WO1998000760A1 - Lithographie-belichtungseinrichtung und lithographie-verfahren - Google Patents

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WO1998000760A1
WO1998000760A1 PCT/EP1997/003053 EP9703053W WO9800760A1 WO 1998000760 A1 WO1998000760 A1 WO 1998000760A1 EP 9703053 W EP9703053 W EP 9703053W WO 9800760 A1 WO9800760 A1 WO 9800760A1
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light
exposure
light spot
spot pattern
movement
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PCT/EP1997/003053
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Uwe Brauch
Hans Opower
Bernd HÖFFLINGER
Reinhard Springer
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Deutsches Zentrum Für Luft- Und Raumfahrt
Institut Für Mikroelektronik Stuttgart (Stiftung Des Öffentlichen Rechts)
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    • G03F7/704—Scanned exposure beam, e.g. raster-, rotary- and vector scanning

Definitions

  • the invention relates to a lithography exposure device comprising a receptacle for a substrate provided with a light-sensitive layer, an exposure unit with a laser and a beam guiding optics for generating a light spot on the light-sensitive layer of the substrate held in the receptacle, a movement unit for generating a relative movement between the beam guiding optics of the exposure unit and the recording and a controller for controlling the intensity and position of the light spot on the light-sensitive layer of the substrate.
  • the invention is therefore based on the object of providing a lithography exposure device with which the smallest possible structures can be produced by means of lithography with periods of great efficiency which come close to the order of magnitude of the production periods currently available with masks.
  • the exposure unit comprises a multiplicity of semiconductor lasers, in that the beam guiding optics lead the laser radiation of each semiconductor laser to a light spot of a defined light spot pattern and in that the entire light spot pattern and the recording in an exposure movement direction can be moved relative to one another and the light spots of the light spot pattern can be activated and deactivated in accordance with the shape of the partial areas to be exposed.
  • the advantage of the solution according to the invention can be seen in the fact that the use of semiconductor lasers creates the possibility of providing a large number of laser units in a simple, in particular also cost-effective manner, each of which subsequently gives a light spot of the light spot pattern, which in turn remains relative is movable for inclusion.
  • the semiconductor lasers that on the one hand they have a sufficient output power and on the other hand they can be activated and deactivated quickly, preferably in the nanosecond range.
  • the light spot pattern is only maintained with the desired precision during the relative movement between the latter and the image if the beam guiding optics forms an invariable unit, which as a whole remains unchanged during the relative movement, so that relative movement between the light spot pattern and the image is only due to a relative movement between the imaging optics and the recording is allowable.
  • This enables the partial areas to be exposed to be produced with sufficient speed and precision.
  • the light spot pattern can have light spots arranged in any manner.
  • the light spot pattern starting from a light spot serving as a reference, has light spots arranged at different intervals in a transverse direction perpendicular to the direction of exposure movement, so that when carrying out the relative movement in the direction of exposure motion, each light spot can be used to different parts of the photosensitive Expose layer.
  • each light spot of the light spot pattern is at a different distance from the light spot serving as a reference than the other light spots, so that the greatest possible number of different partial areas of the light-sensitive layer can be exposed with a predetermined number of light spots.
  • the distances of all light spots of the light spot pattern form a series of distances in which each distance is one increment larger than another of the distances.
  • each light spot has a different distance on the one hand, and on the other hand all different distances can be arranged in size in a row, the difference from one distance to the next corresponding to the increment.
  • the increment is smaller than an extension of the light spots in the transverse direction.
  • the increment is at most a quarter of the extent of the light spots in the transverse direction. It is even better if the increment is one tenth of the extent of the light spots in the transverse direction, since the structures to be exposed can thus be produced in a finer writing grid with a light spot pattern.
  • the light spot pattern comprises at least one series of light spots arranged in a row which are perpendicular to the direction of exposure movement and are at a distance from one another which is smaller than their extent perpendicular to the direction of exposure movement.
  • Such a series of light spots can be produced particularly inexpensively, since when semiconductor lasers are used, they are preferably used in rows as semiconductor laser arrangements, with a distance predetermined by the semiconductor arrangement between the individual semiconductor lasers. Imaging of such a semiconductor laser arrangement in the light spot pattern with light spots as small as possible inevitably leads to such a light spot pattern.
  • the distance between the light spots of the series is constant perpendicular to the direction of movement.
  • a light spot pattern that can be used particularly advantageously can thus be achieved.
  • each row of light spots arranged in a row preferably forms a row of light spots running along a straight line.
  • a solution is particularly favorable in which the light spots in the respective row are at a distance from one another in the series direction which is greater than their extension in the series direction.
  • the series direction has an angle of not equal to 90 ° - for example less than 90 ° - includes with the direction of exposure movement.
  • the projection of the light spots arranged in the series onto the transverse direction perpendicular to the exposure movement direction thus results in a reduction in the distance to the above-mentioned extent.
  • semiconductor lasers which generate laser radiation in the blue spectral range or in the near UV can be used in the device according to the invention. Since such semiconductor lasers have hitherto not had the price / performance ratio required for commercial use, it is preferably provided that the exposure unit comprises frequency doublers connected downstream of the semiconductor lasers. In this case it is possible to use conventional semiconductor lasers working in the red or infrared spectral range and to double the frequency.
  • the laser radiation should be guided from the semiconductor lasers to the beam guiding optics since the beam guiding optics and the receptacle must be movable relative to one another.
  • the semiconductor laser arrangements or semiconductor laser arrays directly and, based on this system, to use the beam guiding optics to image the individual laser beams onto the light-sensitive layer for generating the light spot pattern, so that the semiconductor lasers and the beam guiding optics form one unit and thereby this unit and the receptacle are movable relative to one another.
  • the exposure unit comprises the light guide that guides the laser radiation to the beam guidance optics, which opens up the possibility of bringing the laser radiation from the semiconductor lasers located further away with as little loss as possible to the beam guidance optics, so that in this case the beam guidance optics and the receptacle are relative to one another form movable units.
  • Monomode fibers are preferably used for such light guides and those which work in single mode operation as semiconductor lasers.
  • the light guides are preferably designed such that they have a first end, into which the laser radiation can be coupled, and a second end, from which the laser radiation emerges, and that a collimating element is arranged after each second end, which element diverges laser radiation emerging from each second end of the light guide collimates and forms a collimated radiation beam therefrom.
  • Such a solution has the great advantage that it is possible to optimally image the collimated radiation beam onto the light-sensitive layer and thus to obtain the smallest possible diameter of the resulting light spot, in which case preferably the second one Ends and the beam guiding optics comprising the collimating optics form a unit and this unit and the receptacle can be moved relative to one another.
  • the beam guiding optics comprises a telescope that reduces the image.
  • the beam guiding optics comprises a telescope that reduces the image.
  • the beam guiding optics comprise microscope optics which generate the light spots.
  • Such microscope optics are a simple way of obtaining the greatest possible reduction in the spacing between the individual light spots.
  • microscope optics have the disadvantage that the extent of the light spots is sensitive to the distance of the microscope optics from the layer to be exposed. For this reason, it is advantageously provided that the Microscope optics is arranged on a height positioning device and can be positioned by this during the exposure movement at a defined distance above the light-sensitive layer. Such a height positioning device thus creates the possibility of eliminating the disadvantages of such microscope optics or keeping them as small as possible.
  • the height positioning device can maintain a distance between a bottom side of the microscope optics facing the light-sensitive layer and the light-sensitive layer.
  • the distance is on the order of a diameter of the individual light spot on the light-sensitive layer.
  • the microscope optics are provided with near field optics which define the size of the light spots on the light-sensitive layer.
  • near-field optics have the great advantage that, because of their proximity to the light spots generated on the light-sensitive layer, they open up the possibility of determining the final size of the light spots on the light-sensitive layer largely independently of the previous beam guidance.
  • the near-field optics are preferably arranged directly on a bottom side of the microscope objective facing the light-sensitive layer, so that the distance between the near-field optics and the light-sensitive layer can be kept very small.
  • the near-field optics can be designed in a wide variety of ways.
  • the exemplary embodiment provides that the near-field optics define the light spots of the light spot pattern through aperture-like pass regions.
  • aperture areas similar to diaphragms can preferably be reached by vapor deposition of the microscope optics on their side facing the photosensitive layer.
  • the near-field optics define the size of the light spots of the light spot pattern by means of beam-concentrating elements.
  • additional beam-concentrating elements are provided on the side of the microscope objective facing the light-sensitive layer, these being beam-concentrating elements
  • elements are conical in order to obtain the light spots generated on the light-sensitive layer with the smallest possible size.
  • the near-field optics according to the invention can be used advantageously in particular if they reduce the size of the light spots in at least one direction to values significantly below the wavelength of the laser radiation.
  • the vector of the electric field E of the laser radiation is expediently placed such that it lies parallel to the direction in which the extension of the light spots is smaller than the wavelength.
  • the lithography exposure device Since the areal extension of the light spot patterns cannot be increased arbitrarily without the beam guiding optics having to be implemented in a complex manner, it is advantageously provided that the lithography exposure device generates a plurality of light spot patterns in order to shorten the required exposure times.
  • Each light spot pattern has light spots arranged in a defined geometric pattern, the plurality of light spot patterns being able to be arranged as desired relative to one another.
  • the plurality of light spot patterns can be moved in different exposure movement directions.
  • the plurality of light spot patterns can preferably be used during the same exposure process, so that larger subregions of the light-sensitive layer can be exposed during an exposure process.
  • the multiple light spot patterns could in principle be fed from a set of semiconductor lasers, in particular if the same exposed partial areas are to be generated with each light spot pattern.
  • a solution which is particularly simple to carry out provides for a plurality of exposure units which work independently in order to generate the plurality of light spot patterns.
  • the object of the invention is also in a lithographic process for the production of flat structures on a substrate by the following steps, a coating step in which the photosensitive layer is applied to the substrate, an exposure step in which according to the structure to be produced by position and intensity control of a light spot which is produced with laser radiation on the light-sensitive layer and exposed and unexposed partial areas of the light-sensitive layer are produced, and a detaching step in which one of the partial areas is removed from the substrate is solved according to the invention in that a plurality of semiconductor lasers are used in the exposure step to generate the laser radiation is that with the laser radiation emerging from each semiconductor laser, a light spot of a defined light spot pattern is generated on the photosensitive layer and that the entire Lichtf Leakage patterns and the substrate for producing the exposed partial areas are moved relative to one another in an exposure movement direction and the light spots of the light spot pattern are activated or deactivated in a defined manner in accordance with the shape of the exposed partial areas to be generated.
  • the advantage of the lithography method according to the invention is that with it at high speed and at Exposed areas with defined contours, particularly for semiconductor components, preferably integrated circuits, directly suitable contours, can be produced at low cost.
  • the great advantage of the solution according to the invention is that, on the one hand, due to the use of the semiconductor laser, sufficient laser light output is available with short switching times, so that the cost related to the laser light output is very low.
