SE517550C2 - Mönstergenereringssystem användande en spatialljusmodulator - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 517 550 2 ringssystem som skapar en bild av modulatorn pà arbets- stycket.

Dock är det ett problem med att använda SLM i möns- tergeneratorer att av praktiska skäl måste varje mönster- särdrag pà arbetsstycket genereras med en eller åtminsto- ne endast ett fàtal ljuspulser. Följaktligen blir syste- met väldigt känsligt för energivariationer och tidsför- dröjningar mellan blixtarna. Detta problem är speciellt stora vid gasurladdningslasrar, sàsom i en normallt an- vänd excimer-laser. En konventionell excimer-laser kan ha en energivariation pà 5% fràn blixt till blixt, och ett tidsfördröjning mellan blixtarna pä 100 ns. Dessa varia- tioner beror på olika faktorer, såsom variationer i för- stärkningsmediet och variationer i den elektriska urladd- ningsprocessen. Varaktigheten hos laserpulsen hos en ty- pisk excimer-laser som används för litografi är omkring 10-20 ns, och pulsfrekvensen är i området omkring 1000 Hz. Genom att använda tvâ exponeringar för varje mönster- särdrag pà arbetsstycket kan detta problem till en del minskas, men inte helt elimineras.

I konventionell mikrolitografi som använder ljus- blixtar, dvs wafer steppers eller wafer scannrar, sàsom i integrerad krets-litografi, erfordras mindre precision hos ljuspulserna, eftersom varje särdrag pà arbetsstycket normalt kan skapas av 50 ljuspulser eller mer. Följaktli- gen blir den integrerade exponeringen pà varje del av ar- betsstyckets yta mindre känslig för ljuspulsvariationer.

Blixt-till-blixt-variationer är dock ett besvär även i detta fall. För detta ändamàl föreslås det i US 5 852 621 att styra laserpulsenergin genom att använda en fast pulsenergidetektor som har en svarstid i nanosekund- el- ler sub-nanosekundomràdet, vilken tillhandahåller en elektrisk signal som representerar pulsenergin till en utlösningskrets. Utlösningskretsen integrerar signalen och aktiverar en elektro-optisk brytare, såsom en Pock- els-cell, när den integrerade signalen när ett förutbe- stämt värde. Operationen hos den elektro-optiska brytaren 10 15 20 25 30 35 517 550 3 trimmar en del av pulsenergin så att den resulterade pulsenergin bibehålls vid en konstant nivå.

Sammanfattning av uppfinningen Det är därför ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en förbättrad SLM-mönstergenerator för skrivande av precisionsmönster.

Detta syfte uppnås medelst ett system i enlighet med de bifogade patentkraven.

Det skall noteras att uppfinningen speciellt hänför sig till skrivande av fotomasker för halvledaranordningar och bildskärmar, men även hänför sig till direktskrivning av halvledarmönster och elektroniska sammankopplings- strukturer. Vidare kan den ha tillämpningar i olika typer av precisionsskrivning, såsom säkerhetsskrivning. Termen ”skriva” skall förstås i en bred mening, innebärande ex- ponering av fotoresist och fotografisk emulsion, men även verkan av ljus på andra ljuskänsliga media, såsom torr- processpapper (”dry process paper”) genom ablation eller kemiska processer aktiverade av ljus eller värme. Ljus är inte begränsat till att innebära synligt ljus, utan ett brett intervall av våglängder från infrarött (IR) till extremt UV.

Kortfattad beskrivning av ritningarna I exemplifierande syfte skall uppfinningen beskrivas i närmare detalj i det följande med hänvisning till utfö- randen därav illustrerade på de bifogade ritningarna, på Vilka: Fig 1 är en schematisk illustration av en mönsterge- nerator användande en SLM i enlighet med uppfinningen; Fig 2a och b är en schematisk återgivning av en mik- romekanisk modulator i enlighet med ett utförande av upp- finningen, illustrerande två olika operationstillstànd; och Fig 3a-d är en illustration av olika föredragna ar- rangemang av remsformade mikromekaniska modulatorer. 10 15 20 25 30 35 517 550 Beskrivning av föredragna utföranden En mönstergenerator i enlighet med uppfinningen om- fattar, en SLM 1, individuell och fler-värdig pixeladressering, en ljuskäl- la 2, ett avbildande optiskt system 3 och ett hàrdvaru- såsom visas i fig 1, företrädesvis med och mjukvarudatabehandlingssystem 4 för SLM. Vidare om- fattar systemet företrädesvis en finpositionerbar sub- stratplattform 5, med ett interferometerpositionsstyrsys- tem 6 eller liknande.

