DE2116713B2

DE2116713B2 - Belichtungsverfahren zum Abbilden sehr fein strukturierter Lichtmuster auf Photolackschichten und dazu geeignete Belichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2116713B2
Application number: DE2116713A
Authority: DE
Inventors: Albert Frosch; Arno Dr. Schmackpfeffer
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1971-04-06
Filing date: 1971-04-06
Publication date: 1974-03-28
Also published as: DE2116713A1; FR2132043B1; CA981961A; US3776633A; GB1362139A; FR2132043A1

Description

Stand der Technik

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen werden auf einem Halbleiterplättchen von wenigen

cm² oft mehrere tausend Schaltungselemente wie Transistoren, Dioden, Widerstände usw. und die erforderlichen Verbindungsleitungen durch Anwendung photolithographischer Verfahren erzeugt. Dabei wird das Halbleiterplättchen vor jedem der oft sehr

zahlreichen Verfahrensschritte mit einer Photolackschicht überzogen, die durch Belichten mit einem geeigneten Lichtmuster in den jeweils tu bearbeitenden oder zu beschichtenden Bereichen entfernt wird. Wegen der außerordentlichen Kleinheit der einzelnen

Schaltungselemente — die Abmessungen einzelner Elemente oder Leiterzüge betragen oft nur wenige iim oder Bruchteile davon — werden sehr hohe, in manchen Fällen nicht mehr erfüllbare Anforderungen an das Auflösungsvermögen und die Fehlerfreiheit

der bei der Übertragung der Lichtmuster verwendeten abbildenden Systeme gestellt.

Es ist daher üblich, mit entsprechend großem apparativem Aufwand verschleißfeste Chrommaskensätze herzustellen, die als Kontaktmasken bei der Belichtung der Halbleiterplättchen mehrmals verwendbar sind. Bei diesen Kontaktbelichtungen treten sowohl Beschädigungen der Masken als auch der lichtempfindlichen Schichten auf. Wird jedoch zwischen der Maske und der zu belichtenden Photolackschicht ein Zwischenraum gelassen, der etwa 20 um betragen muß, wie sich in der Praxis ergeben hat, so treten bei sehr feinen, dicht nebeneinanderliegenden Linien Störungen auf, die auf die bei der Beugung an den Linienrändern entstehenden Nebenmaxima zurückzuführen sind und sich in »Geisterlinien« zwischen den beiden Linien äußern.

In der Literaturstelle »Photography of fine slits near the diffraction limit«, von J. H. A11 m a n, Proceedings of the second Kodak seminar on microminiaturization, April 4 und 5, 1966, S. 4 bis 11, werden die Schwierigkeiten beschrieben, die bei der Wiedergabe sehr feiner Spalte mit Hilfe von mikroskopischen Objektiven auftreten. Auf Grund theo-

reiischer Untersuchungen, exakter Berechnungen und unter Auswertung der Ergebnisse von zahlreichen Experimenten wird berichtet, daß die Intensität der Belichtung im Bereich eines durch ein Objektiv abgebildeten Spalts in guter Näherung direkt proportional der Breite des Maskenspalts ist. Diese Abhängigkeit ist so stark, daß die auftretenden Tntensitätsunterschiede in der Praxis nicht durch die Wahl eines geeigneten lichtempfindlichen Materials unschädlich gemacht werden können. Bei dicht nebeneinanderüegenden Spalten liegen die Verhältnisse wesentlich komplizierter. Die durch die spaltbreitenabhängigen Intensitäten der Abbildungen von Mehrfachspalten entstehenden Schwierigkeiten können aber grundsätzlich mit dem für Einfachspalte entwickelten Verfahren behoben werden. Es wird vorgeschlagen, diese Intensitätsunterschiede dadurch auszugleichen, daß die einzelnen Spalte mit Schichten bedeckt werden, deren Absorption direkt proportional der Spaltbreite ist. Der Ausgleich der Intensitätsunterscivede bei der Abbildung von Spalten unterschiedlicher Breite durch Mikroskopobjektive kann grundsätzlich auch durch spaltbreitenabhängige Belichtung der einzelnen Linien bei der photographischen Herstellung der Urmasken erfolgen. Zu diesem Zweck ist die Belichtung der einzelnen Spalte bei der Herstellung der Urmasken so zu steuern, daß die Lichtdurchlässigkeit der Maskenspalte umgekehrt proportional ihrer Breite wird.

