DE102008000788A1

DE102008000788A1 - Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE102008000788A1
Application number: DE102008000788A
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Dinger
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-09-24
Also published as: WO2009115362A1; US20110001948A1

Abstract

Ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage umfasst in der Regel ein optisches Element, bestehend aus einer Mehrzahl von Facettenelementen (3). Die Facettenelemente (3) sind dabei so angeordnet, dass für jedes Facettenelement (3) ein Anteil der Seitenflächen (9, 11) des Facettenelements (3) von den Seitenflächen (9, 11) aller anderen Facettenelemente einen gewissen Abstand aufweist. Damit entstehen Zwischenräume zwischen den Facettenelementen, die nicht optisch genutzt werden. Diese Zwischenräume können zur einfacheren Montage der Facettenelemente (3) oder auch zur Anbringung von mechanischen Komponenten wie Aktuatoren verwendet werden. Um ein solches optisches Element effizient auszuleuchten, wird ein Kollektor aus einer Mehrzahl von Segmenten verwendet, die teilweise nicht zusammenhängend sind. Alternanick möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einer Mehrzahl von Facettenelementen, die in die Objektebene abgebildet werden, eine Projektionsbelichtungsanlage und ein Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauelementen mit Hilfe einer solchen Projektionsbelichtungsanlage.
Beleuchtungssysteme der eingangs genannten Art sind zum Beispiel aus der US 6,438,199 B1 und der US 6,658,084 B1 bekannt.
Ein optisches Element mit Facettenelementen kann dabei auf mehrere Arten ausgestaltet sein. Möglich ist zum Beispiel eine dichte Packung von Facettenelementen ohne Abstand zu benachbarten Facettenelementen. Alternativ ist auch das Zusammenfassen von mehreren Facettenelementen zu einem Block möglich, wobei die Facettenelemente dicht im Block angeordnet sind, aber die Blöcke zu benachbarten Blöcken einen Abstand aufweisen können
Bei der Herstellung solcher facettierter optischer Elemente können verschiedene Verfahren angewandt werden. Zum einen ist es möglich ein solches optisches Element aus einem Stück zu fertigen, was jedoch ein kompliziertes und kostspieliges Herstellungsverfahren erfordert. Zusätzlich kann ein solches Element beim Vorliegen von Beschädigungen nur vollständig getauscht werden. Es ist nicht möglich einzelne beschädigte Facettenelemente separat zu ersetzen.
Alternativ kann ein facettiertes optisches Element auch aus einzeln gefertigten Facettenelementen zusammengesetzt werden. Sind diese Facettenelemente jedoch in einer dichten Packung oder in Blöcken angeordnet, so liegt hier das Problem vor, dass einzelne Facettenelemente nicht separat montiert und justiert werden können. Dies liegt daran, dass Facettenelemente, die innerhalb bei einer dichten Packung angeordnet sind, keinen Abstand zu benachbarten Facettenelemente aufweisen und daher nicht mit Hilfe eines Werkzeuges montiert werden können, ohne die optische Oberfläche zu beschädigen. Dies gilt auch für Facettenelemente, die innerhalb eines Block angeordnet sind. In beiden Fällen ist es nicht möglich, nachträglich ein solches Facettenelement auszutauschen, was zum Beispiel auf Grund von Beschädigungen erforderlich werden kann, ohne zuvor weitere Facettenelemente zu demontieren.
Durch die vorliegende Erfindung soll ein Beleuchtungssystem mit einem facettierten optischen Element zur Verfügung gestellt werden, das diese Nachteile überwindet. Dies bedeutet, dass sich das facettierte optische Element wesentlich einfacher Justieren und Montieren lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Facettenelemente so angeordnet werden, dass jedes einzelne Facettenelement einfacher zugänglich ist. Dies bedeutet, dass das Beleuchtungssystem ein facettiertes optisches Element umfasst, welches aus einer Mehrzahl von Facettenelementen besteht. Hierbei sind die Facettenelemente so angeordnet, dass zumindest ein Anteil von 20% aller Seitenflächen des Facettenelements von den Seitenflächen aller anderen Facettenelementen einen Abstand hat, der größer ist als 100 μm.
Ein Anteil A aller Seitenflächen eines Facettenelements hat einen Abstand d von den Seitenflächen aller anderen Facettenelemente, wenn es Bereiche auf den Seitenflächen des Facettenelementes gibt, so dass alle Punkte dieser Bereiche mindestens einen Abstand d von allen Punkten auf den Seitenflächen aller anderen Facettenelemente haben. Der Anteil A ist dabei das Verhältnis der Summe der Flächeninhalte dieser Bereiche zur Summe der Flächeninhalte aller Seitenflächen des Facettenelements.
Die Erfindung kann sowohl in einem reflektive wie auch in einem refraktiven Beleuchtungssystem Einsatz finden.
In einer refraktiven Ausgestaltung der Erfindung soll unter einem Facettenelement zum Beispiel eine Linse oder ein Prisma verstanden werden. Ein solches refraktives Facettenelement besitzt eine Lichteintrittsfläche, eine Lichtaustrittsfläche und, je nach geometrischer Form, eine gewisse Anzahl von Seitenflächen. Ist die Lichteintrittsfläche zum Beispiel rechteckig oder bogenförmig, so liegen vier Seitenflächen vor. Diese Seitenflächen haben eine gemeinsame Gesamtoberfläche mit einem gewissen Flächeninhalt. Da das Licht diese Seitenflächen nicht passiert, ist es möglich, die Facettenelemente dort derart auszugestalten, dass sie mit Hilfe eines Werkzeugs gehaltert werden können. Um jedoch eine gute Verbindung zwischen Werkzeug und Facettenelement herstellen zu können, muss dieser Kontaktbereich eine gewisse Größe aufweisen. Hierzu ist mindestens ein Anteil von 20% der Gesamtoberfläche der Seitenflächen erforderlich.
