CH666776A5

CH666776A5 - Strahlungsquelle fuer optische geraete, insbesondere fuer fotolithografische abbildungssysteme.

Info

Publication number: CH666776A5
Application number: CH5212/84A
Authority: CH
Inventors: Walter Gaertner; Wolfgang Retschke; Klaus Guenther
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-11-01
Filing date: 1984-10-31
Publication date: 1988-08-15
Also published as: JPS60202936A; NL8403294A; DD243629A3; FR2554302A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle für optische Geräte, insbesondere für fotolithografische Abbildungssysteme. Sie ist vorzugsweise dort anwendbar, wo eine Strahlungsleistung benötigt wird, die grösser ist als die von Quecksilber-Hochdrucklampen, wie zum Beispiel in fotolithografischen Einrichtungen zur Belichtung einer Fotolackschicht auf einer Halbleiterscheibe.

Es sind zur Zeit zahlreiche Strahlungsquellensysteme bekannt, die in wissenschaftlichen Geräten eingesetzt werden und deren Eigenschaften den Bedingungen des Einsatzgebietes weitgehend angepasst wurden. Diese Eigenschaften betreffen die spektrale Verteilung der Emission und die erreichbare Strahldichte sowie die räumliche und Winkelverteilung der erzeugten Strahlung. Forderungen nach spektralen Strahlungsleistungen, die die spektrale Strahlungsleistung eines schwarzen Strahlers oberhalb des Schmelzpunktes fester Körper übersteigen, können nur durch Plasma erfüllt werden. Plasmen erzeugt man durch Aufheizung eines Arbeitsmediums, vorzugsweise, indem man einen elektrischen Strom hindurchfliessen oder hochfrequente elektromagnetische Felder einwirken lässt. Die erreichbaren spektralen Strahldichten sind nach oben begrenzt durch die maximale je Volumeneinheit umsetzbare elektrische Leistung, der die Elektroden- und Wandmaterialien thermisch standhalten. Bei Hochfrequenzaufheizung entfällt die Begrenzung durch Elektrodenbelastung, es kommt aber das Problem der räumlichen Konzentrierung der HF-Energie hinzu.

Verzichtet man auf stationären Betrieb der Strahlungsquelle, so ist eine kurzzeitige Steigerung des Leistungsumsatzes um einige Grössenordnungen dadurch möglich, dass die Umwandlung der eingespeisten Leistung in Strahlung erheblich schneller verläuft, als ihre Übertragung auf die Wände und, sofern vorhanden, Elektroden des Entladungsgefässes. Aber auch in dieser Betriebsart ist neben mechanischen Belastungen durch Stosswellen, die aber nur in ungünstigen Fällen hinreichend wirken, die Abdampfung und Erosion der Wand- und Elektrodenmaterialien bei einer geforderten Lebensdauer der Strahlungsquelle ein Hindernis bei der Erzeugung intensiver Strahlungsflüsse. Dabei ist zu beachten, dass bei stationärer wie impuls-mässig betriebenen Quellen oberhalb eines typenabhängigen Leistungspegels, der bei den technischen Anwendungen praktisch überall bereits erreicht ist, jede weitere Steigerung der Strahlungsleistung mit einer unverhältnismässig starken Verringerung der Lebensdauer erkauft werden muss.

Eine solche kurzlebige Strahlungsquelle ist aber für sehr viele Einsatzzwecke unbrauchbar, weil sie den Wartungsaufwand der mit ihnen bestückten Geräte unzumutbar erhöht, wenn man bedenkt, dass ein Lampenwechsel in der Regel mit hohem Justieraufwand und zeitraubender Anpassung des optischen Übertragungssystems an den spezifischen Strahlungsfluss jeder einzelnen Lampe verbunden ist.

Innerhalb gewisser Grenzen lässt sich die Strahlungsleistung unter Beibehaltung der Gesamtbelastung der investierten elektrischen Energie in Strahlung bei gewünschter Wellenlänge und bevorzugter Ausbreitungsrichtung steigern.

Dies ist möglich durch eine optimierte Zusammensetzung des Arbeitsmediums sowie durch optimale Druck- und Temperaturverhältnisse des Plasmas bei der Abstrahlung. Dabei sind jedoch Einschränkungen zu beachten, die sich aus der Unverträglichkeit verschiedener Arbeitsmedien mit den Elektroden-und Wandmaterialien bei Arbeitstemperatur ergeben, so dass häufig mit Rücksicht auf die Standzeit der Materialien die Entladungsbedingungen fern vom Optimum gewählt werden müssen. Weitere Einschränkungen ergeben sich bei nichtstationärem Betrieb dadurch, dass die Strahlungsquelle gleichzeitig die Funktion eines elektrischen Hochleistungsschalters und die eines Wandlers elektrischer Energie in Strahlung erfüllen muss. Auch hier wird der Optimierungsspielraum für eine effektive Strahlungserzeugung eingeschränkt, weil ein zuverlässiges Zünden und Durchschalten an gewisse Plasmazustände gebunden ist.

