DE69030231T2

DE69030231T2 - Vorrichtung für Halbleiterlithographie

Info

Publication number: DE69030231T2
Application number: DE69030231T
Authority: DE
Inventors: Tanya E Jewell; J Michael Rodgers
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2010-10-06
Also published as: US5063586A; DE69030231D1; EP0422853B1; JPH03139822A; EP0422853A2; JPH0568089B2; EP0422853A3

Description

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum strukturierenden Belichten eines Halbleiterbauelementes oder einer Verarbeitungsschicht auf einem Halbleiterbauelement durch aktinische oder photochemisch wirksame Strahlung.

Hintergrund der Erfindung:

Selektives Ätzen ist Bestandteil nahezu aller gegenwärtig bekannten kommerziell bedeutenden Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z.B. diskrete oder integrierte elektronische Bauelemente, optoelektronische Bauelemente oder optische Bauelemente auf Halbleiterbasis. Selektives Ätzen wird typischerweise mittels einer geeignet strukturierten Verarbeitungsschicht durchgeführt, die es gestattet, daß vorbestimmte Bereiche eines Halbleiterteils (das häufig auch als "Wafer" bezeichnet wird) einem geeigneten Ätzmedium ausgesetzt werden. Die Verarbeitungsschicht wird typischerweise mittels eines Verfahrens strukturiert, bei dem vorbestimmte Bereiche der Schicht einer aktinischen oder photochemisch wirksamen Strahlung ausgesetzt werden, wodurch sich die chemischen Eigenschaften des belichteten Materials der Verarbeitungsschicht ändern, so daß Teile der Verarbeitungsschicht selektiv entfernbar sind. Dieses Verfahren wird typischerweise als "Lithographie" bezeichnet.
Es ist wohl bekannt, daß die einzelnen Halbleiterbauelemente zunehmend kleiner ausgebildet werden, wodurch die Anzahl an Bauelementen in integrierten Schaltungen (IC's) zunehmend größer wird. Fachleute auf diesem Gebiet sprechen bei den Abmessungen eines Bauelementes allgemein von dem "Entwurfsmaß" oder den "Entwurfsparametern" als typische Abmessung eines Bauelementes. Ein Entwurfsmaß von weniger als 1 µm ist bereits kommerziell erhältlich und es ist davon auszugehen, daß ein Entwurfsmaß von weniger als 0,5 µm in den nächsten fünf Jahren kommerziell eingesetzt wird. Es erscheint als nahezu unvermeindlich, daß sich der Trend zu zunehmend kleineren Bauelementen aufgrund der technologischen Vorteile und der Kostenvorteile, die sich aus der Verwendung von IC's mit einer größeren Anzahl von Bauelementen ergeben, noch einige Zeit fortsetzt. Einer der Vorteile besteht in der höheren Geschwindigkeit aufgrund der kürzeren Übertragungszeiten bei den Trägern.
Die bei der Lithographie gegenwärtig verwendete aktinische oder photochemisch wirksame Strahlung liegt im sichtbaren Bereich oder im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Bekanntermaßen hängt die erreichbare Strukturgröße von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ab, so daß zum Erreichen kleinerer Entwurfsmaße bei der Lithographie eine kürzerwellige aktinische Strahlung verwendet werden muß. Es ist davon auszugehen, daß die gegenwärtigen optischen Lithographieverfahren für Entwurfsmaße von weniger als etwa 0,25 µm nicht mehr verwendbar sind. Stattdessen ist die Verwendung einer aktinischen Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge erforderlich. Dabei kann es sich um Teilchenstrahlen, z.B. Elektronenstrahlen, oder um eine kurzwellige elektromagnetische Strahlung, nämlich Röntgenstrahlung, handeln. Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung für die Röntgenstrahllithographie.
Vorrichtungen für ein herkömmliches Halbleiterlithographieverfahren umfassen typischerweise eine Quelle für aktinische Strahlung, eine Brechungsoptik oder eine katadioptrische Optik (d.h. eine Optik, bei der sowohl lichtbrechende als auch reflektierende Elemente verwendet werden) zum Leiten des Strahls (wobei lichtbrechende Elemente aus Glas oder Quarz verwendet werden), und eine Einrichtung zum positionieren einer "Maske" zwischen der Strahlungsquelle und dem zu belichtenden Wafer. Viele kommerziell erhältliche optische Lithographiesysteme arbeiten nach der Repetiertechnik. Diese Systeme können verkleinernd oder nicht verkleinernd arbeiten. Bei den erstgenannten Systemen sind die Strukturabmessungen des Bildes kleiner als die entsprechenden Strukturabmessungen der Maske, wobei das Verhältnis der Abmessungen durch den Verkleinerungsmaßstab ausgedrückt wird.
