DE10350688B3

DE10350688B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Nachweis von Ausgasprodukten

Info

Publication number: DE10350688B3
Application number: DE10350688A
Authority: DE
Inventors: Waltraud Herbst; Karl Dr. Kragler; Michael Dr. Sebald
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: US7078709B2; US20050092936A1

Abstract

Die während der Belichtung von Fotoresistsystemen durch Laserbestrahlung gebildeten Ausgasprodukte werden auf einem Nachweisplättchen zur weiteren Analyse adsorbiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis von durch die Belichtung von Fotoresists erzeugten Ausgasprodukten.

Mikrochips werden in einer Vielzahl von Arbeitsschritten hergestellt, in denen innerhalb eines kleinen Abschnitts der Oberfläche eines Substrats, meist ein Siliziumwafer, gezielt Veränderungen vorgenommen werden, um beispielsweise Gräben für deep-trench-Kondensatoren in das Substrat einzubringen oder um dünne Leiterbahnen oder Elektroden auf der Substratoberfläche abzuscheiden.

Um derart kleine Strukturen darstellen zu können, wird zunächst auf der Substratoberfläche eine Maske erzeugt, so dass diejenigen Bereiche, welche bearbeitet werden sollen, frei liegen, während die anderen Bereiche durch das Material der Maske geschützt werden. Nach der Bearbeitung wird die Maske wieder von der Substratoberfläche entfernt, beispielsweise durch Veraschen.

Die Maske wird erzeugt, indem zunächst eine dünne Schicht eines Fotoresists aufgebracht wird, der ein filmbildendes Polymer sowie eine fotoempfindliche Verbindung enthält. Dieser Film wird anschließend belichtet, wobei etwa in den Strahlengang eine Maske eingebracht wird, welche die Information über die zu erzeugende Struktur enthält und durch die eine selektive Belichtung des Fotoresistfilms erfolgt. Produktionstechnisch wird die Maske über ein hochauflösendes Linsensystem auf den Fotoresistfilm projiziert.

Fotoresistsysteme befinden sich in einer raschen technischen Entwicklung und weisen eine hohe wirtschaftliche Bedeutung auf. Die Belichtung zur Strukturierung von Fotoresists erfordert dabei eine komplexe und teure Strahlenoptik.

Hierbei können Schwierigkeiten auftreten, wenn für die Belichtung des Fotoresists Strahlung einer kurzen Wellenlänge verwendet wird. Schon ab einer Belichtungswellenlänge von 248 nm und insbesondere bei noch kürzeren Wellenlängen werden durch die hohe Energie der Belichtungsstrahlung im Polymer Bindungen gebrochen. So liegt die Photonenenergie beispielsweise bei 157 nm mit 7.9 eV bereits oberhalb typischer Bindungsenergien von Resistpolymeren, im EUV-Bereich (extreme ultraviolet) mit Wellenlängen um 13 nm beträgt die Photonenergie bereits 95 eV. Polymersysteme für Belichtungswellenlängen von 248 nm und darunter setzen dabei gasförmige siliziumhaltige oder andere für die Linsensysteme schädliche Spaltprodukte frei.

Diese siliziumhaltigen Spaltprodukte können sich dann mit im Spülgas vorhandenem Restsauerstoff langsam zu Siliziumdioxid umsetzen, das sich auf den Belichtungsoptiken niederschlägt und diese im Lauf der Zeit „erblinden" lässt. Durch Spaltprodukte entstehende Schäden und Kontaminationen der Linsensysteme führen zu einer Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften und damit der Qualität der gebildeten Maskenstruktur. Diese Kontaminationen können bis zu einer irreversiblen Schädigung der Linsen führen. Dadurch entstehen zum einen Kosten für den Ersatz der beschädigten optischen Systeme und zum anderen durch den Produktionsausfall infolge von Wartungsarbeiten.

