DE3311249C2 - Fotolithografievorrichtung mit einer im fernen UV emittierenden Lichtquelle - Google Patents

Abstract

In dem Verfahren und in der Vorrichtung zur Durchführung der Fotolithografie mittels fernem UV wird eine mikrowellenerregte, elektrodenlose Lichtquelle zur Erzeugung von Strahlung im fernen UV-Sepktralbereich verwendet. Dadurch ergeben sich insbesondere kürzere Belichtungszeiten und geringere Abschaltzeiten zum Auswechseln von fehlerhaften Lampen.

Description

verbessern. Wie allgemein bekannt ist, ergibt die Anwendung von kürzeren Wellenlängen eine größere Schärfentiefe an der Halbleiterscheibe und vergrößert die Wahrscheinlichkeit, daß ein scharfer Abdruck entsteht selbst wenn die Maske und die Scheibe nbht präzise positioniert sind.

Aus den oben angegebenen Gründen weiden in jüngster Zeit erhebliche Anstrengungen unternommen, um Fotolithografiesysteme zu schaffen, die mit fernem UV-Licht arbeiten. Ein für fernes UV geeigneter Fotolack ist als Polymethylmethacrylat (PMMA) bekannt und heute im Gebrauch. Das Fehlen einer geeigneten Lichtquelle für fernes UV hat jedoch verhindert, daß die Anwendung von fernem UV-Lichi auch auf die Schaffung von integrierten Schaltungen mit höherer Packungsdichte ausgedehnt wurde. Die Mangel der herkömmlichen Lichtquellen für die Fotolithografie unter Anwendung von fernem UV sind ausführlich erläutert in »Optical Lithogi aphy in the 1 μΐη Limit«, Daryl Ann Doane. Solid State Technology, August 1980, Seiten 101 —111 sowie in »A Practical Multilayer Resist Process for 1 μηι Lines«, Batchelder et al. Semiconductor International, April 1981,Seiten 214-218.

Das Hauptproblem besteht in dem Fehlen einer Lichtquelle mit ausreichender Intensität im fernen UV-Spektralbereich, um eine schnelle Belichtung von für fernes UV empfindlichen Fotoresists auf Fertigungsstraßen zu erreichen. Dies hat zu unannehmbar langen Verarbeitungszeiten und folglich zu einer geringen Ausbeute von vollständigen Halbleitervorrichtungen pro Zeiteinheit geführt. Die derzeit am meisten verbreiteten Quellen für fernes UV setzen weniger als 2% der Eingangsleistung in Strahlung im fernen UV-Spektralbcreich um. Derartige Quellen haben ferner eine kurze Lebensdauer von nur etwa 100 Stunden, was zu beträchtlichen Abschaltzeiten zum Auswechseln der Lampen führt. Es wurde auch versucht, andersartige Lampen für fernes UV zu verwenden, jedoch weisen diese eine relativ niedrige Ausgangsleistung im fernen UV-Bcreiai auf, und zusätzlich sind weitere Probleme aufgetreten wie ungleichförmige Lichtabgabe, alterungsbedingte schnelle Verschlechterungen der Spektralverteilung sowie kritische Justierung.

Anhand der Literatur läßt sich verfolgen, daß folgende Arten von Lichtquellen bereits für den Zweck der Fotolithografie mit fernem UV in Betracht gezogen wurden:

1. Hauptsächlich wurden kompakte Xenon-Quecksilber-Bogenlampen verwendet, bei denen es sich um Hochdruck-Elektroden-Bogenlampen handelt. Diese Lampen gleichen den kompakten Quecksilber-Bogenlampen, die für herkömmliche UV-Fotolithografie verwendet werden, wobei jedoch durch die Hinzufügung von Xenon in der Füllung das Spekirum zu fernem UV hin verlagert wird. Selbst bei einer solchen Hinzufügung liegt jedoch nur ein sehr kleiner Teil der Lampenausgangsleistung im gewünschten Bereich von 190 bis 260 mn. Die Lampe muß also bei sehr hohem Leistungspegel betrieben werden, um die Möglichkeiten der Erzeugung von fernem UV-Licht voll auszuschöpfen; nichtsdestoweniger bleibt jedoch die Belichtungszeit langer als erwünscht. Die hohen Leistungspegel, mit denen derartige Lampen betrieben werden müssen, beschleunigen jedoch den Alterungsprozeß, durch den die Spektralverteilung des ausgestrahlten Lichts verschlechtert wird, so daß ein häufiger Lampenwechsel erforderlich ist

2. Die gepulste Xenonlampe ist eine Nieder-Mitteldruck-Bogenlampe, die mit kurzen Hochenergieimpulsen betrieben wird und ein kontinuierliches Spektrum 200 bis 315 nm abgibt, wobei etwa 6% der Ausgangsleistung zwischen 200 und 260 nm liegen. Die Anwendung derartiger Lampen wurde jedoch eingeschränkt durch die ungleichförmige Lichtabgabe und durch die von ihnen erzeugten ίο hochfrequenten Störungen.

