DE3447488C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Projektionsbelichtungsgerät gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein solches Projektionsbelichtungsgerät, das bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie integrierten Schaltungen sowie integrierten Schaltungen hohen Integrationsgrades (LSI) und höchsten Integrationsgrades (VLSI) eingesetzt wird.
Auf dem Gebiet der Halbleitervorrichtungen wurde die Miniaturisierung der Schaltungsmuster gefördert, um eine hohe Integrationsdichte der Vorrichtungen zu erreichen.
Diese gesteigerte Miniaturisierung hat die Entwicklung verbesserter Belichtungsgeräte notwendig gemacht, mit denen ein Halbleiterplättchen mit einem auf einer Maske gebildeten Schaltungsmuster belichtet wird, um das Schaltungsmuster auf das Plättchen aufzuzeichnen bzw. aufzudrucken. Mit dieser Entwicklung wurden gegenüber den herkömmlichen Kontakt- oder Nahabstands-Belichtungsgeräten die Projektionsbelichtungsgeräte vorherrschend. Die Projektionsbelichtungsgeräte enthalten abbildende optische Systeme wie Spiegel-Projektionssysteme oder Linsen-Projektionssysteme.
Ein Linsen-Projektionsbelichtungsgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist bekannt (US 40 84 903). Dieses bekannte Projektionsbelichtungsgerät weist einen automatischen Scharfeinstellmechanismus auf, mittels dessen die Oberfläche des Halbleiterplättchens automatisch in die Schärfenebene des Linsensystems gebracht werden soll. Zu diesem Zweck ist in einem vorbestimmten Abstand von der Stirnseite des Linsensystems ein Bezugspunkt gewählt, der im bekannten Fall in der Schärfenebene des Linsensystems liegt, so daß der vorgegebene Abstandssollwert für den Abstand des zweiten Objektes vom Bezugspunkt gleich Null ist. Der Abstandsistwert des zweiten Objektes wird gemessen, und das zweite Objekt bzw. Halbleiterplättchen wird mittels der Stelleinheit unter Steuerung durch die Steuereinrichtung so bewegt, daß der Abstandssollwert erreicht wird. Dadurch wird die Oberfläche des Halbleiterplättchens auf einen konstanten Abstand von der Stirnfläche des Linsensystems gebracht und mit hoher Genauigkeit in der Schärfenebene angeordnet, solange der Ort der Schärfenebene des Linsensystems bekannt ist und unveränderbar ist. Falls sich jedoch aus irgendeinem Grund die Schärfenebene des Linsensystems verschiebt, ist es nicht mehr möglich, die Oberfläche des Halbleiterplättchens genau mit der Schärfenebene in Deckung zu bringen.
Dies wird nun ausführlicher erläutert. Allgemein ist ein Grenzauflösungsvermögen L des Projektions-Belichtungsgeräts durch
L=1,6λ Fe (1)
gegeben, wobei λ die Wellenlänge der Belichtungsstrahlen ist und Fe die Blendenzahl des optischen Systems ist. Zum Verbessern des Auflösungsvermögens L ist es erforderlich, eine kürzere Wellenlänge λ zu benutzen und/oder die Blendenzahl Fe zu verkleinern. Andererseits ergibt sich die Schärfentiefe D des optischen Systems zu:
D=±λ Fe² (λ/8-Standard) (2)
Daher wird durch eine Steigerung des Auflösungsvermögens L, nämlich eine Verringerung der Wellenlänge λ und/oder der Blendenzahl die Schärfentiefe geringer. Üblicherweise finden bei den Projektions-Belichtungsgeräten die G-Linien- Wellenlänge (λ=436 nm) und eine Blendenzahl von ungefähr 1,43 Anwendung. In diesem Fall beträgt die Schärfentiefe D nur ±0,9 µm. Infolgedessen kann dann, wenn bei dem Linsenprojektions- Belichtungsgerät mit dem vorstehend beschriebenen Scharfeinstellmechanismus die Schärfenebene des Linsensystems aus irgendeinem Grund versetzt ist, das Schaltungsmuster nicht genau auf die Plättchenoberfläche projiziert werden.
Mögliche Faktoren für die Versetzung der Schärfenebene des optischen Projektionssystems sind: (1) Änderungen der Temperatur der Luft zwischen der Maske und dem Plättchen und Änderungen der Temperatur der Gläser in dem optischen Projektionssystem, (2) Änderungen des Drucks der Umgebungsluft zwischen der Maske und dem Plättchen und (3) Änderungen der Feuchtigkeit der Luft zwischen der Maske und dem Plättchen.
Bei den Komponenten des optischen Systems können sich gemäß dem Faktor (1) der Krümmungsradius einer Linsenoberfläche, der Abstand zwischen Linsenoberflächen und der durch die Luft und das Glasmaterial bestimmte relative Brechungsindex ändern. Änderungen dieser Größen würden eine Versetzung der Brennebene und somit der Schärfenebene des optischen Systems ergeben. Zahlenmäßig verursacht von den vorstehend genannten drei Faktoren die Temperaturänderung die größte Schärfenebenenversetzung. Herkömmlicherweise wurde zum Regeln der Temperatur in dem Belichtungsgerät und zum Regeln der Umgebungsbedingungen des Geräts eine Klimatisiereinrichtung verwendet, um dadurch das Ausmaß der Schärfenebenenversetzung zu verringern.
Andererseits wurde hinsichtlich der Faktoren (2) und (3) bezüglich der Änderungen des Drucks der Umgebungsluft und der Änderungen der Luftfeuchtigkeit von J. C. Owens eine sorgfältige Untersuchung ausgeführt, die in "Applied Optics", 1967, Nr. 1 veröffentlicht wurde; daraus ist es bekannt, daß durch Änderungen des Drucks und der Feuchtigkeit der Umgebungsluft Änderungen des Brechungsindex der Luft hervorgerufen werden. Da sich in diesem Fall der Brechungsindex des Glasmaterials nicht wesentlich ändert, ändert sich der relative Brechungsindex an der brechenden Fläche.