Aufgrund der zu erwartenden äußerst kleinen Entwurfsmaße oder Entwurfsparameter wäre es wünschenswert, eine Lithographievorrichtung des Verkleinerungstyps verfügbar zu haben, so daß die Maskenstrukturen größer sein können als die entsprechenden Strukturen des Wafers, was die Herstellung der Masken erleichtert. Zudem wäre es wünschenswert, wenn das Projektionssystem der Vorrichtung keine Krümmung des Bildfeldes aufweisen würde, so daß sowohl eine flache Maske als auch ein flacher Wafer verwendbar wäre. Es wäre zudem wünschenswert, wenn das Projektiossystem ein relativ großes Bildfeld erzeugen würde, so daß kein Abtasten erforderlich wäre, und wenn das System eine Auflösung hätte, die über ein relativ großes zweidimensionales Bildfeld größer wäre als die zu erwartenden Entwurfsmaße oder Entwurfsparameter. Die "Auflösung" ist hier als die minimale Linienbreite einer periodischen Rechteckwellenfigur definiert, die von dem Projektionssystem mit einem Kontrast ≥ 0,65 noch abgebildet werden kann. Es wäre schließlich sehr wünschenswert, wenn das Projektionssystem im Bildraum telezentrisch wäre. Dies bedeutet, daß die Hauptstrahlen im Bildraum parallel zueinander verlaufen. Hierdurch werden die Probleme bei der Positionierung der Wafer im allgemeinen stark verringert. Die vorliegende Anmeldung offenbart eine neue Röntgenstrahllithographievorrichtung, die diese und andere wünschenswerte Eigenschaften aufweist.
Im Stand der Technik sind einige optische Systeme bekannt (im allgemeinen Systeme mit vier Spiegeln, die typischerweise für die Verwendung im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich geeignet sind), die einige der Eigenschaften besitzen, die für ein Röntgenstrahlbelichtungssystem wesentlich sind. Es gibt jedoch kein System nach dem Stand der Technik, das alle wichtigen Anforderungen erfüllt. Insbesondere löst kein System nach dem Stand der Technik die Probleme, die sich aus der Anforderung an ein großes Bildfeld (z.B. kreisförmig oder rechteckig) ergeben, das im Bildraum telezentrisch ist. Zusätzlich zu der Tatsache, daß die Systeme des relevanten Standes der Technik zur Verwendung bei sehr viel größeren Wellenlängen geeignet sind als sie bei der Röntgenstrahllithographie verwendet werden, bestehen die Hauptnachteile dieser Systeme typischerweise unter anderem in dem großen Seitenverhältnis des Bildfeldes und/oder der Krümmung des Feldes. Aufgrund dieser und anderer Nachteile sind Systeme nach dem Stand der Technik nicht zur Verwendung bei Röntgenstrahllithographiesystemen der für die vorliegende Anmeldung relevanten Art geeignet.
Ein Beispiel für ein vierspiegeliges optisches System (unobscured) nach dem Stand der Technik offenbaren das US- Patent 4 226 501 und D. R. Shafer in Applied Optics, Band 17 (7) , Seiten 1072 - 1074. Bei dem bekannten System ist ein rückwärtiges Schwarzschildsystem mit einem bekannten Ringfeldsystem kombiniert, so daß ein vierspiegeliges System mit fünf Reflexionen entsteht, was sowohl bezüglich des sphärischen Aberration als auch bezüglich des Komas oder der Symmetriefehler und bezüglich des Astigmatismus korrigiert ist. Bei dem bekannten System ist die Feldkrümmung jedoch nicht korrigiert. Zudem ist das bekannte System offensichtlich für einen Betrieb im sichtbaren und/oder infraroten Bereich des Spektrums ausgelegt. Ferner weist es ein nur recht kleines nutzbares zweidimensionales Feld auf. Es kann jedoch zur Schaffung eines Weitwinkelringfeldes oder eines nicht allzugroßen Weitwinkelstreifenfeldes verwendet werden.
Ein anderes Beispiel eines relevanten vierspiegeligen Systems offenbart das Abstract TuB3 der Annual Meeting of the Optical Society of America im Jahre 1983. Der Autor dieses Abstracts ist D.R. Shafer. Das in dem Abstract beschriebene System weist zusätzlich dazu, daß es bezüglich der sphärischen Aberration, des Komas oder der Asymmetriefehler und des Astigmatismus korrigiert ist, ein flaches Bildfeld auf. Es ist angegeben, daß es für ringförmige oder streifenförmige Bildfeldformen gut korrigiert ist. Bei dem System handelt es sich zudem um ein Teleskopsystem, das offensichtlich für eine Verwendung im sichtbaren und/oder infraroten Teil des Spektrums ausgelegt ist.