3. Deuteriumlampen erzeugen ein kontinuierliches Spektrum im Bereich von 200 bis 315 nm, jedoch wurde gefunden, daß die Ausgangsleistung für praktische Anwendungen zu gering ist.

4. Gepulste Quecksilberlampen sind Hochdruck-Bogenlampen, die mit kurzen Hochenergieimpulsen betrieben werden. Sie erzeugen ein kontinuierliches Spektrum zwischen 200 und 300 nm, jedoch fehlt es ihnen an der Reproduzierbarkeit und an einer ausreichend langen Lebensdauer.

5. Dotierte Lampen sind üblicherweise kompakte Bogenlampen mit verbesserter Spektralverteilung durch Dotierung des Lampenmaterials während der Herstellung. Es wurde gefunden, daß derartige Lampen schwankende Ausgangsleistungen und kurze Lebensdauer aufweisen.

6. Lichtquellen niedriger Leistung wie Leuchtstofflampen oder keimtötende Lampen, bei denen ein relativ großer Anteil des Spektrums im fernen UV-Bereich liegt, wurden ebenfalls bereits in Betracht gezogen. Die Ausgangsleistung und die Leuchtdichte derartiger Quellen ist jedoch unzureichend für die Belichtung von Fotolacken.

Zusätzlich zu den obigen Betrachtungen muß auch noch bedacht werden, daß alle bekannten Strahlungsquellen Lampen sind, die Elektroden enthalten und Licht durch eine Lichtbogenerzeugung zwischen diesen Elektroden emittieren. Der erzeugte Lichtbogen ist üblicherweise von größerer Länge als Breite und bildet überdies eine unstabile Strahlungsquelle. Die durch das Vorhandensein eines Lichtbogens auftretenden Probleme sind in der US-PS 35 69 083 erläutert; sie machen die Anwendung eines optischen Integrators zwingend erforderlich, um eine gleichmäßige Neuverteilung des Lichtes vorzunehmen, bevor dieses auf der Scheibe auftrifft. Da ferner der Lichtbogen in optischer Hinsicht als Punktqueile anzusehen ist, muß die Bogenlampe für eine gute Abbildungsqualität in kritischer Weise sehr genau positioniert werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Fotolithografie unter Anwendung von ferner UV-Strahlung rrittels einer Lichtquelle, die im fernen UV-Bereich eine größere Ausgangsleistung als herkömmliche Lichtquellen aufweist.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist insbesondere in den Pateniansprüchin angegeben.

Die durch die Erfindung geschaffene Lichtquelle weist eine hohe Ausgangsleistung im fernen UV-Spektralbereich auf, was zu einer schnelleren Belichtung von Fotoresists bzw. Fotolacken führt, die für fernes UV-Licht empfindlich sind. Durch Anwendung der Erfin-

b5 dung beträgt z. B. die für die Belichtung erforderliche Zeitspanne nur ein Fünftel bis ein Zehntel der bei herkömmlichen Systemen benötigten Zeit. Durch die Erfindung wird ferner eine Lichtquelle geschaffen, die eine

wesentlich längere Lebensdauer als die oben erwähnten Arten von Lampen aufweist und darüber hinaus von den diesen anhaftenden Mangeln frei ist.

Durch die Erfindung wird es also ermöglicht, sehr schmale Linien auf Halbleiterscheiben bei kürzeren Belichtungszeiten und folglich höherer Geschwindigkeit als bei Anwendung herkömmlicher Technik aufzudrukken bzw. abzubilden.

Die durch die Erfindung geschaffene Lichtquelle weist ferner einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als herkömmliche Lichtquellen auf.

Ein weiterer Vorteil der durch die Erfindung geschaffenen Lichtquelle für fernes UV besteht darin, daß ihre Lichtabgabe gleichmäßiger ist als bei herkömmlichen Quellen, so daß optische Integriereinrichtungen der herkömmlichen Systeme entfallen können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Quelle für fernes UV-Licht besteht darin, daß sie weniger häufig ausgewechselt werden muß als bei herkömmlichen Systemen, so daß die Ausschaltzeiten zum Erneuern der Lampe reduziert werden.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung kann überdies eine kritische Justierung der Strahlungsquelle enfallen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtquelle besteht darin, daß ihre spektrale Zusammensetzung nur wenig alterungsabhängig ist.

