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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren eines
Photolithographieprozesses, wobei ein Testmuster eine Anzahl Male nebeneinander mit der gleichen
Strahlungsenergie, aber in einer Reihe von verschiedenen Bestrahlungszeiten, auf einer auf
einer Oberfläche eines Substrats aufgebrachten Photolackschicht abgebildet wird,
woraufhin der Photolack entwickelt wird.
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Das Testmuster kann ein Rechteck sein. Eine Anzahl dieser Rechtecke wird
dann nebeneinander auf den Photolack abgebildet, wobei diese Rechtecke eine Länge und
eine Breite von beispielsweise einigen Millimetern haben. Bei der Entwicklung des
Photolacks ist es dann einfach, mit bloßem Auge festzustellen, bei welcher Bestrahlungszeit der
Photolack gerade eben in Entwickler löslich geworden ist. Da die hierfür verwendete
Bestrahlungsenergie bekannt ist, wird somit die Bestrahlungsdosis bestimmt, bei der der
Photolack gerade eben von der Oberfläche entfernt werden kann. Diese Bestrahlungsdosis wird
manchmal die "Energy-to-clear" genannt.
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In dem zu kontrollierenden Photolithographieprozess wird eine Schicht aus
Photolack in einem Muster bestrahlt und anschließend entwickelt, so dass Photolackmuster
gebildet werden. Das eingangs erwähnte Verfahren kann zum Optimieren des zu
kontrollierenden Prozesses verwendet werden, beispielsweise hinsichtlich der Dicke der
Photolackschicht, und auch, um von Zeit zu Zeit zu überprüfen, ob der Prozess noch
zufriedenstellend arbeitet. Wenn eine solche Reihe von Testmustern an verschiedenen Stellen auf dem
Substrat abgebildet wird, kann auch geprüft werden, ob der Prozess homogen über der
Oberfläche des Substrats verläuft.
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Es ist bekannt, die "Energy-to-clear" mit Hilfe eines rechteckigen
Testmusters zu bestimmen, das mit Hilfe einer Blende gebildet wird. Der Photolack wird innerhalb
des Rechtecks des Testmusters bestrahlt, aber nicht außerhalb. Die Reihe von
Bestrahlungszeiten wird so gewählt, dass sie um einen Nennwert herum liegt, der der erwarteten
"Energy-to-clear" entspricht. Die Bestrahlungszeiten, und somit die Bestrahlungsdosen in
der Reihe, unterscheiden sich voneinander jedesmal um beispielsweise 2% des Nennwertes.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass das bekannte Verfahren nicht zum
Kontrollieren eines Photolithographieprozesses geeignet ist, bei dem zur Musterbestrahlung
gepulste Laserstrahlung aus beispielsweise einem KrF-Excimerlaser verwendet wird. Diese
Laserstrahlung wird in Projektionseinrichtungen verwendet, mit denen Muster mit
minimalen Abmessungen von 0,25 um auf Photolack abgebildet werden, beispielsweise in der
PAS-5500/90 und der PAS-5500/300 der Firma ASML. Eine zu realisierende
Bestrahlungsdosis kann an der Einrichtung eingestellt werden. Bei Verwendung einer solchen
Einrichtung zeigt sich, dass die Genauigkeit, mit der eine eingestellte Bestrahlungsdosis
realisiert wird, praktisch unabhängig von der Größe dieser Dosis ist. In der Praxis hat sich
gezeigt, dass Bestrahlungsdosen mit Größen bis zu ungefähr 100 mJ/cm² alle mit der gleichen
Genauigkeit von ungefähr ± 0,15 mJ/cm² realisiert werden können. Übliche
Musterbestrahlungen werden mit Bestrahlungsdosen von 5 bis 20 mJ/cm² ausgeführt, die oben
erwähnten Testmuster daher mit gegenseitigen Dosisunterschieden von 0,1 bis 0,4 mJ/cm².
Die Musterbestrahlungen können mit ausreichender Genauigkeit ausgeführt werden, die
"Energy-to-clear"-Bestrahlungen nicht.
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Die Dosis, die notwendig ist, um den Photolack gerade eben entwickelbar zu
machen, hängt außerdem von der Größe des auf den Photolack abgebildeten Musters ab.