Ein reflektierendes optisches System, das so gestaltet ist, daß es bei einer bestimmten Wellenlänge bestimmte Leistungskriterien (z.B. eine vorbestimmte Auflösung auf einer gegebenen Bildfeldgröße) erfüllt, kann im allgemeinen bekanntermaßen durch eine rein dimensionsmäßige Anpassung der ursprünglichen Gestaltung nicht für einen Betrieb bei einer deutlich kürzeren Wellenlänge ausgelegt werden, da die nutzbare Feldgröße um den gleichen Faktor wie die Wellenlänge maßstäblich verändert wird. Ein System, das bei einer bestimmten Wellenlänge λ auf einem Bildfeld bestimmter Größe gewisse Auflösungs- und Aberrationskriterien (ausgedrückt als Bruchteil der Betriebswellenlänge) erfüllt, erfüllt im allgemeinen nicht die gleichen Kriterien (ausgedrückt als der gleiche Bruchteil der neuen Betriebswellenlänge λ') auf einem Bildfeld gleicher Größe, wenn λ' sehr viel kleiner ist als λ (z.B. λ'/λ ≤ 0,2). Wenn ein reines Reflektionssystem beispielsweise auf einer bestimmten Bildfeldgröße bei der Wellenfrontaberration ein Höcker-zu-Tal- oder ein Maximum- zu-Minimum-Verhältnis von ≤ 0,25 λ aufweist (ein solches System ist gut korrigiert, wobei man sagt, daß es auf der gesamten Bildfeldgröße beugungsbegrenzt ist), weist das gleiche System eine Wellenfrontaberration von ≤ 2,5 λ' auf, wenn es bei einer Wellenlänge λ' = λ/10 betrieben wird. Das System ist daher bei der kürzeren Wellenlänge nicht gut korrigiert und es ist auch nicht beugungsbegrenzt.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Obgleich das optische System der beanspruchten Vorrichtung für eine Wellenlänge von weniger als etwa 30 nm ausgelegt ist, ist es nicht auf diesen Wellenlängenbereich beschränkt.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel sind zumindest zwei der Spiegel asphärisch ausgebildet. Die Absolutwerte der Radien der vier Spiegel betragen mit einer Genauigkeit von ±5% 2,20; 2,59; 2,51 und 2,3, wobei die Werte wiederum von der langen zur kurzen Konjugierten angegeben sind. Sie sind als Bruchteil der Brennweite des Systems angegeben. Äquivalent hierzu weisen die Radien der vier Spiegel in der gleichen Reihenfolge ein Verhältnis von 1,00; 1,18; 1,14 und 0,97 auf, wobei die Werte wiederum auf ±5% genau sind. Der axiale Abstand der Spiegel beträgt als Bruchteil der Brennweite des Systems 1,45 (erster konvexer Spiegel bis zum ersten konkaven Spiegel), 1,47 (erster konkaver Spiegel bis zum zweiten konvexen Spiegel), 1,10 (zweiter konvexer Spiegel bis zum zweiten konkaven Spiegel) und 1,21 (zweiter konkaver Spiegel bis zum Bild), wobei die Werte auf ±10% genau sind. Das "optische" System weist bei der kurzen Konjugierten typischerweise eine numerische Apertur von zumindest 0,07 auf.
Bei bestimmten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen beträgt die Bildverkleinerung zumindest 2 : 1, wobei a und b zumindest 5 mm betragen. Die Auflösung auf dem Bildfeld ist höher (d.h. besser) als 0,2 µm. Erfindungsgemäße lithographische Vorrichtungen können wahlweise auch eine Quelle für die Verarbeitungsstrahlung (z.B. eine Laserplasma-Röntgenstrahlungsquelle) und/oder eine Filtereinrichtung für die Strahlung umfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Hauptelemente einer beispielhaften erfindungsgemäßen Röntgenstrahllithographievorrichtung;
Fig. 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung anhand einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht die relevanten Teile eines beispielhaften erfindungsgemäßen Projektionssystems von der Maske bis zur Bildebene, wobei die Randstrahlen eines axialen Feldpunkts dargestellt sind;
Fig. 4 zeigt fur ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Projektionssystem für verschiedene Punkte eines rechteckigen Bildformates den RMS-Wellenfrontfehler und den 84% umschließenden oder einschließenden Energiedurchmesser (vor Angaben der Toleranzen), wobei die Wellenlänge 13 nm beträgt;
Fig. 5 zeigt fünf Darstellungen der Strahlaberration für das gleiche beispielhafte System wie in Fig. 4. Die Diagramme zeigen für fünf der in Fig. 4 dargestellten Feldpunkte Bildfehler in Y-Richtung als Funktion der relativen Pupillenkoordinate entlang des Y-Meridians (linke Spalte) und Bildfehler in x-Richtung als Funktion der relativen Pupillenkoordinate entlang des x-Meridians (rechte Spalte);
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der relevanten Teile eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Projektionssystems, wobei es sich um ein koaxiales System handelt; und
Fig. 7 und 8 enthalten Leistungs- oder Kenndaten für zwei beispielhafte erfindungsgemäße koaxiale Projektionssysteme.