Dieses Verfahren ist außerordentlich kompliziert und, wie der Verfasser am Ende seines Vortrags erklärt, in den meisten in der Praxis vorkommenden Fällen unbefriedigend. Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen mit sehr schmalen Linien und hoher Packungsdichte dürfte es nicht anwendbar sein. Darüber hinaus sind die in der obengenannten Literaturstelle besprochenen Gesetzmäßigkeiten nicht ohne weiteres auf das bei sehr fein strukturierten Masken besonders vorteilhafte sogenannte »Proximity Printing« übertragbar, bei dem die Masken während der Belichtung ohne Zwischenschaltung eines Objekts in einem Abstand von 10 bis 20 ,um vom photolackbeschichteten Halbleiterplättchen liegen.

Mit den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es daher nicht möglich, die immer größer werdenden Mengen von integrierten Schaltungen in wirtschaftlicher Weise und mit der erforderlichen Qualität herzustellen, insbesondere auch deshalb, weil die einzelnen Schaltungselemente immer kleiner und die Packungsdichten immer größer werden.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch die eine Belichtung einer Photolackschicht mit sehr feine Details aufweisenden Lichtmustern bei einem Abstand von etwa 20 um zwischen Maske und Photolackschicht ohne die bisher auftretenden Störungen infolge von Beugungseffekten möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den nebengeordntten Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Verfahren sowie ciurch Belichtungsvorrichtungen gemäß den Ansprüchen 10 und 11 gelöst.

Vorteile

Durch die Beleuchtung eines schmalen Spalts mit zwei einen kleinen Winkel einschließenden Strahlen entstehen zwei sich überlagernde, gegeneinande phasenverschobene und einander gleiche Systeme voi Beugungsfiguren. Für einen vorgegebenen Abstam zwischen der Ebene des Spalts undderBeobachtungs S ebene — im vorliegenden Fall die Maskenebene un< die Ebene der Photolackschicht — kann der Winke zwischen den beiden Strahlen so gewählt werden daß die Beugungsnebenmaxima des einen System: von Beugungsfiguren mit den Beugungsnebenminimi

ίο des anderen Systems zusammenfallen. Wegen de größeren Breite der Hauptmaxima ergibt sich durcl die Überlagerung ein verbreitertes, nahezu doppel so hohes Hauptmaximum mit versteuerten Flanken während im Bereich der Nebenmaxima durch di< Überlagerung eine Nivellierung stattfindet. Es is ohne weiteres einleuchtend, daß eine Phasenverschiebung zwischen den durch die beiden Strahlen erzeugten Beugungsfiguren nicht erfolgen kann, wenr die Ebene des durch die Strahhn gebildeten Winkels parallel zum beleuchteten Spalt liegt. Es ist vielmehi erforderlich, daß diese Ebene den Spalt am besten unter einem Winkel von 90° schneidet. Deshalb isi es erforderlich, daß bei Masken mit in allen möglichen Richtungen — also auch senkrecht zueinander — verlaufenden Spalten mindestens noch ein weiteres Strahlenpaar bei der Belichtung verwendet wird. Es hat sich gezeigt, daß eine Beleuchtung mit aus mehreren Richtungen einfallenden Strahlen zwar die besten Ergebnisse liefert, aber einen großen apparativen Aufwand erforderlich machte, was insbesondere bei der Verwendung dieses Verfahrens bei der Massenproduktion sehr nachteilig ist. Wesentlich einfacher und wesentlich weniger störanfällig ist es, einen einzigen Strahl entweder in einer Ebene zu schwenken oder seine Richtung entlang eines Kegelmantels ändern zu lassen. Obwohl in diesem Fall die Ergebnisse nicht so gut sind, kann dieses Verfahren doch in den meisten in der Praxis vorkommenden Fällen verwendet werden.

Erläuterung der Erfindung

Die erfindungsgemäßen, nebengeordneten Verfahren sowie zwei Ausführungsbeispiele von Belichtungsvorrichtungen zur Durchführung der Verfahren werden an Hand von Figuren im folgenden erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung der relativen Intensitätsverteilung bei Beleuchtung durch einen schmalen Spalt,

F i g. 2 die schematische Darstellung der relativen Intensitätsverteilung bei Beleuchtung durch einen Doppelspalt.

Fig. 3 die r;hematische Darstellung der relativen Intensitätsverteilung bei Belichtung der Photolackschicht eines Halbleiterplättchens durch einen Doppelspalt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung einer Belichtungsvorrichtung,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Belichtungsvorrichtung.