  • the light spots of the light spot pattern are moved relative to the light-sensitive layer along exposure paths running parallel to the direction of exposure movement, this being done in particular by moving the substrate carrying the light-sensitive layer. This provides a particularly time-saving procedure for producing the exposed partial areas with high speed and precision.
  • the light spots are preferably controlled in such a way that they are activated in sections of the exposure tracks lying over the entire surface of the partial areas of the light-sensitive layer to be exposed and are deactivated in the remaining sections of the exposure tracks.
  • a possibility is created in a simple manner to generate exposed areas with any desired contour through the relative movements between light spots and substrate. It is either possible to work with continuous wave laser radiation within the partial areas to be exposed.
  • point-by-point exposure is preferably also carried out within the partial areas to be exposed, and a light spot is thus placed next to the others.
  • the exposed partial areas are exposed by exposure are produced from strip regions of the light-sensitive layer lying within the outer contour and extending parallel to the direction of exposure movement.
  • the strip areas are placed so that they overlap in a transverse direction perpendicular to the direction of exposure movement in order to ensure the area-wide exposure.
  • the light spot pattern is moved continuously in the exposure movement direction in the exposure movement direction without movement transverse to the exposure movement direction over the entire substrate, so that all partial areas to be exposed which are also located one behind the other in the exposure movement direction can be produced by a continuous movement of the light spot pattern in the exposure movement direction.
  • the light spot pattern is moved in the exposure movement direction at a substantially constant speed over the entire substrate during the relative movement, so that the time-consuming process and stopping can be dispensed with.
  • the semiconductor lasers are activated correspondingly quickly, the semiconductor lasers operating in the activated state either in pulse mode or continuously.
  • the photosensitive layer is only exposed when moving in the direction of the single exposure movement, while any relative movement of the light spot pattern in the transverse direction only serves to reposition the light spot pattern in the transverse direction, but with this when moving in No exposure to cross direction.
  • the exposure of all partial areas of the light-sensitive layer to be exposed on the substrate is carried out by multiple relative movement of the light spot pattern in the direction of exposure movement.
  • a particularly favorable procedure provides that the light spot pattern from an initial position, in which the light spots that are initially active during the relative movement in the direction of exposure movement lie over a beginning of the exposed partial areas to be manufactured, up to an end position, in which the light spots last activated are over an end of the exposed partial areas to be produced, is used.
  • a particularly time-efficient procedure is thus mapped out.
  • All of the aforementioned relative movements of the light spots and the substrate are either by moving the light spots with the substrate stationary, moving both the light spots and the substrate, or moving the substrate standing light spots can be realized, preferably at least the relative movement in one direction being achieved at least by moving the substrate.
  • the solution according to the invention can in principle be used in all types of lithographic processes. Areas of application of the solution according to the invention are the production of masks for semiconductor production with high speed and high precision. However, the solution according to the invention can be used even more advantageously in semiconductor production if it is used for the direct production of exposed partial areas on the semiconductor wafer with a defined contour, for example the contours that are required for highly integrated components.
  • the substrate is a wafer and that the light spot pattern is moved over the entire wafer with each relative movement in the direction of movement and is only then moved transversely to the direction of exposure movement.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a lithography exposure device according to the invention
  • Fig. 2 is a partial representation of a
  • Fig. 3 is a partial representation of a
  • Variant of the solution according to the invention comprising semiconductor lasers, the laser radiation of which is frequency-doubled;
  • FIG. 4 shows a schematic view similar to FIG. 1 of a third variant of the solution according to the invention.
  • FIG. 5 shows an exemplary representation of a partial area of the light-sensitive layer to be exposed with its outer contour
  • FIG. 6 shows a first exposure movement for producing the partial area to be exposed shown in FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a second exposure movement for producing the partial area to be exposed shown in FIG. 5
  • FIG. 8 shows a third exposure movement for producing the portion to be exposed shown in FIG. 5;
  • FIG. 9 shows a fourth exposure movement for producing the partial area to be exposed shown in FIG. 5;
  • FIG. 10 shows a second exemplary embodiment of a lithography coating device according to the invention with light spots of the light spot pattern arranged in a row;
  • FIG. 11 shows a third exemplary embodiment of a lithography coating device according to FIG. 1 or 4 with a special light spot pattern
  • FIG. 12 shows a fourth exemplary embodiment of a lithography coating device according to the invention according to FIG. 1 or 4 with a special light spot pattern
  • FIG. 13 shows a fifth exemplary embodiment of a lithography coating device according to the invention according to FIG. 4 with a first variant of a near-field optics
  • FIGS. 13 and 15 shows a second variant of the near-field optics according to the fifth exemplary embodiment.
  • a first exemplary embodiment of a lithography exposure device comprises a multiplicity of laser units 10 i to 10 N , which comprise semiconductor lasers and preferably generate laser radiation in the blue spectral range, which in first ends 12 : to 12 N of light guides 14 j to 14 N , preferably single-mode fibers, occurs, from which it is guided to a beam guiding optic designated as a whole as 16 and for entry into the beam guiding optic 16 from second ends l ⁇ j to 18 N, the light guides 14 x to 14 N exits, the second ends l ⁇ i to 18 N and the beam guiding optics preferably form an inherently rigid optical unit.
  • the laser radiation emerges from the second ends 18 !
  • collimated radiation beams 24 : to 24 N are imaged by a telescope lens 26 encompassed by the beam guiding lens 16 in such a way that their distance from a central axis or axis of symmetry 28 is reduced.
  • the substrate 36 is in turn fixed on a sliding table 38 which forms a receptacle, the sliding table 38 being fixed on a base 42 by means of a cross slide device 40 as being movable in two directions X and Y perpendicular to one another.
  • a cross slide device 40 as being movable in two directions X and Y perpendicular to one another.
  • two actuators with displacement measuring systems 44 and 46 are provided, which can be controlled via a control 50.
  • the entire beam guiding optics 16 is preferably fixedly arranged relative to the base 42, so that only the substrate 36 with the photosensitive layer 34 arranged thereon is movable relative to the beam guiding optics 16.
  • the laser radiation is imaged by the microscope optics 32, for example on a surface 54 of the light-sensitive layer 34, in such a way that a multiplicity of light spots 60 j to 60 N arise, each having the same diameter D and at a constant distance A. are arranged from one another as a series 62 along a series direction 64 and thereby form a light spot pattern 70 on the surface 54.
  • the entire light spot pattern 70 can be moved over the light-sensitive layer 34, which covers the substrate 36, in such a way that each point of the entire surface 54 is covered by at least one light spot 60 can be exposed.
  • the substrate 36 is preferably a wafer of conventional size, on which, as indicated in FIG. 2, a multiplicity of lithographic structures, for example for semiconductor components 80, is to be produced.
  • the laser units 10 are not laser units directly generating laser radiation in the blue spectral range, but, as shown in FIG. 3, a semiconductor laser arrangement 88 is provided with a large number of individual semiconductor lasers 90 ⁇ to 90 N , which laser radiation in the red spectral range emit and whose laser beam is mapped by means of individual transformation optics 92 j to 92 N onto a doubler arrangement 94 with individual doubler segments 96 j to 96 N , which double the laser radiation of the semiconductor lasers 90 x to 90 N , preferably emitted in the red spectral range or near infrared, the then x is injected from these emerging laser radiation by means of further transformation optical elements 98i to 98 N in the individual optical fibers 14 to 14 N.
  • the light guides 14 x to 14 N emanating from the laser units 10 : to 10 N lead to a beam guiding optics 16 'which only the microscope optics 32 includes.
  • the individual light guides 14 1 to 14 N are arranged next to one another so closely that the divergent laser radiation 20 x to 20 N emerging from them can enter the microscope optics 32 directly and does not require any further reduction in size.
  • the light spot pattern 70 is positioned such that when it is moved in an exposure movement direction 104, for example with the light spot 60 j, exposure in the area of an exposure path HO j is possible, this exposure path HO j being such that a strip area 100j of the partial area 100 to be exposed can be exposed is, the Light spot öOj when moving along the strip-shaped exposure path HOJ is only activated when the light spot is 60j in the portion of the exposure path HO j, which is above the exposing sub-region 100, and will be disabled outside of the same.
  • the light spot pattern 70 is transversely displaced in a transverse displacement direction 106 by a definable distance, which is selected, for example, such that a strip area 100 of the partial area 100 to be exposed can now be exposed with the exposure path 110.
  • a definable distance which is selected, for example, such that a strip area 100 of the partial area 100 to be exposed can now be exposed with the exposure path 110.
  • the exposure tracks HO j and 110 / should overlap in the transverse displacement direction 106 (FIG. 7).
  • the exposure path 110 / is preferably located such that the strip area 100 / defines an edge of the partial area to be exposed which runs parallel to the exposure movement direction 104. After passing over the portion 100 to be exposed, a further movement takes place in the transverse displacement direction 106, as shown in FIG. 8.
  • the strip area 100 4 "' can be generated with the exposure path 110 4 "', with which a further longitudinal edge of the partial area to be exposed is produced.
  • each time the light spots 60 are activated each time the partial area 100 to be exposed is overrun when the respective exposure path 110, 110 ', 110 "or 110"' fully covers the partial area 100 to be exposed, so that in this case a strip area in each case of the partial area 100 to be exposed can be produced, with all the strip areas overlapping in the direction of the transverse displacement direction 106, so that ultimately, after driving over the partial area 100 to be exposed four times parallel to the exposure movement direction 104 and subsequent subsequent shifting in the transverse displacement direction 106, the total of all overlapping strip areas total exposed portion 100 results.
  • the series direction 64 of the series 62 of the individual light spots is 60 ⁇ to 60 N. that this extends at an acute angle ⁇ to the exposure movement direction 104, namely at such an acute angle ⁇ that the exposure strips 110 ⁇ 110 2 , 110 3 etc. overlap one another in a transverse direction 108 perpendicular to the exposure movement direction 104, as in FIG. 10 shown.
  • the series direction 64 of the series 62 is arranged at such an acute angle ⁇ relative to the exposure movement direction 104 that successive light spots öOj, 60 2 or 60 2 , 60 3 etc.
  • the writing grid determined by the increment d should be at least a quarter of D in order to obtain a sufficient fineness of the writing grid in the transverse direction 108 perpendicular to the exposure movement direction 104.
  • the light spot pattern 70 ′ is preferably formed by a multiplicity of series 62 a to 62 d of light spots 60 running parallel to one another, a predetermined increment d in the transverse direction 108 existing within each series from light spot to light spot.
  • the series directions 64 of the individual series 62" extend perpendicular to exposure movement 104, but the light spots 60 of the individual series 62 "are offset from one another such that the entire light spot pattern 70 For each light spot 60 there is a further light spot which is offset by an increment d in the transverse direction 108 perpendicular to the exposure movement direction 104.