Die oben angegebenen vorteilhaften Eigenschaften werden durch Anwendung einer mikrowellenerregten, elektrodenlosen Lampe als Lichtquelle für die Fotolithografie im fernen UV-Bereich erreicht.

Im Gegensatz zu den mit Elektroden versehenen Bogenlampen ist also die vorgeschlagene Strahlungsquelle elektrodenlos. Die kolbenförmige Hülle ist mit einem Plasmamedium gefüllt, z. B. Quecksilber in einem Edelgas, und ist in eine Metallkammer eingesetzt, der Mikrowellenenergie zugeführt wird. Diese Energie erregt ein Plasma praktisch in dem gesamten Volumen der Hülle, welches Ultraviolettstrahlung aussendet, die durch ein UV-durchlässiges Fenster in der Kammer austritt.

Es wurde gefunden, daß die von einer solchen elektrodenlosen Lampe emittierte Strahlung eine Spektralzusammensetzung mit einem wesentlich größeren Anteil im fernen UV-Bereich aufweist als die herkömmlichen Bogenlampen. Es wird angenommen, daß das Fehlen von Elektroden einen Betrieb der Lampe in einem Betriebsbereich ermöglicht, der günstig für die Erzeugung ferner UV-Strahlung ist.

Ferner handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Lichtquelle um eine relativ »helle«, im fernen UV-Gebiet aussendende Quelle, wobei unter »Helligkeit« die Leuchtdichte bzw. Lichtabgabeleisiiing pm Qberflächeneinheit des Strahlungssenders verstanden wird. Da der Fotoresist mit einem bestimmten minimalen Lichtnuß pro Flächeneinheit belichtet werden muß, muß die verwendete BeleuchtungsqueHe nicht nur eine hohe Gesamtleistung im fernen UV-Bereich abgeben, sondern auch eine bestimmte minimale »Helligkeit« aufweisen, damit bis zu der Fotoresistoberfläche hin eine verlustarme Übertragung erfolgen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig-1 eine schematische Darstellung eines her- b5 kömmlichen Fotolithografiesystems unter Anwendung von ferner UV-Strahlung, wobei als Lichtquelle eine Bogenlampe mit Elektroden verwendet wird:

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fotolithografiesystems unter Anwendung von ferner UV-Strahlung, wobei als Lichtquelle eine elektrodenlose Lampe verwendet wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Elektroden-Bogenlampe, wie sie bei herkömmlichen Systemen verwendet wird;

Fig.4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendeten, elektrodenlosen Lampenhülle mit zugeordneten Halterungsmitteln;

Fig, 5 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fotolithografiesystems unter Anwendung von ferner UV-Strahlung; und

Fig.6 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Kühlsystems zur Anwendung bei der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform.

Das in F i g. 1 als Beispiel gezeigte herkömmliche Fotolithografiesystem unter Anwendung von ferner UV-Strahlung weist als Strahlungsquelle eine XeHg-Elektroden-Bogenlampe 2, einen elliptischen Reflektor 4, einen ersten dichroitischen Spiegel 6 und einen zweiten dichroitischen Spiegel 8 sowie eine optische Integriereinrichtung 10 und eine Kollimatorlinse 12 auf.

Die Bogenlampe 2 befindet sich im Brennpunkt des elliptischen Reflektors 4, und die Lichtenergie wird von dem dichroitischen Spiegel 6 zu einem zweiten Brennpunkt reflektiert, wo sie durch die optische Integriereinrichtung 10 räumlich gleichförmig gemacht wird. Nach Reflexion am dichroitischen Spiegel 8 wird das Licht durch die Kollimatorlinse 12 geführt, die ein paralleles, relativ homogenes Lichtbündel auf eine Maske 14 sowie eine Halbleiterscheibe 16 in der Belichtungsebene abgibt. Die Funktion der dichroitischen Spiegel besteht darin, die Infrarotkomponente des Lichtes zu entfernen, indem dieses durchgelassen wird, während die Ultraviolettkomponente reflektiert wird.

Wie bereits erläutert wurde, konnte das in F i g. 1 gezeigte System nicht die in es gesetzten Erwartungen erfüllen, da keine bessere Strahlungsquelle für fernes UV zur Verfügung stand. Es wurden zwar bereits auch andersartige Optiksysteme mit zusätzlichen oder anderen Reflektoren und Linsen in Verbindung mit Bogenlampen verwendet, z.B. gemäß der US-PS 38 60 335, jedoch sind diese mit denselben Mängeln behaftet.

