DE4303028C2

DE4303028C2 - Projektionsbelichtungsgerät

Info

Publication number: DE4303028C2
Application number: DE19934303028
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Fukuda; Ryoki Yamanaka; Tsutomu Tawa; Tsuneo Terasawa; Seiji Yonezawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-02-03
Filing date: 1993-02-03
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: DE4303028A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionsbelichtungsgerät, das in der Lage ist, ein feines Muster mit hohem Kontrast und großer Tiefenschärfe auszubilden.

Aus der nachveröffentlichten EP 0 503 472 A2 ist ein Projek tionsbelichtungsgerät bekannt, das eine effektive Lichtquelle mit einer ringförmigen Beleuchtungsverteilung, eine Beleuch tungsoptik zum Einstrahlen des Lichts auf eine Maske mit ei nem vorgegebenen Muster, eine Projektionslinseneinrichtung mit einer Austrittspupille zum Projizieren des Musters auf eine Maske und einen Raumfilter aufweist, das im wesentlichen in der Pupillenebene der Projektionslinseneinrichtung ange ordnet ist und das eine solche Transmissionsverteilung be sitzt, daß die Transmission in dem Bereich des Raumfilters verringert ist, dessen Umfang zu dem des Bereichs der ring förmigen Beleuchtungsverteilung der effektiven Lichtquelle konjugiert ist.

Die Schaltungsmuster von Festkörperbauelementen wie LSIs wer den immer feiner, um den Integrationsgrad und die Geschwin digkeit zu erhöhen. Das sogenannte Photorepeater-Belichtungs verfahren wird wegen seiner Fähigkeit zur Massenherstellung und wegen der hohen Auflösung im allgemeinen zum Ausbilden solcher feiner Muster verwendet. Die Auflösungsgrenze dieses Verfahrens ist direkt proportional zur Belichtungswellenlänge und umgekehrt proportional zur numerischen Apertur (NA) der Projektionslinse. Andererseits ist die Tiefenschärfe beim Photorepeater-Belichtungsverfahren direkt proportional zur Belichtungswellenlänge und umgekehrt proportional zum Quadrat der numerischen Apertur. Daraus folgt, daß die Tiefenschärfe dann ziemlich klein wird, wenn sich die Auflösungsgrenze ver bessert.

Ein herkömmlicher Weg zur Erhöhung der Auflösung des Photore peater-Belichtungsverfahrens ist als Phasenschiebeverfahren bekannt, gemäß dem die Phase des durch eine benachbarte Öff nung auf der Maske tretenden Lichts invertiert wird. Das Pha senschiebeverfahren ist in "IEEE Trans. Electron Devices", Bd. ED-29, S. 1828-1836 (1982) beschrieben.

Das sogenannte Ringbeleuchtungsverfahren ist ein seit langem bekanntes Verfahren, um die Auflösung von Mikroskopen und ähnlichen Geräten zu verbessern. Die Anwendung des Ringbe leuchtungsverfahrens auf die optische Lithographie ist in "Digest of Papers, 1991, 4th Microprocess Conference", S. 70-71 (1991) beschrieben.

Ein anderer herkömmlicher Weg zum Ändern der Abbildungseigen schaften optischer Systeme ist das optische Filtern. Zu die ser Technik gehört das Ändern der Phase/Amplitude-Trans missionsverteilung der Linsenpupille. Wie das optische Fil tern auf optische Lithographie angewendet werden kann, ist im "Journal of Vacuum Science and Technology", Bd. 9, Nr. 6 (1991) beschrieben.

Jedoch haben Trends in jüngerer Zeit zu immer höherer Inte gration von LSIs, begleitet vom Erfordernis nach zunehmend feineren Schaltungsmustern, einen Punkt erreicht, bei dem die Größe einer Einheitsschaltung praktisch der Lichtwellenlänge entspricht. Darüber hinaus erfordert es die Entwicklung, die Struktur von elektronischen Bauelementen dreidimensional aus zubilden, etwa bei DRAMs. Dies bedeutet, daß die Substrat oberfläche, auf die ein Maskenmuster zu projizieren ist, oft außerhalb des Tiefenschärfebereichs liegt. Infolgedessen wird es zunehmend schwieriger, ein feines Muster über die gesamte Oberfläche eines LSI-Chips auszubilden.

Nichtsdestoweniger läßt die hohe Produktivität des Photore peater-Belichtungsverfahrens, kombiniert mit seiner hohen Zuverlässigkeit, die sich auf über viele Jahre angesammelte Erfahrung stützt, erwarten, daß das Verfahren weiterhin auf Gebieten angewendet wird, bei denen die Größe einer Einheits schaltung kleiner als die Lichtwellenlänge wird. Dies erfor dert es, daß ein hoher Auflösungsgrad zusammen mit ausrei chender Tiefenschärfe gewährleistet wird.

Das oben angegebene Phasenschiebeverfahren verbessert die Auflösung von periodischen Mustern, wie von LSI-Leitungs mustern, beträchtlich. Wenn die räumliche Kohärenz des Be leuchtungslichts erhöht wird, wird die Tiefenschärfe besser. Es sind jedoch verschiedene Nachteile damit verbunden. Z. B. kann es abhängig von der Musterform schwierig sein, eine ge eignete Phasenverteilung zu erzielen. Ein anderer Nachteil ist der, daß es der Annäherungseffekt komplexer Muster unmög lich macht, Übertragungsmuster zu erzielen, die das Maskenmu ster genau widerspiegeln. Ein weiterer Nachteil ist der, daß das Phasenschiebeverfahren nicht ausreichend wirksam ist, wenn es darum geht, isolierte Muster zu behandeln, wie etwa Lochmuster.

Das Ringbeleuchtungsverfahren verbessert die Auflösungsgrenze periodischer Muster, verschlechtert jedoch den Gesamtbildkon trast. Darüber hinaus ist das Ringbeleuchtungsverfahren hin sichtlich des Verbesserns der Auflösung nicht so wirkungsvoll wie das Phasenschiebeverfahren.

Die Verwendung optischer Filter erhöht die Tiefenschärfe und verbessert die Auflösungsgrenze, wenn isolierte Muster auszu bilden sind. Jedoch ist das optische Filtern nicht ausrei chend wirkungsvoll, wenn es um periodische Muster geht.

Auf dem Gebiet optischer Mikroskope wurde eine kombinierte Verwendung des Ringbeleuchtungsverfahrens und des optischen Filterns vorgeschlagen, um eine Verschlechterung des Bildkon trastes zu vermeiden. Jedoch war nie klar, welches die opti malen Bedingungen sind, unter denen das kombinierte Verfahren auf die optische Lithographie anwendbar ist. Insbesondere dann, wenn Muster verschiedener Größen gemeinsam auszubilden sind, muß die Form der Beleuchtung und die Gestalt des Fil ters optimiert werden, um den Kontrast und die Beleuchtungs stärke aufrechtzuerhalten und um eine ausreichend große Tie fenschärfe zu erzielen.

Die Kombination des Ringbeleuchtungsverfahrens mit optischen Filtern zur Anwendung auf optische Lithographie ist in "Extended Abstracts of the 52nd Autumn Meeting 1991" der Ja pan Society of Applied Physics (Nr. 2, S. 602) beschrieben. Die kombinierte Verwendung der zwei Techniken, wie sie im oben angegebenen Dokument diskutiert wird, erfordert es, daß die Form einer wirksamen Quelle so ausgebildet wird, daß der konjugierte Bereich dieser Quelle auf der Pupille im äußer sten Randteil der Pupille liegt und daß die Transmissi onsamplitude des durch den äußersten Teil der Pupille gehen den Lichts auf 50% verringert wird. Obwohl dieses Verfahren die Auflösung an der Fokussierstelle verbessert, führt die geringe Tiefenschärfe dazu, daß selbst eine kleine Defokus sierung die Musterauflösung zerstört. Darüber hinaus ist es, da die Lichtintensität von der Dichte des Maskenmusters ab hängt, schwierig, das kombinierte Verfahren auf tatsächliche LSI-Muster anzuwenden. Da es die optische Lithographie bei vorgegebenen Mustern unterschiedlicher Größen erfordert, daß gleichförmiger Kontrast und gleichförmige Lichtintensität wie auch ausreichende Tiefenschärfe vorliegen, ist es schwierig, mit dem kombinierten Verfahren zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.

In der EP 0 352 975 A2 ist eine Lithographietechnik zur Ab bildung regelmäßiger Strukturen wie optischer Gitter, Zonen platten und dergleichen beschrieben. Die Vorrichtung zur Aus führung dieser Technik weist eine Punktlichtquelle und ein Raumfilter mit einer zentralen Abdeckung zum vollständigen Abblocken bestimmter Ordnungen (wie der nullten Ordnung) des gebeugten Lichts auf. Diese Technik kann nicht zur Herstel lung von Halbleiterbausteinen verwendet werden, da die Muster dieser Bausteine unregelmäßig verteilte Elemente in verschie denen Größen umfassen.