Sowohl für den stationären als auch den Impulsbetrieb ergeben sich bei Strahlern mit Elektroden abgeschattete Raumwinkelbereiche, in denen die Strahlung nicht genutzt werden kann, obwohl der Einsatz geeigneter optischer Bauelemente wie z.B. Ellipsoidreflektoren und/oder Lichtleitfasern eine Ausnutzung auch dieser Bereiche gestatten würde, und damit ein Maximum an abgestrahlter Energie dem optischen System zugeführt werden könnte.

Zur Ausleuchtung optischer Systeme bei der fotolithografischen Mikrostrukturierung werden auch Laser als Strahlungsquellen verwendet [SPIE Vol. 174 (1979) S. 28 ... 36 «Coherent illumination improves step-and-repeat printing on Wafers» by Michel Lacombat et.al.]. Die hauptsächlichen Einschränkungen derartiger Lichtquellen ergeben sich aus ihrer hohen räumlichen

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Kohärenz und damit verbundenen Strukturverzerrungen, ihrer hohen Monochromasis und damit verbundenen Stehende-Wellen-Effekten im fotoempfindlichen Material. Weiterhin stehen im allgemeinen in vorteilhaften Spektralbereichen Laser mit hoher Strahlungsleistung bzw. günstigem Wirkungsgrad nicht zur Verfügung.

Anwendungen mit Excimer-Lasern, die die erforderliche Energie im gewünschten Wellenlängenbereich (UV-Bereich) emittieren, sind auf kontaktlithografische Verfahren beschränkt [SPIE Vol. 334 (1982) S. 259 ... 262 «Ultrafast high resolution contact Lithography using excimer laser» by K. Jain et. al.], da die zur Ausleuchtung projektionslithografischer Systeme erforderliche räumliche partielle Kohärenz nicht in einem Masse realisiert werden kann, das einen technischen Einsatz rechtfertigt;

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer leistungsstarken Strahlungsquelle, welche eine hohe Lebensdauer aufweist und die es gestattet, einen grossen Raumwinkelbereich zu erfassen und die eine genaue und schnelle Belichtung von fotoempfindi-chen Schichten erlaubt und damit eine hohe Produktivität bei fotolithografischen Einrichtungen gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle für optische Geräte, insbesondere für fotolithografische Abbildungssysteme zu schaffen, die die Strahlung eines Plasmas verwendet. Durch räumliche Trennung des Plasmas von der Wand oder anderen Einrichtungen eines Gefässes sowie durch NichtVerwendung von Elektroden im Gefäss und Hochfrequenzfeldern zur räumlichen Konzentrierung der Energie soll eine hohe Lebensdauer und hohe Leistungsdichte erreicht werden. Des weiteren verringern sich die Belastungen des Gefässes durch Stosswellen bei Impulsbetrieb der Strahlungsquelle, und abgeschattete Raumwinkelbereiche durch Elektroden oder andere Einrichtungen im Gefäss treten nicht in Erscheinung. Die erfindungsgemässe Strahlungsquelle soll einen weiten Optimierungsspielraum für eine Strahlungserzeugung im gewünschten Wellenlängenbereich besitzen, da Arbeitsmedien, Druck- und Temperaturbedingungen nicht nach Verträglichkeit mit Elektrodenmaterialien ausgewählt werden müssen.

Gegenüber Laserstrahlung hat die Strahlungsquelle den Vorteil, dass sie speziell bei fotolithografischen Abbildungssystemen eine hohe räumlich partielle Kohärenz aufweist und spektral so aufgebaut ist, dass Stehende-Wellen-Effekte im fotoempfindlichen Material verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Wenn die zugeführte Strahlungsleistung eines Lasers für einen Durchschlag im Entladungsmedium nicht ausreichend ist, dann ist es vorteilhaft, dass zur Zündung des Entladungsmediums ausserhalb des Gefässes mindestens ein weiterer impulsför-mig betriebener Laser angeordnet ist, der durch optische Mittel zur Fokussierung über eine Eintrittsöffnung auf das gleiche Volumen gerichtet ist.

Eine günstige Variante hinsichtlich der Veränderung der örtlichen Lage des strahlenden Plasmas ergibt sich, wenn die optischen Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung ausserhalb des Gefässes angeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann man vorteilhaft Einrichtungen zur Justierung der optischen Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung vorsehen.