Bei einer reflektiven Ausgestaltung der Erfindung soll unter einem Facettenelement ein Facettenspiegel verstanden werden. Ein solcher Facettenspiegel besitzt eine optisch genutzte reflektierende Fläche, eine Rückseite, sowie eine gewisse Anzahl von Seitenflächen. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, die Facettenspiegel während der Montage und Justage an den Seitenflächen zu haltern. Da die Facettenspiegel üblicherweise auf einer Grundplatte aufgebracht werden, kommt die Rückseite hierfür nicht in Frage. Somit stellt sich die gleiche Aufgabe, eine feste Verbindung zwischen einem Werkzeug und einem Anteil der Seitenflächen herzustellen. Um nun ein solcherart gestaltetes Facettenelement nachträglich demontieren zu können, ist es erforderlich, dass ein Anteil von 20% ihrer Seitenflächen freiliegt, das heißt von den Seitenflächen aller anderen Facettenelemente einen Abstand hat, der größer ist als 100 μm. Nur so kann gewährleistet werden, dass es nachträglich möglich ist, mit dem Werkzeug den Anteil Seitenflächen zu erreichen, und der Zugang nicht durch ein benachbartes Facettenelement blockiert ist.
Im Falle von rechteckigen Facettenelementen, die eine lange und eine kurze Seite mit einem Aspektverhältnis zwischen 5:1 und 20:1 aufweisen, ist eine Verbindung von Werkzeug und Facettenelement einfacher und stabiler zu realisieren, wenn zumindest eine der längeren Seiten vollständig frei liegt. Das heißt, dass eine der größeren Seitenflächen mit entsprechenden Montagevorrichtungen versehen werden kann. Dies können zum Beispiel Nuten oder sonstige Verankerungen sein, an denen ein Werkzeug angreifen kann. Aufgrund des Aspektverhältnisses bedeutet dies, dass der freiliegende Anteil A gegeben ist durch
im Falle eines Aspektverhältnisses von 5:1 bzw.
bei einem Aspektverhältnis von 20:1. Das heißt, dass der Anteil des Randes, der frei liegt, größer als 40% sein sollte.
Je größer der frei liegende Anteil der Seitenflächen ist, umso größer ist auch die Freiheit bei der mechanischen Auslegung der Facettenelemente. Zum Beispiel ermöglicht das Freiliegen von sich gegenüberliegenden Anteilen der größeren Seitenflächen den Einsatz eines zangenähnlich ausgeführten Montagewerkzeuges. Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn alle Seitenflächen frei liegend sind.
Ein Mindestabstand von 100 μm ist erforderlich, um ein Werkzeug in den Zwischenraum einbringen zu können. Es ist jedoch einfacher ein solches Werkzeug zu gestalten, wenn der Zwischenraum größer ist. So ist es vorteilhaft, wenn der Abstand mehr als 0.5 mm, insbesondere mehr als 1 mm, beträgt.
Allerdings sollte der Abstand nicht zu groß gewählt werden, um den Lichtverlust klein zu halten. Lichtverlust tritt auf, wenn Beleuchtungsstrahlung auf die Zwischenbereiche zwischen den Facettenelementen fällt. Diese Strahlung kann nicht zur Objektebene weitergeleitet werden. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn der Abstand kleiner ist als 10 mm, insbesondere kleiner ist als 5 mm.
Der oben beschriebene Aufbau des ersten facettierten optischen Elements führt dazu, dass zwischen den Facettenelementen Abstände auftreten. Dies bedeutet, dass die Strahlung, die in diese Zwischenbereiche fällt, nicht zur Objektebene weitergeleitet wird. Somit tritt ein Lichtverlust am ersten facettierten optischen Element auf. Um diesen zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn die Ausleuchtung des ersten facettierten optischen Elements entsprechende Lücken aufweist, beziehungsweise wenn die Intensität der einfallenden Strahlung im Bereich zwischen den Facettenelementen deutlich gegenüber der Intensität, der auf die Facettenelemente fallenden Strahlung, reduziert ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Ausleuchtung aus nicht zusammenhängenden Bereichen besteht. Zwei Bereiche sind nicht zusammenhängend, wenn es entlang jeder Verbindungslinie zwischen den beiden Bereichen einen Punkt gibt, an dem die Intensität der einfallenden Strahlung kleiner ist als 50% der, über die beiden Bereiche gemittelten, Strahlungsintensität.
Je besser die Ausleuchtung an die Anordnung der Facettenelemente angepasst ist, umso geringer ist der Effizienzverlust am ersten facettierten optischen Element. Günstig ist zum Beispiel, wenn es einen Ausleuchtungsbereich zu jedem Facettenelement gibt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Facetten vollständig innerhalb dieser Bereiche liegen, damit sie auch vollständig ausgeleuchtet werden. Da die Facettenelemente in die Objektebene abgebildet werden, würde eine teilweise Ausleuchtung der Facettenelemente zu einer ungleichmäßigen Ausleuchtung der Objektebene führen. Dies kann durch die Anordnung der Facettenelemente innerhalb der Ausleuchtungsbereiche vermieden werden.
Derart gestaltete Ausleuchtungen können auf verschiedene Arten erzeugt werden. Eine besonders hohe Strahlungsleistung lässt sich in dass Beleuchtungssystem einbringen, wenn mehrere Lichtquellen gleichzeitig an die Beleuchtungsoptik angeschlossen werden können. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass sich auf diese Weise nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche auf dem ersten facettierten optischen Element erzeugen lassen, indem jede Lichtquelle nur einen Teilbereich des ersten facettierten optischen Elements ausleuchtet.
