CN110989181B - 在光学系统中的元件的曝光期间确定曝光能量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在特别是微光刻的光学系统中的元件的曝光期间确定曝光能量的装置，该装置包括：光学元件(110、510、610)；衍射结构(120、420、450、460、520、620)，具有局部变化的光栅周期；以及强度传感器布置；其中在光学系统的操作期间、以至少一级衍射在衍射结构(120、420、450、460、520、620)处衍射的电磁辐射通过光学元件(110、510、610)内实现的全内反射被指引到强度传感器布置。

Description

在光学系统中的元件的曝光期间确定曝光能量的装置

本申请要求2018年10月2日提交的德国专利申请DE 10 2018 124 314.6的优先权。该申请的内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及在特别是微光刻的光学系统中的元件的曝光期间确定曝光能量的装置。本发明可用在例如掩模检验设备中，而且还用在其他显微术应用和微光刻投射曝光设备中。

背景技术

微光刻用于制造诸如集成电路或LCD的微结构部件。在包括照明装置和投射镜头的称为投射曝光设备中实行微光刻工艺。在这种情况下，通过投射镜头将通过照明装置所照明的掩模(＝掩模母版)的像投射到涂有感光层(光刻胶)且在投射镜头的像平面中布置的基板(例如硅晶片)上，以便于将掩模结构转印至基板的感光涂层。

在光刻工艺中，掩模上的不期望的缺陷具有特别不利的影响，因为它们在每次曝光步骤下重现。对可能的缺陷位置的成像效应的直接分析因此是可期望的，以便最小化掩模缺陷并且以便实现成功的掩模修复。因此，存在对快速且简易地测量掩模或使掩模具有资格的需求，以在诸如投射曝光设备中实际出现的相同条件下尽可能精确。为此，已知的是，在掩模检验设备中记录和评估掩模的区段的空间像。为了记录空间像，在这种情况下由照明光学单元照明要在掩模上测量的结构，其中将从掩模出来的光经由成像光学单元投射到检测器单元上并检测。

为了在测量掩模上出现的结构期间实现最高可能绝对准确度，需要在掩模曝光设备中掩模的曝光期间所使用的曝光能量的知识。为了确定所述曝光能量，已知的是，特别地根据图7中的示意性原理图，在掩模检验设备中，借助于分束器703，从从发光场光阑701引导到测量物705或掩模的束路径耦合出部分电磁辐射并且将其指引到能量或强度传感器707上。在这种情况下，根据图7，透镜元件702、704和706进一步位于光学束路径中，其中透镜元件704形成沿着光学系统轴线OA可移动的聚光器。

在上文所描述的确定曝光能量期间实际发生的一个问题在于所获得的测量结果可能偏离实际曝光能量或者相对于其被破坏，这是借助于以下事实：在用于耦合出光的分束器703和测量物705之间，电磁辐射附加地受可能存在的光学元件(例如受衍射效应)影响和/或受在相应光学系统中存在的气氛影响。在距测量物或掩模的最小可能距离处的能量测量的实现(该实现对于该背景原理上是可期望的)然而更加困难，基于以下事实：在该区域中可用于相应光学部件的结构空间由于在最后一个聚光透镜元件和掩模之间的距离很小(可能例如只有几个毫米)而在很大程度上被限制。

关于现有技术，例如仅参考DE 10 2013 212 613 B4。

发明内容

本发明的目的是提供在光学系统中的元件的曝光期间确定曝光能量的装置，这能够尽可能准确地确定曝光能量，而避免如上所描述的问题。

该目的是通过根据以下的特征的装置来实现。

根据本发明的在光学系统中的元件的曝光期间确定曝光能量的装置包括：

-光学元件，

-衍射结构，其具有局部变化的光栅周期，以及

-强度传感器布置，

其中在光学系统的操作期间、以至少一个衍射级在衍射结构处衍射的电磁辐射通过光学元件中实现的全内反射被指引到强度传感器布置。

本发明基于以下构思：特别是实现以距相关元件非常小距离或直接在相关元件上游、在掩模检验设备中曝光诸如掩模的元件期间确定曝光能量，这借助于以下事实：在位于直接接近于元件或掩模的相对位置处，电磁辐射通过在衍射结构处的衍射被耦合出并通过在起光波导作用的光学元件内全内反射而被指引到强度传感器布置。

