DE102008011354B3

DE102008011354B3 - Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten zu einer Verbundstruktur durch "fusion bonding" sowie damit hergestellte Verbundstruktur, optisches Element, Haltevorrichtung, Projektionsobjektiv und Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE102008011354B3
Application number: DE200810011354
Authority: DE
Inventors: Hin Yiu Anthony Chung; Jürgen Naser
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: WO2009106305A3; WO2009106305A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mindestens einer ersten und einer zweiten Komponente (1, 2) zu einer Verbundstruktur (6) durch "fusion bonding", umfassend die Schritte: a) Aufbringen mindestens einer Schicht (3, 4) mit poröser Struktur auf eine Oberfläche (1a, 1b) jeder der Komponenten (1, 2), b) Anrauen der mindestens einen aufgebrachten Schicht (3, 4), c) Zusammenführen der Oberfläche (1a) der ersten Komponente (1) mit einer Oberfläche (2a) der zweiten Komponente (2), und d) Verbinden der Komponenten (1, 2) zu der Verbundstruktur (6) durch "fusion bonding". Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbundstruktur (6), ein optisches Element und eine Haltevorrichtung für einen Wafer, die aus einer solchen Verbundstruktur gefertigt sind, sowie ein Projektionsobjektiv und eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen optischen Element.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mindestens einer ersten und einer zweiten Komponente zu einer Verbundstruktur durch „fusion bonding”, eine Verbundstruktur, ein optisches Element und eine Haltevorrichtung für einen Wafer, die aus einer solchen Verbundstruktur gefertigt sind, sowie ein Projektionsobjektiv und eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen optischen Element.
Bei der Herstellung optischer Elemente, z. B. Linsen oder Phasenschiebern, sowie bei der Herstellung mechanischer Elemente wie Haltevorrichtungen für Wafer ist es oft erwünscht, Komponenten mit ggf. unterschiedlichen optischen oder mechanischen Eigenschaften zu einer Verbundstruktur zu verbinden. Hierzu ist es bekannt, so genannte Bonding-Verfahren zu verwenden, wie zum Beispiel Niedrigtemperatur(„low temperature”)-Bonden, das üblicherweise bei Raumtemperatur oder etwas höherer Temperatur durchgeführt wird und bei dem zwischen den zusammenzufügenden Komponenten ein in der Regel flüssiges Fügemittel eingebracht wird, welches nachfolgend ausgehärtet wird. Daneben wird auch das so genannte Direktbonden („fusion bonding”) verwendet, bei dem die Materialien der Komponenten zusammengepresst und typischerweise bis knapp unterhalb der Übergangstemperatur aufgeheizt werden, um diese an einer Fügestelle miteinander zu verbinden, ohne dass es hierzu eines zusätzlichen Fügemittels bedarf. Die Verbundstruktur wird nachfolgend in der Regel mechanisch bearbeitet, um ein optisches Element mit der gewünschten Form zu erhalten. Am Ende dieses Prozesses kaue ein Element aus einem Material stehen, das in der Natur so nicht vorkommt.
Ein Beispiel für ein solches optisches Element ist die Abschlusslinse eines Projektionsobjektivs für die Mikrolithographie, die sich z. B. aus mehreren Linsenschalen eines kristallinen Materials, z. B. Lutetium Aluminium Granat (LuAG, Lu₃Al₅O₁₂), zusammensetzen kann, die jeweils um einen vorgegebenen Winkel zueinander verdreht angeordnet sind, um die natürliche Doppelbrechung in dem Material zu kompensieren.
Daneben ist es z. B. aus der WO 2006/061225 A1 bekamt, polykristalline Materialien mit einer Korngröße oberhalb der Wellenlänge der verwendeten Strahlung als Abschlusselement eines Projektionsobjektivs zu verwenden. Bei manchen der dort beschriebenen Materialien wie z. B. polykristallinem Spinell (MgAl₂O₄) tritt das Problem auf, dass sich aus diesen Materialien Komponenten nur bis zu einer Dicke von maximal ca. 40 mm herstellen lassen. Da die Abschlusslinse in der Regel wesentlich dicker ist, müssen mehrere solcher Spinell-Komponenten übereinander angeordnet und bevorzugt mittels „fusion bonding” zusammengefügt werden.
In der Mikrolithographie werden daneben zur Halterung eines Wafers mechanische Vorrichtungen (wafer chuck, wafer stage, wafer table) benötigt, die zwar zum Teil monolithisch realisierbar, aber aufgrund der benötigten Baugrößen in der Regel verhältnismäßig schwer sind. Bei solchen Anwendungen ist daher häufig eine Verbundstruktur erwünscht, bei der zur Gewichtsreduktion zwischen den zusammengefügten Komponenten Hohlräume gebildet sind. Ferner kann es erforderlich sein, in einem Teil der Haltevorrichtung ein Material mit hoher Härte und damit hoher Dichte einzusetzen, dessen Einsatz in einem anderen Teil der Verbundstruktur nicht erforderlich ist, so dass dort zur Gewichtsreduktion ein Material mit geringerer Dichte verwendet werden kann, sofern die Haltevorrichtung als Verbundstruktur realisiert wird. In der Regel werden hierbei Materialien miteinander verbunden, die einen ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten (coefficient of thermal expansion, CTE) aufweisen, wie in der WO 2008/17449 A2 der Anmelderin näher beschrieben ist, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Für das „fusion bonding” werden in der Regel die zusammenzufügenden Oberflächen vorbereitet, indem diese aneinander angesprengt werden. Ansprengen ist eine Verbindung zweier Materialien, bei der Oberflächen nur durch molekulare Anziehungskräfte gehalten werden, d. h. es handelt sich um eine „lösbare” Verbindung, die (unter Einfluss von Feuchtigkeit oder Keilwirkung) teilweise oder vollständig gelöst werden kann. Für das Ansprengen müssen die zu fügenden Komponenten jedoch frei von Partikeln sein, was durch eine Oberflächenreinigung erreicht wird, und auf eine nahezu perfekte Oberflächenebenheit poliert werden. Bei den für das oben beschriebene optische Element wie für die Haltevorrichtung in der Regel benötigten Durchmessern von ca. 200 mm, entsprechend einer Fläche von ca. 400 cm², tritt jedoch das Problem auf, dass herkömmliche Reinigungsmethoden wie Putzen mit Aceton oder Reiben mit Hirschleder zwar durchgeführt werden können, aber dennoch die Oberflächen nicht aneinander haften, da die Haftung von der absoluten Zahl der auf den Oberflächen vorhandenen verunreinigenden Partikel abhängt, die mit der Größe der Oberfläche ansteigt, selbst wenn eine Reinigung durchgeführt wird. Ohne einen solchen Reinigungsschritt ist ein großflächiges Ansprengen aber in der Regel nicht möglich, weshalb das „fusion bonding” bei großen Oberflächen nicht oder nur mit mangelhaften Resultaten durchgeführt werden kam.