Der durch das Glasmaterial und die Luft bestimmte relative Brechungsindex n ist durch
n = nG/nA
gegeben, wobei nG der absolute Brechungsindex des Glasmaterials ist und nA der absolute Brechungsindex der Luft ist. Der Brechungsindex nA ist ungefähr "1", so daß sich bei einer Änderung des absoluten Brechungsindex nA um eine Größe ΔnA eine Änderung Δn des relativen Brechungsindex n zu
|Δn| ≈ nG · ΔnA
ergibt. Üblicherweise ist der Brechungsindex nG ungefähr 1,5. Hieraus folgt:
|Δn| ≈ 1,5 ΔnA
Demgemäß ist festzustellen, daß die Änderung des Brechungsindex der Luft eine Änderung des relativen Brechungsindex zwischen dem Glasmaterial und Luft in einem Ausmaß hervorruft, das 1,5mal so groß ist wie das Ausmaß der Änderung des Brechungsindexder Luft selbst. Wenn sich beispielsweise der Umgebungsluftdruck um 6,67 hPa (5 mmHg) ändert, ändert sich der Brechungsindex der Luft um ungefähr 1,8×10-6. Dies entspricht einer Änderung von 2,7×10-6 des relativen Brechungsindex zwischen Glas und Luft und ferner einer Schärfenebenenversetzung von ungefähr 0,5 bis 1,5 µm (wobei die Versetzung in Abhängigkeit von den Eigenschaften des optischen Projektionssystems unterschiedlich ist). Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Belichtungsgeräts kann ein derartiges Ausmaß der Schärfenebenenversetzung nicht außer acht gelassen werden, was infolge des Umstands offensichtlich ist, daß gemäß der vorstehenden Beschreibung die Schärfentiefe im Bereich von ±0,9 µm liegt.
Es wurde festgestellt, daß bei dem tatsächlichen Auftreten einer derartigen Änderung auch eine Änderung bzw. ein Fehler des Abbildungsmaßstabes, der im folgenden auch als "Vergrößerung" bezeichnet wird, bei der Projektion des Musters über das optische System auf die Plättchenoberfläche auftritt. Üblicherweise werden die Halbleitervorrichtungen durch Überlagern verschiedener Muster an dem Halbleiterplättchen gebildet. Falls sich bei den verschiedenen Schaltungsmustern die Vergrößerung bei der Musterprojektion ändert, ist es schwierig, diese Schaltungsmuster an dem Halbleiterplättchen genau zu überlagern bzw. in Deckung zu bringen. Dies ergibt eine nachteilige Verschlechterung der Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung verursachen bei den Linsen-Projektionsbelichtungsgeräten die Änderungen der Umgebungsbedingungen wie des Umgebungsluftdrucks, der Temperatur, der Feuchtigkeit und dergleichen durch den Schärfenebenenfehler und den Vergrößerungsfehler Unzuträglichkeiten. Herkömmlicherweise werden diese Fehler dadurch korrigiert, daß einmal in drei Tagen eine Probebelichtung vorgenommen wird und eine komplizierte Einstellung des Belichtungsgeräts ausgeführt wird, um eine optimale Aufzeichnung der Muster auf das Halbleiterplättchen sicherzustellen.
In der japanischen Patentanmeldung Nr.58-2 30 578 vom 8. Dezember 1983 wurde vorgeschlagen, die Temperatur des optischen Projektionssystems zu messen und entsprechend der Änderung der Lage der Schärfenebene des optischen Systems den Abstand zwischen dem optischen System und der Plättchenoberfläche zu ändern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Projektionsbelichtungsgerät dahingehend weiterzubilden, daß insbesondere durch Änderungen des Umgebungsdrucks verursachten Schärfeebenenfehlern und Vergrößerungsfehlern vorgebeugt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Projektionsbelichtungsgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Projektionsbelichtungsgerät zeigt, anhand dessen die Korrektur eines Schärfenebenenfehlers erläutert wird.
Fig. 2 ist eine Blockdarstellung, die ein Beispiel für ein Steuersystem des Projektionsbelichtungsgerätes nach Fig. 1 zeigt.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die ein Projektionsbelichtungsgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist eine Blockdarstellung, die ein Beispiel für ein Steuersystem des Projektionsbelichtungsgerätes nach Fig. 3 zeigt.
Das Belichtungsgerät gemäß den Fig. 1 und 2 weist nicht sämtliche Merkmale eines erfindungsgemäßen Belichtungsgerätes auf.
Bei den nachstehend beschriebenen Geräten handelt es sich jeweils um ein Belichtungsgerät für stufenweises und wiederholtes Belichten bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie integrierten Schaltungen, integrierten Schaltungen hohen Integrationsgrads (LSI), integrierten Schaltungen sehr hohen Integrationsgrads (VLSI) und dergleichen, wobei in dem Belichtungsgerät ein auf einer Maske gebildetes Schaltungsmuster über ein optisches Linsensystem unter Verkleinerung auf ein Halbleiterplättchen projiziert wird, so daß das Schaltungsmuster auf das Plättchen gedruckt bzw. aufgezeichnet wird. In der folgenden Beschreibung bezüglich der Fig. 1 und 3 wird die Richtung der optischen Achse des Linsensystems als Z-Achsen-Richtung bezeichnet, die Richtung, die in einer zur optischen Achse des Linsensystems senkrechten Ebene liegt und sich in der Zeichnung horizontal erstreckt, als X-Achsen-Richtung bezeichnet und die Richtung, die in dieser Ebene liegt und sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt, als Y-Achsen-Richtung bezeichnet.