Schwieriger ist es, mit Hilfe von einer Quelle nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche auf dem ersten facettierten optischen Element zu erzeugen. Hierzu kann zum Beispiel ein speziell ausgestalteter Kollektor verwandt werden. Ein Kollektor hat die Aufgabe, Strahlungsenergie von der Lichtquelle aufzunehmen und in das Beleuchtungssystem einzubringen.
Eine Möglichkeit, einen Kollektor so zu gestalten, dass er nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche auf dem ersten facettierten optischen Element erzeugt, ist die Ausgestaltung des Kollektors aus nicht zusammenhängenden Segmenten. Zwei Kollektorsegmente heißen zusammenhängend, wenn es zu jedem Punkt auf der optischen Oberfläche des einen Kollektorsegments und jedem Punkt auf der optischen Oberfläche des anderen Kollektorsegments eine Linie gibt, die die beiden Punkte verbindet, wobei alle Punkte der Linie auf einer der beiden optischen Oberflächen liegen.
Besteht der Kollektor aus nicht zusammenhängenden Kollektorsegmenten, so erzeugt jedes Kollektorsegment einen ihm zugeordneten Ausleuchtungsbereich auf dem ersten facettierten optischen Element. Die geometrische Form und die Lage der Kollektorsegmente im Raum können so bestimmt werden, dass die Ausleuchtungsbereiche auf dem ersten facettierten optischen Element nicht zusammenhängend sind. Darüber hinaus kann ein solcher Kollektor wesentlich einfacher hergestellt werden, da jedes einzelne Segment separat gefertigt werden kann. Dies erhöht zwar die Anzahl der Bauelemente, vereinfacht jedoch die Herstellung eines solchen speziell ausgestalteten Kollektors, da jedes einzelne Segment auf Grund seiner geringeren Größe besser bearbeitet werden kann als ein großer Kollektor, der aus einem Stück besteht.
Alternativ oder ergänzend kann der Kollektor so gestaltet sein, dass er Segmente umfasst, die zusammenhängend sind und einen Knick am Übergang zwischen den Segmenten aufweisen.
Zwei zusammenhängende Kollektorsegmente haben einen Knick am Übergang zwischen den Segmenten, wenn es zu jedem Punkt auf der optischen Oberfläche des einen Kollektorsegments und jedem Punkt auf der optischen Oberfläche des anderen Kollektorsegments eine Linie gibt, die die beiden Punkte verbindet, wobei alle Punkte der Linie auf einer der beiden optischen Oberflächen liegen, und es zu mindestens einer solchen Linie eine Parametrisierung gibt, so dass diese Linie bezüglich der Parametrisierung nicht stetig differenzierbar ist.
Mit Hilfe eines solchen Kollektors, der zusammenhängende Segmente mit Knick umfasst, kann die Strahlungsenergie der Lichtquelle effizienter genutzt werden, indem Verluste am Zwischenraum zwischen den Segmenten vermieden werden. Zusätzlich können dennoch die beiden zusammenhängende Segmente mit Knick nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche erzeugen. Dies ist möglich, da die Lichtrichtung nach dem Kollektor vom Auftreffwinkel auf die Kollektoroberfläche abhängt. Gibt es auf der optischen Oberfläche der beiden Segmente, eine Linie die in einer Parametrisierung nicht stetig differenzierbar ist, so bedeutet dies, dass zwei benachbarte Lichtstrahlen, die die Kollektoroberfläche an dem nicht stetig differenzierbaren Knick treffen, unter unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche treffen, je nachdem, welches der angrenzenden Segmente sie treffen. Somit haben die beiden Lichtstrahlen nach dem Kollektor einen separierten Lichtweg, auch wenn sie sich vor der Reflektion sowohl in Ort als auch in ihrer Richtung nur minimal unterscheiden. Es entstehen also nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche in der Ebene des facettierten optischen Element. Dies liegt daran, dass Kollektor und erstes optisches Element einen Abstand in der Größenordnung von einem bis mehreren Metern zueinander haben. Bereits geringe Winkeländerungen der Lichtstrahlen am Kollektor führen zu signifikanten Ortsveränderungen der Auftreffpunkte der Strahlen auf dem ersten optischen Element.
Sehr effektiv lässt sich eine Segmentierung des Kollektors nutzen, wenn jedes Segment genau einen nicht zusammenhängenden Ausleuchtungsbereich erzeugt. Das heißt es sind nur genau so viele Kollektorsegmente erforderliche wie nicht zusammenhängenden Ausleuchtungsbereiche erforderlich sind. Auf diese Weise werden so wenige Kollektorsegmente wie möglich benötigt, was die Montage des Kollektors einfacher macht.
Im Falle eines reflektiven Kollektors ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn er derart ausgestaltet ist, dass alle Lichtstrahlen unter einem Einfallswinkel kleiner als 45° auf die reflektive Oberfläche des Kollektors treffen. Unter dem Einfallswinkel eines Lichtstrahls wird hier der Winkel zwischen Strahl und Flächennormale im Auftreffpunkt verstanden. Die Ausgestaltung des Kollektors, so dass die Einfallswinkel aller Lichtstrahlen kleiner 45° sind, gewährleistet eine hohe Reflektivität der Kollektoroberfläche, was zu einem besonders effizienten Beleuchtungssystem führt. Ferner hat ein solcher Kollektor besonders gute Abbildungseigenschaften.
