DE3215630A1

DE3215630A1 - Schattenprojektionssystem

Info

Publication number: DE3215630A1
Application number: DE19823215630
Authority: DE
Inventors: Fausto Phys. East Brunswick N.J. Caprari
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1982-04-27
Publication date: 1982-11-18
Also published as: US4348105A; JPS57185439A

Description

-A-

Die Erfindung betrifft ein zum Belichten geeignetes Schattenprojektionssystem mit einer räumlich ausgedehnten, polychromatischen Lichtquelle, einer Eingangslinse zum Abbilden von von der Lichtquelle ausgehenden Strahlbündeln als effektives Bild der Lichtquelle an einem Knotenpunkt auf der optischen Achse des Systems und mit einer auf.der optischen Achse angeordneten Ausgangslinse zum Projizieren der abgebildeten Lichtquelle durch die Maske auf eine der Maske benachbarte Projektionsebene. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Strahlungsprojektionsdrucker für aktinische Lithographie zum Erzeugen eines homogenen Strahlungsfelds für Kontakt- oder Nahedrucke auf Scheibchen und Masken.

In zum Belichten von beim Herstellen integrierter Schaltkreise u.dgl. auf Scheibchen befindlichem Photoresistmaterial verwendeten optischen Belichtungssystemen wird die jeweilige Maske dicht auf dem Scheibchen in der durch ein relativ homogenes Feld gekennzeichneten Belichtungsebene des Linsensystems angeordnet. Bei dieser Zuordnung von Maske und zu belichtender Schicht benutzt man das sogenannte "Umkehrprojektionssystem" oder "Schattenprojektionssystem" unter Verwendung von Brechungsoptiken. Es sei darauf hingewiesen, daß hierbei das homogene Feld der Strahlungsquelle wirksam durch die Maske und dann auf das benachbarte, beschichtete Scheibchen zu projizieren ist, während das Scheibchen in noch älteren Systemen über eine mit Abstand vom Scheibchen angeordnete Objektmaske belichtet wurde. Ein auch als "Schattenprojektionssystem" zu bezeichnendes Umkehrprojektionssystem wird in der US-PS 38 60 335 beschrieben. Wegen des Standes der Technik namentlich zur optischen Lithographie ist ferner auf den Artikel von D.A. Doane in der Zeitschrift "Solid State Technology", August 1980, Seiten 101 bis 114 hinzuweisen.

Das Schattenprojektionssystem nach der US-PS 38 60 335 arbeitet befriedigend, wenn die kleinsten Linienbreiten auf den Scheibchen in der Größenordnung von 7 Mikrometern liegen. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung wurde es wünschenswert, eine feinere Auflösung zu erhalten, die es gestattet, Linienbreiten in der Größenordnung von 5 Mikrometern und noch wichtiger in der Größenordnung von 1 bis 3 Mikrometern herzustellen. Eine solche Auflösung kann bisher bei Verwendung der verschiedenen Typen von Lichtquellen, z.B. von Quecksilber-Dampflampen und anderer keine gleichmäßige Lichtverteilung über einen größe-^ ren Spektralbereich liefernden Strahlungsquellen, nicht erzielt werden. Gewendelte Xenon-Blitzröhren sind im Zusammenhang mit der Erzeugung eines breiten Strahlungsspektrums im aktinischen bzw. chemisch wirksamen Spektralbereich bekannt. Es wurde festgestellt, daß die zugehörige polychromatische Strahlung im Zusammenhang mit dem Herstellen sehr feiner Auflösungslinien außerordentlich vorteilhaft ist. Das Richten des Lichtes mit breiterem Spektrum von einer Lichtquelle auf die Maske erfordert jedoch ein Linsensystem mit höherer numerischer Apertur (NA) sowie mit einem Minimum an Beugung und sphärischer Aberration, wenn die starke Auflösung erhalten werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach Art des Schattenprojektionssystems mit verbesserter Auflösung und Homogenität des projizierten Bildes zu schaffen. Insbesondere soll der Kohärenzfaktor im Sinne der Erzeugung eines höheren Prozentsatzes an kohärenter Strahlung vermindert werden. Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei dem Schattenprojektionssystem eingangs genannter Art darin, daß die Eingangs- und Ausgangslinsen aus je einem plankonvexen Linsenpaar bestehen,

