DE69736563T2 - Quartz mit niedriger kompaktierung unter hochenergiebestrahlung - Google Patents

Quartz mit niedriger kompaktierung unter hochenergiebestrahlung Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Stepper-Linsen aus Quarzglas mit einer geringen Verdichtung unter energiereicher Bestrahlung, die insbesondere zur Verwendung bei Photolithographieanwendungen bei Wellenlängen von 193 und 248 nm anpassbar sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Quarzglas ist für solche Anwendungen, wie Fenster und Spiegel, die im Weltraum eingesetzt werden, hoch relevant, und es wird für optische Elemente für die Fotolithografie im tiefen UV-Bereich zunehmend relevant. Allerdings ist allgemein bekannt, dass die Langzeitexposition von Quarzglas gegenüber intensiver tiefer UV-Strahlung des bei der Fotolithografie verwendeten Typs zu optischer Beschädigung führt, die sich im Allgemeinen in Form von Änderungen in den optischen und physikalischen Eigenschaften des Glases niederschlägt.
  • Eine in Quarzglas festgestellte Form von optischer Beschädigung ist eine physikalische Verdichtung oder Kompaktierung der exponierten Regionen des Glases. Die Verdichtung wird im Allgemeinen durch Interferometrie beobachtet, wobei die Änderung der optischen Wellenfront über die beschädigten Regionen gemessen und als Differenz der optischen Weglänge, das Produkt aus Brechungsindex und Weglänge, in ppm oder in Wellen von 633-nm-Licht angegeben wird. Somit kann die optische Wellenfront von Stepper-Linsen-Elementen für fotolithografische Anwendungen, die tiefe UV-Wellenlängen bei 193 und 248 nm zur hochauflösenden Mikroschaltkreisfertigung einsetzen, auf Grund der optischen Modifikation als Folge von Langzeitexposition verändert werden. Obwohl kleine Änderungen in der optischen Wellenfront, die durch die Auswirkung der Exposition während der Lebensdauer des Linsentubus hervorgerufen werden, erwartet werden, ist derzeit die maximale hinnehmbare Änderung nicht bekannt. Bekannt ist jedoch, dass eine Beziehung zwischen Änderungen im Quarzglas und der ultimativen Auswirkung solcher Änderungen auf die Wellenfront besteht.
  • Die Frage, welche Faktoren zur Neigung verschiedener Siliciumdioxidmaterialien zur optischen Beschädigung bei Exposition gegenüber hoch energetischer Laserbestrahlung beitragen, ist nicht entschieden, und in der Literatur wurden bereits mehrere mögliche Antworten vorgebracht.
  • Unlängst wurde in WO 9807053 vorgeschlagen, dass durch Strahlung verursachte optische Beschädigung durch Vorverdichten von Quarzglas durch solche Verfahren, wie heißes isostatisches Pressen und durch Hochenergie-Vorexposition, um dadurch das Glas gegenüber der anschließenden Hochenergie-Bestrahlung während der tatsächlichen Verwendung zu desensibilisieren, minimiert oder beseitigt werden kann.
  • Es besteht weiterhin Bedarf an einem gegenüber Laserbeschädigung widerstandsfähigen Quarzglases. Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Quarzglas-Stepper-Linse, die gegenüber Laserinduzierter Beschädigung, die insbesondere als Verdichtung definiert ist, widerstandsfähig ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine aus Quarzglas hergestellte Stepper-Linse, die gegenüber Verdichtung widerstandsfähig ist, wobei die Stepper-Linse eine Wellenfrontverzerrung von weniger als 0,095 ppm aufweist, wenn sie einer Dosis von hoch intensiver Exzimerstrahlung, mit einer Wellenlänge von 248 nm oder 193 nm und einer Dosis von I2N = 6,3 × 1010, ausgesetzt ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Quarzglas-Stepper-Linse, die gegenüber Verdichtung widerstandsfähig ist, wenn sie einer Exzimerstrahlung hoher Intensität ausgesetzt ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist von
    • (a) Aufbringen einer Beschichtung aus mit Flammenhydrolyse hergestelltem Siliciumdioxid-Ruß auf einem Ausgangselement, um eine Rußvorform zu bilden;
    • (b) Konsolidieren der Rußvorform, um eine dichte Quarzglasschicht frei von Partikelgrenzen zu bilden; und
    • (c) Bilden der dichten Glasschicht in eine Stepper-Linse;