Zwischen den benachbarten Facettenelementen des ersten optischen Elements können nun zusätzlich mechanische Komponenten angeordnet werden. Unter mechanischen Komponenten werden zum Beispiel Aktuatoren zum Bewegen von Facettenelementen, Sensoren zur Bestimmung der Strahlungsleistung oder der Temperatur, Kühlleitungen zur Abfuhr von Wärmeenergie, aber auch Vorrichtungen zum Befestigen oder Ausrichten von Facettenelementen, wie zum Beispiel Schrauben, verstanden. Um solche mechanischen Komponenten anzubringen, ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Facettenelementen ein gewisser Abstand vorgesehen ist. Dies liegt daran, dass sich die unten beschriebenen Anwendungen einfacher realisieren lassen, wenn es möglich ist, eine mechanische Verbindung zwischen der mechanischer Komponente und einem Facettenelement herzustellen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn mechanische Komponenten benachbart zu Facettenelementen oder zwischen Facettenelementen angeordnet werden können. Im Falle von Aktuatoren ist eine mechanische Verbindung zu dem Facettenelement erforderlich, das bewegt werden soll. Diese lässt sich einfacher realisieren, wenn der Abstand zwischen Facettenelement und Aktuator möglichst gering ist. Handelt es sich zum Beispiel um Kühlleitungen, so ist ebenfalls ein direkter Kontakt zwischen Kühlleitung und Facettenelement erforderlich, um eine gute Wärmeleitung zu realisieren.
Im Falle von Sensoren besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass es möglich ist, eine größere Anzahl von Sensoren auf allen Bereichen des ersten facettierten optischen Elements anzuordnen. Auf diese Weise kann eine größer Menge an Daten aufgenommen werden, so dass eine bessere Datenbasis erzielt werden kann.
Ist nun ferner das Beleuchtungssystem so gestaltet, dass mehr als 80% der Ausleuchtung des ersten facettierten optischen Elements durch Facettenelemente bedeckt wird, so treten nur geringe Verluste am ersten facettierten optischen Element auf. Verlust von Strahlungsenergie tritt jedes Mal auf, wenn eine nicht optisch wirksame Fläche in der Beleuchtungsoptik beleuchtet wird. Dies kann zum Beispiel auch bei einer mechanischen Komponente der Fall sein. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Facettenelemente einen großen Anteil an der Ausleuchtung haben.
In einer speziellen Ausführungsform dient die mechanische Komponente dazu, mindestens ein Facettenelement zu bewegen. Dies schließt sowohl Verkippen, das heißt Änderungen der Orientierung der optischen Flächen, als auch räumliche Verschiebungen mit ein. Mit einer solchen Komponente ist es zum Beispiel möglich, eine Feinjustage der Facettenelemente während der Montage des ersten facettierten optischen Elements durchzuführen. Darüber hinaus ermöglicht eine derartige Komponente aber auch die Korrektur von Fehlstellungen, die beim Betrieb auftreten. Beispielhaft sei hier die thermale Verformung durch die starke Erwärmung des ersten facettierten optischen Elements infolge der Lichteinstrahlung genannt.
Insbesondere kann eine solche mechanische Komponente auch dazu benutzt werden, die Winkelverteilung der Strahlung in der Objektebene zu verändern. Bereits geringfügige Verkippungen von Facettenelementen haben großen Einfluss auf den Lichtweg nach dem Facettenelement aufgrund des langen Lichtweges zwischen Facettenelement und Objektebene. Daher lässt sich durch ein solches Verkippen die Winkelverteilung in der Objektebene beeinflussen. Eine Veränderung der Winkelverteilung ist vorteilhaft, um so die Abbildung einer Maske am Ort der Objektebene gezielt zu beeinflussen. Vorteilhaft ist es, wenn die Facettenelemente reflektiv ausgestaltet sind, das heißt, dass es sich um Facettenspiegel handelt. In diesem Fall ist es möglich, bereits durch geringfügige Verkippungen der Elemente große Änderungen des Strahlweges nach den Facettenelementen zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass die mechanische Komponente nur kleine Lageveränderungen bewirken muss.
Die Verwendung von Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 5 nm und 20 nm hat den Vorteil, dass eine höhere Auflösung bei der Abbildung einer strukturtragenden Maske am Ort der Objektebene erzielt werden kann.
Es ist vorteilhaft die Facettenelemente rechteckig auszubilden, da sie auf diese Weise relativ einfach hergestellt werden können. Dagegen hat die Ausbildung in einer Bogenform den Vorteil, dass bei einer Abbildung der Facettenelemente ein bogenförmiges Feld in der Objektebene beleuchtet wird. Es lässt sich zwar auch durch die Abbildung rechteckigen Facetten ein bogenförmiges Beleuchtungsfeld in der Objektebene erzielen, hierzu ist es jedoch erforderlich, gezielt eine Verzeichnung der Abbildung einzustellen. Bogenförmige Beleuchtungsfelder haben den Vorteil, dass die Optik zur Abbildung einer strukturtragenden Maske am Ort des Beleuchtungsfeldes einfacher gestaltet werden kann als es bei anders geformten Beleuchtungsfeldern der Fall ist. Dies gilt genauso für den Fall, dass das Beleuchtungsfeld ein Aspektverhältnis zwischen 1:5 und 1:30 aufweist. Besonders leicht kann ein solches Aspektverhältnis erreicht werden, in dem die Facettenelemente bereits ein derartiges Aspektverhältnis haben, da in diesem Fall auf die Verwendung von anamorphotischen optischen Komponenten im Beleuchtungssystem verzichtet werden kann.