daß die Eingangslinse an einem zum Projizieren des die Größe der Eintrittsblende der Ausgangslinse unterschreitenden, effektiven Bildes der Lichtquelle in die Eintrittsblende passenden Ort auf der optischen Achse angeordnet ist - um den Kohärenzfaktor zu vermindern und dadurch einen größeren Anteil kohärenter Strahlung zu erhalten - und daß die Ausgangslinse einen zum Übertragen im wesentlichen der gesamten von dem effektiven Bild ausgehenden Strahlenbündel zur Maske ausreichenden Durchmesser besitzt. Bei dem erfindungsgemäßen Schattenprojektionssystem, das plankonvexe Eingangs- und Ausgangslinsen aufweist, empfängt die zwischen Eingangslinse und Ausgangslinse angeordnete Eintrittsblende ein nicht auf der Projektionsebene gebildetes Bild einer Strahlungsquelle durch die Eingangslinse.Mit Hilfe einer polychromatischen Lichtquelle werden viele Strahlbündel erzeugt. Die Linsen werden so angeordnet, daß sich eine zum Sammeln des gesamten Spektrums der polychromatischen Strahlung ausreichende Apertur zum Projizieren des Lichts durch eine Maske ergibt, alle Strahlbündel von einem speziellen Punkt der Lichtquelle auszugehen erscheinen und im selben Scheitel bzw. Punkt der Ebene der .Maske konvergieren. Die Maske läßt die auftreffende Strahlung zu einer benachbarten Projektions- bzw. Belichtungsebene durch, in welcher ein Scheibchen oder eine andere zu bearbeitende Maske angeordnet wird. Durch Dispersion wird die von einer räumlich verteilten Xenon-Lichtquelle ausgehende polychromatische Strahlung auf eine Vielzahl effektiver Lichtquellen verteilt, die jede eine spezielle Wellenlänge des Strahlungsspektrums repräsentieren. Die vielen effektiven Bilder der ausgebreiteten Lichtquelle haben also an der Ausgangsseite der Ausgangslinse einen großen Öffnungswinkel des Strahlenkegels und damit eine große numerische Apertur (die eine Funktion des Öffnungswinkels ist) zur Folge.

Daraus wiederum ergibt sich, daß die üblicherweise an Öffnungen der Maske auftretenden Beugungseffekte erfindungsgemäß beträchtlich vermindert werden. Außerdem wird wegen der im wesentlichen ungeschwächten Lichtstrahlenbündel ein gleichmäßigeres bzw. homogeneres Strahlenfeld in der Projektions- bzw. Belichtungsebene erhalten.

Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt parallel zur optischen Achse eines Strahlenprojektionsdruckersystems;

Fig. 2a, 2b und 2c vereinfachte Darstellungen des Systems nach Fig. 1 für verschiedene Betriebsbedingungen;

Fig. 3 ein Diagramm der Schärfentiefe in Abhängigkeit von der Rayleigh-Auflösung in Mikrometern; und

Fig. 4 einen Ausschnitt des Systems von Fig. 1 mit Einzelheiten von Photomaske und Scheibchen an der Belichtungsebene.

Gemäß Fig. 1 werden die optischen Komponenten (insbesondere die· Linsen 32 und 34) auf der optischen Achse 12 so angeordnet, daß ein zu belichtendes, strahlungsempfindliches Scheibchen 14 durch ein Diapositiv bzw. eine Maske 16 mit einer Lichtstrahlung zu behandeln ist. Die Ausdrücke "Licht", "Strahlung" und "optisch" beziehen sich nicht nur auf den für das menschliche Auge sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung sondern umfassen im Rahmen der Erfindung auch das Spektrum im infraroten und ultravioletten Bereich.

Das zu beschreibende strahlungsempfindliche Scheibchen 14 besteht aus einem in der Halbleitertechnik üblichen Substrat 17, einer zu begrenzenden Schicht 20 aus Siliziumdioxid od.dgl. und aus einer Photoresistschicht 22. Das Scheibchen 14 wird mit verschiedenen Einzelheiten in Fig. 4 vergrößert dargestellt. Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf die Behandlung jedes anderen stranlungsempfindlichen Elements in Form einer Photomaske mit einer Photoresistoberflache, die zu belichten und zu entwickeln ist. Als lichtempfindliche Materialien können unter anderem auch Emulsionen und Diazos verwendet werden.

Das Dia bzw. die Maske 16 enthält gemäß Fig. 1 und 4 (vergrößert) eine auf einer Glasplatte 24 gebildete Kopierphotomaske 26. Letztere besteht aus einer Schicht, in welcher vorher das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf dem Scheibchen 14 zu reproduzierende Bild, z.B. als Chrom-Muster, begrenzt war. Die Photoresistschicht 22 des lichtempfindlichen Scheibchens 14 wird in Kontakt oder in großer Nähe,.typisch mit weniger als 15 Mikrometern Entfernung, von der gemusterten Schicht 26 der Maske 16 so angeordnet, daß sich die Oberfläche der Schicht 26 - wie weiter unten beschrieben werden wird - in der konjugierten Ebene 28 des Systems befindet. Das Scheibchen 14 muß innerhalb der Schärfentiefe ( Δ f) des Systems parallel zur durchsichtigen Platte bzw. Maske 16 angeordnet werden. In Fig. 1 wird die Schärfentiefe durch das Bezugszeichen 46 angedeutet. Im vorliegenden Zusammenhang wird die Ebene, in die das Scheibchen 14 zum Belichten zu setzen ist, insbesondere die Ebene der Photoresistschicht 22, als "Projektionsebene" bezeichnet.