换言之，根据本发明，出于耦合出辐射的目的在位于测量物或掩模的直接上游的光束路径中引入的衍射结构设计成至少一个衍射光栅的形式，使得对于在所述衍射结构处衍射的电磁辐射的至少一级衍射(典型地第±1级衍射)，在照射到根据本发明所提供并用作光波导的光学元件中的后续界面上时，超出全内反射的临界角。在这种情况下，本发明基于以下考虑：对于相关的第±1级衍射，在该能量测量期间所获得的结果以良好近似可应用于实际与测量物或掩模的曝光有关的零级衍射。

根据一个实施例，光学系统具有光学系统轴线，其中光栅周期随距所述光学系统轴线的距离增加而减小。

根据一个实施例，衍射结构被实施在光学元件的光入射表面上。

根据一个实施例，衍射结构仅被实施在所述光入射表面的部分区域上。

根据一个实施例，衍射结构具有相对于一方向彼此不同的多个衍射光栅，该方向上由相关的衍射光栅指引同一级衍射。

根据一个实施例，强度传感器布置具有多个强度传感器。

根据一个实施例，强度传感器布置具有至少一个空间分辨的强度传感器。

根据一个实施例，衍射结构具有至少一个相位光栅。

本发明还涉及具有带如上所描述特征的装置的光学系统。在这种情况下，光学系统特别可以是掩模检验设备或微光刻投射曝光设备。

下面基于附图中所图示的示例性实施例更详细地解释本发明。

附图说明

附图中：

图1示出了阐明在本发明的一个实施例中确定曝光能量的装置的可能构造和功能原理的示意图；

图2示出了根据本发明的装置中出现的光栅结构中的光栅周期的可能变化的示意图；

图3、图4a、图4b、图4c、图5和图6示出了阐明本发明的其他可能实施例的示意图；

图7示出了阐明确定曝光能量的常规方法的示意图；以及

图8示出了阐明掩模检验设备的一个示例性构造的示意图。

具体实施方式

图8示出了本发明可以实现的掩模检验设备800的可能构造。

根据图8，在掩模检验设备800中，在掩模保持件820上安装掩模821。经由照明光学单元810用由光源801生成的照明光来照明在掩模821上要测量的结构。将从掩模821出来的光通过成像光学单元830成像到检测器单元840上并检测。在评估单元850中评估由检测器单元840所记录的图像数据，以确定结构的位置。

下面描述的确定曝光能量的装置的实施例特别是可用于具有如图8所示的构造的掩模检验设备中，以确定入射在掩模821上的电磁辐射的曝光能量。然而，在其他应用中，根据本发明的装置还有利地可用于其他显微术应用中以及微光刻投射曝光设备中(例如，以确定入射在晶片上的电磁辐射的曝光能量)。

图1仅示出了阐明在本发明的一个实施例中确定曝光能量的装置的可能构造和功能原理的示意图。

根据图1，在掩模检验设备(例如，具有参考图8所描述的构造)中根据本发明的装置，在光学束路径中的最后一个聚光透镜元件(所述聚光透镜元件由“105”指定)和要确定其曝光能量的掩模100之间具有衍射结构120，该衍射结构120在示例性实施例中实施在起到光波导作用的光学元件110的光入射表面上。在示例性实施例中，光学元件110实现为石英玻璃(SiO₂)板。此外，根据本发明的装置具有强度传感器布置，其在示例性实施例中包括两个强度传感器131、132，并且如下文所描述的耦合出的电磁辐射经由透镜元件121和122被分别指引到该两个强度传感器131、132上。作为示例，商用的光电二极管阵列作为强度传感器131、132是合适的，其中空间分辨的强度测量也是可能的。此外，在其他实施例中，还可以仅使用一个强度传感器，或者还可以使用多于两个强度传感器，如下文将更加详细地描述。

为了说明功能原理，图1对于入射在光学元件110或衍射结构120上的三个示例性束“A”、“B”和“C”示意性描绘了在衍射结构120处以零级衍射和以第±1级衍射两者进行衍射之后的束路线。在这种情况下，衍射结构120配置为使得——如图1所示——在衍射结构120处至少以一级衍射进行衍射后在光学元件110内超过全内反射的临界角，因此对应衍射的电磁辐射在当作光波导的光学元件110内通过全内反射被传输到相应横向地布置的强度传感器131和132。

