DE69729659T2

DE69729659T2 - Mikrolinsen-rastereinrichtung für mikrolithografie und für konfokale mikroskopie mit grossem aufnahmefeld

Info

Publication number: DE69729659T2
Application number: DE69729659T
Authority: DE
Inventors: Kenneth C. Johnson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: JP2001500628A; EP0991959A2; WO1997034171A3; EP0991959B1; WO1997034171A2; EP0991959A4; AU1975197A; DE69729659D1; US6133986A

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht Priorität von der vorläufigen Anmeldung 60/012 434, eingereicht am 28. Februar 1996.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Erfindung bezieht sich auf zwei Gebiete, die als „Bildlesen" und „Bildschreiben" kategorisiert werden können. Ihre primäre beabsichtigte Anwendung auf dem Bildlesegebiet würde als ein konfokales Tandemabtast-Mikroskop sein, obwohl sie potenziell ebenfalls für andere Anwendungen, beispielsweise als ein hochauflösender Dokumentenscanner oder als ein Leser für optische Massenspeicher-Medien etc., verwendet werden könnte. Die primäre beabsichtigte Anwendung der Erfindung zum Bildschreiben würde als ein Mikrolithographiedrucker für die Halbleiterherstellung sein; dieses Gebiet kann jedoch ebenfalls Anwendungen, wie beispielsweise Dokumentdrucken, photographische Reproduktion, etc. umfassen. Die folgende Beschreibung wird sich auf konfokale Mikroskopie- und Mikrolithographie-Anwendungen konzentrieren, obwohl die Spezifikation durch offensichtliche Erweiterung ebenfalls auf andere Anwendungen angewendet werden kann.
Ein konfokales Mikroskop (Ref. 1) ist einem herkömmlichen Mikroskop mit der Ausnahme ähnlich, dass die Beleuchtung durch ein kleines Loch gefiltert wird, auf einen beugungsbegrenzten Mikrospot auf der Probe fokussiert wird, und (im Fall eines konfokalen Reflexionsmikroskops) wird das von der Probe reflektierte Licht erneut durch das gleiche Loch gefiltert. Der fokussierte Strahl wird über die Probe rasterabgetastet (indem entweder das Loch oder die Probe abgetastet wird), um ein hochauflösendes Rasterbild der Probe aufzubauen. (Ein konfokales Transmissionsmikroskop ist mit der Ausnahme ähnlich, dass getrennte Löcher verwendet werden, um die Beleuchtung und das Durchlicht zu filtern.) Im Vergleich zu herkömmlichen Mikroskopen weist ein konfokales Mikroskop eine hervorragende seitliche Bildauflösung auf und zeigt ebenfalls eine extrem feine Tiefenauflösung.
Ein konfokales Tandemabtast-Mikroskop des Nipkow-Typs (siehe Ref. 1, Kapitel 14) verwendet ein Array von Löchern anstatt eines einzigen Lochs, um eine sehr hohe Bild-Framerate zu erreichen. Die Löcher werden auf einer Platte ausgebildet, die sich mit einer hohen Rate dreht, um eine Echtzeit-Bildgebung bereitzustellen. Ein Nachteil des Systems von Nipkow-Typ besteht darin, dass seine Feldgröße durch die Leistung herkömmlicher Mikroskopobjektive begrenzt ist. Mit den Feldgrößenbegrenzungen handelsüblicher Hochleistungsobjektive würde sogar für ein System vom Nipkow-Typ mit seiner hohen Bildframerate eine sehr lange Zeit benötigt werden, um beispielsweise einen vollständigen Halbleiterwafer abzutasten.
Im Vergleich zu typischen Mikroskopie-Anwendungen sind Feldgrößenanforderungen für Mikrolithographie-Schrittmotoren weit anspruchsvoller. Aktuelle Schrittmotoren müssen eine Bildgebungsleistung mit hoher Auflösung, geebnetem Feld und niedriger Verzerrung vergleichbar mit Hochqualitäts-Mikroskopobjektiven, jedoch über eine Feldgröße von ungefähr 20 mm oder größer, erreichen. Dieses Leistungsniveau wird durch Verwenden von massiven Multielement-Allglas-Projektionslinsen oder katadioptrischen Systemen, wie beispielsweise den Perkin-Elmer Micralign und Wynne-Dyson Systeme (Ref. 2, Kap. 8), erreicht. Die Optik muss bei derartigen Systemen auf Submikrometer-Genauigkeiten hergestellt werden, und Submikrometer-Ausrichtung und Maßbeständigkeitstoleranzen müssen über sehr große Abstände zwischen massiven optischen und mechanischen Komponenten gehalten werden, um Auflösungs-, Brennpunkt- und Überlagerungsgenauigkeit beizubehalten. Die mit den kombinierten Anforderungen für hohe Bildauflösung und große Feldgröße verbundenen technischen Schwierigkeiten stellen erhebliche Herausforderungen für einen weiteren Fortschritt der optischen Lithographie für Halbleiteranwendungen dar.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben erwähnten Probleme werden durch das System gelöst, wie in den Ansprüchen dargelegt.
Die Erfindung stellt Drucksysteme und Techniken bereit, die den Kompromiss zwischen Bildauflösung und Feldgröße umgehen, der die Quelle von viel der Komplexität und dem Aufwand von herkömmlichen Weitwinkel-Mikroskopiesystemen mit hoher Na und Mikrolithographiesystemen ist.
Dies wird kurz gesagt dadurch erreicht, dass ein Bildprojektionssystem mit vergleichsweise niedriger Auflösung, das eine sehr kleine numerische Apertur jedoch ein großes Bildfeld aufweist, in Verbindung mit einem Mikrolinsen-Array verwendet wird, das Miniaturlinsenelemente mit einer großen numerischen Apertur jedoch einem sehr kleinen Feld umfasst. Das Projektionssystem enthält eine kleine Aperturblende, die von den Mikrolinsen auf ein Array von beugungsbegrenzten Mikrospots auf der Mikroskop-Probe oder Druckoberfläche an den Mikrolinsen-Brennpunktpositionen abgebildet wird, und die Oberfläche wird abgetastet, um ein vollständiges Rasterbild von dem Brennpunkt-Array aufzubauen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst ein Drucksystem:
ein optisches Projektionssystem mit einer Objektebene, einer Bildebene, die zu der Objektebene konjugiert ist, und einer begrenzenden Aperturblende, die als die Projektions-Apertur bezeichnet wird;
ein planares Array von Mikrolinsen mit jeweiligen Aperturen, die ein Mikrolinsen-Aperturarray definieren, wobei das Array an der Bildebene des Projektionssystems positioniert ist, und wobei die Mikrolinsen jeweilige Brennpunkte aufweisen, die mit der Projektions-Apertur konjugiert sind und die ein Brennpunkt-Array definieren;
einen Abtastmechanismus, der eine relative Bewegung zwischen dem Mikrolinsen-Array und einer Druckoberfläche nahe dem Brennpunkt-Array festlegt, wobei die von den Brennpunkten bezüglich der Druckoberfläche durchlaufenden Pfade einen Satz von eng beabstandeten Rasterlinien umfassen;
eine Bildquelle mit einem Array von lichtmodulierten Bildquellenelementen, wobei die Bildquelle an der Objektebene des Projektionssystems positioniert ist, und wobei das Projektionssystem jedes Bildquellenelemente auf eine entsprechende Mikrolinsen-Apertur abbildet, und das Bildquellenelement somit die Lichtintensität über einen Mikrospot auf der Druckoberfläche nahe dem entsprechenden Mikrolinsenbrennpunkt steuert; und
einen Bildmodulationsmechanismus, der die Bildquelle steuert, wenn die Druckoberfläche abgetastet wird, wodurch, wenn ein photoempfindliches Material in der Druckoberfläche positioniert ist, ein synthetisiertes hochauflösendes Rasterbild auf dem photoempfindlichen Material aufgezeichnet wird.
Die kritischen Abmessungs- und Ausrichtungstoleranzen des Systems werden in dem Mikrolinsen-Array selbst und in seiner Positionierung bezüglich der Proben- oder Druckoberfläche lokalisiert. Dies minimiert die Empfindlichkeit des Systems gegen Summierung von Abmessungstoleranzen, thermischen Effekten und Gewichtsbelastung, die bei herkömmlichen Mikrobildgebungssystemen problematisch sind. Für die Mikrolithographieanwendung kann das Mikrolinsen-Array ebenfalls als das Bildgebungselement eines Positionscodierers arbeiten, der die Ausrichtung des Arrays bezüglich der Druckoberfläche steuert. Indem die Belichtungsbildgebungsoptik und die Positioniercodiereroptik ein und dieselbe gemacht wird, wird die Summierung von Abmessungstoleranzen in dem Positionierservomechanismus auf ein Minimum gehalten. Das Mikrolinsen-Positionierservo könnte die X-Y-Positionierung, den Brennpunkt und die Neigung genau und präzise steuern; und bei einer Ausführungsform könnte es ebenfalls die Verwölbung in entweder der Druckoberfläche oder dem Linsen-Array selbst ausgleichen.
Ein weiteres Verständnis der Art und der Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf die verbleibenden Teile der Spezifikation und der Zeichnungen realisiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine einfache Anordnung, die als ein konfokales Tandemabtast-Mikroskop arbeiten könnte;
2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, die als ein Lithographiedrucker arbeiten könnte;
3 veranschaulicht eine Variante des Lithographiesystems, die die Druck- und mikroskopischen Bildgebungsfunktionen in einer einzigen Vorrichtung kombiniert;
4 bis 6 veranschaulichen verschiedene alternative Abtastmuster, die verwendet werden könnten, einschließlich der bidirektionalen Rasterabtastung (4), der kontinuierlichen Linienabtastung (5) und der segmentierten Linienabtastung oder „Mehrfachabtastung" (6);
7 veranschaulicht Fokusebenen-Feldkoordinaten (X, Y) und Aperturebenen-Koordinaten (X', Y') einer Mikrolinse;
8 veranschaulicht die Punkt-, Linien- und Ebenen-Belichtungsprofile einer Mikrolinse;
9 veranschaulicht das Belichtungsprofil (E als Funktion von X) für eine Bildstruktur und ihr Komplement;
10 veranschaulicht Konturen konstanter Belichtung für verschiedene positive Linienbilder;
11a–f veranschaulichen eine Mehrebenen-Verarbeitungsprozedur zum Ausführen der logischen Operationen der Konjunktion (logisches UND) und der Disjunktion (logisches ODER);
12 und 13 zeigen einfache Darstellungen von Boolescher Zusammensetzung;
14 veranschaulicht die grundlegenden Auslegungskompromisse bezüglich der Aperturgröße und Mikrolinsenbeabstandung;
15 veranschaulicht eine mögliche Konfiguration für die Mikrolinsenausgestaltung;
16a–g veranschaulichen einen auf lasergestütztes chemischen Ätzen basierenden Fertigungsprozess;
17 veranschaulicht das Belichtungsverfahren für Mikrolinsennachbildung;
18 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltungskonfiguration, die die Beleuchtungsoptik vereinfacht;
19 veranschaulicht ein noch einfacheres Beleuchtungssystem;
20 veranschaulicht eine Variante der Konfiguration von 19, bei der die beiden Kollimatorlinsen durch einen einzigen kollimierenden Spiegel ersetzt werden;
21a, b veranschaulichen eine Konfiguration, die 20 mit der Ausnahme ähnlich ist, dass sie ein konfokales Betrachtungssystem umfasst, das als ein Positionscodierer verwendet wird, um Wafer-Ausrichtung und Brennpunkt zu überwachen;
22 veranschaulicht eine Ausgestaltungskonfiguration, die ein Objektebenen-Mikrolinsen-Array in Verbindung mit einem Mikrospiegel-Array verwendet;
23 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform, die eine Photomaske in Verbindung mit einem Objektebenen-Mikrolinsen-Array verwendet;
24 und 25 veranschaulichen eine abgetastete Beleuchtungstechnik;
26 veranschaulicht die Moiré-Technik zur X-Verfolgung;
27 veranschaulicht das mit der Moiré-Technik interpolierte Detektorsignal;
28 veranschaulicht drei dazwischen angeordnete Mikrolinsensätze mit unterschiedlichen Brennpunkthöhen h₁, h₂ und h₃;
29 veranschaulicht eine Draufsicht (Herunterblicken auf die Wafer-Ebene) eines Musters, das zum Verfolgen von X, Y und θ-Rotation verwendet werden könnte;
30 veranschaulicht die konfokale Antwort eines Systems mit 0,5 NA, das bei einer Wellenlänge λ = 0,633 μm arbeitet;
31 veranschaulicht Sensor-Mikrolinsen mit doppeltem Fokus, wobei ihre Brennebenen jeweils über und unter der Wafer-Oberfläche um einen Abstand ΔΖ versetzt sind;
32 veranschaulicht eine Konfiguration, bei der die Brennpunkt-Sensor-Mikrolinsen ausgestaltet sind, um eine gemeinsame Brennebene aufzuweisen, die um einen kleinen Abstand ΔΖ unter der Wafer-Oberfläche versetzt ist, und Abschnitte der Wafer-Oberfläche (d. h. Bereiche innerhalb der Ritzgraben) werden auf eine Tiefe von 2ΔΖ geätzt;
33 veranschaulicht das Brennpunkt-Rückkopplungssignal F[Z] für ein 0,5 NA-System, das bei einer Wellenlänge λ = 0,633 μm arbeitet, wobei ΔZ = 0,5 μm ist;
34 veranschaulicht ein Mikrolinsen-Layout mit dazwischen angeordneten Z-Sensoren;
35a, b sind Drauf- und Schnittseitenansichten eines Systems, das eine Sechs-Achsen-Mikropositionierungssteuerung des Mikrolinsen-Arrays plus Verwölbungskompensation bereitstellt; und
36 zeigt ein Schema auf Systemebene, das die verschiedenen Rückkopplungs- und Steuermechanismen zusammenfasst.
BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Grundprinzipien des Betriebs
1 veranschaulicht eine einfache Anordnung, die als ein konfokales Tandemabtast-Mikroskop arbeiten könnte. Das System enthält ein doppeltes telezentrisches optisches Projektionssystem von niedriger Auflösung 1, das ein Mikrolinsen-Array 2 auf ein optisches Detektor-Array 3 abbildet, wobei jedes Mikrolinsenelement auf ein entsprechendes Lichtabfühldetektorelement abgebildet wird (z. Β. eine Mikrolinse 4 wird auf ein Detektorelement 5 abgebildet). Jede einzelne Mikrolinse bildet einen entsprechenden Brennpunkt bei oder nahe der Probenoberfläche 6 auf die Aperturblende des Projektionssystems 7 ab, sodass das entsprechende Detektorelement die Probenreflektivität über einen kleinen Mikrospot an den Brennpunkt der Mikrolinse abfühlt (z. Β. bildet die Mikrolinse 4 den Punkt 8 auf die Projektions-Apertur 7 ab, sodass das Element 5 die Reflektivität am Punkt 8 abfühlt). Die Probe wird im Reflexionsmodus von einem Beleuchtungssystem 9 beleuchtet. Die Mikrospots werden selektiv beleuchtet, indem die Beleuchtung durch die Projektions-Apertur 7 und das Mikrolinsen-Array 2 mittels eines Strahlenteilers 12 geleitet wird, um die Beleuchtung in den Lichtpfad zu mischen.
Die beugungsbegrenzten Bilder der Projektions-Apertur durch die Mikrolinsen definieren die Mikrospots, die mindestens eine Größenordnung kleiner als die Mikrolinsen-Aperturabmessung ist. Die Mikrospots würden vorzugsweise in der Größe mit der Beugungspunktstreufunktion der Mikrolinsen vergleichbar sein. Somit führt bei den bevorzugten Ausführungsformen die Projektions-Apertur die gleiche Funktion wie das Loch bei einem konfokalen Mikroskop durch. Ein Unterschied zwischen diesem System und konfokalen Τandemabtast-Mikroskopen des Stands der Technik besteht darin, dass anstatt ein Array von Löchern durch ein einziges Objektiv abzubilden, verwendet das System ein einziges „Loch" (d. h. die Projektions-Apertur), das durch ein Array von „Objektiven" (Mikrolinsen) abgebildet wird.
2 veranschaulicht eine Ausführungsform, die dem in 1 gezeigten Mikroskopiesystem sehr ähnlich ist, das jedoch als ein Lithographiedrucker arbeiten könnte. (Bei dieser Figur sowie auch späteren Figuren werden Elemente, die denjenigen in einer früheren Figur entsprechen, im Allgemeinen mit der gleichen Bezugsziffer bezeichnet.) Dieses System enthält ebenfalls ein doppeltes telezentrisches Projektionssystem mit niedriger Auflösung 1, wobei jedoch bei dieser Ausführungsform das Projektionssystem arbeitet, um eine Bildquelle 11 auf das Mikrolinsen-Array 2 zu fokussieren. Die Bildquelle umfasst ein Array von lichtmodulierenden Quellenelementen (z. B. Spots oder Auflagen mit variabler Reflektivität), wobei jedes Quellenelement auf ein entsprechendes Mikrolinsenelement abgebildet wird. Die Bildquelle könnte eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD = Digital Micromirror Device, Ref. 3) sein, wobei jedes Quellenelement ein einzelnes Mikrospiegelpixelelement umfasst. Jede Mikrolinse bildet die Projektions-Apertur 7 auf einen entsprechenden Mikrospot auf der Druckoberfläche 12 ab, und jedes Quellenelement steuert die Belichtungsintensität über den entsprechenden Mikrospot. Die Bildquelle 11 wird im Reflexionsmodus von dem Beleuchtungssystem 9 mittels eines Strahlenteilers 13 beleuchtet, um die Beleuchtung in den Lichtpfad zu mischen.