Die Fig. 1 zeigt ein Belichtungsgerät mit einem optischen Linsensystem 2 für das Projizieren eines auf einem Netz bzw. einer Maske 1 gebildeten Schaltungsmusters zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen auf ein Halbleiterplättchen 4, auf dessen Oberfläche eine strahlenempfindliche Beschichtung aufgebracht ist. Das Linsensystem 2 wird von einem Tubus 3 gehalten. Zum Ermitteln des Abstands zwischen dem Tubus 3 und der Oberfläche des Plättchens 4 dient eine Meßeinrichtung 5. Entsprechend dem Ausgangssignal der Abstands- Meßeinrichtung 5 wird das Plättchen 4 in der Richtung der Z-Achse so bewegt, daß die Oberfläche des Plättchens 4 automatisch mit der Schärfenebene des Linsensystems 2 in Übereinstimmung gebracht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Abstands-Meßeinrichtung 5 Luft-Mikrometer auf, bei denen aus einer Düse Luft unter konstantem Druck ausgestoßen wird und die Entfernung bzw. der Abstand zwischen einem Objekt und der Mündung der Düse aus dem Gegendruck während des Luftausstoßes ermittelt wird. Mit 6 sind diese Mündungen der Abstandsmeßdüsen bezeichnet, die als eine Einheit mit dem Tubus 3 gestaltet sind. Mit 7 ist ein Bezugspunkt bzw. eine Nullkoordinate der Abstands-Meßeinrichtung 5, nämlich eine Bezugsebene bezeichnet, die eine fiktive Ebene ist. Mit 8 ist die optische Achse des Linsensystems 2 bezeichnet, das mehrere Linsenelemente aufweist.
Die Fig. 2 zeigt schematisch das Steuersystem des Belichtungsgerätes nach Fig. 1. Ein Atmosphären- bzw. Luftdruckfühler 11, ein Temperaturfühler 12 und ein Feuchtefühler 13 erfassen die Umgebungsbedingungen des Gerätes nach Fig. 1. Die Ausgangssignale dieser Fühler werden einer Steuereinrichtung in Form eines Mikroprozessors 15 zugeführt. Ferner ist an den Mikroprozessor 15 auch der Abstandsfühler bzw. die Abstands- Meßeinrichtung 5 angeschlossen. Der Mikroprozessor 15 ist mit einer Z-Achsen-Stelleinheit 16 verbunden, die entsprechend einem aus dem Mikroprozessor 15 zugeführten Ausgangssignal das Plättchen 4 in der Richtung der Z-Achse verstellt. Der Mikroprozessor 15 berechnet aus den Ausgangssignalen des Luftdruckfühlers 11, des Temperaturfühlers 12 und des Feuchtefühlers 13 das Ausmaß der Abweichung der Schärfenebene des Linsensystems 2 gegenüber der Nullkoordinate 7 der Abstands-Meßeinrichtung sowie aus dem Ausgangssignal der Abstands-Meßeinrichtung 5 den Abstand zwischen der Nullkoordinate 7 der Abstands-Meßeinrichtung und der Oberfläche des Plättchens 4. Nach der Korrektur des Sollwertes dieses Abstands um eine der Abweichung entsprechende Größe führt der Mikroprozessor 15 der Z-Achsen-Stelleinheit 16 ein Signal über das Ausmaß einer Verstellung in der Richtung der Z-Achse zu.
Im Betrieb tritt das von einer nicht gezeigten Lichtquelle abgegebene Licht durch die Maske 1 hindurch und in das Linsensystem 2 ein. Durch das Linsensystem 2 wird das Schaltungsmuster der Maske 1 in der Schärfenebene des Linsensystems 2 abgebildet. Mit der Abstands-Meßeinrichtung 5 wird der Gegendruck der aus den Mündungen 6 der jeweiligen Luftdüse ausgestoßenen Luft erfaßt. Aufgrund des erfaßten Gegendrucks berechnet der Mikroprozessor 15 nach einem vorbestimmten Programm den Abstand zwischen der Nullkoordinate 7 der Abstands-Meßeinrichtung und der Oberfläche des Plättchens 4, der nachfolgend als Abstandsistwert bezeichnet wird, und betreibt die Stelleinheit 16 zum Bewegen des Plättchens 4 in der Richtung der Z-Achse so, daß der Abstandsistwert im wesentlichen gleich dem vorgenannten Abstandssollwert wird.
Die Nullkoordinate 7 der Abstands-Meßeinrichtung 5 wird üblicherweise so festgelegt, daß die Lage der Schärfenebene des Linsensystems 2 unter vorbestimmten Bedingungen mit der Nullkoordinate 7 der Abstands- Meßeinrichtung übereinstimmt. Daher wird nach dem Abschluß der automatischen Scharfeinstellung normalerweise die Oberfläche des Plättchens 4 auf die Nullkoordinate 7 der Abstands- Meßeinrichtung eingestellt sein.
Falls die Schärfenebene des Linsenssystems 2 genau mit der Nullkoordinate 7 der Abstands-Meßeinrichtung übereinstimmt, befindet sich die Oberfläche des Plättchens 4 am Ort der Nullkoordinate 7 in der Schärfenebene des Linsensystems 2. Falls sich jedoch die Umgebungsbedingungen wie der Umgebungsluftdruck, die Temperatur und die Feuchtigkeit ändern, ändert sich auf die vorangehend beschriebene Weise die Lage der Schärfenebene des Linsensystems 2. Daher würde in einem solchen Fall bei unverändertem Abstandssollwert die Oberfläche des Plättchens 4 nicht mehr mit der Schärfenebene des Linsensystems 2 zusammenfallen.