Aus der US 2005/0215028 A1 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem eine amorphe und nicht hydrierte Zwischenschicht auf eine von zwei zu fügenden Komponenten aufgebracht und die beiden Komponenten durch die Zwischenschicht voneinander beabstandet angeordnet werden. Eine oder beide Komponenten werden aufgeheizt, bevor diese miteinander in Kontakt gebracht werden. Nachfolgend wird eine Spannung angelegt, um eine dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Komponenten zu erhalten.
Die US 2003/0211705 A1 beschreibt ein Niedrigtemperatur-Bonding-Verfahren, bei dem die Oberflächen der zu fügenden Komponenten aus Materialien wie Silizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid vor denn Bonden bei Raumtemperatur aktiviert, d. h. durch Reinigen oder Ätzen vorbehandelt werden. Hierzu können so genannte geringfügig ätzende („very slight etch”) Verfahren angewendet werden, bei denen die Mikrorauhigkeit der Oberflächen weitgehend erhalten bleibt, oder es kann reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen zum Einsatz kommen.
Unter der Web-Adresse „www.heise.de/newsticker/meldung/76740” ist ein so genannter Klettverschluss zur Erzeugung einer lösbaren Verbindung von Halbleiterchips bekannt geworden, bei dem die Oberfläche eines Silizium-Bauelements z. B. durch Ionenbeschuss aufgeraut und dadurch eine feine Struktur aus Siliziumnadeln erzeugt wird. Durch den Klettverschluss soll auf das Erhitzen der Komponenten zum Herstellen einer festen Verbindung verzichtet werden können.
Weitere Vergehausweisen zum direkten Bonden sind bekannt aus DE 38 29 906 A1 , WO 03/02597 A1 und US 2009/0035443 A1 .
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten, welches ein Direktbonden („fusion bonding”) auch großer zusammenzufügender Oberflächenbereiche ermöglicht, eine Verbundstruktur, ein optisches Element sowie eine Haltestruktur für einen Wafer gefertigt aus der Verbundstruktur, ein Projektionsobjektiv und eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen optischen Element bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend die Schritte: a) Aufbringen mindestens einer Schicht mit poröser Struktur auf eine Oberfläche jeder der Komponenten, b) Anrauen der mindestens einen aufgebrachten Schicht, c) Zusammenführen der Oberfläche der ersten Komponente mit einer Oberfläche der zweiten Komponente, und d) Verbinden der Komponenten zu der Verbundstruktur durch „fusion bonding”. Die Erfinder haben erkannt, dass das üblicher Weise dem „fusion bonding” vorausgehende Ansprengen dadurch ersetzt werden kann, dass zwei Oberflächen aufeinander gelegt werden, von denen zumindest eine angeraut ist, was ebenfalls zu einer Fixierung der beiden Oberflächen relativ zueinander führt (vgl. Klettverschluss), so dass in einem nachfolgenden Schritt das „fusion bonding” durchgeführt werden kann.
Hierbei wird auf das Material der ersten Komponente eine zusätzliche, in der Regel polykristalline Schicht aufgebracht, die eine poröse Struktur aufweist, so dass diese besonders einfach angeraut werden kann. Üblicher Weise wird auf die weiteren zu verbindenden Komponenten ebenfalls eine solche Schicht aufgebracht, um eine gute Fixierung der Oberflächen aneinander zu ermöglichen. Es ist aber alternativ ggf. auch möglich, nur die erste Komponente mit einer solchen Schicht zu versehen.
Bevorzugt werden für die Komponente und die auf diese aufgebrachte Schicht Materialien mit derselben chemischen Zusammensetzung gewählt. Unter Materialien mit derselben chemischen Zusammensetzung werden Materialien verstanden, deren Aufbau (geometrische Struktur) unterschiedlich sein kann, deren chemische Strukturformel aber identisch ist. Insbesondere kann z. B. eine Schicht auf einer Komponente aus Spinell (MgAl₂O₄) durch Co-Beschichten von MgO und Al₂O₃ im Verhältnis 1:1 erzeugt werden. In diesem Fall unterscheidet sich der geometrische Aufbau der Schicht von der Spinell-Struktur, aber das Material der Schicht und der Komponente weisen dieselbe chemische Strukturformel auf, so dass dennoch eine gute Haftung der Schicht an der Komponente gewährleistet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird für die zu verbindenden Komponenten das gleiche Material gewählt. Dieses Material stimmt bevorzugt mit dem Material der Schicht(en) überein. In obigem Beispiel kann so nach dem „fusion bonding” der Spinell-Schicht mit zwei Komponenten aus Spinell eine Verbundstruktur aus einem einzigen Material erhalten werden, des im Wesentlichen optisch homogen ist, da sich beim „fusion bonding” die poröse Schicht in eine kompakte Spinell-Schicht umwandelt.