  • the light spot pattern 70 "does not already extend in the transverse direction 108 over the entire substrate 36 - the light spot pattern 70" as a whole is to be displaced in the transverse direction 108 by a distance which corresponds to the extension of the light spot pattern 70 "in the transverse direction 108 , each time the photosensitive Layer 34 allows exposure over the entire extent of the light spot pattern 70 "in the transverse direction 108, so that to expose the entire photosensitive layer 34 on the substrate 36 few exposure movements of the light spot pattern 70" in the exposure movement direction 104 are required, the number of which is determined by the Extension of the photosensitive layer 34 in the transverse direction 108 divided by the extension of the light spot pattern 70 ′′ in this direction.
  • the lithography exposure device is constructed in the same manner as in the previous exemplary embodiments, with the difference that the microscope optics 32 ′ on its side 120 facing the photosensitive layer 34 have a Near-field optics 122 is provided, which is arranged in the area in which the laser radiation imaged by the microscope optics 32 ′ emerges from it in a reduced manner.
  • the near-field optics 122 can be designed in a wide variety of ways.
  • the near-field optics are formed by a coating 124 which is designed to be reflective or absorbent and has aperture-like openings 126 through which the laser radiation then emerges.
  • the size of the light spots 60 can be determined independently of the beam shaping by the remaining microscope optics 32 '.
  • the aperture-like openings 126 can be dimensioned such that that the light spots 60 have an extent in at least one direction which is the size of the wavelength of the laser light used or less.
  • extensions of the light spots on the order of several hundred, for example, but also 100 or 200 nannometers can be reached at least in one direction, in which case the incoming light wave must have a vector of the electric field E which is parallel to the width B runs, which has such a dimension.
  • the aperture-like openings 126 then preferably have a dimension which is at least in the order of the wavelength and corresponds at least to the extent of the B field of the light wave.
  • the laser radiation emerging from the aperture-like opening 126 can no longer be described with the laws of geometric optics, but rather with a spherical wave, as shown in FIG. 14, in which case the spherical wave is the dimension of the light spot 60 determined on the surface 54 of the photosensitive layer 34.
  • the microscope optics 32 ′ with a height adjustment device 130, which the near-field optics 122 at a defined distance AB above the surface 54 of the light-sensitive layer 34 during the exposure movements in the exposure movement direction 134 leads.
  • the height adjustment device 130 preferably holds the near-field optics 122 and thus the entire microscope optics 32 ′ at a distance AB above the surface 54 of the light-sensitive layer 34, which corresponds approximately to the size of the light spot 60, that is to say approximately to the magnitude of the wavelength of the laser light. This ensures that the size of the light spot 60 is not changed by the fact that the distance AB between the surface 54 and the near-field optics 122 changes significantly during the exposure movement in the direction of exposure movement.
  • Such a height adjustment device 130 preferably works with a sensor 134 which always detects the distance from the surface 54 and an actuator 136 which preferably adjusts the entire microscope optics 32 ′ in a height direction 138 perpendicular to the surface 54.
  • cones 140 are formed from a material corresponding to the material of the microscope optics 32', an outer surface 142 of the cones 140 leading to total reflection of the light wave, which in the area a flattened cone tip 144 then emerges.
  • the flattened cone tip 144 can be one Have width B, which is in the order of magnitude of the wavelength or less than the same, so that the light wave then emerging from the surface 144 can also be described as a spherical wave and results in a light spot 60 which extends at least in the direction of the width B in the Magnitude of the light wave, for example in the range of 100 or 200 nanometers.
  • the height adjustment device 130 is required to prevent fluctuations in the size of the light spots 60.

Abstract

Um eine Lithographie-Belichtungseinrichtung umfassend eine Aufnahme (38) für ein Substrat (36), eine Belichtungseinheit (10, 12, 14, 16) zur Erzeugung eines Lichtflecks auf der lichtempfindlichen Schicht (34) des Substrats, eine Bewegungseinheit (40) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Belichtungseinheit und der Aufnahme und eine Steuerung zur Intensitäts- und Lagesteuerung des Lichtflecks auf der lichtempfindlichen Schicht zu schaffen, mit welcher mittels Lithographie mit grosser Effizienz kleine Strukturen in kurzen Zeiträumen herstellbar sind, wird vorgeschlagen, dass die Belichtungseinheit eine Vielzahl von Halbleiterlasern (10) umfasst, dass die Strahlführungsoptik (16) die Laserstrahlung jedes Halbleiterlasers zu einem Lichtfleck eines definierten Lichtfleckmusters führt und dass das gesamte Lichtfleckmuster und die Aufnahme in einer Belichtungsbewegungsrichtung relativ zueinander bewegbar und dabei die Lichtflecken des Lichtfleckmusters entsprechend der Form der zu belichtenden Teilbereiche aktivierbar oder deaktivierbar sind.

Description

Lithographie-Belichtungseinrichtung und Lithographie-Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Lithographie-Belichtungseinrichtung, umfassend eine Aufnahme für ein mit einer lichtempfindlichen Schicht versehenes Substrat, eine Belichtungseinheit mit einem Laser und einer Strahlführungsoptik zur Erzeugung eines Lichtflecks auf der lichtempfindlichen Schicht des in der Aufnahme gehaltenen Substrats, eine Bewegungseinheit zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Strahlführungsoptik der Belichtungseinheit und der Aufnahme und eine Steuerung zur Intensitäts- und Lagesteuerung des Lichtflecks auf der lichtempfindlichen Schicht des Substrats.
Derartige Lithographie-Belichtungseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Das Problem bei diesen bekannten Lithographie-Belichtungseinrichtungen besteht darin, daß die heute in der Halbleitertechnologie üblichen komplexen Schaltungsentwürfe nicht mit der erforderlichen Schnelligkeit auf die lichtempfindliche Schicht projiziert werden und daß außerdem die bekannten mit Lasern arbeitenden Lithographie-Belichtungseinrichtungen lediglich zur Herstellung von Masken, jedoch nicht direkt zur Herstellung von Strukturen direkt auf einem Halbleitersubstrat zur Erzeugung von Bauteilen eingesetzt werden können, da die herstellbaren Strukturen nicht klein genug sind. Dieser Nachteil spielt bei der Herstellung von Masken eine geringere Rolle, da die Masken Strukturen aufweisen, die ihrerseits nochmals durch eine Abbildungsoptik beim Abbilden auf die lichtempfindliche Schicht eines afers verkleinert werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lithographie-Belichtungseinrichtung zu schaffen, mit welcher mittels Lithographie mit großer Effizienz möglichst kleine Strukturen in Zeiträumen herstellbar sind, die der Größenordnung der heute üblichen, mit Masken erhältlichen Produktionszeiträume nahe kommen.
Diese Aufgabe wird bei einer Lithographie-Belichtungseinrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Belichtungseinheit eine Vielzahl von Halb- leiterlasern umfaßt, daß die Strahlführungsoptik die Laserstrahlung jedes Halbleiterlasers zu einem Lichtfleck eines definierten Lichtfleckmusters führt und daß das gesamte Lichtfleckmuster und die Aufnahme in einer Belichtungsbe- wegungsrichtung relativ zueinander bewegbar und dabei die Lichtflecken des Lichtfleckmusters entsprechend der Form der zu belichtenden Teilbereiche aktivierbar und deaktivierbar sind . Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch die Verwendung von Halbleiterlasern die Möglichkeit geschaffen ist, in einfacher, insbesondere auch kostengünstiger Art und Weise eine Vielzahl von Lasereinheiten bereitzustellen, von denen nachher jede einen Lichtfleck des Lichtfleckmusters ergibt, das seinerseits unverändert relativ zur Aufnahme bewegbar ist. Außerdem besteht bei den Halbleiterlasern der Vorteil besteht, daß diese einerseits eine ausreichende Ausgangsleistung zeigen und andererseits schnell, vorzugsweise im Nanosekundenbereich, aktivierbar und deaktivierbar sind.
Aufgrund der Tatsache, daß das Lichtfleckmuster in sich starr bleibt, eine Vielzahl von einzeln steuerbaren Halbleiterlasern vorgesehen sind und diese schnell ansteuerbar sind, ist es möglich, relativ große Flächen pro Zeiteinheit präzise zu belichten und somit der erfindungsgemäßen Lösung eine unter produktionstechnischen Gesichtspunkten erwünschte Durchsatzleistung zu verleihen.
Insbesondere bleibt das Lichtfleckmuster bei der Relativbewegung zwischen diesem und der Aufnahme nur dann mit der gewünschten Präzision erhalten, wenn die Strahlführungsoptik eine invariable Einheit bildet, die als Ganze während der Relativbewegung unverändert bleibt, so daß Relativbewegung zwischen dem Lichtfleckmuster und der Aufnahme nur aufgrund einer Relativbewegung zwischen der Abbildungsoptik und der Aufnahme gewährbar ist. Damit lassen sich die zu belichtenden Teilbereiche mit ausreichend großer Geschwindigkeit und Präzision herstellen.
Das Lichtfleckmuster kann prinzipiell in beliebiger Art und Weise angeordnete Lichtflecken aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Lichtfleckmuster von einem als Referenz dienenden Lichtfleck ausgehend in einer senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung verlaufenden Querrichtung in unterschiedlichen Abständen angeordnete Lichtflecke aufweist, so daß bei Durchführung der Relativbewegung in der Belichtungsbewegungsrichtung jeder Lichtfleck dazu eingesetzt werden kann, unterschiedliche Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht zu belichten.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn jeder Lichtfleck des Lichtfleckmusters einen anderen Abstand von dem als Referenz dienenden Lichtfleck aufweist als die übrigen Lichtflecken, so daß mit einer vorgegebenen Zahl von Lichtflecken die größtmögliche Zahl von unterschiedlichen Teilbereichen der lichtempfindlichen Schicht belichtbar ist.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Abstände aller Lichtflecken des Lichtfleckmusters eine Serie von Abständen bilden, bei der jeder Abstand um ein Inkrement größer ist als ein anderer der Abstände. Das heißt, daß bei der Gesamtheit der Lichtfleckmuster jeder Lichtfleck einerseits einen unterschiedlichen Abstand aufweist, andererseits sämtliche unterschiedlichen Abstände sich der Größe nach in einer Reihe anordnen lassen, wobei der Unterschied von einem Abstand zum nächsten dem Inkrement entspricht. Um bei der Herstellung der zu belichtenden Teilbereiche einen möglichst großen Freiheitsgrad relativ zur Größe der Lichtflecken zu haben, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Inkrement kleiner als eine Erstreckung der Lichtflecken in der Querrichtung ist.