Bei dem beschriebenen Belichtungsgerät sind der Luftdruckfühler 11, der Temperaturfühler 12 und der Feuchtefühler 13 vorgesehen, so daß durch den Mikroprozessor 15 das dem Ausmaß der Änderungen des Luftdrucks, der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit entsprechende Ausmaß der Schärfenebenen-Abweichung berechnet wird, um den Abstandssollwert und somit das Ausmaß der Bewegung des Plättchens 4 in der Richtung der Z-Achse zu korrigieren. Wenn man die auf den Änderungen des Luftdrucks, der Temperatur bzw. der Feuchtigkeit beruhenden Schärfenebenen- Versetzungen mit ΔZP, ΔZT bzw. ΔZH bezeichnet, kann die gesamte Schärfenebenen-Abweichung ΔZd ausgedrückt werden durch:
ΔZd = ΔZp+ΔZT+ΔZH (3)
ΔZP = K₂ · ΔP
ΔZT = K₁ · ΔT
ΔZH = K₃ · ΔH
wobei mit ΔP, ΔT und ΔH jeweils die Änderungen des Luftdrucks, der Temperatur bzw. der Feuchtigkeit bezeichnet sind und K₁, K₂ und K₃ jeweils Konstanten sind. Diese Konstanten K₁, K₂ und K₃ können zwar durch Berechnungen ermittelt werden, jedoch ist es praktischer, sie durch Versuche zu ermitteln. Ferner wird gemäß den vorstehenden Gleichungen die Schärfenebenen-Abweichung ΔZd als lineare Funktion bzw. Funktion erster Ordnung von ΔP, ΔT und ΔH erfaßt; theoretisch können jedoch Auswirkungen von Gliedern zweiter oder höherer Ordnung vorliegen. Die Erfassung mittels der Gleichungen erster Ordnung ist jedoch ausreichend, da in der Praxis die Werte für ΔP, ΔT und ΔH sehr klein sind.
Der Mikroprozessor 15 ermittelt den korrigierten Abstandssollwert in der Weise, daß die bezeichnete Schärfenebenen-Abweichung kompensiert wird, und betreibt die Z-Achsen-Stelleinheit 16 zu einer derartigen Bewegung des Plättchens 4 in der Richtung der Z-Achse, daß der Abstandsistwert gleich dem korrigierten Abstandssollwert wird. Der mittels der Abstands-Meßeinrichtung 5 erfaßte Abstandsistwert wird dem Mikroprozessor 15 zugeführt. Der Mikroprozessor 15 steuert dann fortlaufend die Z-Achsen-Stelleinheit 16 an, bis die Differenz zwischen dem Abstandsistwert und dem Abstandssollwert gleich einem zulässigen Grenzwert oder kleiner wird.
Anhand der Fig. 3 und 4 wird nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsgerätes beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden entsprechend den erfaßten Änderungen der Umgebungsbedingungen sowohl der Vergrößerungsfehler als auch der Schärfenebenenfehler korrigiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind den anhand der Fig. 1 und 2 erläuterten Elementen entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Korrektur des Schärfenebenenfehlers erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 in der Weise, wie dies vorstehend anhand der Fig. 1 und 2 grundsätzlich erläutert worden ist.
Nach Fig. 3 weist das Belichtungsgerät ein optisches Belichtungssystem 21 zum Bestrahlen einer Maske 1 mit Licht aus einer nicht gezeigten Lichtquelle auf. Bei dieser Bestrahlung wird ein auf der Maske 1 gebildetes Schaltungsmuster über ein optisches Linsensystem 2 unter Verkleinerung auf ein Halbleiterplättchen 4 projiziert, so daß das Schaltungsmuster unter Verkleinerung auf dem Plättchen 4 aufgezeichnet wird. Ferner weist das Belichtungsgerät ein Richtmikroskop 22 für das Beobachten einer Lageabweichung zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 4 in der XY-Ebene, einen Maskenträger 23 zum Halten der Maske 1, einen Haltesockel 24 zum Halten des Linsensystems 2 mittels eines Tubus und einen Plättchenträger 28 zur Halterung des Plättchens 4 auf. Der Plättchenträger 28 ist mit einer piezoelektrischen Vorrichtung 27 zum Einstellen des Plättchens 4 in der Richtung der Z-Achse und mit einer (nicht gezeigten) R-Stelleinheit für das Einstellen des Plättchens 4 in der Winkellage um die optische Achse des Linsensystems 2 bzw. Z-Achse herum ausgestattet. Ferner enthält das Belichtungsgerät einen Motor 30 und einen XY-Tisch 31 zum Halten des Plättchenträgers 28. Die Lage des Plättchens 4 wird in der Richtung der X-Achse durch die Drehung des Motors 30 eingestellt, während sie in der Richtung der Y-Achse durch die Drehung eines (nicht gezeigten) weiteren Motors eingestellt wird. Mit 32 ist eine Bodengrundplatte zum Tragen des ganzen Belichtungsgeräts bezeichnet.
Eine Laserlichtquelle 33 erzeugt einen Laserstrahl LB geeigneter Wellenlänge, der auf ein Interferometer 34 gerichtet wird, das einen nicht gezeigten Strahlenteiler und einen nicht gezeigten Bezugsreflektor enthält. Mit 35 ist ein fest an dem XY-Tisch 31 angebrachter Meßreflektor bezeichnet, mit 36 ist ein Empfänger für das Erfassen von Änderungen der Stärke des über das Interferometer 34 übertragenen Laserstrahls bezeichnet und mit 37 ist eine Meßeinheit zum Messen des Ausmaßes der Bewegung des Meßreflektors 35 und damit des XY-Tisches 31 in der Richtung der X-Achse aufgrund der Ausgangssignale des Empfängers 36, eines Luftdruckfühlers 11, eines Feuchtefühlers 13 und eines Temperaturfühlers 40 bezeichnet. Aus diesen Elementen 33 bis 37 ist ein bekanntes Laser-Präzisionsmeßsystem gebildet. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, weist das Belichtungsgerät ein weiteres Laser-Präzisionsmeßsystem zum Messen des Ausmaßes der Bewegung des XY-Tisches 31 in der Richtung der Y-Achse auf.