Bei einer bevorzugten Variante ist das Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Spinell (MgAl₂O₄), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und LuAG (Lu₃Al₅O₁₂), Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₈), Siliziumcarbid (SiC), (Quarz-)Glas und Glaskeramik, insbesondere Zerodur, ULE oder Clearceram. Insbesondere Spinell und Aluminiumoxid stellen neben LuAG aufgrund ihres hohen Brechungsindex geeignete Materialien für ein Abschlusselement eines Projektionsobjektivs für die Mikrolithographie dar. Aufgrund der Baugröße der Abschlusslinse kann diese – je nach gewähltem Material – ggf. nicht aus einer einzelnen Komponente hergestellt werden. Beim Bonden der bei einem solchen Abschlusselement in der Regel großflächigen zu verbindenden Oberflächen tritt das Problem auf, dass diese nicht hinreichend gut gereinigt werden können, um ein Ansprengen zu ermöglichen. Es versteht sich, dass zur Herstellung eines optischen Elements neben den oben genannten, für UV-Strahlung transparenten Materialien auch andere für UV-Strahlung transparente Materialien verwendet werden können, die insbesondere bei der Verwendung als Abschlusselement eines Projektionsobjektivs für die Mikrolithographie bei einer Wellenlänge von 193 nm einen Brechungsindex größer als Quarzglas aufweisen sollten. Aber auch für UV-Strahlung intransparente Materialien wie Cordierit oder Siliziumcarbid sind geeignete Materialien für die Komponenten der Verbundstruktur, insbesondere, wenn diese als Haltevorrichtung für einen Wafer verwendet werden soll.
Bei einer weiteren Variante wird die Schicht aufgebracht mittels eines Verfahrens ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Physical Vapour Deposition (PVD, physikalische Gasphasenabscheidung), insbesondere thermisches Verdampfen, Elektronenstrahl-Verdampfen, Sputtern (Kathodenzerstäuben), Ionized Cluster Beam Deposition (ICVD, Clusterstrahltechnik) und Chemical Vapour Deposition (CVD, chemische Gasphasenabscheidung). Die genannten Verfahren betreffen Techniken zur Beschichtung von Substraten durch Dampfabscheidung, wobei zwischen physikalischer Dampfabscheidung, bei der keine chemische Reaktion beim Aufdampfen abläuft, und chemischer Dampfabscheidung mit einer solchen chemischen Reaktion unterschieden wird. Es versteht sich, dass auch Varianten der genannten Verfahren zum Einsatz kommen können, z. B. Magnetron-Sputtern, bei dem ein Niedertemperaturplasma in einem Edelgas (meist Argon) benutzt wird, um ein Target-Material abzutragen und auf einem gegenüber liegenden Substrat abzuscheiden, oder Ionenstrahl-Sputtern, bei dem zu diesem Zweck ein Ionenstrahl eingesetzt wird. Das Beschichten muss hierbei anders als sonst üblich nicht notwendiger Weise unter Vakuum erfolgen, da die Schicht porös sein soll. Zur Herstellung einer solchen porösen Schicht eignet sich besonders CVD bei Atmosphärendruck.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante wird das Aufbringen der Schicht bei einer Beschichtungstemperatur von weniger als 1000°C, bevorzugt von weniger als 300°C durchgeführt. Hierdurch kann erreicht werden, dass poröse, polykristalline Schichten entstehen, was für das spätere Anrauen vorteilhaft ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante werden die Oberflächen der Komponenten zum Aufbringen der Schicht mit einer Oberflächenrauhigkeit von 1,0 nm rms oder weniger und bevorzugt einer Oberflächenebenheit von weniger als λ, insbesondere weniger als λ/2 bei λ = 632 nun bereitgestellt. Hierdurch kann das nachfolgende Aufbringen der Schicht erleichtert werden. Wenn die Verbundstruktur als optisches Element verwendet werden soll, ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Oberflächenrauhigkeit bei λ oder darunter liegt, wobei λ die Messwellenlänge von 632 nm (He-Ne-Laser) bezeichnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante wird die Oberfläche vor dem Beschichten gereinigt und entfettet, wodurch das Aufbringen einer Schicht mit für das Bonden besonders vorteilhaften Eigenschaften erleichtert werden kann.
Bevorzugt wird die Schicht aufgebracht durch Co-Beschichten von mindestens zwei Konstituenten des Materials. Wie bereits oben am Beispiel von Spinell dargestellt, kann/können die Schicht/die Schichten aufgebracht werden, indem zwei oder mehr ihrer Konstituenten in einem solchen Verhältnis aufgedampft werden, dass sich die chemische Zusammensetzung des gewünschten Schichtmaterials einstellt.
In einer vorteilhaften Variante wird die Schicht mit einer Dicke von 500 nm oder weniger, bevorzugt von 100 nm oder weniger aufgebracht. Durch das Aufbringen einer dünnen Schicht kann diese beim nachfolgenden Tempern während des „fusion bondings” verhältnismäßig effizient in eine kompakte Materialschicht umgewandelt werden, so dass das Verfahren bei geringer Prozessdauer durchgeführt werden kann.
