DE3503273C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung eines Musters auf einen Wafer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung eines Musters auf einen Wafer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bzw. von Patentanspruch 3.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind bekannt (FR-PS 2519156). Bei diesem bekannten Verfahren wird eine Maske mit mehreren Lichtimpulsen beleuchtet, wobei die Lichtimpulse von einem Excimer-Laser abgegeben werden. Zur vollständigen und korrekten Übertragung eines auf der Maske ausgebildeten Musters auf einen Wafer ist eine bestimmte Gesamtlichtmenge notwendig, die größer ist als die Lichtmenge jedes einzelnen Lichtimpulses. Die von dem Excimer-Laser je Lichtimpuls abgegebene Lichtmenge weicht allerdings häufig relativ stark von einer gewünschten bzw. eingestellten Lichtmenge ab. Um trotzdem zu erreichen, daß die Summe der Impulslichtmengen mit der gewünschten Gesamtlichtmenge möglichst genau überein­ stimmt, wird gemäß dem bekannten Verfahren die Lichtmenge jedes Lichtimpulses mittels einer Vorrichtung erfaßt und werden die Lichtmengen aufsummiert. Die auf diese Weise laufend ermittelte Summe der Impulslichtmengen wird während der Belichtung mit der vorgegebenen, notwendigen Gesamtlichtmenge verglichen. Die Belichtung wird beendet, wenn die gemessene Summe der Impulslichtmengen gleich der notwendigen Gesamtlichtmenge ist. Es wird somit die Anzahl der Lichtimpulse, die sämtlich gleiche Impulsdauer haben, gesteuert.

Vorteilhaft bei diesem bekannten Verfahren und dieser bekannten Vorrichtung ist, daß als Lichtquelle ein Excimer-Laser zur Anwendung kommt, der im kurzwelligen Ultraviolett-Strahlungsbereich eine höhere Ausgangslei­ stung liefert als herkömmliche Gasentladungslampen. Die höhere Ausgangsleistung ermöglicht eine kürzere Belich­ tungszeit. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist jedoch, daß eine fortlaufende Aufsummierung der Impuls­ lichtmengen bis zum Ende der Belichtung notwendig ist. Einer Erhöhung der Impulsfrequenz sind dadurch Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren bzw. eine weitere Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 zur Verfügung zu stellen, das bzw. die es ermöglicht, die Belichtung mit der notwendigen Gesamtlichtmenge sowohl genau als auch innerhalb einer kurzen Belichtungszeit durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 3 gelöst.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß die Belichtung in zwei aufeinanderfolgenden Phasen erfolgt, daß der Ver­ gleich der Summe der Impulslichtmengen am Ende der ersten Belichtungsphase durchgeführt wird und daß zu diesem Zeitpunkt sowie aufgrund dieses Vergleichs dann die Impulshöhe eines zusätzlichen Lichtimpulses in erforder­ licher Weise festgesetzt wird, der während einer zweiten Phase der Belichtung abgegeben wird. Durch die Messung der Summe der Impulslichtmengen während der ersten Belichtungsphase wird die tatsächlich auf den Wafer eingestrahlte und möglicherweise Schwankungen unterlie­ gende Lichtmenge berücksichtigt. Aus dieser gemessenen Summe der Impulslichtmengen wird dann durch den Vergleich mit der notwendigen Gesamtlichtmenge bestimmt, welche zusätzliche Lichtmenge benötigt wird. Diese wird während der zweiten Belichtungsphase aufbelichtet, wobei sie aufgrund des Vergleichs vorbestimmt wird durch Vorgabe der Impulshöhe. Ein Aufsummieren der Impulslichtmengen bis zum Ende der gesamten Belichtung ist nicht notwendig. Der Endzeitpunkt der Belichtung hängt nicht vom Ergebnis der Messung der Impulslichtmengen ab. Daher ist eine hohe Frequenz der Lichtimpulse möglich.

Zum Stand der Technik gemäß §3 (2) PatG gehören ein in der DE A1 33 18 978 beschriebenes Verfahren sowie eine ent­ sprechende Vorrichtung. Bei diesem Stand der Technik ist die Lichtquelle kein Excimer-Laser, sondern ein Farb­ stoff-Laser, der lediglich als Pumpquelle einen Excimer- Laser haben kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, bei der eine Verkleinerungs- Projektion stattfindet.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Belichtungsoptik der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Impulsverlauf.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung die als sogenannter "Stepper" mit Verkleinerungs-Projektion ausgebildet ist. Die Vorrichtung enthält als Lichtquelle Excimer-Laser 1, der einen pulsierenden Laser-Strahl liefert. In dem Excimer-Laser 1 ist ein Gas, wie z. B. KrF oder XeCl, dicht eingeschlossen, so daß Licht mit einer weit im Ultraviolett-Bereich liegenden Wellenlänge, wie z. B. 248 nm (im Falle von KrF-Gas) oder 308 nm (im Falle von XeCl-Gas), in Form von Impulsen abgestrahlt wird.