Dieses System unterscheidet sich in einem Paar von Aspekten von der Mikrolinsen-Photolithographie-Erfindung von Hugle u. a. (Referenzen 4, 5). Das System von Hugle verwendet keine einzige Projektions-Apertur für das gesamte Mikrolinsen-Array (wie in 2 dargestellt), sondern umfasst stattdessen ein Array von Mikrolinseneinheiten mit getrennten parallelen optischen Pfaden. Die Mikrolinsen von Hugle sind nicht abtastende Weitwinkelbildgebungsvorrichtungen, die jeweils ein Bildfeld abdecken, das in der Größe mit der Mikrolinsen-Aperturabmessung vergleichbar ist. Im Gegensatz dazu verwendet die vorliegende Erfindung eine Abtasttechnik, um eine Vollfeldabdeckung mit Mikrolinsen zu erreichen, deren momentane Bildfelder (d. h. die Mikrospots) mindestens eine Größenordnung kleiner als die Mikrolinsen-Aperturen sind. (Wie mit der Ausführungsform des konfokalen Mikroskops sind die Mikrospots des Lithographiesystems durch die beugungsbegrenzten Bilder der Projektions-Apertur durch die Mikrolinsen definiert und würden vorzugsweise in der Größe mit der Βeugungspunkt-Streufunktion der Mikrolinsen vergleichbar sein.)
3 veranschaulicht eine Variante des Lithographiesystems, die die Druck- und mikroskopischen Bildgebungsfunktionen in einer einzigen Vorrichtung kombiniert. Diese ist dem System von 2 mit der Ausnahme ähnlich, dass das reflektierte Licht von der Druckoberfläche 12 aus dem Lichtpfad durch den Strahlenteiler 13 gespaltet und auf ein optisches Detektor-Array 14 gerichtet wird. (Ein typisches System könnte zwei Wellenlängen, wie beispielsweise eine UV-Wellenlänge zur Belichtung und eine HeΝe-Laser-Wellenlänge zur Bildgebung, verwenden.) Der Detektor könnte Ausrichtungsmarken auf der Druckoberfläche abfühlen und aus der genauen Tiefenunterscheidung der konfokalen Bildgebung Vorteil ziehen, um Brennpunkthöhen-Variationen über die Oberfläche abzufühlen. Die Positionsinformation würde von einem Servomechanismus mit geschlossener Schleife verwendet werden, um die Übereinstimmungsausrichtung und/oder Brennpunkt und Neigung zu steuern. Der Servomechanismus könnte ebenfalls Verwölbungsverzerrung in entweder der Druckoberfläche oder dem Mikrolinsen-Array korrigieren, indem eine kompensierende Spannungsverteilung um die Peripherie des Arrays angelegt wird.
Bei jeder der obigen Ausführungsformen wird die Probe oder Druckoberfläche abgetastet, so dass das Brennpunkt-Array der Mikrolinsen ein vollständiges Rasterbild umreißt. (Alternativ könnte das Mikrolinsensystem selbst bezüglich einer festen Probe oder Druckoberfläche abgetastet werden.)
4 bis 6 veranschaulichen verschiedene alternative Abtastmuster, die verwendet werden können, einschließlich der bidirektionalen Rasterabtastung (4), der kontinuierlichen Linienabtastung (5) und der segmentierten Linienabtastung oder „Mehrfachabtastung" (6). Mit der bidirektionalen Rasterabtastung (4) wird die Bildoberfläche in ein Array von quadratischen oder rechtwinkligen Zellen mit Zellenabmessungen aufgeteilt, die mit der Mikrolinsenbeabstandung übereinstimmen, und die Oberfläche wird bidirektional abgetastet, sodass jeder Brennpunkt 15 ein Muster von Rasterlinien abtastet, die eine einzige Zelle 16 abdeckt. Mit der kontinuierlichen Linienabtastung (5) tastet jeder Brennpunkt 17 gerade eine Rasterlinie 18 ab, die sich über das gesamte Bildfeld erstreckt. Die Mikrolinsen sind in Reihen angeordnet, die bezüglich der Abtastrichtung 19 um einen kleinen Winkel δ schräg verlaufen, sodass die Brennpunkte ein Muster von eng beabstandeten Rasterlinien umreißen, d. h. dass die Rasterlinienperiode d_r viel kleiner als die Mikrolinsen-Mittenbeabstandung d_m ist (d_r = d_msinδ). Die segmentierte Linienabtastung (6) ist mit der Ausnahme ähnlich, dass jede Rasterlinie in eine Anzahl von Segmenten (z. B. Segmente 20 und 21) aufgeteilt ist, die von unterschiedlichen Linsenbrennpunkten (z. B. 22 und 23) abgetastet werden.
Der „Mehrfach-Abtastungs"-Bildgebungsmodus ist der segmentierten Abtastung (6) mit der Ausnahme ähnlich, dass sich die Abtastsegmente überlappen, sodass die jede Rasterlinie mehr als einmal abgetastet wird. Die Mehrfachabtastungs-Bildgebung könnte eine Vielfalt von Verwendungen aufweisen. Eine Anwendung würde sein, Farbbilder oder -abzüge durch Verändern der Beleuchtungs-Chromatizität zwischen aufeinander folgenden Abtastungen zu erzeugen. (Beispielsweise würde das Liniensegment 20 in 6 zuerst durch den Linsenbrennpunkt 22 und dann erneut durch den Brennpunkt 23 mit unterschiedlicher Beleuchtung abgetastet werden.) Ein Mikroskopsystem könnte ebenfalls die Mehrfachabtastungs-Bildgebung verwenden, um dreidimensionale Bilder durch Neigen des Mikrolinsen-Arrays geringfügig bezüglich der Abtastrichtung erzeugen, sodass aufeinander folgende Bildabtastungen mit geringfügig unterschiedlichen Brenntiefen erfasst werden. (Alternativ könnte, anstatt das Mikrolinsensystem zu neigen, eine Verteilung von Βrennebenenhöhen in das Array ausgestaltet sein.) Bei einem Lithographiesystem könnte die Beleuchtungshelligkeit zwischen aufeinander folgenden Abtastungen verändert werden, um eine Steuerung der Belichtungsdosis bereitzustellen. (Dies würde nützlich sein, wenn die Bildquelle keine Graustufensteuerung bereitstellt. Mit N Abstufungen jeweils bei einem unterschiedlichen Beleuchtungsniveau ist die Gesamtzahl möglicher Beleuchtungsdosisniveaus 2^N.) Alternativ könnte ein Lithographiesystem eine redundante Abtastung einfach verwenden, um statistische Bildgebungsfehler aufgrund von Faktoren, wie beispielsweise Mikrolinsenfehler, zu minimieren.
Die Ausgestaltungsprinzipien für Komponenten und Subsysteme von Mikrolinsen-Scanner werden nachstehend ausführlicher beschrieben, wobei die primäre Betonung auf Mikrolithographie und Halbleiterwafer-Herstellung liegt. (Vieles in der Beschreibung findet jedoch direkt auf Mikroskopie und andere Anwendungen Anwendung.) Eine praktische Ausführungsform des Mikrolithographiesystems könnte eine kontinuierliche Laserlichtquelle im tiefen UV, wie beispielsweise einen Frequenz-vervierfachten 266 nm-Nd:YAG-Laser (Ref. 6) und eine DMD-Bildquelle verwenden, die einer Prototypenvorrichtung ähnlich ist, die mit etwa 2.000.000 Pixeln (Ref. 3) gezeigt wurde. Die DMD ist im Stande, mit einer Framerate von über 10 kHz zu arbeiten, was zu einer Pixelrate von 2·10¹⁰ Pixel/s führt. Unter der Annahme einer Rasterlinienperiode von etwa 0,1 μm, würde die Belichtungsbereichsrate 2 cm²/s betragen. Das System könnte ein katadioptrisches Projektionsoptiksystem verwenden, dessen einfache kompakte Ausgestaltung es möglich machen würde, mehrere Mikrolinsen-Scannereinheiten in einer Vorrichtung zu kombinieren, was zu einem Gesamtdurchsatz von der Größenordnung von 10 cm²/s führt.
Mikrolinsenbildgebungstheorie und -technik
Die grundlegenden Bildgebungscharakteristiken von Mikrolinsen-Arrays können mit Verfahren der Fourier-Optik hergeleitet werden. (Dies nimmt eine kleine numerische Apertur mit unbedeutenden optischen Aberrationen an, wobei diese Verfahren nichtsdestotrotz eine nützliche erste Näherung für die Eigenschaften von Mikrolinsen mit einer numerischen Apertur von etwa 0,5 oder weniger bereitstellen können.)
Wir werden die Brennebenen-Feldkoordinaten einer Mikrolinse mit (X, Y) und ihre Aperturebenen-Koordinaten mit (X', Y') bezeichnen (7). Die Analyse wird durch Einführen von dimensionslosen Feldkoordinaten (x, y) und Aperturkoordinaten (x', y') vereinfacht: x = X/λ, y = Y/λ (1) x = –X'/Fm, y' = –Y'/Fm (2)wobei λ die Belichtungswellenlänge und F_m die Mikrolinsen-Brennweite ist (7). Die (skalare) elektrische Feldamplitudenverteilung an der Brennebene wird mit A[x, y] und die elektrische Feldverteilung an der Mikrolinsen- Aperturebene mit A'[x', y'] bezeichnet. (Anmerkung: Eckige Klammern „[...]" werden hier als Funktionsargument-Begrenzer; runde Klammern „(...)" zum Gruppieren verwendet.) Wenn ein unbedeutender Phasenfaktor ignoriert wird, stehen A und A' ungefähr durch eine Fourier-Transformationsbeziehung in Zusammenhang. A'[x', y'] = ∫∫A[x, y]exp[i2π(xx' + yy')]dxdy (3) A[x, y] = ∫∫A'[x', y']exp[–i2π(xx' + yy')]dx'dy' (4)
(Ein Zeittrennungsfaktor des elektrischen Feldes von exp[+iωt] wird angenommen, und alle Integrale werden von –∞ bis ∞ genommen.) Die an der Brennebene erzeugte momentane Energieverteilung ist proportional zu |A[x, y]|². (Dies nimmt an, dass es keine bedeutende Überlappung zwischen Verteilungen von benachbarten Mikrolinsen gibt, was eine sichere Annahme ist, da die Mittenbeabstandung der Mikrolinsen typischerweise über eine Größenordnung größer als die beugungsbegrenzte Spot-Größe sein würde.) Wenn die Spots mittels einer gepulsten Lichtquelle (wie beispielsweise einem Excimerlaser) „Blitz-belichtet" werden, wird die Gesamtbelichtungsdosis E[x, y] nach Abschluss einer vollständigen Abtastung eine inkohärente Überlagerung von beugungsbegrenzten, überlappenden Mikrospot-Verteilungen sein, die auf einem Gittermuster ausgelegt sind:
wobei s die Gittergröße (in Wellenlängeneinheiten) und g_jk die Belichtungsgraustufe (auf einer Skala von 0 bis 1) an einem Punkt (x, y) = (js, ks) ist. Wenn eine kontinuierliche Lichtquelle verwendet wird, würde es eine Verschmierung der Mikrospots aufgrund der Bewegung des Wafers geben, während jeder Spot belichtet wird, wobei dieser "Punkt-Verschmierungs"-Effekt hier vernachlässigt wird. Das Bild würde typischerweise mit einer Gittergröße s belichtet, die gleich der Rasterlinienperiode d_r (5) oder eines Mehrfachen davon ist, die auf die Wellenlänge normiert ist: s = mdr/λ (6)wobei m eine ganze Zahl ist.
Drei Belichtungsverteilungen sind bei der Mikrolinsenbildgebung von primärer Bedeutung: Die Punktverteilung E_point[x, y], die erhalten wird, wenn der Punkt (x, y) = (0, 0) mit Einheitsgraustufe belichtet wird und alle anderen Punkte nicht belichtet werden, die Linienverteilung E_line[x, y], die erhalten wird, wenn alle Gitterpunkte an der Linie x = 0 mit Einheitsgraustufe belichtet werden und alle anderen nicht belichtet werden, und die Ebenenverteilung E_plane[x, y], die erhalten wird, wenn alle Gitterpunkte mit Einheitsgraustufe belichtet werden. Epoint[x, y] = |A[x, y]|2 (7)
Ein fundamentales Ergebnis der Fourier-Optik besteht darin, dass, wenn die Gittergröße innerhalb der Grenze s < 1/(2NAm) (10)liegt, wobei NA_m die numerische Apertur der Mikrolinsen ist, dann verringert sich E_plane[x, y] auf eine Konstante, und E_plane[x, y] weist einen gleichmäßigen Querschnitt in x auf (d. h. sie weist keine y Abhängigkeit auf). Eplane = (∫∫|A[x, y]|2dxdy)/s2 (11) Eline[x] = (∫|A[x, y]|2dy)/s (12)
(Diese Ergebnisse, die wir jeweils als das "Ebenen-Belichtungstheorem" und als das "Linien-Belichtungstheorem" bezeichnen werden, werden in Abschnitten nahe dem Ende dieser Beschreibung nachstehend hergeleitet. Es sei bemerkt, dass mit einem positiven Resist, die E_plane-Verteilung dazu führen wird, dass das gesamte Resist aufgelöst ist, E_line sich in einen isolierten linearen Raum und E_point in ein isoliertes Loch entwickeln wird.) Gleichungen 11 und 12 können alternativ hinsichtlich Apertur-Integrale anstatt Feldintegrale ausgedrückt werden. Eplane = (∫∫|A'[x' y']|2dx'dy')/s2 (13) Eline[x] = (∫|∫A'[x', y']exp[–i2πxx']2dx'dy')/s (14)
Für den speziellen Fall einer gleichmäßig beleuchteten kreisförmigen Apertur weist die Apertur-Funktion A' die Form
auf, wobei A ' / 0 eine Konstante ist. Ihre inverse Fourier-Transformierte A weist die Form A[x, y] = A'0 NAmJ1[2πNAm√x² + y²]/√x² +y²] (16)auf, wobei J₁ eine Bessel-Funktion der ersten Art ist. (Gl. 16 stellt das klassische Airy-Beugungsmuster dar.) Durch Einsetzen von Gleichungen 15 und 16 in Gleichungen 7, 13 und 14 erhalten wir: Epoint[x, y] = Eplanes2J1[2πNAm√x² + y²]2/(π(x2 + y2)) (17) Eline[x] = Eplane(s/(NAmπ2x2))(1 – 1F2[1; 1/2, 3/2; –(2πNAmx)2]), (18)wobei ₁F₂ eine verallgemeinerte hypergeometrische Funktion ist. Die Spitzenwerte dieser Verteilungen sind: Epoint[0, 0] = EplaneS2NAm 2π (19) Eline[0] = Eplanes16NAm/(3π) (20)
Aus Gl. 10 erhalten wir die folgenden maximalen Grenzen an E_point[0] und E_line[0]: Epoint[0, 0] < Eplaneπ/4 (21) Eline[0] < Eplane8/(3π) (22)
8 veranschaulicht die Punkt-, Linien- und Ebenen-Belichtungsprofile für NA_m = 0,5 und s = 1. (Für kleinere Schrittgrößen skaliert E_point/E_plane im Verhältnis zu s² und E_line/E_plane im Verhältnis zu s.)
Das Ebenen-Belichtungs-Theorem impliziert eine nützliche Bildumkehr-Charakteristik von Mikrolinsen-Array-Scanners: Wenn das Beleuchtungsniveau eingestellt wird, sodass die Resist-Löslichkeitsschwelle E_S bei E_plane/2 ist, dann kann die Bildumkehrung durch einfaches Umkehren der Bildgraustufe erreicht werden (d. h. 1 – g_jk für g_jk an jedem Belichtungspunkt einsetzen). Beispielsweise veranschaulicht 9 das Belichtungsprofil (E als Funktion von X) für eine Bildstruktur und ihr Komplement. Die Struktur weist ein Belichtungsprofil E_a auf, das durch die Graustufenverteilung g_jk erzeugt wird:
Unter Bildumkehrung wird die Belichtungsverteilung E_a in die Verteilung E_b = E_plane – E_a
transformiert (aus Gl. 9). Die beiden Belichtungsprofile kreuzen die Löslichkeitsschwelle E_S an den gleichen Punkten (da E_S = E_plane – E_S); somit werden sie sich auf die gleiche Breitenabmessung W entwickeln. (Wenn die Bildquelle eine Graustufensteuerung bereitstellt, erfordert das Bildumkehrverfahren nicht, dass die Löslichkeitsschwelle E_S bei E_plane/2 ist, da die Graustufen der positiven und negativer Bilder unabhängig skaliert werden könnten, sodass jede gewünschte Belichtungskontur bei E_S ist.)
Bildstrukturen mit geschlossenen Konturen, die Bereiche mit hoher Belichtung umschließen, können „positiv" genannt werden, wohingegen die komplementären Strukturen (geschlossene Konturen, die Regionen mit niedriger Belichtung umschließen) „negativ" genannt werden können. 10 veranschaulicht Konturen mit konstanter Belichtung bei 0,25 E_plane, 0,5 E_plane und 0,75 E_plane für verschiedene positive Linienbilder von veränderlicher Länge, die mit NA_m = 0,5 aufgebaut sind. (Mit einem positiven Resist würden sich diese Muster in lineare Räume entwickeln.) Die Belichtungspunkte, die durch „+" Marken angegeben werden, werden alle mit Einheitsgraustufe belichtet und durch 1,5 λ in X und durch λ in Y getrennt. Obwohl die Linien- und Ebenen-Belichtungstheoreme im Allgemeinen nur auf unendliche Linien und Ebenen Anwendung finden, könnten kurze lineare oder rechteckige Strukturen, wie beispielsweise diejenigen in 10, mit ziemlich geraden Konturen und gleichmäßigen Querschnitten gebildet werden. Die Geradheit und die Gleichmäßigkeit könnten mittels einer Graustufensteuerung und eines kleinen Gitterschritts (z. B. s = 0,5) verbessert werden.
