DE10113017A1 - System zur interferometrischen Messung von optisch wirksamen Fehlern von optischen Baugruppen - Google Patents

Abstract

Bei einem System zur interferometrischen Messung von optisch wirksamen Fehlern von optischen Baugruppen (5), insbesondere von Baugruppen in der Halbleiter-Lithographie, sind erste Prüfkomponenten (1) vorgesehen, die vor der zu prüfenden Baugruppe (5) angeordnet sind. Hinter der zu prüfenden Baugruppe (5) ist eine zweite Prüfkomponente (DOE2) angeordnet. Die ersten Prüfkomponenten (1) erzeugen in der nullten Beugungsordnung wenigstens annähernd eine Kugelwelle und in einer von der nullten Beugungsordnung abweichenden Ordnung eine wenigstens annähernd asphärische Welle. Die zweite Prüfkomponente weist ein optisches Element (DOE2) auf, das die auftreffenden Strahlen in sich selbst zurückreflektiert. Bei optischen Baugruppen (5) mit einem Spiegel als letzter Fläche kann vereinfachend auf die zweite Prüfkomponente verzichtet werden. Der Spiegel reflektiert dann die Strahlen in sich zurück und übernimmt die Funktion der zweiten Prüfkomponente.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur interferometrischen Mes­ sung von optisch wirksamen Fehlern von optischen Baugruppen, insbesondere von Baugruppen in der Halbleiter-Lithographie.

Es ist aus der Praxis bekannt, optische Elemente, z. B. Einzel­ linsen, im doppelten Durchtritt interferometrisch zu prüfen. Dabei soll der Prüfstrahlengang durch die Linse wenigstens an­ nähernd dem späteren Gebrauchsstrahlengang entsprechen. Nur in diesem Fall lassen sich gemessene Fehler im Linsenkörper, wie z. B. Brechungsindexinhomogenitäten, durch eine gezielte Ober­ flächenbearbeitung so kompensieren, daß sie beim späteren Ge­ brauch nur noch wenig oder gar nicht mehr stören.

Aus der Praxis ist es weiterhin bekannt, nach dem sogenannten Dreh-Mittelungsverfahren nicht-rotationssymmetrische Linsenfeh­ ler im doppelten Durchtritt absolut zu messen.

In der DE 100 05 172.3 ist ein System zur interferometrischen Messung von Asphären in Reflexion beschrieben, wobei in einer optischen Einrichtung eine gezielte Nicht-Isoplanasie des Strahlengangs derart vorgewählt wird, daß eine von einer Deju­ stage eines Prüflings erzeugte Koma in einer reflektierten Wel­ lenfront wenigstens annähernd weitgehend kompensiert wird. Eine Prüfbarkeit von ganzen optischen Baugruppen mit asphärischen Flächen ist in dieser Anmeldung nicht vorgesehen.

Zum allgemeinen Stand der Technik wird noch auf die US-PS 5,074,666 und die US-PS 5,355,218 verwiesen.

Während nach den bekannten Verfahren nicht-rotationssymme­ trische Prüflingsfehler absolut bestimmt werden können, macht die Messung von rotationssymmetrischen Fehlern Schwierigkeiten. Zur Messung von rotationssymmetrischen Fehlern ist es unter anderem erforderlich, den Prüfaufbau genau zu kennen, damit seine störenden Beiträge entsprechend berücksichtigt werden können. Insbesondere Meßungenauigkeiten bei den Radien von einzelnen sphärischen Flächen und bei den Brechungsindizes der Gläser führen dazu, daß rotationssymmetrische Aberrationen einer Kom­ pensationsoptik nur ungenau bekannt sind. Eine weitere Fehler­ quelle stellen Temperaturänderungen dar.