Der von dem Excimer-Laser 1 abgestrahlte Laser-Strahl tritt in eine Belichtungsoptik 2 ein, deren Einzelheiten in Fig. 2 dargestellt sind. Die Belichtungsoptik 2 enthält eine Strahlformungs-Optik 21, wie z. B. eine torische Linse, eine optische Integriereinrichtung 22, wie z. B. eine Verbund-Okularlinse, sowie eine Kollimatorlinse 23 und einen Spiegel 24. Eine jede der optischen Vorrichtungen 21 bis 23 besteht aus einem für die kurzwellige Ultra­ violettstrahlung durchlässigen Material, wie z. B. SiO₂, CaF₂ oder dergleichen. Im Handel erhältliche Excimer- Laser liefern gewöhnlich einen Strahl, der eine langgestreckte Querschnittsform hat. Die Strahlformungs- Optik 21 hat daher die Aufgabe, den Laser-Strahl geeignet umzuformen, z. B. in eine quadratische Form. Die optische Integriereinrichtung 22 ist vorgesehen, um eine gleich­ mäßige Lichtverteilung zu erhalten.

Gemäß Fig. 1 befinden sich in dem von der Belichtungsoptik 2 vorgegebenen optischen Weg eine Maske M, auf der beispielsweise die Vorlage einer integrierten Schaltung ausgebildet ist, ein Projektionsobjektiv 3, sowie ein Wafer W, und zwar in der genannten Reihenfolge. Ähnlich der Belichtungsoptik 2 besteht das Projektionsobjektiv 3 aus einem Material, das für kurzwellige Ultraviolettstrahlung durchlässig ist. Das Projektionsobjektiv kann Linsen aufweisen, aber auch als Spiegelobjektiv ausgebildet sein.

In dem durch die Belichtungsoptik 2 festgelegten Lichtweg ist ein Spiegel 5a angeordnet. Ein Ultraviolett-Fotosensor 5b ist in dem Strahlengang des von dem Spiegel 5a reflektierten Lichtstrahls angeordnet. Der Fotosensor 5b kann auch in der Nähe des Excimer-Lasers 1 angeordnet werden. In Abhängigkeit von der auf ihn einfallenden Lichtmenge erzeugt der Fotosensor 5b ein Ausgangssignal, das zu einer Lichtmengen-Integrierschaltung 6 übertragen wird, die zuvor auf die Empfindlichkeit des Fotosensors eingestellt worden ist. In der Integrierschaltung 6 werden die Impulslichtmengen der Impulse des Excimer-Lasers 1 der Reihe nach aufintegriert. Die aufintegrierte Summe der Impulslichtmengen wird anschließend mit der richtigen, d. h. der notwendigen Gesamtlichtmenge in einer Vergleicherschaltung 9 verglichen. Die Integrierschaltung 6 und die Vergleicherschaltung 9 bilden somit eine Vorrichtung zum Messen und Vergleichen der Summe der Impulslichtmengen während einer ersten Phase der Belichtung. Das Vergleichsergebnis wird in eine Zentraleinheit 7 eingegeben. Unter Zugrundelegung des Vergleichsergebnisses der Vergleicherschaltung 9 berechnet die Zentraleinheit 7 die Impulshöhe eines zusätzlichen Impulses, die notwendig ist, um während einer zweiten Phase der Belichtung das fotoempfindliche Material auf dem Wafer W ausreichend zu belichten. Das Ergebnis der Berechnung wird schließlich an eine Laser-Steuereinheit 8 übertragen, die den Excimer-Laser 1 in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Berechnung der Zentraleinheit 7 anzusteuern, wodurch das Muster der Maske M mit einem zusätzlichen Lichtimpuls beleuchtet wird, dessen Impulshöhe entsprechend gesteuert ist. Auf diese Weise wird das Muster der Maske auf die Oberfläche des Wafers W belichtet.

Falls nötig kann die Belichtungsoptik (z. B. der Durchmesser des Laser-Strahls, dessen Intensität) von einer Belichtungs-Steuereinheit 10 in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Berechnung der Zentraleinheit 7 gesteuert werden. Die Lichtmenge eines jeden Impulses kann entweder von der Laser-Steuereinheit 8, von der Belichtungs-Steuereinheit 10, oder auch von beiden gesteuert werden.

Die Zentraleinheit 7 zusammen mit der Laser-Steuereinheit 8 und/oder zusammen mit der Belichtungs-Steuereinheit 10 und der Belichtungsoptik 2 bilden somit eine Steuereinrichtung zum Steuern der Beleuchtung der Maske.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels wird im folgenden näher erläutert.

