der ein Gemisch aus Gasen, z.B. Hg und Xe, unter relativ hohem Druck enthalten ist und Elektroden 51, 52 angeordnet sind. Wenn eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden angelegt wird, wird das darin enthaltene Gas ionisiert, und es tritt eine relativ kompakte Bogenentladung 53 auf.

Der Bereich 54 zwischen der Entladung und der Lampenwandung bildet eine kältere,·neutrale Grenzschicht bedeutender Dicke, Es wird angenommen, daß diese neutrale Grenzschicht als Filter wirkt und einen Teil ; der fernen UV-Strahlung absorbiert, die von dem Lichtbogen ausgeht. Während ferner der Anteil an fernem UV durch einen Betrieb bei niedrigen Drücken gefördert wird, können jedoch Bogenlampen wegen des Vorhandenseins der Elektroden in diesem Bereich nicht betrieben werden. Ein Betrieb bei niedrigen Drücken bewirkt ein Zerstäuben der Elektroden, und das zerstäubte Material

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setzt sich auf der Lampenhülle nieder, wodurch die Lichtausgangsleistung und die Lebensdauer der Lampe weiter vermindert werden.

Die in Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäße elektrodenlose Lampe umfaßt eine Hülle 55/ insbesondere aus qualitativ hochwertigem Quarz, die mit einem Medium gefüllt ist, das ein Plasma bilden kann, insbesondere mit Quecksilber, mit einer daran befestigten mechanisehen Halterung 56, die an einem Ständer 57 zum Haltern der Hülle im Inneren einer Mikrowellenkammer befestigt ist. Wenn Mikrowellenenergie in die Kammer eingespeist wird, wird das in der Hülle enthaltene, ein Plasma bildende Medium praktisch in dem gesamten Hüllenvolumen erregt und sendet Ultraviolettstrahlung aus, mit einer Kontur, die der Form der Hülle entspricht.

Da die 'elektrodenlose Lampe eine Volumenquelle ist, in der das Plasma die Hülle praktisch vollständig ausfüllt, tritt nur eine sehr dünne neutrale Grenzschicht 58 zwischen der Entladung und der Hüllenwandung auf. Es wird angenommen, daß die dünne Grenzschicht fernes UV in einem wesentlich geringeren Maße absorbiert als die dickere Grenzschicht bei kompakten Bogenlampen. Da ferner die Hülle keine Elektroden aufweist, ist ein Betrieb bei niedrigen Drücken zur Förderung der Ausbeute an fernem UV möglich, und zwar bei hoher Leistungsdichte, wodurch eine hohe Leuchtdichte im fernen UV-Gebiet erhalten wird. Insbesondere ist ein Betrieb bei einem Quecksüberdruck von 1 bis 5 Atmosphären mit einer Leistungsdichte von 250 bis 1.000 Watt pro Kubikzentimeter möglich. Der Betrieb bei niedrigem Druck in einem Mikrowellenfrequenz· bereich von 2,45 Ghz bewirkt eine relativ geringe Eindringtiefe (ε), die insbesondere geringer ist als der Radius eines Kolbens mit etwa 19 mm Durchmesser, mit dem Ergebnis/ daß der größte Teil der in die Hülle

im Inneren der Kammer eingekoppleten Energie in dem äußeren Bereich des Hüllenvolumens absorbiert wird, also näher an der Innenwandung, Hierdurch wird die Ausbeute im fernen UV-Bereich unterstützt, da weiter im Inneren der Hülle emittierte Strahlung in einem bedeutenden Maße durch das Plasma absorbiert wird,' das sie durchqueren muß, um bis zu der Hüllenwandung zu gelangen.

IQ Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Ausführung der Fotolithografie unter Anwendung von ferner UV-Strahlung. Eine elektrodenlose Lampe 60 besteht aus einer Mikrowellenkammer 62 und einer Lampenhülle 64/ die darin angeordnet ist. Die

IQ Mikröwellenkammer besteht aus einem kugelförmigen Teil mit einer kreisförmigen öffnung 65 ud einem ebenen, kreisförmigen Gitterteil 66, der an dem kugelförmigen Teil über der öffnung 65 befestigt ist. Sowohl der kugelförmige Teil als auch der Gitterteil ist aus leitfähigem Material wie Kupfer oder Aluminium gebildet. Ferner kann ein Teil der Innenseite der Kammer mit einem Material beschichtet sein, weiches für fernes UV reflektierend ist.