Eine Ausgestaltung des Beleuchtungssystem als ein doppelt facettiertes Beleuchtungssystem, das heißt, dass das Beleuchtungssystem eine erste und eine zweite facettierte optische Komponente enthält, hat den Vorteil, dass hiermit eine besonders gleichmäßige Ausleuchtung eines Beleuchtungsfeldes in der Objektebene erzeugt werden kann, wobei auch die Winkelverteilung der Beleuchtungsstrahlung in der Objektebene sehr genau eingestellt werden kann. Ein solches Beleuchtungssystem enthält üblicherweise sekundäre Lichtquellen, die zum Beispiel von den Facettenelementen des ersten optischen Elements erzeugt werden. Die Lage dieser sekundären Lichtquellen steht in einem einfachen Zusammenhang zu der Winkelverteilung der Beleuchtungsstrahlung in der Objektebene. Aus diesem Grund erleichtert die Auslegung des Beleuchtungssystems als ein System mit sekundären Lichtquellen die gezielte Einstellung einer Winkelverteilung in der Objektebene. Es ist darüber hinaus vorteilhaft, wenn die sekundären Lichtquellen an den Orten der Facettenelemente der zweiten facettierten optischen Komponente zu liegen kommen, da der Querschnitt des Lichtbündels, das von einem Facettenelement der ersten facettierten Komponente ausgeht, an der Stelle der sekundären Lichtquelle besonders klein ist. Damit ermöglicht es diese Ausführungsform, die Facettenelemente der zweiten facettierten optischen Komponente relativ klein auszugestalten.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen, die zur Produktion von mikroelektronischen Bauelementen verwendet werden, bestehen unter anderem aus einem Beleuchtungssystem, das eine Lichtquelle umfasst, zur Ausleuchtung einer strukturtragenden Maske, dem sogenannten Retikel, und einer Projektionsoptik zur Abbildung der Maske auf ein Substrat, den Wafer. Dieses Substrat enthält eine photosensitive Schicht, die bei der Belichtung chemisch verändert wird. Man spricht hierbei auch von einem lithographischen Schritt. Das Retikel ist dabei in der Objektebene und der Wafer in der Bildebene der Projektionsoptik der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage angeordnet. Durch die Belichtung der photosensitiven Schicht und weiterer chemischer Prozesse entsteht ein mikroelektronisches Bauelement.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen werden häufig als sogenannte Scanner betrieben. Das bedeutet, dass das Retikel durch ein schlitzförmiges Beleuchtungsfeld entlang einer Scanrichtung bewegt wird, während der Wafer in der Bildebene der Projektionsoptik entsprechend bewegt wird. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Retikel und Wafer entspricht der Vergrößerung der Projektionsoptik, die üblicherweise kleiner 1 ist.
Eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage und ein Verfahren zur Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen mit Hilfe einer solchen Anlage, die ein weitergebildetes Beleuchtungssystem umfasst, hat die Vorteile, die vorstehend bereits unter Bezugnahme auf das Beleuchtungssystem erläutert wurden.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnungen.
1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des ersten facettierten optischen Elements mit rechteckigen Facettenelementen;
2 zeigt eine Aufsicht auf das erste facettierte optische Element mit rechteckigen Facetten in einer weiteren Ausführungsform;
3 zeigt eine Aufsicht auf das erste facettierte optische Element mit rechteckigen Facetten in einer weiteren Ausführungsform;
4 zeigt den Verlauf der Strahlungsintensität auf dem ersten facettierten optischen Element entlang einer in 3 dargestellten Linie;
5 zeigt eine Aufsicht auf das erste facettierte optische Element mit rechteckigen Facetten in einer weiteren Ausführungsform;
6 zeigt eine Aufsicht auf das erste facettierte optische Element mit bogenförmigen Facetten in einer ersten Ausführungsform;
7 zeigt eine Aufsicht auf das erste facettierte optische Element mit bogenförmigen Facetten in einer weiteren Ausführungsform;
8 zeigt einen schematischen Meridionalschnitt des Beleuchtungssystems bis zum ersten facettierten optischen Element mit einem weitergebildeten Kollektor;
9 zeigt schematische Meridionalschnitte von drei verschiedenen Kollektoren;
10 zeigt einen Meridionalschnitt durch ein vollständiges Beleuchtungssystem, das erfindungsgemäß weitergebildet ist.
11 zeigt einen schematischen Meridionalschnitt einer Projektionsbelichtungsanlage
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erstes facettiertes optisches Element gemäß der Erfindung dargestellt. Auf einer Grundplatte 1 sind reflektive Facettenelemente 3 angeordnet. Die optischen Flächen der Facettenelemente 3 haben eine rechteckige Form mit einer längeren Kante 5 und eine kürzeren Kante 7. Die kürze Kante hat eine Länge von 1 mm und die längere Kante eine Länge von 14 mm, so dass das Aspektverhältnis der beiden Kanten 14:1 beträgt. Die Facettenelemente besitzen eine kleine Seitenfläche 9, eine große Seitenfläche 11, eine optischen Oberfläche 13 und eine Grundseite mit der die Facetten auf der Grundplatte 1 befestigt ist. Unter den Kanten des Facettenelements sollen hier immer die Kanten der optischen Oberfläche verstanden werden. Die Anordnung der Facettenelemente ist hier so gewählt, dass an jedem Facettenelement mindestens eine kleinere Seitenfläche vollständig frei liegt und mindestens eine der größeren Seitenflächen zur Hälfte frei liegt. Der Mindestabstand zu den Seitenflächen aller anderen Facetten beträgt im vorliegenden Fall 1 mm. Insgesamt ergibt sich aufgrund des Aspektverhältnisses von 14:1, dass mindestens 27% der Seitenflächen frei liegen.