Bevorzugt wird das Anrauen mittels eines Verfahrens durchgeführt, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: trockenes Ätzen, nasses Ätzen und Ionenstrahl-Beschießen. Die Oberflächen werden bei allen Verfahren nur so weit angeraut, dass diese sich beim anschließenden „fusion bonding” nicht relativ zueinander verschieben können. Durch das Anrauen wird hierbei eine Schicht mit einer säulenartigen, dem oben erwähnten Klettverschluss verwandten Struktur erzeugt.
In einer besonders vorteilhaften Variante werden die Oberflächen nach dem Zusammenführen bei einem statischen Druck von mehr als 1 bar fixiert, was für das nachfolgende „fusion bonding” günstig ist.
Vorteilhafter Weise erfolgt das „fusion bonding” bei einer Temperatur von maximal 2100°C, bevorzugt 1500°C, besonders bevorzugt von maximal 1300°C. Durch eine nicht zu hohe Temperatur beim Bonden kann erreicht werden, dass Deformationen durch die Erhöhung der Viskosität in der Nähe der Übergangstemperatur möglichst gering ausfallen. Die Temperatur beim Bonden kann so hoch gewählt werden; dass ein Anschmelzen der Oberflächen erfolgt, d. h. es kann z. B. bei Spinell eine Temperatur von ca. 2100°C bzw. bei Aluminiumoxid eine Temperatur von ca. 2000°C erreicht werden. Das „fusion bonding” wird hierbei bevorzugt unter einem Prozessgas wie z. B. Argon oder Sauerstoff durchgeführt.
In einer vorteilhaften Variante erfolgt das „fusion bonding” bei einer Temperatur von 70% oder weniger, bevorzugt von 60% oder weniger der Schmelztemperatur der Schicht. In diesem Fall erfolgt das „fusion bonding” durch versteckte Diffusion bzw. Migration, so dass kein Anschmelzen der zu verbindenden Oberflächen notwendig ist.
Um die versteckte Diffusion zu erzeugen, muss in der Regel aber eine Temperatur erreicht werden, die zumindest bei mehr als 50% der Schmelztemperatur der Schicht liegt. Es versteht sich, dass beim Verbinden von zwei Schichten aus unterschiedlichen Schichtmaterialien die Schmelztemperatur der Schicht mit dem höheren Schmelzpunkt die relevante Schmelztemperatur ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Verbundstruktur, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren wie oben beschrieben, mit mindestens einer ersten und zweiten Komponente aus dem gleichen Material, die an zwei Oberflächen miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Oberflächen eine Zwischenschicht eingebracht ist, welche durch „fusion bonding” der Komponenten mit mindestens einer auf eine Oberfläche jeder der Komponenten aufgebrachten, angerauten Schicht mit poröser Struktur gebildet ist. Hierbei bestehen die Komponente und die auf diese aufgebrachte Schicht bevorzugt aus Materialien mit derselben chemischen Zusammensetzung. Insbesondere bestehen auch die Komponenten aus dem gleichen Material, so dass im Falle von für UV-Strahlung transparenten Komponenten eine optisch homogene Verbundstruktur erhalten werden kam.
Eine Verbundstruktur, bei der mehrere Komponenten auf die oben beschriebene Weise übereinander angeordnet werden, kann zur Formung eines optischen Elements, z. B. eines Abschlusselements eines Projektionsobjektivs für die Mikrolithographie, eingesetzt werden. Alternativ kann aus einer solchen Verbundstruktur auch eine Haltevorrichtung für einen Wafer, insbesondere ein Wafer-Chuck oder ein Wafer-Tisch, hergestellt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die Zwischenschicht über eine Fläche von mindestens 100 cm², bevorzugt von mindestens 400 cm². Derart große Flächen können nur sehr schwer durch Ansprengen miteinander verbunden werden, so dass das Verbinden auf die oben beschriebene Weise die einzige Möglichkeit darstellt, eine solche Verbundstruktur zu erzeugen.
Bei einer vorteilhaften Variante ist das Material der Komponenten polykristallin. Polykristalline Materialien können zur Herstellung von optischen Elementen in der Mikrolithographie verwendet werden, wie in der eingangs zitierten WO 2006/061225 A1 im Detail dargestellt ist, welche durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Insbesondere können hierzu polykristalliner Spinell oder polykristallines Aluminiumoxid verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einen optischen Element, welches gefertigt ist aus einer Verbundstruktur wie oben beschrieben. Das optische Element wird hierbei typischer Weise durch mechanische Bearbeitung aus der z. B. zylinderförmigen Verbundstruktur geschnitten, um die gewünschte Form für die jeweilige Anwendung zu erhalten.
Ein Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Haltevorrichtung für einen Wafer, insbesondere einen Wafer-Chuck oder Wafer-Tisch, der aus der oben beschriebenen Verbundstruktur gefertigt ist. In solchen aus mehreren Komponenten zusammengefügten Haltevorrichtungen können auf besonders einfache Weise Hohlräume gebildet werden. Ferner können unterschiedliche Bereiche der Haltevorrichtungen aus verschiedenen, an die Erfordernisse des jeweiligen Bereichs angepassten Materialtypen hergestellt werden.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einem Projektionsobjektiv für die Mikrolithographie zur Abbildung einer Struktur auf ein lichtempfindliches Substrat mit mindestens einem solchen optischen Element, welches bevorzugt ein Abschlusselement des Projektionsobjektivs darstellt. Derartige Abschlusselemente weisen insbesondere bei Projektionsobjektiven für die Immersionslithographie eine große Dicke auf, um die Strahlung des Projektionsobjektivs in die Immersionsflüssigkeit einzukoppeln. Abschlusselemente aus Materialien, welche nicht in der hierfür erforderlichen Dicke erhältlich sind, wie z. B. Spinell oder Aluminiumoxid, können auf die oben beschriebene Weise aus einer Verbundstruktur erzeugt werden.