Die größte Schwierigkeit bei Verwendung von XeHg-Bogenlampen besteht darin, daß weniger als 2% der Eingangsleistung in eine Leistung im Bereich von 190 bis 260 nm umgesetzt wird, so daß eine solche Lichtquelle also für die Fotolithografie unter Anwendung von ferner UV-Strahlung einen äußerst schlechten Wirkungsgrad aufweist. Dies führt zu übermäßig langen Belichtiingsreiten in der Größenordnung von mehreren Minuten und folglich zu einer geringen relativen Ausbeute an fertigen Halbleitervorrichtungen. Das Problem wird noch durch die Tatsache verschärft, daß die Strahlungsquelle nur eine geringe Lebensdauer von etwa 100 Stunden aufweist, so daß ein häufiges Auswechseln erforderlich ist, was zu Abschaitzeiten und einer weiteren Verminderung der Produktivität führt

Überdies weist die herkömmliche Strahlungsauelle eine spektrale Zusammensetzung auf< die sich mit zunehmendem Alter schnell verschlechtert, und sie hat eine räumlich ungleichförmige Lichtabgabe, so daß die Anwendung einer optischen lmegriereinrichtung zwingend notwendig ist. Da schließlich der Lichtbogen im wesentlichen eine Punktquclle bildet, ist eine kritische Justierung erforderlich (z. B. eine Anordnung des Lichtbogens im Brennpunkt einer Ellipse), wodurch der Auf-

bau der Apparatur sowie das Auswechseln von Lampen zeitraubend und schwierig wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Fotolithografiesystem unter Anwendung von ferner UV-Strahlung ist als Kernstück des Systems eine elektrodenlose Lichtquelle vorgesehen, die gebildet ist aus einer für fernes UV-durchlässigen Lampenhülle 20 und einer Mikrowcllcnkammer 22, innerhalb welcher die Lampe angeordnet ist. Ferner sind eine Stromversorgung 24, ein Mikrowellengenerator 26, eine Mikrowellen-Kopplungseinrichtung 28 sowie eine optische Kopplungseinrichtung 30 dargestellt.

Die Lampenhülle 20 ist mit einem Medium gefüllt, das ein Plasma bilden kann, insbesondere Quecksilber in einem Edelgas unter relativ niedrigem Druck. Wenn Mikrowellenenergie in die Hülle eingekoppelt wird, so erzeugt sie ein Plasma bzw. heißes Gas darin, das Ultraviolettlicht aussendet. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform liefert die Stromquelle 24 elektrische Energie an den Mikrowellengenerator 20, bei dem es sich typischerweise um ein Magnetron handelt, welches elektromagnetische Energie im Mikrowellenbereich erzeugt. Diese Energie wird in die Mikrowellenkammer über eine Transmissionsleitung und einen Kopplungsschlitz in der Kammer oder durch direktes Einsetzen des Mikrowellengenerators eingekoppelt. Die Mikrowellenenergie in der Kammer wird in die Lampenhülle 20 eingekoppelt und erzeugt das Plasma. Das hierdurch erzeugte Ultraviolettlicht wird durch die optische Kopplungseinrichtung 30 zu einer Maske 32 und einer Halbleiterscheibe 34 in der Belichtungsebene geführt, um die Belichtung des auf der Scheibe aufgebrachten Fotoresists zu bewirken, welcher für fernes UV empfindlich ist.

Die Mikrowellenkammer 22 ist aus einem leitfähigen massiven Teil 33, das insbesondere aus leitfähigem Metall gebildet ist, sowie aus einem leitfähigen Gitterteil 36 gebildet. Das Gitter ist mit ausreichender Feinheil ausgebildet, um praktisch die gesamte Mikrowellenenergie im Inneren der Kammer zu halten, behindert jedoch nicht den Austritt des Ultraviolettlichts aus dieser Kammer. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der feste bzw. massive Teil der Kammer ein Kugelteil; bei anderen Ausführungsformen ist die Kammer z. B. zylindrisch oder weist irgendeine andere geometrische Gestalt auf. Bei der gezeigten Ausführungsform ist auch die Lampenhülle kugelförmig; bei anderen Ausführungsformen haben die Lampenhüllen aber eine andere Gestalt.