    wobei der Konsolidierungsschritt das Erhitzen der Rußvorform auf eine Temperatur innerhalb des Konsolidierungstemperaturbereiches aufweist, für eine Zeit, welche ausreicht, um die Rußteilchen zum Schmelzen zu bringen und um eine dichte Glasschicht zu bilden, und gleichzeitiges Aussetzen der Rußvorform einer Strömung aus im Wesentlichen trockener, wasserstofffreier, chlorhaltiger Atmosphäre, um dadurch eine Quarzglas-Stepper-Linse herzustellen, welche eine Wellenfrontverzerrung von weniger als 0,095 ppm aufweist, wenn diese einer Dosis von Exzimerstrahlung mit hoher Intensität ausgesetzt ist, welche eine Wellenlänge von 248 nm oder 193 nm und eine Dosis I2N = 6,3 × 1010 besitzt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Figur vergleicht die Wellenfrontverzerrungen eines Standard-Quarzglases mit den Wellenfrontverzerrungen, die in zwei erfinderischen Stepper-Linsen-Quarzgläsern festgestellt werden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Idealerweise sollte Quarzglas für fotolithografische Anwendungen gegenüber Laserinduzierter optischer Beschädigung widerstandsfähig sein. Um gegenüber Laserinduzierter optischer Beschädigung widerstandsfähig zu sein, sollten die Stepper-Linsen für fotolithografische Anwendungen gegenüber Laser-induzierter Absorption und Verdichtung widerstandsfähig sein. Allerdings haben die meisten Quarzglas-Stepper-Linsen die heutzutage zur Verfügung stehen, eine Tendenz zur optischen Verschlechterung nach Langzeit-Exposition gegenüber Exzimerlaserbestrahlung gezeigt. Wir haben gezeigt, dass Stepper-Linsen, die aus Quarzgläsern hergestellt wurden, die durch bestimmte Verfahren produziert wurden, gegenüber Laserinduzierter Verdichtung widerstandsfähiger sind als es Linsen sind, die durch herkömmliche Stepper-Linsen-Fertigungsverfahren, wie das Bouleverfahren, hergestellt wurden.
  • Eine Strukturänderung in Quarzglas hat mindestens zwei Auswirkungen: (1) Eine geometrische Änderung in der verdichteten Region, die eine Abnahme in der optischen Weglänge entstehen lässt; und (2) eine Zunahme in dem Brechungsindex des Quarzglases, die durch eine Zunahme in der Dichte verursacht wird. Diese beiden Effekte führen zu einer Nettoänderung (Zunahme) in der optischen Weglänge (optische Wegdifferenz, OPD).
  • Typischerweise sind die durch Hochenergie-Bestrahlung verursachten Dichtezunahmen sehr klein (im Bereich von etwa 1 bis 50 ppm), so dass direkte Messungen des absoluten Dichtebereiches unpraktikabel sein können. Für den Zweck dieser Arbeit haben wir interferometrische Messungen zur Charakterisierung relativer Dichteänderungen über Quarzglasproben eingesetzt, wobei verdichtete (exponierte) und unverdichtete (nicht exponierte) Regionen einer jeden Probe gemessen wurden.
  • Beispiele für geeignete Verfahren umfassen (1) das Flammenhydrolyseverfahren, das in den US-Patentschriften 5,043,002 und 3,933,454 beschrieben ist, wobei beide manchmal hier als Wellenleiterverfahren bezeichnet werden; und (2) das Sol-Gel-Verfahren, das in der US-Patentschrift 4,789,389 beschrieben ist, das manchmal hier als Sinterverfahren bezeichnet wird.
  • Ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglaslinsen, die gegenüber Laserinduzierter Verdichtung widerstandsfähig sind, besteht im Flammenhydrolyseverfahren. Bei einem herkömmlichen Flammenhydrolyseverfahren wird eine Beschichtung aus durch Flammenhydrolyse produziertem Glasruß auf einem Ausgangselement abgeschieden, um eine Rußvorform zu bilden. Die Vorform wird konsolidiert, um eine dichte Glasschicht zu bilden, die anschließend zu einer gewünschten Form geformt werden kann. Bei dem Konsolidierungsschritt wird die Rußvorform einer Temperatur im Konsolidierungs-Temperaturbereich für eine Zeit unterzogen, die ausreicht, damit sich die Rußteilchen verschmelzen und konsolidieren lassen und dadurch eine dichte Glasschicht bilden, die frei von Teilchengrenzen ist. Alternativ kann ein solches Glas unter Verwendung eines verbesserten Flammenhydrolyseverfahrens, wie in US 3,933,454 beschrieben, hergestellt werden. Beim Konsolidierungsschritt des verbesserten Verfahrens wird die Rußvorform auf eine Temperatur innerhalb des Konsolidierungs-Temperaturbereiches für eine Zeit erhitzt, die ausreicht, um die Rußteilchen zur Verschmelzung und zur Bildung einer dichten Glasschicht zu veranlassen. Gleichzeitig mit der Konsolidierung wird die Glasschicht einem Strom einer im Wesentlichen trockenen, chlorhaltigen Atmosphäre unterzogen.