Ein Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Immersionslithographie mit einem Projektionsobjektiv wie oben beschrieben, bei dem das optische Element dem lichtempfindlichen Substrat gegenüber liegend angeordnet ist, wobei zwischen dem lichtempfindlichen Substrat und dem optischen Element eine Immersionsflüssigkeit eingebracht ist. Wie bereits erwähnt, weist das optische Element in diesem Fall eine besonders große Dicke auf, so dass dieses vorteilhafter Weise aus einer Verbundstruktur gefertigt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
1a–d eine schematische Darstellung mehrerer Verfahrensschritte einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer Verbundstruktur,
2 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage mit einem aus einer solchen Verbundstruktur gefertigten optischen Element,
3 eine schematische Darstellung einer Verbundstruktur, welche als Wafer-Chuck (Wafer-Spannvorrichtung) ausgebildet ist, sowie einer Vakuumquelle zur Erzeugung eines Unterdrucks, und
4 eine schematische Darstellung eines Wafer-Tisches als Verbundstruktur mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Komponenten.
In 1a–d ist schematisch ein Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten 1, 2 aus polykristallinem Material, z. B. aus Spinell (MgAl₂O₄), gezeigt, welche jeweils eine Dicke von ca. 40 mm aufweisen. Die Oberflächen 1a, 2a der Komponenten 1, 2 werden zu Beginn des Verfahrens mittels eines geeigneten Glättungsverfahrens, z. B. Polieren, auf eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 1,0 nm rms und eine Oberflächenebenheit von weniger als λ gebracht und entfettet sowie gereinigt. Auf die so vorbehandelte Oberfläche 1a der ersten Komponente 1 wird in einem ersten Schritt (vgl. 1a) durch thermisches Bedampfen unter Vakuum eine Schicht 3 mit einer Dicke von ca. 100 nm aufgebracht, welche ebenfalls aus Spinell besteht. Es versteht sich, dass zum Beschichten auch andere Dünnschichtverfahren eingesetzt werden können, welche insbesondere auf dem Prinzip physikalischer oder chemischer Gasabscheidung beruhen. Ferner können an Stelle von Spinell als Beschichtungsmaterial auch Magnesiumoxid MgO und Aluminiumoxid Al₂O₃ verwendet werden, welche in einer Co-Beschichtung im Verhältnis 1:1 auf die Oberfläche 1a aufgebracht werden. In beiden Fällen bildet sich auf der Oberfläche 1a eine Schicht 3 aus, deren chemische Zusammensetzung mit derjenigen der Komponente 1 übereinstimmt. Hierbei wird eine Beschichtungstemperatur T_B gewählt, die bei weniger als 300°C liegt, um eine möglichst poröse, polykristalline Struktur der Schicht 3 zu erreichen.
Die poröse Struktur der Schicht 3 wird in einem nachfolgenden Schritt (vgl. 1b) ausgenützt, um diese auf einfache Weise an ihrer Oberfläche 3a aufzurauen, indem diese mit einem Ionenstrahl 8 beschossen wird, so dass sich eine im Wesentlichen säulen- bzw. nadelförmige Oberfläche 3a an der Schicht 3 ausbildet.
Die beiden in 1a, b gezeigten Verfahrensschritte werden in analoger Weise für die zweite Komponente 2 durchgeführt, wodurch an dieser eine in 1c gezeigte, ebenfalls angeraute Schicht 4 gebildet wird. Die beiden Oberflächen 1a, 2a der Komponenten 1, 2 werden dann wie in 1c gezeigt aufeinander gelegt, wobei die beiden Schichten 3, 4 aneinander haften, so dass sich eine polykristalline Zwischenschicht 5 ausbildet. Die beiden Komponenten 1, 2 werden nachfolgend einem statischen Druck von mehr als 1 bar ausgesetzt, bevor diese in einem in 1d gezeigten, nachfolgenden Schritt durch „fusion bonding” miteinander verbunden werden, d. h. sie werden bei Temperaturen von bis zu max. 2100°C unter einem Prozessgas wie z. B. Argon oder Sauerstoff getempert. Während des Temperns wandelt sich die eingebettete poröse Zwischenschicht 5 aus Spinell in eine kompakte Spinellschicht um, welche die beiden Oberflächen 1a, 2a der Komponenten 1, 2 miteinander verbindet, so dass eine Verbundstruktur 6 entsteht. Nach dem Abkühlen der Verbundstruktur 6 auf Raumtemperatur ist der Verbindungsprozess abgeschlossen. Alternativ zum „fusion bonding” durch Anschmelzen kann das „fusion bonding” auch bei niedrigeren Temperaturen, typischer Weise bei ca. 60% bis 70% der Schmelztemperatur der Schichten 3, 4 bzw. der Komponenten 1, 2 durchgeführt werden, wobei die Verbindung in diesem Fall durch versteckte Diffusion zu Stande kommt.
Es versteht sich, dass durch die Wiederholung der oben beschriebenen Verfahrensschritte mehrere Komponenten aufeinander gestapelt werden können, so dass Verbundstrukturen von nahezu beliebiger Höhe erzeugt werden können. Weiterhin kann die Fügestelle, d. h. die Zwischenschicht 5 großflächig ausgeführt werden und insbesondere eine Fläche von mehr als 100 cm² oder 400 cm² überdecken.