Einfache Bildmuster, wie beispielsweise die in 10 dargestellten, können kombiniert werden, um kleine scharf detaillierte Muster durch Verwenden von „Booleschen Zusammensetzungs"-Operationen zu erzeugen. Die einfachste derartige Operation ist die Bildumkehrung (d. h. Boolesche Negation), die durch Graustufenumkehrung ausgeführt werden kann, wie oben beschrieben. Andere logische Operationen, wie beispielsweise Konjunktion (logisches UND) und Disjunktion (logisches ODER) könnten durch eine mehrstufige Verarbeitungsprozedur, wie beispielsweise die in 11a–f dargestellte, ausgeführt werden. In 11a wird ein Wafer-Substrat 24 mit einer dicken PMMA-Schicht 25, einer planarisierten SOG-Schicht (spin-on-glass-Schicht) 26 und einer dünnen Resist-Schicht 27 schleuderbeschichtet, die belichtet und entwickelt wird, um ein geätztes Muster in der SOG zu erzeugen. In 11b wird das oberste Resist abgelöst und eine zweite PMMA-Schicht 28, eine SOG-Schicht 29 und ein dünner Resist 30 werden aufgetragen, und das oberste Resist wird belichtet und entwickelt, um ein geätztes Muster in der obersten SOG-Schicht zu erzeugen. In 11c wird die doppelschichtige PMMA-Struktur mit reaktivem Ionenätzen auf das Substrat heruntergeätzt, was zu einer Ätzmaske führt, die eine Region auf dem Substrat freilegt, die durch die Verbindung der geätzten Bereiche auf den beiden SOG-Schichten definiert wird.
Bei einer Variation des obigen Verfahrens wird das obere PMMA nur weit genug geätzt, um die untere SOG-Schicht freizulegen (11d). Dies wird von einem selektiven Ätzen gefolgt, das die obere SOG-Schicht und den freigelegten Abschnitt der unteren SOG-Schicht entfernt (11e), und schließlich wird das verbleibende PMMA auf das Substrat heruntergeätzt (11f). Dieses Verfahren führt zu einer Ätzmaske, die durch die Trennung der beiden SOG-Ätzmuster definiert wird.
12 und 13 zeigen einfache Darstellungen der Booleschen Zusammensetzung. In 12 wird ein Array von kleinen quadratischen Inseln durch die disjunktive Zusammensetzung von zwei positiven Linienmustern (durch entgegengesetzte Schraffierung angegeben) erzeugt. In 13 werden zwei parallele überlappende Sätze von positiven Linienmustern konjunktiv zusammengesetzt, um enge Räume zu bilden. Mehrere Sätze derartiger Muster könnten verschachtelt werden, um Arrays hoher Dichte mit sehr kleinen Strukturen zu bilden, wobei die Strukturdichte die klassische Beugungsgrenze überschreitet. (Die Größe und die Dichte der Struktur werden primär durch den Resist-Kontrast und Überlagerungsgenauigkeit begrenzt.)
Apertur-Ausgestaltung
Die grundlegenden Ausgestaltungskompromisse, die sich auf Aperturgröße und Mikrolinsenbeabstandung beziehen, werden schematisch in 14 dargestellt. Jede Mikrolinse 31 fokussiert den Strahl auf einen beugungsbegrenzten Fokussier-Spot mit einer eng begrenzten Amplitudenverteilung A[X, Y] auf der Wafer-Oberfläche 12 herunter. Diese Verteilung wird durch die numerische Apertur der Mikrolinse und durch die Amplitudenverteilung A'[X', Y'] über die Mikrolinsen-Apertur 32 bestimmt. Die letztere Verteilung, die das beugungsbegrenzte Bild von dem der Mikrolinse 31 entsprechenden Quellenelement 33 ist, das t, sollte vorzugsweise die Apertur 32 überfüllen, um die Fokusauflösung auf der Wafer-Ebene zu optimieren und ebenfalls die Empfindlichkeit des Fokussier-Spots auf optische Übereinstimmungsfehler zwischen den Quellenelementen und den Mikrolinsen-Aperturen zu minimieren. Wenn die Verteilung A' jedoch zu weit ist (oder wenn die Mikrolinsen zu eng beabstandet sind), wird sie ebenfalls benachbarte Mikrolinsen-Aperturen 34 und 35 überlappen, was zu einem Bildnebensprechen zwischen benachbarten Aperturen führt.
Die Verteilung A' wird durch die numerische Apertur des Projektionssystems und durch die Amplitudenverteilung A''[X'', Y''] über die Projektions-Apertur 7 bestimmt. (A'' stellt den Teil der Apertur-Beleuchtung dar, der nur von dem Quellenelement 33 kommt. Das Gesamt-Apertur-Beleuchtungsfeld umfasst ebenfalls ähnliche Verteilungen von allen anderen Quellenelementen.) Die Aperturgröße der Quellenelemente kann ausgewählt werden, um die Verteilung A'' optimal zu steuern. Wenn die Quellenelemente viel kleiner als ihre Mittenbeabstandung sind, dann wird die Beugung an der Apertur des Elements 33 veranlassen, dass die Verteilung A'' sehr gleichmäßig über die Projektions-Apertur 7 verteilt wird, was eine mögliche Streuung oder Verzerrung der projizierten Bildebenenverteilung A' aufgrund ungleichmäßiger Apertur-Beleuchtung minimieren wird. Die Empfindlichkeit gegen Fehlausrichtung der Beleuchtungsquelle kann ebenfalls minimiert werden, indem die Quellenelemente klein ausgeführt werden. Der Kompromiss besteht jedoch darin, dass der optische Wirkungsgrad im Verhältnis zu der Aperturgröße der Quellenelementen aufgrund von Überfüllen der Projektions-Apertur abfallen würde.
Die Größe und Form der Projektions-Apertur kann ausgestaltet sein, um den Kompromiss zwischen Beleuchtungsgleichmäßigkeit über die Mikrolinsen-Apertur 32 und dem Minimieren des Lichtaustritts in benachbarten Aperturen 34 und 35 zu optimieren. Eine Vorgehensweise könnte darin bestehen, eine mit dem Mikrolinsengitter ausgerichtete quadratische Apertur 7 zu verwenden. Die Amplitudendurchlässigkeitsfunktion für eine quadratische Apertur t_p[X'', Y''] ist
wobei W_p die Projektions-Apertur-Breite ist. Unter der Annahme, dass die Verteilung A'' innerhalb der Projektions-Apertur im Wesentlichen gleichmäßig ist, wird eine quadratische Apertur zu einer Mikrolinsen-Apertur-Verteilung A' führen, die näherungsweise durch die Funktion A'[X', Y'] = A'0 sinc[WpX'/(λFP)]sinc[WpY'/(λFp] (26)beschrieben wird, wobei A ' / 0 eine Konstante, F_p die Brennweite des optischen Subsystems zwischen der Projektions-Apertur 7 und der Mikrolinsen-Apertur 32, λ die Belichtungswellenlänge und sinc[u] = sin[πu]/(πu) ist. Die Aperatur-Breite W_p kann gewählt werden, sodass die ersten Knoten der Sinc-Funktion näherungsweise an den benachbarten Mikrolinsen-Aperturen 34 und 35 zentriert sind: Wp = λFp/dm, (27)wobei d_m die Mikrolinsen-Mittenbeabstandung ist. In diesem Fall werden Gleichungen 25 und 26:
A'|X', Y'| = A'0 sinc[X'/dm]sinc[Y'/dm] (29)
Falls d_m beispielsweise das vierfache der Mikrolinsen-Aperturbreite a_m ist (14), wird die Beleuchtungsintensitäts-Ungleichmäßigkeit über die Apertur 32 nur etwa 5% betragen (nicht genug, um die Brennpunktauflösung auf der Wafer-Ebene erheblich zu beeinträchtigen), und den Energieaustritt in jede benachbarte Apertur 34 oder 35 wird unter der Annahme kreisförmiger Mikrolinsen-Aperturen etwa 0,4% betragen.
Die Nebensprech-Amplitudenkomponente würde keine bedeutenden Kohärenzeffekte hervorrufen. Beispielsweise wird die primäre Amplitudenverteilung A'[X', Y'] über die Mikrolinsen-Apertur 32 mit Nebensprechenverteilungen A'[X' + d_m, Y'] und A'[X' – d_m, Y'] von benachbarten Quellenelementen 34 und 35 überlagert. Jede der Nebensprechverteilungen ist näherungsweise ungerade symmetrisch in X' über die Apertur 32, wohingegen A'[X', Y'] gerade symmetrisch ist. Dies impliziert (basierend auf den Eigenschaften der Fourier-Transformierten), dass an der Wafer-Ebene die Nebensprechamplitude näherungsweise rein komplex sein wird, wohingegen A[X, Y] reelle Werte aufweisen wird, was zu einer minimalen Kohärenz-Wechselwirkung führt. Dies nimmt an, dass die Beleuchtung kohärent ist und dass die Quellenelemente kohärent ausgerichtet sind. (Wenn es bedeutende Phasenverschiebungen zwischen benachbarten Elementen gibt, könnte der Nebensprech-Energieaustritt viel höher als der oben angegebene Pegel, z. B. 0,4%, aufgrund von Kohärenz-Wechselwirkungen sein.)
Es gibt Varianten der oben umrissenen quadratischen Apertur-Ausgestaltung, die zu noch besserer Nebensprechunterdrückung führen könnten. Eine Alternative besteht darin, die Apertur mit einem Winkel von 45° bezüglich des Mikrolinsengitters auszurichten und ihre Größe einzustellen, sodass beide Sinc-Glieder in der Verteilung A' in der Mitte der benachbarten Mikrolinsen-Aperturen 34 und 35 Null sind:
A'[X', Y'] = A'0 sinc[(X' + Y')/dm]sinc[(X' – Y')/dm] (31)
Eine weitere Vorgehensweise besteht darin, eine apodisierte Projektions-Apertur zu verwenden, die im Wesentlichen die quadratische Apertur-Amplituden-Durchlässigkeitsfunktion von 28 durch ihre Autofaltung ersetzt. Mit dieser Modifikation werden die Sinc-Funktionen in A' durch Sinc²-Glieder ersetzt, sodass über die benachbarten Aperturen, wobei A' Nulldurchgänge aufweist, die Nebensprechamplitude vernachlässigbar wird:
A'[X', Y'] = A'0 sinc2[X'/dm]sinc2[Y'/dm] (33)
(Diese varianten Vorgehensweisen weisen den Nachteil auf, dass entweder die Beleuchtungsgleichmäßigkeit über die Mikrolinsen-Apertur 32 gefährdet werden würde oder dass die Mikrolinsenbeabstandung d_m erhöht werden müsste, um die Beleuchtungsgleichmäßigkeit beizubehalten.)
Die Apodisations-Vorgehensweise kann ebenfalls durch eine geringfügig unterschiedliche Technik implementiert werden. Anstatt einen tatsächlichen physikalischen Apodisierer an der Projektions-Apertur zu bilden, kann der Strahl durch Ausgestalten des Apertur-Beleuchtungsfelds A'' „effektiv apodisiert" werden, sodass es ein verjüngtes Profil über die Apertur-Region ähnlich einem Apodisations-Profil aufweist. Wenn die Beleuchtungsoptik und die Bildquelle beispielsweise ausgestaltet sind, sodass die ersten Beugungsknoten der Verteilung A'' an den Projektions-Apertur-Rändern sind, wird die verjüngte Amplitudenverteilung nahe den Rändern dazu beitragen, die Beugungsausläufer in der Bildebenenverteilung A' zu unterdrücken. (Der Kompromiss zu diesem Vorteil besteht jedoch darin, dass das System weniger tolerant gegen jede Fehlausrichtung oder Schwingung sein wird, die veranlassen könnte, dass sich die Verteilung A'' verschiebt.) Auf ähnliche Weise könnten die Mikrolinsen-Aperturen durch Lokalisieren der ersten Beugungsknoten der Verteilung A' an der Mikrolinsen-Apertur-Grenze wirksam apodisiert werden. Dies würde dazu beitragen, obgleich auf Kosten eines Anstiegs der zentralen Peak-Breite, die Beugungsausläufer in der Wafer-Ebenenverteilung A zu unterdrücken.
Die oben umrissenen Apertur-Ausgestaltungs-Vorgehensweisen können auf Mikroskopie-Systeme sowie auch auf Lithographiedrucker angewendet werden. (Für die Mikroskopie-Anwendung können die Quellenelemente 33 in 14 als Detektorelemente neu interpretiert werden.)
Es sei bemerkt, dass es eine Anwendung gibt, für die Bildnebensprechen kein Problem sein würde. Wenn das System verwendet wird, um ein periodisches Muster zu drucken, wobei die Musterperiodizität dem Mikrolinsen-Layout entspricht, dann würden die Belichtungsintensitäten bei allen Mikrospots identisch sein; somit könnte jeder Nebensprecheffekt korrigiert werden, indem eine kompensierende Einstellung in dem Gesamtbelichtungspegel durchgeführt wird. Für diese Anwendung würde sogar kein Bildquellen-Array erforderlich sein – es könnte einfach durch eine modulierte Punktquelle in der Mitte der Projektions-Apertur ersetzt werden, die das gesamte Mikrolinsen-Array gleichförmig beleuchten würde. Diese Art von System könnte beispielsweise bei der Herstellung von Mikrolinsen-Arrays verwendet werden, wobei das Bildebenen-Mikrolinsen-Array als ein Masterelement verwendet werden würde, um Replica-Elemente lithographisch zu strukturieren. (Eine nachstehend beschriebene alternative Herstellungstechnik könnte jedoch gegenüber diesem Verfahren Vorteile aufweisen.)
Mikrolinsenaufbau
15 veranschaulicht eine mögliche Konfiguration für die Mikrolinsenausgestaltung. Jede Mikrolinse wird als ein Oberflächenreliefprofil 36 auf der oberen Oberfläche einer dünnen Quarzglas-Platte 37 ausgebildet. Eine lithographisch strukturierte lichtblockierende Schicht 38, wie beispielsweise dunkles Chrom, wird oben auf der Platte aufgetragen, um die Mikrolinsen-Aperturen zu definieren. Die Platte wird optisch mit einem Quarzglas-Superstrat 39 kontaktiert und an diesem gebondet. Teile der unteren Oberfläche des Superstrats werden geätzt, um eine lichtstreuende oder beugende Oberfläche 40 zu bilden, die den spekular reflektierten Strahl über die optisch kontaktierten Regionen der Platte unterdrückt. Die obere Oberfläche des Superstrats umfasst eine Antireflexionsbeschichtungen 41 und die untere Oberfläche eine Antireflexionsbeschichtung 42 über die freien Mikrolinsen-Apertur-Bereiche. (Die streuenden oder beugenden Oberflächenbereiche und die Antireflexionsbeschichtungen verhindern, dass sich das spekular reflektierte Licht durch die Projektions-Apertur zurück überträgt.)
Ein auf Laser-gestützten chemischen Ätzen (Referenzen 7, 8) basiertes Fertigungsverfahren wird in 16a–g dargestellt. Die Grundprozedur besteht darin, zuerst ein Array von Mikrolinsen niedriger NA mittels eines holographischen Aufbauverfahrens zu bilden (16a–d), und dann dieses Array als ein Masterelement zum Nachbilden von Arrays von genau profilierten Mikrolinsen hoher NA zu verwenden (16e–g). In 16a wird ein Paar von genau kollimierten gleichmäßigen Laserstrahlen 43 und 44 kombiniert, um ein Interferenzmuster zu bilden, das eine dicke Resist-Schicht 45 auf einem Quarzglas-Substrat 46 freilegt. Das Substrat wird dann um 90° gedreht und ein zweites Mal belichtet, sodass das latente Resist-Bild aus zwei orthogonalen Sätzen von gleichmäßig beabstandeten parallelen Linien besteht. Das latente Bild wird in eine sinusförmige Dickenvariation in dem Resist entwickelt (16b), die in ein sinusförmiges Oberflächenprofil 47 in dem Substrat durch ein reaktives Ionenätzverfahren umgewandelt wird (16c; Referenzen 7, 8). Das Oberflächenhöhenprofil Z[X, Y] ist aus gekreuzten Sinuskurven Z[X, Y] = Z0(cos2[πX/dm] + cos2[πY/dm] (34)aufgebaut, wobei d_m die Linienperiode des holographischen Musters und Z₀ eine Konstante ist. Die Form ist näherungsweise parabelförmig in der Nähe der Profil-Peaks; beispielsweise nimmt nahe (X, Y) = (0,0) die Profilfunktion die genäherte Form Z[X, Y] ≌ Z0(2 – (π/dm)2(X2 + Y2)) (35)an. Diese parabelförmigen Regionen können als Mikrolinsenelemente arbeiten, und ein Apertur-Array 48 wird auf der Oberfläche ausgebildet, um diese Bereiche zu begrenzen (16d). Das Apertur-Array wird als eine lithographisch strukturierte Chromschicht ausgebildet, die holographisch mittels der Belichtungseinrichtung von 16a aufgebaut wird, um eine genaue Übereinstimmung des Apertur-Arrays mit den Mikrolinsen zu gewährleisten.
Das Mikrolinsen-Array mit niedriger NA kann als eine Abstandsmaske zum Fertigen des Arrays mit hoher NA verwendet werden (16e). Eine dünne Quarzglas-Platte 37 wird optisch mit einem dicken tragenden Substrat 49 kontaktiert und mit Resist 50 überdeckt. Ein Belichtungsstrahl 51 wird durch das Mikrolinsen-Array mit niedriger NA 46 projiziert, das den Strahl auf ein Array von kleinen Spots auf dem Resist fokussiert (z. B. fokussiert die Mikrolinse 47 den Strahl auf den Punkt 52). Jede Mikrolinse bildet eine optimale Belichtungsverteilung an ihrer Brennebene ab, was zu einem optimal konturierten Oberflächenprofil in dem entwickelten Resist führt. (Die Bildgebungsoptik wird nachstehend beschrieben.) Das Resist-Profil wird in die Quarzglas-Platte 37 durch reaktives Ionenätzen transferiert, und ein lithographisch strukturiertes Apertur-Array 38 wird dann auf der Oberfläche ausgebildet (16f). (Das Mikrolinsen-Array mit niedriger NA kann ebenfalls verwendet werden, um das Apertur-Array lithographisch zu strukturieren.) Schließlich wird die Silika-Platte 47 an dem Superstrat 39 gebondet und von dem Substrat 49 entfernt (16g).