  • Im Allgemeinen wird bei dem Quarzglasverfahren ein dampfförmiger Strom von siliciumhaltiger Verbindung durch Wärmezersetzung mit Hilfe von Oxidation oder Flammenhydrolyse in SiO2 übergeführt. Anschließend wird der Gasstrom in die Flamme eines Brenners eingeführt, um amorphe Teilchen von geschmolzenem SiO2 zu bilden, die anschließend auf einem Träger abgeschieden und unter Bildung von Quarzglas konsolidiert werden. Um die erfinderische Stepper-Linse herzustellen, werden die amorphen Teilchen in einer chlorhaltigen Umgebung konsolidiert, um das Glas zu reinigen. Bei einem besonders geeigneten, modifizierten Verfahren wird die Abscheidung aus amorphen Teilchen in einer He/HCl-haltigen Atmosphäre unter Bildung eines transparenten Glaskörpers konsolidiert.
  • Zum Bilden von Quarzglas geeignete siliciumhaltige Verbindungen sind in der Industrie gut bekannt, wie kollektiv offenbart in U.S.-Patent Nr. 3,393,454 ; 4,789,389 ; 5,043,002 ; 5,152,819 ; und 5,154,744 . Vorzugsweise umfasst das siliciumhaltige gasförmige Ausgangsmaterial Verbindungen, die durch Flammenhydrolyse oder Pyrolyse oxidiert werden können, um transparente, hoch reine Quarzglasgegenstände herzustellen. Allerdings sind aus Sicherheits- und Umweltgründen halogenidfreie Cyclosiloxan-Verbindungen bevorzugt.
  • Beispiele für geeignete halogenidfreie siliciumhaltige Verbindungen umfassen Cyclosiloxan-Verbindungen, vorzugsweise Polymethylsiloxan, wie Hexamethyldisiloxan, Polymethylcyclosiloxan und Gemische von diesen. Beispiele für besonders geeignetes Polymethylcyclosiloxan umfassen Hexamethylcyclotrisiloxan, Decamethylcyclopentasiloxan, Octamethylcyclotetrasiloxan und Gemische von diesen.
  • Zusätzlich zu Polymethylsiloxanen können auch Organosiliciummaterialien, die die folgenden drei Kriterien erfüllen, zur Herstellung der erfinderischen Stepper-Linse eingesetzt werden:
    • (1) eine verarbeitbare Organosilicium-Z-Verbindung (Z ist ein Element des Periodensystems) besitzt eine Si-Z-Bindungsdissoziationsenergie, die nicht höher ist als diejenige der Si-O-Bindung;
    • (2) eine verarbeitbare Organosilicium-Z-Verbindung weist einen nennenswerten Dampfdruck bei Temperaturen unterhalb von 250 °C und einen Siedepunkt nicht höher als 350 °C auf; und, im Sicherheitsinteresse,
    • (3) eine verarbeitbare Organosilicium-Z-Verbindung ergibt bei Pyrolyse und/oder Hydrolyse Zersetzungsprodukte, neben SiO2, die als umweltverträglich eingestuft werden, oder die Emissionen liegen unter den zulässigen amtlichen Standards.
  • Drei Gruppen von Verbindungen, die bisher als besonders geeignet befunden wurden, werden im Folgenden je nach Bindungsanordnung in der Grundstruktur eingeteilt:
    • (1) Organosilicium-Sauerstoff-Verbindungen mit einer Si-O-Si-Grundstruktur, insbesondere lineare Siloxane, in denen ein Sauerstoffatom und ein einzelnes Element oder eine Gruppe von Elementen, wie eine Methylgruppe, an das Siliciumatom gebunden ist;
    • (2) Organosilicium-Stickstoff-Verbindungen mit einer Si-N-Si-Grundstruktur, wie Aminosilane, lineare Silazane und Cyclosilazane, in denen ein Stickstoffatom und ein einzelnes Element oder eine Gruppe von Elementen an das Siliciumatom gebunden sind; und
    • (3) Siloxasilazane mit einer Si-N-Si-O-Si-Grundstruktur, in der ein Stickstoffatom und ein Sauerstoffatom an das Siliciumatom gebunden sind.