Neben denn oben dargestellten Beispiel, bei dem Spinell als Material der Verbundstruktur 6 bzw. der Komponenten 1, 2 gewählt wurde, kann dieses Verfahren auch bei anderen Materialien angewendet werden, z. B. bei Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder LuAG (Lu₃Al₅O₁₂), wobei in diesem Fall als Schichtmaterial ebenfalls Aluminiumoxid (Al₂O₃) bzw. LuAG (Lu₃Al₅O₁₂) gewählt werden kann, um eine optisch homogene Verbundstruktur zu erhalten.
Die auf die oben beschriebene Weise hergestellte Verbundstruktur 6 eignet sich insbesondere in dem Fall, dass ein hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex oberhalb von Quarzglas bei einer Wellenlänge von 193 mit gewählt wird, zur Herstellung eines optischen Elements 7 für die Immersionslithographie, wie es in 2 in einer Projektionsbelichtungsanlage 10 für die Immersionslithographie in Form eines Wafer-Scanners zur Herstellung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen gezeigt ist, deren Funktionsweise im Folgenden erläutert wird.
Die Projektionsbelichtungsanlage 10 umfasst als Lichtquelle einen Excimer-Laser 11 mit einer Arbeitswellenlänge von 193 mn, wobei auch andere Arbeitswellenlängen, beispielsweise 248 nm, möglich sind. Ein nachgeschaltetes Beleuchtungssystem 12 erzeugt in seiner Austrittsebene ein großes, scharf begrenztes, sehr homogen beleuchtetes und an die Telezentrie-Erfordernisse eines nachgeschalteten Projektionsobjektivs 13 angepasstes Bildfeld.
Hinter dem Beleuchtungssystem 12 ist eine Einrichtung 14 zum Halten und Manipulieren einer (nicht gezeigten) Photomaske so angeordnet, dass diese in der Objektebene 15 des Projektionsobjektivs 13 liegt und in dieser Ebene zum Scanbetrieb in einer durch einen Pfeil 16 angedeutete Abfahrrichtung bewegbar ist.
Hinter der auch als Maskenebene bezeichneten Ebene 15 folgt das Projektionsobjektiv 13, das ein Bild der Photomaske mit reduziertem Maßstab, beispielsweise im Maßstab 1:4 oder 1:5 oder 1:10, auf einen mit einer Photoresistschicht belegten Wafer 17 abbildet. Der als lichtempfindliches Substrat dienende Wafer 17 ist so angeordnet, dass die ebene Substratoberfläche 18 mit der Photoresistschicht im Wesentlichen mit der Bildebene 19 des Projektionsobjektivs 13 zusammenfällt. Der Wafer 17 wird durch eine Einrichtung 20 bewegt, die einen Scannerantrieb umfasst, um den Wafer 17 synchron zur Photomaske und in der Regel gegenläufig zu dieser zu verschieben. Die Einrichtung 20 umfasst auch Manipulatoren, um den Wafer sowohl in z-Richtung parallel zu einer optischen Achse 21 des Projektionsobjektivs, als auch in x- und y-Richtung senkrecht zu dieser Achse zu verfahren.
Das optische Element 7 dient in dem Projektionsobjektiv 13 als Abschlusselement und ist als transparente Plankonvexlinse ausgebildet, welches einen konischen Linsenteil aufweist, dessen Stirnseite die letzte optische Fläche des Projektionsobjektivs 13 bildet und welche in einem Arbeitsabstand oberhalb der Substratoberfläche 18 angeordnet ist. Zwischen der Stirnseite und der Substratoberfläche 18 ist als Immersionsflüssigkeit 22 Wasser angeordnet, welches den Bereich zwischen dem optischen Element 7 und dem Wafer 17 durchströmt. Mittels der Immersionsflüssigkeit kann die Abbildung von Strukturen auf der Photomaske mit einer höheren Auflösung und Tiefenschärfe erfolgen als dies möglich ist, wenn der Zwischenraum zwischen dem optischen Element 7 und dem Wafer 17 mit einem Medium mit einer geringeren Brechzahl, z. B. Luft, ausgefüllt ist.
Das optische Element 7 ermöglicht aufgrund seiner hohen Brechzahl eine besonders gute Einkopplung der Strahlung in die Immersionsflüssigkeit 22. Da das optische Element 7 einen Radius von bis zu 100 mm und eine nahezu vergleichbare Höhe aufweist und sich Spinell-Scheiben nur bis zu einer Höhe von ca. 40 mm herstellen lassen, kann das optische Element 7 nicht aus einem einzelnen Spinell-Rohling hergestellt werden, sondern muss durch mechanische Bearbeitung aus einer Verbundstruktur gefertigt werden. Durch den großen Durchmesser des optischen Elements 7 kann diese Verbundstruktur hierbei nicht oder nur mit sehr großem Aufwand durch ein herkömmliches „fusion bonding”-Verfahren erzeugt werden, bei dem die Komponenten aneinander angesprengt werden, so dass das oben im Zusammenhang mit 1 beschriebene Verfahren vorteilhaft angewendet werden kann. Das optische Element 7 kann hierbei wie in der eingangs zitierten WO 2006/061225 A1 der Anmelderin ausgebildet sein (vgl. dort 5), die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Neben der Herstellung von Verbundstrukturen aus für UV-Strahlung transparenten Materialien kann das oben beschriebene Verfahren auch zur Herstellung von Verbundstrukturen eingesetzt werden, die für UV-Strahlung nicht oder nur teilweise transparent sind. Insbesondere ist dies bei Haltevorrichtungen für einen Wafer möglich, dessen Komponenten typischer Weise aus Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₈), Siliziumcarbid (SiC), Glas oder Glaskeramik, insbesondere Zerodur, ULE oder Clearceram bestehen. Zwei Beispiele für solche Haltevorrichtungen werden im Folgenden anhand der 3 und 4 dargestellt.