Das heißt, daß insgesamt in dem Lichtfleckmuster Lichtflecken in einem Abstandsraster mit dem Inkrement als Minimalabstand zur Verfügung stehen, so daß das Abstandsraster erheblich feiner ist, als die Erstreckung der Lichtflecken in der Querrichtung.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Inkrement maximal ein Viertel der Erstreckung der Lichtflecken in der Querrichtung beträgt. Noch besser ist es, wenn das Inkrement ein Zehntel der Erstreckung der Lichtflecken in der Querrichtung beträgt, da somit mit einem Lichtfleckmuster ein Herstellen der zu belichtenden Strukturen in einem feineren Schreibraster ( Grid ) möglich ist.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß das Lichtfleckmuster mindestens eine in einer Reihe angeordnete Serie von Lichtflecken umfaßt, die senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung einen Abstand voneinander aufweisen, welcher kleiner als deren Ausdehnung senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung ist .
Hiermit besteht die Möglichkeit, eine lithographische Belichtung im Bereich innerhalb einer Erstreckung der Serie senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung mit hoher Präzision durchzuführen . Eine derartige Serie von Lichtflecken läßt sich besonders günstig herstellen, da bei Verwendung von Halbleiterlasern diese vorzugsweise in Reihen als Halbleiterlaseranordnungen eingesetzt werden, wobei zwischen den einzelnen Halbleiterlasern ein durch die Halbleiteranordnung vorgegebener Abstand besteht. Eine Abbildung einer derartigen Halbleiterlaseranordnung in das Lichtfleckmuster mit möglichst kleinen Lichtflecken führt dabei zwangsläufig zu einem derartigen Lichtfleckmuster .
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß der Abstand zwischen den Lichtflecken der Serie senkrecht zur Bewegungsrichtung konstant ist. Damit läßt sich ein besonders günstig einsetzbares Lichtfleckmuster erzielen.
Vorzugsweise bilden in diesem Fall jede in einer Reihe angeordnete Serie von Lichtflecken eine längs einer Geraden verlaufende Reihe von Lichtflecken.
Besonders günstig ist eine Lösung, bei welcher in der jeweiligen Reihe die Lichtflecken in Serienrichtung einen Abstand voneinander aufweisen, welcher größer ist als deren Erstreckung in Serienrichtung.
Um zu erreichen, daß die Lichtflecken in der senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung verlaufenden Querrichtung einen möglichst kleinen Abstand voneinander aufweisen, der sogar möglichst kleiner als die Erstreckung der Lichtflecken in der Querrichtung ist, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Serienrichtung einen Winkel von ungleich 90° - beispielsweise kleiner als 90° - mit der Belichtungsbewegungsrichtung einschließt. Damit bewirkt die Projektion der in der Serie angeordneten Lichtflecken auf die senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung verlaufende Querrichtung eine Verringerung des Abstandes in dem vorstehend genannten Maße.
Prinzipiell können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Halbleiterlaser eingesetzt werden, welche im blauen Spektralbereich oder im nahen UV Laserstrahlung erzeugen. Da derartige Halbleiterlaser bislang nicht das für einen kommerziellen Einsatz erforderliche Preis-Leistungsverhältnis aufweisen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Belichtungseinheit den Halbleiterlasern nachgeschaltete Frequenzver- doppler umfaßt. In diesem Fall ist es möglich, konventionelle im roten oder infraroten Spektralbereich arbeitende Halbleiterlaser einzusetzen und die Frequenz zu verdoppeln.
Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele wurde nicht im einzelnen darauf eingegangen, wie die Laserstrahlung von den Halbleiterlasern zu der Strahlführungsoptik geführt werden soll da die Strahlführungsoptik und die Aufnahme relativ zueinander bewegbar sein müssen. Beispielsweise wäre es denkbar - wie bereits vorstehend erwähnt - die Halbleiterlaseranordnungen oder Halbleiterlaserarrays unmittelbar zu verwenden und ausgehend von diesem System mittels der Strahlführungsoptik die einzelnen Laserstrahlen auf die lichtempfindliche Schicht zur Erzeugung des Lichtfleckmusters abzubilden, so daß die Halbleiterlaser und die Strahlführungsoptik eine Einheit bilden und dabei diese Einheit und die Aufnahme relativ zueinander bewegbar sind. Aufgrund der mit erheblichem Aufwand verbundenen und für Halbleiterlasereinheiten erforderlichen Betriebseinrichtungen ist dies jedoch vielfach nur begrenzt möglich. Aus diesem Grund ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Belichtungseinheit die Laserstrahlung zur Strahlführungsoptik leitende Lichtleiter umfaßt, welche die Möglichkeit eröffnen, von weiter entfernt angeordneten Halbleiterlasern die Laserstrahlung möglichst verlustarm zur Strahlführungsoptik zu bringen, so daß in diesem Fall die Strahlführungsoptik und die Aufnahme die relativ zueinander bewegbaren Einheiten bilden.
Vorzugsweise werden für derartige Lichtleiter Monomodefasern eingesetzt und als Halbleiterlaser solche, welche im Singlemodebetrieb arbeiten.
Die Lichtleiter sind vorzugsweise so ausgebildet, daß sie ein erstes Ende aufweisen, in welches die Laserstrahlung ein- koppelbar ist, und ein zweites Ende, aus welchem die Laserstrahlung austritt, und daß auf jedes zweite Ende folgend ein kollimierendes Element angeordnet ist, welches die divergent aus jedem einzelnen zweiten Ende der Lichtleiter austretende Laserstrahlung kollimiert und daraus ein kollimiertes Strahlungsbündel formt.
Eine derartige Lösung hat den großen Vorteil, daß die Möglichkeit besteht, das kollimierte Strahlungsbündel optimal auf die lichtempfindliche Schicht abzubilden und somit einen möglichst kleinen Durchmesser des resultierenden Lichtflecks zu erhalten, wobei in diesem Fall vorzugsweise die zweiten Enden und die die kollimierende Optik umfassende Strahlführungsoptik eine Einheit bilden und diese Einheit und die Aufnahme relativ zueinander bewegbar sind.
Hinsichtlich der Ausbildung der Strahlführungsoptik wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Strahlführungsoptik ein verkleinernd abbildendes Teleskop umfaßt. Mit einem derartigen Teleskop besteht die Möglichkeit, die technologiebedingt und hinsichtlich der zu erzeugenden Größe der Lichtflecken in großen Abständen mit den Halbleiterlasern erzeugte Laserstrahlung vorteilhafterweise so abzubilden, daß die Abstände zwischen den Lichtflecken und die Lichtflecken selbst kleiner werden.
Mit einem derartigen Teleskop lassen sich in einfacher Weise Verkleinerungen von mehr als einem Faktor 10 erreichen.
Um insbesondere direkt lithographische Schichten für die unmittelbare Herstellung eines integrierten Schaltkreises erzeugen zu können, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Strahlführungsoptik eine die Lichtflecke erzeugende Mikroskopoptik umfaßt. Eine derartige Mikroskopoptik bildet eine einfache Möglichkeit, eine möglichst starke Reduktion der Abstände zwischen den einzelnen Lichtflecken zu erhalten.
Eine Mikroskopoptik hat jedoch den Nachteil, daß die Ausdehnung der Lichtflecken empfindlich von dem Abstand der Mikroskopoptik von der zu belichtenden Schicht abhängt. Aus diesem Grund ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Mikroskopoptik an einer Höhenpositioniereinrichtung angeordnet ist und von dieser während der Belichtungsbewegung in einem definierten Abstand über der lichtempfindlichen Schicht positionierbar ist. Eine derartige Höhenpositioniereinrichtung schafft somit die Möglichkeit, die Nachteile einer derartigen Mikroskopoptik zu eliminieren oder möglichst gering zu halten.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein Abstand zwischen einer der lichtempfindlichen Schicht zugewandten Unterseite der Mikroskopoptik und der lichtempfindlichen Schicht durch die Höhenpositioniereinrichtung einhaltbar ist.
Bevorzugterweise ist hierbei vorgesehen, daß der Abstand in der Größenordnung eines Durchmessers des einzelnen Lichtflecks auf der lichtempfindlichen Schicht liegt.
Mit den bislang beschriebenen Mikroskopoptiken besteht die Möglichkeit, beugungsbegrenzt Lichtflecken zu erhalten, deren Ausdehnung in der Größenordnung der Wellenlänge der Laserstrahlung liegt.
Um jedoch eine möglichst definierte Größe der einzelnen Lichtflecke, insbesondere im Bereich der Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts oder kleiner, zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Mikroskopoptik mit einer die Größe der Lichtflecken auf der lichtempfindlichen Schicht definierenden Nahfeldoptik versehen ist. Eine derartige Nahfeldoptik hat den großen Vorteil, daß sie aufgrund ihrer Nähe zu den auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugten Lichtflecken die Möglichkeit eröffnet, weitgehend von der vorhergehenden Strahlführung unabhängig die endgültige Größe der Lichtflecken auf der lichtempfindlichen Schicht festzulegen.
Vorzugsweise ist dabei die Nahfeldoptik unmittelbar auf einer der lichtempfindlichen Schicht zugewandten Unterseite des Mikroskopobjektivs angeordnet, so daß der Abstand zwischen der Nahfeldoptik und der lichtempfindlichen Schicht sehr gering gehalten werden kann.
Die Nahfeldoptik kann dabei in unterschiedlichster Art und Weise ausgeführt sein.
So sieht Ausführungsbeispiel vor, daß die Nahfeldoptik die Lichtflecken des Lichtfleckmusters durch blendenähnliche Durchlaßbereiche definiert. In diesem Fall sind vorzugsweise blendenähnliche Durchlaßbereiche durch Bedampfen der Mikroskopoptik auf ihrer der lichtempfindlichen Schicht zugewandten Seite erreichbar.
Eine andere Lösung sieht vor, daß die Nahfeldoptik die Größe der Lichtflecken des Lichtfleckmusters durch strahlkonzentrierende Elemente definiert. In diesem Fall sind beispielsweise auf der der lichtempfindlichen Schicht zugewandten Seite des Mikroskopobjektivs zusätzliche strahlkonzentrierende Elemente vorgesehen, wobei diese strahlkonzentrierenden Elemente im einfachsten Fall konisch ausgebildet sind, um die auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugten Lichtflecken bei möglichst geringer Größe zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Nahfeldoptik ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn diese die Größe der Lichtflecken in zumindest einer Richtung auf Werte deutlich unter der Wellenlänge der Laserstrahlung reduziert.
In diesem Fall ist zweckmäßigerweise der Vektor des elektrischen Feldes E der Laserstrahlung so gelegt, daß dieser parallel zu der Richtung liegt, zu welcher die Ausdehnung der Lichtflecken kleiner als die Wellenlänge ist.
Da die flächenhafte Ausdehnung der Lichtfleckmuster nicht beliebig vergrößert werden kann, ohne daß die Strahlführungsoptik aufwendig ausgeführt werden muß, ist vorteilhafterweise zur Verkürzung der erforderlichen Belichtungszeiten vorgesehen, daß die Lithographie-Belichtungseinrichtung mehrere Lichtfleckmuster erzeugt.
Jedes Lichtfleckmuster weist dabei in einem definierten geometrischen Muster angeordnete Lichtflecken auf, wobei die mehreren Lichtfleckmuster beliebig zueinander angeordnet werden können.