Schließlich ist noch die JP-A-61-91662 zu erwähnen. Beim Ge genstand dieser Druckschrift ist vor der Maske eine Blende mit einem kreisringförmigen Durchlaßbereich bzw. einem Be reich, dessen Durchlässigkeit vom Mittelpunkt zum Umfang hin zunimmt, angeordnet. Das Licht aus dem peripheren Bereich dieser "sekundären Lichtquelle" hat daher eine höhere Inten sität als das Licht aus dem zentralen Bereich. Auf die Maske gelangt deshalb nur schräg einfallendes Licht. Es ist bei dieser Methode schwierig, auf dem Wafer genügend Kontrast zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Projektionsbe lichtungsgerät zu schaffen, das in der Lage ist, hohe Kon trastwerte und große Tiefenschärfen zu erzeugen, um feine Muster auszubilden, deren Größe der Lichtwellenlänge ent spricht oder kleiner ist als diese.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik, erfindungsgemäß durch die im Patentan spruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der vorliegen den Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So können zum Beispiel vorbestimmte Bereiche (obere und unte re Bereich oder linke und rechte Bereiche) der Ringbeleuch tung abhängig von der Richtung des Maskenmusters entfernt oder abgeschirmt sein. Alternativ sind vorgegebene Bereiche der Ringbeleuchtung auf solche Weise entfernt oder abge schirmt, daß ein Bereich innerhalb eines axialsymmetrischen Paars von Bereichen um die optische Achse beleuchtet und das andere abgeschirmt ist. In jedem Fall ist der Lichtdurchlaß grad des konjugiert zum Beleuchtungsbereich liegenden Be reichs kleiner als derjenige der anderen Bereiche.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachstehend in Verbin dung mit einer optimalen Kombination einer eindimensionalen, schrägen Beleuchtung beschrieben, die symmetrisch zur opti schen Achse und einem konjugierten Pupillenfilter liegt.

Es sei angenommen, daß eine effektive Quelle vorliegt, die in der Ebene der effektiven Quelle eine Beleuchtungsvertei lung aufweist, wie sie in Fig. 1(A) dargestellt ist, und daß ein Pupillenfilter vorliegt, das in der Pupillenebene eine optische Transmissionsverteilung aufweist, wie sie in Fig. 1(B) dargestellt ist. Fig. 1(A) zeigt die Beleuchtungsver teilung für eine typische effektive Quelle, während Fig. 1(B) die Verteilung der Transmissionsamplitude eines - typi schen Pupillenfilters zeigt. Dieses Pupillenfilter ist ein konjugiertes Filter, das den Lichtdurchlaßgrad des konju giert zum Quellenbereich von Fig. 1(A) liegenden Bereichs auf der Pupillenebene auf etwa 50% erniedrigt. Wenn ange nommen wird, daß sich ein linienförmiges/räumliches Muster von einer Maske aus erstreckt, die rechtwinklig zur Papier ebene liegt, wird das Licht gebeugt, wie dies in Fig. 1 durch ausgezogene und gestrichelte Linien dargestellt ist. (In Fig. 1 sind die Linsen zwischen der Lichtquel le und der Maske sowie die Linsen zwischen der Maske und der Pupille weggelassen.) Von den Lichtstrah len, die durch eine Maske 1 hindurchgehen, wird die Amplitu de eines Lichtstrahls 10 nullter Ordnung, der durch den Be reich hindurchstrahlt, in dem der Lichtdurchlaßgrad des kon jugierten Filters erniedrigt ist, halbiert. Gebeugte Licht strahlen 11 und 12 positiver und negativer erster Ordnung gehen vom gebeugten Lichtstrahl 10 nullter Ordnung weiter weg, wenn die Periode des linienförmigen/räumlichen Musters kleiner wird. Fig. 1 zeigt einen Fall, bei dem der gebeugte Lichtstrahl 12 positiver erster Ordnung nach dem Verlassen einer linken Lichtquelle durch den äußersten Randbereich der Pupille tritt. In diesem Fall wird der gebeugte Lichtstrahl 11 negativer erster Ordnung von der Pupille ausgeblendet und kann nicht durch die Pupillenebene hindurchtreten. Der ge beugte Lichtstrahl 12 positiver erster Ordnung geht durch die Pupillenebene mit 100% hindurch, wird also nicht ge schwächt.

Fig. 2 zeigt zum Vergleich mit Fig. 1 einen Fall mit einer herkömmlichen Quelle und einer mit dieser kombinierten kreisförmigen Pupillenapertur. In beiden Fällen ist die Am plitude des auf einen Wafer projizierten Bildes die Summe aus einerseits der Amplitude mit dem Vorbeleuchtungsfaktor für das gebeugte Licht nullter Ordnung und andererseits der sinusförmigen Amplitudenverteilung des gebeugten Lichts er ster Ordnung. In den Fig. 1 und 2 steht der Buchstabe x für die optische Achse.

Die Pupillenebene kann als Raumfrequenzdomäne angesehen wer den. In diesem Sinn wird die Musterperiode des projizierten Bildes durch den Kehrwert des Abstandes Δf zwischen Positio nen gegeben, an denen ein gebeugter Lichtstrahl nullter Ord nung und ein gebeugter Lichtstrahl erster Ordnung durch die Pupillenebene gehen. D. h., daß die Auflösungsgrenze R wie folgt gegeben ist:

R 1/2Δf.

Wenn die Mittelpunktskoordinate des Beleuchtungsbereichs, wie er auf die Pupille projiziert wird, durch σ repräsen tiert wird, und der Radius der Pupille durch r repräsentiert wird, dann gilt erfindungsgemäß, wie dies in Fig. 1 darge stellt ist, das Folgende:

Δf r + σ.

Daher gilt:

R 1/2 (r + σ).

Mit dem bekannten Verfahren erhält man, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, das Folgende:

Δf r,

also

R 1/2 r.

Daraus folgt, daß die Auflösungsgrenze durch Schrägbeleuch tung verbessert wird. Jedoch arbeiten Aufbauten aus dem Stand der Technik für Schrägbeleuchtung allgemein ohne ein Pupillenfilter. Dies führt dazu, daß das gebeugte Licht ne gativer erster Ordnung abgeschirmt wird, was den Bildkon trast verschlechtert. Erfindungsgemäß wird das gebeugte Licht negativer erster Ordnung abgeschirmt, jedoch wird das gebeugte Licht nullter Ordnung durch das konjugierte Pupil lenfilter in bezug auf die Amplitude des gebeugten Lichts positiver erster Ordnung geschwächt. Dies sorgt für hohe Kontrastwerte.

Nachfolgend wird das Verhalten der Optik hinsichtlich der Fokussierung beschrieben, und zwar im Hinblick auf das Er halten des optimalen Werts für σ. Im allgemeinen wird die Abhängigkeit der Defokussierung (Z) der Intensitätsvertei lung des projizierten Bildes für ein periodes Muster als eine Funktion zweier Koordinaten auf der Pupillenebene aus gedrückt eine Koordinate r₀ gilt für die Position, durch die das gebeugte Licht nullter Ordnung geht, und eine Koor dinate r₁ gilt für die Position, durch die das gebeugte Licht erster Ordnung geht. Die Funktion ist die folgende:

exp[-ikz/r₀² - r₁²)],

wobei k eine Konstante und r₀ und r₁ jeweils vorgegebene Pupillenradien sind. Demgemäß ist die Defokussierungswirkung wie folgt bestimmt:

|r₀² - r₁²|.

Der Radius r₀ bleibt konstant, da das gebeugte Licht nullter Ordnung immer durch diejenige Position geht, die auf der Pu pillenebene konjugiert zur Lichtquelle ist. Wenn sich ande rerseits die Periode des Musters ändert, bewegt sich das ge beugte Licht erster Ordnung innerhalb des folgenden Bereichs über die Pupillenebene:

r₀ r₁ 1.

Der Maximalwert von

|r₀² - r₁²|

ist minimal, wenn das Folgende gilt:

r₀ = 0,7.

Das heißt, daß die Position der Quelle für Schrägbeleuchtung vorzugsweise so gewählt wird, daß gilt:

r₀ = 0,7,

um eine ausreichende Tiefenschärfe über einen weiten Größen bereich zu gewährleisten. Ein solcher Aufbau sorgt für eine größere Tiefenschärfe als die Anordnung, bei der die Be leuchtung so vorgesehen ist, daß das gebeugte Licht nullter Ordnung in den äußersten Randteil der Pupille eingestrahlt wird, kombiniert mit einem geeigneten konjugierten Filter.

Es wurde beschrieben, wie eindimensionale Schrägbeleuchtung realisiert wird. In der Praxis ist ein LSI-Muster typischer weise zweidimensional auf einer Maske angeordnet. Daraus folgt, daß ein Aufbau in der Praxis vorzugsweise zweidimen sionale Schrägbeleuchtung in Form einer Ringbeleuchtung ver wenden sollte. Wenn eindimensionale Schrägbeleuchtung in Kombination mit einem konjugierten Filter verwendet wird, kann sich der Kontrast für Muster in solcher Weise ver schlechtern, daß das gebeugte Licht erster Ordnung durch denjenigen Filterbereich geht, der demjenigen symmetrisch entgegengesetzt ist, durch den das gebeugte Licht nullter Ordnung geht (d. h. Δf = 2σ). In solchen Fällen ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, der größere Teil des gebeug ten Lichts erster Ordnung 13 gegenüber einem Abschwächungs bereich 14 verschoben. Dies gewährleistet hohe Kontrastgrade über einen weiten Größenbereich. Die Überlappungsfläche zwi schen dem gebeugten Licht positiver und negativer erster Ordnung sowie dem Abschwächungsfilterbereich kann dadurch minimiert werden, daß die Form der Beleuchtungsquelle geeig net gewählt wird.