2 zeigt eine schematische Aufsicht einer alternativen erfindungsgemäßen Anordnung von Facettenelementen. Die den Elementen von 1 entsprechenden Elemente in 2 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1 vermehrt um die Zahl 200. Hier sind die Facettenelemente 203 so angeordnet, dass zwei kleine Seitenflächen und eine der größeren Seitenflächen frei liegend sind. Dies ermöglicht hier die Anordnung einer mechanischen Komponente 215, in Form einer Kühlleitung, zwischen den Facettenelementen. Die kürzere Kante (207) hat eine Länge von 0.5 mm und die längere Kante (205) eine Länge von 10 mm. Damit beträgt das Aspektverhältnis 20:1 und der freiliegende Anteil der Seitenflächen beträgt mehr als 52%. Der Abstand der Facettenelemente ist in diesem Fall 0.5 mm.
In 3 ist eine schematische Aufsicht auf ein facettiertes optisches Element in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung gezeigt. Die den Elementen von 1 entsprechenden Elemente in 3 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1 vermehrt um die Zahl 300. Jedes Facettenelement 303 ist hier so angeordnet, dass alle Seitenflächen frei liegend sind, so dass ein Anteil der Seitenflächen von 100% freiliegend ist. Benachbart zu den Facettenelementen sind sind Aktuatoren 317 angeordnet, die dazu dienen die Facettenelemente zu verkippen. Weiterhin sind nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche 319 und 321 gezeigt und eine Linie 323, die die beiden Gebiete durchläuft. Entlang dieser Linie sind die Positionen (325, 327, 329, 331) markiert, an denen die Linie in das erste Ausleuchtungsgebiet eintritt (325), das erste Ausleuchtungsgebiet verlässt (327), in das zweite Ausleuchtungsgebiet eintritt (329) und das zweite Ausleuchtungsgebiet wieder verlässt (331).
4 zeigt den Intensitätsverlauf der Ausleuchtung entlang der in 3 gezeigten Linie 323. Die den Elementen von 3 entsprechenden Elemente in 4 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 3 vermehrt um die Zahl 100. Entlang der vertikalen Achse ist die Intensität der einfallenden Strahlung aufgetragen. Zusätzlich ist die über die beiden Ausleuchtungsgebiete 319 und 321 gemittelte Intensität I_M, sowie der entsprechende 50% Wert dargestellt. Hieran wird deutlich, dass die Berandung des Ausleuchtungsgebietes durch die Punkte gegeben ist, an denen die Intensität auf der Linie 50% der gemittelten Intensität entspricht. So schneidet der Intensitätsgraph die 50% Linie an der Position 425, was dem Eintritt der Linie in das erste Ausleuchtungsgebiet entspricht.
In 5 ist eine weitere schematische Darstellung des ersten facettierten optischen Elements gezeigt. Die den Elementen von 1 entsprechenden Elemente in 5 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1 vermehrt um die Zahl 500. Die Facettenelemente 503 sind hier so angeordnet, dass jeweils eine kleine Seitenfläche und beide größeren Seitenflächen zu Hälfte frei liegend sind. Zwischen den Facettenelementen sind hier mechanische Komponenten in Form von Sensoren 533 zur Messung der Temperatur des ersten facettierten optischen Elements gezeigt. Die kürzere Kante hat eine Länge von 1 mm und die längere Kante eine Länge von 5 mm. Das Aspektverhältnis beträgt somit 5:1. Der Anteil der Seitenflächen, der freiliegend ist beträgt mehr als 54%. Der Abstand der Facettenelemente beträgt 1 mm.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ersten facettierten optischen Elements umfassend bogenförmige Facettenelemente. Die den Elementen von 1 entsprechenden Elemente in 6 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1 vermehrt um die Zahl 600. Die bogenförmigen Facettenelemente 603 haben zwei größere Seitenflächen 611 und zwei kleinere Seitenflächen 609. An jedem Facettenelement sind beide kleineren Seitenflächen und eine der größeren Seitenflächen 611 frei liegend. Die kürzere Kante hat eine Länge von 1 mm und die längere Kante der optischen Fläche eine Länge von 30 mm, so dass das Aspektverhältnis 30:1 beträgt. Der freiliegende Anteil der Seitenflächen ist größer als 51%. Der Abstand der Facettenelemente beträgt 0.5 mm.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ersten facettierten optischen Elements umfassend bogenförmige Facettenelemente in einer alternativen Anordnung. Die den Elementen von 1 entsprechenden Elemente in 7 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1 vermehrt um die Zahl 700. Die bogenförmigen Facettenelemente 703 haben zwei größere Seitenflächen 711 und zwei kleinere Seitenflächen 709. An jedem Facettenelement sind beide kleineren Seitenflächen und beide größeren Seitenflächen frei liegend. Der freiliegende Anteil der Seitenflächen ist damit 100%. Die kürzere Kante hat eine Länge von 1 mm und die längere Kante der optischen Fläche eine Länge von 30 mm, so dass das Aspektverhältnis 30:1 beträgt. Der Abstand der Facettenelemente beträgt 0.2 mm.