Eine räumlich verteilte Strahlungsquelle 31, z.B. eine wendeiförmige Xenon-Blitzlampe, stellt bei geeigneter Spannungsversorgung eine sehr intensive, gepulste Strahlungsquelle im nahen und tiefen Ultraviolett des elektromagnetischen Spektrums dar. Vorzugsweise wird die Strahlungsquelle 31 als Wendel mit einem Außendurchmesser von 2,54 cm und einer Höhe von 2,54 cm gebildet. In Fig. 1 wird die Lichtquelle 31 in der Ansicht von oben dargestellt. Eine solche Strahlungsquelle kann mit Stromdichten von mehr als 3000 Ampere/cm mit sehr hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Die Impulsfolge liegt in der Größenordnung von 1 Blitz pro Sekunden. Mit einer solchen Lampe kann bei hoher Strahlungsausgangsleistung im tiefen Ultraviolett ein Konversions-Wirkungsgrad von etwa 60 % erreicht werden. Die durchschnittliche oder integrierte Ausgangsleistung solcher Lampen liegt größenordnungsmäßig viermal so hoch wie bei herkömmlichen, mit Gleichstrom betriebenen Quecksilber-Dampflampen. Vorzugsweise enthält die Xenon-Blitzlampe 31 eine Abschirmung der Anoden- und Kathodenzonen der Wendel. Hierdurch soll verhindert werden, daß die intensiver strahlenden Anoden- und Kathodenzonen im optischen System abgebildet werden. Ein bevorzugter Stromkreis zum Betrieb einer solchen Lampe wird in der US-PS 42 43 917 beschrieben. Die Lichtquelle 31 wird quer zur optischen Achse 12 angeordnet. Sie erzeugt - wie weiter unten erläutert werden wird - ein Bündel von Lichtstrahlen 45. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Lichtstrahlenverlauf einfach mit dem üblichen Begriff "Strahlenbündel" umschrieben.

Hinter der Lichtquelle 31 wird auf der optischen Achse 12 ein Hohlspiegel 35 angeordnet, der dazu dient, Strahlung längs der Achse zu reflektieren und damit den Wirkungsgrad der Lichtquelle weiter zu erhöhen. Zum insgesamt mit 10 bezeichneten Linsensystem gehören eine

Eingangslinse bzw. Kondensorlinse 32 und eine Ausgangslinse bzw. Feldlinse 34. Die Eingangslinse 32 besteht aus plankonvexen Linsenelementen 32a und 32b; sie dient als Kondensorteil des Linsensystems 10. Die Ausgangslinse 34 besteht ebenfalls aus plankonvexen Teillinsen 34a und 34b; sie dient als Feldlinse des Linsensystems 10. Beide Linsen 32 und 34 werden aus positiv konvexen Linsen 32a und 32b bzw. 34a und 34b gebildet. Sie bestehen vorzugsweise aus Kunstharz. Die effektiven Brennweiten der Kondensorlinse 32 und der Feldlinse 34 betragen beispielsweise 6,4 bzw. 15,2 cm.

In der zwischen der Kondensorlinse 32 und der Feldlinse 34 befindlichen Ebene 36 der Eintrittspupille der Feldlinse 34 wird eine Aperturblende 37 angeordnet. Diese soll vorzugsweise eine quadratische Form entsprechend dem quadratischen Bild von Masken oder den hier in Frage kommenden Scheibchen haben.

Die Kondensorlinse wird so angeordnet, daß sie ein effektives Bild 40 der Xenonlampe 31 in der Ebene 36 der Eintrittspupille abbilden kann. Der Durchmesser der Kondensorlinse 32 soll so ausreichend groß sein, daß das System eine lineare Vergrößerung der Strahlungsquelle von etwa eins liefern kann. Wegen der Vergrößerung "eins" können Vorkehrungen zum Korrigieren der Linsen wegen sphärischer Aberrationen entfallen. Daher können wesentlich weniger aufwendige Linsenelemente verwendet werden als bisher in diesem Zusammenhang bei Vergrößerungen der Eingangslinsen von mehr als eins erforderlich waren.

Ira dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen die Kondensorlinse 32 und die Feldlinse 34 zusammen mit der Aperturblende 37 einer Vier-Element-Projektionslinse von 22,9 cm Länge und 10,2 cm Durchmesser mit einer effektiven Brennweite von 11,7 cm und einer numerischen Apertur (NA) von 0,14.

Die Auffangebene bzw.· konjugierte Ebene 28, in der die Maske 16 und insbesondere die Maskenschicht 26 anzuordnen ist, kann als Abbildung der zwischen der Lampe 31 und der Kondensorlinse 32 befindlichen zur Bild- bzw. Auffangebene 28 konjugierten Ebene 42 angesehen werden. Umgekehrt kann die Ebene 42 als konjugiert zur Auffangebene 28 betrachtet werden. Die zur Bildebene 28 konjugierte Ebene 42 hat typisch die Form eines Teils einer Ellipsoidflache mit dem in der Zeichnung gestrichelt dargestellten Aussehen. Die Ebene 42 kann auf Wunsch auch sphärisch ausgebildet werden. Für die vorliegende Beschreibung genügt es, die Ebene 42 als im wesentlichen eben anzusehen. Die Ebene 42 stellt daher die Konjugierte der durch das Linsensystem 10 abgebildeten Bildebene 28 dar. Ferner wird jeder Punkt der Ebene 42 durch die Kondensorlinse 32 sowie die Feldlinse 34 projiziert und in der Bildebene 28 fokussiert; dasselbe gilt umgekehrt. Diese Erscheinung entspricht der von herkömmlichen Projektoren her bekannten Austauschbarkeit von Bildebene und Objektebene; auch bei Projektoren sind die Ebenen miteinander konjugiert.