In der Darstellung nach Fig. 1 fällt eine parallele Strahlung 1 auf eine Maske 2, die einen engen Spalt 3 der Breite b^-3 μτη aufweist. Unterhalb der Maske in etwa 20 μΐη Entfernung ist ein Halbleiterplättchen 4 angeordnet, das mit einer Photolackschicht 5 überzogen ist. Beträgt die Breite b des Spalts 3 nur weniee

5 6

Mikrometer, so ergibt sich im Bereich der Photo- lung entsteht. Durch die Addition der beiden Inten-

lackschicht 5 die durch die Kurve 6 angedeutete sitäten ergibt sich die mit 14 bezeichnete Verteilung,

Intensitätsverteilung. Im vorliegenden Beispiel sei deren Maximalwerte bedingt durch die Wechselwir-

angenommen, daß die Entfernung zwischen der kung der durch beide Spalte 3 durchtretenden Strah-

Maske 3 und der Photolackschicht 5 12 μΐη, die 5 lungen über 1,2 liegen, während das zwischen den

Breite des Spalts 3 2,5 um und die Wellenlänge beiden Maxima liegende Minimum wesentlich unter

0,365 μπι beträgt. Diese Verhältnisse und somit die der Hälfte der relativen Intensität der Strahlungen la

Form der Kurve 6 werden durch den Parameter und \b liegt. Wird die Entfernung zwischen den

b¹ , „ . r— ι· L. it> ■ · . Spalten 3 vergrößert, so überlagern sich nicht mehr,

F= _n definiert. Fur d.e obengenannten Werte .st _{io w}^ _{m F} j _?. f _{dargestellt) die} %_ntm Nebenmaxima

F = 1,4. der den beiden Spalten 3 zugeordneten Maxima der Bei größerem F ergeben sich in der Mitte des Intensitätsverteilung, sondern Nebenmaxima höherer durch die Kurve 6 gebildeten Maximums eine Reihe Ordnung, so daß die Einsattelung zwischen den beivon Minima, so daß es zur Erzeugung geschlossener den Hauptmaxima noch tiefer als bei dem in Fig. 3 Linienbereiche erforderlich ist, die Belichtung so auf 15 dargestellten Verlauf wird. Bei einer derartigen Andie Empfindlichkeit der Photolackschicht abzustim- Ordnung, bei der eine Quecksilberdampflampe mit men, daß schon bei der halben Intensität eine Durch- einer Wellenlänge von ;. = 0,365 verwendet wird, belichtung des Photolacks eintritt. Unter Durch- treten keine Geisterlinien auf, und der für die Durchbelichtung wird im folgenden eine Belichtung ver- belichtung vorgesehene Wert von 0,5 der Belichstanden, bei der die Photolackschicht im belichteten 20 tungsintensität wird bei weitem unterschritten.
Bereich vollständig abgetragen wird. Bei der in In F i g. 4 wird eine geeignete Belichtungsvorrich-F i g. 2 wiedergegebenen Anordnung enthält die tung beschrieben, mit der durch eine einzige Beiich-Maske 2 zwei enge Spalte 3, denen jeweils ein Maxi- tung oder durch mehrere aufeinanderfolgende Teilmum und eine Reihe von Nebenmaxima im Bereich belichtungen .'Us verschiedenen Richtungen das der lichtempfindlichen Schicht 5 zugeordnet sind. Ist *5 Lichtmuster auf den Photolack aufbelichtbar ist. Die die Strahlung parallel, so ergibt sich der ducrh die Vorrichtung besteht aus vier in den Ecken eines geKurve 6a wiedergegebene Verlauf der relativen dachten Quadrats angeordneten, zueinander inkohä-Intensitätsverteilung. Durch die Überlagerung der renten Lichtquellen 21, 22, 23 und 24, denen vier Quadrate der Amplituden ergibt sich zwischen den Kondensorlinsen 25, 26, 27 und 28 zugeordnet sind, beiden Maxima ein Nebenmaximum 7, das, wie aus 3° Die Anordnung ist so getroffen, daß die Kondensor-F i g. 2 ersichtlich, über der zur Durchbelichtung er- linsen 25 und 26, 25 und 27, 26 und 28 sowie 27 forderlichen halben relativen Intensität liegt. Es und 28 parallele Strahlen erzeugen, die jeweils paarwird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, weise einen Winkel von 3,6" miteinander einschliedaß die beiden Maxima der Kurve 6a, bedingt durch ßen. Im gemeinsamen Bereich der durch die Kondie gegenseitige Beeinflussung der durch die beiden 35 densorlinsen 25 bis 28 erzeugten parallelen Strahlen Spalte 3 tretenden Strahlung, über dem Wert 1 der liegt eine Maske 30, die paarweise zueinander senkrelativen Intensität liegen. An Stelle des in Fig. 1 recht angeordnete Spaltpaare 46 und 47 aufweist, mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten, durchbelich- Unterhalb der Maske 30 ist in einer zur Erhöhung teten Bereichs treten bei der Anordnung nach F i g. 2 der Übersichtlichkeit vergrößert dargestellten Entdie den beiden Spalten 3 zugeordneten durchbelich- 40 fernung ein von einer Photolackschicht 50 bedecktes teten Bereiche 9 und 10 und ein zusätzlicher, als Halbleiterplättchen 40 angeordnet. Die tatsächliche Geisterlinie bezeichneter durchbelichteter Bereich 8 Entfernung der Photolackschicht 50 von der Unterauf. Da es sich bei der mit 8 bezeichneten Geister- seite der Maske 30 beträgt etwa 20 itm, während die linie um eine unerwünschte Linie handelt, war es Breiten der Spalte 46 und 47 sowie deren Abstände bisher nicht möglich, Photolackschichten durch in 45 etwa 2 bis 3 iim betragen. Die Belichtung der Photoeinem kleinen Abstand angeordnete (etwa 10 bis lackschicht 50 kann durch gleichzeitige Erregung der 20 um) Masken zu belichten, deren Spalte in der Lichtquellen 21, 22, 23 und 24 erzeugt werden. In Größenordnung von einigen Mikrometern lagen. diesem Fall dürfen die von diesen Lichtquellen aus-Ebenso störend können sich die obenerwähnten, bei gehenden Strahlungen miteinander nicht kohärent bestimmten Parametern F innerhalb der Haupt- 50 sein. Es ist aber auch möglich, die Lichtquellen 21 maxima auftretenden Nebenminima auswirken. bis 24 in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zu er-An Hand der in F i g. 3 dargestellten Anordnung regen, um in der Ebene der Photolackschicht 50 ein wird die mögliche Unterdrückung von Geisterlinien Abbild 48,59 der in der Maske 30 enthaltenen Spaltbei der Belichtung eines Doppelspalts erläutert. Die paare 46 und 47 zn erhalten, das frei von Geisterzwei Spalte 3 von 2S um Breite aufweisende Maske 2 55 linien ist.