Die optische Kopplungseinrichtung ist insbesondere aus einer Anzahl von Linsen gebildet, welche die Ultraviolettenergie bei nur geringen Verlusten zur Ebene der Halbleiterscheibe führen. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt die Kopplung lediglich über die Luft. Die Erfindung ist auf alle verschiedenen Arten der Fotolithografie anwendbar, einschließlich Kontaktbelichtung, Annäherungsbelichtung und Projektionsbelichtung, je nach Ausbildung der optischen Kopplungseinrichtung. Um die Lichtausgangsleistung zu erhöhen, kann ein Teil der Innenseite der Mikrowellenkammer mit einem für fernes UV reflektierenden Material beschichtet werden.

Der besonders hervorzuhebende Vorteil des in F i g. 2 gezeigten Fotolithografiesystems besteht darin, daß eine Lichtquelle verwendet wird, die eine wesentlich höhere Ausgangsleistung im fernen UV-Bereich abgibt als bei herkömmlichen Systemen. Zum Beispiel setzt die elektrodenlose Lichtquelle ungefähr 7% der elektrischen Eingangsleistung in Ausgangsleistung im fernen UV-Spektralbereich um, im Gegensatz zu nur etwa 2% bei den weitestens verbreiteten herkömmlichen Quellen. Die elektrodenlose Strahlungsquelle zeigt sich ferner durch eine hohe »Helligkeit« auf, wie sie für eine gute Belichtung von Fotoresists erforderlich ist, die für fernes UV empfindlich ist.

Hierdurch ergeben sich wesentlich kürzere Belichtungszeiten als bei herkömmlichen Systemen. Wenn z. B. das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung angewendet werden, um Fotoresists in Mehr-Schichttechnik zu belichten, die unter dem Stichwort der tragbaren, anpaßbaren Maske bekannt ist, welche verwendet wird, um Linien einer Breite von weniger als einem Mikrometer über profilierte Oberflächen aufzudrucken, so werden Belichtungszeiten von etwa 30 Sekünden erwartet, im Gegensatz zu Minuten, die bei den herkömmlichen Systemen erforderlich sind.

Ferner wird im voraus angenommen, daß die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Lampe wenigstens 500 Stunden beträgt, im Gegensatz zu nur etwa 100 Stunden bei Bogenlampen, wobei überdies die spektrale Zusammensetzung weniger alterungsabhängig ist.

Wie in der bereits genannten US-PS 35 69 083 erläutert ist, ist ferner in den herkömmlichen Systemen eine optische Inlegriereinrichtung erforderlich, um die ungleichförmige Lichtabgabe des Lichtbogens vor dem Auftreffen auf der Scheibe zu vergleichmäßigen. Diese Integriereinrichtung ist üblicherweise eine Fliegenaugenlinse mit einer Vielzahl von Segmenten. Da jedoch die elektrodenlose Lampe, wie weiter unten erläutert wird, eine Volumenquelle ist, sendet sie die Strahlung relativ gleichförmig in alle Richtungen aus, so daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine optische Integriereinrichtung voraussichtlich entfallen kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die elektrodenlose Lampe, da sie ein Volumenstrahler ist, keine kritische Justierung in bezug auf die optische Kopplungseinrichtung erfordert. Im Gegensatz hierzu müssen Bogenlampen, deren Lichtbogen eine Punktquelle bildet, kritisch justiert werden, z. B. im Brennpunkt eines elliptischen Reflektors bei dem in F i g. 1 gezeigten System.

Die oben erläuterten Vorzüge, die sich durch die Anwendung einer elektrodenlosen Lampe ergeben, werden unter Bezugnahme auf die Fig.3 und 4 leichter verständlich, die eine herkömmliche kompakte Bogenlampe und eine erfindungsgemäße elektrodenlose Lampe einander gegenüberstellen.

Es wird zunächst auf F i g. 3 Bezug genommen. Die Bogenlampe besteht aus einer Hülle 50, in der ein Gemisch aus Gasen, z. B. Hg und Xe, unter relativ hohem Druck enthalten ist und Elektroden 51, 52 angeordnet sind. Wenn eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden angelegt wird, wird das darin enthaltene Gas ionisiert, und es tritt eine relativ kompakte Bogenentladung 53 auf.

Der Bereich 54 zwischen der Entladung und der Lärnpenwandung bildet eine kältere, neutrale Grenzschicht bedeutender Dicke. Es wird angenommen, daß diese neutrale Grenzschicht als Filter wirkt und einen Teil der

ω fernen UV-Strahlung absorbiert, die von dem Lichtbogen ausgeht. Während ferner der Anteil an fernem UV durch einen Betrieb bei niedrigen Drücken gefördert wird, können jedoch Bogenlampen wegen des Vorhandenseins der Elektroden in diesem Bereich nicht betriebs ben werden. Ein Betrieb bei niedrigen Drücken bewirkt ein Zerstäuben der Elektroden, und das zerstäubte Material setzt sich auf der Lampenhülle nieder, wodurch die Lichtausgangsleistung und die Lebensdauer der

Lampe weiter vermindert werden.