Die Schärfentiefe und die Auflösung an der Ebene 28 sind Funktionen von

(1) der Größe der Aperturblende 37 in der Ebene 36 der Eintrittspupille;

(2) der effektiven Brennweite der Kombination der Linsen des Linsensystems 10; und

(3) der Wellenlänge der Strahlung der Lichtquelle 31.

Die seitliche Auflösung einerseits und die Tiefenauflösung des dargestellten Systems andererseits betragen etwa 1 Mikrometer bei 12 Mikrometer Abstand zwischen Maske 16 und Projektionsebene 14 bei Verwendung einer Strahlenquelle mit einer Wellenlänge «^ = 220 Nanometer.

Bei Ausführung der Erfindung wird die Ebene 36 in der Nähe des Knotenpunkts 47 des Linsensystems angeordnet. Der Knotenpunkt 47 bezeichnet den Ort, an dem ein reelles Bild 40 der Xenonlampe 31 durch die Kondensorlinse 32 fokussiert wird. Die plankonvexen Linsenelemente 34a und 34b der Feldlinse 34 werden so ausgelegt, daß die gesamte Maske gleichmäßig zu belichten ist und keine Vignettierung auftritt. Der Durchmesser der Feldlinse 34 wird so groß gewählt, daß der Sinus des halben mit 15 bezeichneten Öffnungswinkels ö gleich der gewünschten numerischen Apertur (NA) ist. Die numerische Apertur ist in der Optik in der bekannten Beziehung für das laterale Auflösungsvermögen der folgenden Formel enthalten:

κ .

(NA)

darin bedeutet _N/V» die "Spitzenwellenlänge", bei der das Photoresistmaterial (Schicht 22 auf Scheibchen 14) die stärkste Empfindlichkeit zeigt, K ist ein von dem Kohärenzgrad abhängiger Faktor, der für inkohärente Bestrahlung 0,61 und für kohärente Bestrahlung 0,77 beträgt, und d bezeichnet den minimalen Abstand zweier mit dem System noch zu trennender Objekte, dieser Abstand ist der "Airy¹sehe Scheibenradius".

Die Auflösung des erfindungsgemäßen Systems wird also durch den Airy'sehen Scheibenradius d bestimmt. Wichtig ist es ferner, daß die Größe der Feldlinse 34 ausreicht, im wesentlichen alle Strahlenbündel ohne Vignettierung durchzulassen. Dieser Gesichtspunkt des erfindungsgemäßen Systems wird anhand der schematischen Darstellung von Fig. 2a bis 2c näher erläutert.

Die Gleichung (1) erfüllt das bekannte Rayleigh-Kriterium für die Auflösung und läßt die Ermittlung eines minimalen Abstandes d zu. Das Kriterium offenbart sich in der lateralen Auflösung und Tiefenauflösung im Photoresist bzw. Photolack. Um ferner eine vollkommene Weiterleitung aller für die gewünschte Auflösung erforderlichen Spektralbereiche zu erhalten, wurde es nötig, eine Feldlinse mit größerem Durchmesser als im allgemeinen üblich und erhältlich zu benutzen. Eine Vergrößerung des Linsendurchmessers bei unveränderter Brennweite führt jedoch wegen der für den Erhalt der Brennweite nötigen großen Krümmung häufig zu einer unerwünschten sphärischen Aberration. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß zum Erreichen einer hohen Auflösung und ferner zum Einstellen einer einen Abstand 46 von bis zu 20 Mikrometern zwischen der Maske 16 und einem zu belichtenden Scheibchen 14 erforderlichen Schärfentiefe die Feldlinse 34 aus einem Paar von

plankonvexen Elementen 34a und 34b zusammengesetzt. Durch die Verwendung des Doppelelements als Feldlinse 34 in plankonvexer Form wird sowohl eine höhere numerische Apertur (NA) als auch eine höhere Auflösung erreicht·. Einzelheiten hierzu werden im folgenden erläutert.

Messungen haben ergeben, daß die Gleichförmigkeit bzw. Homogenität des mit dem erfindungsgemäßen System zu erzielenden Strahlungsfeldes gegenüber demjenigen gemäß US-PS 38 60 335 Verbesserungen in der Größenordnung von etwa 30 bis 50% bringt. Durch die plankonvexen Linsenelemente 34a und 34b wird die Gleichmäßigkeit der Strahlung über der Fläche der Maske oder der zu belichtenden Scheibe 14 verbessert. Eine gleichmäßige Belichtung wird insbesondere erreicht, weil das effektive bzw. reelle Lichtquellenbild 40 der Xenonlampe 31 in der Ebene 36 der Eintrittspupille gebildet wird und nicht erst in der Auffangebene 28, d.h. in der Ebene der Maske 26, entsteht.