  • Weitere geeignete halogenidfreie siliciumhaltige Verbindungen für das erfindungsgemäße Verfahren umfassen Octamethyltrisiloxan (ein verarbeitbares lineares Siloxan), Aminosilane, wie Tris(trimethylsilyl)ketenimin, lineare Silazane, wie Nonamethyltrisilazan, Cyclosilazane, wie Octamethylcyclotetrasilazan, und Siloxasilazane, wie Hexamethylcyclotrisiloxazan.
  • Bei einem besonders geeigneten erfindungsgemäßen Verfahren wird eine halogenidfreie Cyclosiloxanverbindung, wie Octamethylcyclotetrasiloxan (OMCTS), die durch die chemische Strukturformel -[SiO(CH3)2]4- dargestellt ist, als Ausgangsmaterial für das Aufdampfverfahren eingesetzt, wie bei der Herstellung von hoch reinem Quarzglas für optische Wellenleiteranwendungen verwendet.
  • Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figur weiter erläutert, wobei die Wellenfrontverzerrung (ppm) gegenüber der Expositionsdosis |2N aufgetragen wird, wobei I die Laserintenistät ist und N die Anzahl von Pulsen ist. Der reziproke Wert des Dosisparameters gestattet die Berechnung der Gesamtexpositionsdosis, die eine Probe erfährt, ohne Rücksicht auf die Intensität oder Anzahl von Pulsen, und gibt, unter Verwendung der in der Figur angegebenen Gleichung, die Verdichtung im Voraus an. Im praktischen Sinne bedeutet dies, dass es die Quantität ist, die wichtig ist und nicht, wie die Probe dahin gelangt.
  • Die Anwendung für dieses Material ist die Fotolithografie, darum zeigen wir in den folgenden Abschnitten eindeutig, dass die Sol-Gel-(Sinterung)- und Wellenleiter-(Vorform)-Verfahren Quarzgläser erzeugen, die sich während der vorhergesagten Lebensdauer einer lithografischen Linse weniger verdichten als Quarzglaslinsen, die durch das Standard-(Boule)-Verfahren hergestellt wurden. In der Figur ist das Ergebnis der Quarzglasprobe, die mit dem Standard-Bouleverfahren hergestellt wurde, durch Dreiecke angegeben, das Sinter-Verfahren durch Rauten und das Vorform-Verfahren durch Kreise. Die Probengeometrien und Laserexpositionsanordnungen waren für alle untersuchten Proben gleich.
  • Die aufgetragene Wellenfrontverzerrung für das Sinter-Verfahren wurde direkt aus interferometrischen Messwerten erhalten. Für das Vorform-Verfahren wurde die Peak-zu-Tal-Wellenfrontverzerrung aus Doppelbrechungsmessungen unter Verwendung der bei Borrelli, Smith, Allan und Seward „Densification of fused silica under 193-nm excitation", J. Opt. Soc. Am. B/Bd. 14, Nr. 7/Juli 1997, 1606, und Allan, Smith, Borrelli und Seward, „193-nm excimerlaser-induced densification of fused silica", OPTICS LETTERS/Bd. 21, Nr. 24/15. Dezember 1996, 1960 beschriebenen Umwandlung berechnet. Als Standard-Quarzglas verwendeten wir Proben von Corning's Code HPFS® Quarzglas (Corning, New York), das bezüglich Durchlässigkeit im tiefen UV und optischer Homogenität optimiert worden ist.