Die bei dem Nachbildungsverfahren (16e) verwendete Belichtungsoptik wird in 17 dargestellt. Eine erweiterte diffuse Lichtquelle 53 wird durch ein Projektionssystem 54 auf das Master-Element 46 fokussiert. Die Aperturblende des Projektionssystems enthält eine Grauskala-Durchlässigkeitsmaske 55, die von jeder Mikrolinse 47 auf ihren entsprechenden Belichtungs-Spot 52 abgebildet wird. Das Durchlässigkeitsprofil der Maske steuert die Resist-Belichtungsverteilung, die ihrerseits die Oberflächenprofilform 36 der Replica-Mikrolinsen bestimmt (15). Das Substrat 49 und das Master-Element 46 werden über den Strahl während der Belichtung abgetastet (wobei ihre relativen Positionen unverändert beibehalten werden), um Belichtungsungleichmäßigkeiten aufgrund von Faktoren, wie beispielsweise die Feldungleichmäßigkeit des Projektionssystems und Kohärenzeffekten, auszumitteln. Das Projektionssystem 54 sollte ausgestaltet sein, um auf der Objektseite telezentrisch zu sein, sodass die mehreren Bilder der Apertur-Maske 55 bezüglich dem Resist 50 unveränderlich bleiben, wenn Elemente 46 und 49 über das Beleuchtungsfeld abgetastet werden.
Ein Vorteil des obigen Fertigungsverfahrens besteht darin, dass die Gleichmäßigkeit und Platzierungsgenauigkeit der Replica-Mikrolinsen nicht durch die Feldgleichmäßigkeit des Belichtungswerkzeugs oder die Schrittgenauigkeit begrenzt werden – sie werden nur durch die Gleichmäßigkeit und Kollimationsgenauigkeit der Belichtungsstrahlen 43 und 44 bestimmt, die verwendet werden, um das Master-Element zu fertigen (16a). Außerdem können die Replica-Mikrolinsen-Arrays viel größer als das Bildfeld des Belichtungswerkzeugs sein.
Zahlreiche Alternativen zu reaktiv Ionen-geätzten Mikrolinsen existieren entweder für die Master-Mikrolinsenelemente oder das Replica-Array. Möglichkeiten umfassen geformte Mikrolinsen, planare Mikrolinsen mit verteiltem Index, Mikro-Fresnel-Linsen (oder Binäroptik) und verschmolzene Harz-Arrays (Ref. 9, Kap. 7). Obwohl sich ihre Materialverarbeitungstechnologien unterscheiden, werden die meisten dieser Mikrolinsenarten mittels Photolithographie gefertigt, sodass die oben beschriebenen Belichtungstechniken ebenfalls auf diesen alternativen Arten angepasst werden können. Eine praktische Variation des obigen Verfahrens würde beispielsweise sein, die Master-Mikrolinsen 47 als planare Elemente mit verteiltem Index auszubilden. Der Luftspalt zwischen dem Master-Element 46 und dem Resist 50 (16e, 17) könnte dann durch eine dielektrische Schicht ersetzt werden, die über dem Master-Element 46 aufgetragen wird. Die Replica-Mikrolinsen würden somit durch ein Kontaktdruckverfahren anstatt durch Abstandsdrucken gebildet werden, das den Vorteil aufweist, dass die kritische Luftspalttoleranz-Anforderung eliminiert würde.
Projektions- und Beleuchtungsoptik
Im Kontext eines Lithographiesystems (2) definiert die Bildquelle 11 die Objektebene des Projektionssystems 1 und das Mikrolinsen-Array 2 seine Bildebene. Das Projektionssystem sollte im Allgemeinen auf der Bildseite telezentrisch sein, da die optischen Achsen der einzelnen Mikrolinsen typischerweise alle gegenseitig parallel sein werden. Wenn eine Bildquelle, wie beispielsweise eine DMD, verwendet wird, sollte das Projektionssystem ebenfalls auf der Objektseite telezentrisch sein. Die Konfiguration von 2 verwendet eine kollimierende Linse 56, um die Projektions-Apertur 7 auf unendlich auf der Bildseite abzubilden, und eine kollimierende Linse 57 wird ebenfalls verwendet, um die Apertur auf unendlich auf der Objektseite abzubilden. Eine Apertur-Linse (oder Linsensystem) 58, die die Projektions-Apertur 7 enthält, arbeitet in Verbindung mit Kollimatoren 56 und 57, um die Bildquelle 11 auf das Mikrolinsen-Array 2 abzubilden. (Die Bildquelle und das Mikrolinsen-Array könnten positioniert sein, sodass die Kollimatoren allein diese Bildgebungsfunktion durchführen, wobei jedoch noch immer eine Apertur-Linse 58 mit Null-Leistung für die Aberrations-Steuerung nötig sein könnte.)
Das Beleuchtungssystem 9 in 2 enthält eine Beleuchtungs-Apertur 59, die durch einen Kollimator 60, den Strahlenteiler 13 und die Projektionsoptik auf die Projektions-Apertur 7 abgebildet wird. Eine alternative Ausgestaltungskonfiguration, die die Beleuchtungsoptik vereinfacht, wird in 18 dargestellt. Bei diesem System ist der Strahlenteiler 13 in der Apertur-Linse 58 aufgenommen, und die Projektions-Apertur 7 und die Beleuchtungs-Apertur 59 werden beide direkt auf der Oberfläche des Strahlenteilers ausgebildet. Vorteile dieses Systems sind, dass der Strahlenteiler sehr klein und kompakt ist, und die optische Ausrichtung vereinfacht wird, da die Aperturen 7 und 59 automatisch miteinander ausgerichtet sind.
Ein noch einfacheres Beleuchtungssystem wird in 19 dargestellt. Anstatt einen Strahlenteiler zu verwenden, wird die Beleuchtung in das System mittels einer kleinen außeraxialen Quelle, wie beispielsweise einer optischen Faser 60 benachbart der Projektions-Apertur 7, gebracht. (Ein optisches Korrekturelement, wie beispielsweise ein binäres Optikelement, kann vor der Faser untergebracht sein, um außeraxiale Aberrationen auszugleichen.) Die Bildquelle 11 muss ausgestaltet sein, um mit außeraxialer Beleuchtung bei dieser Konfiguration zu arbeiten.
20 veranschaulicht eine Variante der Konfiguration von 19, bei der die beiden Kollimatorlinsen 56 und 57 durch einen einzigen kollimierenden Spiegel 61 ersetzt werden. Ein Faltspiegel 62 kann verwendet werden, um das Mikrolinsen-Array 2 und den Wafer 12 von der Projektionsoptik physikalisch zu trennen. Die Projektions-Apertur ist ein reflektierendes Element (z. B. eine kleine reflektierende Auflage (pad) 63, das auf einem Substrat mit niedrigem Reflexionsvermögen 64 aufgetragen ist), und die Apertur-Linse 58 arbeitet bidirektional. Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass sie eine sehr kleine chromatische Aberration aufweisen würde und somit mit einer ziemlich breitbandigen (z. B. Bandbreite 10 nm) Beleuchtungsquelle verwendet werden könnte. (Die optische Geometrie kann ausgestaltet sein, sodass die Apertur-Linse 58 im Wesentlichen keine Leistung aufweist und nur als ein Aberrations-steuerndes Element arbeitet; somit wird ihre chromatische Dispersion sehr klein sein. Obwohl die Mikrolinsen brechende Elemente mit hoher NA sind, wird ihre Bildgebungsleistung nicht sehr durch die chromatische Dispersion aufgrund ihrer kleinen Größe beeinflusst.)
Die in 21a, b dargestellte Konfiguration ist 20 mit der Ausnahme ähnlich, dass sie ein konfokales Betrachtungssystem umfasst, das als ein Positionscodierer benutzt wird, um Ausrichtung und Brennpunkt des Wafers zu überwachen. (Dieses System ist dem System von 3 funktionell ähnlich.) Das Codierersystem würde eine Lichtquelle mit langer Wellenlänge, wie beispielsweise einen 633 nm-HeNe-Laser verwenden, der außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs von UV-Resists ist. Die reflektierende Auflage (pad) 63 umfasst bei dieser Konfiguration (21b) eine optische Beschichtung, die bei der UV-Belichtungswellenlänge hochreflektierend, jedoch bei der Codiererwellenlänge transparent ist, und das Substrat 64 ist bei beiden Wellenlängen transparent. (Die Beschichtung könnte ebenfalls ausgestaltet sein, sodass durchgelassenes Licht bei der Codiererwellenlänge keine bedeutende Phasendiskontinuität über die Beschichtungsgrenze aufweist.) Eine zweite optische Beschichtung 65, die an der unteren Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, arbeitet als ein Strahlenteiler bei der Codiererwellenlänge. Die Betrachtungsbeleuchtung des Codierers 66 wird durch beide Beschichtungen projiziert und mit dem UV-Lichtpfad gemischt. Es wird dann von dem Kollimator 61 und dem Faltspiegel 62 reflektiert, durch das Mikrolinsen-Array 2 durchgelassen und von dem Wafer 12 zurückreflektiert. Der Rückstrahl wird teilweise durch die Strahlenteilerbeschichtung 65 reflektiert, erneut von dem Kollimator 61 reflektiert und auf ein Detektor-Array 14 gerichtet. Aufgrund ihrer längeren Wellenlänge würde die optimale Aperturgröße des Codierersystems größer als die des UV-Belichtungssystems sein (z. B. siehe Gleichung 27 und 14), sodass die Strahlenteilerbeschichtung 65 eine Aperturabmessung aufweisen wird, die größer als die der UV-reflektierenden Auflage 63 ist. Die untere Oberfläche des Substrats 64 wird an einem zusammengesetzten Keilwinkel geschnitten, sodass der von der unteren Beschichtung 65 reflektierte Strahl räumlich von dem von der oberen Beschichtung 63 reflektierten UV-Strahl getrennt wird.
21a zeigt eine Draufsicht des Systems (wie durch den Kollimator 61 betrachtet), die die Positionsbeziehungen zwischen der Faltspiegel-Apertur 62, der Bildquelle 11 und dem Detektor-Array 14 darstellen. Dies stellt nur eine mögliche Konfiguration dar. Die Oberflächenneigung sowohl auf der Oberseite als auch der Unterseite des Substrats 64 kann unabhängig gewählt werden, um die Aperturen 62, 11 und 14 bei jeder bevorzugten Anordnung innerhalb der durch die Kollimator-Apertur 61 definierten Fläche zu positionieren. Die beiden reflektierenden Filme könnten genauso gut an den entgegengesetzten Seiten des Substrats platziert sein (d. h. mit dem UV-reflektierende Film 63 auf der Unterseite und der Strahlenteilerbeschichtung 65 auf der Unterseite), obwohl in diesem Fall die Strahlenteilerbeschichtung ebenfalls UV-transparent sein müsste.
Die Bildquelle
Die digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD, Ref. 3) weist mehrere günstige Eigenschaften als eine Bildquelle für Mikrolithographie auf: Eine digital programmierbare Bildquelle würde die Notwendigkeit für Lithographiemasken beseitigen; die hohe Framerate der DMD (z. B. 10 kHz) sollte ausreichend sein, um den Durchsatzanforderungen für die Halbleiterherstellung zu genügen; und ihre Pixelgröße (17 μm Mittenbeabstandung) ist klein genug, um Einheitsvergrößerung in dem Projektionssystem zu ermöglichen.
Ein paar Kompromisse müssen jedoch passenderweise bei der Ausgestaltung eines DMD-Systems ausgeglichen werden. Diese Kompromisse beziehen sich auf die Aperturgrößenanforderung und die Oberflächenformtoleranz der Mikrospiegel, den Neigungsbereich und die Neigungstoleranz des Mikrospiegels, sowie den Energiewirkungsgrad und das Bildnebensprechen. 22 veranschaulicht eine Ausgestaltungskonfiguration für die Bildquelle, die ein Objektebenen-Mikrolinsen-Array in Verbindung mit dem Mikrospiegel-Array verwendet, um diese Faktoren optimal auszugleichen. Ein außeraxialer Beleuchtungsstrahl (wie beispielsweise der, der durch den Faserilluminator 60 in 19 erzeugt wird) wird durch das Mikrolinsen-Array 67 auf ein Array von Punkten fokussiert; z. B. der Abschnitt des Beleuchtungsstrahls 68, der von der Mikrolinse 69 abgefangen wird, wird auf den Punkt 70 fokussiert. Jeder fokussierte Strahl wird durch einen Mikrospiegel abgefangen, der geneigt ist (wenn in seinem „An"-Zustand), um den Brennpunkt auf einen beugungsbegrenzten Spot in der Mitte der Mikrolinsen-Apertur benachbart der fokussierenden Mikrolinse erneut abzubilden; z. B. der Mikrospiegel 71 bildet den Punkt 70 auf einen Punkt 72 in der Mitte der Mikrolinse 73 benachbart der Mikrolinse 69 erneut ab, und die Projektionsoptik bildet dann den Punkt 72 auf die Mitte einer entsprechenden Apertur des Bildebenen-Mikrolinsen-Arrays erneut ab. Die Mikrospiegel können eine eingebaute optische Leistung enthalten, um diese Bildgebungsfunktion zu ermöglichen. Beispielsweise wird das Element 71 in 22 dargestellt, wie es eine konvexe Krümmung aufweist. (Alternativ könnten die Mikrospiegel als binäre optische Reflektoren ausgebildet sein. Die optische Leistung könnte ebenfalls durch Mikrolinsen, die auf den Mikrospiegeloberflächen ausgebildet sind, oder durch getrennte stationäre Mikrolinsen, die nahe an den Mikrospiegel-Aperturen positioniert sind, bereitgestellt werden.)
Zusätzlich zu der Abbildung der Beleuchtungsquelle auf die Mikrolinsen-Aperturen arbeiten die Mikrospiegel und Mikrolinsen ebenfalls, um die Mikrolinsen-Aperturen auf die Projektions-Apertur abzubilden. Beispielsweise wird der Punkt 74 in der Mitte der Mikrolinsen-Apertur 69 von dem Mikrospiegel 71 auf einen virtuellen Bildpunkt 75 abgebildet, der dann von der Mikrolinse 72 (in Kooperation mit der Projektionsoptik) auf die Mitte der Projektions-Apertur abgebildet wird. (Wenn der Mikrospiegel in seiner „Aus"-Stellung ist, wie durch das Element 76 in 22 dargestellt, wird er jedoch geneigt, um den reflektierten Strahl 77 aus der Projektions-Apertur abzulenken.)
Ein primärer Vorteil der obigen Ausgestaltungskonfiguration besteht darin, dass die gleichmäßige Beleuchtung über dem Objektebenen-Mikrolinsen-Array 68 wirksam in ein Array von beugungsbegrenzten Punktquellen 72 in dem reflektierten Strahl umgewandelt wird, ohne sich Apertur-Verluste an der Bildquelle zuzuziehen. Dies führt zu einer gesteuerten gleichmäßigen Beleuchtungsverteilung A'' über die Projektions-Apertur und einer Bildebenenverteilung A' mit minimaler Peak-Breite (14). Die beugungsbegrenzte Größe der wirksamen Quellenpunkte 72 wird durch die wirksame Brennweite der Mikrolinsen-Mikrospiegel-Kombination (z. B. Elemente 69 und 71) bestimmt und kann ausgestaltet sein, um den Kompromiss zwischen Bildnebensprechenunterdrückung und Energiewirkungsgrad zu optimieren. (Kleinere Quellenpunkte werden im Allgemeinen Nebensprechenunterdrückung durch Verringern der Breite der Verteilung A' verbessern, jedoch ebenfalls zu einer breiten Projektions-Apertur-Verteilung A'' und folglichem Lichtverlust aufgrund von Überfüllen der Apertur führen (siehe 14).
Ein weiterer Vorteil der Konfiguration von 22 besteht darin, dass durch Aufnehmen optischer Leistung in die Mikrospiegel die Brennweite der Objektebenen-Mikrolinsen verringert werden kann und die Mikrospiegel näher an den Mikrolinsen positioniert werden können, ohne eine breitere Verteilung der Projektions-Apertur-Verteilung A'' auf sich zu nehmen. Dies führt zu einem kompakteren System und verringert die Mikrospiegel-Aperatur-Größenanforderung (d. h. Füllfaktor). (Sogar ohne die Aufnahme von optischer Leistung in die Mikrospiegel müssten ihre Aperturen nur halb so groß wie die Mikrolinsen sein.) Außerdem würde die Oberflächenfigurtoleranz und die Mikrospiegelneigungstoleranz ebenfalls gelockert werden, obwohl diese Vorteile durch eine erhöhte Neigungsbereichsanforderung und durch die Notwendigkeit, optische Leistung in die Mikrolinsen aufzunehmen, ausgeglichen werden würde.
Die obige Ausgestaltungsvorgehensweise weist ebenfalls den Vorteil auf, dass sie die Verwendung eines Strahlenteilers und den zugeordneten optischen Wirkungsgradverlust vermeidet. Mit der außeraxialen Beleuchtungsanordnung würde es ebenfalls keine Notwendigkeit geben, die Objektebene des Projektionssystems zu neigen, um die Mikrospiegelneigung aufzunehmen.