Die numerische Apertur (NA) wird nicht nur mit Rücksicht auf die Anforderungen des Systems an die Auflösung (d) sondern auch mit Rücksicht auf die Schärfentiefe ( A f) bestimmt. Hierzu wird die Beziehung für die Schärfentiefe ( A f)» d.h. das Tiefenauflösungsvermögen herangezogen:

κ ΤΑ f = (2)

(NA)²

In der vorstehenden Gleichung bedeutet T" ebenso wie in Gleichung (1) die sogenannte Spitzenwellenlänge, bei der das zu belichtende Photoresistmaterial die größte Empfindlichkeit aufweist. K ist wieder ein vom Kohärenzgrad abhängender Wert. Dieser enthält den sogenannten Kohärenzfaktor O . Der räumlich und weniger zeitlich bestimmte

Faktor Ö muß - wie bekannt - einen Wert von 0,3 oder weniger besitzen, wenn Photolack-Linien bis herab zu einem Mikrometer Breite gedruckt bzw. aufgezeichnet werden sollen. Der Faktor Q kann aus der folgenden Beziehung bestimmt werden:

nf ^- (3)

^ü - Dp .

In der Gleichung (3) bedeuten Ds den Durchmesser' des effektiven Lichtquellenbildes 40 (das Maß 48 des Bildes 40) und Dp den Durchmesser der Eintrittspupille, nämlich das Maß 49 der Aperturblende 37. Der Wert von 0,24 für 6* hat für das Einstellen der Linienbreite, des Bildkontrastes und des Abstandes zwischen Maske und zu belichtender Scheibe (Abstand 46) gute Ergebnisse bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gebracht. Werte bei oder unter 0,3 sind für Q* ebenfalls zulässig.

Zum Bestimmen der idealen, maximalen numerischen Apertur, die also die Systemkriterien für die Auflösung (d) und die Schärfentiefe ( A- f) befriedigt, wurden die Gleichungen (1), (2) und (3) wiederholt durchgerechnet. Mit der so bestimmten numerischen Apertur wurde der Öffnungswinkel θ aus der folgenden Beziehung berechnet:

Q = sin"¹(NA) . (4)

In Gleichung (4) bedeutet θ den halben Öffnungswinkel des Strahlenbündels 45 in einem Punkt auf der optischen Achse 12 bei Verwendung inkohärenter Strahlung in Luft.

Die Linsen 32 und 34 werden nach den bekannten Gesetzen der geometrischen Optik ausgelegt. Der Umfang der Linse 32 bestimmt die maximale Größe einer durch eine Maske 16 mit einem Muster zu bestrahlenden Scheibe oder Maske 14. Bei der Konstruktion der Linsen 32 und 34 werden deren Durchmesser also mit Rücksicht auf die Größe der zu belichtenden Scheiben bzw. Masken 40 ausgewählt. In einem

Θ ο
. _{ö ö x} _o. = 8 , so daß

(NA) = 0,14 gilt.

Die derart in ihrer Größe auf der Basis der Brennweite berechneten und hergestellten Linsen 32 und 34 werden vorzugsweise unter Anwendung des bekannten "Strahlschreibverfahrens¹¹ in Bezug auf die konjugierten Ebenen (Flächen 42 und 28) und die effektive Position der Lichtquelle, d.h. den Knotenpunkt 47, exakt auf der optischen Achse 12 angeordnet. Zum Strahlschreibverfahren wird hingewiesen auf Jenkins und White in "Fundamentals of Optics" McGraw-Hill, 1957, Seiten 52/53. Durch PrüfStandsversuche wurde bewiesen, daß sich das Strahlschreibverfahren ausgezeichnet zum Auslegen des erfindungsgemäßen Systems eignet.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt ein hoher Grad an Gleichförmigkeit bzw. Homogenität der Beleuchtung der projizierten Ebene, in der ein Scheibchen bzw. eine Maske 14 anzuordnen ist, von der genauen Positionierung

(1) der Eingangslinse 32;

(2) der Ausgangslinse 34 in Bezug auf die Maske 16 in
der Bildebene 28; und

(3) des Knotenpunkts 47 mit dem effektiven Bild 40 der Lichtquelle 31

Außer der Größe der Lichtquelle 31 bestimmen deren Betriebsbedingungen, einschließlich des Spitzenstroms der Erregung und der Dauer des erzeugten Impulses, in bekannter Weise das zum Bestrahlen der Maske 26 erzeugte Spektrum. Ein bevorzugtes Mittel zum Steuern des Spitzenstroms und seiner Funktionen.wird in der oben angegebenen US-PS 42 43 917 beschrieben. Bei vorgegebener Xenonlampe als Lichtquelle 31 wird die Bildebene 28 der Maske 16 so positioniert, daß die Punkte der Maskenöffnungen 43 auf der Ebene 28 Konjugierte der Eintrittspunkte 44 auf der an das Eingangslinsenelement 32a angrenzenden Belichtungsebene 42 werden. Bei passender gegenseitiger Anordnung der konjugierten Ebenen 42 und 28 fällt der Knotenpunkt 47 in die Ebene 36 der Eintrittspupille des Linsensystems 10. Unter der Voraussetzung, daß die numerische Apertur (NA) für das Spektrum und für die benutzte gewendelte Xenonlampe maximal ist, wird entsprechend auch der halbe Öffnungswinkel θ" maximal.