Es ist daher erforderlich Fotoresistsysteme hinsichtlich ihres Verhaltens während der Belichtung und der Bildung von Ausgasprodukten untersuchen zu können. Durch die entsprechenden Untersuchungsergebnisse eröffnen sich dann Möglichkeiten gegebenenfalls chemische Anpassungen am Fotoresist vorzunehmen oder apparative Maßnahmen zum Schutz der Linsensysteme zu treffen.

US 6,369,887,B2 beschreibt eine Vorrichtung zur Detektion des auf einem Substrat gegebenenfalls befindlichen Photoresist-Materials. Zu diesem Zweck wird das Substrat mit Licht bestrahlt und der Photoresist aufgrund dessen spezifischer Fluoreszenz oder aufgrund der reflektierten Licht-Intensität detektiert. Die Vorrichtung gemäß US 6,369,887 liefert keine Informationen in Bezug auf die während der Belichtung entstandenen Ausgasprodukte, sondern dient nur dazu festzustellen, ob ein Photoresist von einem Subtrat vollständig entfernt ist.

Da die Entwicklungsgeschwindigkeit in der Fotoresisttechnik hoch ist und weiter zunimmt ist es notwendig, dass entsprechende Informationen über das Ausgasverhalten des Fotoresists schnell und sicher zur Verfügung stehen.

Insbesondere sind die Verbindungen von Interesse, welche sich während des Ausgasprozesses auf den Frontlinsen niederschlagen und deren optische Eigenschaften verändern.

Bekannt ist die Möglichkeit, Fotoresistsysteme mit einem Elektronenstrahl im Vakuum zu bestrahlen und die Ausgasprodukte mittels einer Kühlfalle zu sammeln. Die ausgefrorenen Materialien werden anschließend separat verdampft und können mittels Massenspektrometrie analysiert werden.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der kurzen Lebensdauer einiger Verbindungen oder auftretender nachfolgender Umlagerungs- oder Zersetzungsprozesse nur ein unvollständiges Bild der während der Belichtung erzeugten Verbindungen erhalten wird. Ferner kann die Bestrahlung mit Elektronen nicht uneingeschränkt auf die Belichtung mit Photonen übertragen werden. Ein weiterer Nachteil ist der bei diesem Verfahren benötigte hohe Zeitaufwand.

Ferner werden bei vergleichbaren Verfahren die freigesetzten Substanzen lediglich gemäß ihrer Detektierbarkeit mit den entsprechenden Nachweismethoden (Gaschromatographie oder Massenspektrometrie) spezifiziert und nicht bezüglich ihres Adsorptionsverhaltens auf optische Linsen detektiert.

Entscheidend ist jedoch, die Eigenschaft dieser Verbindungen zu erfassen, sich reversibel oder irreversibel auf einer Linsenoberfläche festzusetzen und diese in ihren optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Mit den herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen wird dieses Merkmal nicht detektiert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, Fotoresistsysteme hinsichtlich der bei der Belichtung erzeugten und auf den Linsenoberflächen reversibel oder irreversibel adsorbierten Ausgasprodukte untersuchen zu können.

Dadurch soll eine Vorauswahl von Resistsystemen getroffen werden, welche sich für den weiteren industriellen Einsatz aufgrund ihrer geringen Emission von schädlichen Ausgasprodukten eignen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Nachweis von Ausgasprodukten mit folgenden Komponenten:

– einer Strahlungsquelle zur Emission einer Strahlung;
– einer Strahlformungsoptik;
– einem dreh- und verschiebbaren Substrathalter und
– einem Nachweisplättchen zur Adsorption der von einem Substrat abgegebenen Ausgasprodukte.

Die Strahlungsquelle, beispielsweise ein Excimer-Laser, stellt die zur Belichtung des Fotoresists erforderliche Strahlungsenergie bereit. Durch Auswahl einer entsprechenden Wellenlänge kann die Auflösung der zu erzeugenden Maskenstruktur geeignet variiert werden. Insbesondere sind für Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik Wellenlängen von 248 nm, 193 nm und 157 nm von Interesse.