Eine Prüfung von sphärischen Linsen im Durchtritt ist gegebe­ nenfalls noch mit entsprechendem Aufwand möglich. Bei einer Prüfung von optischen Elementen, wie z. B. Linsen mit einer oder sogar mit zwei asphärischen Flächen, wäre ein hoher Aufwand für die Prüfoptik erforderlich, wobei trotzdem die erreichbare Ge­ nauigkeit eingeschränkt wäre.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sy­ stem zur interferometrischen Prüfung von optischen Baugruppen zu schaffen, mit welchem mit einer hohen Meßgenauigkeit die Baugruppen im doppelten Durchtritt gemessen werden können, wo­ bei das System auch für eine Einzellinsenprüfung, welche die kleinste Einheit einer Baugruppe darstellt, mit sphärischen oder auch asphärischen Oberflächen geeignet sein soll. Auch der Spezialfall von Baugruppen mit einer reflektierenden letzten Fläche (Spiegel am Ende) sollte prüfbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 und 8 genannten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß besteht das Prüfsystem aus zwei Teilsystemen, einem vor der zur prüfenden Baugruppe angeordneten System mit ersten Prüfkomponenten und einem hinter der zu prüfenden Bau­ gruppe angeordneten zweiten System, nämlich einer zweiten Prüf­ komponente. Lediglich bei Baugruppen mit reflektierender letz­ ter Fläche, z. B. einem Spiegel, kann vereinfachend auf die zweite Prüfkomponente verzichtet werden, da der Spiegel ihre Funktion übernimmt.

Das vordere Teilsystem, welches in einer bevorzugten Ausgestal­ tung der Erfindung refraktive Elemente und ein erstes diffrak­ tives optisches Strahlformungselement (DOE1) aufweist, erzeugt eine präzise bekannte asphärische Welle. Das DOE1 befindet sich dabei auf der der zu prüfenden Baugruppe zugewandten letzten Fläche.

Erfindungsgemäß sind die ersten Prüfkomponenten, insbesondere refraktive Prüfkomponenten, so ausgelegt, daß sie wenigstens näherungsweise eine Kugelwelle liefern mit der das DOE1 be­ leuchtet wird, wobei das DOE1 in der nullten Beugungsordnung ohne Wirkung bleibt. Die Summe der Restfehler der refraktiven Prüfkomponenten und der Fehler der Referenzfläche lassen sich durch eine Kalibrierung, z. B. mit einem zuvor mit Standardme­ thoden absolut vermessenen Kugelspiegel, bestimmen. Das DOE1 ist so ausgelegt, daß in einer von Null verschiedenen Beugungs­ ordnung, insbesondere der ersten Beugungsordnung, die am Ein­ gang der zu prüfenden optischen Baugruppe erforderliche asphä­ rische Wellenfront erzeugt wird. Wesentlich ist, daß allein das DOE1 diese asphärische Wellenfront aus der durch die ersten Prüfkomponenten erzeugten Kugelwelle bildet. So gehen nur seine Aberrationen als nicht-kalibrierbare Meßfehler ein.

Die ersten Prüfkomponenten (ohne das DOE), insbesondere die re­ fraktiven Teile für das vordere Teilsystem, wird man im allge­ meinen aplanatisch ausführen, um bei der Kalibriermessung Koma zu vermeiden.

Erfindungsgemäß werden somit zwei Wellen erzeugt, nämlich eine Kugelwelle und eine asphärische Welle, wobei die Erzeugung der Kugelwelle möglichst aplanatisch erfolgt. Die asphärische Welle wird aus der Kugelwelle allein durch das DOE1 gebildet.

Die zweite, hinter der zu prüfenden optischen Baugruppe ange­ ordnete Prüfkomponente besteht aus einem in Autokollimation ge­ stellten optischen Element, insbesondere einem zweiten difrak­ tiven optischen Strahlformungselement (DOE2). Anstelle eines DOEs kann selbstverständlich im Bedarfsfall auch ein Plan- oder ein Kugelspiegel verwendet werden. Die Verwendung eines DOEs hat den Vorteil, daß die Strahlumkehr nicht durch Reflexion, sondern durch Beugung erfolgt. Auf diese Weise müssen die Strahlen nicht überall senkrecht auf dem DOE2 stehen. Außerdem kann die Möglichkeit einer sehr genauen Strahlumkehr auch bei asphärischem Strahlenverlauf genutzt werden.