Da ferner die gewendelte Xenonlampe 31 eine räumlich ausgedehnte Quelle eines polychromatischen Strahlungsspektrums darstellt, ergibt sich eine Dispersion der Strahlenbündel 45 bei deren Durchgang durch die Linsen 32 und 34 sowie durch die Maske 16 in Richtung auf die zu belichtende Photoresistschicht 22. Die Dispersion rührt von den von dem Unterschied der Wellenlängen der einzelnen Strahlenbündel abhängigen unterschiedlichen Brechungsindices her. Wenn also jedes einem bestimmten Wellenlän-

gensegment des Spektrums entsprechende Teil-Strahlenbündel 45 durch das Linsensystem 10 fällt, ergibt sich eine entsprechend unterschiedliche Brennweite. Im Ergebnis entstehen viele verteilte, effektive Lichtquellen um den Knotenpunkt 47 herum. Daher gehen von dem effektiven Lichtquellenbild an der Eintrittspupille viele disperse Strahlenbündel 45 in Richtung auf die Linse 34 aus. Der Knotenpunkt 47 wird durch die im überdeckten Zentrum etwa zentral gelegenen Strahlenbündel bestimmt. Wenn daher beispielsweise eine gewendelte Xenonlampe 31 im wesentlichen im tiefen Ultraviolett bei Wellenlängen in der Größenordnung von 200 bis 260 Nanometern strahlt, wird der Knotenpunkt für die Strahlung bei einer Wellenlänge von 230 Nanometern bestimmt.

Unter der Voraussetzung dieser Vorkehrungen fällt auf jede Öffnung, z.B. die Öffnung 43, in der Ebene 28 der gemusterten Schicht 26 der Maske ein von einer Öffnung 44 der zur Ebene 28 konjugierten Belichtungsebene 42 kommendes Strahlenbündel 45. Die Öffnung 44 ist dabei wiederum die Konjugierte der Maskenöffnung 43. Durch die Öffnung 43 fallende Strahlung wird auf die lichtempfindliche Photolackschicht 22 des Scheibchens 14 gerichtet. Das Scheibchen 14 wird gleichförmig bzw. homogen beleuchtet, weil das effektive Bild 40 der Lichtquelle 31 - wie oben erläutert- nicht in dieser zu belichtenden . Photoresistschicht entsteht und weil die Scheitel aller von der Strahlenquelle 31 ausgehenden Strahlenbündel 45 nur in der Bildebene 28, in der die Maske 26 liegt, zusammenfallen. Da also die Schärfentiefe sich wenigstens über den Abstand 46 erstreckt, wird die Oberfläche der zu belichtenden Schicht 22 mit einer im hohen Maße gleichförmigen bzw. homogenen Strahlung belichtet.

Zum Verständnis der Wirkung der Änderung des Kohärenzgrades der Beleuchtung wird auf die Fig. 2a, 2b und 2c verwiesen. Die Anordnung nach Fig. 2a entspricht nicht der Erfindung, während die Fig. 2b und 2c erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele darstellen.

In Fig. 2a wird ein System dargestellt, in dem das effektive Lichtquellenbild 40' gegenüber der Lichtquelle 31 um einen Faktor von mehr als eins vergrößert ist. Der Faktor ö~ist daher eins, und die Strahlung ist vollkommen inkohärent. Mit anderen Worten bedeutet das, daß der Durchmesser des effektiven Lichtquellenbildes 40' gleich dem Durchmesser 49 (vgl. Fig. 1) der Eintrittspupille 37 ist. Bei dieser Anordnung ergibt sich also, daß die Strahlenbündel 45' beim Passieren der Öffnung 43' der auf der optischen Achse 12 angeordneten Maske 16 die Eintrittspupille ausfüllen und damit das Bestrahlungssystem inkohärent machen.

Anhand der Fig. 2b und 2c wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Systems für zwei aktinische Strahlenbündel mit dem Faktor Ö~ = 0,24 erläutert. Bei dieser Anordnung wird der Durchmesser des effektiven Lichtquellenbildes 40 gleich dem Durchmesser der Lichtquelle 31 selbst. In die Öffnungen 43¹ ' und 43' ' ' der Maske 16 auf der optischen Achse 12 fallen Strahlenbündel 45" oder 45 ■ ' ' , die - wie sich aus dem Prozentsatz der Inkohärenz ergibt - 24% des Durchmessers 49 der Eintrittspupille ausfüllen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2c fällt das Strahlenbündel 45 ■ '· durch die Maskenöffnung 43■■' auf dessen periferen Bereich. Die Konjugierte der entsprechenden Öffnung 43' ist die Öffnung 44' " in der konjugierten

Ebene 42. Es sei auf den Vorteil hingewiesen, daß es sich bei diesen Strahlenbündeln 45''' um Randstrahlen handelt, die also durch das erfindungsgemäße System ebenfalls ausgenutzt werden. Eine Abschattung der Randstrahlenbündel 45' ' ■ tritt also im erfindungsgemäßen System nicht auf. Gemäß Fig. 2b und 2c werden im erfindungsgemäßen System Beugungseffekte, die sonst an den Kanten der Maskenöffnung 43 auftreten, beispielsweise im Vergleich zu dem System nach der US-PS 38 60 355, erheblich vermindert. Bei dem System nach der US-PS würde bei Verwendung polychromatischer Strahlung eine erhebliche Abschattung mit der Folge eines entsprechenden Lichtverlustes und einer kleineren numerischen Apertur in Kauf zu nehmen sein.