Wie bereits beschrieben, ist ein Excimer-Laser in der Lage, eine höhere Ausgangsleistung zu liefern.

Aus diesem Grund könnte die Beleuchtung mit einem einzigen Lichtimpuls eine für die Belichtung des Wafers ausreichende Lichtmenge liefern. Es ist jedoch bekannt, daß die Ausgangsleistungen der von einem Excimer-Laser erzeugten Lichtimpulse Schwankungen im Bereich von ±5% oder mehr aufweisen. Derartige Schwankungen der Ausgangsleistungen der Lichtimpulse würden zu fehlerhaften Belichtungen führen. Wenn man daher eine Belichtung mit lediglich einem einzigen Lichtimpuls durchführt, würde dies kaum bei jeder Belichtung zum richtigen Ergebnis führen, da die Schwankungen der Ausgangsleistung eines jeden Lichtimpulses von ±5% unmittelbar zu einem Fehler von ±5% in der Belichtungsmenge führen. Wenn man eine Belichtung jedoch mit zwei oder mehr Lichtimpulsen durchführt, ist die Wahrscheinlichkeit, daß die tatsächliche Gesamtlichtmenge dieser Impulsbelichtungen die notwenige Belichtungsmenge um 5% (den größtmöglichen Fehler) übersteigt, im Gegensatz dazu merklich verringert. Dies liegt daran, daß die Gesamt- Lichtmenge nur dann um 5% darüber liegt, wenn ein jeder der Lichtimpulse die größtmögliche Überbelichtung (5% darüber) erzeugt hat. Andererseits ist die Wahrschein­ lichkeit sehr groß, daß sich bei einer mehrfachen Impuls­ belichtung die Fehler gegenseitig aufheben.

Daher wird während einer ersten Phase der Belichtung die Ausgangsleistung eines jeden von dem Excimer-Laser 1 erzeugten Lichtimpulses von der Laser-Steuereinheit 8 derart gesteuert, daß ein jeder der Lichtimpulse auf eine Ausgangsleistung voreingestellt wird, die eine Lichtmenge liefert, welche geringer ist als die notwendige Gesamtlichtmenge für eine Belichtung. Der Ausdruck "voreingestellte Ausgangsleistung" bezeichnet in diesem Zusammenhang einen erwarteten Mittelwert der Impuls-Ausgangsleistungen, der von dem Excimer-Laser 1 tatsächlich erzeugt wird, wenn dieser gleichbleibend mit einer konstanten Eingangsleistung betrieben wird.

Im Handel erhältliche Excimer-Laser haben gewöhnlich eine hohe Impuls-Wiederholungsrate in der Größenordnung von 200 bis 300 Hz. Wenn beispielsweise für eine Gesamtbelichtung im Durchschnitt 10 Impulsbeleuchtungen ausgeführt werden, beträgt die benötigte Belichtungszeit zwischen 0,04 und 0,05 s. Hierin besteht ein großer Unterschied zu herkömmlichen Steppern mit Gasentladungslampen, die gewöhnlich eine Belichtungszeit von ungefähr 0,3 s benötigen. Die für die mehrfachen Impulsbeleuchtungen benötigte Belichtungszeit ist somit deutlich kürzer als bei herkömmlichen Steppern.

In der vorliegenden Beschreibung hat der Ausdruck "Belichtung" drei Bedeutungen: Die Belichtung, die ausreicht, um im Falle einer Totalbelichtung die gesamte Oberfläche eines Wafers zu belichten; die Belichtung, die ausreicht, um im Falle einer schrittweisen Belichtung für jeden einzelnen Baustein einen Baustein zu belichten; sowie die Belichtung, die ausreicht, im Falle einer Schlitz-Belichtung eine Schlitzbreite zu belichten.

Während der ersten Phase der Belichtung werden die Impulslichtmengen aufintegriert und die aufintegrierte Summe der Impulslichtmenge wird mit einer für die Gesamtbelichtung richtigen bzw. notwendigen Gesamtlichtmenge verglichen. Aufgrund des Vergleichsergebnisses wird während einer zweiten Phase der Belichtung die Hinzufügung eines zusätzlichen Lichtimpulses mit vorgegebener Impulshöhe gesteuert, wodurch jede Gesamtbelichtung genauer und präziser gesteuert werden kann.