Eine vorteilhafte Vereinfachung im Aufbau der Strahlungsquelle ergibt sich, wenn optische Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung innerhalb und/oder in der Wand des Gefässes angeordnet sind. So bietet sich die Möglichkeit, dass die innere Wand des Gefässes als optisches Mittel zur Fokussierung der von aussen zugeführten Laserstrahlung ausgebildet ist.

Zur Erfassung eines möglichst grossen Raumwinkelbereiches ist es vorteilhaft, dass die innere Wand des Gefässes als optisches Mittel zur Abbildung der vom Plasma ausgehenden Strahlung ausgeführt ist. Zweckmässigerweise wird dann die innere

Wand des Gefässes als Konkavspiegel oder als Ellipsoidspiegel ausgeführt.

Vorteilhaft in Bezug auf die Erzielung hoher Strahldichten und zur Erhöhung der Lebensdauer ist es, wenn an das Gefäss ein externes Kühlsystem angebracht ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie deren Verwendung werden anhand von folgenden Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Strahlungsquelle in schematischer Darstellung;

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die innere Wand des Gefässes als optisches Bauelement ausgelegt wurde;

Fig. 3 und 4 zeigen Anwendungen, bei denen das Entla-dungsgefäss als Ellipsoidreflektor ausgelegt wurde.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Strahlungsquelle in schematischer Darstellung, wo sich in einem gasdichten Gefäss 1 das Entladungsmedium 2 befindet. Das Gefäss 1 besitzt zwei für Laserstrahlung durchlässige Eintrittsöffnungen 3 und 4 sowie eine für Plasmabestrahlung durchlässige Austrittsöffnung 5. Die Eintrittsöffnung 3 ist durch das infrarotdurchlässige Fenster 6, und die Eintrittsöffnung 4 ist durch die ultraviolettdurchlässige Linse 7 verschlossen. Die Austrittsöffnung 5 ist mit dem Fenster 8 versehen. Ausserhalb des Gefässes 1 sind zwei Laser 9 und 10 vorgesehen. Die kohärente Strahlung 11 des Lasers 9, welcher ein stationärer C02-Laser ist, tritt durch das Fenster 6 in das Gefäss 1 und wird mit dem an der Wand des Gefässes angeordneten Konkavspiegel 12 fo-kussiert. Der Strahl 13 des Lasers 10, welcher ein Stickstoff-Im-pulslaser ist, wird mit Hilfe der UV-durchlässigen Linse 7 auf den gleichen Punkt fokussiert und erzeugt dort einen elektrischen Durchschlag und dadurch ein absorptionsfähiges Plasma 14, das durch die Strahlung 11 auf hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Durch das Fenster 8 kann die Strahlung 15 des Plasmas dem nachgeschalteten optischen System zugeführt werden.

Wenn die Strahlungsquelle impulsmässig betrieben werden soll, wird anstelle des kontinuierlichen Lasers 9 ein gepulster C02-Laser eingesetzt. Auf den Impulslaser 10 kann dann in der Regel verzichtet werden, da die Feldstärke eines gepulsten COî-Lasers in vielen Fällen für den Durchschlag ausreicht. Mit einer solchen Anordnung können zum Beispiel in einer Argonoder Xenonatmosphäre als Arbeitsmedium mit einem Druck von 106 Pa etwa ellipsoidförmige Plasmen von 4 mm bis 5 mm Durchmesser bis zu einer Temperatur von 10 000 K erzeugt werden. Die optische Tiefe und die Temperatur können durch Veränderung des Druckes in weiten Grenzen variiert werden. Bei steigendem Druck fällt die Temperatur, und die spektrale Verteilung nähert sich der Planckfunktion. Bei geringeren Drücken steigt die Temperatur, und die Emission wird linien-haft. Temperaturen weit oberhalb 20 000 K können mit Helium als Arbeitsmedium, das in konventionellen elektrisch betriebenen Impulslichtquellen wegen der erheblichen Elektrodenabtragung praktisch nicht verwendet werden kann, erzeugt werden. Auf diese Weise können die Strahldichte und ihre spektrale Verteilung innerhalb wesentlich grösseren Grenzen variiert werden als bei konventionellen Strahlungsquellen.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die innere Wand des Gefässes als optisches Bauelement ausgebildet wurde. Ein Mantel 16, der Konkavspiegel 17 und das Quarzfenster 18 bilden das gasdichte Gefäss, worin sich das Entladungsmedium 19 befindet. Der kohärente Strahl 20 eines C02-Im-pulslasers 21 wird mit der infrarotdurchlässigen Linse 22 fokussiert und durch das infrarotdurchlässige Fenster 23 in das Gefäss eingeleitet. Der Impulslaser 21 ist in X-Richtung 24 und Y-Richtung 25 verschiebbar angeordnet, die IR-Linse 22 ist in X-Richtung 24, Y-Richtung 25 und Z-Richtung 26 verschiebbar angeordnet. Somit kann die Lage des Brennpunktes, die der Lage des Plasmas 27 entspricht, gegenüber der optischen Achse 28 justiert werden. Die Strahlung des Plasmas 27 wird direkt und mit Hilfe des Konkavspiegels 17 durch das Quarzfenster 18