Die Schärfentiefe bestimmt die maximale Größe des Abstandes 56, der zulässig ist, ohne die Maskenöffnungen 43 auf der zu belichtenden Schicht 22 des Scheibchens 14 zu defokussieren. Die Beziehung der durch den Abstand 46 zwischen der Maske 16 und dem Scheibchen 14 repräsentierten Schärfentiefe ( Δ f) ergibt sich aus der Rayleigh-Auflösung (d) in Mikrometern. Die Auflösung (d) wird demgemäß in Fig. 3 für einen 6"-Wert von 0,24, einen System-Wert der numerischen Apertur (NA) von 0,11 und einen K-Wert von 0,67 aufgetragen. K ist eine Funktion von Ό und beträgt beispielsweise für räumlich inkohärente Belichtung 0,61 und für räumlich vollkommen kohärente Belichtung 0,77. Dieser K-Faktor wird auch in der oben angegebenen Gleichung (1) benutzt.

Im Diagramm werden mehrere Wellenlängen, z.B. 180, 230, 257 und 340 Nanometer, angegeben, die sogenannte Spitzen-Wellenlängen darstellen, für die das zu belichtende

Photoresistmaterial maximal empfindlich ist. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich für jedes Photoresist-System die gewünschte Auflösung (d) für den Abstand 46 zwischen Maske 16 und Scheibchen 14. Das Spektrum der Lichtquelle 31 wird so eingestellt, daß es wenigstens die zum Belichten des ausgewählten Photoresistmaterials geeigneten Wellenlängen enthält.

Durch die erfindungsgemäße Einstellung einer ideal maximalen, numerischen Apertur (NA) des Linsensystems 10, durch die Verwendung kurzwelliger polychromatischer Strahlung, insbesondere aus dem tiefen Ultraviolett, und schließlich durch Einstellung des Faktors Q auf einen Wert, bei dem die Strahlung partiell kohärent ist, wird erreicht, daß Beugungseffekte der Strahlenbündel 45 an den Kanten der Maskenöffnungen 43 beträchtlich vermindert werden. Außerdem besitzt das erfindungsgemäße System eine so hohe Auflösung, daß Linienbreiten in der Größenordnung von 1 Mikrometer in einem Abstand zwischen Maskenebene 28 und zu belichtender Scheibenebene 14 von etwa 12 bis 15 Mikrometern bei einer Wellenlänge von 220 Nanometern zu erreichen sind.

Beim Herstellen einer Abbildung der Maske 16 auf einem eine Photoresistschicht 22 tragenden Scheibchen 14 liefert die polychromatische Lichtquelle 31 entsprechend der Art des für die Photoresist-Schicht 22 benutzten Materials einen oder mehrere Strahlungsimpulse (so lange bis das erforderliche Maß an Bestrahlung erfüllt ist). Die auf dem Scheibchen 14 befindliche, belichtete Photoresistschicht 22 wird dann entwickelt. Daraufhin wird die darunterliegende Schicht 20 in bekannter Weise lithographisch

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geätzt. Nach dem Ätzen wird der entwickelte Photoresist 22 entfernt, so daß ein Abdruck des Dias bzw. der Maske 16 auf dem Scheibchen 14 verbleibt. Bei Anwendung der Erfindung kann jedes auch sonst übliche Photoresistmaterial verwendet werden, wegen der ultravioletten Belichtung wird jedoch Polymethylmethakrylat (PMMA) bevorzugt, da dieses Material eine maximale Empfindlichkeit bei 220 Nanometern besitzt.

Die bei der Anwendung der Erfindung ausgewählten Gleichungen basieren auf den Prinzipien der geometrischen Optik. Es sei aber darauf hingewiesen, daß Beugungseffekte höherer Ordnung - anders als die Beugungseffekte nullter Ordnung - auftreten können. Diese Beugungseffekte höherer Ordnung werden vernachlässigt.

Versuche haben ergeben, daß die Prinzipien der optischen Konjugation auch bei der Erfindung nicht verletzt werden. Vielmehr werden die optischen Komponenten erfindungsgemäß unter der Annahme ausgelegt, daß ein in der herkömmlichen Drucktechnik in der Objektebene angeordneter Gegenstand eine vollkommen Konjugierte einer erfindungsgemäß in der Bildebene angeordneten Maske ist. Bei dieser Voraussetzung werden zwar bei bisherigen Projektionsdruckern an der Maske verursachte Brechungseffekte vernachlässigt, Versuche haben jedoch bestätigt, daß die zum Ausführen der Erfindung berechneten Konstruktionswerte für . die Schärfentiefe und die numerische Apertur ausreichend sind, die gewünschte Auflösung und Gleichförmigkeit bzw. Homogenität des Strahlungsfeldes an der Projektionsebene 14 zu erhalten.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Erfindung ein Linsensystem 10 zum Projizieren eines gleichmäßigen Bestrahlungsfeldes betrifft, welches dazu dient, eine strahlungsempfindliche. Oberfläche 14, z.B. einen Photolack, durch ein Diapositiv bzw. eine Maske 16 zu belichten. Das System enthält eine gepulste Lichtquelle 31 mit Strahlung im nahen und tiefen ultravioletten Bereich des Spektrums. Zur Optik gehören eine Doublett-Kondensorlinse 32 und eine größere Doublett-Feldlinse 34, die nacheinander auf der optischen Achse 12 angeordnet werden· Jeder Punkt 44 der zur Bildebene bzw. Auffangebene konjugierten Fläche 42 wird auf die in der Bild- bzw. Auffangebene selbst angeordnete Maske 16 fokussiert. Die beiden Ebenen 28 und 42 sind jeweils zueinander konjugiert. Für jede auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche 14 aufzulösende Öffnung 44 des Musters der Maske 16 existiert ein wohl definiertes Strahlenbündel 45, welches durch den konjugierten Punkt 44 der konjugierten Ebene 42 verläuft. Ein Vorteil der Doublett-Feldlinse 34 besteht darin, daß ihr großer Durchmesser die Übertragung von Strahlenbündeln 45 aus dem Randbereich ohne Abschattung bis zur Bildebene 28 möglich macht.