In 3 ist eine als Wafer-Chuck 25 ausgebildete Haltevorrichtung gezeigt. Diese besteht in der stark vereinfachten Darstellung von 3 lediglich aus der Verbundstruktur 6, auf welcher der Wafer 17 festgehalten werden soll, sowie aus einer Vakuumpumpe 29. Mit der Vakuumpumpe 29 wird zwischen dem Wafer 17 und der Verbundstruktur 6 ein Unterdruck erzeugt, der den Wafer 17 zur Verbundstruktur 6 hin saugt, wie in 3 durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Verbundstruktur 6 weist eine erste, obere Platte 26 und eine zweite, untere Platte 27 auf, die in Form und Größe übereinstimmen. Zwischen den Platten 26, 27 ist eine Mehrzahl von Stützelementen angeordnet, welche eine Rippenstruktur 28 (Gitter) mit einer wabenförmigen Struktur bilden, die senkrecht zu den Platten 26, 27 verläuft. Durch die Waben des Gitters 28 sowie in den Platten 26, 27 vorgesehene Öffnungen kann das Unterdruckansaugen erfolgen. Weiterhin wird durch die wabenartige Struktur die Verbundstruktur 6 besonders leicht und kann z. B. weniger als ca. 30% des Gewichts aufweisen, welches bei Verwendung einer massiven Cordierit-Komponente als Wafer-Chuck 25 entstehen würde. Die obere und untere Platte 26, 27 sowie die Rippenstruktur 28 sind jeweils durch das oben beschriebene „fusion bonding”-Verfahren miteinander verbunden.
Es versteht sich, dass die Verbundstruktur 6 auch Teil eines Wafer-Chucks sein kann, der mittels elektrostatischer Anziehung arbeitet und bei dem eine Hochspannungsquelle zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Verbundstruktur 6 und dem Wafer 17 vorgesehen ist. Ein solcher Wafer-Chuck ist auch für Vakuum-Anwendungen geeignet.
4 zeigt einen Wafer-Tisch 30, welcher zur Lagerung des Wafers 17 während des Belichtungsprozesses in einer (nicht gezeigten) Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie dient. Der Wafer-Tisch 30 ist in einer Aufnahme 31 versenkt, welche derart ausgebildet ist, dass deren Oberkante mit dem Wafer 21 bündig abschließt. Der Wafer-Tisch 30 besteht aus einer ersten, unteren Komponente 32a aus Cordierit, welche mit einer zweiten, oberen Komponente 32b aus Cordierit mittels des oben beschriebenen „fusion bonding”-Prozesses verbunden ist, wobei beide Komponenten 32a, 32b gemeinsam den Grundkörper („bulk”) des Wafer-Tisches 30 bilden. Alternativ können die beiden Komponenten 32a, 32b auch aus anderen Materialien, bevorzugt aus Zerodur, gefertigt sein.
Die beiden Komponenten 32a, 32b des Grundkörpers weisen einander gegenüberliegende Ausnehmungen auf, wodurch sich zwischen den verbundenen Komponenten 32a, 32b mehrere Hohlräume 33 ausbilden. Die Hohlräume 33 dienen als Kühlkanäle zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit, um die Wärme abzuführen, die durch Absorption der Strahlung in den Komponenten 32a, 32b bei den hohen Strahlstärken in der Mikrolithographie verstärkt auftritt. Es versteht sich, dass in dem Wafer-Tisch 30 weitere Hohlräume, z. B. zur Aufnahme von Einbauteilen oder Heizelementen, vorgesehen werden können und dass dieser auch mit einer Gitterstruktur wie oben beschrieben versehen sein kann, um eine zusätzliche Gewichtsreduktion zur erreichen.
Auf der oberen Komponente 32b des Wafer-Tisches 30 sind mehrere in gleichem Abstand voneinander angebrachte Stützstrukturen 34 („pimple”) zur Unterstutzung des Wafers 17 angeordnet. Diese weisen jeweils eine untere Komponente 32c aus Cordierit auf, die mit einer oberen Komponente 32d aus Siliziumcarbid ebenfalls durch „fusion bonding” verbunden ist.
Auf den beiden einen Grundkörper der Stützstruktur 34 bildenden Komponenten 32c, 32d ist eine weitere Komponente 32c aus Siliziumcarbid angebracht, welche zur punktuellen Lagerung des Wafers 17 einen reduzierten Durchmesser aufweist. Die obere Komponente 32d und die weitere Komponente 32e der Stützstruktur 34 sind hierbei ebenfalls durch „fusion bonding” verbunden, wobei in diesem Fall aufgrund der geringen zu bondenden Flächen auch ein „fusion bonding”-Prozess mit Ansprengen zum Einsatz kommen kann. Es versteht sich, dass die Komponenten 32c–e der Stützstruktur 34 auch vollständig aus Siliziumcarbid oder einem anderen, bevorzugt besonders harten Material bestehen können.
Der so gebildete Wafer-Tisch 30 kann den hohen Beschleunigungen in der Mikrolithographie standhalten, wobei durch die Art der gewählten Komponenten eine Leichtgewichtsstruktur realisiert und gleichzeitig eine gute Wärmeabfuhr sowie eine geringe Wärmeausdehnung gewährleistet ist, wobei die hohe Haftfestigkeit der Verbindungen eine hohe mechanische Stabilität sicherstellt. Es versteht sich, dass nicht zwingend alle Verbindungen zwischen den Komponenten 32a–e des Wafer-Tischs 30 durch „fusion bonding” gebildet sein müssen, vielmehr können eine oder mehrere Verbindungen auch auf andere Weise, insbesondere wie in der der PCT/EP2007/006963 der Anmelderin beschrieben, hergestellt sein.