In 8 ist ein Meridionalschnitt durch ein Beleuchtungssystem bis zum ersten facettierten optischen Element mit einem erfindungsgemäßen Kollektor 844 dargestellt. Gezeigt ist eine Lichtquelle 835, von der Lichtstrahlen 837, 839, 841, 843 ausgehen. Diese Lichtstrahlen treffen auf einen Kollektor 844, der die Kollektorsegmente 845, 847 und 849 umfasst. Jedes Kollektorsegment ist im vorliegenden Fall ein Ausschnitt aus einem Ellipsoiden, in dessen ersten Brennpunkt die Lichtquelle 835 angeordnet ist. Daher schneiden sich alle von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen, die das gleiche Kollektorsegment treffen im zweiten Brennpunkt, dem Zwischenfokus. Für das Kollektorsegment 845 ist dies der Zwischenfokus 851 und für das Kollektorsegment 847 der Zwischenfokus 853. Das Kollektorsegment 845 erzeugt einen der Ausleuchtungsbereiche 855 auf dem ersten facettierten optischen Element 857. Genauso erzeugt das Kollektorsegment 847 einen anderen der Ausleuchtungsbereich 855 auf dem ersten facettierten optischen Element. Diese Ausleuchtungsbereiche sind nicht zusammenhängend. Im Zwischenbereich 859 fällt die Strahlungsintensität im vorliegenden Beispiel bis auf Null ab. Dies liegt daran, dass die beiden räumlich benachbarten Lichtstrahlen 839 und 841 unter deutlich unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche der jeweiligen Kollektorsegmente 845 bzw. 847 treffen. Nach dem Kollektor nehmen diese Strahlen einen deutlich anderen Lichtweg. Daher sind die Ausleuchtungsbereiche 855 und 859 nicht zusammenhängend. Auch die Kollektorsegmente 845 und 847 sind nicht zusammenhängend, da es nicht möglich ist, einen Punkt auf der optischen Oberfläche von Segment 845 mit einem Punkt auf der Oberfläche von Segment 847 mit Hilfe einer Linie zu verbinden, so dass alle Punkte auf der Linie auf einem der beiden Kollektorsegmente liegen.
9a, b, c zeigt eine Darstellung von drei verschiedenen Kollektoren. Der Kollektor 963 in 9a entspricht dem Kollektor aus 8. Die den Elementen von 8 entsprechenden Elemente in 9 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 8 vermehrt um die Zahl 100. Für eine Beschreibung dieser Elemente wird auf die Beschreibung zu 8 verwiesen. Die Kollektorsegmente 945, 947, 949 sind in dieser Variante nicht zusammenhängend. Deutlich sind die entsprechenden Stellen 969 zu sehen.
Dagegen hat der Kollektor 965 in 9b eine zusammenhängende und stetig differenzierbare Oberfläche. Dies gilt insbesondere für die Übergänge 971 zwischen den Segmenten 975, 977, 979. Ein solcher Kollektor erzeugt typischerweise nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche auf dem ersten facettierten optischen Element, wobei die Intensität im Zwischenraum zwischen den Bereichen nicht bis auf Null absinkt. Dies liegt daran, dass aufgrund der stetig differenzierbaren Kollektoroberfläche in der Intensitätsverteilung auf dem ersten facettierten optischen Element keine Unstetigkeiten auftreten können, sofern die Winkelverteilung der Strahlung durch die Lichtquelle auch keine Unstetigkeiten besitzt. Ein Beispiel für eine solche Intensitätsverteilung ist in 4 dargestellt.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung von nicht zusammenhängenden Ausleuchtungsbereichen auf dem ersten facettierten optischen Element ist es, den Kollektor 967 aus 9c zu verwenden. Dieser Kollektor besitzt nicht stetig differenzierbare Stellen 973. An diesen Stellen werden die einfallenden Strahlen in stark unterschiedliche Richtungen reflektiert je nachdem, welches der Kollektorsegment 981, 983, 985 sie treffen. Der Kollektor 967 umfasst also Segmente, die zusammenhängend sind und einen Knick aufweisen.
10 zeigt einen Meridionalschnitt durch ein Beleuchtungssystem in einer reflektiven Ausgestaltung. Die den Elementen von 8 entsprechenden Elemente in 10 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 8 vermehrt um die Zahl 200. Für eine Beschreibung dieser Elemente wird auf die Beschreibung zu 8 verwiesen. Mit Hilfe des Kollektors 1063 wird die Strahlung der Lichtquelle 1035 auf ein erstes facettiertes optisches Element 1057 geleitet. Es entstehen nicht zusammenhängende Ausleuchtungsbereiche 1055 auf dem ersten facettierten optischen Element. Innerhalb dieser Ausleuchtungsbereiche sind Facettenelemente 1003 angeordnet. Die von den Facettenelementen des ersten facettierten optischen Elements reflektierte Strahlung fällt auf ein zweites facettiertes optisches Element 1087, das eine Mehrzahl von Facettenelementen 1089 umfasst. Zur besseren Lesbarkeit wurde darauf verzichtet nach dem ersten facettierten optischen Element den vollständigen Strahlengang darzustellen. Nach Reflektion an den Facettenelementen des zweiten facettierten optischen Elements fällt die Strahlung auf eine nachfolgende Optik 1091, die in diesem Fall ausschließlich aus einem abbildenden Spiegel besteht, der das Licht auf die Objektebene 1093 weiterleitet.
Die Facettenelemente des ersten facettierten optischen Elements erzeugen senkundäre Lichtquellen 1099, was mit Hilfe des gestrichelten Strahlengangs 1095 angedeutet ist. Diese sekundären Lichtquellen liegen am Ort der Facettenelemente 1089 des zweiten facettierten optischen Elements 1087. Durch Verkippen der Facettenelemente des ersten facettierten optischen Elements kann die Lage der sekundären Lichtquellen zum Beispiel so variieren, dass sie in einer ersten Stellung mit den Orten eines ersten Satzes von Facettenelementen des zweiten optischen Elements zusammenfallen und in einer zweiten Stellung mit einem zweiten Satz. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der erste Satz zumindest teilweise andere Facettenelemente enthält als der zweite Satz.
Diese Änderung der Lage der sekundären Lichtquellen führt zu einer Änderung der Ausleuchtung des zweiten facettierten optischen Elements und damit auch zu einer Änderung der Winkelverteilung der Beleuchtungsstrahlung in der Objektebene. Somit kann durch Verkippung von Facettenelementen des ersten facettierten optischen Elements gezielt die Winkelverteilung der Beleuchtungsstrahlung in der Objektebene beeinflusst werden.