ist im Abstand von 12 μπι von der das Halbleiter- In Fig. 5 ist eine Belichtungsvorrichtung darplättchen 4 bedeckenden Photolackschicht 5 angeord- gestellt, mit der durch eine kontinuierliche Richtungsnet. Die Maske 3 wird zeitlich nacheinander von änderung des belichtenden Strahlenbündels das Lichtzwei parallelen kohärenten Strahlungen 1 α und 1 b muster abgebildet wird. Die Anordnung besteht aus beleuchtet, die miteinander einen Winkel von 3,6° 60 einer lichtquelle 60, einer Linse 61, zwei reflektierenanschließen. Es ist aber auch möglich, die Spalte den Prismen 62 und 63 und einer Linse 64. Die gleichzeitig durch zwei zueinander inkohärente Strah- Lichtquelle 60 ist im Abstand der doppelten Brennungen 1 a und 1 b zu beleuchten. Durch die Strah- weite von der Linse 61 angeordnet Der Abstand der UTigla entsteht im Bereich der Photolackschicht5 totalreflektierenden Fläche des Prismas 63 von der ier durch die Kurve 12 dargestellte Verlauf der 65 Linse 61 ist gleich ihrer doppelten Brennweite. Das elativen Beleuchtungsintensitäten, während durch hat zur Folge, daß die Lichtquelle 69 in der totallie Strahlung 1 b der durch die Kurve 13 dargestellte reflektierenden Fläche dieses Prismas 63 abgebfldet /erlauf der relativen Beleuchtungsintensitätsvertei- wird. Die Linse 64 ist im Abstand ihrer Brennweite

von der auf der totalrjflektierenden Fläche des Prismas 63 entstehenden Abbildung der Lichtquelle 60 und im gleichen Abstand von der Ebene 65 angeordnet. Die Prismen 62 und 63 sind mit einem einstellbaren Abstand zwischen ihren Kathetenflächen angeordnet und können um die gemeinsame optische Achse 66 der Linsen 61 und 64 gedreht werden. Wie aus F i g. 5 ersichtlich, erzeugt die Anordnung in der mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung der Prismen 62 und 63 im Bereich der Ebene 65 eine Strahlung 67, die diese im Bereich 68 beleuchtet. In den mit gestrichelten Linien 62a und 63« eingezeichneten Stellungen der Prismen 62 und 63 tritt aus der Linse 64 eine Strahlung 69 auf, die auf der Ebene 65 den gleichen Bereich 68 beleuchtet. Die Anordnung