Gleiche oder analoge Merkmale in verschiedenen Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ausführliche Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Halbleiter- Rröntgenstrahllithographie. Die Vorrichtung umfaßt eine Strahlungsquelle 11 (beispielsweise ein Synchrotron- oder eine Laserplasmaquelle), die typischerweise in Form eines polychromatischen Strahles Röntgenstrahlen 12 emittiert. Ein optisches Filtersystem 13 dient zum Einengen der Spektralbreite des Strahles 12, so daß ein im wesentlichen monochromatischer Strahl 12' entsteht. Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Projektionssystem, wie weiter unten diskutiert wird, um ein reines Reflektionssystem handelt, ist nicht immer ein Filtersystem erforderlich. Die beste Auflösung erhält man jedoch im allgemeinen dann, wenn längere Wellenlängen aus dem Strahl entfernt werden. Durch eine Anpassung der spektralen Breite der einfallenden Strahlung an die Reflektionsbandbreite der Spiegel in dem Projektionssystem läßt sich jedoch zudem die Stabilität des Systems typischerweise verbessern, da die Spiegel nicht durch unerwünschte Strahlung belastet werden.
Die Wellenlänge der auf die Maske 14 einfallenden Strahlung (die Verarbeitungsstrahlung) ist typischerweise kürzer als etwa 30 nm. Sie beträgt beispielsweise etwa 13 nm. Da gegenwärtig kein optisches Material bekannt ist, das für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 100 nm eine hohe Durchlässigkeit aufweist, muß es sich bei dem Projektionssystem bei einer Verarbeitungsstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 30 nm um ein reines Reflektionssystem handeln.
Die Maske wird durch eine nicht dargestellte Einrichtung in einer festen Beziehung zu dem optischen System 10 gehalten. Dabei kann es sich um eine herkömmliche Einrichtung handeln, die keiner ausführlichen Beschreibung bedarf. Bei dem optischen System handelt es sich um ein erfindungsgemäßes Röntgenstrahlprojektionssystem mit vier (oder möglicherweise auch mehr) Spiegeln, von denen zumindest zwei asphärisch ausgebildet sind. Die Spiegel werden nachstehend ausführlich beschrieben. Das Projektionssystem sorgt dafür, daß die Verarbeitungsstrahlung auf einen vorbestimmten Bereich eines Halbleiterwafers 15 auftrifft. Die Oberfläche des Wafers ist typischerweise mit einer (nicht dargestellten) Verarbeitungsschicht bedeckt, die ein "Resistmaterial" umfaßt, das die Verarbeitungsstrahlung absorbiert und folglicherweise chemischen Veränderungen unterworfen ist.
Der Wafer 15 ist beispielsweise auf einer geeigneten Trägereinrichtung 16 angebracht, von der er in einer festen Beziehung bezüglich des Projektionssystems gehalten wird. Die lithographische Vorrichtung umfaßt typischerweise auch eine x-y-Schrittschalteinrichtung oder einen x-y- Schrittmotor 17 oder eine andere Einrichtung, durch die der Wafer nach erfolgter Belichtung eines Bereiches des Wafers (z.B. eines 10 x 10 mm großes Quadrates) in einer im wesentlichen senkrecht auf dem Röntgenstrahl stehenden Ebene so bewegt wird, daß ein anderer Bereich des Wafers in eine passende Stellung zur Durchführung der Belichtung gebracht wird. Dieses Verfahren ist unter der Bezeichnung Repetierverfahren bei Fachleuten wohl bekannt. Eine Einrichtung zur Durchführung des Repetierverfahrens ist ebenfalls bekannt und bedarf daher keiner ausführlichen Beschreibung. Erfindungsgemäße Systeme umfassen typischerweise auch ein Kondensorsystem 18, das dazu dient, daß die Maske gleichmäßig bestrahlt und die Quelle in die Eintrittsöffnung des optischen Systems 10 abgebildet wird.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, die eine Maske des Transmissionstyps umfaßt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und sie kann auch in einer Vorrichtung realisiert werden, bei der eine Maske des Reflektionstyps verwendet wird. Die in Fig. 1 dargestellte beispielhafte Vorrichtung kann durch Fachleute auf diesem Gebiet einfach an einer Reflektionsmaske angepaßt werden.
Die relevanten Teile der beispielhaften und gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlprojektionssystems sind in den Fig. 2 und 3 anhand einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht schematisch dargestellt. Beide Figuren zeigen einen auf einer Maske 14 auftreffenden Strahl 12' einer Verarbeitungsstrahlung, wobei der Durchmesser des Strahls wahlweise durch eine Blende 20 begrenzt wird. Fig. 2 zeigt die sich von der Maske in Richtung auf einen Primärspiegel 21 divergierend ausbreitende Strahlung, wobei es sich bei dem Spiegel um einen außerhalb der Achse angeordneten konvexen asphärischen Spiegelabschnitt handelt. Die von dem Spiegel 21 empfangene Strahlung wird in Form eines divergierenden Musters auf einen Sekundärspiegel 22 reflektiert, bei dem es sich um einen konkaven sphärischen Spiegel handelt. Von dem Spiegel 22 aus wird die Strahlung in einem konvergierenden Muster auf die konvexe Oberfläche eines Tertiärspiegels 23 reflektiert. Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Tertiärspiegel um einen schwach asphärisch ausgebildeten Spiegel; bei manchen Anwendungen kann jedoch wahlweise auch ein sphärischer Spiegel verwendet werden. Durch den Tertiärspiegel ist die Aperturblende oder die Öffnungsblende des Systems festgelegt. Von dem Spiegel 23 aus wird die 9 Strahlung in einem divergierenden Muster auf einen Quarternärspiegel 24 reflektiert, bei dem es sich um einen seitlich der Achse liegenden konkaven asphärischen Spiegel handelt. Die Krümmung und die Stellung des Spiegels 24 sind so gewählt, daß die von dem Spiegel 24 reflektierte Strahlung im Bildraum telezentrisch ist.