Die in F i g. 4 gezeigte erfindungsgemäße elektrodenlose Lampe umfaßt eine Hülle 55, insbesondere aus qualitativ hochwertigem Quarz, die mit einem Medium gefüllt ist, das ein Plasma bilden kann, insbesondere mit Quecksilber, mit einer daran befestigten mechanischen Halterung 56, die an einem Ständer 57 zum Haltern der Hülle im Inneren einer Mikrowellenkammer befestigt ist. Wenn Mikrowellenenergie in die Kammer eingespeist wird, wird das in der Hülle enthaltene, ein Plasma bildende Medium praktisch in dem gesamten Hüllenvolumen erregt und sendet Ultraviolettstrahlung aus, mit einer Kontur, die der Form der Hülle entspricht.

Da die elektrodenlose Lampe eine Volumenquelle ist, in der das Plasma die Hülle praktisch vollständig ausfüllt, tritt nur eine sehr dünne neutrale Grenzschicht 58 zwischen der Entladung und der Hülienwandung auf. Es wird angenommen, daß die dünne Grenzschicht fernes UV in einem wesentlich geringeren Maße absorbiert als die dickere Grenzschicht bei kompakten Bogenlampen. Da ferner die Hülle keine Elektroden aufweist, ist ein Betrieb bei niedrigen Drücken zur Förderung der Ausbeute an fernem UV möglich, und zwar bei hoher Leistungsdichte, wodurch eine hohe Leuchtdichte im fernen UV-Gebiet erhalten wird. Insbesondere ist ein Betrieb bei einem Quecksilberdruck von 1 bis 5 Atmosphären mit einer Leistungsdichte von 250 bis 1000 Watt pro Kubikzentimeter möglich. Der Betrieb bei niedrigem Druck in einem Mikrowellenfrequenzbereich von 2,45 Ghz bewirkt eine relativ geringe Eindringtiefe (?), die insbesondere geringer ist als der Radius eines Kolbens mit etwa 19 mm Durchmesser, mit dem Ergebnis, daß der größte Teil der in die Hülle im Inneren der Kammer eingekopelten Energie in dem äußeren Bereich des Hüllenvoiumens absorbiert wird, also näher an der Innenwandung. Hierdurch wird die Ausbeute im fernen UV-Bereich unterstützt, da weiter im Inneren der Hülle emittierte Strahlung in einem bedeutenden Maße durch das Plasma absorbiert wird, das sie durchqueren muß, um bis zu der Hüllen wandung zu gelangen.

F i g. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Ausführung der Fotolithografie unter Anwendung von ferner UV-Strahlung. Eine elektrodenlose Lampe 60 besteht aus einer Mikrowellenkammer 62 und einer Lampenhülle 64, die darin angeordnet ist. Die Mikrowellenkammer besteht aus einem kugelförmigen Teil mit einer kreisförmigen öffnung 65 und einem ebenen, kreisförmigen Gitterteil 66, der an dem kugelförmigen Teil über der öffnung 65 befestigt ist. Sowohl der kugelförmige Teil als auch der Gitterteil ist aus leitfähigem Material wie Kupfer oder Aluminium gebildet Ferner kann ein Teil der Innenseite der Kammer mit einem Material beschichtet sein, weiches für fernes UV reflektierend ist.

Der kugelförmige Teil der Kammer weist einen rechtwinkligen Schlitz 68 an der geeigneten Stelle zum Einkoppeln der Mikrowellenenergie auf. Die Lampenhüllle 64 ist kugelförmig und in der Nähe der Mitte der kugelförmigen Kammer angeordnet Sie besteht aus hochreinem Quarz, das für fernes UV durchlässig ist An der Hülle ist ein Quarzschaft 70 zur Halterung der Hülle in der Kammer befestigt. Um die Kühlung der Lampenhülle während des Betriebs zu gewährleisten, wird sie in Drehung versetzt, während mehrere Druckluftströmungen auf sie gerichtet sind; das Kühlsystem ist im einzelnen in F i g. 6 dargestellt.