ist so getroffen, daß die Strahlung 67 und die Strahlung 69 einen Winkel von 3,6° einschließen. Es ist leicht ersichtlich, daß durch eine Drehung des Prismenpaares 62, 63 um 180° eine Belichtung der Ebene 65 im Bereich 68 in zeitlicher Aufeinanderfolge mit zwei Strahlungen erfolgt, die einen Winkel von 3,6° einschließen. Durch Veränderung des Abstandes zwischen den Katheten der Prismen 62 und 63 kann der Winkel zwischen den Strahlungen 67

ίο und 69 beliebig verändert werden. Wird in der Ebene 65 eine Maske 30 entsprechend F i g. 4 angeordnet, so wird auf einer darunter angeordneten Photolackschicht 50 das Muster der Maske 30 bei kontinuierlicher Drehung des Prismenpaares 62, 63 ohne Geisterlinien erzeugt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409513Ώ31

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Belichten von lichtempfindlichen Schichten mit sehr fein strukturierten Lichtmustern, insbesondere zum Belichten einer Photolackschicht durch Masken bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des belichtenden Strahlenbündels in bezug auf Maske und Photolackschicht während der Belichtung so verändert wird, daß sich eine Verschiebung der Beugupgsstrukturen in der Ebene der lichtempfindlichen Schicht um etwa den halben Abstand zweier benachbarter Nebenmaxima ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des belichtenden Strahlenbündels während der Belichtung kontinuierlich so verändert wird, daß sich in den Grenzlagen eine Verschiebung der Beugungsstrukturen in der Ebene der lichtempfindlichen Schicht um etwa den halben Abstand zweier benachbarter Nebenmaxima ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des belichtenden Strahlenbündels während der Belichtung sprungweise zwischen zwei Grenzlagen so verändert wird, daß sich in rien Grenzlagen eine Verschiebung der Beugungsstrukturen in der Ebene der lichtempfindlichen Schicht vm etwa den halben Abstand zweier benachbarter Nebenmaxima ergibt.

4. Verfahren zum Belichten von lichtempfindlichen Schichten mit sehr fein strukturierten Lichtmustern, insbesondere zum Belichten einer Photolackschicht durch Masken bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtung mit aus mehreren Richtungen einfallenden Strahlenbündeln erfolgt, die solche Winkel zwischen sich einschließen, daß die den einzelnen Richtungen zugeordneten Beugungstrukturen mindestens paarweise gegeneinander um einen halben Abstand zweier benachbarter Nebenmaxima versetzt sind.

5. Verfahrei. nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus mehreren Richtungen einfallenden, die Belichtung bewirkenden Strahlenbündel gleichzeitig wirksam werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus mehreren Richtungen einfallenden, die Belichtung bewirkenden Strahlenbündel in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten wirksam werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine vorgegebene Linienrichtung des Lichtmusters die Belichtung bei einer Richtungsänderung des belichtenden Strahlenbündels in einer Ebene erfolgt, welche die Linie schneidet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei verschiedenen Linienrichtungen des Lichtmusters die Richtungsänderungen des belichtenden Strahlenbündels in zwei verschiedenen Ebenen erfolgen, die mit jeweils einer Liniengruppe bestimmter Vorzugsrichtung einen Winkel von möglichst 90° einschließen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsänderungen des belichtenden Strahlenbündels in zwei zueinander senkrechten Ebenen erfolgen.

10. Belichtungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 2 bis 9, gekennzeichnet durch vier quadratisch angeordnete Lichtquellen (21,22,23,24), deren Abstände so bemessen sind, daß die durch die einzelnen Lichtquellen erzeugten Beugungsstrukturen im Bereich der zu belichtenden lichtempfindlichen Schicht paarweise gegeneinander um den Abstand halber Nebenmaxima verschoben sind.

11. Belichtungsvorrichtung zur Durchführung dus Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (60), eine die Lichtquelle auf eine spiegelnde Fläche abbildende Linse (61), ein drehbares, zweiteiliges Prisma (62,63) und eine nachgeschaltete Linse (64), wobei die abgebildete Lichtquelle in der vorderen Brennebene und die zu belichtende Fläche (65) in der hinteren Brennebene dieser Linse liegt.