Schrägbeleuchtung

Bei der fotolithografischen Strukturierung wird mithilfe von Licht eine lokale fotochemische Reaktion in einer fotosensitiven Lackschicht (Fotolack) ausgelöst und damit die Eigenschaften (vor allem die Löslichkeit) des Fotolacks lokal geändert. Die lokale Belichtung erfolgt dabei durch die Abschattung von Licht mithilfe einer Fotomaske, die das gewünschte Muster der Strukturierung enthält, so dass einige Stellen beleuchtet und andere nicht beleuchtet werden. Auf diese Weise verbleibt nach dem Entfernen der löslichen Gebiete eine maskierende Fotolackschicht auf dem Substrat (meist ein Wafer aus Silizium) mit der auf der Fotomaske befindlichen Struktur. Diese relativ einfache Beschreibung der Abbildung von auf der Fotomaske befindlichen Strukturen gilt jedoch nur für Strukturen, die größer als die Wellenlänge des verwendeten Lichts sind. Liegen die abzubildenden Strukturen auf der Fotomaske im Bereich der Wellenlänge, wie es seit einigen Jahren in der Halbleitertechnik der Fall ist, kann der Wellencharakter des Lichts nicht mehr vernachlässigt werden, vor allem Beugungseffekte an kleinen periodischen Strukturen haben entscheidenden Einfluss auf die Abbildung der Strukturen im Fotolack. Im Folgenden wird daher vereinfacht beschrieben, warum bei sehr dichten Strukturen die Abbildung zunehmend schlechter wird und wie durch die Schrägbeleuchtung eine Verbesserung der Abbildung erzielt werden kann.

Vereinfachte Darstellung der Beugung von Licht an einem Gitter

Üblicherweise erfolgt die Beleuchtung senkrecht zur Maske, das heißt parallel zur Achse des optischen Systems, oft als köhlersche Beleuchtung (nach August Köhler) bezeichnet. Dabei breitet sich die 0. Beugungsordnung in Richtung der Einfallsrichtung weiter im optischen System aus, während die anderen Ordnungen seitlich gebeugt werden. Da der Ablenkungswinkel für höhere Ordnungen mit kleiner werdenden Strukturgrößen zunimmt, gelangt bei sehr kleinen Strukturen nur die 0. Ordnung durch die Maske zur Objektivlinse und somit zur Fotolackschicht. Allerdings enthält die 0. Beugungsordnung nur Informationen über die Lichtquelle, was dazu führt, dass die Struktur der Fotolackmaske nicht in der Fotolackschicht abgebildet wird. Für eine erfolgreiche Abbildung sind daher mindestens eine weitere Beugungsordnung notwendig und allgemein nimmt die Abbildungsqualität mit der Anzahl der Beugungsordnungen zu, wobei der Einfluss auf die Qualität bei höheren Beugungsordnungen schnell geringer wird.[3] Um ein möglichst hohes Auflösungsvermögen und dennoch eine ausreichend hohe Abbildungsqualität zu erzielen, ist es ausreichend, dass die 0., +1. und −1. Beugungsordnung die Objektivlinse erreichen (3-Strahl-Beleuchtung).

Vereinfachte Darstellung der Beugung von Licht an einem Gitter bei schrägem Einfall

Eine Verbesserung bringt die sogenannte Monopol-Schrägbeleuchtung, bei der das Licht schräg auf die Maske einfällt. Auf diese Weise verschiebt sich auch die laterale Lage der Beugungsordnungen, sodass auch bei dichteren Strukturen nicht nur die 0. Beugungsordnung auf die Objektivlinse fällt. Eine optimale Abbildung ergibt sich wenn die Strahlen der 0. und einer der 1. Ordnung (+1 oder −1) in einem gleichen Winkeln die optische Achse schneidet und von der Objektivlinse erfasst werden (2-Strahl-Beleuchtung). Das Ergebnis dieser Anordnung wäre eine Verbesserung des Auflösungsvermögens (höchster möglicher Wert) für periodische Strukturen senkrecht zur Einfallsebenen des Lichts. Strukturen parallel zur Einfallsebene erfahren hingegen keine Verbesserung, ein klarer Nachteil bei der praktischen Nutzung. Weiterhin ist bei dieser Anordnung der große Energieverlust durch die Nichterfassung der jeweils anderen 1. Beugungsordnung und die Tatsache, dass der Einfallswinkel für jede Strukturgröße neu eingestellt werden muss, nachteilig.

Der erhöhte Aufwand bei der technischen Umsetzung (komplette Neukonstruktion der bestehenden Anlagen) und die unflexiblen Einsatzmöglichkeiten eines „gekippten optischen Systems“ haben dazu geführt, dass die praktische Umsetzung einer Schrägbeleuchtung auf einem anderen Weg erfolgt. Ausgangslage ist ein nahezu unveränderter Aufbau der Lithografieanlagen, die im Wesentlichen nur um eine speziell geformte Blende zwischen dem Kondensorsystem und der Fotomaske ergänzt wurde. Charakteristisch für diese Blende ist, dass sie die Region im Bereich der optischen Achse abschattet und somit den senkrechten Einfall auf die Strukturen verhindert. Durch diese Änderung gelangt Licht nur aus dem Bereich des mittleren Radius bzw. dem Rand auf die Maske, wo es durch die eingesetzte zirkular geformte Lichtquelle mit einer kreiskegelartiger Winkelverteilung schräg auf die Maske einfällt. Dies bewirkt wie bei der oben beschriebenen Beleuchtung mit schrägem Einfallswinkel, dass alle Beugungsordnungen gekippt sind. Das System wird nun so abgestimmt, dass nur die 0. Ordnung und eine der beiden 1. Ordnungen der einfallenden Strahlung Randstrahlen von der Objektivlinse erfasst werden, auf die fotosensitive Schicht (Fotolack) fallen und so einen besseren Kontrast im Fotolack erzeugen.

Der deutsche Begriff Schrägbeleuchtung (und auch der englische Begriff off-axis illumination) ist daher etwas irreführend, zumal auch bei der herkömmlichen, teilweise kohärenten Beleuchtung ebenfalls Komponenten parallel und schräg zur Achse genutzt werden. Die Bezeichnung „Schrägbeleuchtung“ bezieht sich daher ausschließlich auf Techniken nach 1992, bei denen keine Komponenten parallel zur Achse verwendet werden.