Kleine Muster müssen langer bestrahlt werden als große. Beim Kontrollieren des
Lithographieprozesses, wo vorzugsweise Testmuster verwendet werden, die mit bloßem Auge
wahrnehmbar sind, sollte dies berücksichtigt werden. Um ein Testmuster, das in Form eines
Rechtecks mit Seiten von beispielsweise 2 und 4 mm auf dem Photolack abgebildet wird,
entwicklungsfähig zu machen, ist eine Bestrahlungsdosis erforderlich, die nur halb so groß
ist wie die, die benötigt wird, um auf dem Photolack abgebildete Submikrometermuster
entwickelbar zu machen. Es müssten daher Dosisunterschiede von nur 0,05 bis 0,2 mJ/cm²
realisiert werden, um die "Energy-to-clear" mit Hilfe eines derartig großen Testmusters zu
bestimmen.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren
so weit zu verbessern, dass es auch zum Kontrollieren eines Photolithographieprozesses
geeignet ist, in dem gepulste Laserstrahlung für die Musterbestrahlung verwendet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierzu dadurch gekennzeichnet, dass
die Strahlungsenergie, mit der das Testmuster auf dem Photolack abgebildet wird, nur ein
Bruchteil der Strahlungsenergie ist, die in dem zu kontrollierenden Prozess zum Abbilden
von Mustern auf Photolack zur Verfügung steht. Nur ein Bruchteil der an der Einrichtung
eingestellten Bestrahlungsdosis wird daher bei der Bestimmung der "Energy-to-clear"
verwendet. Um die oben erwähnten Unterschiede in der Bestrahlungsdosis von 0,05 bis
0,2 mJ/cm² auf dem Photolack zu realisieren, sollten, wenn beispielsweise nur 10% der
Strahlung genutzt wird, Unterschiede von ungefähr 0,5 bis 2 mJ/cm² eingestellt werden.
Diese erstgenannten Unterschiede können tatsächlich mit Genauigkeit realisiert werden.
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Testmuster können bei dem bekannten Verfahren, bei dem ein rechteckiges
Testmuster gebildet wird, indem die Strahlung mit Hilfe einer Blende auf ein Rechteck
begrenzt wird, mit der genannten kleinen Strahlungsenergie abgebildet werden, wenn ein
Filter mit einer Durchlässigkeit von beispielsweise 10% im Strahlengang enthalten ist.
Vorzugsweise jedoch wird das Testmuster auf einer Photolackmaske gebildet, die auf den
Photolack projiziert wird, insbesondere durch ein Fenster mit einer begrenzten
Strahlungsdurchlässigkeit, das in einer Schicht angebracht ist, die für Strahlung undurchlässig und auf
der Photomaske aufgebracht ist. Die "Energy-to-clear" kann somit in einfacherer und
zuverlässigerer Weise bestimmt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 schematisch und im Querschnitt ein Stadium der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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Fig. 2 schematisch und in Draufsicht die Oberfläche nach der Entwicklung
des Photolacks,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der
"Energy-to-clear" E&sub0; und der Dicke d einer Photolackschicht darstellt,
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Fig. 4 eine Siliciumscheibe, auf der eine Anzahl Testmusterreihen an
verschiedenen Stellen auf der Oberfläche abgebildet ist und
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Fig. 5 und 6 schematisch eine mit einem Testmuster versehene
Photolackmaske in Draufsicht bzw. im Querschnitt.
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Fig. 1 zeigt schematisch und im Querschnitt ein Stadium der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Testmuster 4 auf einer Schicht aus Photolack 1,
negativem Photolack in diesem Fall, die auf einer Oberfläche 2 eines Substrats 3
aufgebracht ist, einige Male nebeneinander abgebildet wird. Die Gebiete 5 bis 7, wo die
Bestrahlung bereits erfolgt ist, sind schraffiert dargestellt, und das Gebiet 8, wo die
Bestrahlung stattfindet, und die Gebiete 9 bis 15, wo die Bestrahlung noch erfolgen muss, sind
neben den erstgenannten Gebieten dargestellt. Abbildung erfolgt mit der gleichen
Strahlungsenergie, aber in einer Reihe unterschiedlicher Bestrahlungszeiten, in diesem Beispiel
ansteigenden Bestrahlungszeiten von Gebiet 1 bis Gebiet 15. Der Photolack 1 wird
anschließend entwickelt. Fig. 2 ist eine Draufsicht der Oberfläche 2, nachdem der Photolack
entwickelt worden ist. Es zeigt sich, dass der Photolack auf den Gebieten 5 bis 9 sich nicht im
Entwickler löst, im Gegensatz zum Photolack auf den Gebieten 10 bis 15. Die Zeit, in der
Gebiet 10 bestahlt wurde, ist daher genau lang genug, um den Photolack in dem Entwickler
löslich zu machen. Da die hierfür verwendete Bestrahlungsenergie bekannt ist, ist somit die
Bestrahlungsdosis bestimmt worden, bei der der Photolack gerade eben von der Oberfläche
entfernt werden kann. Diese Bestrahlungsdosis wird die "Energy-to-clear" E&sub0; genannt.