Prinzipiell ist es denkbar, daß die mehreren Lichtfleckmuster in unterschiedlichen Belichtungsbewegungsrichtungen bewegbar sind. Zur Vermeidung von Überkreuzbewegungen ist es vorteilhaft, wenn die mehreren Lichtfleckmuster parallel zu einer einzigen Belichtungsbewegungsrichtung bewegbar sind.
Die mehreren Lichtfleckmuster sind vorzugsweise während desselben Belichtungsvorgangs einsetzbar, so daß während eines Belichtungsvorgangs größere Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht belichtbar sind.
Prinzipiell wäre es möglich, die mehreren Lichtfleckmuster zeitversetzt zu erzeugen. Günstiger ist es jedoch, die mehreren Lichtfleckmuster im wesentlich zeitgleich zu generieren.
Insbesondere bei im wesentlichen zeitgleich generierten Lichtfleckmusten ist es von Vorteil, wenn für jedes Lichtfleckmuster eine eigene Mikroskopoptik vorgesehen ist.
Noch besser ist es, wenn für jedes Lichtfleckmuster eine eigene Strahlführungsoptik vorgesehen ist.
Die mehreren Lichtfleckmuster könnten prinzipiell aus einem Satz von Halbleiterlasern gespeist werden, insbesondere wenn mit jedem Lichtfleckmuster dieselben belichteten Teilbereiche erzeugt werden sollen.
Die Einsatzmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Lithographie-Belichtungseinrichtung sind jedoch größer, wenn für jedes Lichtfleckmuster ein eigener Satz von Halbleiterlasern zur Verfügung steht, so daß mit den Lichtfleckmustern unterschiedliche belichtete Teilbereiche erzeugbar sind. Eine besonders einfach auszuführende Losung sieht zur Erzeugung der mehreren Lichtfleckmuster mehrere Belichtungseinheiten vor, die selbständig arbeiten.
Die erfindungsgemaße Aufgabe wird darüber hinaus auch bei einem lithographischen Verfahren zur Herstellung von ebenen Strukturen auf einem Substrat durch folgende Schritte einen Beschichtungsschritt, bei welchem die lichtempfindliche Schicht auf das Substrat aufgetragen wird, einen Belichtungsschritt, bei welchem entsprechend der herzustellenden Struktur durch Lage- und Intensitatssteuerung eines mit Laserstrahlung auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugten Lichtflecks belichtete und unbelichtete Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht erzeugt werden, und einen Abloseschritt , bei welchem einer der Teilbereiche von dem Substrat abgetragen wird, erfindungsgemaß dadurch gelost, daß beim Belichtungsschritt zur Erzeugung der Laserstrahlung eine Vielzahl von Halbleiterlasern verwendet wird, daß mit der aus jedem Halbleiterlaser austretenden Laserstrahlung ein Lichtfleck eines definierten Lichtfleckmusters auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugt wird und daß das gesamte Lichtfleckmuster und das Substrat zum Herstellen der belichteten Teilbereiche in einer Belichtungsbewegungsrichtung relativ zueinander bewegt und dabei die Lichtflecke des Lichtfleckmusters entsprechend der Form der zu erzeugenden belichteten Teilbereiche definiert aktiviert oder deaktiviert werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Lithographie-Verfahrens besteht darin, daß mit diesem bei hoher Geschwindigkeit und bei kostenmäßig geringem Aufwand belichtete Teilbereiche mit definierten Konturen, insbesondere für Halbleiterbauelemente, vorzugsweise integrierte Schaltkreise, unmittelbar geeigneten Konturen, herstellbar sind.
Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt dabei darin, daß einerseits aufgrund der Verwendung der Halbleiterlaser eine ausreichende Laserlichtleistung bei kurzen Schaltzeiten zur Verfügung steht, so daß der auf die Laserlichtleistung bezogene Kostenaufwand sehr gering ist.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Lichtflecken des Lichtfleckmusters längs parallel zur Belichtungsbewegungsrichtung verlaufender Belichtungsbahnen relativ zu der lichtempfindlichen Schicht bewegt werden, wobei dies insbesondere durch Bewegen des die lichtempfindliche Schicht tragenden Substrats erfolgt. Damit ist eine besonders zeitsparende Vorgehensweise bei der Herstellung der belichteten Teilbereiche mit hoher Geschwindigkeit und Präzision vorgegeben.
Vorzugsweise sind dabei die Lichtflecken so angesteuert, daß diese in vollflächig über den zu belichtenden Teilbereichen der lichtempfindlichen Schicht liegenden Abschnitten der Belichtungsbahnen aktiviert und in den übrigen Abschnitten der Belichtungsbahnen deaktiviert werden. Damit ist in einfacher Weise eine Möglichkeit geschaffen, durch die Relativbewegungen zwischen Lichtflecken und Substrat belichtete Teilbereiche mit beliebiger Kontur zu erzeugen. Dabei ist es entweder möglich innerhalb der zu belichtenden Teilbereiche mit Dauerstrich-Laserstrahlung zu arbeiten. Da jedoch das schnelle Schalten der Halbleiterlaser für die Kantengenauigkeit bei quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Kanten der Außenkontur wichtig ist, wird vorzugsweise auch innerhalb der zu belichtenden Teilbereiche Punkt für Punkt belichtet und somit ein Lichtfleck neben den anderen gesetzt.
Um sicherzugehen, daß innerhalb der belichteten Teilbereiche die lichtempfindliche Schicht auch entsprechend der Belichtung chemisch reagiert und insbesondere die belichteten Teilbereiche innerhalb ihrer Außenkontur zusammenhängend belichtet sind und somit auch die lichtempfindliche Schicht in ausreichendem Maße chemisch durchreagiert, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die belichteten Teilbereiche durch Belichtung von innerhalb der Außenkontur liegenden und sich parallel zur Belichtungsbewegungsrichtung erstreckenden Streifenbereichen der lichtempfindlichen Schicht erzeugt werden.
Vorzugsweise werden dabei die Streifenbereiche so gelegt, daß sie in einer senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung verlaufenden Querrichtung überlappen, um die flächendeckende Belichtung sicherzustellen.
Besonders günstig hierbei ist es, wenn beim Belichtungsschritt das Lichtfleckmuster in der Belichtungsbewegungsrichtung relativ zum Substrat verfahren, dann in der Querrichtung zur Belichtungsbewegungsrichtung relativ zum Substrat versetzt und erneut in der Belichtungsbewegungsrichtung verfahren wird. Diese Lösung hat den großen Vorteil, daß sie eine möglichst zeitsparende und effiziente Vorgehensweise zur Herstellung der zu belichtenden Teilbereiche erlaubt.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn bei der Relativbewegung das Lichtfleckmuster in der Belichtungsbewegungsrichtung durchgehend ohne Bewegung quer zur Belichtungsbewegungsrichtung über das gesamte Substrat verfahren wird, so daß alle in der Belichtungsbewegungsrichtung auch hintereinanderliegenden zu belichtenden Teilbereiche durch eine durchgehende Bewegung des Lichtfleckmusters in der Belichtungsbewegungsrichtung erzeugbar sind.
Um möglichst zeitsparend zu arbeiten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß bei der Relativbewegung das Lichtfleckmuster in der Belichtungsbewegungsrichtung mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit über das gesamte Substrat verfahren wird, so daß das zeitaufwendige Verfahren und Anhalten entfallen kann.
Dabei werden die Halbleiterlaser entsprechend schnell angesteuert, wobei die Halbleiterlaser im aktivierten Zustand entweder im Pulsbetrieb oder kontinuierlich arbeiten.
Hinsichtlich des Steuerungsaufwandes und des Zeitaufwandes ist es besonders günstig, wenn die Belichtung der zu belichtenden Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht nur während der Relativbewegung des Lichtfleckmusters parallel zu einer einzigen Belichtungsbewegungsrichtung erfolgt. - 1 !
Daß heißt, daß in diesem Fall lediglich bei Bewegung in Richtung der einzigen Belichtungsbewegungsrichtung eine Belichtung der lichtempfindlichen Schicht erfolgt, während jede Relativbewegung des Lichtfleckmusters in der Querrichtung lediglich dazu dient, das Lichtfleckmuster in der Querrichtung neu zu positionieren, mit diesem jedoch bei dem Bewegen in Querrichtung keine Belichtung durchzuführen.
Insbesondere bei der Belichtung großer lichtempfindlicher Schichten ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Belichtung sämtlicher zu belichtenden Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht auf dem Substrat durch mehrfache Relativbewegung des Lichtfleckmusters in der Belichtungsbewegungsrichtung erfolgt.
Eine besonders günstige Verfahrensweise sieht dabei vor, daß das Lichtfleckmuster von einer Ausgangsstellung, in welcher die bei der Relativbewegung in Belichtungsbewegungsrichtung zuerst aktiven Lichtflecken über einem Anfang der herzustellenden belichteten Teilbereiche liegen, bis zu einer Endstellung, in welcher die zuletzt aktivierten Lichtflecken über einem Ende der herzustellenden belichteten Teilbereiche liegen, verfahren wird. Damit ist eine insbesondere zeiteffiziente Verfahrensweise vorgezeichnet.
Alle vorstehend erwähnten Relativbewegungen der Lichtflecken und des Substrats sind entweder durch Bewegung der Lichtflecken bei stehendem Substrat, Bewegung sowohl der Lichtflecken und des Substrats oder Bewegung des Substrats bei stehenden Lichtflecken realisierbar, wobei vorzugsweise mindestens die Relativbewegung in einer Richtung zumindest durch Bewegen des Substrats realisiert wird.
Besonders günstig ist die Realisierung der Relativbewegung nur durch Bewegung des Substrats, da dann die bereits bei der Maskenlithographie eingesetzten Vorrichtungen zum Bewegen des Substrats relativ zur Abbildungsoptik eingesetzt werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich prinzipiell bei allen Arten von lithographischen Verfahren anwenden. Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Lösung sind die Herstellung von Masken für die Halbleiterfertigung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision. Noch vorteilhafter in der Halbleiterfertigung läßt sich die erfindungsgemäße Lösung jedoch dann einsetzen, wenn diese zur unmittelbaren Herstellung von belichteten Teilbereichen auf dem Halbleiterwafer mit definierter Kontur, beispielsweise den Konturen, die für hochintegrierte Bauteile erforderlich sind, eingesetzt wird.
In diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Substrat ein Wafer ist und daß das Lichtfleckmuster bei jeder Relativbewegung in der Bewegungsrichtung über den gesamten Wafer hinwegbewegt wird und erst dann quer zur Belichtungsbewegungsrichtung verfahren wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lithographie-Belichtungseinrichtung;
Fig. 2 eine ausschnittsweise Darstellung eines
Lichtfleckmusters auf einem die lichtempfindliche Schicht tragende Wafer;
Fig. 3 eine ausschnittsweise Darstellung einer
Variante der erfindungsgemäßen Lösung umfassend Halbleiterlaser, deren Laserstrahlung frequenzverdoppelt wird;
Fig. 4 eine schematische Ansicht ähnlich Fig. 1 einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Lösung;
Fig. 5 eine exemplarische Darstellung eines zu belichtenden Teilbereichs der lichtempfindlichen Schicht mit seiner Außenkontur;
Fig. 6 eine erste Belichtungsbewegung zur Herstellung des in Fig. 5 dargestellten zu belichtenden Teilbereichs;
Fig. 7 eine zweite Belichtungsbewegung zur Herstellung des in Fig. 5 dargestellten zu belichtenden Teilbereich; Fig. 8 eine dritte Belichtungsbewegung zur Herstellung des in Fig. 5 dargestellten zu belichtenden Teilbereichs;
Fig. 9 eine vierte Belichtungsbewegung zur Herstellung des in Fig. 5 dargestellten zu belichtenden Teilbereichs;
Fig. 10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lithographie-Beschichtungsein- richtung mit in einer Reihe angeordneten Lichtflecken des Lichtfleckmusters;
Fig. 11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Litho- graphie-Beschichtungseinrichtung gemäß Fig. 1 oder 4 mit einem besonderen Lichtfleckmuster;
Fig. 12 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lithographie-Beschichtungsein- richtung gemäß Fig. 1 oder 4 mit einem besonderen Lichtfleckmuster;
Fig. 13 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lithographie-Beschichtungs- einrichtung gemäß Fig. 4 mit einer ersten Variante einer Nahfeldoptik;
Fig. 14 eine vergrößerte Darstellung der Nahfeldoptik gemäß Fig. 13 und Fig. 15 eine zweite Variante der Nahfeldoptik gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lithographie-Belichtungseinrichtung, dargestellt in Fig. 1, umfaßt eine Vielzahl von Lasereinheiten lOi bis 10N, welche Halbleiterlaser umfassen und vorzugsweise Laserstrahlung im blauen Spektralbereich erzeugen, die in erste Enden 12: bis 12N von Lichterleitern 14j bis 14N, vorzugsweise Singlemodefasern, eintritt, von diesen zu einer als Ganzes mit 16 bezeichneten Strahlführungsoptik geführt wird und zum Eintritt in die Strahlführungsoptik 16 aus zweiten Enden lδj bis 18N der Lichtleiter 14x bis 14N austritt, wobei die zweiten Enden lβi bis 18N und die Strahlfϋhrungsoptik vorzugsweise eine in sich starre optische Einheit bilden. Die Laserstrahlung tritt aus den zweiten Enden 18! bis 18N der Lichtleiter 14α bis 14N in Form von divergenten Strahlenbündeln 20i bis 20N aus und wird durch jeweils kollimierende Elemente 22 bis 22N zu jeweils kollimierten Strahlungsbündeln 24j bis 24N geformt. Diese kollimierten Strahlungsbündel 24: bis 24N werden durch eine von der Strahlführungsoptik 16 umfaßte Teleskopoptik 26 so abgebildet, daß deren Abstand von einer Mittelachse oder Symmetrieachse 28 verkleinert wird.
Aus der Teleskopoptik 26 treten nun wiederum divergente Strahlungsbündel 30x bis 30N aus, die dann ihrerseits von einer Mikroskopoptik 32 auf eine lichtempfindliche Schicht 34, aufgebracht auf einem Substrat 36 abgebildet werden, wobei es zum Erhalt einer präzisen Abbildung erforderlich ist, daß die Strahlführungsoptik 16 mit deren zweiten Enden lδj. bis 18N, den kollimierenden Elementen 22! bis 22N, der Teleεkopoptik 26 sowie der Mikroskopoptik 32 eine in sich invariable optische Einheit bildet.
Das Substrat 36 ist seinerseits auf einem eine Aufnahme bildenden Verschiebetisch 38 fixiert, wobei der Verschiebetisch 38 als in zwei senkrecht zueinander verlaufende Richtungen X und Y verschieblich mittels einer Kreuzschlitteneinrichtung 40 auf einer Basis 42 fixiert ist. Zur exakten Verschiebung des Verschiebetisches 38 relativ zur Basis 42 sind zwei Stellantriebe mit Wegmeßsystemen 44 und 46 vorgesehen, welche über eine Steuerung 50 ansteuerbar sind.
Mit der Steuerung 50 sind ferner sämtliche Lasereinheiten 102 bis 10N ebenfalls ansteuerbar.
Zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen dem Substrat 36 und der Strahlführungsoptik 16, ist vorzugsweise die gesamte Strahlführungsoptik 16 relativ zur Basis 42 fest angeordnet, so daß einzig das Substrat 36 mit der darauf angeordneten lichtempfindlichen Schicht 34 relativ zur Strahlführungsoptik 16 beweglich ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die Laserstrahlung durch die Mikroskopoptik 32 beispielsweise so auf eine Oberfläche 54 der lichtempfindlichen Schicht 34 abgebildet, daß eine Vielzahl von Lichtflecken 60j bis 60N entsteht, die jeweils denselben Durchmesser D aufweisen und in einem konstanten Abstand A voneinander als Serie 62 längs einer Serienrichtung 64 angeordnet sind und dadurch ein Lichtfleckmuster 70 auf der Oberfläche 54 bilden. Durch die Bewegung des Substrats 36 in der X- und/oder Y- Richtung ist das gesamte Lichtfleckmuster 70 über die lichtempfindliche Schicht 34, welche das Substrat 36 bedeckt, hinwegbewegbar und zwar so, daß jeder Punkt der gesamten Oberfläche 54 durch mindestens einen Lichtfleck 60 belichtet werden kann.
Vorzugsweise ist das Substrat 36 ein Wafer üblicher Größe, auf welchem, wie in Fig. 2 angedeutet, eine Vielzahl von lithographischen Strukturen, beispielsweise für Halbleiterbauelemente 80, erzeugt werden soll.
Bei einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels sind die Lasereinheiten 10 keine Laserstrahlung im blauen Spektralbereich direkt erzeugende Lasereinheiten, sondern es ist, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Halbleiterlaseranordnung 88 mit einer Vielzahl einzelner Halbleiterlaser 90x bis 90N vorgesehen, welche Laserstrahlung im roten Spektralbereich emittieren und deren Laserstrahl mittels einzelner Transformationsoptiken 92j bis 92N auf eine Verdoppleranordnung 94 mit einzelnen Verdopplersegmenten 96j bis 96N abgebildet wird, welche die vorzugsweise im roten Spektralbereich oder nahen Infrarot emittierte Laserstrahlung der Halbleiterlaser 90x bis 90N verdoppeln, wobei dann die aus diesen austretende Laserstrahlung mittels weiterer Transformationsoptikelemente 98i bis 98N in die einzelnen Lichtleiter 14x bis 14N eingekoppelt wird. Bei einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lithographie-Belichtungseinrichtung, dargestellt in Fig. 4, ist vorgesehen, daß die von den Lasereinheiten 10: bis 10N ausgehenden Lichtleiter 14x bis 14N zu einer Strahlführungsoptik 16' führen, welche lediglich die Mikroskopoptik 32 umfaßt. In diesem Fall sind die einzelnen Lichtleiter 14l bis 14N nebeneinanderliegend so dicht angeordnet, daß die aus diesen austretende divergente Laserstrahlung 20x bis 20N unmittelbar in die Mikroskopoptik 32 eintreten kann und keinerlei weiterer vorheriger Verkleinerung bedarf.
Alternativ zum Vorsehen nebeneinanderliegender Faserenden lθi bis 18N ist es bei einer weiteren Variante denkbar, unmittelbar eine Halbleiterlaseranordnung, beispielsweise in Form von Vertikalemittern, eingangsseitig der Mikroskopoptik 32 anzuordnen .
Mit der erfindungsgemäßen Lithographie-Belichtungseinrichtung ist es, wie in Fig. 5 dargestellt, möglich, belichtete Teilbereiche 100 und unbelichtete Teilbereiche 102 auf der Oberfläche 54 der lichtempfindlichen Schicht 34 durch Bewegen des in Fig. 6 dargestellten Lichtfleckmusters 70 mit den einzelnen Lichtflecken 60x bis 60N beispielsweise in folgender Art und Weise herzustellen.
Das Lichtfleckmuster 70 wird so positioniert, daß bei Bewegen desselben in einer Belichtungsbewegungsrichtung 104 beispielsweise mit dem Lichtfleck 60j eine Belichtung im Bereich einer Belichtungsbahn HOj möglich ist, wobei diese Belichtungsbahn HOj so liegt, daß ein Streifenbereich lOOj des zu belichtenden Teilbereichs 100 belichtbar ist, wobei der Lichtfleck öOj beim Bewegen längs der streifenförmigen Belichtungsbahn HOj erst dann aktiviert wird, wenn der Lichtfleck 60j in dem Abschnitt der Belichtungsbahn HOj steht, welcher über dem zu belichtenden Teilbereich 100 liegt, und außerhalb desselben deaktiviert wird.
In gleicher Weise ist ein Belichten mit dem Lichtfleck 602 im Bereich der Belichtungsbahn 1102 zur Erzeugung eines Streifenbereichs 1002 möglich, wobei auch der Lichtfleck 602 nur in den Abschnitten der Belichtungsbahn 1102 aktiviert wird, welche vollflächig über dem zu belichtenden Teilbereich 100 liegen, um den Streifenbereich 100, zu erzeugen.
Gleiches gilt für die Lichtflecke 603 bis 60g.
Nach einmaligem Überfahren des zu belichtenden Teilbereichs 100 erfolgt eine Querverschiebung des Lichtfleckmusters 70 in einer Querverschieberichtung 106 um eine festlegbare Strecke, die beispielsweise so gewählt wird, daß nunmehr mit der Belichtungsbahn 110/ ein Streifenbereich 100 des zu belichtenden Teilbereichs 100 belichtbar ist. Dasselbe gilt für die übrigen Streifenbereiche 1102' bis 1109' wobei die Belichtungsbahnen HOj und 110/ in Querverschieberichtung 106 überlappen sollten (Fig. 7).
Vorzugsweise liegt die Belichtungsbahn 110/ so, daß der Streifenbereich 100/ eine parallel zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 verlaufende Kante des zu belichtenden Teilbereichs definiert. Nach Überfahren des zu belichtenden Teilbereichs 100 erfolgt eine weitere Bewegung in Querverschieberichtung 106, wie in Fig. 8 dargestellt.
Mit den weiterverschobenen Belichtungsbahnen 110" lassen sich weitere Streifenbereiche 100/' bis 1009" des zu belichtenden Teilbereichs 100 belichten, wobei beispielsweise mit dem Streifenbereich 1009" eine Längskante des zu belichtenden Teilbereichs 100 erzeugbar ist.