Um die Lampenhülle in Drehung zu versetzen, ist ein Elektromotor 72 vorgesehen, der in F i g. 5 gezeigt ist Ein Montageflansch 74 für die Montage des Motors ist an der Kammer befestigt, und der Motor 72 ist an diesem Flansch befestigt. Die Antriebswelle 76 des Motors ist in eine auf der linken Seite dargestellte Muffe 78 eingesetzt und darin z. B. mittels einer Feststellschraube befestigt. Der Quarzschaft 70 ist an dem in der Zeichnung rechts gezeigten Teil der Muffe 78 z. B. durch Kitten befestigt. Der Schaft 70 bildet also eine Verlängerung der Antriebswelle 76 des Motors 72, der also die

ίο Lampenhülle in Drehung versetzt.

Die Mikrowellenenergie wird durch ein Magnetron 80 erzeugt, das von einer Stromversorgung 82 versorgt wird. Die erzeugte Energie wird in die Kammer 62 über einen rechtwinkligen Wellenleiterabschnitt 84 einge-

l¹» speist, der einen Abglcichstutzen 86 zum Optimieren der Kopplung aufweist.

Die kugeiförmige Lampenhüiie 64 ist in Richtung der ersten Linse ein gleichförmiger Strahlungssender, und die Funktion des optischen Systems, das in der Zeichnung gezeigt ist, besteht darin, die aus dem Gitter 66 austretende Strahlung bei möglichst geringem Verlust an die Scheibe 88 anzukoppeln. Die Maske 90 ist in Berührung mit oder in engster Nähe an der Scheibe 88 angeordnet, wodurch das gezeigte System ein Kontakt-

oder Näherungssystem bildet, wenngleich die Erfindung auch auf andersartige Systeme anwendbar ist, insbesondere auch auf Projektionssysteme.

Das gezeigte optische System besteht aus einem Kondensorabschnitt mit den Linsen 92,94 und % und einem Integrierabschnitt mit den Linsen 98 und 100 sowie aus einem Kollimatorabschnitt mit der Linse 102. Dichroitische Spiegel 104 und 106 sind vorgesehen, um die Infrarot- und längerwelligen UV- sowie die sichtbaren Komponenten aus der Strahlung zu entfernen, indem sie diese Komponenten durchlassen, während sie Ultraviolettlicht reflektieren.

Während das spezielle optische System als solches nicht zur Erfindung gehört, wird es nichtsdestoweniger der Vollständigkeit halber ausführlich erläutert. Hierzu wird auf F i g. 5 bezug genommen. Das Linsenelement 92 von nicht-sphärischer Form bildet ein Rotationsparaboluid in bezug auf die optische Achse und hat die Aufgabe, die Größe sowie Aberrationen in der Anordnung minimal zu machen. Das zweite Linsenelement ist mit 94 bezeichnet, und das dritte Linsenelement % ist eine negative Linse, die eine Sammlung des Lichtes ermöglicht, wobei jedoch zwischen der Quelle und dem ersten Linsenelement ein großer freier Raum verbleibt

Die integrierende Linsenanordnung besteht aus Flie-

genaugenlinsen 98 und 100, von denen jede eine Segmentlinsc mit sieben Elementen ist Jedes Element ist von sechseckiger Gestalt, so daß die Anordnung ein zentrales Element aufweist, das von sieben anderen umgeben ist. Die Linse 98 wird als Fcldlinse bezeichnet, und ihre Gestalt kann für die Steuerung der Gleichförmigkeit an der Scheibenoberfläche von Bedeutung sein. Die Linse 100 ist das Objektiv der Integriereinrichtung, und sie entspricht derselben Vorschrift wie die nominelle Feldlinse, jedoch bei unterschiedlicher Orientierung. Im zusammengebauten Zustand sind die flachen Oberflächen der Linsen einander zugewandt und wenn es erforderlich ist, die Größe des Formats an der Oberfläche der Scheibe zu verändern, so kann der Formatdurchmesser geringfügig nachgestellt werden, indem der Ab-

b5 stand zwischen den beiden Elementen verändert wird. Ein geringerer Abstand verursacht eine Zunahme des Durchmessers ungefähr um dasselbe Maß wie die Änderung des Abstandes.

Schließlich bildet die Kollimatorlinse 102 ein Bild der Feldlinsensegmente der Integriereinrichtung an der Oberfläche der Scheibe. Der Kollimator ist von ausreichender Größe, um den erforderlichen Durchmesser der Scheibenoberfläche mit telezentrischen Lichtkegeln aus der vorgeschalteten Optik auszufüllen.

Das aus der Kollimatorlinse 102 austretende Licht gelangt über einen Verschluß 105 zur Maske 90 und der mit Fotoresist beschichteten Halbleiterscheibe 88. Der sich in einer Ebene befinden, welche die Kugel schneidet, und von einer Druckluftzufuhr 120 gespeist werden. Nur durch Drehung des Kolbens und gleichzeitige Kühlung desselben durch einen oder mehrere Strömungen kann das Auftreten von Überhitzungsstellen und das Explodieren des Kolbens verhindert werden.