Nehmen wir z. B. an, daß n Belichtungen mit n Lichtimpulsen durchgeführt werden, die alle die gleiche, voreingestellte Ausgangsleistung haben, während die Summe der Impulslichtmengen gleichzeitig von der Integrierschaltung 6 überwacht wird. Die aufintegrierten Impulslichtmengen der n Lichtimpulse werden in der Vergleicherschaltung 9 mit der notwendigen Gesamtlichtmenge verglichen. Wenn der Unter­ schied innerhalb eines vorgegebenen, zulässigen Bereichs liegt, ist die Belichtung abgeschlossen. Wenn das Ver­ gleichsergebnis andererseits einen wesentlichen Fehlbetrag zu der notwendigen Gesamtlichtmenge aufzeigt, wird gemäß Fig. 3 eine zusätzliche Belichtung mit einem zusätzlichen Lichtimpuls durchgeführt. Die Impulshöhe dieses zusätzlichen Lichtimpulses wird aufgrund des Vergleichs derart vorbestimmt, daß der Unterschied zwischen der notwendigen Gesamtlichtmenge und der sich ergebenden Summe der Lichtmenge aus den zwei Belichtungsphasen so klein wie möglich wird, d. h., daß der Grad der Unterbelichtung oder Überbelichtung so klein wie möglich wird.

Die Impulshöhe des zusätzlichen Lichtimpulses kann gesteuert, insbesondere vermindert werden, indem die Ausgangsleistung des Excimer-Lasers selbst herabgesetzt wird, wie dies beschrieben wurde. Die Impulshöhe kann jedoch auch vermindert werden, indem in den Strahlengang des Excimer-Lasers ein Graufilter eingesetzt wird, oder indem die Einstellung der Belichtungsoptik geändert wird. Letzteres erfolgt beispielsweise, indem der Strahldurchmesser herabgesetzt wird. Weiterhin ist es möglich, sowohl die Ausgangsleistung des Excimer-Lasers einzustellen, als auch die Einstellung der Belichtungsoptik zu ändern.

Die voreingestellte Impulshöhe des letzten, zusätzlichen Lichtimpulses wird kleiner (der in Fig. 3 dargestellte Fall) oder größer als die der vorangegangenen Lichtimpulse gemacht, ent­ sprechend dem Grad der Unterbelichtung.

Während der ersten Phase des Belichtens können Lichtimpulse mit unterschiedlich voreingestellten Impulshöhen verwendet werden, um die Belichtungszeit zu verkürzen.

Obwohl das Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Vorrichtung mit einem Projektionsobjektiv beschrieben wurde, kann die Erfindung auch bei einer Vorrichtung einge­ setzt werden, bei der eine Kontaktbelichtung oder eine Nahab­ stands-Belichtung durchgeführt wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Übertragung eines Musters auf einen Wafer, bei dem während einer Belichtung eine das Muster tragende Maske mit mehreren Lichtimpulsen eines gepulsten Excimer-Laser beleuchtet wird und dadurch das Muster auf den Wafer belichtet wird, wobei eine Summe der Impulslichtmengen gemessen und mit der für eine korrekte Belichtung des Wafers notwendigen Gesamtlichtmenge ver­ glichen wird und wobei die Beleuchtung aufgrund des Ver­ gleichs gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtung in eine erste Phase und eine zweite Phase unterteilt ist, daß die mit der notwendigen Gesamt­ lichtmenge verglichene Summe die Summe aller Impuls­ lichtmengen während der ersten Phase der Belichtung ist und daß während der zweiten Phase der Belichtung aufgrund des Vergleichs die Impulshöhe eines zusätzlichen Licht­ impulses derart vorbestimmt wird, daß die Summe der Impulslichtmengen aus den zwei Belichtungsphasen im wesentlichen gleich der notwendigen Gesamtlichtmenge ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Excimer-Laser ein KrF-Excimer-Laser (1) ver­ wendet wird.

3. Vorrichtung zur Übertragung eines Musters auf einen Wafer, mit einer das Muster tragenden Maske (M), mit einem gepulsten Excimer-Laser (1), zur Beleuchten der Maske (M) mit mehreren Lichtimpulsen während einer Belichtung des Wafers (W), mit einer Vorrichtung (6, 9) zum Messen einer Summe der Impulslichtmengen und zum Vergleichen der gemessenen Summe mit der für eine korrekte Belichtung des Wafers (W) notwendigen Gesamtlichtmenge und mit einer Steuereinrichtung (2, 7, 8, 10) zum Steuern der Beleuchtung der Maske aufgrund des Ergebnisses des Vergleichs, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (6, 9) zum Messen und Vergleichen die Summe aller Impulslichtmengen während einer ersten Phase der Belichtung mißt und vergleicht und daß die Steuereinrichtung (2, 7, 8, 10) während einer zweiten Phase der Belichtung aufgrund des Vergleichs die Impuls­ höhe eines zusätzlichen Lichtimpulses derart vorbestimmt, daß die Summe der Lichtmengen aus den zwei Belichtungs­ phasen im wesentlichen gleich der notwendigen Gesamt­ lichtmenge ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Excimer-Laser ein KrF-Excimer-Laser ist.