Die DMD ist nicht die einzige Option für die Bildquelle. Eine in 23 dargestellte Alternative besteht darin, eine Photomaske 78 in Verbindung mit einem Objektebenen-Mikrolinsen-Array 79 zu verwenden. (Die Mikrolinsen könnten binäre optische Elemente sein.) Das Projektionssystem 1 bildet das Array 79 auf das Bildebenen-Mikrolinsen-Array 2 mit verringerter Vergrößerung ab. Ein dichtes Array von Bildpixelelementen mit kleinen Auflagen von unterschiedlichem Reflexionsvermögen wird auf der Photomaske-Oberfläche ausgebildet. Bei jedem beliebigen Zeitpunkt werden einige der Pixel an den Objektebenen-Mikrolinsen-Brennpunktpositionen positioniert (d. h. konjugiert zu der Projektions-Apertur) und im Reflexionsmodus von den Mikrolinsen beleuchtet. Die Bildquellenelemente umfassen die Objektebenen-Mikrolinsen und entsprechend beleuchtete Pixel, und die Elemente werden durch Abtasten der Photomaske über das Brennpunkt-Array moduliert, um unterschiedliche Pixel in Position an den Brennpunkten zu bringen. „An"-Pixel werden durch helle Chrom-Auflagen dargestellt, und „Aus"-Pixel umfassen transparente oder absorbierende Bereiche. (Eine Wahl von Graustufen könnte vorgesehen werden, indem geätzte Gitter hoher Frequenz auf den Chrom-Auflagen gebildet werden.) Der Wafer 12 und die Photomaske 78 werden beide synchron abgetastet, und die Beleuchtungsquelle wird ausgetastet, sodass Belichtungen durchgeführt werden, wenn die Mikrolinsenbrennpunkte auf der Maske auf den Pixeln zentriert sind. (Eine Technik zum wirksamen Austasten der Beleuchtung, ohne die Lichtquelle tatsächlich zu modulieren, wird nachstehend erläutert.) Somit wird die Verteilung des Reflexionsvermögens der Photomaske auf eine entsprechende Belichtungsverteilung auf dem Wafer mit verringerter Größe abgebildet.
Mit herkömmlichen chrombeschichteten Quarzphotomasken führt die Durchlichtbeleuchtung im Allgemeinen zu einer Bildgebung höherer Qualität als die Beleuchtung mit reflektiertem Licht, da Durchlicht weniger mit den Chromseitenwänden wechselwirkt. Dies würde jedoch nicht der Fall mit dem Mikrolinsensystem sein, da randgestreutes Licht im Wesentlichen durch die Projektions-Apertur eliminiert wird. Die Pixel würden außerdem bedeutend größer als die beugungsbegrenzten Mikrolinsenbrennpunkte sein, sodass es nicht viel Randstreuung geben wird. Beispielsweise würde mit einem zehnfachen Reduktionssystem, das ausgestaltet ist, um eine 0,1 μm-Mikrospot-Periode auf der Wafer-Ebene zu erzeugen, die Photomaskenpixel-Mittenbeabstandung 1 μm sein, wohingegen die Pixelbeleuchtungs-Spots einen Durchmesser (volle Breite bei den ersten Beugungsknoten) von nur etwa 0,5 μm aufweisen würden (unter der Annahme einer Beleuchtung im tiefen UV und einer Mikrolinsen-NA von etwa 0,5). Zusätzlich zum Minimieren von optischen Wechselwirkungen mit den Chromrändern würden die unterfüllten Pixel-Aperturen einen Toleranzspielraum für einen Abtast-Synchronisationsfehler zwischen der Maske und dem Wafer bereitstellen.
Wenn die Bildebenen-Mikrolinsen weit getrennt sind, um Bildnebensprechen zu unterdrücken, könnte die Photomaskenausführungsform erhebliche optische Verluste erleiden, da im Gegensatz zum DMD-System (22) das Photomaskensystem keinen Mechanismus zum Konzentrieren der Beleuchtung innerhalb der Objektebenen-Mikrolinsen aufweist. Ein guter Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Nebensprechungsunterdrückung kann durch Verwenden der „effektiven Apodisations"-Technik erreicht werden, die oben unter „Apertur-Ausgestaltung" beschrieben ist: Die Objektebenen-Mikrolinsen-Aperturen und die Projektions-Apertur werden dimensioniert, sodass der erste Beugungsknoten der Amplitudenverteilung A'' an der Projektions-Apertur (14) näherungsweise an der Projektions-Apertur-Grenze ist; und die Bildebenen-Mikrolinsen-Aperturen werden dimensionsmäßig ausgestaltet, sodass der erste Beugungsknoten der Bildebenen-Verteilung A' näherungsweise an der Mikrolinsen-Apertur-Grenze liegt. Diese Anordnung würde dazu neigen, die Beugungsausläufer an der Bildebene zu minimieren, und könnte ebenfalls ermöglichen, das die Mikrolinsen-Aperturen ziemlich eng beabstandet sind, ohne bedeutendes Bildnebensprechen zu erleiden.
Der Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Nebensprechenunterdrückung könnte umgangen werden, indem die Mikrolinsen als Bildgebungsvorrichtungen mit erweitertem Feld verwendet werden, anstatt konfokales Modus-Punkt-Bildgebung zu verwenden. Bei diesem Modus würden jedoch die Mikrolinsen- und die Projektions-Apertur vergrößert werden, sodass die Bildebenen-Mikrolinsen-Aperturen und Mikrospots beide viel größer als die Beugungsgrenze sind. (Wie bei dem konfokalen Bildgebungsmodus würden jedoch die Mikrospots mindestens eine Größenordnung kleiner als die Mikrolinsen-Aperturen sein, sodass dieses System den Vorteil beibehält, dass die Mikrolinsen nur über einen kleinen Feldwinkel arbeiten müssen.) Aufgrund der größeren Mikrolinsen-Aperturabmessungen könnte es machbar sein, die Photomaske mit durchgelassenem Licht zu beleuchten, anstatt reflektiertes Licht zu verwenden, sodass das System herkömmliche Photomasken und Standardbildverbesserungstechniken, wie beispielsweise Phasenverschiebung und ringförmige Beleuchtung, verwenden könnte. (Der Begriff „Mikrolinsen" kann in diesem Kontext eine Fehlbezeichnung sein, da die Linsen-Aperturen tatsächlich ziemlich groß, z. B. mehrere Millimeter im Durchmesser sein könnten.) Dieses System könnte gegenüber herkömmlichen monolithischen Schrittmotor-Ausgestaltungen Vorteile aufweisen (z. B. kompakte kostengünstige Optik), obwohl ihm einige der Hauptvorteile der konfokalen Bildgebung (überdurchschnittliche seitliche Auflösung und Tiefendiskriminierung, Unempfindlichkeit gegen geometrische und chromatische Aberrationen in dem Linsen-Array, weniger Empfindlichkeit gegen optische Kohärenzeffekte) fehlen würde.
Andere Arten von Bildquellenmechanismen könnten ebenfalls mit dem Mikrolinsen-Scanner verwendet werden. Beispielsweise könnte ein reflektierender Filmstreifen anstatt einer Photomaske verwendet werden. Obwohl die meisten der oben betrachteten Vorrichtungsausführungsformen eine Beleuchtung mit reflektiertem Licht verwenden, könnte durchgelassenes Licht ebenfalls potenziell verwendet werden. Die Bildquelle könnte beispielsweise ein Filmdia oder eine Flüssigkristallvorrichtung (LCD = liquid crystal device) sein. Reflektierende Medien weisen jedoch den Vorteil auf, dass die Beleuchtung auf ein Array sehr kleiner Pixelelemente mittels eines Objektebenen-Mikrolinsen-Arrays in enger Nähe zu dem lichtmodulierendem Elementen herunter fokussiert werden kann (wie in 22 und 23). Außerdem übertragen transparente Medien, wie beispielsweise Filmdias, im Allgemeinen tiefe UV-Beleuchtung nicht effizient.
Die Beleuchtungsquelle
Das in 20 dargestellte katadioptrische System würde eine sehr kleine chromatische Aberration aufweisen, sodass es möglicherweise mit einer Beleuchtungsquelle mit ziemlich breiter Bandbreite (z. B. 10 nm), wie beispielsweise eine gefilterten Bogenlampe, verwendet werden könnte. Dies könnte für eine I-Linien (365 nm)-Verarbeitung machbar sein, wobei jedoch für kürzere Wellenlängen eine tiefe UV-Laserquelle erforderlich sein kann, um eine ausreichende Belichtungsenergie zu erreichen.
Ein gepulster Laser, wie beispielsweise ein Krypton-Fluorid(248 nm)- oder Argon-Fluorid(193 nm)-Excimerlaser könnte eine sehr hohe Belichtungsenergie bereitstellen. Eine Linienverengung, die mit herkömmlichen Systemen aufgrund ihrer hohen chromatischen Dispersion erforderlich ist, würde mit dem katadioptrischen System nicht erforderlich sein. Die Impulsdauer eines Excimerlasers ist ausreichend kurz (z. B. 10 ns), sodass es keine bedeutenden Punktverschmierung in dem belichteten Bild geben würde. Der Hauptnachteil von Excimerlasern besteht darin, dass ihre Impulswiederholungsrate typischerweise geringer als 1 kHz ist, was viel geringer als die erreichbare Framerate von DMDs und für die hohen Durchsatzanforderungen der Halbleiterherstellung wahrscheinlich zu langsam ist. Diese Begrenzung könnte entweder nur durch starke Zunahme der Anzahl von Pixeln in der DMD oder indem mehrere Mikrolinsen-Scannersysteme parallel arbeiten, überwunden werden. (Ein einziger Laser könnte möglicherweise die Beleuchtung zu mehreren Scannereinheiten liefern.)
Die Framerate würde nicht begrenzt sein, wenn eine kontinuierliche Beleuchtungsquelle, wie beispielsweise eine Bogenlampe, verwendet wird. Für Anwendungen mit tiefem UV kann ein Frequenz-vervierfachter Nd:YAG-Dauerstrich-Laser (266 nm) als eine attraktive Option verwendet werden (Ref. 6). Ein Problem, das mit einer kontinuierlichen Quelle angetroffen werden kann, ist die Bildpunktverschmierung aufgrund der relativen Bewegung zwischen dem Mikrolinsen-Array und dem Wafer. Eine Art und Weise, um die Verschmierung zu verringern, würde darin bestehen, die Beleuchtung durch Verschließen der Lichtquelle wirksam abzutasten, sodass jedes Bild-Frame über eine sehr kurze Zeitspanne belichtet wird. Dieses Verfahren würde jedoch einen sehr großen optischen Wirkungsgradverlust mit sich bringen. Ein großer Teil des Verlustes könnte möglicherweise durch Verwenden der Lichtquelle wiederhergestellt werden, um mehrere Scannereinheiten zu versorgen. (Anstatt Verschließen der Lichtquelle würde ein optischer Schaltmechanismus verwendet werden, um die Beleuchtung durch mehrere Einheiten sequentiell zyklisch zu wiederholen.) In der Praxis könnte jedoch die Beleuchtungsquelle nicht genug Leistung aufweisen, um mehrere Einheiten zu versorgen.
Eine praktische Lösung des Punktverschmierungsproblems würde darin bestehen, einen Strahlabtastmechanismus in der Beleuchtungsoptik aufzuweisen, der den Strahl durch Fokussieren der Beleuchtung auf ein schmales Band oder einen Satz von parallelen Bändern austastet, die mit hoher Geschwindigkeit über die Bildquelle abgetastet werden. (Konzeptionell ist dies der oben erwähnten optischen Schaltvorgehensweise analog, mit der Ausnahme, dass anstatt den Strahl zwischen unterschiedlichen Mikrolinsen-Scannereinheiten umzuschalten, wird er wirksam zwischen unterschiedlichen Regionen innerhalb einer einzigen Einheit umgeschaltet wird.) Dieses Verfahren wird in 24 und 25 dargestellt.
24 zeigt, wie die Mikrolinsen bezüglich dem Wafer-Belichtungsmuster mittels herkömmlicher, Vollfeldbeleuchtung mit einer gepulsten Lichtquelle positioniert werden. Die kleinen Kreise (z. B. 80) stellen beugungsbegrenzte Mikrospots auf dem Wafer dar, die mit veränderlichen Intensitätsniveaus belichtet werden, um das Rasterbild zu erzeugen. Die großen Kreise 81 stellen die Mikrolinsen-Aperturen dar, und die „+" Marken 82 stellen die Positionen der Mikrolinsenbrennpunkte bezüglich der Mikrospots zu einem bestimmten Zeitpunkt dar. (Im Kontext des Systems von 23 könnte 24 alternativ als die Photomaske 78 darstellend interpretiert werden, wobei die Kreise die reflektierenden Auflagen und die „+" Marken die Brennpunkte der Objektebenen-Mikrolinsen 79 darstellen.) Der Wafer (oder die Maske) wird in der Abtastrichtung 19 translatorisch verschoben, und die Lichtquelle wird gepulst, wenn die Brennpunkte über den Mikrospots zentriert sind.
25 veranschaulicht die Belichtungsgeometrie mit der Technik der abgetasteten Beleuchtung. Die Beleuchtung ist auf ein enges Band 83 (oder Satz von parallelen Bändern), das über das Objekt abgetastet wird, und Bildfelder in einer Richtung 64 quer zu dem Band (oder Bändern) beschränkt. Der Strahl wird synchron mit der Wafer-Abtastung abgetastet, sodass jeder Mikrolinsenbrennpunkt über die Mitte eines Mikrospots während der Zeit läuft, die er beleuchtet wird. (Es sei bemerkt, dass in 25 die Mikrolinsenbrennpunkte außerhalb des beleuchteten Bereichs 83 nicht auf den Mikrospots zentriert sind, sondern dass die Wafer-Abtastung sie zu einer zentrierten Position zu der Zeit verschoben haben wird, wenn sie von dem Beleuchtungsstrahl durchlaufen werden.)
Positionsrückkopplung und -steuerung
Bei den in 3 und 21a, b dargestellten Ausführungsformen arbeitet das Mikrolinsen-Array in Verbindung mit einem optischen Detektor-Array 14 als ein Positionscodierer, der eine Rückkopplung an einen Wafer-Positionierungsservomechanismus mit geschlossener Schleife bereitstellt. (Eine ähnliche Art von System könnte verwendet werden, um den Photomasken-Scanner bei dem System von 23 zu steuern.) Die Codiererdaten könnten die seitliche Position des Wafers (X und Y, wobei X die Abtastkoordinate und Y die Querabtastkoordinate ist), den Brennpunkt (Z), die Neigung (d. h. die Rotationsverschiebungen um die X- und Y-Achsen) und θ (Rotation um die Z-Achse) umfassen. Außerdem könnte das System ein Maß der Oberflächen-Verwölbungsverteilung zwischen dem Wafer und dem Mikrolinsen-Array bereitstellen (d. h. Z als eine Funktion von X und Y). Typischerweise wird der Positionscodierer eine Betrachtungswellenlänge verwenden, die sich von der Belichtungswellenlänge unterscheidet, sodass das Mikrolinsen-Array Mikrolinsenelemente aufnehmen müsste, die besonders für die Codiererwellenlänge ausgestaltet sind. (Es kann im Prinzip möglich sein, Mikrolinsen mit dualer Wellenlänge auszugestalten. Beispielsweise könnte eine hybride Beugungs-Brechungs-Ausgestaltung verwendet werden. Die Fertigung einer derartigen Ausgestaltung würde jedoch schwierig sein und kann Leistungskompromisse mit sich bringen.) Die Codierer-Mikrolinsenelemente könnten als lineare Arrays ausgebildet werden, die dem zweidimensionalen Array von Belichtungsmikrolinsen angrenzen oder darin verteilt angeordnet sind.
Die X-Y Positionsabfühlung könnte mittels einer Moiré-Technik erreicht werden, bei der die konfokale Antwort auf ein periodisches Muster von Mikrolinsen auf einem periodischen Verfolgungsmuster gemessen wird. Die Technik wird in 26 für die X-Verfolgung dargestellt. Eine periodische Reihe von Mikrolinsen L₀, L₁, L₂, ... mit einer Mittenbeabstandung d_m ist über einem periodischen Verfolgungsmuster (wie beispielsweise einem geätzten Reliefgitter mit rechtwinkligem Profil) mit der Periode d_τ positioniert. Die Verfolgungsposition kann hinsichtlich eines Parameters X₀ spezifiziert sein, der definiert ist, um die X-Position in Wafer-gestützten Koordinaten des Brennpunkts der Linse L₀ zu sein. (X₀ verändert sich linear mit der Zeit.) Die Detektorelemente umfassen Lichtabfühlpixel, und das konfokale Antwortsignal S_n an dem der Linse L_n entsprechenden Pixel als eine Funktion der Verfolgungsposition X₀ und der Pixelzahl n erfüllt die Periodizitätsbeziehung Sn[X0] = S0[X0 + ndm] (36)
Die Funktion S₀ ist periodisch Modulo d_τ, Sn[X0] = S0[Xmoddt] (37)
Die Abmessungen d_m und d_τ werden gewählt, sodass dm nahe an jedoch nicht genau gleich einem ganzzahligen Vielfachen von d_τ ist, dm = kdt + δ, (38)wobei k eine ganze Zahl und δ ein kleiner Wert (erheblich kleiner als d_τ) ist. Somit Sn[X0] = S0[(X0 + n(kdt + δ))moddτ] = S0[X0 + nδ] (39)
Das Signalprofil wird sich um 1 Pixel verschieben, wenn sich der Wafer um einen Abstand δ bewegt Sn+1[X0] = S0[X0 + (n + 1)δ] = S0[(X0 + δ) + nδ] = Sn[X0 + δ], (40)somit kann die konfokale Pixelauflösungsantwort verwendet werden, um X₀ mit einer Auflösung von δ zu messen. Eine bessere Auflösung kann durch Interpolieren des Detektorsignals zwischen Pixeln erreicht werden. Das interpolierte Detektorsignal (als eine Funktion der Pixel-Bruchzahl n) wird periodisch Modulo d_τ/δ sein, wie in 27 dargestellt:
(aus Gleichungen 39 und 37). Die Signalperiode d_τ/δ ist sehr groß, sodass die Phase des Detektorsignals auf Subpixel-Genauigkeit genau gemessen werden kann, was zu einer Messgenauigkeit X₀ führt, die erheblich besser als δ ist.