Durch eine weitere Verschiebung des Lichtfleckmusters 70 in Querrichtung 106 nach dem Überfahren des zu belichtenden Teilbereichs 100 gemäß Fig. 9 ist mit dem Belichtungsbahn 1104" ' der Streifenbereich 1004" ' erzeugbar, mit welchem eine weitere Längskante des zu belichtenden Teilbereichs erzeugt wird .
Im übrigen wird bei jedem Überfahren des zu belichtenden Teilbereichs 100 stets jeder der Lichtflecken 60 dann aktiviert, wenn die jeweilige Belichtungsbahn 110, 110', 110" oder 110" ' voll den zu belichtenden Teilbereich 100 überdeckt, so daß in diesem Fall jeweils ein Streifenbereich des zu belichtenden Teilbereichs 100 erzeugbar ist, wobei sich alle Streifenbereiche in Richtung der Querverschieberichtung 106 überlappen, so daß letztlich nach beispielsweise viermaligem Überfahren des zu belichtenden Teilbereichs 100 parallel zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 und jeweiligem anschließendem Verschieben in der Querverschieberichtung 106 insgesamt die Summe aller überlappenden Streifenbereiche den belichteten Teilbereich 100 ergibt. Um zur Herstellung der einander überlappenden Streifenbereiche nicht nach jedem Überfahren des zu belichtenden Teilbereichs 100 eine Querverschiebung in der Querverschieberichtung 106 durchführen zu müssen, ist bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung, die Serienrichtung 64 der Serie 62 der einzelnen Lichtflecken 60x bis 60N so gelegt, daß diese in einem spitzen Winkel α zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 verläuft, und zwar in einem derart spitzen Winkel α, daß die Belichtungsstreifen 110^ 1102, 1103 etc. einander in einer Querrichtung 108 senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 überlappen, wie in Fig. 10 dargestellt. Ausgehend von dem Lichtfleck 60j, welcher beispielsweise als Referenz dient, haben dann alle übrigen Lichtflecken 602 bis 60N in der Querrichtung 108 ein Abstand AQ vom Lichtfleck 60^ welcher für jeden Lichtflecke 602 bis 60N anders ist, so daß sich eine Reihe von Abständen AQ2 bis AQN ergibt, die sich immer um das Inkrement d unterscheiden, wie in Fig. 11 dargestellt.
Damit ist es nicht mehr erforderlich, wie in den Figuren 6 bis 9 dargestellt, zur Erzeugung überlappender Belichtungsbahnen 110 nach jedem Überfahren des zu belichtenden Teilbereichs 100 eine Querverschiebung vorzunehmen, sondern es ist lediglich notwendig, einmal mit dem gesamten Lichtfleckmuster 70 den zu belichtenden Teilbereich 100 zu überfahren und stets den Lichtfleck in dem Abschnitt der Belichtungsbahn 110 zu aktivieren, welcher den zu belichtenden Teilbereich 100 voll überdeckt. Um ein möglichst feines Schreibraster in der senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 verlaufenden Querrichtung 108 zu erhalten, ist bei einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung, wie in Fig. 11 dargestellt, die Serienrichtung 64 der Serie 62 in einem derart spitzen Winkel α relativ zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 angeordnet, daß aufeinanderfolgende Lichtflecken öOj, 602 oder 602, 603 usw. in der Querrichtung 108 um einen dem Inkrement d entsprechenden Bruchteil eines Durchmessers D der Lichtflecken 60 verschoben ist, so daß sich, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 dargestellt, beispielsweise ein Schreibraster mit Inkrement d erreichen läßt, welche ein Zehntel des Durchmessers D der Lichtflecken 60 darstellt. Das heißt, daß der Lichtflecken 6010 der Serie 62 gegenüber dem Lichtflecken 60x um die Breite 10 x d = D in der Querrichtung 108 verschoben ist.
Es sind aber auch gröbere Schreibraster denkbar, wobei die durch das Inkrement d bestimmte Schreibraster mindestens ein Viertel von D betragen sollte, um eine ausreichende Feinheit des Schreibrasters in der Querrichtung 108 senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 zu erhalten.
Vorzugsweise ist in diesem Fall das Lichtfleckmuster 70' durch eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Serien 62a bis 62d von Lichtflecken 60 gebildet, wobei innerhalb jeder Serie von Lichtfleck zu Lichtfleck ein vorgegebenes Inkrement d in der Querrichtung 108 besteht. Bei einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtfleckmusters 70", dargestellt in Fig. 12, erstrecken sich die Serienrichtungen 64 der einzelnen Serien 62" senkrecht zu Belichtungsbewegung 104, die Lichtflecken 60 der einzelnen Serien 62" sind jedoch so gegeneinander versetzt, daß im gesamten Lichtfleckmuster 70' zu jedem Lichtfleck 60 ein weiterer Lichtfleck existiert, welcher um ein Inkrement d in der Querrichtung 108 senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 versetzt ist.
Somit ist insgesamt mit einem derartigen Lichtfleckmuster 70" die Möglichkeit gegeben, Belichtungsbahnen 110 mit einer Auflösung d in der Querrichtung 108 nebeneinanderliegend zu erzeugen, und somit die für die Herstellung eines belichteten Teilbereichs 100 erforderlichen Streifenbereiche 100 überlappend zu generieren, wobei in einem Zug das gesamte Lichtfleckmuster 70" in der Belichtungsbewegungsrichtung 104 über die lichtempfindliche Schicht 34 des Substrats 36 hinwegfährt, und zwar vorzugsweise über das gesamte Substrat 36. Innerhalb der durch das Lichtfleckmußster 70" vorgegebenen "Breite" senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung 104 ist dabei eine präzise Belichtung des Substrats 36 möglich, da die relative Anordnung der Lichtflecken zueinander und die Größe derselben unverändert bestehen bleiben.
Hernach ist - sofern sich das Lichtfleckmuster 70" nicht bereits in der Querrichtung 108 über das gesamte Substrat 36 erstreckt - das Lichtfleckmuster 70" als Ganzes in der Querrichtung 108 um eine Distanz zu versetzen, welche der Ausdehnung des Lichtfleckmusters 70" in der Querrichtung 108 entspricht, wobei bei jedem Überfahren der lichtempfindlichen Schicht 34 eine Belichtung über die gesamte Erstreckung des Lichtfleckmusters 70" in der Querrichtung 108 möglich ist, so daß zum Belichten der gesamten lichtempfindlichen Schicht 34 auf dem Substrat 36 wenige Belichtungsbewegungen des Lichtfleckmusters 70" in der Belichtungsbewegungsrichtung 104 erforderlich sind, deren Zahl sich aus der Erstreckung der lichtempfindlichen Schicht 34 in der Querrichtung 108 dividiert durch die Erstreckung des Lichtfleckmusters 70" in dieser Richtung ergibt.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung, dargestellt in Fig. 13, ist die Lithographie-Belichtungseinrichtung in gleicher Weise aufgebaut, wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen, mit dem Unterschied, daß die Mikroskopoptik 32' auf ihrer der lichtempfindlichen Schicht 34 zugewandten Seite 120 mit einer Nahfeldoptik 122 versehen ist, welche in dem Bereich angeordnet ist, in welchem die durch die Mikroskopoptik 32 ' verkleinert abgebildete Laserstrahlung aus dieser austritt. Die Nahfeldoptik 122 kann dabei in unterschiedlichster Art und Weise ausgebildet sein.
Wie in Fig. 14 dargestellt, wird die Nahfeldoptik durch eine Beschichtung 124 gebildet, welche reflektierend oder absorbierend ausgebildet ist und blendenähnliche Öffnungen 126 aufweist, durch welche dann die Laserstrahlung austritt. Mit den blendenähnlichen Öffnungen 126 ist dabei unabhängig von der Strahlformung durch die übrige Mikroskopoptik 32' die Größe der Lichtflecken 60 festlegbar. Beispielsweise können die blendenähnlichen Öffnungen 126 so dimensioniert werden, daß die Lichtflecken 60 in zumindest einer Richtung eine Ausdehnung aufweisen, die in der Größe der verwendeten Wellenlänge des Laserlichts oder kleiner ist. Somit sind beispielsweise Ausdehnungen der Lichtflecken in der Größenordnung von mehreren 100 beispielsweise, aber auch 100 oder 200 Nanno- meter, zumindest in einer Richtung erreichbar, wobei in diesem Fall die eintretende Lichtwelle einen Vektor des elektrischen Feldes E aufweisen muß, welcher parallel zur Breite B verläuft, die eine derartige Dimension aufweist.
Senkrecht zur Breite B haben die blendenähnlichen Öffnungen 126 dann vorzugsweise eine Dimension aufzuweisen, die mindestens in der Größenordnung der Wellenlänge liegt und mindestens der Ausdehnung des B-Feldes der Lichtwelle entspricht .
Die aus der blendenähnlichen Öffnung 126 austretende Laserstrahlung ist aufgrund der Größe der blendenähnlichen Öffnung 126 nicht mehr mit den Gesetzen der geometrischen Optik beschreibbar, sondern eher mit einer Kugelwelle, wie in Fig. 14 dargestellt, wobei in diesem Fall die Kugelwelle die Dimension des Lichtflecks 60 auf der Oberfläche 54 der lichtempfindlichen Schicht 34 bestimmt.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Mikroskopoptik 32' mit einer Höhenverstelleinrichtung 130 zu versehen, welche die Nahfeldoptik 122 in einem definierten Abstand AB über der Oberfläche 54 der lichtempfindlichen Schicht 34 während der Belichtungsbewegungen in der Belichtungsbewegungsrichtung 134 führt. Die Höhenverstelleinrichtung 130 hält dabei vorzugsweise die Nahfeldoptik 122 und somit die gesamte Mikroskopoptik 32 ' in einem Abstand AB über der Oberfläche 54 der lichtempfindlichen Schicht 34, welcher ungefähr der Größe des Lichtflecks 60 entspricht, also somit ungefähr in der Größenordnung der Wellenlänge des Laserlichts liegt. Damit ist sichergestellt, daß die Größe des Lichtflecks 60 nicht dadurch verändert wird, daß sich der Abstand AB zwischen der Oberfläche 54 und der Nahfeldoptik 122 während der Belichtungsbewegung in Belichtungsbewegungsrichtung wesentlich ändert.
Vorzugsweise arbeitet eine derartige Höhenverstelleinrichtung 130 mit einem Sensor 134, welcher stets den Abstand von der Oberfläche 54 erfaßt und einem Stellglied 136, welches vorzugsweise die gesamte Mikroskopoptik 32 ' in einer Höhenrichtung 138 senkrecht zur Oberfläche 54 verstellt.
Mit einer derartigen Höhenverstelleinrichtung 130 sind somit auch Variationen in der Dicke des Substrats 36 sowie der Dicke der lichtempfindlichen Schicht 34 ausgleichbar.