Obwohl die optimale Mittenposition der Ringbeleuchtung für das Minimieren des Defokussierungseffektes nicht genau mit derjenigen für Schrägbeleuchtung übereinstimmt (r₀ = 0,7), ist das Grundkonzept dasselbe. Bei praktischer Anwendung ist der Radius r des ringförmig beleuchteten Mittenbereichs vor zugsweise etwa 0,6 bis 0,7. Die Breite des ringförmig be leuchteten Bereichs ist vorzugsweise größer, um den zweidi mensionalen Annäherungseffekt zu unterdrücken (um Wieder gabetreue des Bildes hinsichtlich der Maske beim projizier ten Bild eines komplexen Maskenmusters zu erhalten). Jedoch verkleinert ein übermäßig breiter ringförmiger, beleuchteter Bereich die Tiefenschärfe und den Auflösungsverbesserungs effekt. In Fig. 3 repräsentiert ein Bezugszeichen 15 eine Pupillenapertur.

Der Abschwächungsbereich auf dem konjugierten Filter muß nicht genau in konjugierter Beziehung zur Ringbeleuchtung stehen. Auch dann, wenn die Ringbeleuchtung auf die Pupil lenebene projiziert wird, sollte der Lichtdurchlaßgrad in nerhalb des Randes des ringförmig beleuchteten Bereichs vor zugsweise kleiner sein als der außerhalb. Bei der Erfindung ist es wichtig, das gebeugte Licht erster Ordnung anzuheben, um höheren Kontrast für ein Muster nahe der Auflösungsgrenze zu erhalten, wo das gebeugte Licht erster Ordnung kaum durch den äußersten Randbereich der Pupille geht.

Die Intensität des gebeugten Lichts nullter Ordnung, das durch die Pupille geht, kann dadurch eingestellt werden, daß derjenige Bereich teilweise abgeschirmt wird, der konjugiert zur effektiven Quelle liegt, anstatt daß der Lichtdurchlaß grad dieses Bereichs erniedrigt wird. Wenn ein konjugiertes Pupillenfilter gemäß der Erfindung verwendet wird, wird das gesamte gebeugte Licht nullter Ordnung nach dem Verlassen der Quelle amplitudenmäßig abgeschwächt und geht dann durch die Pupille, um mit dem gebeugten Licht erster Ordnung zu interferieren. Wenn ein Teil des gebeugten Lichtes nullter Ordnung, das durch die Pupille tritt, abgeschirmt wird, ver liert das gebeugte Licht erster Ordnung, das dem abgeschirm ten Teil des gebeugten Lichts nullter Ordnung entspricht, die Möglichkeit der Interferenz mit dem gebeugten Licht nullter Ordnung. In diesem Fall tritt das gebeugte Licht nullter Ordnung in Eigenkorrelation und bildet eine Vorbe leuchtungskomponente gleichförmiger Lichtintensität. Dadurch werden bessere Ergebnisse dann erzielt, wenn das konjugierte Pupillenfilter verwendet wird.

Die Erfin dung geht aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen noch besser hervor.

Fig. 1 ist ein Satz von Darstellungen zum Erläutern des Funktionsprinzips der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Satz von Darstellungen zum Beschreiben des Funktionsprinzips des mit der Erfindung in Zusammenhang ste henden Standes der Technik;

Fig. 3 ist eine Darstellung, die die Wirkung der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 4 ist ein Satz von Darstellungen, die ein Ausführungs beispiel der Erfindung veranschaulichen;

Fig. 5 ist eine Darstellung von Konturlinien, die Eigen schaften des Ausführungsbeispiels veranschaulichen;

Fig. 6 ist eine Darstellung von Konturlinien, die Eigen schaften des einschlägigen Standes der Technik veranschau lichen;

Fig. 7 ist eine Darstellung, die die Transmissionsamplitude eines Pupillenfilters veranschaulicht;

Fig. 8 ist eine Darstellung, die die Form von Aperturen zeigt, wie sie bei einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden;

Fig. 9 ist eine Darstellung, die effektive Quellen veran schaulicht, wie sie bei einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden;

Fig. 10 ist eine Darstellung von Konturlinien, die die Wir kung des Ausführungsbeispiels von Fig. 9 veranschaulichen;

Fig. 11 ist ein Satz von Darstellungen, die Eigenschaften eines anderen Ausführungsbeispiels veranschau lichen;

Fig. 12 ist eine Darstellung, die ein anderes Ausführungs beispiel skizziert, das ein Filter mit einer besonderen Verteilung der Transmissionsamplitude verwendet;

Fig. 13 ist eine Darstellung, die die Verteilung der Trans missionsamplitude eines typischen optischen Filters veranschaulicht;

Fig. 14 ist ein Satz von Darstellungen zum Erläutern der Erfindung;

Fig. 15 ist ein Satz von Darstellungen, der typische Inten sitätsverteilungen von Lichtflecken zeigt;

Fig. 16 ist ein Satz von Darstellungen zum Beschreiben eines optischen Filters, wie es bei einem anderen Ausführungsbei spiel verwendet wird;

Fig. 17 ist eine Darstellung, die veranschaulicht, wie eine Projektionslinse in der Nähe der Pupille typischerweise wirkt;

Fig. 18 ist eine Darstellung, die ein anderes Ausführungs beispiel zeigt;

Fig. 19 ist ein Satz von Darstellungen, die ein optisches Filter zeigen, wie es bei einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet wird;

Fig. 20 ist ein Satz von Darstellungen, die die Eigenschaf ten des optischen Filters von Fig. 19 veranschaulichen; und

Fig. 21 ist eine schematische Teildarstellung eines typi schen Projektionsbelichtungsgerätes.

Erstes Ausführungsbeispiel

Als erstes Ausführungsbeispiel ist eine ring förmige Aperturanordnung in die Ebene der effektiven Quelle der Beleuchtungsoptik in einem Photorepeater-Belichtungsge rät mit einem KrF-Excimerlaser eingefügt, mit einer Projek tionslinse mit einer numerischen Apertur von 0,5. Die ring förmige Apertur ist so angeordnet, daß die Intensitätsver teilung der effektiven Quelle eine solche wird, wie sie in Fig. 4(A) dargestellt ist. Darüber hinaus ist ein optisches Filter näherungsweise in die Pupillenposition der Projek tionslinse eingefügt, so daß die Verteilung der Transmis sionsamplitude der Pupille diejenige ist, wie sie in Fig. 4(B) dargestellt ist. Es ist auch dafür gesorgt, daß der Radius σ des ringförmigen Mittenbereichs 0,65 r ist, die Breite w des Ringbereichs 0,1 r ist, wobei r das Pupillen verhältnis ist, und die Transmissionsamplitude des zum ring förmigen Bereich konjugiert liegenden Optikfilterbereichs 50% ist. In Fig. 4 bezeichnen Bezugszeichen 16 und 17 einen Quellenbereich bzw. einen Bereich zum Abschwächen des Licht durchlaßgrads.

Fig. 5 zeigt durch Konturlinien die Mustergrößen und die Ab hängigkeit der Defokussierung des Kontrastes des projizier ten Bildes bei linienförmigen/räumlichen Mustern, wie sie tatsächlich verwendet werden, wenn die effektive Quelle und das Pupillenfilter von Fig. 4 verwendet werden. Zum Ver gleich mit Fig. 5 veranschaulicht Fig. 6 die Eigenschaften eines bekannten Aufbaus, der dem von Fig. 5 ähnlich ist, wo bei der bekannte Aufbau eine herkömmliche kreisförmige Quel le und eine Struktur mit einer kreisförmigen Pupillenapertur verwendet. Ein Vergleich der zwei Figuren zeigt, daß die effektive Quelle und das Pupillenfilter gemäß der Erfindung zu höherer Auflösung und größerer Tiefenschärfe führen als der bekannte Aufbau, wobei jeweils Muster gleicher Größe vorausgesetzt sind.