SLM 1 kan vara uppbyggd av antingen mikrotillverkade speglar, sà kallade mikrospeglar, eller med en kontinuer- lig spegelyta pà ett stödjande substrat så att den är möjlig att deformera med hjälp av en elektronisk signal.

Andra arrangemang är dock likaledes möjliga, såsom trans- missiva eller reflekterande SLM byggande pà LCD- kristaller eller elektrooptiska material som deras modu- leringsmekanism, eller mikromekaniska SLM användande pie- zoelektriska eller elektrobegränsad (”electrostrictive”) aktivering.

För ljus i EUV-området kan en Bragg-spegel med de- formerbara spegelelement eller mikromekaniska slutare an- vändas som en SLM.

Belysningen i mönstergeneratorn utförs företrädesvis med en KrF-excimerlaser som ger en 10-20 nanosekundres làng ljusblixt i UV-området vid 248 nanometers våglängd med en bandbredd svarande mot den naturliga linjebredden hos en excimerlaser. För att undvika mönsterförvrängning på substratet fördelas ljuset fràn excimerlasern likfor- migt över SLM-ytan, och ljuset har en tillräckligt kort koherenslängd för att inte alstra laserfläckning (”laser speckle”) på substratet. En stràlblandare används före- trädesvis för att uppnà dessa bàda syften.

Företrädesvis har mönstergeneratorn en finpositio- nerbar substratplattform med ett interferometerpositione- ringsstyrsystem. I en riktning, y, hàller servopositione- ringssystemet plattformen i en fast position och i den lO l5 20 25 30 35 517 550 5 andra riktningen, x, förflyttas plattformen med en konti- nuerlig hastighet. Interferometerpositionsmätsystemet an- vänds i x-riktningen för att aktivera exponering av la- serblixtar för att ge en likformig positionering av varje bild av SLM:n på substratet. När en full rad av SLM- bilder har exponerats på substratet förflyttas plattfor- men tillbaka till ursprungspositionen i x-riktningen och förflyttas ett SLM-bildökningssteg i y-riktningen för att exponera en ytterligare rad av SLM-bilder på substratet.

Denna procedur upprepas till dess att hela substratet ex- ponerats. Ytan skrivs företrädesvis i flera omgångar för att medelvärdeutjämna fel.

Systemet i enlighet med uppfinningen omfattar vidare en snabb pulsdetektor 7 för att detektera en utgående pulsenergi för varje enskild puls och för varje sådan en- skild puls generera en signal motsvarande den utgående pulsenergin för nämnda enskilda puls. Detektorn är sam- mankopplad med en omkopplare eller brytare 8 som har en svarstid i nanosekunds- eller sub-nanosekundsområdet för att blockera delar av varje puls, varvid nämnda omkoppla- re är konfigurerad för att styras av nämnda signal frän den snabba pulsdetektorn. Härigenom kan energiutsignalen från varje enskild puls styras till approximativt den önskade utgående energin baserat på den utgående puls- energimätningen av varje enskild puls. Företrädesvis är en stråldelare 12 anordnad framför fotodetektorn 7, var- vid endast en avdelad del av strålen detekteras. Omkopp- laren kan därvid företrädesvis vara anordnad efter det att strålarna har sammanförts igen, men det är även möj- ligt att anordna omkopplaren så att den endast påverkar en avdelad del av strålen.