在图1的示例性实施例中，对于束“A”和“B”的第±1级衍射以及无论如何还对于束“C”的第-1级衍射，各满足上述全内反射的条件。

优选地，窄带光源(例如具有小于1nm的带宽)可以用于生成电磁辐射。然而，本发明不限于此，通过适当适配衍射结构，还可以考虑使用相对较宽的宽带光源。

尽管，在所图示的示例性实施例中，衍射结构120直接地布置在起光波导作用的光学元件110的光入射表面上，但是本发明不限于此。当然，在其他实施例中，衍射结构120和起光波导作用的光学元件110还可以用彼此间隔开的互相分离部件来实现。图5示出了对应的实施例，其中与图1相比较类似地或实质上功能相同的部件由增加了“400”的附图标记来指定。在这种情况下，其上实施衍射结构520的分离部件由“520a”来指定。

此外，起光波导作用的光学元件110还可以具有偏离于所图示的平面平行的形状的几何体。在这种情况下，特别是通过适当倾斜和/或弯曲光入射表面以及/或者适当倾斜和/或弯曲光出射表面，还可以实现适当适配全内反射期间发生的反射角，而且实现(例如通过提高发生发射的次数)可能期望的光混合或均匀化。

此外，取决于具体实施例，在光学系统中出现的光学元件总之(例如光学束路径中最后一个聚光透镜元件)还可以用于实现根据本发明的起光波导作用的光学元件。为此，仅在一个示例性实施例中，光学束路径中最后一个聚光透镜元件可以实施为具有位于凸出弯曲的光入射表面上的衍射结构的平凸透镜元件，其中全内反射在各个情况下发生在所述平凸透镜元件的平面光出射表面处。图6示出了对应的实施例，其中与图1相比较类似地或实质上功能相同的部件由增加了“500”的附图标记来指定。

在图1的示例性实施例中，光学元件110的光入射表面上的衍射结构120局部定界在如上述的半径(对应于衍射结构120上的相对位置与光学系统轴线OA的距离或xy平面中)的预先定义值的范围内，而在光学元件110上不再出现衍射结构。这样的配置具有以下优点：可以防止经受全内反射的束的任何不期望的受衍射影响的束经由光学元件110的光入射表面出射。然而，本发明不限于此，所以在其他实施例中，光学元件110的光入射表面还可以在全部区域之上由衍射结构120覆盖，其中在这种情况下可以通过适当适配衍射结构120的光栅周期防止经由光学元件110的光入射表面出射不期望的受衍射影响的束。

以优选地关于光栅周期(“节距”)和关于相应线宽(“CD”)两者的针对性的方式，将衍射结构120适配于根据本发明的包括强度传感器布置的装置的具体条件。在这种情况下，通过在衍射结构120中的所述结构宽度，可以控制在第±1级衍射的强度并且因此控制强度传感器131、132的方向上分别耦合出的电能。由此对强度传感器131、132的尽可能最佳调制可以借助于以下事实来实现：一方面，指引到强度传感器131、132的辐射强度对于低噪声测量是足够高的，但是另一方面还避免过度驱动强度传感器131、132(其中为了避免过度驱动强度传感器131、132，如果必要，还可以使用用于强度衰减的合适元件)。

此外，相应衍射的束入射在起光波导作用的光学元件110的光出射表面上的角度可以通过适当选择衍射结构120的光栅周期(“节距”)来设定。在这种情况下，特别地，还可以实现光栅周期的局部变化。特别地，对于适配起光波导作用的光学元件110的光出射表面上的入射角取决于相应零级衍射的束是垂直入射还是已经倾斜地入射在所述光学元件110上，可以实现衍射结构的光栅周期的局部变化，使得所述光栅周期随与光学系统轴线OA的距离增加而减小。

图2图示一个示例性可能轮廓。在其他实施例中，还可以根据具体条件选择衍射结构120的光栅周期的一些其他局部轮廓(例如，线性轮廓)。图3a-3d的示意图中图示了根据入射角适配光栅周期的一个仅仅示例性可能的实现，其中对于所述变化指示了对应于128nm(图3a)、118nm(图3b)和110nm(图3c和3d)的光栅周期的四个支撑点。在这种情况下，在各个情况下起光波导作用并再次图示为平面板的光学元件内，全内反射针对以下实现：根据图3a的第±1级衍射(具有关于其衍射所考虑的束的垂直光入射)以及根据图3b-3c的第-1级衍射(具有渐增的倾斜光入射)。