Bei Versuchen wurde das vorstehend beschriebene Photorepea ter-Belichtungsgerät dazu verwendet, Maskenmuster verschie dener Größen bei unterschiedlichen Fokussierungsbedingungen zu übertragen. Für die Übertragung wurde ein chemisch ver stärkter Resist vom Negativtyp mit einem Empfindlichkeits wert von etwa 30 mJ/cm² verwendet. Das Ergebnis war die Aus bildung von linienförmigen/räumlichen Mustern mit einem Ab stand von 0,2 µm und ausgezeichneter Querschnittsform über einen Tiefenschärfebereich von ± 0,75 µm. Dagegen konnten mit dem vergleichbaren bekannten Belichtungsgerät keine li nienförmigen/räumlichen Muster von 0,2 µm Abstand erzielt werden; er bildete derartige Muster mit einem Abstand von 0,3 µm aus, mit einem Tiefenschärfebereich von ± 0,5 µm. D. h., daß die wie oben beschrieben realisierte Erfindung die Auflösungsgrenze um etwa 50% verbessert, während sie gleichzeitig die Tiefenschärfe um einen Faktor von etwa 1,5 verbessert. Obwohl das Einfügen des Filters die Lichtinten sität auf etwa ein Drittel gegenüber dem herkömmlichen Pegel verringert, benötigt es nur etwa 0,4 Sekunden, um die Be lichtung auszuführen. Das bedeutet, daß beim Ausführen prak tisch keine Schwierigkeit besteht.

Der Bereich der ringförmigen Beleuchtung und die Transmis sionsverteilung des konjugierten Pupillenfilters sind nicht auf die beim oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel angegebenen Eigenschaften beschränkt; sie können auch anders innerhalb einem Bereich eingestellt werden, in dem die oben angegebenen vorteilhaften Wirkungen gewährleistet sind. Dar über hinaus können alternative Wellenlängen, numerische Aperturen, Resistprozesse und Maskenmustergrößen diejenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ersetzen. Statt der ringförmigen Aperturöffnung zum Einstellen der Intensitäts verteilung der effektiven Quelle, wie sie beim vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, kann auch eine andere Einrichtung einschließlich einer ver besserten Beleuchtungsoptik verwendet werden, um die erfor derliche Intensitätsverteilung der Ringbeleuchtung zu erhal ten.

Zweites Ausführungsbeispiel

Das zweite Ausführungsbeispiel ist eine Varia tion des ersten, wobei der Ringbereich so festgelegt ist, daß er in die Werte zwischen w = 0,5 r und W = 0,8 r fällt. Das zweite Ausführungsbeispiel ergibt in etwa dieselben Wir kungen wie das erste. Insbesondere verstärkt das zweite Aus führungsbeispiel die Maskenwiedergabetreue auf dem Resist muster, folgend auf die Übertragung eines komplexen LSI- Musters.

Drittes Ausführungsbeispiel

Das dritte Ausführungsbeispiel ist eine andere Variation des ersten, wobei die Transmissionsamplitude des Pupillenfilters auf solche Weise verändert wurde, daß sich die Charakteristik von Fig. 7 ergab. Das dritte Ausführungs beispiel ergibt im wesentlichen dieselben Wirkungen wie das erste.

Viertes Ausführungsbeispiel

Das vierte Ausführungsbeispiel ist eine weite re Variation des ersten Ausführungsbeispiels, wobei die Form einer Apertur 16 in der Ebene der effektiven Quelle so ver ändert wurde, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. In Fig. 8 ist ein X-Y-Koordinatensystem (dessen Ursprung die optische Achse ist) als Normierungseinheitssystem errichtet, bei dem der Pupillenradius auf der effektiven Ebene und der Pupil lenebene zu 1 genommen ist (in der Ebene der effektiven Quelle wird der Radius des konjugierten Bildes der Pupille verwendet). Beim vierten Ausführungsbeispiel sind der obere und untere Teil des Ringbereichs beim ersten Ausführungsbei spiel abgeschirmt. D. h., daß abgeschirmte Bereiche dort vorliegen, wo gilt:

y < -0,5, 0,5 < y.

Das vierte Ausführungsbeispiel verbessert den Kontrast wei ter und vergrößert die Tiefenschärfe für periodische Muster in X-Richtung. Infolgedessen wird die Auflösungsgrenze auf 0,18 µm verbessert, und die Tiefenschärfe für linienförmige/ räumliche Muster mit 0,2 µm Abstand wird auf ± 1,5 µm ver größert. Es ist zu beachten, daß hinsichtlich der Abbil dungseigenschaften für periodische Muster in Y-Richtung nur kleine Änderungen beobachtet werden. Wenn die Maskenmuster komplex sind, wird ein Effekt beobachtet, der in gewisser Weise ähnlich dem zweidimensionalen Annäherungseffekt ist. Z. B. führt eine Defokussierung von ± 0,75 µm zu einem Ab fall bei der Lichtstärke isolierter Muster. Dies erschwert es, isolierte Resistmuster gleichzeitig mit linienförmigen/ räumlichen Mustern auszubilden. Dies bedeutet, daß das vier te Ausführungsbeispiel dann am wirkungsvollsten ist, wenn es auf periodische Muster angewendet wird, wie solche für Spei cherarrays bei Speicher-LSIs, daß es jedoch nicht für kom plexe Muster peripherer und anderer Schaltungen geeignet ist. Die dem vierten Ausführungsbeispiel eigene Wirkung nimmt zu, wenn der abgeschirmte Bereich verbreitert wird.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Beim fünften Ausführungsbeispiel weist dassel be Photorepeater-Belichtungsgerät wie beim ersten Ausfüh rungsbeispiel eine effektive Quelle und ein konjugiertes Pu pillenfilter zur Verwendung mit dieser auf, wie sie in Fig. 9 dargestellt sind. Es sind vier beleuchtete Bereiche a, b, c und d der effektiven Quelle vorhanden:

a: (0,5 < x < 0,7, 0,5 < y < 0,7)
b: (0,5 < x < 0,7, -0,7 < y < -0,5)
c: (-0,7 < x < -0,5, 0,5 < y < 0,7)
d: (-0,7 < x < -0,5, -0,7 < y < 0,5).

In der Ebene der effektiven Quelle wird ein X-Y-Koordinaten system als normiertes Einheitssystem errichtet, in dem der Radius des konjugierten Bildes der Pupille zu 1 genommen wird und dessen Ursprung die optische Achse ist. Das Pupil lenfilter ist so angeordnet, daß die Transmissionsamplitude seines Bereichs, der konjugiert zur effektiven Quelle liegt, etwa 50% beträgt.

Fig. 10 veranschaulicht Mustergrößen und die Defokussie rungsabhängigkeit des Kontrastes des projizierten Bildes für verwendete linienförmige/räumliche Muster durch Konturli nien, wenn die effektive Quelle und das Pupillenfilter von Fig. 9 verwendet werden. Ein Vergleich zwischen Fig. 10 und Fig. 6 (Beispiel gemäß dem Stand der Technik) zeigt, daß die effektive Quelle und das Pupillenfilter, die das fünfte Aus führungsbeispiel bilden, zu deutlich höherer Auflösung und viel größerer Tiefenschärfe führen, als dies beim bekannten Aufbau der Fall ist.

Bei einem der Versuche wurde das oben angegebene Photorepea ter-Belichtungsgerät auf dieselbe Weise wie beim ersten Aus führungsbeispiel dazu verwendet, Maskenmuster unterschied licher Größen bei unterschiedlichen Fokussierungsbedingungen zu übertragen. Das Ergebnis war die erfolgreiche Ausbildung eines linienförmigen/räumlichen Musters mit 0,2 µm Abstand mit einer Tiefenschärfe von mindestens 1 1,5 µm, wobei die Periodenrichtung der Muster mit den Richtungen X und Y in Fig. 9 zusammenfiel. Da das fünfte Ausführungsbeispiel hohe Kontrastwerte für feine periodische Muster ergibt, ist es möglich, gute Resistmuster mit im wesentlichen rechtwinklig aufeinanderstehenden Seiten zu erhalten. Das fünfte Ausfüh rungsbeispiel führt zu geringfügig kleineren Werten der Bildqualität bei Mustern, die keine linienförmigen/räumli chen Muster sind.

Der Bereich (die Form) der effektiven Quelle sowie die Transmissionsverteilung des Pupillenfilters sind nicht auf die vorstehend für das fünfte Ausführungsbeispiel beschrie benen Werte beschränkt, sondern sie können alternativ anders vorgegeben werden. Jedoch ist es bevorzugt, daß die effek tive Quelle innerhalb von Kreisen mit einem Radius von je weils 0,2 um vier Punkte ((x, y) = (± 0,6, ± 0,6)) angeordnet ist. Darüber hinaus können alternative Wellenlängen, numeri sche Aperturen, Resistprozesse und Maskenmustergrößen für das Beleuchtungsgerät statt derjenigen des fünften Ausfüh rungsbeispiels verwendet werden.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Beim sechsten Ausführungsbeispiel wurden eine effektive Quelle und ein konjugiertes Pupillenfilter so an geordnet, wie dies in den Fig. 11(A) bzw. 11(B) dargestellt ist. In den Figuren bezeichnet ein Bezugszeichen 16 die ef fektive Quelle, 17 einen Transmissionsabschwächungsbereich und 18 einen ganz durchlassenden Bereich. Das sechste Aus führungsbeispiel erniedrigt die Rate, mit der das gebeugte Licht positiver und negativer erster Ordnung durch den Transmissionsabschwächungsbereich des konjugierten Pupillen filters gehen. Dies führt zu hohen Kontrastwerten.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Es gelang, die Tiefenschärfe beim oben angegebenen Photore peater-Beleuchtungsverfahren dadurch zu erhöhen, wie auch die Auflösung zu verbessern, daß in der Pupillenposition der Projektionslinse ein optisches Filter mit einer besonderen komplexen Verteilung der Transmissionsamplitude angeordnet wurde. Dieses neue Verfahren ist in "Extended Abstracts of the 38th Spring Meeting, 1991" der Japan Society of Applied Physics (Nr. 2, S. 534) vorgeschlagen und diskutiert. Wie in Fig. 12 gezeigt, gehört es zu diesem Verfahren, daß ein op tisches Filter 4 an der Position einer Pupille 3 (Apertur stopposision zum Bestimmen der Linsenöffnung) einer Projek tionslinse 2 angeordnet wird, durch die das Muster auf einer Maske 1 projiziert wird. Das optische Filter 4 weist eine komplexe Verteilung der Transmissionsamplitude auf, die nä herungsweise durch folgende Funktion gegeben ist:

T(r) = cos(2π · β · r² - Θ/2) x circ(r),

wobei β und Θ jeweils Konstanten sind und r eine Radiuskoor dinate ist, die hinsichtlich des maximalen Radius der Öff nung der Pupille oder Linse normiert ist. Wenn das erfin dungsgemäße Verfahren mit dem oben angegebenen Aufbau rea lisiert wird, führt dies zu einem Bild, das sich aus zwei Bildern (Bilder I und II in Fig. 12) zusammensetzt, die sich an verschiedenen Positionen ± β in der optischen Achse aus bilden. Die zwei Bilder werden hinsichtlich ihrer Amplituden mit einer Phasendifferenz zusammengesetzt, die dem Winkel Θ entspricht. Die sich ergebende Zunahme der Auflösungsgrenze erlaubt es, daß eine große Tiefenschärfe und gute Bildquali tät auch bei Versuchen zum Erzielen höherer numerischer Apertur und kleinerer Größen von Einheitsmustern, bezogen auf die Lichtwellenlänge, beibehalten werden können.

Fig. 13 ist eine Darstellung, die die komplexe Verteilung der Transmissionsamplitude eines typischen optischen Filters zeigt. Eine gestrichelte Kurve in Fig. 13 zeigt die repräsentative komplexe Vertei lung der Transmissionsamplitude im Beispielsfall an, wenn β = 0,65 und Θ = 260 Grad sind; durchgezogene Linien reprä sentieren eine Näherung unter Verwendung einer diskreten Funktion. Diese Verteilung ist optimal für Muster mit feinen Löchern geeignet.

Die Linsenpupille ist zur Ebene der effektiven Quelle konju giert. Dies erlaubt es, daß die Intensitätsverteilung der effektiven Quelle wiedergegeben wird. Die effektive Quelle ist im allgemeinen die Austrittsebene einer Fliegenaugen linse; sie besteht aus einem Satz punktförmiger Quellen, die durch die Fliegenaugenlinse fokussiert werden und die je weils eine Intensität in Form einer scharfen Spitze aufwei sen. So wird Licht in der Linsenpupille punktförmig fokus siert, mit dem Ergebnis, daß die Lichtintensität lokal er höht ist. Wenn ein aus einem optischen Absorber bestehendes optisches Filter, das komplexe Verteilung der Transmissions amplitude aufweist, in die oben angegebene Linsenpupille eingefügt wird, tritt eine Schwierigkeit auf: da das opti sche Filter Licht absorbiert und dadurch örtlich Wärme er zeugt, kann das Filter thermische Beschädigung erleiden.

Diese Schwierigkeit wird mit dem siebten Ausführungsbeispiel auf die unten beschriebene Weise überwunden. Fig. 14 ist ein Satz von Darstellungen, die zeigen, wie dieses Ausführungs beispiel arbeitet. Fig. 14(A) ist eine schematische Darstel lung, die zeigt, wie die Beleuchtungsoptik eines typischen Projektionsbelichtungsgeräts in Beziehung zu dessen Projek tionsoptik steht. In Fig. 14(A) ist auf der Bildseite über die Pupillenposition der Projektionslinse hinaus nichts dar gestellt. Wenn auf der Maske 1 kein Muster vorhanden ist (d. h., wo Licht nicht in der Maskenebene gebeugt wird), wird das Bild einer Ebene einer effektiven Quelle 5 an der Position der Linsenpupille 3 ausgebildet. Fig. 14(C) zeigt Lichtflecke des Bildes der effektiven Quelle, wie sie an der Linsenpupille 3 von Fig. 14(A) auftreten, und Fig. 15(A) zeigt die Verteilung der Lichtintensität entlang der Linie A-B in Fig. 14(C). Wie dargestellt, treten örtliche Intensi tätsspitzen an Punkten P der Linsenpupille 3 auf. An einer Position, die gegenüber der Linsenpupille in Richtung der optischen Achse verschoben ist, führt der Defokussierungs effekt zu einem plötzlichen Abfall im Ausmaß der Lichtkon zentration. Fig. 14(B) veranschaulicht Lichtflecke R des Bildes der effektiven Quelle auf einer Oberfläche S in Fig. 14(A), die leicht gegenüber der Linsenpupille in Richtung der optischen Achse verschoben ist. Fig. 15(B) zeigt die Lichtintensitätsverteilung entlang einer Linie A′-B′ in Fig. 14(B). In diesem Fall verschwinden, wie dies dargestellt ist, örtliche Lichtintensitätsspitzen.

Das Bild, wie es in der Pupillenebene erhalten wird, wenn eine Maske mit verschiedenen Mustern unter einem vorgegebe nen Feldwinkel angeordnet wird, ist tatsächlich ein zusam mengesetztes Bild, das aus einander überlappenden optischen Bildern besteht, die Einfallswinkel aufweisen, die von der Position auf der Maske abhängen. Licht, das durch muster freie Bereiche auf der Maske getreten ist, wird punktförmig auf der Pupille fokussiert (relativ zur effektiven Quelle). Licht, das durch Bereiche mit verschiedenen Mustern auf der Maske getreten ist, bildet ein Fraunhofersches Beugungsbild, das den verschiedenen Mustern auf der Pupille entspricht. Daher ist das Bild, wie es auf der Pupille von einer gewöhn lichen Maske gewonnen wird, ein zusammengesetztes Bild aus dem Bild der effektiven Quelle und dem Fraunhoferschen Beu gungsbild der verschiedenen Muster. Die allgemeine (makro skopische) Form des Fraunhoferschen Beugungsbildes auf der Pupille in Fig. 15(C) ist im wesentlichen dasselbe wie das auf der Oberfläche S in Fig. 14(A), wobei die Oberfläche leicht in Richtung der optischen Achse verschoben ist, wie in Fig. 15(D) dargestellt. Diese Tendenz ist dann ausgepräg ter, wenn die räumliche Kohärenz des die Maske beleuchtenden Lichts kleiner ist. Das Fraunhofersche Beleuchtungsbild wird auch abhängig vom Maskenmuster auf die Linsenpupille fokus siert, jedoch fällt der Fokussierungsgrad stark ab, wenn sich die Pupillenoberfläche auch nur leicht aus der Pupil lenebene in Richtung der optischen Achse bewegt.

Auf die oben beschriebene Weise wird auf einer leicht gegen über der Linsenpupille in Richtung der optischen Achse ver schobenen Oberfläche die Fokussierung von Licht unterdrückt, selbst wenn ein Fraunhofersches Beugungsbild erhalten wird, das näherungsweise dasselbe ist wie das der Linsenpupille. Daher dient das Einfügen des optischen Filters an einer Po sition, die leicht gegenüber der Linsenpupille in Richtung der optischen Achse verschoben ist, zwei Zwecken: thermische Beschädigung zu vermeiden, wie sie durch punktförmiges Licht auf der Linsenpupille hervorgerufen wird, und ein effektives Filtern des Fraunhoferschen Beugungsbildes verschiedener Maskenmuster zu bewirken.

Lichtstrahlen, die durch Positionen außerhalb der Achse auf der Maske liefen, treten schräg in die Linsenpupille ein. D. h., daß die Hauptachsenstrahlen auf einer leicht gegen über der Linsenpupille in Richtung der optischen Achse ver schobenen Oberfläche nicht durch die Mitte des optischen Filters gehen. Infolgedessen ist das oben beschriebene, an genäherte Fraunhofersche Beugungsbild insgesamt kreuzweise versetzt. D. h., daß dann, wenn die Bildhöhe auf der Maske zunimmt (d. h. mit zunehmendem Abstand des Musters gegenüber der optischen Achse) , die Wirksamkeit des optischen Filters abnimmt. Wenn allgemein verwendete optische Filter benutzt werden, ändern sich die Bildeigenschaften kaum, solange die Ausmaße der kreuzweisen Versetzung nicht mehr als 10% des Pupillenradius betragen. Lichtstrahlen, die durch den äußer sten Randbereich (auf einer Seite) der Pupillenapertur hin durchgehen, gehen durch die Außenseite des Aperturradius auf der verschobenen Oberfläche. Wenn diese Eigenschaft gegeben ist, ist es bevorzugt, auf dem optischen Filter von der Lin senpupille entfernt den Radius des Transmissionsbereichs größer zu machen als den der Pupillenapertur, wobei die Transmissionsamplitude des äußersten Randbereichs des Fil ters beibehalten wird.