Der kugelförmige Teil der Kammer weist einen rechtwinkligen Schlitz 68 an der geeigneten Stelle zum Einkoppeln der Mikrowellenenergie auf. Die Lampenhülle 64 ist kugelförmig und in der Nähe der Mitte der kugelförmigen Kammer angeordnet. Sie besteht aus hochreinem Quarz, das für fernes UV durchlässig ist. An der Hülle ist ein Quarzschaft 70 zur Halterung der Hülle in der Kammer befestigt. Um die Kühlung der Lampenhülle während des Betriebs zu gewährleisten, wird sie in Drehung versetzt, während mehrere Druckluftströmungen auf sie gerichtet sind; das Kühlsystem ist im einzelnen in Fig. 6 dargestellt.

Um die Lampenhülle in Drehung zu versetzen, ist ein

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Elektromotor 72 vorgesehen, der in Fig. 5 gezeigt ist. Ein Montageflansch 74 für die Montage des Motors ist an der Kammer befestigt, und der Motor 72 ist an diesem Flansch befestigt. Die Antriebswelle 76 des Motors ist in eine auf der linken Seite dargestellte Muffe 78 eingesetzt und darin z.B. mittels einer Feststellschraube befestigt. Der Quarzschaft 70 ist an dem in der Zeichnung rechts gezeigten Teil der Muffe 78 z.B. durch Kitten befestigt. Der Schaft 70 bildet also eine Verlängerung der Antriebswelle 76 des Motors 72, der also die Lampenhülle in Drehung versetzt.

Die Mikrowellenenergie wird durch ein Magnetron 80 erzeugt, das von einer Stromversorgung 82 versorgt wird. Die erzeugte Energie wird in die Kammer 62 über einen rechtwinkligen Wellenleiterabschnitt 84 eingespeist, der einen Abgleichstutzen 86 zum Optimieren der Kopplung aufweist.

Die kugelförmige Lampenhülle 64 ist in Richtung der ersten Linse ein gleichförmiger Strahlungssender, und die Funktion des optischen Systems, das in der Zeichnung gezeigt ist, besteht darin, die aus dem Gitter austretende Strahlung bei möglichst geringem Verlust an die Scheibe 88 anzukoppeln. Die Maske 90 ist in Berührung mit oder in engster Nähe an der Scheibe 88 ■ angeordnet, wodurch das gezeigte System ein Kontaktoder Näherungssystem bildet, wenngleich die Erfindung auch auf andersartige Systeme anwendbar ist, insbesondere auch auf Projektionssysteme.

Das gezeigte optische System besteht aus einem Kondensorabschnitt mit den Linsen 92, 94 und 96 und einem Integrierabschnitt mit den Linsen 98 und 100 sowie aus einem Kollimatorabschnitt mit der Linse 102. Dichroitische Spiegel 104 und 106 sind vorgesehen, um die Infrarot- und längerwelligen UV- sowie die sichtbaren Komponenten aus der Strahlung zu entfernen, indem

sie diese Komponenten durchlassen, während sie Ultraviolettlicht reflektieren.

Während das spezielle optische System als solches nicht zur Erfindung gehört, wird es nichtsdestoweniger der Vollständigkeit halber ausführlich erläutert. Hierzu wird auf Fig.5 bezug genommen. Das Linsenelement 92 von nicht-sphärischer Form bildet ein Rotationsparaboluid in bezug auf die optische Achse und hat

₁q die Aufgabe, die Größe sowie Aberrationen in der Anordnung minimal zu machen. Das zweite Linsenelement ist mit 94 bezeichnet, und das dritte Linsenelement 96 ist eine negative Linse, die eine Sammlung des Lichtes erfmöglicht, wobei jedoch zwischen der Quelle und dem ersten Linsenelement ein großer freier Raum verbleibt.