Omkopplaren i systemet kan exempelvis vara en mikro- mekanisk modulator omfattande flera små reflekterande speglar. Speglarna kan vara elektriskt påverkbara för att reflektera eller diffraktera inkommande ljus i olika riktningar beroende på en elektrisk spänning som påläggs de enskilda speglarna. Sådana spegelelement kan exempel- lO 15 20 25 30 35 5 'I 7 5 5 Û 6 vis omfatta ett reflekterande membran 20 med en underlig- gande elektrod 21, såsom illustreras i fig 2a. När en spänning pàläggs mellan membranet och elektroden så dras membranet mot elektroden, såsom illustreras i fig 2b. Ge- nom ett lämpligt val av membranform och elektrisk adres- sering av membranen - i relation till varandra eller in- dividuellt - kan en diffrakterande yta formas av modula- torn.

Membranen kan exempelvis ha remsliknande form. När alla membranen är platta, dvs när ingen spänning pàläggs dem, formar de en platt reflekterande yta. Modulatorn är anordnad så att det inkommande ljuset reflekteras bort frän den platta ytan i en riktning som sammanfaller med den optiska axeln hos det följande optiska systemet. Om en spänning pàläggs till varannan membranremsa skapas ett binärt reflektionsgitter. Gittret diffrakterar det inkom- mande ljuset i första och andra diffraktionsordningar.

Vinkeln för den första diffraktionsordningen beror på stigningen (”pitch”) hos gittret och väljs så att den första och högre diffraktionsordningar inte utsänds genom aperturen hos det följande optiska systemet. Sålunda fun- gerar modulatorn som en ljusomkopplare. Denna typ av an- ordningen tillverkas exempelvis av Silicon Light Machi- nes, och har en omkopplingstid på omkring 10 nanosekun- der. Om ställhöjden hos den diffrakterande strukturen är en modulus n av halva våglängden för det inkommande lju- set, där n är ett heltal, kommer inget ljus att hållas i den icke-diffrakterade nollte ordningen, varvid ljusom- kopplaren blockerar allt inkommande ljus från att införas i det följande optiska systemet.

Den mikromekaniska modulatorn kan vara underuppdelad i mindre delområden, där varje delområden omfattar paral- lella spegelmembranremsor, och varje delområde utgör en omkopplare. Delområdena styrs individuellt, vilket sålun- da gör det möjligt att diffraktera delar av strålen och låta resten passera obruten. Sålunda kan den totala transmissionen hos modulatorn ställas in på ett analogt 10 15 20 25 30 35 7 vis, även med binär drivning (pà/av) av varje element.

För att stänga av strålen fullständigt adresseras alla delområden och görs sålunda diffrakterande.

Det är även möjligt att göra varje membran till en diffrakterande struktur. Eftersom endast den mellersta delen av membranet attraheras av elektroden, kommer varje membran att skapa en periodisk struktur i sig själv. Ge- nom en lämplig utformning av membranen kan en ytfyllande grupp skapas (se fig 3a-d), vilken skapar en mörk yta när Sålunda, för modulatorn sättas av det relativa antalet adresserade alla element är adresserade. kan transmissionen membran eller membrankluster.

Ett annat sätt att styra den relativa mängden odiff- rakterat ljus i förhållande till det diffrakterade skulle kunna vara att styra nedsänkningsdjupet för gittret. Det- ta kan ske om djupet till vilket varje membran dras av attraktionen till elektroden kan göras kontinuerligt be- roende på den tillförda spänningen. Sålunda, skulle git- trets höjd kunna styras av värdet för den tillförda spän- ningen, där spänningsvärdet sålunda styr mängden ljus i den nollte ordningen i förhållande till den första och högre diffraktionsordningar.