Auch von einem anderen Gesichtspunkt aus kann beschrieben werden, wie dieses siebte Ausführungsbeispiel arbeitet. In Fig. 14 laufen Lichtstrahlen, die die Punkte P auf der Pu pille 3 erreichen, durch Bereiche R auf der Oberfläche S, die gegenüber der Pupille 3 verschoben sind. Wenn das opti sche Filter von der Fläche S weggeschoben ist, wird der Fil tervorgang, der sonst in den Punkten P ausgeführt werden sollte, in den Bereichen R ausgeführt. Wenn das Ausmaß der Verschiebung ausreichend niedrig ist, sind die Bereiche R sehr klein im Vergleich zur Fläche der Pupillenapertur. Da sich die Transmissionsamplitude des optischen Filters im allgemeinen in radialer Richtung grob ändert (wie in Fig. 13 dargestellt), kann die Transmissionsamplitude der Bereiche R als im wesentlichen mit der der Punkte P übereinstimmend an gesehen werden. In diesem Sinn gilt, daß selbst dann, wenn ein Filter, das auf der Pupille angeordnet werden sollte, gegenüber dieser verschoben ist, die praktische Wirkung des Filters als unverändert angesehen werden kann.

Das optimale Ausmaß der Verschiebung in Richtung der opti schen Achse hängt von der numerischen Apertur und dem Radius der Pupille (Aperturstopp) der fraglichen Linsenanordnung ab. Die Linsenanordnung ist an der Seite der Maske 1 ausge bildet, beabstandet von den Pupillen einer maskenbeleuchten den Kondensorlinse und einer wirksamen Projektionslinse, wenn die Linsenpupille als Bildebene der effektiven Quelle angesehen wird. Z. B. ist es bevorzugt, daß das Ausmaß der Verschiebung zwischen den Hauptlichtstrahlen, die durch den äußersten Randteil des Maskenbelichtungsbereichs und der Mitte des optischen Filters hindurchgetreten sind, zwischen 10 und 20% beträgt. Alternativ ist das bevorzugte Ausmaß der Verschiebung ein Mehrfaches bis das einige Hundertfache der Fokaldistanz des Fraunhoferschen Beugungsbildes auf der Pupille.

Die Projektionslinsenanordnung besteht im allgemeinen aus zahlreichen einzelnen Linsen. Wenn das optische Filter ge genüber der Linsenpupille verschoben ist, kann dieses Filter außerhalb der Linsen positioniert sein, die die Pupillen oberfläche flankieren. In jedem Fall kann das optische Fil ter irgendwo angeordnet sein, solange es so liegt, daß es sich vorteilhaft auswirkt.

Achtes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 16(A) und 16(B) sind eine schematische perspektivi sche Darstellung bzw. ein Querschnitt eines optischen Fil ters, das als Teil des achten Ausführungsbeispiels ausgebildet ist. Die Filteroberfläche wird durch ein Muster aus einem abschirmenden Film 31 mit einer Öffnung und einem Verbundfilm 32 gebildet, wobei der letztere Film aus einem Phasenschieber 32a und einem teildurchlässigen Film 32b gebildet wird, der für die Öffnung vorhanden ist. Diese Komponenten sind auf einem lichtdurchlässigen Substrat 33 ausgebildet, dessen zwei Oberflächen ausreichend parallel sind. Fig. 16(C) zeigt mit ausgezogenen Linien die komplexe Verteilung der Transmissionsamplitude des optischen Filters. Die gestrichelte Kurve in Fig. 16(C) repräsentiert die wirk same Verteilung für β = 0,65 und Θ = 260 Grad im obigen Aus druck für die Funktion T(r) der Transmissionsamplitude; es handelt sich um ein Verteilungsmuster, das optimal für das Ausbilden von Mustern mit feinen Löchern angepaßt ist. Die komplexe Verteilung der Transmissionsamplitude des beim ach ten Ausführungsbeispiel verwendeten Filters ist eine diskre te Annäherung an die obige optimale Verteilung. Beim achten Ausführungsbeispiel sind der Phasenschieber 32a und der teildurchlässige Film 32b aus einem Siliziumoxidfilm bzw. einem lichtdurchlässigen Chromfilm hergestellt. Alternativ können diese Filme aus anderen geeigneten Materialien in Kombination bestehen.

Beim Aufbau gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel ist das op tische Filter in der Nähe der Projektionslinsenpupille eines Photorepeater-Belichtungsgerätes eingefügt. Bei diesem Gerät handelt es sich um eines von bekanntem Typ mit einer Licht quelle, einer Beleuchtungsoptik, die dafür sorgt, daß die Lichtquelle eine Maske mit dem gewünschten Muster belichtet, einer Halteeinrichtung zum positionierenden Halten der Maske und einer Projektionslinse zum Projizieren des Maskenmusters auf ein zu belichtendes Substrat. Beim Photorepeater-Belich tungsgerät, wie es beim achten Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist die numerische Apertur (NA) der Projektionslinse auf 0,5 eingestellt, und die Belichtungswellenlänge ist die von i-Strahlen (365 nm).

Fig. 17 ist eine schematische Darstellung der Umgebung der Projektionslinsenpupille beim obigen Aufbau. Wie darge stellt, ist die Filteroberfläche 34 5 mm gegenüber der Pro jektionslinsenpupille 3 zur Maske hin verschoben. Da dieses Verschiebungsausmaß ausreichend klein im Vergleich zum Aper turradius der Pupille 3 ist, unterscheidet sich die Amplitu denverteilung in radialer Richtung nicht merklich von der auf der Pupille 3. So führt das Positionieren der Filter oberfläche 34 an der in Fig. 17 angezeigten Position immer noch näherungsweise zum selben Ergebnis, wie es dann erzielt wird, wenn die Filteroberfläche 34 an der Position der Pu pille 3 angebracht wird. Die angezeigte Filterposition fällt innerhalb des Tiefenschärfebereichs des effektiven optischen Bildes in der Nähe der Pupille. Aus diesem Grund unterschei det sich das effektive optische Bild innerhalb der Oberflä che rechtwinklig zur optischen Achse in der Verschiebungspo sition größenmäßig vom effektiven optischen Bild auf der Pupillenoberfläche, weist jedoch dieselbe Form auf; die zwei effektiven optischen Bilder überlappen einander nicht. Die Spitzenlichtintensität des effektiven optischen Bilds in der Verschiebungsposition ist 50% oder weniger als die auf der Pupillenoberfläche. Da das lichtdurchlässige Substrat 33 der Linsenpupille, bezogen auf die Filteroberfläche 34, gegen überliegt, enthält das Substrat 33 die Linsenpupille nicht.

Der Aufbau der gesamten Linsenanordnung ba siert auf dem Konzept, daß das optische Filter so eingesetzt wird, wie dies vorstehend beschrieben ist. Die Filterober fläche 34 kann, bezogen auf die Linsenpupille 3, auf der Waferseite angeordnet sein. Auch in diesem Fall ist das lichtdurchlässige Substrat 33 vorzugsweise der Linsenpupille 3 entgegengesetzt angeordnet, so daß dieses Substrat 33 die Pupille 3 nicht enthält. Das Verschiebungsausmaß des opti schen Filters ist nicht auf das beschränkt, was vorstehend beschrieben wurde. Jedoch sollte ein anders bestimmtes Aus maß der Verschiebung des optischen Filters vorzugsweise mit einer Neueinstellung oder einem Neuentwurf der Linsenanord nung einhergehen.

Bei den Versuchen wurde das vorstehend angegebene optische Filter an der angezeigten Position eingesetzt. Dann wurden verschiedene Maskenmuster unter verschiedenen Fokussierbe dingungen auf einem mit Resist beschichteten Substrat ausge bildet. Der belichtete Resistfilm wurde entwickelt, und die erhaltenen Resistmuster wurden unter einem Rasterelektronen mikroskop betrachtet. Es stellte sich heraus, daß Lochmuster mit einer Resistgröße von 0,25 µm mit einer Tiefenschärfe von ± 2 µm ausgebildet wurden.

Andererseits betrug dann, wenn das optische Filter nicht eingesetzt wurde, die Auflösungsgrenze 0,35 µm, und die Tie fenschärfe betrug ± 0,5 µm. Dies zeigt den deutlichen Nut zen, wie er unter Verwendung des obigen optischen Filters erzielt werden kann.

Bei einer anderen Versuchsserie wurde die Belichtung mit eingefügtem optischen Filter fortgesetzt. Der Zweck dieser Versuche war der, die Standfestigkeit des optischen Filters zu testen. Es stellte sich heraus, daß nach mehr als 1000 Gesamtbelichtungsstunden das optische Filter keine Beschädi gung erlitten hatte.

Noch mehr über die Funktion des Ausführungsbeispiels wird nachstehend beschrieben. Ein optisches Filter, das so ausge bildet ist, daß es ein feines Muster durchlässiger und nichtdurchlässiger Abschnitte bildet, kann aus einem licht durchlässigen Substrat und einem nichtdurchlässigen Film ausgebildet sein, die beide aus einem relativ dicken, wärme beständigen Material bestehen. Ein optisches Filter mit einem solchen Aufbau ist gegen thermische Beschädigung sehr beständig.