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Das Testmuster ist in diesem Beispiel ein Rechteck. Eine Anzahl dieser
Rechtecke 5 bis 15 wird auf den Photolack 1 abgebildet. Sie haben eine Länge und eine
Breite von beispielsweise jeweils einigen Millimetern. Bei der Entwicklung des Photolacks
ist es dann einfach, mit bloßem Auge festzustellen, bei welcher Bestrahlungszeit der
Photolack gerade eben im Entwickler löslich geworden ist.
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Eine Schicht aus Photolack wird in einem Muster bestrahlt und anschließend
in dem zu kontrollierenden Photolithographieprozess entwickelt. Das in Fig. 1 und 2
veranschaulichte Verfahren kann zum Optimieren des beobachteten Prozesses verwendet
werden, beispielsweise hinsichtlich der Dicke der Photolackschicht, und auch, um von Zeit zu
Zeit zu überprüfen, ob der Prozess noch zufriedenstellend verläuft.
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen
der "Energy-to-clear" E&sub0; und der Dicke d einer Photolackschicht zeigt. Die durch die
Messpunkte 21 gezeichnete Kurve 20 zeigt diesen Zusammenhang, der mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren gemessen worden ist. Es zeigt sich, dass die "Energy-to-clear" bei einer
Schichtdicke d&sub1; ein Minimum hat und bei einer Schichtdicke d&sub2; ein Maximum.
Vorzugsweise wird jetzt in dem zu kontrollierenden Lithographieprozess eine Photolackschicht mit
einer Dicke d&sub2; verwendet. In der Praxis wird die auf einer Oberfläche vorhandene
Photo
lackschicht örtlich etwas dünner oder dicker sein als die gewünschte Dicke. Wenn die
gewünschte Dicke d&sub2; ist, können diese etwas dickeren und dünneren Teile nach der
Bestrahlung entwickelt werden, in dem Fall, dass die gewünschte Dicke d&sub1; ist, dagegen nicht, und
nach der Entwicklung können Photolackreste an unerwünschten Stellen zurückbleiben. Der
zu kontrollierende Lithographieprozess kann somit optimiert werden.
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Fig. 4 zeigt eine Siliciumscheibe 24, auf der eine Anzahl Testmusterreihen
25 bis 33 an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche abgebildet werden. In diesem Fall
kann auch festgestellt werden, ob der Prozess homogen über der Oberfläche der Scheibe
verläuft. In der dargestellten Reihe nimmt die Bestrahlungszeit von links nach rechts zu.
Der Photolack ist während der Entwicklung links auf der Scheibe nicht verschwunden, aber
rechts. In diesem Beispiel hat sich gezeigt, dass die "Energy-to-clear" für den Photolack am
Rand der Scheibe größer ist als in der Mitte der Scheibe. Ob dies ausreichend homogen ist,
hängt von den an den zu kontrollierenden Prozess gestellten Anforderungen ab.
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Die Reihe Bestrahlungszeiten wird um einen Nennwert herum gewählt, der
der erwarteten "Energy-to-clear" E&sub0; entspricht. Die Bestrahlungszeiten in der Reihe, und
damit die Bestrahlungsdosen, unterscheiden sich immer, beispielsweise jedesmal um 2%,
vom Nennwert.
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Bei der Verwendung von Projektionseinrichtungen, mit denen Muster mit
minimalen Abmessungen von 0,25 um auf Photolack abgebildet werden und bei denen für
die Musterbestrahlung gepulste Laserstrahlung aus beispielsweise einem KrF-Excimerlaser
verwendet wird, hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit, mit der eine eingestellte
Bestrahlungsdosis realisiert wird, nahezu unabhängig von der Menge dieser Dosis ist. In der Praxis
hat sich gezeigt, dass Bestrahlungsdosen mit einer Größe bis zu ungefähr 100 mJ/cm² alle
mit der gleichen Genauigkeit von ungefähr ± 0,15 mJ/cm² realisiert werden können.