I fig 3a illustreras ett första föredraget arrange- mang av utdragna mikromekaniska modulatorer. I detta ut- förande är de utdragna modulatorerna anordnade sida vid sida i kolumner. I fig 3b illustreras ett andra föredra- get utförande av utdragna mikromekaniska modulatorer. I detta utförande är de utdragna modulatorerna anordnade i grupper av parallella modulatorer, men där grupperna är anordnade i ortogonalt förhållande till varandra. I fig 3c visas ett tredje föredraget utförande av utdragna mik- romekaniska modulatorer. I detta utförande är de utdragna modulatorerna anordnade i grupper om två modulatorer vil- ka är anordnade vinkelrätt, och flera sådana grupper är anordnade förskjutet närliggande till varandra. I fig 3d visas ett fjärde föredraget anordnande av utdragna mikro- mekaniska modulatorer. I detta utförande är de utdragna 10 15 20 25 30 35 'I E l o n :nn n n nn n on nu n n-nn 0 z :z :1 'u z n nn n n n n nn n ou n nnn n.. ._ n n n n no n un n n n . _ n n n p n n n n n n n n n nn n n n n n n n . n n n n nn nu nn nn n 8 modulatorerna anordnade i parallella liner av modulato- rer, vilka är anordnade efter varandra i längdriktningen, men där linjerna är förskjutna relativt varandra.

Omkopplaren kan dock även vara en elektro-optisk om- I detta fall matas ut- signalen från fotodetektorn 7 till en elektro-optisk kopplare 8, såsom en Pockels-cell. cellutlösare vilken integrerar signalen och jämför den integrerade signalen med ett förutbestämt frånkopplings- värde motsvarande den önskade pulsenergin. När frànkopp- lingsvärdet är nått genererar utlösaren en utlösningssig- nal vilken aktiverar en hög spänning i Pockels-cellen 3.

En sådan lämplig Pockels-cell är tillgänglig från Energy Compression Corporation, USA eller Gsänger, Tyskland. An- ordnande av hög spänning i Pockels-cellen skiftar polari- sationen hos laserstrålen med upp till 90 grader, så att delar av strålen som genomkorsar Pockels-cellen kan avfö- ras med ett polarisationsfilter.

Systemet i enlighet med uppfinningen ökar puls-till- pulsstabiliteten hos pulsenergin genom att kapa pulsen vid ett förutbestämt värde hos den integrerade pulsener- gin. Organen för att kapa pulsen är en mycket snabb om- kopplare. Exempelvis en elektro-optisk omkopplare, såsom en Pockels-cell, eller en mikro-mekanisk modulator såsom beskrivits ovan. Om nivån för pulsenergin för vilken sy- stemet är satt att kapa pulsen förändras, kommer omkopp- laren naturligtvis att kapa pulsen lite tidigare eller lite senare, beroende pà förändringen i pulsenergiin- ställning. I beaktande av den mycket korta pulsvaraktig- heten på omkring 10-20 nanosekunder, kan det vara svårt att förändra tidpunkten för kapningen avsevärt beroende på den begränsade hastigheten hos omkopplaren. Sålunda skulle systemet arbeta med samma tidskonstant oavsett den utvalda transmitterade energidosen. Transmissionen hos omkopplaren kan förändras kontinuerligt, både för Pock- els-cellomkopplare och för omkopplare som använder mikro- mekaniska modulatorer såsom beskrivits ovan. 10 15 20 25 30 35 . u un. a 1 o» u oo u Q nu. o 517 550 :u:n::1-~--~- ~ ,."... .. ..: n"H --~.-- n u u» u n u n U u u ' ' I O nu man o. nu . . . - o nu 9 Transmissionen hos en Pockels-cellomkopplare kan styras genom polarisationen hos det infallande ljuset.

Den kan även styras genom den spänning som tillförs till Pockels-cellen, vilket sålunda styr polarisationsrotatio- nen hos cellen och justerar mängden ljus som transmitte- ras av den andra polarisatorn hos Pockels- cellomkopplaren. I beaktande av den höga spänning som an- vänds i en Pockels-cell kan det vara bekvämt att använda två Pockels-cellomkopplare i samverkan, varvid den första för till-/frånklippning och den andra för mindre trans- missionsmodulering.

För att underlätta kapning av mycket korta pulser kan en pulsförlängare 9 användas före detektorn. Sålunda kan pulslängden ökas och därmed göra den begränsade om- kopplingstiden för den efterföljande pulstrimmaren mindre kritisk och medge mer precis kapning av pulsen.

Pulsförlängaren 9 kan exempelvis omfatta två paral- lella speglar med reflektionskoefficienter mindre än ett.