In Fig. 2 ist auch das zur Beschreibung der Erfindung verwendete Koordinatensystem dargestellt. Die z-Achse verläuft parallel zu der Bezugsachse 25 (die wiederum senkrecht auf den bestrahlten Teil der Maske 14 steht, in dem sie zentriert ist), während die x- und die y-Achse parallel zu der Maske verlaufen. Aus Fig. 3 ergibt sich offensichtlich, daß das Projektionssystem symmetrisch um die yz-Ebene ist.
Wie zu erkennen ist, ist das erfindungsgemäße Projektionssystem außerhalb der Achse der Blende und des Bildfeldes angeordnet, d.h., daß das System keine Rotationssymmetrieachse aufweist. Zudem handelt es sich um ein rein reflektierendes, unobscured endlich konjugiertes System (d.h. daß sich das Objekt nicht im unendlichen befindet), das von einer flachen Maske ein flaches Röntgenstrahlbild liefert. Das Bild kann beugungsbegrenzt sein mit einer hohen Auflösung über das gesammte Bildfeld. Das Bildfeld ist zweidimensional, wobei die Abmessung des Bildfeldes in zwei Raumrichtungen durch die Parameter a und b gegeben ist, und wobei die Achsen des Bildfeldes so gewählt werden, daß a ≥ b ist. Die Abmessungen des Bildfeldes werden so gewählt, daß b ≥ 0,1a und b ≥ 1mm ist. A und b betragen beispielsweise etwa 10 mm, so daß das Bildfeld quadratisch oder kreisförmig ist. Es sind jedoch auch rechteckige, elliptische oder auch andere Formen des Bildfeldes möglich und werden in Betracht gezogen.
Bei erfindungsgemäßen Projektionssystemen können die Spiegelparameter einfach so gewählt werden, daß die Spiegel entsprechend zusammenwirken um einen hohen Korrekturgrad für die sphärische Aberration, das Koma, den Astigmatismus und die Petzval-Krümmung zu ergeben. Die Verzerrung, d.h. eine nach außen oder innen gerichtete Wölbung der Seiten eines ansonsten perfekten Quadrates, läßt sich bis auf einen Rest in der Größenordnung von 1% beseitigen, der besser durch eine Vor- oder Nachbearbeitung der Abbildungen beseitigt werden kann.
Bei den erfindungsgemäßen Systemen ist die Auflösung über das gesammte Bildfeld typischerweise besser als 0,25 µm. Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beträgt die Auflösung bei einem quadratischen Bildfeld der Größe 10 x 10 mm 0,1 µm, während sie bei einem quadratischen Bildfeld der Größe 25 x 25 mm 0,2 µm beträgt, wenn das System um einen Faktor 2,5 maßstäblich vergrößert wird, wobei sich der Abstand zwischen Maske und Wafer auf einen Meter erhöht. Die wellenlänge der Verarbeitungsstrahlung beträgt jeweils 13 nm.
Die Fig. 4 und 5 zeigen berechnete Leistungs- oder Kenndaten für die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionssystems, wobei die Wellenlänge 13 nm beträgt. Fig. 4 zeigt insbesondere den RMS- Wellenfrontfehler und den 84% einschließenden oder umschließenden Energiedurchmesser an 9 Punkten (die mit den Bezugszeichen 41 - 50 versehen sind) in einem quadratischen Bildfeld 40 der Größe 10 x 10 mm. Fig. 5 zeigt anhand von Diagrammen die Strahlaberration für fünf der neun Bildfeldpunkte in Fig. 4, wobei sich die Figuren 5A, 5B, 5C, 5D und 5E auf die Punkte 41, 42, 43, 44 und 45 beziehen. Die Ordinate ist in Milimetern angegeben.
Die Tabellen I bis V enthalten Konstruktionsdaten und andere wichtige Informationen des in den Fig. 2 und 3 dargestellten, gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Projektionssystems. Bei diesem System handelt es sich um einen 5 : 1, NA 0,08, 50 x 50 mm Vierspiegel-Anastigmaten. Die Bezugswellenlänge beträgt 13 nm. Die Informationen sind, wie Fachleute bemerken werden, in einer Form dargestellt, die für die Verwendung bei der bekannten und weit verbreiteten Software zur Gestaltung von Linsen (beispielsweise CODEV) geeignet ist. Die verwendete Terminologie ist Fachleuten ebenfalls bekannt.
Tabelle I enthält Spiegelradien, Abstände und andere wichtige Informationen. Tabelle I
Bemerkungen:
- Positive Radien deuten an, daß sich der Krümmungsmittelpunkt rechts befindet.
- Negative Radien deuten an, daß sich der Krümmungsmittelpunkt links befindet.