  • In der Figur haben wir die Änderung im Wellenfrontmesswert von 0 bis etwa 0,12 ppm gezeigt, die vernünftigerweise die praktischen Verzerrungsgrenzen für fotolithografische Anwendungen darstellen. Die Figur vergleicht die während der Lebensdauer einer Linse gemessene Verdichtung zwischen Quarzglas, das durch das Standard-Bouleverfahren hergestellt wurde (Dreiecke), und Stepper-Linsen, die aus Quarzglas hergestellt wurden, das durch das Sinter(Rauten) und Wellenleiter-Verfahren (nicht ausgefüllte Kreise) hergestellt wurde. Für diesen Zweck haben wir angenommen, dass die optischen Elemente einer Fluenz (I) von 0,5 mJ/cm2/Puls 8 Jahre lang ausgesetzt sind. Wir haben weiterhin angenommen, dass der Laser eine Wiederholungsrate von 1.000 Hertz aufweist und dass der Stepper, der die Linse enthält, 7 Tage pro Woche, 24 h am Tag, 365 Tage im Jahr betrieben wird, was eine Lebensdauer-Dosis (I2N) von 6,3 × 1010 ergibt. Die Überprüfung des Graphen zeigt, dass Quarzglas, das durch das Standard-Verfahren hergestellt wird, bei dieser Dosis etwa 0,12 ppm Verzerrung aufweist, während Quarzglas, das durch die Sinter- und Wellenleiter-Verfahren hergestellt wird, eine Wellenfrontverzerrung von nur 0,09 bzw. 0,08 ppm aufweist, was geringer ist als die 0,095 ppm Verzerrung. Signifikant ist die Feststellung, dass die Kurven für die Sinter- und Wellenleiterproben während der gesamten Lebensdauer des Quarzglases unterhalb der Kurve für das Standard-Prozess-Glas liegen. Der Graph zeigt auch, dass die Wellenfrontverzerrung von Quarzglas-Stepper-Linsen, die durch Sinter- und Wellenführungs-Verfahren hergestellt wurden, über den Dosisbereich eine Wellenfrontverzerrung aufweist, die etwa 25 % weniger beträgt als die Wellenfrontverzerrung der Quarzglas-Stepper-Linsen, die durch das Standard-Bouleverfahren hergestellt wurden.

Claims (8)

  1. Stepper-Linse, welche gegenüber Verdichtung resistent ist, hergestellt aus Quarzglas, dadurch gekennzeichnet, dass die Stepper-Linse eine Wellenfrontverzerrung von weniger als 0,095 ppm aufweist, wenn sie einer Dosis von hochintensiver Excimer-Strahlung, welche eine Wellenlänge von 248 nm oder 193 nm und eine Dosis I2N = 6,3 × 1010 besitzt, ausgesetzt ist.
  2. Verfahren zum Herstellen einer Quarzglas-Stepper-Linse, welche gegenüber Verdichtung widerstandsfähig ist, wenn diese einer Excimer-Strahlung hoher Intensität ausgesetzt ist, wobei dieses Verfahren die Schritte aufweist von: (a) Aufbringen einer Beschichtung aus mit Flammenhydrolyse hergestelltem Siliciumdioxidruß auf einem Ausgangselement, um eine Rußvorform zu bilden; (b) Konsolidieren der Rußvorform, um eine dichte Quarzglasschicht frei von Partikelgrenzen zu bilden; und (c) Bilden der dichten Glasschicht in eine Stepper-Linse; wobei der Konsolidierungsschritt das Erhitzen der Rußvorform auf eine Temperatur innerhalb des Konsolidierungstemperaturbereiches aufweist, für eine Zeit, welche ausreicht, um die Rußpartikel zum Schmelzen zu bringen und um eine dichte Glasschicht zu bilden, und gleichzeitiges Aussetzen der Rußvorform einer Strömung aus im Wesentlichen trockener, wasserstofffreier, chlorhaltiger Atmosphäre, um dadurch eine Quarzglas-Stepper-Linse herzustellen, welche eine Wellenfrontverzerrung von weniger als 0,095 ppm aufweist, wenn diese einer Dosis von Excimer-Strahlung mit hoher Intensität ausgesetzt ist, welche eine Wellenlänge von 248 nm oder 193 nm und eine Dosis I2N gleich 6,3 × 1010 besitzt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem der Siliciumdioxidruß durch Flammenhydrolyse eines Dampfstromes einer Silicium-haltigen Verbindung hergestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem der Siliciumdioxidruß durch Flammenhydrolyse einer Organosiliciumverbindung hergestellt wird, welche eine Si-O-Si-Grundstruktur besitzt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem der Siliciumdioxidruß durch Flammenhydrolyse eines Cyclosiloxans oder eines linearen Siloxans hergestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem der Siliciumdioxidruß durch Flammenhydrolyse einer Organosilicium-Stickstoff-Verbindung hergestellt wird, welche eine Si-N-Si-Grundstruktur besitzt.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem der Siliciumdioxidruß durch Flammenhydrolyse einer Siloxasilazan-Verbindung hergestellt wird, welche eine Si-N-Si-O-Si-Grundstruktur besitzt.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem der Siliciumdioxidruß durch Flammenhydrolyse einer Organosilicium-Z-Verbindung hergestellt wird, in welchem: (1) Z ein Element ist, das eine Si-Z-Bindungs-Dissoziationsenergie besitzt, welche nicht höher als die der Si-O-Bindung ist; und (2) die Organosilicium-Z-Verbindung einen signifikanten Dampfdruck bei Temperaturen unterhalb von 250°C und einen Siedepunkt nicht höher als 350°C aufweist.
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