Claims

DnHng. Reimar König.., :■ -.Oi ρ L-1 ng..KIa us Bergen Cecilienallee "76 4 Düsseldorf 3O Talsfon 45SDOB Patentanwälte 26. April 1982 34 468 B RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.) "Schattenprojektionssystera" Patentansprüche:

1. Schattenprojektionssystem mit einer räumlich ausgedehnten polychromatischen Lichtquelle (31), einer Eingangslinse (32) zum Abbilden von von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündeln (45) als effektives Bild (40) der Lichtquelle an einem Knotenpunkt (47) auf der optischen Achse (12) des Systems und mit einer auf der optischen Achse (12) angeordneten Ausgangslinse (34) zum Projizieren der abgebildeten Lichtquelle durch eine Maske (26) auf eine der Maske benachbarte Projektionsebene (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangslinsen (32, 34) aus je einem plankonvexen Linsenpaar (32a, 32b; 34a, 34b) bestehen, daß die Eingangslinse (32) an einem zum Projizieren des die Größe der Eintrittsblende (37) der Ausgangslinse (34) unterschreitenden, effektiven Bildes (40) in die Eintrittsblende (37) passenden Ort auf der optischen Achse (12) angeordnet ist und daß die Ausgangslinse (34) einen zum Übertragen im wesentlichen der gesamten von dem effektiven Bild (40) ausgehenden Strahlenbündel (45) zur Maske (16) ausreichenden Durchmesser besitzt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Lichtquelle (31) eine Xenonlampe mit Wendelröhre und einem Strahlungsmaximum bei 200 bis 260 Nanometern im tiefen Ultraviolett sowie Mittel zum Erzeugen energiereicher Impulse von etwa 2000 Joule von jeweils kurzer Dauer im Zeitabstand von etwa 3 Sekunden gehören.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des effektiven Bildes (40), insbesondere der Wendel der Xenonlampe, in der Ebene (36) der Eintrittsblende etwa 2,45 cm und die Größe des Maskenbildes in der Projektionsebene (14) etwa 12,25 cm beträgt.

4. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergrößerungsfaktor der Lichtquelle (31) in der Ebene der Eintrittsblende (37) der Ausgangslinse (34) gleich eins ist.

5. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (46) zwischen der Maske (16) und der Projektionsebene (14) innerhalb der Schärfentiefe des Systems liegt, wobei die Schärfentiefe ( /X f) definiert wird durch die Bedingung:

_Af ₌ K .h

(NA)²

in der K bei räumlich inkohärenter Strahlung 0,61 beträgt, T^ die Spitzenwellenlange der von der Lichtquelle (31) ausgehenden Strahlung ist sowie NA die numerische Apertur des Linsensystems (10) bedeutet und gleich dem Sinus der Hälfte des maximalen Gesamtwinkels ( β ) des in Richtung auf die Maske (16) geöffneten, bildwirksamen Öffnungskegels der Ausgangslinse (34) ist.

6. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Durchmesser der Eingangslinse (32) für eine Eins-Vergrößerung der Lichtquelle (31) ohne Vignettierung bzw. Abdeckung.

7. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (16) relativ zur Ausgangslinse (34) so angeordnet ist, daß jeder jedem Wellenlängenbereich der Lichtquelle (34) entsprechende Teil der Strahlbündel (35) im selben Scheitel in der Ebene (28) der Maske (16) konvergiert.

8. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Ausgangslinse (34) zum Durchmesser des effektiven Bildes (40) der Lichtquelle (31) am Knotenpunkt (47) groß genug ist, um einen für die Auflösung eines auf die Belichtungsebene projizierten Maskenbildes mit etwa 1 Mikrometer Ausdehnung in einer Photoresistschicht ausreichenden Kontrast zu erzeugen.

9. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lichtquelle (31) abgegebene Strahlung Spektralbereiche aus dem tiefen Ultraviolett umfaßt und daß die numerische Apertur (NA) des Linsensystems (10) ausreichend groß zum Unterdrücken nennenswerter Beugungseffekte der Maske (16) auf die Projektionsebene (14) ist.