- Die Abmessungen sind in Milimetern angegeben.
- Die Dicke ist der axiale Abstand zu der nächsten Fläche.
- Bei dem angegebenen Bilddurchmesser handelt es sich um den paraxialen Wert und nicht um den Strahlenverlaufswert.
Tabelle II enthält Daten über die dezentrierten Blenden. Tabelle II
Die Abweichung von der Kugelform ist durch folgende Gleichung gegeben:
Tabelle III enthält die Werte der asphärischen Koeffizienten, während Tabelle IV Werte für die Dezentrierungskonstanten der Spiegel enthält.
Durch eine Dezentrierung oder ein sogenanntes Decenter ist ein neues Koordinatensystem bestimmt (verschoben und/oder gedreht) in dem nachfolgende Oberflächen definiert sind. Im Anschluß an eine Dezentrierung sind die Oberflächen zu der örtlichen mechanischen Achse (der z-Achse) des neuen Koordinatensystems ausgerichtet. Die neue mechanische Achse wird so lange verwendet, bis sie durch eine andere Dezentrierung verändert wird. Die Reihenfolge, in der eine gegebene Oberfläche verschoben und geneigt wird, wird unter Verwendung unterschiedlicher Dezentrierungstypen spezifiziert, durch die unterschiedliche neue Koordinatensysteme erzeugt werden, wobei die hier verwendeten nachstehend erklärt werden Alpha, Beta und Gamma werden in Grad gemessen.
Schlüssel für die Dezentrierungskonstanten: Tabelle III Tabelle IV
Tabelle V enthält schließlich Daten erster Ordnung des beispielhaften Systems, bei dem es sich um ein dezentriertes System handelt. Wenn Elemente mit einer optischen Wirkung dezentriert oder geneigt werden, sind die Eigenschaften erster Ordnung häufig nicht mehr angemessen, um die Eigenschaften oder Kenngrößen des Systems zu beschreiben. Tabelle V enthält die Brennpunkte einschließlich des Brennpunktes des beispielhaften Projektionssystems (EFL). Wie bei Fachleuten bekannt ist, ist der Brennpunkt des Systems ein Gestaltungsparameter, der von den Radien und den Abständen der Spiegel abhängig ist. Nach Auswahl der oben genannten Parameter kann der Entwickler des Systems daher den Wert für EFL auf bekannter Art und Weise ermitteln. Tabelle V
Bemerkungen: -FFL ist von der ersten Oberfläche aus gemessen.
-BFL ist von der letzten Oberfläche aus gemessen.
Es sind Spiegel bekannt, die in dem interessierenden Spektralbereich ein relativ hohes Reflektionsvermögen besitzen. So offenbaren z.B. J.A. Trail et al. in Applied Physics Letters, Band 52, Seite 269, 1988, einen Spiegel mit 62 Si/Mo-Schichtpaaren, die bei einer Wellenlänge von 15 nm ein Reflektionsvermögen von mehr als 50% aufweisen. H. Kinoshita et al. geben in dem Artikel "Soft X-ray reduction lithography using multilayer mirrors", der 1989 auf dem 33sten International Symposium on Electron, Ion, and Photon Beams, in Monterey, Californien, präsentiert wurde unter anderem Reflektionsdaten für Ni/C- und Mo/Si-Mehrschichtstrukturen an, wobei sie folgern, daß die letztgenannten bei einer Wellenlänge von etwa 13 nm und einer Bandbreite von 0,5 nm ein Reflektionsvermögen von 65% aufweisen. A.M. Hawryluk et al. offenbaren im Journal of Vacuum Science and Technology, Band B6, Seite 2162, 1988 ein Lithographiesystem mit einer zweispiegeligen Röntgenstrahlreduktions- oder Verkleinerungskamera, bei der eine Reflektionsmaske (bei einer solchen Maske handelt es sich im wesentlichen um einen strukturierten stark streuenden Mehrschichtspiegel) und sphärische Mehrschichtspiegel verwendet werden. Siehe auch E. Spiller, American Institute of Physics, Proceedings Nr. 75, "Low Energy X-ray Diagnostics", Seiten 124 - 130, 1981.
Angesichts der Tatsache, daß das Reflektionsvermögen von Spiegeln in dem interessierenden Spektralbereich aller Vorraussicht nach nicht höher ist als etwa 75%, wirkt es sich typischerweise vorteilhaft aus, wenn die Anzahl der in dem System verwendeten Spiegel erfindungsgemäß auf vier, d.h. die minimale Anzahl an benötigten Spiegeln, oder vielleicht auch auf fünf begrenzt wird. Bei Entwürfen mit mehr als fünf Spiegeln sind typischerweise unakzeptabel hohe Belichtungszeiten und/oder sehr intensive (und damit auch teurere) Röntgenstrahlquellen erforderlich.