De två speglarna utgör därmed en optisk resonator. Ljuset kopplas in via den första spegeln. Den begränsade trans- mittansen hos speglarna gör att ljuset gör flera rundtu- rer inom resonatorn, varvid en viss del av ljuset passe- rar genom den andra spegeln vid varje runda. Pulsvarak- tigheten ökas sålunda. Pulsvaraktigheten kommer att bero på fotonernas livstid hos resonatorn. Fotonernas livstid beror på reflektiviteten hos speglarna och resonatorns längd.

För att ha tillräcklig tid att detektera pulsenergin och styra omkopplaren i enlighet därmed kan det vara nöd- vändigt att använda en fördröjningskrets 10, placerad mellan detektorn och omkopplaren, för att fördröja pul- sen. Detta kan uppnås genom att arrangera reflektorer i strålspåret för att öka pulslängden. En ökad pulslängd på en meter resulterar i en fördröjning av pulsen med om- kring 3-4 ns. Fördröjningstiden är företrädesvis också justerbar. Dock kan andra typer av fördröjningsorgan an- vändas likväl. lO 15 20 25 30 517 550 212. f--f c n u n nu 10 För högprecisionsmönstergenereringssystem som använ- der SLM är den erfordrade medelpulsenergin mycket låg, normallt i området 10-100 mW, att jämföras med den norma- la pulsenergin som används i mikrolitografi, vilken nor- malt är i intervallet 10-20 W. Ett problem med att använ- da sådana höga stråeffekter är att komponenter som place- ras efter lasern exponeras för höga pulsenergier och tro- ligen skadas. I systemet enligt uppfinningen är det där- för föredraget att använda en ljuskälla med begränsad ut- gående effekt. Alternativt kan en konventionell laser el- ler liknande användas, varvid en dämpare 11 kan anordnas framför pulsdetektorn för att dämpa pulsenergin hos varje enskild puls.

Tidsvariationer kan också kontrolleras med hjälp av det uppfinningsenliga systemet genom att kapa båda puls- ändarna på ett styrt vis, vilket kvarlämnar en precist styrd mittbit. För detta ändamål är det möjligt att an- vända två omkopplare, av typen som beskrivits ovan, i se- rie; en för att öppnas efter en styrd tidsperiod efter utsändandet av pulsen, och en annan för att slutas efter en styrd tidsperiod efter öppnandet av omkopplaren. Även om mönstergenereringssystemet ovan har beskri- vits med hänvisning till flera specifika utföringsexempel skall det förstås att olika anpassningar och modifiering- ar kan göras. Exempelvis, kan funktionellt ekvivalenta komponenter användas för att ersätta flera av de ovan be- skrivna komponenterna hos systemet, såsom andra typer av lasrar eller ljuskällor, såsom blixturladdningsrör eller, för EUV, plasmaljuskällor, andra typer av fördröjnings- kretsar, andra typer av omkopplingsorgan, andra typer av detektorer, såsom fotomultiplikatorer, etc. Därför skall uppfinningen endast vara begränsad av de bifogade patent- kraven och deras legala ekvivalenter.

Claims (23)

10 15 20 25 30 35 517 550 ll KRAV

1. System för att skapa mönster pà ett arbets- stycke känsligt för ljusstrålning, såsom en fotomask, en bildskärm eller en mikrooptisk enhet, omfattande en källa (2) för utsändande av ljuspulser i váglängdsomràdet från EUV till IR, en spatialljusmodulator (SLM)(l) som har ett flertal moduleringselement (pixel), avpassad att belysas av åtminstone en utsänd ljuspuls och ett projiceringssy- stem (3) skapande en bild av modulatorn på arbetsstycket, kännetecknat av att det vidare omfattar en snabb pulsde- tektor (7) varje enskild puls och för varje enskild puls generera en för att detektera en utgående pulsenergi hos signal motsvarande den utgående pulsenergin, en omkoppla- re (8) nanosekundsområdet för att blockera delar av varje puls, som har svarstider i nanosekunds- eller sub- varvid nämnda omkopplare är konfigurerad att styras av nämnda signaler från nämnda snabba pulsdetektor för att styra energiutsignalen från varje enskild puls till ap- proximativt en önskad energiutsignal baserat pà de utgå- ende pulsenergimätningarna för varje enskild puls.