In der Praxis können verschiedene Sätze von Positionssensor-Mikrolinsen zum Fokussieren bei unterschiedlichen Höhen bereitgestellt werden. Beispielsweise veranschaulicht 28 drei dazwischen verteilte Mikrolinsensätze mit unterschiedlichen Brennpunkthöhen h₁, h₂ und h₃. Die Mikrolinsen können ebenfalls zum Fokussieren durch unterschiedliche Dicken von Resist sphärisch korrigiert sein.
29 veranschaulicht eine Draufsicht (auf die Wafer-Ebene herunterblickend) eines Musters, das zum Verfolgen von X, Y und θ-Rotation verwendet werden könnte. Zwei parallele Spuren werden in den Wafer-Ritzlinien ausgebildet, die jeweils parallele geätzte Mulden 85 bei 45° zu den X-Y-Achsen umfassen. Die Mulden in einer Spur sind senkrecht zu denjenigen der anderen. Eine Reihe von Mikrolinsen ist über jeder Spur angeordnet. Die Mikrolinsenbrennpunktpositionen an einem bestimmten Zeitmoment werden in 29 durch „+" Marken 86 angegeben. (Die Querschnittsgeometrie in einer X-Z-Ebene durch jede der beiden Mikrolinsenreihen umfasst die oben beschriebene und 26 oder 28 dargestellte Form.) Wenn (X₀, Y₀) definiert werden, um die Wafer-gestützten Koordinaten an einem bestimmten Brennpunkt zu sein, wird die Phase des Signalprofils von jeder Mikrolinsenreihe eine Funktion von sowohl X₀ als auch Y₀ sein, wobei eines der Phasenglieder proportional zu X₀ + Y₀ und das andere proportional zu X₀ – Y₀ ist. Die Summe der beiden Phasenglieder liefert ein Maß von X₀ und die Differenz ein Maß von Y₀. Außerdem wird jede geringfügige θ-Rotation zu einer messbaren Verschiebung in den Oberschwingungen der beiden Signalprofile führen. Eine Frequenz wird sich mit θ erhöhen, wohingegen die andere abnehmen wird, sodass die Differenz zwischen den beiden Frequenzen ein genaues Maß von θ bereitstellen kann. Die Summe der beiden Frequenzen könnte ebenfalls überwacht werden, um jede Fehlübereinstimmung in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Mikrolinsen-Array und dem Wafer zu erfassen. Das Verfolgungssignal könnte digital analysiert werden, oder analoge Elektronik könnte verwendet werden, um das Verfolgungssignal in ein Positionierungssteuersignal umzuwandeln. Die Positionsrückkopplung würde gegen geringe Fehler oder zufällige Ungenauigkeiten in entweder den Mikrolinsen oder dem Verfolgungsmuster unempfindlich sein, da die Positionsmessung Daten aus einer großen Anzahl von Mikrolinsen (z. B. 1000) verwendet.
Wenn die Wafer-Stufe einen Codierer aufweist, der ausreichend genau und präzise ist, könnte ein viel einfacheres Verfolgungsverfahren verwendet werden, bei dem die Positionsrückkopplung einfach durch den Stufencodierer selbst anstatt durch den Mikrolinsencodierer bereitgestellt wird. Es würde jedoch noch immer notwendig sein, den Wafer bezüglich des Mikrolinsen-Arrays genau zu lokalisieren und auszurichten, und die Mikrolinsenbildgebung könnte für eine Vorbelichtungsausrichtung verwendet werden. Das Ausrichtungsmuster könnte große Strukturen für eine grobe Positionierung (ein Grau-Code-Strichmuster) plus ein einfaches periodisches Linien/Raum- oder Schachbrettmuster umfassen, um eine hochauflösende X- und Y-Messung durch die oben umrissene Moiré-Technik bereitzustellen (26, 27). Mindestens zwei Sätze von Ausrichtungsmustern würden bei weit getrennten Stellen auf dem Wafer ausgebildet, um eine gute θ-Messgenauigkeit zu bekommen.
Andere X-Y-Ausrichtungstechniken sind ebenfalls möglich. Anstatt das Mikrolinsen-Array als ein Positionsabfühlelement zu verwenden, könnte ein Moiré-Beugungsgitter verwendet werden (Ref. 10). Optische Positionscodiererelemente, wie beispielsweise Mikrolinsen-Arrays oder Moiré-Beugungsgitter, könnten ebenfalls direkt in der Wafer-Stufe eingestellt werden, und die Ausrichtungsmuster könnten auf der Rückseite des Wafers ausgebildet sein. Verschiedene Vorteile dieser Vorgehensweise bestehen darin, dass die Ausrichtungsmuster keinen wertvollen Wafer-Raum beanspruchen würden, sie nicht durch die Wafer-Verarbeitungsschritte beeinflusst werden würden, und die enge optische Kopplung zwischen Stufeneingebetteten Codiererelementen und dem Wafer könnte helfen, die Ausrichtungsgenauigkeit zu verbessern. Ein primärer Nachteil der Rückseitenausrichtung (und der Oberseitenausrichtung mit einem Moiré-Gitter) besteht darin, dass sie kein direktes Maß der Wafer-Position bezüglich dem Mikrolinsen-Array bereitstellt, sodass die Ausrichtung eine genaue Kalibrierung des X-Y-Versatzes zwischen dem Array und den Positionscodierern erfordern würde. (Dieser Nachteil könnte möglicherweise durch Durchführen aller Fertigungsschritte auf jedem Wafer mittels des gleichen Belichtungswerkzeugs abgeschwächt werden: Der sich auf den X-Y-Versatz beziehende Positionsfehler würde dann der gleiche auf allen Prozess-Schichten sein und somit nicht die Überdeckungsgenauigkeit beeinflussen.)
Der Wafer-Stufencodierer kann im Stande sein, ein ausreichend genaues und präzises Positionsrückkopplungsignal bereitzustellen, ob sich das System jedoch auf den Stufencodierer als der primäre Positionsrückkopplungssensor stützt oder nicht, der Stufenantriebsmechanismus kann selbst nicht im Stande sein, eine ausreichend präzise und ansprechende Positionssteuerung bereitzustellen. Stufenmotoren mit hoher Trägheit könnten eine geschmeidige gleichmäßige Abtastbewegung mit Positioniergenauigkeiten auf dem Submikrometerniveau bereitstellen, um jedoch Ausrichtungsgenauigkeiten unter dem 0,1 μm Niveau bereitzustellen, während das Bild mit einer Framerate von etwa 10 kHz abgetastet wird, können außerdem zusätzliche Ausrichtungsmittel erforderlich sein.
Zwei ergänzende Feinausrichtungsmechanismen könnten entweder allein oder zusammen verwendet werden. Einer würde ein sehr genauer X-Y-Positionswandler, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Aktuator sein, der direkt mit dem Mikrolinsen-Array gekoppelt ist. Wenn die Mikrolinsen-Aperturen überfüllt sind, werden geringfügige seitliche Verschiebungen in den Mikrolinsenpositionen einfach veranlassen, dass sich ihre Brennpunkte seitlich verschieben, ohne die Intensitätsverteilung des fokussierte Spots bedeutend zu beeinflussen. Dieser Mechanismus würde eine schnelle Antwortzeit aufgrund der niedrigen Trägheit des Mikrolinsen-Arrays aufweisen, wobei er jedoch typischerweise einen Aktuator mit einer Auflösung erfordern würde, die viel besser als 0,1 μm ist. (Wenn das Mikrolinsen-Array nicht selbst als der primäre Positionsrückkoplungssensor arbeitet, müßte ein zusätzlicher X-Y-Positionscodierer ebenfalls in dem Mikrolinsensystem als Teil des Feinausrichtungsmechanismus aufgenommen werden.) Bei der Ausführungsform von 23 könnte diese Technik ebenfalls für die X-Y-Feinausrichtung zwischen der Photomaske 78 und dem Objektebenen-Mikrolinsen-Array 79 verwendet werden.
Die zweite Vorgehensweise besteht darin, einen X-Y-Positions-Aktuator an der Projektions-Apertur anzubringen. Die fokussierten Spots auf dem Wafer sind beugungsbegrenzte Bilder der Projektions-Apertur. Solange wie die Apertur ausreichend überfüllt ist, wird eine seitliche Verschiebung der Apertur eine entsprechende Positionsverschiebung der Spots verursachen. Die Beleuchtungsoptik könnte einen strahllenkenden Mechanismus umfassen, der synchron mit dem Apertur-Aktuator arbeitet, um die Beleuchtungsenergie zentriert auf der Apertur zu halten. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass große Positionseinstellungen der Apertur sich in außergewöhnlich feine Auflösungsverschiebungen in den fokussierten Spot-Positionen übersetzen werden (z. B. eine Apertur-Verschiebung von 1 mm könnte typischerweise eine Bildverschiebung weit unter 0,1 μm hervorrufen). Es sei bemerkt, dass bei der in 21a,b gezeigten Systemkonfiguration die UV-Belichtungsprojektions-Apertur und die Betrachtungsprojektions-Apertur beide auf einem gemeinsamen Substrat 64 ausgebildet sind, sodass, wenn die Substratposition für die Feinausrichtungssteuerung eingestellt wird, das X-Y-Rückkopplungssignal des Detektors immer die relative Position des Wafers mit angelegter Ausrichtungskorrektur darstellen wird. (Diese Art von System würde eine Ausrichtungssteuerung mit geschlossener Schleife bereitstellen. Eine alternative Ausgestaltung mit offener Schleife könnte konfiguriert werden, indem der UV-Apertur-Film 63 auf einem getrennten bewegbaren Substrat aufgetragen wird, während der Betrachtungs-Apertur-Film 65 unverändert bleibt, sodass das Detektorsignal die relative Wafer-Position darstellt, bevor die Feinausrichtungskorrektur angewendet wird.)
Die X-Ausrichtung könnte ebenfalls durch Synchronisieren des Bild-Frame-Umschaltens mit dem X-Codierersignal fein eingestellt werden. Wenn die Beleuchtungsquelle beispielsweise ein Excimerlaser ist, könnte sein Impulsschalten von dem Codierersignal ausgelöst werden. Wenn eine DMD-Bildquelle alternativ mit einer kontinuierlichen mit einer kontinuierlichen Lichtquelle verwendet wird, könnte die Framerate mit X synchronisiert werden, indem eine variable Zeitverzögerung in das Pixelumschalten gebracht oder indem das Taktsignal der DMD auf das Codierersignal phasenverriegelt wird.
Zusätzlich zum Arbeiten als ein Positionscodierer für die X-Y-Verfolgung oder Ausrichtung könnte das Mikrolinsen-Array ebenfalls arbeiten, um Brennpunktfehler zu messen. Die normierte konfokale Brennpunktantwort I[Z] jeder Mikrolinse als Funktion der Brennpunktposition Z umfasst die Form I[Z] = sinc2[(4Z/λ)sin2[α/2]], (42)wobei λ die Wellenlänge, sin[α] die numerische Apertur der Mikrolinse und sinc[u] = sin[πn]/(πu) ist (Ref 1; Gleichung 1.1 auf Seite 11). Beispielsweise stellt 30 die konfokale Antwort eines 0,5 NA-Systems dar, das bei einer Wellenlänge λ = 0,633 μm arbeitet. Die volle Breite der Kurve bei halbem Maximum beträgt 2,1 μm. Ein sehr genaues Maß des Fokusfehlers kann durch Vergleichen der Signalantworten der beiden benachbarten Mikrolinsen erhalten werden, die einen geringfügigen relativen Versatz in ihren Brennpunktkurven aufweisen. Der Versatz könnte in die Mikrolinsen hinein entwickelt sein; beispielsweise stellt 31 die beiden Brennpunkt-Sensor-Mikrolinsen 87 und 88 dar, wobei ihre Brennebenen jeweils über und unter der Wafer-Oberfläche 12 um einen Abstand ΔZ verschoben sind.
Ein Fokusversatz könnte ebenfalls erzeugt werden, indem zwei parfokale Mikrolinsen über Bereiche auf dem Wafer mit unterschiedlichen Ätztiefen positioniert werden. Beispielsweise stellt 32 eine Konfiguration dar, bei der die Fokus-Sensor-Mikrolinsen 87 und 88 ausgestaltet sind, um eine gemeinsame Brennebene aufzuweisen, die um einen kleinen Abstand ΔZ unter der Wafer-Oberfläche verschoben ist, und Abschnitte der Wafer-Oberfläche 12 (z. B. Bereiche innerhalb der Ritzlinien) werden auf eine Tiefe von 2ΔZ geätzt. (Da die Brennweiten der Mikrolinsen natürlich dazu neigen, bei langen Wellenlängen aufgrund chromatischer Dispersion größer zu sein, weist diese Vorgehensweise den potenziellen Vorteil auf, dass Spezialzweck-Brennpunkt-Sensor-Linsen nicht erforderlich sein können. Der gleiche Linsensatz könnte verwendet werden, um sowohl die UV-Belichtungspunkte auf die oberen Oberfläche und die 0,633 μm Strahlung unter die oberen Oberfläche zu fokussieren.) Mittels jeder der beiden Vorgehensweisen (31 oder 32) wird eine der Mikrolinsen eine konfokale Antwort I[Z + ΔZ] aufweisen, während die Antwort der anderen I[Z – ΔZ] sein wird. Die beiden Antwortfunktionen können kombiniert werden, um ein selbstnormiertes Fokusrückkopplungsignal F[Z] der Form
zu erhalten. Diese Funktion wird in 33 für ein 0,5 NA-System dargestellt, das bei einer Wellenlänge λ = 0,633 μm mit ΔZ = 0,5 μm arbeitet. Innerhalb eines ±1,5 μm Bereichs ist die Funktion monoton und verändert sich näherungsweise linear mit der Brennpunktposition.
Wenn das in 31 dargestellte Konzept verallgemeinert wird, könnten drei oder mehr Mikrolinsensätze, die einen Bereich von Brennhöhen abdecken, verwendet werden, um eine Feinfokussierfähigkeit über einen großen Bereich von Brennpunktpositionen bereitzustellen. (Oder wenn das Konzept von 32 erweitert wird, können drei oder mehr Ätztiefen zur Fokussierung mit erweitertem Bereich mit parfokalen Mikrolinsen bereitgestellt werden.) Mikrolinsen mit niedriger NA und langer Brennweite könnten verwendet werden, um eine Grobfokussierung über einen noch größeren Bereich bereitzustellen, obwohl die Fokussierelemente mit langem Bereich keine so gute Genauigkeit aufweisen würden. (Der Fokusbereich und der Präzisionsfehler verändern sich beide im Verhältnis zu 1/NA².)
Zusätzlich zum Messen der Brennpunktposition kann die relative Neigung zwischen dem Wafer und dem Mikrolinsen-Array durch Kombinieren der Ausgabe von drei oder mehr Z-Positions-Codierern gemessen werden, die an weit getrennten Positionen auf dem Array verteilt sind. Eine vollständige Z-Höhen-Abbildung über das Array kann ebenfalls durch Kombinieren der Ausgabe einer großen Anzahl von Z-Sensoren durchgeführt werden. Diese Daten könnten verwendet werden, um Verwölbungsverzerrung zu messen.
Eine Vorgehensweise für die Verwölbungsmessung würde darin bestehen, eine Reihe von Z-Sensoren entlang der führenden Kante des Mikrolinsen-Arrays zu verwenden, um die Verwölbungsverteilung auf eine Rasterart abzubilden, wenn der Wafer unter dem Array abgetastet wird. Dieses Verfahren würde jedoch keine Information über die eigene intrinsische Verwölbung des Arrays liefern, die getrennt kalibriert und zu der Wafer-Verwölbung hinzugefügt werden müsste, um die kumulative Verwölbungsverzerrung zu erhalten. Die Verwölbung des Arrays könnte durch Messen der konfokalen Antwort der Belichtungs-Mikrolinsen auf einer optischen Planfläche (mit UV-Beleuchtung) über einen Bereich von Brennpunkthöhen kalibriert werden. Ein einfacheres und robusteres Verfahren zum Messen der Verwölbung könnte darin bestehen, mehrere Reihen von Z-Sensorelementen parallel zu der Reihe der führenden Kante und innerhalb des Arrays angeordnet zu verwenden. Ein Mikrolinsen-Layout mit verteilten Z-Sensoren wird in 34 dargestellt. Dies ist dem Mehrfach-Abtastungs-Layout in 6 mit der Ausnahme ähnlich, dass Z-Sensor-Linsen (als die schattierten Kreise dargestellt) entlang der Abtastlinien verteilt sind. Beispielsweise werden benachbarte Abtastlinien 89 und 90 von einer Z-Sensoreinheit 91 abgedeckt, die zwei oder mehr Mikrolinsen 92 und 93 an der führenden Kante des Arrays umfasst. Diese Elemente sind zum Betrieb bei der Betrachtungswellenlänge des Codierers ausgestaltet und weisen einen eingebauten Brennpunktversatz wie in 31 auf. (Idealerweise würden die Elemente 92 und 93 die gleiche Abtastlinie abdecken, wobei sie jedoch eine geringfügige Y-Verschiebung in 34 aufweisen, sodass die Mikrolinsen in einem quadratischen Array ausgelegt werden können.) Diese Einheit wird von UV-Belichtungslinsen 94 und 95, einer zweiten Z-Sensor-Einheit 96 und Belichtungslinsen 97 und 98 etc. gefolgt. (In 34 wird ein Drittel der Linsen als Z-Sensorelemente gezeigt, wobei jedoch in der Praxis das Verhältnis näher 1% oder weniger sein kann.)
Der gemessene Verwölbungs-induzierte Brennpunktfehler könnte dynamisch durch Induzieren einer kompensierenden Verwölbungsverteilung in dem Array korrigiert werden. Die korrigierte Verwölbung wird durch Anlegen einer Spannungsverteilung entlang des Umfangs des Mikrolinsen-Arrays erzeugt (z. B. mittels piezoelektrischer Wandler). Eine sehr allgemeine Verwölbungsverteilung kann durch dieses Verfahren induziert werden. Über das Innere des Arrays gibt es keine Normalkräfte, und die induzierte Z-Verschiebung δZ[X, Y] als Funktion der transversalen Koordinaten X und Y wird durch die allgemeine Gleichgewichtsgleichung für dünne Platten beschrieben:
(von Ref. 11, Gl. 13.41 auf Seite 727). Die Lösung dieser Gleichung wird durch die Randwerte von δZ und seinem Gradienten bestimmt; somit können durch Steuern der Oberflächenhöhe und des Gradienten an dem Array-Umfang jede Verwölbungsverteilung, die die obige Gleichung erfüllt, prinzipiell erzeugt werden. Beispielsweise könnte eine Verwölbungsverteilung, die die Form eines allgemeinen Polynoms dritter Ordnung in X und Y aufweist, induziert werden.