In vielen Fällen erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Erfindung durch eine Vorrichtung realisiert wird, die ein Projektionssystem mit einer koaxialen Spiegelanordnung umfaßt, da ein solches Projektionssystem typischerweise einfacher zu montieren, auzurichten und zu testen ist als ein System mit einer nicht koaxialen Spiegelanordnung. Ein Ausführungsbeispiel für ein solches System zeigt Fig. 6, in der ein koaxialer Anastigmat mit vier Spiegeln dargestellt ist. Die Krümmungsmittelpunkte der Spiegel liegen alle auf einer gemeinsamen Achse, die sowohl senkrecht auf der Objektebene als auch senkrecht auf der Bildebene steht. Zusätzlich hierzu sind alle Asphären (parent aspherics) bezüglich der gemeinsamen Achse weder geneigt noch dezentriert. Bei dem Projektionssystem handelt es sich somit um ein rotationssymmetrisches System mit einer exzentrischen Apertur oder Öffnungsblende (an dem tertiären Spiegel 23) und einem außeraxialen Feld. Diese Symmetrie ermöglicht Gestaltungen mit einer sehr geringen Restverzerrung, z.B. 0,7 µm für ein Feld der Größe 5 x 10 mm. Eine solch geringe Verzerrung läßt sich durch eine Vorverzerrung der Maske einfach korrigieren.
Ein speziell gestaltetes koaxiales Projektionssystem gemäß Fig. 6, bei dem alle vier Spiegel asphärisch ausgebildet sind (wobei zwei Spiegel konische Oberflächen aufweisen während die anderen Spiegel konische Oberflächen mit einer Abweichung sechster Ordnung aufweisen, wobei die maximale asphärische Abweichung von der am besten angepaßten Kugel über die genutzten Spiegelbereiche 3,6 µm beträgt), besitzt die folgenden Eigenschaften:
Für ein Feld der Größe 5 x 10 mm auf der Waferseite und einem Wert für NA von 0,08 beträgt der maximale RMS Restwellenfrontfehler 0,027 Wellen (im Mittel 0,018 Wellen) bei einer Wellenlänge von 13 nm, wobei der minimale Rechteckwellen-MTF-Wert bei 5000 Linien/mm 0,61 beträgt. Bei dem beispielhaften System beträgt der Abstand zwischen Maske und Wafer 500 mm und das System ist im Bildraum im wesentlichen telezentrisch, wobei der maximale Nichttelezentrizitätsfehler 0,005 µm pro 1 µm Defokusierung beträgt. Fig. 7 zeigt analog zu der Darstellung in Fig. 4 beispielhafte Leistungs- oder Kenndaten der oben diskutierten 5 x 10 mm Konstruktion.
Das beispielhafte System umfaßt von der langen zu der kurzen Konjugierten einen ersten konvexen Spiegel, einen ersten konkaven Spiegel, einen zweiten konvexen Spiegel und einen zweiten konkaven Spiegel, wobei die Brennweite des Systems (EFL) 150.0583 mm beträgt. Die Absolutwerte der Radien der vier Spiegel betragen als Bruchteil von EFL von der langen zur kurzen Konjugierten 2.612; 2.987; 1.671 und 1.563, wobei die Werte auf ±5% genau sind. Equivalent hierzu weisen die Radien der vier Spiegel in der gleichen Reihenfolge das Verhältnis 1,00; 1,14; 0,64 und 0,598 auf, wobei die Werte auf ±5% genau sind. Die axialen Abstände der Spiegel betragen als Bruchteil von EFL 1,845 (erster konvexer Spiegel bis zum ersten konkaven Spiegel), 1,926 (erster konkaver Spiegel bis zum zweiten konvexen Spiegel), 0,862 (zweiter konvexer Spiegel bis zum zweiten konkaven Spiegel) und 1,042 (zweiter konkaver Spiegel bis zum Bild), wobei die Werte auf ±10% genau sind. Wie auch bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel führt eine Abweichung der angegebenen Werte um mehr als die angegebenen Prozentsätze im allgemeinen zu einem System, das eines oder mehrere der angegebenen Leistungskriterien nicht erfüllt.
Die Tabellen VI bis IX enthalten weitere Konstruktionsdaten und andere relevante Informationen über das oben angegebene beispielhafte, koaxiale 5 x 10 mm Projektionssystem, wobei die Tabelle VI analoge Daten zu Tabelle 1 enthält, während Tabelle VII analoge Daten zu Tabelle III enthält. Tabelle VIII enthält die analogen Daten zu Tabelle IV und Tabelle IX enthält die analogen Daten zu Tabelle V. Die Bemerkungen zu den Tabellen I-V gelten auch analog für die Tabellen VI-IX. Die Bezugswellenlänge beträgt 13 nm. Tabelle VI Tabelle VII Tabelle VIII Tabelle IX
Eine weitere Ausführung des koaxialen Projektionssystems gemäß Fig. 6 weist auf einem Bildfeld der Größe 10 x 15 mm auf einem Wafer zwar beugungsbegrenzte Leistungsdaten auf, es besitzt jedoch eine etwas größere Einhüllende als das oben beschriebene System mit einer Bildgröße von 5 x 10 mm. Der Abstand zwischen Maske und Wafer beträgt beispielsweise 880 mm. Die Verzerrung liegt unterhalb von 1 µm. Der maximale RMS-Wellenfrontfehler beträgt 0,053 µm (im Mittel 0,039 µm). Der minimale Rechteckwellen-MTF-Wert bei 5000 Linien/mm beträgt 0,54 (im Mittel 0,59), so daß mit einer geringeren Schärfentiefe oder Fokustiefe eine Auflösung von 0,1 µm erreichbar ist. Alle Spiegel weisen konische Oberflächen auf, wobei Glieder 6-ter und 8-ter Ordnung hinzugefügt wurden. Die maximale asphärische Abweichung von der besten angepaßten Kugel bei dem genutzten Bereich der Spiegel beträgt jeweils 6,6 µm. Fig. 8 zeigt in Analogie zu den Fig. 4 und 7 beispielhafte Leistungs- oder Kenndaten.