2. System i enlighet med patentkrav 1, varvid nämnda omkopplare (8) styrs för att reducera puls-till- pulstidsvariationer och öka puls-till-pulsstabiliteten hos de utsända ljusstrålarna.

3. Ett system i enlighet med patentkrav 1 eller 2, varvid nämnda omkopplare vidare styrs i enlighet med den erfordrade belysningen av arbetsstycket.

4. System i enlighet med något av föregående pa- (12) för att dela ljusstràlen i åtminstone två delar, och var- tentkrav, varvid det vidare omfattar en stràldelare vid omkopplaren (8) är avpassad att styra energiutsigna- len för endas en av dessa delar, och en àterförenande en- het för att därefter àterförena pulsdelarna.

5. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid nämnda ljuspulskälla (2) är en laser, och företrädesvis en excimerlaser. 10 15 20 25 30 35 517 550 12

6. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid nämnda snabba pulsenergidetektor (7) är en fotodiod.

7. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid nämnda omkopplare (8) är en elektro- optisk omkopplare, och företrädesvis en Pockels-cell och åtminstone en polariserande stråldelare.

8. System i enlighet med åtminstone något av pa- tentkraven 1-6, varvid nämnda omkopplare (8) omfattar en mikromekanisk modulator.

9. System i enlighet med patentkrav 8, varvid den mikromekaniska modulatorn omfattar en grupp av kontrol- (20).

10. System i enlighet med patentkrav 9, varvid de (20) lerbara reflekterande element reflekterande elementen omfattar en längdutsträckt reflekterande yta.

11. System i enlighet med patentkrav 10, varvid de reflekterande elementen (20) är anordnade med väsentligen parallella längdutsträckningsriktningar_

12. System i enlighet med patentkrav 10, varvid de (20) två olika längdutsträckningsriktningar, varvid nämnda två reflekterande elementen är anordnade med åtminstone längdutsträckningsriktningar har en mellanliggande vin- kel, och företrädesvis är väsentligen ortogonala.

13. System i enlighet med något av patentkraven 9- 12, varvid de reflekterande elementen (20) är elektriskt styrbara.

14. System i enlighet med något av patentkraven 8- 13, varvid den mikromekaniska modulatorn omfattar åtmin- stone ett förskjutbart reflekterande membran.

15. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, vidare omfattande en optisk fördröjningsenhet (10).

16. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid omkopplaren (8) är avpassad att kapa pulsen vid ett önskat värde på den integrerade pulsener- gin. lO 15 20 25 30 517 550 13

17. System i enlighet med något av patentkraven 1- 15, varvid omkopplaren (8) är avpassad att förändra transmissionsegenskaperna som används för varje enskild puls.

18. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid det vidare omfattar en pulsförlängare (9), vilken är anordnad framför pulsomkopplaren (8), för att förlänga pulsvaraktigheten för varje enskild puls.

19. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid varje skrivet särdrag på arbetsstycket skrivs som en överlagring av ett litet antal projicerade bilder, där varje bild skapas av mindre än fyra och före- trädesvis en ljuspuls.

20. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid spatialljusmodulatorn (1) är en tvådi- mensionell grupp av moduleringselement med tids- multiplexad laddning av värden till de modulerande ele- menten och lagring av de laddade värdena vid varje ele- ment.

21. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid spatialljusmodulatorn (1) omfattar en grupp av mikromekaniska element, och företrädesvis en grupp av mikrospeglar.

22. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, varvid det vidare omfattar en pulsenergidämpare (11), vilken är anordnad före pulsdetektorn, för att däm- pa pulsenergin för varje enskild puls.

23. System i enlighet med något av föregående pa- tentkrav, omfattande en andra omkopplare styrd för att initialt stängas och öppnas vid en styrd tidpunkt efter utsändandet av pulsen för att tillhandhålla en precis styrning av startänden av pulsen.