在其他实施例中，空间分辨地确定曝光能量还可以借助于以下事实来实现：根据本发明的衍射结构120由在互不相同方向上衍射入射的电磁辐射的多个衍射光栅构成。图4a-4c仅示意性示出其示例。

在这种情况下，根据图4a，可以使用棋盘式光栅结构420作为分别在x方向和y方向上延伸的两个线光栅的叠加，并且在在各个情况下分别具有两个分配的强度传感器441、442和443、444。此外，根据图4b和图4c，光栅结构450和460分别还可以具有多个线光栅451-455和461-468，其在各个情况下被分配到不同光瞳区域并且在互不相同方向上或朝向不同强度传感器(未描绘)衍射电磁辐射，因此以便实现空间分辨地确定曝光能量。

在本发明的实施例中，校准步骤可以通过以下进行：对于进入装置或由光源生成(例如图8的光源801)的照明光的不同强度值，确定由强度传感器布置测得的强度。在这样的校准中，对于照明光的强度的不同局部分布(即，不同照明设定)还可以确定由强度传感器布置测得的强度，由此考虑到照明光的所述强度还可以局部地变化。

尽管已经基于具体实施例描述了本发明，但是例如通过组合和/或交换单独实施例的特征，许多的变型和替代性实施例对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，对于本领域技术人员而言更不用说，本发明附随地涵盖这样的变型和替代性实施例，并且本发明的范围仅受限于所附的专利权利要求及其等同的含义内。

Claims (18)

1.一种光学检验设备，包括：

光源；

照明光学单元，配置为将来自所述光源的光朝向第一元件投射；

检测器单元；

成像光学单元，配置为将来自所述第一元件的光朝向所述检测器单元投射；

曝光确定装置，设置在所述照明光学单元与所述第一元件之间，所述曝光确定装置包括：

第一光学元件；

衍射结构；以及

强度传感器布置；

其中所述曝光确定装置配置为使得，在所述设备的操作期间、以至少一级衍射在所述衍射结构处衍射的光通过所述第一光学元件中的全内反射被指引到所述强度传感器布置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一元件为掩模，所述设备是掩模检验设备，并且所述曝光确定装置配置为评估在所述掩模的检验期间施加至所述掩模的曝光能量。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述衍射结构具有局部变化的光栅周期。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，光学系统具有光学系统轴线(OA)，其中所述光栅周期随距所述光学系统轴线(OA)的距离增加而减小。

5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述衍射结构被实施在所述第一光学元件的光入射表面上。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述衍射结构仅被实施在所述光入射表面的部分区域上。

7.根据权利要求3所述的设备，其中，所述衍射结构具有关于一方向彼此不同的多个衍射光栅，在所述方向上由相关的衍射光栅指引同一级衍射。

8.根据权利要求3所述的设备，其中，所述强度传感器布置具有多个强度传感器。

9.根据权利要求3所述的设备，其中，所述强度传感器布置具有至少一个空间分辨的强度传感器。

10.根据权利要求3所述的设备，其中，所述衍射结构具有至少一个相位光栅。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是掩模检验设备。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是微光刻投射曝光设备。

13.根据权利要求3所述的设备，其中，所述衍射结构设置在所述第一光学元件上。

14.根据权利要求3所述的设备，其中，所述衍射结构设置在分离部件上，所述分离部件在用于曝光所述第一元件的光的路径上设置在所述第一光学元件的上游。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述衍射结构设置在所述分离部件的辐射出射表面上。

16.根据权利要求3所述的设备，其中，所述设备配置为使用光曝光所述第一元件，并且所述衍射结构配置为朝向所述强度传感器布置衍射所述光的第一部分且允许所述光的第二部分通过所述衍射结构并朝向所述第一元件行进以曝光所述第一元件。

17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备配置为执行：

沿着传播路径朝向所述第一元件投射光；

将所述第一光学元件和所述衍射结构设置在所述传播路径中所述第一元件的上游，其中所述衍射结构具有局部变化的光栅周期；以及

确定由于所述光施加至所述第一元件的曝光能量，包括：

以至少一级衍射衍射所述光的一部分；以及

通过在所述光学元件中实现的全内反射将所衍射的光指引至强度传感器布置。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述设备配置为执行朝向多个方向指引所衍射的光的与同一级衍射相关联的多个部分。

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