Die obige ausführliche Beschreibung des Veifahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung macht deutlich, daß die eingangs genannten Vorzüge bei der Anwen-

Verschluß ist elektrisch betätigt und so steuerbar, daß io dung auf Fotolithografie mittels ferner UV-Strahlung

die gewünschte Strahlungsdosis auf der Halblciterschei be erhalten wird.

Bei der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Metallkammer 62 eine Kugel mit einem Durchmesser von 102 mm mit einer kreisförmigen öffnung von 63,5 mm, die durch das Gitter 66 bedeckt ist. Das Gitter 66 besteht aus Drähten eines Durchmessers von 0,043 mm mit Abständen von 0,84 mm zwischen den Drahtmitten. Die kugelförmige Lampenhülle 64 weist einen Innendurchmesser von 19 mm auf und ist mit Quecksilber, einem Edelgas wie Argon und HgCI gefüllt. Die Argonfüllung weist einen relativ niedrigen Druck auf, und während des Betriebs hat das Quecksilber einen Druck von 1 bis 5 bar, während das Argon einen Druck von etwa 0,133 bis 0,266 Bar aufweist. Der Zweck der Beimischung von HgCI besteht darin, eine gleichförmige Grenzschicht zu erzeugen, um das Plasma von der Wandung der Lampenhülle fernzuhalten. Um den geeigneten Hg-Betriebsdruck zu erhalten, wird ein Volumen von etwa 2 · 10~⁶ ml flüssigen Quecksilbers bei der Herstellung in dem Kolben eingebracht.

Das Magnetron 80 liefert etwa 1500 Watt Mikrowellenleistung bei einer Frequenz von 2450 Mhz. Diese Leistung wird praktisch vollständig bzw. größtenteils in die Mikrowellenkammer eingekoppelt, was zu einer Leistungsdichte von etwa 500 Watt pro Kubikzentimeter bei der bevorzugten Ausfüh'rungsförm führt. Die so entstandene Lichtquelle weist einen Wirkungsgrad von etwa 7% bei der Umsetzung in ferne UV-Strahlung auf und bildet eine helle Lichtquelle, die etwa 190 Watt pro Kubikzentimeter abstrahlt.

Wie oben bereits herausgestellt wurde, besitzt die eleklrodenlose Lampe eine relativ gleichförmige Strahlungsemission. Es ist daher möglich, die in F i g. 5 gezeigten integrierenden Linsen fortzulassen, wobei geringe Abwandlungen des verbleibenden Systems vorgenommen werden, um ein gleichförmiges bzw. homogenes Lichtbündel in der Ebene der Scheibe zu erzeugen, und zwar auch ohne Anwendung von derartigen integrierenden Elementen.

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zur Kühlung der LampenhUlle 64 während des Betriebs. Da die Leistungsdichte in der Hülle sehr hoch ist, kann sie während des Betriebs äußerst heiß werden, und zusätzlich ist die kühlende neutrale Grenzschicht in einer elektrodenlosen Lampe dünn und bewirkt keinen sehr guten Kühleffekt. Es wurde gefunden, daß eine herkömmliche Kühltechnik, bei der eine oder mehrere Druckluftströmungen auf die Hülle gerichtet werden, unzureichend ist, um einen solchen Kolben zu kühlen.

Bei dem in den F i g. 5 und 6 gezeigten Kühlsystem wird die Lampe in Drehung versetzt, während eine oder mehrere Druckluftströmungen auf sie gerichtet werden. Bei der in F i g. 6 gezeigten bevorzugten Ausführungsform des Kühlsystems wird die Lampe um eine Achse 110 gedreht, die mit dem Schaft 70 in F i g. 5 zusammenfällt, und Druckluftströme werden über Leitungen 112, 114,116 und 118 auf sie gerichtet, wobei diese Leitungen tatsächlich erreicht werden. Es sind jedoch auch andere Anwendungen als die Fotolithografie vorgesehen, bei denen eine Bestrahlung eines Substrats mit fernem UV-Licht erforderlich ist, z. B. die fotochemische Dfinnschichtablagerung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Ergänzungsblatt zur Patentschrift 33 11

   Int. CL. G03 F Gr. 7/20 Ausgabetag: 12. Juli 1984

   AUSGEGEBEN AM 12. Juli 1984

   Das Patent 33 11249

   ist durch rechtskräftigen Beschluß des Deutschen Patentamtes vom 3. April 1986 beschränkt worden