Es wird nun kurz das Prinzip der Laser-Präzisionsmessung erläutert. Der von der Laserlichtquelle 33 abgegebene Laserstrahl wird mittels des Strahlenteilers, der ein Teil des Interferometers 34 ist, in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der Teilstrahlen wird auf den Meßreflektor 35 gerichtet, während der andere auf den Bezugsreflektor gerichtet wird, der ein weiterer Teil des Interferometers 34 ist. Diese Teilstrahlen werden nach der Reflexion an den jeweiligen Reflektoren wieder in den Strahlenteiler so zusammengesetzt, daß entsprechend dem Phasenunterschied zwischen den reflektierten Strahlen eine Interferenz entsteht. Bei jeder Bewegung des Meßreflektors 35 um eine Strecke, die der Hälfte der Wellenlänge des Laserstrahls entspricht, tritt ein Phasenunterschied von 360° auf. Daher wird bei jeder Bewegung des Meßreflektors 35 um eine der halben Laserstrahl-Wellenlänge entsprechende Strecke die Lichtstärke des Laserstrahls aus dem Interferometer 34 abwechselnd größer und geringer. Dies bedeutet, daß eine Periode der Lichtstärkenänderung eine Bewegung des Meßreflektors 35 um eine Strecke anzeigt, die der halben Laserstrahl- Wellenlänge entspricht. Wenn die genaue Wellenlänge des Laserstrahls bekannt ist, ist es daher möglich, durch das Zählen der Anzahl von Lichtstärkeänderungen mittels des Empfängers 36 das Ausmaß der Bewegung des Meßreflektors 35 zu messen.
Die Wellenlänge des Laserstrahls wird in Luft mit einer Steigerung des Brechungsindex der Luft kürzer, wobei der Brechungsindex sich durch Änderungen der Temperatur, des Luftdrucks und der Feuchtigkeit ändert. Wenn das Ausmaß der Bewegung des XY-Tisches 31 mittels der Meßeinheit 37 als Produkt aus der halben Wellenlänge des Laserstrahls LB und der Anzahl der mittels des Empfängers 36 erfaßten Lichtstärkeänderungen gemessen wird, wird der in der Meßeinheit 37 eingestellte Wert der halben Wellenlänge des Laserstrahls LB entsprechend den mittels des Luftdruckfühlers 11, des Feuchtefühlers 13 und des Temperaturfühlers 40 erfaßten Abweichungen des Luftdrucks, der Feuchtigkeit und der Temperatur von Bezugswerten korrigiert.
Eine Abdeckung 42 dient zum im wesentlichen dichten Abschließen des Raums zwischen dem Maskenträger 23 und dem Haltesockel 24. In dem Raum innerhalb der Abdeckung 42 befindet sich der Hauptteil des Linsensystems 2. Eine Temperaturregeleinheit 43 dient zum Regeln der Temperatur in dem durch die Abdeckung 42 abgegrenzten Raum. Die Temperaturregeleinheit 43 gibt in den Raum innerhalb der Abdeckung 42 über einen Kanal 44 einen Strom gekühlter oder erwärmter Luft in der Weise ab, daß innerhalb der Abdeckung 42 eine erwünschte Temperatur aufrechterhalten wird. Die Temperatur innerhalb der Abdeckung 42 wird mittels eines Temperaturfühlers 12 erfaßt. Eine weitere Abdeckung 45 dient dazu, den Raum zwischen dem Halteträger 24 und der Bodengrundplatte 32 im wesentlichen dichtend abzuschließen. In dem Raum innerhalb der Abdeckung 45 befinden sich mindestens eine Abstands-Meßeinrichtung 5, ein Teil des Linsensystems 2, der Plättchenträger 28, der XY-Tisch 31, der Motor 30, das Interferometer 34, der Meßreflektor 35 und der Temperaturfühler 40. Eine Klimatisiereinheit 46 dient zum Regeln der Temperatur innerhalb der Abdeckung 45. Auf gleichartige Weise wie die Temperaturregeleinheit 43 ist die Klimatisiereinheit 46 so gestaltet, daß sie über einen Kanal 47 in die Abdeckung 45 einen Strom gekühlter oder erwärmter Luft liefert.
Die Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Steuersystem der in Fig. 3 gezeigten Einrichtung. Das System enthält einen Mikroprozessor 15 zum Steuern der Betriebsvorgänge des Belichtungsgeräts mittels verschiedener einprogrammierter Routinen. Außer einer Hauptroutine sind in dem Mikroprozessor 15 unter anderem eine X-Achsen-Einstellroutine, eine Y-Achsen-Einstellroutine, eine Z-Achsen-Einstellroutine, eine Korrekturberechnungsroutine einprogrammiert, die durch Befehle aus der Hauptroutine abgerufen werden. Die X-Achsen-Einstellroutine und die Y-Achsen- Einstellroutine dienen zur Lageeinstellung des Plättchens 4 in der XY-Ebene mittels des XY-Tisches 31. Andererseits dient die Z-Achsen-Einstellroutine zur Lageeinstellung des Plättchens 4 in der Richtung der Z-Achse mittels des Plättchenträgers 28. Ein Bezugs-Atmosphärendruck Po, eine Bezugs-Temperatur To2 und eine Bezugsfeuchtigkeit Ho werden an einer an dem Belichtungsgerät von außen bedienbaren Bezugsinformations-Einstelleinheit 50 eingestellt, aus der die diesen Bezugswerten entsprechenden Signale für die Korrekturberechnungsroutine zugeführt werden. Ferner werden mittels des Luftdruckfühlers 11 ein Umgebungsluftdruck P, mittels des Temperaturfühlers 12 eine Umgebungstemperatur T₂ und mittels des Feuchtefühlers 13 eine Umgebungsfeuchtigkeit H erfaßt, wobei die diesen Umgebungsbedingungen entsprechenden Signale der Korrekturberechnungsroutine zugeführt werden. Aus den den Bezugswerten entsprechenden Signalen der Bezugsinformations-Einstelleinheit 50 und den den Umgebungsbedingungen entsprechenden Signalen der Fühler 11 bis 13 werden in der Korrekturberechnungsroutine ein Wert ΔZd zur Z-Achsen-Einstellkorrektur und ein Wert ΔTd zur Temperaturkorrektur berechnet, um damit Schärfenebenenfehler und Vergrößerungsfehler zu korrigieren, die durch Änderungen der Umgebungsbedingungen verursacht werden.