Übliche Musterbestrahlungen werden mit einer Bestrahlungsdosis von 5 bis 20 mJ/cm²
ausgeführt und die oben erwähnten Testmuster daher mit wechselseitigen Dosisunterschieden
von 0,1 bis 0,4 mJ/cm². Die Musterbestrahlungen können mit ausreichender Genauigkeit
ausgeführt werden, die "Energy-to-clear"-Bestrahlungen nicht.
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Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die "Energy-to-clear" E&sub0; von der Größe
des auf den Photolack abgebildeten Musters abhängt. Um ein Testmuster, das in Form eines
Rechtecks mit Seiten von beispielsweise 2 und 4 mm auf dem Photolack abgebildet wird,
entwicklungsfähig zu machen, ist eine Bestrahlungsdosis erforderlich, die nur halb so groß
ist wie die, die benötigt wird, um auf dem Photolack abgebildete Submikrometermuster
entwicklungsfähig zu machen. Es müssten daher Dosisunterschiede von nur 0,05 bis
0,2 mJ/cm² realisiert werden, um die "Energy-to-clear" mit Hilfe eines solchen Testmusters
zu bestimmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Strahlungsenergie, mit der
das Testmuster auf den Photolack abgebildet wird, auf nur einen Bruchteil der in dem zu
kontrollierenden Musterabbildungsprozess auf Photolack verfügbaren Strahlungsenergie.
Nur ein Bruchteil der an der Einrichtung eingestellten Bestrahlungsdosis wird daher bei der
Bestimmung der "Energy-to-clear" E&sub0; genutzt. Um die oben erwähnten Unterschiede in der
Bestrahlungsdosis von 0,05 bis 0,2 mJ/cm² auf dem Photolack zu realisieren, sollten, wenn
beispielsweise nur 10% der Strahlung genutzt wird, Unterschiede von ungefähr 0,5 bis
2 mJ/cm² eingestellt werden. Diese erstgenannten Unterschiede können tatsächlich mit
Genauigkeit realisiert werden.
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Kurve 20 in Fig. 3 zeigt die mit Hilfe des Verfahrens bestimmte "Energy-to-
clear" E&sub0; als Funktion der Dicke d der Photolackschicht, wobei nur ein Bruchteil der auf der
Einrichtung eingestellten Bestrahlungsdosis genutzt wird. Die eingestellte Dosis ist auf der
vertikalen Achse aufgetragen, wobei also nur ein Bruchteil verwendet wird. Kurve 22 zeigt
den gleichen Verlauf, mit einem Verfahren bestimmt, bei dem die gesamte auf der
Einrichtung eingestellte Bestrahlungsdosis genutzt wird. Die eingestellte Dosis ist hier wieder
auf der vertikalen Achse aufgetragen. Die erstgenannte Dosis (Kurve 20) ist zehnmal
größer als die letztere Dosis (Kurve 22), wenn der Bruchteil 10% beträgt. Die Genauigkeit, mit
der die eingestellte Bestrahlungsdosis realisiert wird (± 0,15 mJ/cm²) ist für beide Kurven
nahezu gleich. Die optimale Photolackdicke d&sub2; kann jedoch mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren bis zu viel höherer Genauigkeit bestimmt werden. Wenn die gesamte auf der
Einrichtung eingestellte Bestrahlungsdosis beim Abbilden der Testmuster verwendet
würde, wäre bei den Testergebnissen, wie in Fig. 4 gezeigt, auch die Grenze zwischen im
Entwickler löslich und unlöslich viel vager.
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Testmuster können mit der genannten kleinen Strahlungsenergie abgebildet
werden, indem die Strahlung mit Hilfe einer Blende auf ein Rechteck begrenzt wird und
indem ein Filter mit einer Durchlässigkeit von beispielsweise 10% im Strahlengang
enthalten ist. Vorzugsweise wird jedoch ein Testmuster auf einer Photomaske gebildet, wie in
Fig. 5 in Draufsicht und in Fig. 6 im Querschnitt gezeigt, die auf den Photolack projiziert
wird. Die Photomaske 35 umfasst ein mit einer Chromschicht 37 versehenes transparentes
Glassubstrat 36, das strahlungsundurchlässig ist. In der Chromschicht wird in üblicher
Wei
se ein Fenster 38 gebildet. Das Fenster 38 hat daher eine begrenzte
Strahlungsdurchlässigkeit, beispielsweise nur 10%. Diese begrenzte Strahlungsdurchlässigkeit wird hier dadurch
erhalten, dass eine Chromschicht 39 auf der Maske bis zu einer solchen Dicke
abgeschieden wird, dass die gewünschte Strahlungsdurchlässigkeit erhalten wird.