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der Kondensorlinse 29 des nachgeschalteten optischen Systems zugeführt.

Das gasdichte Gefäss ist von einem Behälter 30 umgeben. Der Hohlraum 31, der dabei entsteht, wird von einem Kühlmittel 32 durchströmt, welches am Anschluss 33 eingeleitet und am Anschluss 34 ausgeleitet wird und die durch die Strahlung des Impulslasers 21 und des Plasmas 27 erzeugte Wärme abführt. Auf das Quarzfenster 18 kann verzichtet werden, wenn die Kondensorlinse 29 an seine Stelle eingesetzt wird.

In Fig. 3 und 4 sind Anwendungen dargestellt, in denen die Entladungsgefässe 35 und 36 als Ellipsoidreflektor ausgelegt wurden. Der Strahl 37 des CCh-Lasers 38 wird mit Hilfe der Fokussierelemente, eines Konkavspiegels 39 beziehungsweise einer infrarotdurchlässigen Linse 40, auf die Brennpunkte 41 und 42 der durch die Reflexionsschichten der Ellipsoidspiegel 5 43 und 44 gebildeten Ellipsoide fokussiert. Das vom strahlenden Plasma emittierte Licht wird durch den Ellipsoidspiegel im zweiten Brennpunkt 45 beziehungsweise 46 des Ellipsoids gesammelt. Das in diesen Brennpunkten 45, 46 abgebildete strahlende Plasma dient als sekundäre Strahlungsquelle für das mit io den Kondensorlinsen 47, 48 beginnende nachgeschaltete optische System.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Strahlungsquelle für optische Geräte, insbesondere für fotolithografische Abbildungssysteme, dadurch gekennzeichnet, dass in einem gasdichten, mit einem Entladungsmedium (2) gefüllten Gefäss (1) mindestens eine für Laserstrahlung (11) durchlässige Eintrittsöffnung (3) sowie mindestens eine für Plasmastrahlung (15) durchlässige Austrittsöffnung (5) vorgesehen sind und dass zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines strahlenden Plasmas (14) im Enladungsmedium mindestens ein Laser (9) ausserhalb des Gefässes (1) vorgesehen ist, wobei optische Mittel angeordnet sind, die zur Fokussierung der Laserstrahlung im Entladungsmedium über die Eintrittsöffnung (3) dienen, so dass das Plasma einen Abstand zur inneren Wand des Gefässes (1) aufweist und die Plasmastrahlung (15) über die Austrittsöffnung (5) das Gefäss verlässt.

2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zündung des Entlademediums (2) ausserhalb des Gefässes mindestens ein weiterer impulsförmig betriebener Laser (10) angeordnet ist, der durch weitere optische Mittel (7, 22) zur Fokussierung über eine Eintrittsöffnung (4) auf den gleichen Punkt im Entladungsmedium gerichtet ist wie die andere Laserstrahlung.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel (22) zur Fokussierung der Laserstrahlung ausserhalb des Gefässes angeordnet sind.

4. Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zur Justierung jedes optischen Mittels (22) zur Fokussierung der entsprechenden Laserstrahlung bezüglich x-Richtung (24), y-Richtung (25) und z-Richtung (26) vorgesehen sind.

5. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel zur Fokussierung der entsprechenden Laserstrahlung (11, 37) innerhalb und/oder in der Wand des Gefässes angeordnet sind.

6. Strahlungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand (40) des Gefässes als ein optisches Mittel zur Fokussierung der entsprechenden von aussen zugeführten Laserstrahlung (37) ausgebildet ist.

7. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand (43, 44) des Gefässes als optisches Mittel zur Abbildung der vom Plasma ausgehenden Strahlung (37) ausgeführt ist.

8. Strahlungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand des Gefässes teilweise als Konkavspiegel oder als Ellipsoidspiegel ausgeführt ist.

9. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gefäss ein externes Kühlsystem angebracht ist.