Das Belichtungsgerät nach Fig. 3 ist so gestaltet, daß dann, wenn der Druck P, die Temperatur T₂ und die Feuchtigkeit H gleich dem Bezugs-Atmosphärendruck Po, der Bezugs-Temperatur To2 bzw. der Bezugs-Feuchtigkeit Ho sind, die Schärfenebene des Linsensystems 2 mit der Nullkoordinate der Abstands-Meßeinrichtung (siehe Erläuterung zu Fig. 1) übereinstimmt und bei der Projektion des Musters der Maske 1 über das Linsensystem 2 auf das Plättchen 4 der Abbildungsmaßstab bzw. die Vergrößerung genau einen erwünschten Wert wie beispielsweise 5 : 1 hat. Zum Wählen einer Umgebungstemperatur T₁ innerhalb der Abdeckung 42 wird an der Einstelleinheit 50 eine weitere Bezugs- Temperatur To1 eingestellt.
Wie aus der vorstehend anngeführten Gleichung (3) ersichtlich ist, kann die Schärfenebenen-Abweichung ΔZd bei der Korrekturberechnungsroutine in dem Mikroprozessor 15 durch:
ΔZd = K₁ · ΔT+K₂ · ΔP+K₃ · ΔH (4)
ΔT = T₂-To2
ΔP = P-Po
ΔH = H-Ho
angegeben werden, wobei ΔT, ΔP und ΔH jeweils die Änderungen bzw. die Abweichungen der Umgebungsbedingungen von den Bezugsbedingungen sind und K₁, K₂ und K₃ Konstanten sind. Falls die Abstands- Meßeinrichtung 5 Luft-Mikrometer enthält, können diese Konstanten im Hinblick auf die Änderungen der optischen Eigenschaften und die Änderungen der Ausgangssignale der Abstands-Meßeinrichtung 5 entsprechend den Änderungen der Umgebungsbedingungen berechnet werden. In der Praxis werden jedoch gemäß der vorangehenden Beschreibung diese Konstanten vorzugsweise durch Versuche ermittelt.
Auf gleichartige Weise wie die Bildebenen-Abweichung ΔZd kann die Änderung der Vergrößerung, nämlich ein Vergrößerungsfehler Δβ, unter Verwendung der Abweichungen ΔT, ΔP und ΔH folgendermaßen ermittelt werden:
Δβ = k₁ · ΔT+k₂ · ΔP+k₃ · ΔH (5)
Daher kann unabhängig von irgendwelchen Umgebungszustandsänderungen die Vergrößerung bzw. der Abbildungsmaßstab konstant gehalten werden, solange folgende Bedingung erfüllt wird:
Δβ = k₁ · ΔT+k₂ · ΔP+k₃ · ΔH = 0
Daher wird in der Korrekturberechnungsroutine eine Temperaturkorrekturgröße ΔTd nach folgender Gleichung berechnet:
ΔTd = -(k₂/k₁) · ΔP-(k₃/k₁) · ΔH = K₄ · ΔP+K₅ · ΔH (6)
K₄ = -(k₂/k₁), K₅ = -(k₃/k₁)
wobei k₁, k₂ und k₃ Konstanten sind, die durch die den Umgebungszustandsänderungen entsprechenden Änderungen der optischen Eigenschaften bestimmt sind. Gleichermaßen wie die vorangehend genannten Konstanten K₁, K₂ und K₃ werden diese Konstanten k₁, k₂ und k₃ vorzugsweise durch Versuche ermittelt.
Die mit der Korrekturberechnungsroutine ermittelte Schärfenebenen-Abweichung ΔZd wird bei der Z-Achsen- Einstellroutine in der Weise verwendet, daß als Abstandssollwert des Abstandes der Oberfläche des Plättchens 4 von der Nullkoordinate 7 der Abstands- Meßeinrichtung (nach Fig. 1) in der Richtung der Z- Achse die Größe ΔZd vorgegeben wird. Andererseits führt die Abstands-Meßeinrichtung 5 dem Mikroprozessor 15 ein Signal zu, das den Istwert des Abstands Zs von der Nullkoordinate 7 der Abstands-Meßeinrichtung 5 zu der Oberfläche des Plättchens 4 angibt. Der Mikroprozessor 15 vergleicht den Abstandssollwert ΔZd aus der Z-Achsen-Einstellroutine mit dem Abstandsistwert Zs aus der Abstands-Meßeinrichtung 5 und führt ein der Differenz zwischen diesen entsprechendes Signal einer Z-Steuereinheit 26 zu. Entsprechend der Differenz führt die Z-Steuereinheit 26 der piezoelektrischen Vorrichtung 27 ein Signal Zd zu, um dadurch das Plättchen 4 an dem Plättchenträger 28 um eine der Größe Zd entsprechende Strecke zu bewegen. Durch diesen Vorgang wird der Abstandsistwert Zs gleich dem Abstandssollwert ΔZd. Wenn dies erreicht ist, befiehlt die Z-Steuereinheit 26 das Beenden der Bewegung des Plättchens 4 in der Richtung der Z-Achse. Dadurch wird die Oberfläche des Plättchens 4 auf genaue Weise mit der Schärfenebene des Linsensystems 2 ausgefluchtet, die durch die gerade bestehende Umgebungstemperatur T₂, den gerade bestehenden Umgebungsdruck P und die gerade bestehende Umgebungsfeuchtigkeit H innerhalb der Abdeckung 42 bestimmt ist. Die Z-Steuereinheit 26, die piezoelektrische Vorrichtung 27 und der Plättchenträger 28 bilden daher die Z-Achsen-Stelleinheit 16.