Bei einer in Fig. 15 dargestellten Variante 122' der Nahfeldoptik 122 sind anstelle der blendenähnlichen Öffnungen 126 Konen 140 aus einem dem Material der Mikroskopoptik 32' entsprechenden Material angeformt, wobei eine Mantelfläche 142 der Konen 140 zu einer Totalreflektion der Lichtwelle führt, die im Bereich einer abgeflachten Konusspitze 144 dann austritt. Die abgeflachte Konusspitze 144 kann dabei eine Breite B aufweisen, welche in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als dieselbe ist, so daß die dann aus der Fläche 144 austretende Lichtwelle ebenfalls als Kugelwelle zu beschreiben ist und einen Lichtfleck 60 ergibt, welcher zumindest in Richtung der Breite B eine Ausdehnung in der Größenordnung der Lichtwelle, beispielsweise im Bereich von 100 oder 200 Nanometer, aufweist.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, die Mikroskopoptik 32' in definiertem Abstand AB über der Oberfläche 54 zu führen, so daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Höhenverstelleinrichtung 130 erforderlich ist, um Schwankungen in der Größe der Lichtflecken 60 zu verhindern.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Lithographie-Belichtungseinrichtung umfassend eine Aufnahme für ein mit einer lichtempfindlichen Schicht versehenes Substrat, eine Belichtungseinheit mit einem Laser und einer Strahlführungsoptik zur Erzeugung eines Lichtflecks auf der lichtempfindlichen Schicht des in der Aufnahme gehaltenen Substrats, eine Bewegungseinheit zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Strahlführungsoptik der Belichtungseinheit und der Aufnahme und eine Steuerung zur Intensitäts- und Lagesteuerung des Lichtflecks auf der lichtempfindlichen Schicht des Substrats, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Belichtungseinheit eine Vielzahl von Halbleiterlasern( 10} bis 10N) umfaßt, daß die Strahlführungsoptik (16) die Laserstrahlung jedes Halbleiterlasers ( 10! bis 10N) zu einem Lichtfleck ( 60α bis 60N) eines definierten Lichtfleckmusters (70) führt und daß das gesamte Lichtfleckmuster (70) und die Aufnahme (38) in einer Belichtungsbewegungsrichtung (104) relativ zueinander bewegbar und dabei die Lichtflecken ( 60α bis 60N ) des Lichtfleckmusters (70) entsprechend der Form der zu belichtenden Teilbereiche (100) aktivierbar oder deaktivierbar sind.
2. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtfleckmuster (70) von einem als Referenz dienenden Lichtfleck ( δOj ) ausgehend in einer senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung (104) verlaufenden Querrichtung (108) in unterschiedlichen Abständen angeordnete Lichtflecken ( 60x bis 60N) aufweist .
3. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtfleck ( 60! bis 60N) des Lichtfleckmusters (70) in der Querrichtung (108) einen anderen Abstand ( AQ ) von dem als Referenz dienenden Lichtfleck ( 60j ) aufweist als die übrigen Lichtflecken ( 602 bis 60 .
4. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (AQ) aller Lichtflecken ( 60x bis 60N ) des Lichtfleckmusters eine Serie von Abständen bilden, bei der jeder Abstand ( AQ ) um ein Inkrement (d) größer als ein anderer der Abstände ist.
5. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Inkrement (d) kleiner als eine Erstreckung (D) der Lichtflecken ( 60: bis 60N) in der Querrichtung (108) ist.
6. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Inkrement (d) maximal die Hälfte der Erstreckung (D) der Lichtflecken (60) in der Querrichtung (108) beträgt.
7. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtfleckmuster ( 70 ) mindestens eine in einer Reihe angeordnete Serie (62) von Lichtflecken ( 60: bis 60N) umfaßt, die senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung (104) einen Abstand ( AQ ) voneinander aufweisen, welcher kleiner als deren Ausdehnung (D) senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung (104) ist.
8. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand ( AQ ) zwischen den Lichtflecken (60! bis 60N ) der Serie (62) senkrecht zur Bewegungsrichtung (104) konstant ist.
9. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß in der Serie (62) die Lichtflecken ( 60x bis 60N ) in einer längs einer Geraden (64) verlaufenden Reihe angeordnet sind.
10. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der jeweiligen Reihe die Lichtflecken ( 60x bis 60N) in Serienrichtung (64) einen Abstand (A) voneinander aufweisen, welcher größer ist als deren Erstreckung (D) in der Serienrichtung (64).
11. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienrichtung (64) einen Winkel (α) von ungleich 90° mit der Belichtungsbewegungsrichtung (104) einschließt.
12. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtungseinheit den Halbleiterlasern ( 90x bis 90N) nachgeschaltete Frequenzverdoppler (96j bis 96N) umfaßt.
13. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtungseinheit die Laserstrahlung zur Strahlführungsoptik (16) leitende Lichtleiter ( 14α bis 14N) umfaßt.
14. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter ( 14x bis 14N) ein erstes Ende (12x bis 12N) aufweisen, in welches die Laserstrahlung einkoppelbar ist und ein zweites Ende ( lδi bis 18N), aus welchem die Laserstrahlung austritt, und daß auf jedes zweite Ende (18j bis 18N) folgend ein kollimierendes Element (22t bis 22N) angeordnet ist, welches die divergent aus jedem einzelnen zweiten Ende (18j bis 18N) der Lichtleiter ( 143 bis 14„) austretende Laserstrahlung kollimiert und daraus ein kolli iertes Strahlungsbündel formt.
15. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (16) ein verkleinernd abbildendes Teleskop (26) umfaßt.
16. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (16) eine die Lichtflecke erzeugende Mikroskopoptik (32) umfaßt.
17. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroskopoptik (32, 32') an einer Höhenpositioniereinrichtung (130) angeordnet ist und von dieser während der Belichtungsbewegung in einem definierten Abstand (AB) über der lichtempfindlichen Schicht positionierbar ist.
18. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgegebener Abstand (AB) zwischen einer der lichtempfindlichen Schicht (34) zugewandten Unterseite (120) der Mikroskopoptik (32, 32') und der lichtempfindlichen Schicht durch die Höhenpositioniereinrichtung (130) einhaltbar ist.
19. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (AB) in der Größenordnung eines Durchmessers des einzelnen Lichtflecks (60) auf der lichtempfindlichen Schicht liegt .
20. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroskopoptik (32') mit einer die Größe der Lichtflecke auf der lichtempfindlichen Schicht (34) definierenden Nahfeldoptik (122, 122') versehen ist.
21. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahfeldoptik (122, 122') unmittelbar auf einer der lichtempfindlichen Schicht (34) zugewandten Unterseite (120) der Mikroskopoptik
( 32 ' ) angeordnet ist.
22. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahfeldoptik (122) die Lichtflecken (60) des Lichtfleckenmusters (70) durch blendenähnliche Durchlaßbereiche (126) definiert.
23. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahfeldoptik (122') die Größe der Lichtflecken (60) des Lichtfleckmusters (70) durch strahlkonzentrierende Elemente (140) definiert .
24. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahfeldoptik (122, 122') die Größe der Lichtflecken (60) in zumindest einer Richtung (B) auf Werte kleiner als die Wellenlänge der Laserstrahlung reduziert.
25. Lithographie-Belichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mehrere Lichtfleckmuster (70) erzeugt
26. Lithographie-Verfahren zur Herstellung von ebenen Strukturen auf einem Substrat durch folgende Schritte:
ein Beschichtungsschritt, bei welchem die lichtempfindliche Schicht auf das Substrat aufgetragen wird,
einen Belichtungsschritt, bei welchem entsprechend der herzustellenden Struktur durch Lage- und Intensitäts- steuerung eines mit Laserstrahlung auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugten Lichtflecks belichtete und un- belichtete Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht erzeugt werden, und einen Ablöseschritt, bei welchem einer der Teilbereiche vom Substrat abgetragen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Belichtungsschritt zur Erzeugung der Laserstrahlung eine Vielzahl von Halbleiterlasern verwendet wird, daß mit der aus jedem Halbleiterlaser austretenden Laserstrahlung ein Lichtfleck eines definierten Lichtfleckmusters auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugt wird und daß das gesamte Lichtfleckmuster und das Substrat zum Herstellen der belichteten Teilbereiche in einer Belichtungsbewegungsrichtung relativ zueinander bewegt und dabei die Lichtflecke des Lichtfleckmusters entsprechend der Form der zu erzeugenden belichteten Teilbereiche definiert aktiviert oder deaktiviert werden.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtflecken des Lichtfleckmusters längs parallel zur Belichtungsbewegungsrichtung verlaufenden Streifenbahnen relativ zur lichtempfindlichen Schicht bewegt werden .
28. Verfahren nach Anspruch 27 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtflecken in vollflächig über den zu belichtenden Teilbereich der lichtempfindlichen Schicht liegenden Abschnitten der Streifenbahnen aktiviert und in den übrigen Abschnitten der Streifenbahnen deaktiviert werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die belichteten Teilbereiche durch Belichtung von innerhalb deren Außenkontur liegenden und sich parallel zur Belichtungsbewegungsrichtung erstreckenden Streifenbereichen der lichtempfindlichen Schicht erzeugt werden.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenbereiche in Querrichtung senkrecht zur Belichtungsbewegungsrichtung überlappend gelegt werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß beim Belichtungsschritt das Lichtfleckmuster in der Belichtungsbewegungsrichtung relativ zum Substrat verfahren, dann in einer Querrichtung zur Belichtungsbewegungsrichtung relativ zum Substrat versetzt und dann erneut in der Belichtungsbewegungsrichtung verfahren wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Relativbewegung das Lichtfleckmuster in der Belichtungsbewegungsrichtung durchgehend ohne Bewegung quer zur Belichtungsbewegungsrichtung über das gesamte Substrat verfahren wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Relativbewegung das Lichtfleckmuster in der Belichtungsbewegungsrichtung mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit über das gesamte Substrat verfahren wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belichtung der zu belichtenden Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht nur während der Relativbewegung des Lichtfleckmusters parallel zu einer einzigen Belichtungsbewegungsrichtung erfolgt.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche zu belichtenden Teilbereiche der lichtempfindlichen Schicht auf dem Substrat durch mehrfache Relativbewegung des Lichtfleckmusters in der Belichtungsbewegungsrichtung belichtet werden.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtfleckmuster von einer Ausgangsstellung, in welcher die beim Verfahren in Belichtungsbewegungsrichtung zuerst aktiven Lichtflecken über einem Anfang der herzustellenden belichteten Teilbereiche liegen, bis zu einer Endstellung, in welcher die zuletzt aktivierten Lichtflecken über einem Ende der herzustellenden belichteten Teilbereiche liegen, verfahren wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Wafer ist und daß das Lichtfleckmuster bei jeder Relativbewegung in der Belichtungsbewegungsrichtung über den gesamten Wafer hinwegbewegt wird und erst dann quer zur Belichtungsbewegungsrichtung verfahren wird.
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