Die integrierende Linsenanordnung besteht aus Fliegenaugenlinsen 98 und 100, von denen jede eine Segmentlinse mit sieben Elementen ist. Jedes Element ist von sechseckiger Gestalt, so daß die Anordnung ein zentrales Element aufweist, das von sieben anderen umgeben ist. Die Linse 98 wird als Feldlinse bezeichnet, und ihre Gestalt kann für die Steuerung der Gleichförmigkeit an der Scheibenoberfläche von Bedeutung sein. Die Linse 100 ist das Objektiv der Integriereinrichtung, und sie entspricht derselben Vorschrift wie die nominelle Feldlinse _f jedoch bei unterschiedlicher Orientierung. Im zusammengebauten Zustand sind die flachen Oberflächen der Linsen einander zugewandt, und wenn es erforderlich ist, die Größe des Formats an der Oberfläche der Scheibe zu verändern, so kann der Formatdurchmesser geringfügig nachgestellt werden, indem der Abstand zwischen den beiden Elementen verändert wird. Ein geringerer Abstand verursacht eine Zunahme des Durchmessers ungefähr um dasselbe Maß wie die Änderung des Abstandes.

Schließlich bildet die Kollimatorlinse 102 ein Bild

der Feldlinsensegmente der Integriereinrichtung an der Oberfläche der Scheibe. Der Kollimator ist von ausreichender Größe, um den erforderlichen Durchmesser der Scheibenoberfläche mit telezentrischen Lichtkegeln aus der vorgeschalteten Optik auszufüllen.

Das aus der Kollimatorlinse 102 austretende Licht gelangt über einen Verschluß 105 zur Maske 90 und der mit Fotoresist beschichteten Halbleiterscheibe 88. Der Verschluß ist elektrisch betätigt und so steuerbar, daß die geünschte Strahlungsdosis auf der Halbleiterscheibe erhalten wird.

Bei der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Metallkammer 62 eine Kugel mit einem Durchmesser von 102 mm mit einer kreisförmigen Öffnung von 63,5 mm, die durch das Gitter 66 bedeckt ist. Das Gitter 66 besteht aus Drähten eines Durchmessers von 0,043 mm mit Abständen von 0,84 mm zwischen den Drahtmitten.

Die kugelförmige Lampenhülle 64 weist einen Innendurchmesser von 19 mm auf und ist mit Quecksilber, einem Edelgas wie Argon und HgCl gefüllt. Die Argonfüllung weist einen relativ niedrigen Druck auf, und während des Betriebs hat das Quecksilber einen Druck von 1 bis 5 Bar, während das Argon einen Druck von etwa 0,133 bis 0,266 Bar (100 bis 200 Torr) aufweist. Der Zweck der Beimischung von HgCl besteht darin, eine gleichförmige Grenzschicht zu erzeugen, um das ■ Plasma vort der Wandung der Lampenhülle fernzuhalten.

Um den geeigneten Hg-Betriebsdruck zu erhalten, wird ein Volumen von etwa 2 χ 10 ml flüssigen Quecksilbers bei der Herstellung in dem Kolben eingebracht.

Das Magnetron 80 liefert etwa 1.500 Watt Mikrowellenleistung bei einer Frequenz von 2.450 Mhz. Diese Leistung wird praktisch vollständig bzw. größtenteils in die Mikrowellenkammer eingekoppelt, was zu einer Leistungsdichte von etwa 500 Watt pro Kubikzentimeter

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bei der bevorzugten Ausführungsform führt. Die so entstandene Lichtquelle weist einen Wirkungsgrad von etwa 7% bei der Umsetzung in ferne UV-Strahlung auf und bildet eine helle Lichtquelle, die etwa 190 Watt pro Kubikzentimeter abstrahlt.

Wie oben bereits herausgestellt wurde, besitzt die elektrodenlose Lampe eine relativ gleichförmige Strahlungsemission. Es ist daher möglich, die in Pig. 5 gezeigten integrierenden Linsen fortzulassen, wobei geringe Abwandlungen des verbleibenden Systems vorgenommen werden, um ein gleichförmiges bzw. homogenes Lichtbündel in der Ebene der Scheibe zu erzeugen, und zwar auch ohne Anwendung von derartigen integrierenden Elementen.