Andererseits wird in dem Mikroprozessor 15 die bei der Korrekturberechnungsroutine ermittelte Temperaturkorrekturgröße ΔTd mit der an der Einstelleinheit 50 eingestellten Bezugstemperatur To2 addiert, so daß der Mikroprozessor 15 an einen Substrahierer einen Temperatursollwert Td (=To2+ΔTd) abgibt. Der Substrahierer 51 vergleicht den mittels des Temperaturfühlers 12 erfaßte Temperaturistwert Ts2 der Umgebungstemperatur T₂ innerhalb der Abdeckung 42 mit dem Temperatursollwert Td und führt ein der Differenz zwischen diesen Temperaturwerten entsprechendes Signal einer Klimatisierungs-Steuereinheit 52 zu. Entsprechend diesem Differenzsignal steuert die Steuereinheit 52 eine Klimatisiervorrichtung 53 zum Kühlen oder Erwärmen eines über den Kanal 44 in die Abdeckung 42 geleiteten Luftstroms in der Weise, daß die Differenz zwischen der Umgebungstemperatur T₂ und dem Temperatursollwert Td zu "0" wird. Durch diesen Vorgang wird die Temperatur T₂ innerhalb der Abdeckung 42 gleich dem Temperatursollwert Td. Infolgedessen wird der durch die Änderungen des Umgebungsdrucks P und der Umgebungsfeuchtigkeit H verursachte Vergrößerungsfehler des Projektions-Linsensystems korrigiert. Der Substrahierer 51, die Klimatisierungs-Steuereinheit 52 und die Klimatisiervorrichtung 53 bilden daher die Temperaturregeleinheit 43.
Nach diesen Fehlerkorrekturvorgängen wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Belichtungsvorgang durch Projizieren des Schaltungsmusters der Maske 1 über das Linsensystem 2 auf das Plättchen 4 ausgeführt. Dieser Belichtungsvorgang wird unter schrittweisem Bewegen des Plättchens 4 mittels des XY-Tisches 31 wiederholt. Die X-Achsen-Einstellroutine und die Y-Achsen-Einstellroutine des Mikroprozessors 15 dienen zum Steuern der schrittweisen Bewegung des Plättchens 4, welche abwechselnd mit dem Belichtungsvorgang wiederholt wird. Da die Vorgänge für das schrittweise Bewegen des Plättchens 4 in der Richtung der X-Achse entsprechend der X-Achsen-Einstellroutine im wesentlichen die gleichen wie diejenigen bei dem schrittweisen Bewegen des Plättchens 4 in der Richtung der Y-Achse entsprechend der Y-Achsen-Einstellroutine sind, wird im folgenden zur Vereinfachung nur der Ablauf der X-Achsen-Einstellroutine beschrieben.
Wenn die Belichtung eines Bereichs eines Plättchens 4 abgeschlossen ist, wird bei der X-Achsen-Einstellroutine ein derartiges Ausmaß der Bewegung des Plättchens 4 befohlen, daß ein weiterer Bereich des Plättchens 4 mit dem Projektionsbereich des Linsensystems 2 ausgerichtet wird. Der Mikroprozessor15 vergleicht diese befohlene Bewegungsstrecke mit der mittels der Meßeinheit 37 gemessenen tatsächlichen Bewegungsstrecke des XY-Tisches 31 und gibt an eine X-Steuereinheit 29 ein der Differenz zwischen den Strecken entsprechendes Signal ab. Gemäß dieser Differenz erzeugt die X-Steuereinheit 29 ein Signal, das einer erforderlichen Bewegungsstrecke Xd entspricht, und legt dieses Signal an den Motor 30 an, um damit den Antrieb des Motors zu steuern. Dadurch wird mit dem XY-Tisch 31 das Plättchen 4 in der Richtung der X- Achse bewegt. Sobald sich der XY-Tisch 31 in der Richtung der X-Achse bewegt, bewegt sich mit diesem zusammen der Meßreflektor 35. Bei jeder Bewegung des Meßreflektors 35 um eine Strecke, die der halben Wellenlänge des von der Laserlichtquelle 33 abgegebenen Laserstrahls LB entspricht, tritt in dem Interferometer 34 eine Interferenz auf, so daß sich dementsprechend die Lichtstärke des auf den Empfänger 36 fallenden Lichts ändert. Bei jedem Auftreten der Lichtstärkeänderung gibt der Empfänger 36 an die Meßeinheit 37 ein Meßsignal Xr ab. Daraufhin erzeugt die Meßeinheit 37 ein Bewegungsstrecken-Signal Xs, welches dem Produkt aus der Anzahl der Lichtstärkeänderungen und dem Wert entspricht, der in der Meßeinheit 37 als halbe Wellenlänge des Laserstrahls LB eingestellt wurde. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die von der Meßeinheit 37 gemessene Bewegungsstrecke Xs gleich der durch die X-Achsen-Einstellroutine bestimmten Soll-Bewegungsstrecke wird, wobei dann das Ausgangssignal Xd der X-Steuereinheit 29 zu "0" wird.
Die Wellenlänge des Laserstrahls LB ändert sich gemäß der vorangehenden Beschreibung mit einer auf Änderungen der Umgebungsbedingungen beruhenden Änderung des Brechungsindex der Luft. Im Hinblick darauf ist das beschriebene Projektionsbelichtungsgerät so gestaltet, daß zur Korrektur des in der Meßeinheit 37 als halbe Wellenlänge des Laserstrahls LB eingestellten Werts die Meßeinheit 37 verschiedenerlei Informationen empfängt, wie die Information über die Umgebungstemperatur T₁ innerhalb der Abdeckung 45 aus dem Temperaturfühler 40, den Umgebungsdruck P aus dem Luftdruckfühler 11 und die Umgebungsfeuchtigkeit H aus dem Feuchtefühler 13. Die von diesen Fühlern 40, 11 und 13 abgegebenen Signale über die Umgebungsbedingungen werden auch einer (nicht gezeigten) entsprechenden Meßeinheit für die Y-Achsen-Einstellroutine zugeführt.