Eines der wesentlichsten Vorteile der Erfindung besteht darin, daß auf diese Weise die Prüfung von beliebig aufgebauten Bau­ gruppen, wozu auch die Prüfung einer einzelnen Linse gehört, möglich ist, denn der Prüfstrahlengang kann beliebig asphärisch sein, sowohl vor als auch hinter der zu prüfenden Baugruppe. Dies bedeutet, daß der Prüfling kein abbildendes System zu sein braucht bzw. der Prüfstrahlengang muß nicht homozentrisch sein.

Durch die zweite, hinter der optischen Baugruppe angeordnete Prüfkomponente wird nun erreicht, daß die austretende Welle in sich zurückläuft. Da nun die Fehler der refraktiven ersten Prüfkomponenten in der nullten Beugungsordnung des DOE1 durch eine Kalibrierung beseitigt worden sind und man neben denen des DOE1 auch die Fehler der zweiten Prüfkomponente, z. B. einem DOE2, sehr gering halten kann, bedeutet dies, daß Wellenaberra­ tionen, die man dann im Interferometer mißt, nahezu ausschließ­ lich von der zu prüfenden optischen Baugruppe stammen. Die Feh­ ler von DOE1 und DOE2 können durch die Verwendung genauer Schreiber für Mikrostrukturen klein gehalten werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Systems in Kalibrieranordnung; und

Fig. 2 das erfindungsgemäße System nach der Kalibrierung mit einer zu prüfenden optischen Baugruppe.

Das Prüfsystem besteht aus einem vorderen Teilsystem bzw. er­ sten Prüfkomponenten 1 mit refraktiven Elementen, welche drei Linsen 1a, 1b und 1c aufweisen. Zusätzlich ist noch ein erstes diffraktives optisches Strahlformungselement DOE1 in den ersten Prüfkomponenten integriert, welches in Strahlrichtung hinter den drei Linsen 1a, 1b und 1c liegt.

Ein vorgeschalteter Kollimator 2 macht aus dem, von einem In­ terferometer mit Referenzfläche 3, ausgesandten Strahlenbündel Parallelstrahlen. Die refraktiven Komponenten, nämlich die drei Linsen 1a, 1b, 1c, sind so ausgelegt, daß sie wenigstens annä­ herungsweise eine Kugelwelle liefern, wobei das DOE1 als weite­ res optisches Element in der nullten Beugungsordnung ohne Wir­ kung bleibt.

Restfehler der refraktiven Komponenten und Fehler der Referenz­ fläche lassen sich durch eine Kalibrierung mit einem zuvor mit bekannten Standardmethoden absolut vermessenen Kugelspiegel 4 bestimmen (siehe Fig. 1).

Das DOE1 ist so ausgelegt, daß es in der ersten Beugungsordnung (bzw. allgemein in einer von Null verschiedenen Beugungsord­ nung) eine asphärische Wellenfront für eine in der Fig. 2 dar­ gestellte optische Baugruppe 5 erzeugt. Die dargestellte opti­ sche Baugruppe besteht aus zwei Linsen 5a und 5b. Wenn das DOE1 ausreichend genau geschrieben ist, so wird die entstehende as­ phärische Welle sehr präzise bekannt sein. Alle Fehler der re­ fraktiven Komponenten der ersten Prüfkomponenten 1 sind durch die durchgeführte Kalibrierung erkannt worden, insbesondere auch solche, die durch inhomogene Temperaturverteilungen ent­ standen sind. Dies bedeutet, daß bei der Prüfmessung auftreten­ de Fehler der optischen Baugruppe 5 präzise zugeordnet werden können.