Die Strahlformungsoptik dient dazu, die Strahlung durch geeignete Linsensysteme zu fokussieren und auf den gewünschten Bestrahlungsbereich auszurichten. Durch entsprechende Aufweitung oder Verengung des Strahlenganges lässt sich ferner die Belichtungsintensität geeignet einstellen.

Die Strahlung trifft auf ein Substrat und bewirkt die vorgesehene Belichtungswirkung.

Zwischen Strahlformungsoptik und dem Substrat ist ein Nachweisplättchen (sog. proof plate) vorgesehen, welches die Frontlinse eines Belichtungsgerätes simuliert, auf dem sich die durch die Strahlungsenergie freigesetzten Ausgasprodukte in einer reversiblen oder irreversiblen Adsorption niederschlagen können. Die auf dem Nachweisplättchen anhaftenden Substanzen können nachfolgend durch entsprechende chemische oder physikalische Nachweismethoden detektiert werden. Insbesondere eignen sich hierfür oberflächenanalytische Verfahren wie beispielsweise XPS (xray photo electron spectroscopy). Bei diesem Verfahren werden durch hochenergetische Röntgenstrahlen Photoelektronen aus den inneren Schalen der nachzuweisenden Elemente herausgelöst und entsprechend ihrer Energie detektiert. Aus der bekannten Energie der eingesetzten Röntgenstrahlung kann die Ausgangsenergie des aus dem Atom herausgelösten Photoelektrons errechnet werden. Diese Ausgangsenergie ist für jedes Element charakteristisch und ermöglicht so eine Elementaranalyse der Oberflächenzusammensetzung.

Um während der Bestrahlung die auftreffende Strahlungsenergie zu erfassen und damit Steuer- und/oder Regelprozesse zu verbinden, ist es vorteilhaft in der Ebene des Substrates einen Detektor vorzusehen, der vor der Belichtung in den Strahlengang gebracht werden kann, und die auf das Substrat wirkende Strahlungsenergie misst. Damit kann der Belichtungsablauf protokolliert werden. Das Dosismesssystem kann auch in die Strahlführung über Strahlteiler eingebaut sein. Damit ist die Dosiskontrolle während der Belichtung möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat ein Fotoresist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Fotoresist ein chemisch verstärkter Fotoresist ist. Chemisch verstärkte Fotoresists weisen fotolabile Fotosäuren auf, welche bei Belichtung Zersetzungsprodukte freisetzen können, welche möglicherweise für die apparative Umgebung schädlich sind. Insbesondere freiwerdende acide Produkte können die Glasmaterialien der Linsen angreifen und beschädigen. So sind gerade fluorhaltige Materialien gegenüber Säuren nicht widerstandsfähig und werden leicht angegriffen. Als Glasmaterialien finden dabei häufig fluorinierter Quarz, Calciumfluorid und Magnesiumfluorid Verwendung, wobei bei Säureeinwirkung die Fluoridanionen aus dem Kristall entfernt und dadurch die Gitterstruktur zerstört wird.

Im Fall von chemisch durch siliziumorganische Verbindungen nachverstärkten Fotoresistsystemen entstehen insbesondere auf den Linsensystemen widerstandsfähige und schwer zu entfernende Siliziumsalze, welche die optische Qualität der Linsen stark beeinträchtigen können.

Es ist vorteilhaft, wenn der Fotoresist auf einem Wafer aufgebracht ist. Diese Anordnung entspricht auch der realen Konstellation, so dass unter praxisgetreuen Bedingungen die Ausgaseigenschaften des Fotoresists untersucht werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Strahlung eine Wellenlänge von unter 200 nm auf. Die Auflösung der zu erzeugenden Maskenstruktur und damit die Größe der zu bildenden mikroelektronischen Bauelemente skaliert mit der Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Die Integrationsdichte elektronischer Bauteile der heutigen Generation erfordert eine Wellenlänge, die zumindest unter 200 nm liegt. Zukünftige Generationen werden noch bedeutend höhere Anforderungen zu erfüllen haben.