Das Bild, das direkt nach dem Durchtreten von Licht durch das oben beschriebene optische Filter ausgebildet wird, weist eine diskrete Amplitudenverteilung auf, bei der Posi tionen mit der Amplitude Null örtlich verteilt sind. Dies führt jedoch zu keinen Schwierigkeiten, da das ursprüngliche Spektrum (d. h. das Bild, wie es von der Vorderfläche des optischen Filters erhalten wird) ausreichend ausgebreitet ist, wenn eine Vorrichtung für örtliche Beleuchtung mit räumlicher Kohärenz verwendet wird.

=Neuntes Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 18 dargestellt, wurde dasselbe optische Filter, wie es beim achten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, in der Nähe der Projektionslinsenpupille 3 in einem Photorepea ter-Belichtungsgerät eingesetzt. Beim Gerät, wie es beim neunten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, wurde die nume rische Apertur (NA) der Projektionslinsen 2c, 2d und 2e auf 0,5 eingestellt, und die Belichtungswellenlänge ist die von i-Strahlung (365 nm). Das optische Filter 4 ist, bezogen auf die der Projektionslinsenpupille 3 nächststehende Projek tionslinse 2d, der Projektionslinsenpupille 3 gegenüberste hend angeordnet. Dieser Aufbau führt ebenfalls zu einem op tischen Bild, das sich nicht stark vom Bild unterscheidet, wie es an der Projektionslinsenpupille erhalten wird. Es hat sich gezeigt, daß das neunte Ausführungsbeispiel dieselbe Wirkung aufweist wie das achte Ausführungsbeispiel.

Zehntes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 19(A) und 19(B) sind eine schematische, perspekti vische Darstellung bzw. ein Querschnitt eines optischen Fil ters, das als Teil des zehnten Ausführungsbeispiels ausgebildet ist. Dieses optische Filter besteht aus einem lichtdurchlässigen Substrat 33, dessen zwei Oberflä chen ausreichend parallel sind und dessen Mitte eine runde Öffnung aufweist. Die Mitte und die Randabschnitte der Öff nung bilden ein feines Abschirmungsmuster, das aus licht durchlässigen Teilen 37 und undurchlässigen Teilen 36 be steht. Die Skizze oben rechts in Fig. 19(A) ist eine teil vergrößerte Darstellung des feinen Abschirmungsmusters 35. Die nichtdurchlässigen Teile 36 bestehen aus einem dicken Chromfilm. Das feine Abschirmungsmuster ist größenmäßig aus reichend kleiner als der Radius des optischen Filters (d. h. 1/10 des Radius oder kleiner). Das Verhältnis der licht durchlässigen Fläche zur nichtdurchlässigen Fläche in einem örtlichen Bereich des optischen Filters ändert sich in Fil terradiusrichtung, wie dies in Fig. 20(A) dargestellt ist.

Die Transmissionsverteilung entspricht der Absolutverteilung der Transmissionsamplitude (wie in Fig. 13 durch die ausge zogene Linie dargestellt) eines optischen Filters mit einer herkömmlichen komplexen Verteilung der Transmissionsamplitu de, wie sie für Lochmuster optimiert ist. Ein Phasenschieber 32a aus einem SiO₂-Film ist auf dem lichtdurchlässigen Sub strat 33 in solchen Bereichen angebracht, die sich von denen unterscheiden, die das feine Abschirmungsmuster 35 in der Öffnung bilden. Die Transmissionsphasenverteilung des opti schen Filters ist die, wie sie in Fig. 20(B) dargestellt ist. Diese Verteilung stimmt mit der Transmissionsphasenver teilung des Filters aus dem Stand der Technik überein, wie in Fig. 13 veranschaulicht.

Bei Versuchen wurde das obige optische Filter näherungsweise an der Position der Pupillenöffnung auf der Projektionslinse in einem Photorepeater-Belichtungsgerät (NA = 0,5) für i-Strahlung eingesetzt. Bei diesem Aufbau wurden Maskenmuster mit Lochmustern mit einer Designgröße von 0,5 µm (auf dem Wafer) bei verschiedenen Fokussierbedingungen auf ein mit Resist beschichtetes Substrat zur Belichtung projiziert. Da nach wurden die Resistmuster in geeigneter Weise entwickelt und unter einem Rasterelektronenmikroskop betrachtet. Es stellte sich heraus, daß Lochmuster einer Resistgröße von 0,35 µm mit einer Tiefenschärfe von ± 2 µm ausgebildet wur den. Andererseits stellte es sich heraus, daß dann, wenn das optische Filter nicht eingesetzt wurde, die Auflösungsgrenze 0,45 µm und die Tiefenschärfe ± 0,5 µm betrugen.

Nach 1000 Gesamtbelichtungsstunden wurde das optische Filter entnommen, und seine Leistungsfähigkeit wurde überprüft. Die Überprüfungen zeigten keine Verschlechterung der Filter eigenschaften. Da das durchsichtige Substrat und die nicht durchlässigen Teile ausreichend dick sind und wärmebeständig sind, ist das optische Filter gegenüber Wärmeerzeugung sehr beständig, wie sie durch Lichtabsorption hervorgerufen wird.

Die Eigenschaften des in Fig. 19 dargestellten optischen Filters sind solche, wie sie für Lochmuster optimiert sind. Alternativ kann das Verhältnis der lichtdurchlässigen Fläche zur nichtdurchlässigen Fläche in einem örtlichen Bereich des optischen Filters, abhängig vom Maskenmustertyp, verändert werden. Im letzteren Fall ist, wenn das Filterverfahren ge mäß dem Stand der Technik verwendet wird, das obige Flächen verhältnis vorzugsweise als Absolutwert gesehen im wesent lichen dasselbe wie die Transmissionsamplitude (oder deren diskrete Annäherung) des optischen Filters hinsichtlich eines gewünschten Musters. Diese Transmissionsamplitude wird als Funktion der Kreiskoordinate r ausgedrückt, die hin sichtlich des maximalen Pupillenradius normiert ist. Diese Funktion ist:

T(r) = cos(2π · β · r² - Θ/2) x circ(r),

wobei β und Θ jeweils Konstanten sind. Die Phasentransmis sion wird vorzugsweise abhängig vom positiven oder negativen Vorzeichen der Amplitudentransmission verändert. Die Form des feinen Abschirmmusters ist nicht auf das Schachstreifen muster von Fig. 18 beschränkt, sondern es kann sich um ein beliebiges unter verschiedenen Mustern handeln, wie um ein konzentrisches oder ein radiales Muster.

Der Materialtyp des Phasenschiebers, die Belichtungswellen länge und die numerische Apertur des Photorepeater-Belich tungsgerätes sind nicht auf die Werte, wie beim zehnten Aus führungsbeispiel, beschränkt, sondern statt dessen können ge eignete andere Materialien und/oder Einstellungen verwendet werden.

Das feine Abschirmmuster muß nicht auf dem lichtdurchlässi gen Substrat ausgebildet sein, sondern es kann als schablo nenartiges Abschirmmaskenmuster ausgebildet sein. In diesem Fall läßt das Fehlen des lichtdurchlässigen Substrats in der Linsenanordnung diejenigen grundsätzlichen optischen Eigen schaften der Projektionslinse intakt, die sich sonst ändern würden. D. h., daß anders als dann, wenn das optische Filter eingefügt ist, die Linsenanordnung nicht verändert werden muß. Dies erfordert es jedoch, daß die schwierige Aufgabe des Ausbildens des Phasenschiebers auf der Schablone ausge führt wird.

Wie beschrieben, ergibt das zehnte Ausführungsbeispiel ein sehr dauerhaftes optisches Filter, wobei verschiedene Filme verwendet werden, was feine und genaue Filmdickeneinstellung erfordert. Es ist zu beachten, daß beim zehnten Ausführungs beispiel Lichtstrahlen, die nicht durch die Pupille gehen, alle durch das optische Filter absorbiert werden. Dies führt zwingend zu Wärmeerzeugung auf der Filteroberfläche. In die sem Sinn wird das zehnte Ausführungsbeispiel vorzugsweise in Kombination mit Zwangskühlungseinrichtungen verwendet, wie sie bei einem anderen (d. h. dem elften) Ausführungsbeispiel realisiert sind.

Elftes Ausführungsbeispiel

Beim elften Ausführungsbeispiel ist eine Zwangskühlungseinrichtung in der Projektionslinsenanordnung eines Projektionsbelichtungsgeräts vorhanden. In der Linsen anordnung ist ein herkömmliches optisches Filter mit geeig neter komplexer Verteilung der Transmissionsamplitude nähe rungsweise am Ort der Projektionslinsenpupille angeordnet. Wie in Fig. 21 dargestellt, ist das optische Filter 4 an der Pupille der Projektionslinsen 2a und 2b innerhalb einer Lin sentrommel 41 angeordnet. Eine Kühlgasdüse 42 bläst gekühl tes Heliumgas 43 gegen die Oberfläche des optischen Filters 4 oder sorgt dafür, daß solches Gas strömt. Das Gas entfernt die Wärme, die nahe der Oberfläche des optischen Filters 4 erzeugt wird. Wenn mehrere Kühlgasdüsen 42 vorhanden sind, können die Gasströmungen aus den Düsen geeignet variiert werden, um jegliche Kühlgasfallen zu beseitigen, die an der Oberfläche des optischen Filters 4 ausgebildet werden könn ten.