Ein Signal Ts1, das der mittels des Temperaturfühlers 40 erfaßten Umgebungstemperatur T₁ innerhalb der Abdeckung 45 entspricht, wird einem Substrahierer 54 zugeführt. Der Substrahierer 54 vergleicht die Umgebungstemperatur T₁ mit der an der Einstelleinheit 50 eingestellten Bezugs-Temperatur To1 und erzeugt ein der Differenz zwischen den Temperaturen entsprechendes Signal. Dieses Signal wird an eine Klimatisierungs- Steuereinheit 55 angelegt, welche entsprechend der Differenz eine Klimatisiervorrichtung 56 steuert, um einen über den Kanal 47 in die Abdeckung 45 eingeleiteten Luftstrom derart zu kühlen oder zu erwärmen, daß die Umgebungstemperatur T₁ innerhalb der Abdeckung 45 gleich der Bezugs- Temperatur To1 wird. Auf diese Weise bilden der Substrahierer 54, die Klimatisierungs-Steuereinheit 55 und die Klimatisiervorrichtung 56 die Klimatisiereinheit 46. In der schematischen Darstellung in Fig. 4 sind mit Ps, Ts2, Hs bzw. Ts1 jeweils die Meßsignale aus den Fühlern 11, 12, 13 bzw. 40 bezeichnet.
Es sind Abwandlungen des beschriebenen Projektionsbelichtungsgerätes möglich. Beispielsweise können die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel als Abstands-Meßeinrichtung verwendeten Luft- Mikrometer durch berührungslose elektrische Mikrometer ersetzt werden. Alternativ kann ein geeignetes optisches Meßsystem unter Anwendung von Laserstrahlabtastung oder Fernsehbildverarbeitung eingesetzt werden.
Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Schärfenebenen-Abweichung ΔZd für die Z-Achsen-Einstellung und die Temperaturkorrekturgröße ΔTd für die Temperatur durch vorbestimmte Berechnungen ermittelt werden, kann andererseits das Belichtungsgerät derart gestaltet werden, daß diese den Umgebungsbedingungen wie dem Luftdruck, der Temperatur, der Feuchtigkeit und dergleichen entsprechenden Korrekturgrößen vorbereitend in einen Speicher eingespeichert werden und unter Benutzung der Informationen über die Umgebungsbedingungen ausgelesen wird.

Claims (8)

1. Projektionsbelichtungsgerät zum Projizieren des Bildes eines auf einem ersten Objekt (Maske 1) vorhandenen Musters auf ein zweites Objekt (Halbleiterplättchen 4), mit einem abbildenden optischen System (2), einer ersten Meßeinrichtung (5) zum Messen des Istwertes des Abstandes zwischen einem Bezugspunkt des optischen Systems (2) und dem zweiten Objekt in Richtung der optischen Achse des optischen Systems, einer Stelleinheit (16) zum Einstellen des Abstandes des zweiten Objektes von dem Bezugspunkt des optischen Systems,
und einer Steuereinrichtung (Mikroprozessor 15), die aufgrund des Ausgangssignals der ersten Meßeinrichtung (5) und aufgrund eines vorgegebenen Sollwertes des Abstandes des zweiten Objektes von dem Bezugspunkt des optischen Systems die Stelleinheit (16) derart steuert, daß der Abstandsistwert sich dem Abstandssollwert nähert, um das zweite Objekt in der Schärfenebene des optischen Systems (2) anzuordnen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zweite Meßeinrichtung (11, 12, 13) den Umgebungsdruck des optischen Systems (2) mißt,
daß die Steuereinrichtung (Mikroprozessor 15) den Abstandssollwert (Zd) in Abhängigkeit vom mittels der zweiten Meßeinrichtung (11, 12, 13) gemessenen Umgebungsdruck vorgibt, um die durch Änderungen des Umgebungsdrucks verursachte Lageänderung der Schärfenebene des optischen Systems (2) zu berücksichtigen,
und daß die Steuereinrichtung (Mikroprozessor 15) eine auf das optische System (2) einwirkende Korrektureinrichtung (43) in Abhängigkeit von dem mittels der zweiten Meßeinrichtung (11, 12, 13) gemessenen Umgebungsdruck steuert, um die durch Änderungen des Umgebungsdrucks verursachte Änderung des Abbildungsmaßstabes zu kompensieren.
2. Projektionsbelichtungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (43) eine Temperaturregeleinrichtung zum Regeln der Umgebungstemperatur des optischen Systems (2) aufweist.
3. Projektionsbelichtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (11, 12, 13) zusätzlich die Umgebungsfeuchtigkeit des optischen Systems (2) mißt und daß die Steuereinrichtung (Mikroprozessor 15) die Korrektureinrichtung (43) zusätzlich in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungsfeuchtigkeit steuert.
4. Projektionsbelichtungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (Mikroprozessor 15) die Stelleinheit (16) zusätzlich aufgrund der gemessenen Umgebungsfeuchtigkeit steuert.
5. Projektionsbelichtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (11, 12, 13) zusätzlich die Umgebungstemperatur des optischen Systems mißt und daß die Steuereinrichtung (Mikroprozessor 15) die Stelleinheit (16) zusätzlich aufgrund der gemessenen Umgebungstemperatur steuert.
6. Projektionsbelichtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (2) mehrere Linsenkomponenten enthält.
7. Projektionsbelichtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine dritte Meßeinrichtung (33 bis 37) zum Messen der Relativlage zwischen dem optischen System (2) und dem zweiten Objekt (Halbleiterplättchen 4) in einer zur optischen Achse des optischen Systems (2) senkrechten Ebene und eine Stelleinrichtung (28 bis 31) zum Einstellen dieser Relativlage, wobei die Stelleinrichtung durch Ausgangssignale der zweiten und der dritten Meßeinrichtung steuerbar ist.
8. Projektionsbelichtungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Meßeinrichtung (33 bis 37) als interferometrische Meßeinrichtung ausgebildet ist.
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