Die obige Technik könnte in der Praxis wie folgt implementiert werden. Es sei angenommen, dass es Z-Sensoren gibt, die in dem Inneren des Mikrolinsen-Arrays verteilt sind, die Fokushöhenmessungen Z₁, Z₂, ... bezüglich der Wafer-Oberfläche bereitstellen. Spannungsaktuatoren, die um den Umfang des Arrays verteilt sind, werden durch Spannungen V₁, V₂, ... gesteuert. Variationen δV₁, δV₂, ... in den angelegten Spannungen werden kleine Fokushöhenverschiebungen δZ₁, δZ₂, ... hervorrufen, die eine näherungsweise lineare Abhängigkeit von den Spannungen aufweisen
Die C_ijs sind konstante Kalibrierungskoeffizienten, die durch Fokussieren auf eine optische Planfläche und Messen der induzierten Verwölbungsungsverteilung bestimmt werden können, wenn verschiedene Spannungskombinationen angelegt werden. Gleichung 45 kann in Matrixschreibweise ausgedrückt werden als δΖ = CδV. (46)
Im Betriebsmodus des Mikrolinsen-Arrays werden die Brennpunkthöhen Z₁, Z₂, ... dynamisch gemessen und von der Auslegungsbrennpunkthöhe subtrahiert (mit Ausgleich für jede hinein entwickelte Wafer-Topographie), um die berechneten Höhenkorrekturen δZ₁, δZ₂, ... zu erhalten. Gleichung 46 kann dann verwendet werden, um die Steuerspannungseinstellungen zu berechnen, die die berechnete Korrektur induziert werden. Gleichung 46 kann im Allgemeinen nicht genau gelöst werden, da es typischerweise viel mehr Z-Sensoren als Aktuatoren geben kann, wobei die Gleichung jedoch näherungsweise durch Minimierung kleinster Quadrate gelöst werden kann: δV = (CTC)–1CTZδ, (47) wobei C^T die transponierte Matrix von C ist. Mit einer Modifikation, um eine Dämpfung von Rückkopplungsschwingungen vorzusehen, könnte Gleichung 47 als die Grundlage eines Algorithmus dienen, um eine Steuerung mit geschlossener Schleife der Feinfokus-, Neigungs- und Verwölbungskompensation bereitzustellen.
35a, b sind Drauf- und Seitenansichten im Schnitt eines Systems, das eine Sechsachsen-Mikropositionierungssteuerung des Mikrolinsen-Arrays plus Verwölbungskompensation bereitstellt. Die Mikrolinsen werden als ein geätztes Oberflächenreliefmuster auf einer sehr dünnen Quarzglas-Platte 37 ausgebildet (siehe 15), die an einem tragenden Quarzglas-Superstrat 39 gebondet ist. Das Superstrat ist plattenförmig und dünn genug, um etwas Flexibilität aufzuweisen, und seine untere Oberfläche umfasst eine geringfügige flache Abschrägung 99 um seinen Umfang, um Wafer-Spielraum sicherzustellen, wenn die Platte gebogen wird. Es ist an einem starren, geflanschten röhrenförmigen Element 100 mit vertikal gepolten piezoelektrischen Auflagen (z. B. 101 und 102) befestigt, die die Z-Höhenverteilung über den Umfang des Superstrats steuern. Die Auflagen sind in einer umfangsmäßigen Anordnung von gepaarten Elementen verteilt, wobei die Elemente jedes Paars (z. B. Elemente 101 und 102) radial versetzt sind, sodass sie entgegengesetzt wirken können (z. B. eines zieht sich zusammen, das andere erweitert sich), um den Oberflächengradienten des Superstrats an seinem Umfang zu steuern.
Die äußere Oberfläche des röhrenförmigen Elements 100 weist drei Planflächen auf, auf denen piezoelektrische Scherplatten (z. B. 103) gebondet sind. Die äußere Oberfläche jeder Platte ist an einer Blattfeder (z. B. 104) gebondet, die an einem tragenden äußeren Rohr 105 befestigt ist. Jede piezoelektrische Platte ist horizontal, parallel zu der angebrachten Blattfeder gepolt, sodass die drei Platten betätigt werden können, um eine X-, Y- und θ-Mikropositionierungssteuerung bereitzustellen. Das äußere Rohr 105 könnte in einem herkömmlichen Mikroskop-Fokusmechanismus untergebracht sein, der für die anfängliche Grobfokuseinstellung verwendet wird, der jedoch normalerweise während Abtastbelichtungsvorgängen verriegelt sein würde.
36 zeigt ein Schema auf Systemebene, das die oben beschriebenen verschiedenen Rückkopplungs- und Steuermechanismen bei einer bevorzugten Ausführungsform zusammenfasst. (Ein praktisches Mikrolithographie-Belichtungswerkzeug würde nicht notwendigerweise alle in 36 dargestellten Elemente erfordern.) Optische Pfade werden in dem Diagramm durch dicke durchgezogene Linien angegeben; elektronische Daten oder Signalpfade werden als dünne durchgezogene Linien dargestellt; und mechanische Steuerverknüpfungen werden als gestrichelte Linien dargestellt. Der „Controller" 106 kann einen oder mehrere Computer, digitale Mikrocontroller, Analogschaltungen oder eine Kombination derartiger Elemente umfassen. Der Controller synchronisiert die Wafer-Abtastung, die DMD-Bild-Frame-Erzeugung und (optional) einen Beleuchtungsstrahl-Scanner 107 (siehe 25); und er steuert ebenfalls eine Rückkopplungsschleife, die Abtastpositionierungsfehler dynamisch korrigiert. Das Signal des optischen Detektors liefert dynamische Brennpunkt-, Neigungs- und Verwölbungsmessung während der Abtastung und liefert ebenfalls X-Y- und θ-Positionsdaten hoher Auflösung für eine Vorbelichtungsausrichtung durch die oben beschriebene Moiré-Technik. Das Moiré-Signal könnte möglicherweise ebenfalls zur dynamischen Abtaststeuerung verwendet werden, obwohl es praktischer sein kann, sich auf den Stufencodierer 108 für eine feine X-Y-Abtastpositions-Abfühlung zu stützen. Eine grobe X-Y-Abtastbetätigung würde durch die Stufenmotoren 109 bereitgestellt, während eine X-Y-Abtastpositionierung hoher Auflösung sowie auch eine Brennpunkt-, Neigungs- und Verwölbungskorrektur von einem mit dem Mikrolinsen-Array gekoppelten piezoelektrischen Aktuator 110 bereitgestellt werden würde. (Der piezoelektrische Servo-Mechanismus würde seinen eigenen Positionscodierer 111 aufweisen.) Eine X-Y-Feinabtaststeuerung könnte außerdem optional mittels mechanischer Aktuatoren 112 und 113 bereitgestellt werden, die mit den Projektions- und Beleuchtungs-Aperturen gekoppelt sind.
Schreibweise für die Herleitung von Gleichungen 11 und 12
Bei den nachstehenden Herleitungen wird die folgende zweckmäßige Schreibweise verwendet, um eine Funktion f darzustellen, die Argumente x, y,... annimmt: (f[x, y, ...]|x, y, ...)
(Der obige Ausdruck wird als „die Funktion, die, wenn sie auf Argumente x, y, ..., angewendet wird, f[x, y, ...] gelesen.) Die Fourier-Transformierte einer Funktion f wird ferner als F[f] =(∫ ... ∫f[x, y, ...]exp[i2π(xx' + yy' + ...)]dxdy ... |x', y' ...)
Bezeichnet, wobei F die eindimensionale Fourier-Transformation oder die zweidimensionale Transformation etc. abhängig davon darstellen kann, wie viele Argumente f annimmt. Dies ist die „unitäre" Form der Fourier-Transformation, die einen Faktor von 2π in dem Exponenten aufweist. Mit dieser Konvention weist die inverse Transformation F die Form F[f] = (∫ ... ∫f[x', y', ...]exp[–i2π(xx' + yy' + ...)]dx' δy' ... |x, y, ...)auf.
Der Faltungsoperator conv wird definiert als conv[f, g] = (∫ ... ∫(f[x', y, ...]g[x – x', y – y' ...]dx' dy' ... |x, y, ...),wobei dies die eindimensionale Faltung oder die zweidimensionale Faltung etc. abhängig von der Art von f und g darstellen kann. Wir werden ebenfalls die Diracsche Deltafunktion δ und die Diracsche Comb-Funktion verwenden, die definiert ist durch
Herleitung des Ebenen-Belichtungstheorems (Gl. 11)
Gleichung 11 kann durch Verwendung der folgenden äquivalenten Form von Gleichung 9 hergeleitet werden Eplane = conv[|A|2, (comb[x/s]comb[y/s]/s2|x, y)] (A1)
Wenn die Fourier-Transformation von beiden Seiten von Gleichung A1 genommen, das Faltungs-Theorem (F[conv[f, g]] = F[f]·F[g]) angewendet, und Gebrauch von der Beziehung F[comb] = comb gemacht wird, erhalten wir F[Eplane] = F[|A|2]·(comb[x's]comb[y's]x', y') (A2)
Wenn das Faltungs-Theorem (F[f·g] = conv[F[f], F[g]]) erneut angewendet wird, wird das erste Glied auf der rechten Seite von Gleichung 2 zu F[|A|2] = conv[A', (A'[–x', –y']*|x', y')]. (A3)
Die Apertur-Funktion A'[x', y'] ist gleich Null überall außerhalb eines an dem Ursprung zentrierten Quadrats der halben Breite NA_m, A'[x', y'] = 0, falls |x'| > NAm oder |y'| > NAm (A4)woraus folgt, dass Gleichung A3 außerhalb eines Quadrats der halben Breite 2 NA_m gleich Null ist conv[A', (A'[–x', –y']*|x', y')][x', y'] = 0 falls |x'| > 2NAm oder |y'| > 2NAm (A5)
Das Glied comb in Gleichung A2 besteht jedoch aus einer Überlagerung von Delta-Funktionen, die an Punkten lokalisiert sind, wobei x' und y' ganzzahlige Vielfache von 1/s sind, sodass unter der Annahme, dass s < 1/(2NA_m) ist (Gl. 10), alle diese Delta-Funktionen mit Ausnahme des Glieds nullter Ordnung bei (x', y') = (0, 0) durch die Apertur-Funktion maskiert werden: F[Eplane] = F[|A|2]·(δ[x's]δ[y's]|x', y')(A6)
Wenn die inverse Fourier-Transformation von beiden Seiten dieses Ausdrucks genommen wird, erhalten wir Eplane = conv[|A|2, (1/s2|x, y)], (A7)was der Gleichung 11 äquivalent ist.
Herleitung des Linien-Belichtungstheorems (Gl. 12)
Gleichung 12 kann durch Verwenden der folgenden äquivalenten Form von Gleichung 8 hergeleitet werden: (Eline[x, y]|y) = conv[|A[x, y]|2|y), (comb[y/s]/s/y)] (A8)
Wenn die inverse Fourier-Transformation von beiden Seiten von Gleichung A8 genommen wird und das (eindimensionale) Faltungs-Theorem angewendet wird, erhalten wir F[(Eline[x, y]|y)] = F[(|A[x, y]|2|y)]·(comb[y's]y'). (A9)
Wenn das Faltungs-Theorem erneut angewendet wird, wird das erste Glied auf der rechten Seite von Gleichung A9 zu F[(|A[x, y]|2|y)] = conv[F[(A[x, y]|y)], F[[A[x, –y]*|y)]](A10)
Die zweidimensionale Fourier-Transformationsoperation bezüglich A in A' (Gl. 3, A' = F[A]) ist der Zusammensetzung von zwei eindimensionalen Fourier-Transformationen äquivalent, die sequentiell auf die x- und y-Koordinaten angewendet werden. A'[x', y'] = F[A][x', y'] = F[((F[(A[x, y]|)][y'])|x)][x'](A11)
Folglich ist die Fourier-Transformierte von A[x, y] bezüglich lediglich der y-Variable der inversen Transformation von A'[x', y'] bezüglich x' äquivalent F[(A[x, y]|y)][y'] = F[(A'[x', y']|x')][x] (A12)
Da A'[x', y'] = 0 für |y'| > NA_m ist (Gl. A4), folgt außerdem, dass F[(A'[x', y']|x')][X] = 0 für |y'| > NAm. (A13)
Somit werden aus Gleichung A12 beide Argumente des Faltungs-Operators in Gleichung A10 außerhalb eines bei Null zentrierten Intervalls der halben Breite NA_m gleich Null sein, und daher conv[F[(A[x, y]|y)], F[(A[x, y]*|y)]][x'] = 0 für |y'| > 2NAm (A14)
Unter der Annahme, dass s < 1/(2NA_m) ist, folgt aus Gleichung A14, dass alle Delta-Funktionen, die das comb-Glied in Gleichung A9 bilden, mit Ausnahme für das Glied nullter Ordnung durch die Apertur-Funktion maskiert werden; folglich ist Gleichung A9 äquivalent zu F[(Eline[x, y]|y)] = F[(|A[x, y]|2|y)]·(δ[y's]|y') (A15)
Wenn die inverse Fourier-Transformation von beiden Seiten von Gleichung A15 genommen wird, erhalten wir (Eline[x, y]|y) = conv[(|A[x, y]|2|y), (1/s|y)](A16)was der Gleichung 12 äquivalent ist.
Schlussfolgerung
Abschließend ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung Bildgebungssysteme und Techniken zum Erreichen einer hohen Auflösung und Feldgröße bereitstellt. Erfindungsgemäße Systeme können ohne weiteres mit existierenden mikrolithographischen und anderen optischen Technologien hergestellt werden. Die Erfindung reduziert somit die Komplexität und den Aufwand, die herkömmliche Weitwinkel-Mikroskopiesysteme mit hoher Na und Mikrolithographiesysteme kennzeichnen. Außerdem liefert sie potenzielle Leistungsvorteile, weil sie eine verzerrungsfreie Bildgebung mit ebenem Feld mit genauer Überlagerungs-, Fokus- und Verwölbungskompensation über sehr große Bildfelder (größer als die praktischen Grenzen herkömmlicher Bildgebungsmittel) möglich macht. Bei einer Ausführungsform würde sie eine digitale Mikrospiegelvorrichtung als Bildquelle verwenden, wobei die Notwendigkeit für Photomasken bei der Halbleiterherstellung potenziell eliminiert wird.
Obwohl das obige eine vollständige Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen der Erfindung ist, können verschiedene Modifikationen, alternative Ausführungen und Äquivalente verwendet werden. Daher sollte die obige Beschreibung nicht verstanden werden, als den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung einzuschränken.
Literaturhinweise

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Ref. 11: W. D. Pilkey und W. Wunderlich, Mechanics of Structures: Variational and Computational Principles, CRC Press, Boca Raton (1994).

Claims

Drucksystem umfassend: ein optisches Projektionssystem mit einer Objektebene, einer Bildebene, die mit der Objektebene konjugiert ist, und einer begrenzenden Aperturblende, die als die Projektions-Apertur bezeichnet wird; ein planares Array von Mikrolinsen mit jeweiligen Aperturen, die ein Mikrolinsen-Apertur-Array definieren, wobei das Apertur-Array an der Bildebene des Projektionssystems positioniert ist, und wobei die Mikrolinsen jeweilige Brennpunkte aufweisen, die mit der Projektions-Apertur konjugiert sind und die ein Brennpunkt-Array definieren; einen Abtastmechanismus, der eine relative Bewegung zwischen dem Mikrolinsen-Array und einer Druckoberfläche nahe dem Brennpunkt-Array festlegt, wobei die von den Brennpunkten mit Bezug auf die Druckoberfläche durchlaufenden Pfade einen Satz von eng benachbarten Rasterlinien umfassen; eine Bildquelle mit einem Array von lichtmodulierenden Bildquellenelementen, wobei die Bildquelle an der Objektebene des Projektionssystems positioniert ist, und wobei das Projektionssystem jedes Bildquellenelement auf eine entsprechende Mikrolinsen-Apertur abbildet, und das Bildquellenelement somit den Lichtpegel über einem Mikrofleck auf der Druckoberfläche nahe dem entsprechenden Mikrolinsen-Brennpunkt steuert; und einen Bildmodulationsmechanismus, der die Bildquelle steuert, wenn die Druckoberfläche abgetastet wird, wodurch, wenn ein lichtempfindliches Material in der Druckoberfläche positioniert ist, ein synthetisiertes Rasterbild mit hoher Auflösung auf dem lichtempfindlichen Material aufgezeichnet wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, bei dem das lichtempfindliche Material Photoresist auf einem planaren Substrat ist.