Die Facettenelemente des ersten facettierten optischen Elements werden mit Hilfe der Facetten des zweiten facettierten optischen Elements und der nachfolgenden Optik in die Objektebene 1093 abgebildet, was mit Hilfe des durchgezogenen Strahlenganges 1097 dargestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass über die Form der Facettenelemente des ersten facettierten optischen Elements auch die Form des Ausleuchtungsgebietes in der Objektebene definiert werden kann.
In 11 ist eine vereinfachte Darstellung einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage dargestellt, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 11101 versehen ist. Die den Elementen von 10 entsprechenden Elemente in 11 haben die gleichen Bezugszeichen wie in 10 vermehrt um die Zahl 10000. Das Beleuchtungssystem 11103 beleuchtet dabei die strukturtragende Maske 11105, die in der Objektebene 11093 angeordnet ist. Die strukturtragende Maske kann dabei in Scanrichtung 11109 bewegt werden. Nachgeschaltet ist die Projektionsoptik (11111), die die Maske in die Bildebene 11113 abbildet. In der Bildebene befindet sich ein Substrat 11115, das eine photosensitive Schicht 11117 enthält. Dieses Substrat kann ebenfalls entlang der Scanrichtung 11109 bewegt werden. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Maske und Substrat entspricht der Vergrößerung der Projektionsoptik, die üblicherweise kleiner 1 ist, zum Beispiel 1:4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6438199 B1 [0002]
- US 6658084 B1 [0002]

Claims

Beleuchtungssystem (11103) für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtunganlage (11101) zur Ausleuchtung einer Objektebene (1093, 11093), umfassend ein erstes optischen Element (857, 1057) mit einer Mehrzahl von Facettenelementen (3, 203, 303, 503, 603, 703, 1003), die in die Objektebene (1093, 11093) abgebildet werden und jeweils mindestens eine Seitenfläche (9, 11, 609, 611) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Facettenelement (3, 203, 303, 503, 603, 703, 1003) ein Anteil der Seitenflächen (9, 11, 609, 611) des Facettenelements von den Seitenflächen aller anderen Facettenelemente einen Abstand aufweist, der größer als 100 μm ist, und der Anteil größer als 20% ist.
Beleuchtungssystem (11103) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand kleiner als 10 mm ist.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (857, 1057) eine Ausleuchtung aufweist und die Ausleuchtung aus einer Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen (855, 1055) besteht.
Beleuchtungssystem (11103) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Facettenelement (1003) genau ein Bereich (1055) zugeordnet ist.
Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 3–4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Facettenelement (303, 1003) vollständig ausgeleuchtet ist.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem eine Mehrzahl von Lichtquellen umfasst.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem einen Kollektor (844; 965; 967; 963, 1063) zur Ausleuchtung des ersten optischen Elements (857, 1057) umfasst.
Beleuchtungssystem (11103) für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtunganlage (11101) zur Ausleuchtung einer Objektebene (1093, 11093), mit einen Kollektor (844; 965; 967; 963, 1063), der eine Mehrzahl von Segmenten (945, 947, 949; 975, 977, 979; 981, 983, 985) umfasst, und einem ersten optischen Element (857, 1057) mit einer Mehrzahl von Facettenelementen (3, 203, 303, 503, 603, 703, 1003), wobei jedem Segment (945, 947, 949; 975, 977, 979; 981, 983, 985) genau ein Facettenelement (3, 203, 303, 503, 603, 703, 1003) zugeordnet ist und die Facettenelementen (3, 203, 303, 503, 603, 703, 1003) in die Objektebene (1093, 11093) abgebildet werden.
Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 7–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (844; 963, 1063) eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Segmenten (945, 947, 949) umfasst.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (967) eine Mehrzahl von Segmenten (981, 983, 985) umfasst, wobei die optische Oberfläche des Kollektors an mindestens einer Übergangsstelle (973) zwischen zwei Segmenten nicht stetig differenzierbar ist.
Beleuchtungssystem (11103) nach Anspruch 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleuchtung des ersten optischen Elements aus einer Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen (1055) besteht, und dass jedes Segment des Kollektors (1063) genau einen Bereich beleuchtet.
Beleuchtungssystem (11103) nach Anspruch 7–11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Facettenelement (303, 1003) vollständig ausgeleuchtet ist.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 7–12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (844; 965; 967; 963, 1063) eine reflektive Oberfläche besitzt und derart ausgestaltet ist, dass Strahlen, die von der Strahlungsquelle ausgehend den Kollektor erreichen, unter einem Einfallswinkel kleiner als 45° auf die reflektive Oberfläche des Kollektors (844; 965; 967; 963, 1063) treffen.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei benachbarten Facettenelementen (203, 303, 503) eine mechanische Komponente (215, 317, 533) angeordnet ist.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (857, 1057) eine Ausleuchtung aufweist und die Facettenelemente (1003) mehr als 80% der Ausleuchtung des ersten facettierten optischen Elements bedecken.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenelemente (1003) reflektiv ausgestaltet sind.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenelemente (3, 203, 303, 503, 1003) rechteckig sind.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenelemente (603, 703) bogenförmig sind.
Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 17–18, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenelemente (3, 203, 303, 503, 603, 703, 1003) ein Aspektverhältnis aufweisen, und dass das Aspektverhältnis zwischen 1:5 und 1:30 liegt.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage (11101) umfassend ein Beleuchtungssystem (11103) nach einem der Ansprüche 1–19.
Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronischen Bauelements mit Hilfe einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage (11101) nach Anspruch 20.