Fig." -6 ■ zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zur Kühlung der Lampenhülle 64 während des Betriebs. Da die Leistungsdichte in der Hülle sehr hoch ist, kann sie während des Betriebs äußerst heiß werden, und zusätzlich ist die kühlende neutrale Grenzschicht in einer elektrodenlosen Lampe dünn und bewirkt keinen sehr guten Kühleffekt. Es wurde gefunden, daß eine herkömmliche Kühltechnik, bei der eine oder mehrere Druckluftströmungen auf die Hülle gerichtet werden, unzureichend ist, um einen solchen Kolben zu kühlen.

Bei dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten Kühlsystem wird die Lampe in Drehung versetzt, während eine oder mehrere Druckluftströmungen auf sie gerichtet werden. Bei der in Fig. 6 gezeigten bevorzugten Ausführungsform des Kühlsystems wird die Lampe um eine Achse VIO gedreht, die mit dem Schaft 70 in Fig. 5 zusammenfällt, und Druckluftströme werden über Leitungen 112, 114,116 und 118 auf sie gerichtet, wobei diese Leitungen sich in einer Ebene befinden, welche die Kugel schneidet, und von einer Druckluftzufuhr 120 gespeist werden. Nur durch Drehung des Kolbens und gleichzeitige

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Kühlung desselben durch einen oder mehrere Strömungen kann das Auftreten von Uberhitzungsstellen und das Explodieren des Kolbens verhindert werden.

Die obige ausführliche Beschreibung des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung macht deutlich, daß die eingangs genannten Vorzüge bei der Anwendung auf Fotolithografie mittels ferner UV-Strahlung tatsächlich erreicht werden. Es sind jedoch auch andere Anwendungen als die Fotolithografie vorgesehen, bei denen eine Bestrahlung eines Substrats mit fernem UV-Licht erforderlich ist, z.B. die fotochemische Dünnschichtablagerung. - ·

Claims

PRINZ, B'UiUkh" «TpAWfNfER 3^I 1249 Patentanwälte"··* * "European •f'atent· Attorneys München Stuttgart 25. März 1983 FUSION SYSTEMS CORPORATION 12140 Parklawn Drive Rockville, Maryland 20852 /V.St.A, Unser Zeichen: F 945 Patentansprüche

1. Fotolithografiegerät, das mit ferner UV-Strahlung arbeitet/ die von einer Lichtquelle erzeugt und in einer Belichtungsebene abgebildet wird, in der ein mit Fotoresist beschichtetes Halbleitersubstrat belichtet werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine mikrowellenerregter elektrodenlose Lichtquelle ist, welche Strahlung im fernen UV-Spektralbereich aussendet.

2_# Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellenerregte, elektrodenlose Lichtquelle umfaßt:

einen Kolben aus ultraviolettdurchlässigem Material, der ein ein Plasma bildendes Medium enthält? und

eine Einrichtung zum Einkoppeln von Leistung im Mikrowellenfrequenzbereich an den Kolben zur Erzeugung des Plasmas und Anregung desselben zum Aussenden der genannten Strahlung.

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3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß das das Plasma bildende Medium sich im Inneren des Kolbens unter einem relativ niedrigen Druck befindet.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Kolben und in das Innenvolumen desselben gekoppelte Mikrowellenleistung derart bemessen ist, daß die Leistungsdichte im Inneren dieses Kolbens wenigstens 250 Watt pro Kubikzentimeter beträgt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ankoppeln der Mikrowellenleistung eine Mikrowellenkammer umfaßt, innerhalb welcher der Kolben angeordnet ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

Mikrowellenkammer aus einem festen bzw. massiven Teil und einem Gitterteil gebildet ist und einen in dem festen bzw. massiven Teil gebildeten Koppelschlitz aufweist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt des festen bzw. massiven Teils kugelförmig ist.

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8. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichquelle einen allgemein kugelförmigen Kolben aufweist.