Drucksystem gemäß Anspruch 2, bei dem das Substrat eine Halbleiterscheibe ist.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Größe und die Form der Projektions-Apertur bestimmt werden, so dass die beugungsbegrenzte Amplitudenverteilung, die von jedem Bildquellenelement an seiner entsprechenden Mikrolinsen-Apertur erzeugt wird, Knoten an benachbarten Mikrolinsen-Aperturen aufweist, wodurch Lichtaustritt in benachbarte Mikrolinsen minimiert wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Projektions-Apertur apodisiert wird, um Lichtaustritt in benachbarte Mikrolinsen-Aperturen zu minimieren.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, ferner umfassend ein Beleuchtungssystem, das die Bildquelle beleuchtet, wobei die Beleuchtung von den Bildquellenelementen moduliert und von dem Projektionssystem und dem Mikrolinsen-Array auf die Druckoberfläche übertragen wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 6, bei dem: der Abtastmechanismus gemäß Anspruch 1 einen ersten Abtastmechanismus definiert, und das Beleuchtungssystem ferner einen zweiten Abtastmechanismus umfasst; das Beleuchtungssystem nur ein enges Band oder einen Satz paralleler Bänder auf die Bildquelle und auf das Mikrolinsen-Array zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt beleuchtet; und der zweite Abtastmechanismus das Beleuchtungsband oder die Beleuchtungsbänder über dem Bildfeld synchron mit dem ersten Abtastmechanismus wiederholt abtastet, so dass jeder Mikrofleck nur während eines sehr kurzen Zeitintervalls beleuchtet wird, währenddessen er von einem Beleuchtungsband durchlaufen wird, wodurch ein Verschmieren des Belichtungsmusters auf der Druckoberfläche aufgrund der relativen Bewegung zwischen der Druckoberfläche und dem Mikrolinsen-Array minimiert wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 6, bei dem die Bildquelle ein lichtdurchlässiges optisches Medium umfasst, wobei das Beleuchtungssystem die Bildquelle im Durchlässigkeitsmodus beleuchtet, und die Bildquellenelemente jeweilige Zonen auf dem optischen Medium mit unterschiedlichen optischen Durchlässigkeitsgrad-Charakteristika umfassen.
Drucksystem gemäß Anspruch 6, bei dem die Bildquelle ein lichtreflektierendes optisches Medium umfasst, das Beleuchtungssystem die Bildquelle im Reflexionsmodus beleuchtet und die Bildquellenelemente jeweilige Zonen auf dem optischen Medium mit unterschiedlichen optischen Reflexionsgrad-Charakteristika aufweisen.
Drucksystem gemäß Anspruch 9, bei dem die Bildquelle eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) umfasst, und das Projektionssystem auf der Objektseite telezentrisch ist.
Drucksystem gemäß Anspruch 9, ferner umfassend einen Strahlenteiler, der angeordnet ist, um Licht von dem Beleuchtungssystem in den Lichtpfad des Projektionssystems zu mischen, so dass so gemischtes Licht und das von der Bildquelle reflektierte Bildlicht den gleichen optischen Pfad zwischen dem Strahlenteiler und der Bildquelle durchlaufen.
Drucksystem gemäß Anspruch 9, bei dem das Beleuchtungssystem eine außeraxiale Beleuchtungsquelle benachbart der Projektions-Apertur umfasst.
Drucksystem gemäß Anspruch 12, bei dem die Beleuchtungsquelle einen faseroptischen Illuminator umfasst.
Drucksystem gemäß Anspruch 12, bei dem: das Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 1 ein erstes Mikrolinsen-Array definiert; die Bildquelle ferner eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) und ein nahe der DMD angeordnetes zweites Mikrolinsen-Array umfasst; wobei jedes Bildquellenelement entsprechende erste und zweite Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsen-Arrays und einen entsprechenden Mikrospiegel der DMD umfasst; das Projektionssystem auf der Objektseite telezentrisch ist; das zweite Mikrolinsen-Array in der Objektebene des Projektionssystems angeordnet ist; jede entsprechende erste Mikrolinse des Bildquellenelements die Beleuchtungsquelle auf einen entsprechenden ersten Beleuchtungsbildpunkt nahe dem entsprechenden Mikrospiegel fokussiert; jeder entsprechende Mikrospiegel des Bildquellenelements eine Neigungssteuerung und eine eingebaute optische Leistung aufweist, so dass, wenn der Mikrospiegel in seinem "An"-Zustand ist, der entsprechende erste Beleuchtungsbildpunkt von dem Mikrospiegel in einen entsprechenden zweiten Beleuchtungsbildpunkt an der Mitte der entsprechenden Apertur der zweiten Mikrolinse neu abgebildet wird, und die entsprechende Apertur der ersten Mikrolinse von dem Mikrospiegel in ein entsprechendes Apertur-Bild nahe dem Mikrospiegel abgebildet wird; jeder entsprechende zweite Beleuchtungsbildpunkt des Bildquellenelements von dem Projektionssystem auf die entsprechende Mikrolinsen-Apertur des ersten Mikrolinsen-Arrays neu abgebildet wird; jede entsprechende zweite Mikrolinse des Bildquellenelements das entsprechende Apertur-Bild auf die Projektions-Apertur abbildet; und jeder entsprechende Mikrospiegel des Bildquellenelements geneigt ist, wenn er in seiner "Aus"-Stellung ist, um das von der entsprechenden ersten Mikrolinse abgefangene Beleuchtungslicht aus der Projektions-Apertur abzulenken; wobei die optische Leistung in den DMD-Mikrospiegelelementen und in den zweiten Mikrolinsen-Array-Elementen und der Trennungsabstand zwischen der DMD und dem zweiten Mikrolinsen-Array ausgewählt werden, um die Kompromisse mit Bezug auf die Apertur-Größenanforderung und die Oberflächenformtoleranz des Mikrospiegels, den Mikrospiegelneigungsbereich und die Neigungstoleranz, den Energiewirkungsgrad und den Bild-Crosstalk auszugleichen.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, bei dem: das Mikrolinsen-Array, das Mikrolinsen-Apertur-Array und das Brennpunkt-Array gemäß Anspruch 1 jeweils ein erstes Mikrolinsen-Array, ein erstes Mikrolinsen-Apertur-Array und ein erstes Brennpunkt-Array definieren; die Bildquelle ferner ein zweites planares Array von Mikrolinsen mit jeweiligen Aperturen umfasst, die ein zweites Mikrolinsen-Apertur-Array definieren; das zweite Mikrolinsen-Apertur-Array an der Objektebene des Projektionssystem positioniert ist; die Mikrolinsenelemente des zweiten Mikrolinsen-Arrays jeweilige Brennpunkte aufweisen, die mit der Projektions-Apertur konjugiert sind und die ein zweites Brennpunkt-Array definieren; und jedes Bildquellenelement eine jeweilige Mikrolinse des zweiten Mikrolinsen-Arrays und ein an dem jeweiligen Brennpunkt der Mikrolinse positioniertes lichtmodulierendes Element umfasst.
Drucksystem gemäß Anspruch 15, ferner umfassend ein Beleuchtungssystem und eine reflektierende Oberfläche, die an dem zweiten Brennpunkt-Array angeordnet ist, und wobei: das Beleuchtungssystem die Bildquelle im Reflexionsmodus beleuchtet; die lichtmodulierenden Elemente Flecke variablen Reflexionsgrades auf der reflektierenden Oberfläche an den Brennpunktstellen des zweiten Brennpunkt-Arrays umfassen; und das zweite Mikrolinsen-Array und das Projektionssystem ferner ausgestaltet sind, um Licht von dem Beleuchtungssystem auf die reflektierenden Punkte zu fokussieren.
Drucksystem gemäß Anspruch 16, bei dem die reflektierende Oberfläche eine Photomaske umfasst, die im Reflexionsmodus arbeitet, und die Reflexionsgrade der lichtmodulierenden Elemente durch translatorische Bewegung der Photomaske über das zweite Brennpunkt-Array verändert werden, so dass unterschiedliche Abschnitte der Photomaske mit unterschiedlichen optischen Reflexionsgrad-Charakteristika an den Brennpunkten des zweiten Brennpunkt-Arrays in Stellung gebracht werden, wenn die Druckoberfläche abgetastet wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, bei dem das Projektionssystem doppelt telezentrisch ist.
Drucksystem gemäß Anspruch 18, bei dem das Projektionssystem ein erstes Kollimationslinsenelement, das die Projektions-Apertur im Unendlichen auf der Objektseite des Projektionssystems abbildet, wodurch das System auf der Objektseite telezentrisch gemacht wird, und ein zweites Kollimationslinsenelement, das die Projektions-Apertur im Unendlichen auf der Bildseite des Projektionssystems abbildet, umfasst, wodurch das System auf der Bildseite telezentrisch gemacht wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 18, bei dem das Projektionssystem umfasst: einen Kollimationsspiegel mit ersten und zweiten außeraxialen Abschnitten; und einen Reflektor in der Projektions-Apertur; wobei der erste außeraxiale Abschnitt des Kollimationsspiegels die Projektions-Apertur im Unendlichen auf der Objektseite des Projektionssystems abbildet, wodurch das System auf der Objektseite telezentrisch gemacht wird; der erste außeraxiale Abschnitt Licht von der Objektebene zu der Projektions-Apertur hin reflektiert; der Reflektor in der Projektions-Apertur das Licht von dem ersten außeraxialen Abschnitt zurück auf den Kollimationsspiegel an seinem zweiten außeraxialen Abschnitt reflektiert; der zweite außeraxiale Abschnitt das Licht von der Projektions-Apertur auf die Bildebene reflektiert; und der zweite außeraxiale Abschnitt die Projektions-Apertur im Unendlichen abbildet, wodurch das System auf der Bildseite telezentrisch gemacht wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, ferner umfassend einen optischen Detektor und einen Positionsrückkopplungs-Steuermechanismus, wobei: das Mikrolinsen-Array und das Projektionssystem nicht nur Licht von der Bildquelle auf die Druckoberfläche fokussieren, sondern ebenfalls einen reflektierten Strahl mit von der Druckoberfläche reflektierter optischer Energie sammeln und ihn auf den optischen Detektor projizieren, wodurch ein Detektorsignal erzeugt wird, das Information über die Positionsbeziehung zwischen dem Mikrolinsen-Array und der Druckoberfläche liefert; und die Positionsinformation von dem Rückkopplungs-Steuermechanismus verwendet wird, um die Positionsbeziehung genau zu steuern.
Drucksystem gemäß Anspruch 21, ferner umfassend einen Strahlenteiler, der angeordnet ist, um den reflektierten Strahl von dem Lichtpfad des Projektionssystems zu trennen, wobei das auf die Druckoberfläche projizierte Licht und das reflektierte Licht den gleichen optischen Pfad zwischen dem Strahlenteiler und der Druckoberfläche durchlaufen.
Drucksystem gemäß Anspruch 22, bei dem die Druckoberfläche von zwei Wellenlängen oder engen Spektralbereichen von Wellenlängen, einer ersten Wellenlänge, die das lichtempfindliche Material belichtet, und einer zweiten Wellenlänge, die von dem Detektor abgetastet wird, um Positionsinformation zu liefern, beleuchtet wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 23, bei dem das Projektionssystem doppelt telezentrisch ist.
Drucksystem gemäß Anspruch 24, bei dem das Projektionssystem umfasst: einen Kollimationsspiegel mit ersten und zweiten außeraxialen Abschnitten; und einen Reflektor in der Projektions-Apertur; wobei der erste außeraxiale Abschnitt des Kollimationsspiegels die Projektions-Apertur im Unendlichen auf der Objektseite des Projektionssystems abbildet, wodurch das System auf der Objektseite telezentrisch gemacht wird; der erste außeraxiale Abschnitt Licht bei der ersten Wellenlänge von der Objektebene zu der Projektions-Apertur hin reflektiert; der Reflektor in der Projektions-Apertur das Licht von dem ersten außeraxialen Abschnitt zurück auf den Kollimationsspiegel an seinem zweiten außeraxialen Abschnitt reflektiert; der zweite außeraxiale Abschnitt das Licht von der Projektions-Apertur auf die Bildebene reflektiert; und der zweite außeraxiale Abschnitt die Projektions-Apertur im Unendlichen auf der Bildseite abbildet, wodurch das System auf der Bildseite telezentrisch gemacht wird.
Drucksystem gemäß Anspruch 25, bei dem: der Kollimationsspiegel ferner einen dritten außeraxialen Abschnitt umfasst; der Apertur-Reflektor ferner eine erste optische Beschichtung umfasst, die auf einem transparenten Keilsubstrat aufgebracht ist und die einen hohen Reflexionsgrad bei der ersten Wellenlänge aufweist, die jedoch bei der zweiten Wellenlänge transparent ist; der Strahlenteiler eine zweite optische Beschichtung umfasst, die auf dem Keil an der der ersten Beschichtung entgegengesetzten Oberfläche aufgebracht ist; die zweite Beschichtung teilweise bei der zweiten Wellenlänge reflektierend ist; Beleuchtungsenergie bei der zweiten Wellenlänge von einer Lichtquelle durch beide Beschichtungen zu dem zweiten außeraxialen Abschnitt des Kollimationsspiegels hin projiziert wird, so dass beide Wellenlängen den gleichen optischen Pfad zwischen dem Keil und der Druckoberfläche durchlaufen; der von der Druckoberfläche bei der zweiten Wellenlänge zurück reflektierte Strahl teilweise von der zweiten Beschichtung zu dem dritten außeraxialen Spiegelabschnitt hin reflektiert wird, der räumlich von dem ersten außeraxialen Abschnitt aufgrund des Keilwinkels zwischen den beiden Beschichtungen getrennt ist; und der dritte außeraxiale Spiegelabschnitt den Strahl dann auf den Detektor reflektiert.
Drucksystem gemäß Anspruch 21, bei dem: die Druckoberfläche ferner Positionierausrichtungsmarkierungen umfasst, die von dem Positionsrückkopplungs-Steuermechanismus erfasst und verwendet werden, um eine Komponente der Positionsbeziehung zu bestimmen, die durch das Array der Mikrolinse und der seitlichen Positionsbeziehung der Druckoberfläche parallel zu dem Mikrolinsen-Array definiert wird; und die Positionsbestimmung verwendet wird, um die seitliche Positionsbeziehung genau zu steuern und den Abtastmechanismus mit der Bildquelle zu synchronisieren.
Drucksystem gemäß Anspruch 27, bei dem die Ausrichtungsmarkierungen und das Brennpunkt-Array periodische Muster umfassen, wobei sich die Periodizität der Ausrichtungsmarkierungen von der des Brennpunkt-Arrays unterscheidet, so dass die reflektierte Energie von den Ausrichtungsmarkierungen ein Moiré-Muster in dem Detektorsignal bildet, das ein genaues und präzises Maß der seitlichen Positionsbeziehung zwischen dem Mikrolinsen-Array und der Druckoberfläche liefert.
Drucksystem gemäß Anspruch 21, bei dem die Projektions-Apertur defokussiertes Licht von den Mikrolinsen stark abschwächt, so dass das Detektorsignal ein Fokussignal umfasst, das ein genaues und präzises Maß der Fokushöhe des Mikrolinsen-Arrays mit Bezug auf die Druckoberfläche liefert, und wobei das Fokussignal von dem Positionsrückkopplungs-Steuermechanismus verwendet wird, um die Fokushöhe genau zu steuern.
Drucksystem gemäß Anspruch 29, bei dem die Fokushöhe bei einer oder mehreren Positionen auf der Druckoberfläche erfasst wird, und wobei die Fokushöhe an jeder Position durch Vergleichen der reflektierten Energiesignale von zwei oder mehr Mikrolinsen erfasst wird, die an nahe liegenden Punkten auf einem flachen Bereich auf der Druckoberfläche fokussiert werden, die jedoch unterschiedliche Brennweiten aufweisen, so dass das differentielle Detektorsignal von den Mikrolinsen ein empfindliches Maß der Fokushöhe liefert.
Drucksystem gemäß Anspruch 29, bei dem die Fokushöhe an einer oder mehreren Positionen auf der Druckoberfläche erfasst wird, und wobei die Fokushöhe an jeder Position durch Vergleichen der reflektierten Energiesignale von zwei oder mehr Mikrolinsen erfasst wird, die die gleiche Brennweite aufweisen, die jedoch an nahe legenden Punkten fokussiert werden, die einen Schritt oder Schritte auf der Druckoberfläche einschließen, so dass das differentielle Detektorsignal von den Mikrolinsen ein empfindliches Maß der Fokushöhe liefert.
Drucksystem gemäß Anspruch 31, bei dem: die Fokusschritte vertiefte Mulden in der Druckoberfläche sind, und die Druckoberfläche eine obere Oberfläche außerhalb der Fokusmulden und eine untere Oberfläche an dem Boden der Fokusmulden umfasst; das lichtempfindliche Material auf der oberen Oberfläche angeordnet ist; die Druckoberfläche von zwei Wellenlängen oder engen Spektralbereichen von Wellenlängen, einer ersten Wellenlänge, die das lichtempfindliche Material belichtet, und einer zweiten Wellenlänge, die von dem Detektor abgetastet wird, um das Fokussignal zu liefern, beleuchtet wird; und das Fokussignal von Mikrolinsenelementen erhalten wird, die für den doppelten Zweck des Druckens und Fokusabtastens verwendet werden, wobei jedoch ihre Brennweite bei der zweiten Wellenlänge länger als bei der ersten Wellenlänge aufgrund chromatischer Dispersion ist, wodurch das Mikrolinsen-Array positioniert werden kann, um die erste Wellenlänge auf der oberen Oberfläche zu fokussieren, während die zweite Wellenlänge gleichzeitig auf einer Brennebene zwischen den oberen und unteren Oberflächen fokussiert wird, um eine gute Fokussignalauflösung zu erreichen.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiachsigen Positionierwandler, der die seitliche Position der Projektions-Apertur kontinuierlich parallel zu der Projektions-Apertur-Ebene einstellt, um kleine Fehler in der seitlichen Positionsbeziehung des Mikrolinsen-Arrays und der Druckoberfläche parallel zu dem Mikrolinsen-Array zu korrigieren.
Drucksystem gemäß Anspruch 1, ferner umfassend Mikropositionierwandler, die um den Umfang des Mikrolinsen-Arrays außerhalb seiner freien Apertur angeordnet sind, wobei die Wandler eine gesteuerte Kraftverteilung an das Array anlegen, um Fokus- und Neigungsfehler zu korrigieren und Wölbungs- oder Formfehlanpassung zwischen der Druckoberfläche und dem Mikrolinsen-Array auszugleichen.
Drucksystem gemäß Anspruch 34, ferner umfassend Mikropositionierwandler, die die seitlichen Translations- und Rotationspositionen des Mikrolinsen-Arrays parallel zu dem Mikrolinsen-Array steuern.