Claims

1. Zur Halbleiterlithographie geeignete Vorrichtung umfassend

(a) eine Einrichtung zum Halten eines im wesentlichen flachen Maskenelementes (14), wobei das Maskenelement zu belichten ist, um Strahlung während wenigstens eines Teils der Verwendungszeit der Vorrichtung zu beeinflussen,

(b) eine Einrichtung (16) zum Halten eines Halbleiterelementes (15) in vorbestimmtem Verhältnis in Bezug auf das Maskenelement, und

(c) eine Projektionssystemeinrichtung (10), welche ein Strahlungsbild mit verminderter Größe eines vorbestimmten Bereichs des Maskenelements an einer Oberfläche des Halbleiterelementes oder an einer Bearbeitungsschicht, die an der Oberfläche des Halbleiterelementes angeordnet ist, ausbilden kann, dadurch gekennzeichnet, daß

(d) die Projektionssystemeinrichtung für die Verwendung von Strahlung einer Wellenlänge von unterhalb ungefähr 30 nm geeignet ist,

(e) der Projektionssystemeinrichtung ein Bildfeld und eine Auflösung entlang des Bildfeldes zugeordnet ist, wobei das Bildfeld zwei Richtungen hat, die mit a und b bezeichnet sind, wobei a ≥ b, b ≥ 0,1a und b ≥ 5 mm, und wobei die Auflösung entlang des Bildfeldes höher als ungefähr 0,25 µm ist und

(f) die Projektionssystemeinrichtung vier, und nur vier, gekrümmte Spiegel (z.B. 21, 22, 23, 24) für die Bearbeitungsstrahlung umfaßt, welche ein finites konjugiertes optisches System bilden, das telezentrisch dei den kurzen Konjugierten ist, wobei die gekrümmten Spiegel von lang bis kurz konjugiert ein erster konvexer, ein erster konkaver, ein zweiter konvexer und ein zweiter konkaver Spiegel sind, wobei die Spiegel derart ausgewählt sind, daß das Bild des vorbestimmten Bereichs des Maskenelementes ein im wesentlichen ebenes, beugungsbeschränktes Bild ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Bildverkleinerung wenigstens 2:1 ist, wobei die Auflösung entlang des Bildfeldes höher als 0,2 µm ist, und wobei die Projektionssystemeinrichtung eine numerische Apertur bei den kurzen Konjugierten von wenigstens 0,07 hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher wenigstens zwei der gekrümmten Spiegel asphärische Spiegel sind, wobei die Absolutwerte der Radien der vier gekrümmten Spiegel von lang zu kurz konjugiert und als Bruchteil der Fokuslänge des Systems 2,20, 2,59, 2,51, und 2,13 betragen, sämtliche Werte innerhalb ±5%, wobei die Radien der vier Spiegel von lang zu kurz konjugiert im Verhältnis von 1,00, 1,18, 1,14 und 0,97 stehen, alle Werte innerhalb von ±5%, wobei die axiale Trennung als Bruchteil der Systembrennweite 1,45 (erster konvexer zum ersten konkaven Spiegel), 1,47 (erster konkaver zum zweiten konvexen Spiegel), 1,10 (zweiter konvexer zum zweiten konkaven Spiegel) und 1,21 (zweiter konkaver Spiegel zu Bild) beträgt, alle Werte innerhalb von ±10%, und wobei die Projektionssystemeinrichtung eine numerische Apertur bei den kurzen Konjugierten von wenigstens 0,07 hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Quelle von Bearbeitungsstrahlung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher jedem Spiegel ein Krümmungsmittelpunkt zugeordnet ist, und bei welcher die Spiegel so angeordnet sind, daß alle Krümmungsmittelpunkte im wesentlichen auf einer vorgegebenen Achse liegen, wobei der Vorrichtung eine Objektebene und eine Bildebene zugeordnet ist, wobei die Objektebene und die Bildebene zu dieser Achse senkrecht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher alle vier gekrümmte Spiegel asphärische Spiegel sind, wobei die Absolutwerte der Radien der vier Spiegel von lang zu kurz konjugiert und als Bruchteil der Systembrennweite 2,612, 2,987, 1,671 und 1,563 betragen, alle Werte innerhalb von ±5%, wobei die Radien der vier Spiegel von lang zu kurz konjugiert im Verhältnis von 1,00, 1,14, 0,64 und 0,598 stehen, alle Werte innerhalb von ±5%, wobei die axiale Trennung als Bruchteil der Systembrennweite 1,845 (erster konvexer zu erstem konkaven Spiegel), 1,926 (erster konkaver zu zweitem konvexem Spiegel), 0,862 (zweiter konvexer zu zweitem konkavem Spiegel) und 1,042 (zweiter konkaver Spiegel zu Bild) betragen, alle Werte innerhalb von ±10%, und wobei die Projektionssystemeinrichtung eine numerische Apertur bei den kurzen Konjugierten von wenigstens 0,07 hat.