Das Kühlgas könnte auch trockene Luft, N₂-Gas oder ein be liebiges anderes geeignetes Gas sein. Die Zwangskühlungsein richtung ist nicht auf diejenige beschränkt, wie sie beim elften Ausführungsbeispiel angegeben ist, sondern statt dessen könnten andere geeignete Einrichtungen entworfen und realisiert werden.

Wenn das optische Filter des neunten Ausführungsbeispiels im Projektionsbelichtungsgerät des elften Ausführungsbeispiels bei den Versuchen verwendet wurde, stellte sich dieselbe Wirkung ein wie beim elften Ausführungsbeispiel.

Eine andere Erscheinungsform der Realisierung des Ausfüh rungsbeispiels beinhaltet es, daß das optische Filter einer Zwangskühlung gegen Temperaturerhöhung unterzogen wird. Dies führt zu noch wirkungsvollerem Schutz gegen thermische Be schädigung des optischen Filters.

Zwölftes Ausführungsbeispiel

Beim zwölften Ausführungsbeispiel wurde ein Photorepeater-Belichtungsgerät mit der Belichtungswellenlän ge von i-Strahlung (365 nm) mit einer Maske versehen, bei der das Verhältnis der lichtdurchlässigen Fläche zur Gesamt fläche 30% oder weniger beträgt. Bei diesem Aufbau ist ein typisches herkömmliches optisches Filter in die Position der Projektionslinsenpupille eingesetzt.

Mit eingesetztem optischem Filter wurde nur dann belichtet, wenn Masken verwendet wurden, bei denen das Verhältnis der lichtdurchlässigen Fläche zur gesamten Fläche 30% oder we niger betrug. Dies verlängert die Lebensdauer des optischen Filters beträchtlich. Wenn Belichtung so ausgeführt wird, daß das optische Filter nur Belichtungen für Kontaktlochmu ster oder Durchgangslochmuster eingesetzt ist, wird die Le bensdauer des optischen Filters noch weiter verlängert.

Ein weiterer Gesichtspunkt betreffend die Funktion des Aus führungsbeispiels muß erwähnt werden. Wenn das Verhältnis der Maske zur gesamten lichtdurchlässigen Fläche relativ hoch ist, treten im Bild der effektiven Fläche, wie es auf der Pupillenoberfläche oder auf der dazu konjugierten Ober fläche erhalten wird, hohe Spitzen der Lichtintensität auf. Dies kann leicht zur thermischer Beschädigung des optischen Filters führen. Wenn das optische Filter z. B. 30% oder we niger der gesamten lichtdurchlässigen Fläche einnimmt, ist es weniger wahrscheinlich, daß dieses Filter thermisch be schädigt wird.

Wie beschrieben, werden feine Muster, deren Einheitsgröße der Wellenlänge des verwendeten Lichts ent spricht oder kleiner ist, mit hohen Kontrastwerten und gro ßer Tiefenschärfe ausgebildet.

Wenn das optische Filter leicht gegenüber der Projektions linsenpupille oder gegenüber einer dazu konjugierten Posi tion in Richtung der optischen Achse verschoben wird, kann eine thermische Beschädigung desselben wirkungsvoll verhin dert werden. Darüber hinaus wird das Filtern des Fraunhofer schen Beugungsbildes von Maskenmustern wirkungsvoll ausge führt.

Eine Art ist ein Projektionsbe lichtungsgerät mit einem optischen Filter, das näherungswei se an der Position der Projektionslinsenpupille oder einer dazu konjugierten Position angeordnet ist, wenn ein Photo repeater-Belichtungsverfahren ausgeführt wird. Das Verhält nis der lichtdurchlässigen Fläche zur nichtdurchlässigen Fläche in einem örtlichen Bereich des optischen Filters wird näherungsweise mit der für diesen Bereich spezifischen Ver teilung der Transmissionsamplitude zur Übereinstimmung ge bracht, wobei die Oberfläche des optischen Filters ein fei nes Muster bildet, das aus lichtdurchlässigen und nicht durchlässigen Teilen besteht. Dieses Projektionsbelichtungs gerät ermöglicht es, ein effektives Filtern des Fraunhofer schen Beugungsbildes auf dem Maskenmuster zu erzielen, wäh rend thermische Beschädigung vermieden wird, die sonst auf der Projektionslinsenpupille aufgrund von Licht auftreten könnte, das punktförmig konzentriert ist.

Bei einem anderen Projektionsbelichtungsgerät wird an der Projektionslinsenpupille ein optisches Filter mit geeigneter Verteilung der Transmissionsamplitude angebracht, das durch eine Zwangskühlungseinrichtung gekühlt wird. Dieser Aufbau vermeidet thermische Beschädigung, die ansonsten an der Projektionslinsenpupille aufgrund punktför mig fokussierten Lichts auftreten könnte.

Bei jedem der oben angegebenen Projektionsbelichtungsgeräte ist ein optisches Filter mit geeigneter Verteilung der Transmissionsamplitude so positioniert, daß es an der Stelle der Projektionslinsenpupille eingesetzt werden kann. Beim Betrieb wird das optische Filter nur dann eingesetzt, wenn dies zur Belichtung unter Verwendung einer Maske erforder lich ist, bei der das Verhältnis der lichtdurchlässigen Flä che zur Gesaintfläche unter einem vorgegebenem Wert liegt. Dies erlaubt wirkungsvolle Musterausbildung unter Umgehung einer thermischen Beschädigung des optischen Filters.

Wie beschrieben, gewähren das erfindungsgemäße Belichtungs gerät und das Musterausbildungsverfahren zur Verwendung mit demselben hohe Tiefenschärfen und hohe Bildqualitäten selbst dann, wenn versucht wird, höhere numerische Aperturen und kürzere Wellenlängen zu verwenden, um bessere Auflösungs grenzen zu erzielen. Wenn das Gerät auf die beschriebene Weise aufgebaut ist, weist es als zusätzlichen Vorteil hohe Haltbarkeit auf.

Claims

1. Projektionsbelichtungsgerät mit

- einer Lichtquelle;
- einer Einrichtung zum Erzielen einer ringförmigen Beleuch tungsverteilung relativ zu einer optischen Achse in der Ebene einer effektiven Lichtquelle (5);
- einer Beleuchtungsoptik (6) zum Einstrahlen des Lichts von der effektiven Lichtquelle (5) auf eine Maske (1) mit einem vorgegebenen Muster;
- einer Projektionslinseneinrichtung (2) zum Projizieren des Musters auf einen Resistfilm; und mit
- einem optischen Raumfilter (4), das im wesentlichen in der Pupillenebene (3) der Projektionslinseneinrichtung angeord net ist und das eine solche Transmissionsverteilung auf weist, daß die Transmission in einem Bereich (17) des Raum filters verringert ist, dessen Umfang zu dem des Bereichs (16) der ringförmigen Beleuchtungsverteilung der effektiven Lichtquelle (5) konjugiert ist, wobei der ringförmige Be reich (17) des Raumfilters (4) derart ausgebildet ist, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind: 0,6 < σ/r 0,7,
0,1 W/r 0,3,wobei σ der Radius bis zur Mitte des Ringbereichs, W die Breite des Ringbereichs und r der Radius der Pupille ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei das optische Raumfilter (4) eine solche Transmissionsverteilung aufweist, daß die Transmission in einem ringförmigen Bereich (17) des Raumfil ters verringert ist, der zu dem ringförmigen Bereich (16) der Beleuchtungsverteilung der effektiven Lichtquelle (5) konju giert ist.

3. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Transmission im Bereich (17) des Raumfilters (4) mit ver ringerter Transmission 35 bis 65% beträgt.

4. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Teile des Bereichs (16) der ringförmigen Beleuchtungsvertei lung der effektiven Lichtquelle abgedeckt sind.

5. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsverteilung der effektiven Lichtquelle (5) Intensitätsspitzen aufweist, die im wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse liegen, und wobei die Transmission des optischen Raumfilters (4) in den Bereichen, die den Intensi tätsspitzen der effektiven Lichtquelle entsprechen, niedriger ist als in den anderen Bereichen des optischen Raumfilters mit verringerter Transmission.

6. Gerät nach Anspruch 5, wobei das optische Raumfilter (4) in Richtung der optischen Achse aus der Pupillenebene (3) der Projektionslinseneinrichtung verschoben ist.

7. Gerät nach Anspruch 5, wobei die Transmission des optischen Raumfilters (4) in den Bereichen, die den Intensi tätsspitzen der effektiven Lichtquelle entsprechen, gegenüber den anderen Bereichen des optischen Raumfilters mit verrin gerter Transmission um mindestens 50% verringert ist.