Erst mittels des oben dargestellten Verfahrens wird es möglich, Komponenten an großen Flächen von ca. 400 cm² und mehr durch „fusion bonding” miteinander zu verbinden. Es versteht sich, dass das oben beschriebene Verfahren bzw. die Verbundstruktur nicht nur in der Mikrolithographie, sondern auch in anderen Gebieten vorteilhaft eingesetzt werden können, z. B. in der Röntgen-Teleskopie oder in Laserbearbeitungsanlagen.

Claims

Verfahren zum Verbinden mindestens einer ersten und einer zweiten Komponente (1, 2; 26 bis 28; 32a–e) zu einer Verbundstruktur (6, 30) durch „fusion bonding”, umfassend die Schritte: a) Aufbringen mindestens einer Schicht (3, 4) mit poröser Struktur auf eine Oberfläche (1a, 2a) jeder der Komponenten (1, 2), b) Anrauen der mindestens einen aufgebrachten Schicht (3, 4), c) Zusammenführen der Oberfläche (1a) der ersten Komponente (1) mit einer Oberfläche (2a) der zweiten Komponente (2), und d) Verbinden der Komponenten (1, 2) zu der Verbundstruktur (6) durch „fusion bonding”.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für die Komponente (1, 2) und die auf diese aufgebrachte Schicht (3, 4) Materialien mit derselben chemischen Zusammensetzung gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für die zu verbindenden Komponenten (1, 2) das gleiche Material gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material der Komponenten (1, 2) ausgewählt wird aus der Gruppe umfassend: Spinell (MgAl₂O₄), Aluminiumoxid (Al₂O₃), LuAG (Lu₃Al₅O₁₂), Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₈), Siliziumcarbid (SiC), Glas und Glaskeramik, insbesondere Zerodur, ULE oder Clearceram.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (3, 4) aufgebracht wird mittels eines Verfahrens ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Physical Vapor Deposition, insbesondere thermisches Verdampfen, Elektronenstrahl-Verdampfen, Sputtern oder Cluster Beam Deposition, und Chemical Vapour Deposition.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufbringen der Schicht (3, 4) bei einer Beschichtungstemperatur (T_B) von weniger als 1000°C, bevorzugt von weniger als 300°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (1a, 2a) der Komponente (1, 2) zum Aufbringen der Schicht (3, 4) mit einer Oberflächenrauhigkeit von weniger als 1,0 nm rms und bevorzugt einer Oberflächenebenheit von weniger als λ, insbesondere weniger als λ/2, bei λ 632 nm bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (1a, 2a) vor dem Beschichten gereinigt und entfettet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (3, 4) durch Co-Beschichten von zwei oder mehr Konstituenten des Materials der Schicht (3, 4) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (3, 4) mit einer Dicke von 500 nm oder weniger, bevorzugt von 100 nm oder weniger aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Anrauen mittels eines Verfahrens durchgeführt wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: trockenes Ätzen, nasses Ätzen und Ionenstrahl-Beschießen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberflächen (1a, 2a) nach dem Zusammenführen bei einem statischen Druck von mehr als 1 bar fixiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das „fusion bonding” bei einer Temperatur von maximal 2100°C, bevorzugt von maximal 1500°C, insbesondere von maximal 1300°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das „fusion bonding” bei einer Temperatur von 70% oder weniger, bevorzugt von 60% oder weniger der Schmelztemperatur der Schicht (3, 4) erfolgt.
Verbundstruktur (6, 30), insbesondere hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit mindestens einer ersten und zweiten Komponente (1, 2; 26 bis 28; 32a–e), die an zwei Oberflächen (1a, 2a) miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Oberflächen (1a, 2a) eine Zwischenschicht (5) eingebracht ist, welche durch „fusion bonding” der Komponenten (1, 2) mit mindestens einer auf eine Oberfläche (1a, 2a) jeder der Komponenten (1, 2) aufgebrachten, angerauten Schicht (3, 4) mit poröser Struktur gebildet ist.
Verbundstruktur nach Anspruch 15, bei der die Komponente (1, 2) und die auf diese aufgebrachte Schicht (3, 4) aus Materialien mit derselben chemischen Zusammensetzung bestehen.
Verbundstruktur nach Anspruch 15 oder 16, bei der die zu verbindenden Komponenten (1, 2) aus dem gleichen Material bestehen.
Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der die Zwischenschicht (5) sich über eine Fläche von mindestens 100 cm², bevorzugt von mindestens 200 cm² erstreckt.
Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der das Material der Komponenten (1, 2) polykristallin ist.
Optisches Element (7), gefertigt aus einer Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 19.
Haltevorrichtung für einen Wafer (17), insbesondere Wafer-Chuck (25) oder Wafer-Tisch (30), gefertigt aus einer Verbundstruktur (6, 30) nach einem der Ansprüche 15 bis 19.
Projektionsobjektiv (13) für die Mikrolithographie zur Abbildung einer Struktur auf ein lichtempfindliches Substrat (17) mit mindestens einem optischen Element (7) nach Anspruch 20.
Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Immersionslithographie mit einem Projektionsobjektiv (13) nach Anspruch 22, bei dem das optische Element (7) dem lichtempfindlichen Substrat (17) gegenüber liegend angeordnet ist, wobei zwischen dem lichtempfindlichen Substrat (17) und dem optischen Element (7) eine Immersionsflüssigkeit (22) eingebracht ist.