Mit abnehmender Wellenlänge steigt dabei die von den Photonen transportierte Energiemenge. Je höher diese Energie, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Bindungen innerhalb des in dem Fotoresist verwendeten Polymeren gebrochen werden. Bereits bei einer Wellenlänge von 157 nm mit einer Photonenenergie von 7.9 eV liegt eine Energiemenge vor, welche über der Bindungsenergie herkömmlicher Resistpolymere liegt. Im zunehmend an Bedeutung gewinnenden EUV (extreme ultraviolet)-Bereich ist die Photonenenergie mit 95 eV noch deutlich höher und kann verstärkt ungewollte Bindungsbrüche im Resist hervorrufen.

Das Nachweisplättchen wird vorzugsweise durch eine Halterung fixiert. Die Halterung erlaubt eine genaue Justierung des Nachweisplättchens in unmittelbarer Umgebung des Fotoresists. Auch wird durch die unveränderliche Position garantiert, dass stets gleichbleibende Versuchsbedingungen vorherrschen und die Belastbarkeit der erhaltenen Ergebnisse gewährleistet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umspült ein Stickstoffstrom das Nachweisplättchen. Der Stickstoffstrom sorgt dafür, dass eine Kontamination der Substrate durch Moleküle aus der Umgebungsluft und damit eine negative Beeinflussung der Messung vermieden wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umspült der Stickstoffstrom das Nachweisplättchen ringförmig. Durch die symmetrisch erzeugten Strömungsprofile wird eine lokale Homogenität der Konzentrations- und Temperaturverteilung erreicht und gleichmäßige Umgebungsbedingungen erhalten. Die Bestrahlung liefert dadurch reproduzierbare und belastbare Ergebnisse. Gleichzeitig wird das Einströmen von Umgebungssauerstoff, der nachzuweisende Verbindungen oxidiert, und andere Kontaminationen auf ein Minimum reduziert.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffstromes ist variabel und wird den experimentellen Erfordernissen angepasst. Bei einer zu niedrigen Strömungsgeschwindigkeit ist eine sichere Abschirmung der Umgebungsluft nicht gewährleistet und eine Kontamination möglich, während bei einem zu starken Stickstoffstrom die Gefahr besteht, dass von der Substratoberfläche abdiffundierende Ausgasprodukte von dem Stickstoffstrom mitgerissen werden und zur Detektion nicht mehr an das Nachweisplättchen gelangen.

Um zu ermöglichen, dass alle den Fotoresist verlassenden Moleküle sich auf dem Nachweisplättchen niederschlagen können, ist es vorteilhaft, wenn dieses Nachweisplättchen in einem geringen Abstand vor dem Substrat angeordnet ist. Je geringer der Abstand des Nachweisplättchens von der Substratoberfläche, desto größer der Anteil an ausgasenden Molekülen, welche auf dem Nachweisplättchen adsorbieren.

Damit steigt die Oberflächenkonzentration dieser Verbindungen auf dem Plättchen an, wodurch die nachfolgende physikalischchemische Analytik an Genauigkeit gewinnt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand 0.3 mm beträgt.

Es ist bevorzugt, wenn das Substrat auf einem Substrathalter fixiert ist. Die Substrathalterung erlaubt eine genaue Justierung des Substrates in unmittelbarer Umgebung des Nachweisplättchens. Auch wird durch die unveränderliche Position garantiert, dass stets gleichbleibende Versuchsbedingungen vorherrschen und die Belastbarkeit der erhaltenen Ergebnisse verbessert wird.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Substrathalter dreh-/und/oder verschiebbar ist. Dadurch kann der Belichtungsbereich auf dem Substrat einfach verändert werden. Ferner kann durch variable Änderung des Abstandes zwischen Substrat und Nachweisplättchen der Einfluss dieses Abstandes auf die Konzentration der Ausgasprodukte beispielsweise durch Erstellen eines Konzentrationsprofils bestimmt und studiert werden. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit unter Berücksichtigung optischer Bedingungen auf einen optimalen Abstand zwischen Substrat und Frontlinse zu schließen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft in einem Verfahren zum Nachweis von Ausgasprodukten zum Einsatz kommen.

Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch ein Verfahren zum Nachweis von Ausgasprodukten, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren sowie anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
1: schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2: in Betrieb befindliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Ein Laser 1 emittiert einen Laserstrahl 8 einer zur Belichtung des zu untersuchenden Fotoresists sinnvollen Wellenlänge von beispielsweise 248, 193 oder 157 nm. Der Laserstrahl 8 durchläuft eine Strahlformungsoptik 2. In dieser Strahlformungsoptik 2 wird der Laserstrahl 8 entsprechend den Belichtungsanforderungen fokussiert und/oder auf geweitet und auf den zu bestrahlenden Bereich ausgerichtet.
Im Anschluss an die Strahlformungsoptik 2 durchläuft der Laserstrahl 8 die evakuierbare Nachweisplättchenhalterung 4 in der das Nachweisplättchen 3 mittels Vakuum 9 an seiner Haltung fixiert wird. Zum Lösen des Nachweisplättchens 3 von seiner Halterung kann die Halterung mit Stickstoff 10 belüftet werden.
Der zu bestrahlende Bereich befindet sich auf einem Substrat 5. Das Substrat 5 ist auf einen Substrathalter 6 montiert. Der Substrathalter 6 ist motorisiert sowie dreh- und verschiebbar.
Neben dem Substrat 5 befindet sich ein verschiebbarer Detektor 7 zur Messung der auftreffenden Strahlendosis.
Der aus dem Laser 1 emittierte und durch die Strahlformungsoptik 2 fokussierte Laserstrahl 8 trifft auf das Substrat 5, wobei Belichtungsprodukte an der Oberfläche des Substrates 5 gebildet werden, welche von der Oberfläche ausgasen.
Die Ausgasverbindungen adsorbieren auf einem Nachweisplättchen 3 und können nachfolgend einer chemischen Analyse unterzogen werden.
Ein um das Nachweisplättchen 3 vorgesehener ringförmiger Stickstoffstrom 11 gewährleistet eine sauerstofffreie Umgebungsatmosphäre und reduziert Konzentrationsgradienten.

1: Laser
2: Strahlformungsoptik
3: Nachweisplättchen
4: Nachweisplättchenhalterung
5: Substrat
6: Substrathalter (motorisiert)
7: Detektor
8: Laserstrahl
9: Gasauslass (Vakuum)
10: Gaseinlass
11: ringförmiger Stickstoffstrom

Claims

Vorrichtung zum Nachweis von Ausgasprodukten mit: – einer Strahlungsquelle (1) zur Emission einer Strahlung (8); – einer Strahlformungsoptik (2); – einem dreh- und verschiebbaren Substrathalter (6) und – einem Nachweisplättchen (3) zur Adsorption der von einem Substrat (5) abgegebenen Ausgasprodukte.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Detektor (7) zur Messung der Strahlung (8).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (5) ein Fotoresist ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Fotoresist ein chemisch verstärkter Fotoresist ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Fotoresist auf einem Wafer aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strahlung (8) eine Wellenlänge von unter 200 nm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Nachweisplättchen (3) durch eine Halterung fixiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Stickstoffstrom (4) das Nachweisplättchen (3) umspült.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Stickstoffstrom (4) das Nachweisplättchen (3) ringförmig umspült.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Nachweisplättchen (3) in einem Abstand von 0.3 mm vor dem Substrat (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat (5) auf einem Substrathalter (6) fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Substrathalter (6) dreh- und/oder verschiebbar ist.
Verfahren zum Nachweis von Ausgasprodukten, wobei eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.