Wenn das DOE1 als Phasen-DOE ausgeführt ist, so könnten räumli­ che Furchentiefen- oder Tastverhältnisschwankungen zu Restaber­ rationen in der nullten Beugungsordnung führen. Diese können jedoch im Durchtritt zuvor auf einem Standard-Planflächen- Prüfplatz absolut vermessen und damit aus dem Meßergebnis der zu prüfenden optischen Baugruppe eliminiert werden.

Ein Standard-Planflächenprüfplatz weist ein Interferometer mit Planwellenausgang und einen Planspiegel auf mit einem dazwi­ schen liegenden Substrat. Bei diesem Meßverfahren soll geprüft werden, ob in der nullten Beugungsordnung eines DOE's irgend­ welche Aberrationen auftreten. Hierzu erfolgen zwei Messungen, nämlich einmal mit dem Substrat ohne darauf aufgebrachtem DOE und eine zweite Messung mit einem auf das Substrat angeordneten DOE, welches somit z. B. dem DOE1 von Fig. 1 oder Fig. 2 ent­ spricht. Die Differenz beider Meßergebnisse ergibt in Absolut­ messung die Aberrationen. Dabei wird das Interferometer vor je­ der Messung kalibriert, wenn beide Messungen zeitlich weit aus­ einander liegen. Da bei dieser DOE-Ausführungsform die nullte Beugungsordnung eine relativ geringe Intensität aufweist, kann es von Vorteil sein, den Kalibrierspiegel zur Erhöhung seiner Reflektivität zu verspiegeln.

Die Verwendung eines Phasen-DOE's hat den weiteren Vorteil, daß es einen höheren Beugungwirkungsgrad bringt.

Nach der Kalibrierung wird die zu prüfende optische Baugruppe 5 zwischen die ersten Prüfkomponenten 1 und einem zweiten dif­ fraktiven optischen Strahlformungselement DOE2, das an die Stelle des Kugelspiegels 4 in den Strahlengang gesetzt wird, eingebracht (siehe Fig. 2). Das DOE2 bildet damit ein opti­ sches Bauteil, das die auftreffenden Strahlen in sich selbst zurück reflektiert. Bei der zu prüfenden Baugruppe 5 kann z. B. eine der Flächen als Asphäre ausgebildet sein. Im Unterschied zu dem Kugelspiegel 4 müssen bei dem DOE2 die Strahlen nicht unbedingt senkrecht auftreffen. Aufgrund der Wirkung des DOE2 laufen trotzdem die Strahlen in sich zurück, da die Strahlum­ kehr nicht durch Reflexion sondern durch Beugung erfolgt. Das DOE2 ist dabei so ausgelegt, daß der für die Prüfung der opti­ schen Baugruppe 5 notwendige asphärische Strahlengang hinter der Baugruppe dargestellt wird.

Das DOE2 ist auf einer Planfläche dargestellt. Selbstverständ­ lich ist es jedoch auch möglich, es auf nicht-planen, z. B. sphärischen oder asphärischen Flächen aufzubringen.

In vorteilhafter Weise wird man für die DOEs, insbesondere für das DOE2 Quarzglas, Zerodur oder ein ähnliches Substratmaterial verwenden, um temperaturbedingte Verformungen des DOE-Trägers zu vermeiden.

In vorteilhafter Weise wird man das DOE2 als Amplitude-DOE, z. B. in Form einer Chrommaske, ausführen. Ein Amplituden-DOE ist einfach herzustellen. Eine Ausführung als Chrommaske ist zum einen günstig, weil sie sich leichter herstellen läßt als ein Phasen-DOE und zum anderen, weil ihr Beugungswirkungsgrad bei Reflexion in der ersten Beugungsordnung bei vorteilhaften 10% liegt.

Wenn der Gebrauchsstrahlengang hinter der zu prüfenden opti­ schen Baugruppe 5 nur schwach asphärisch ist, kann man gegebe­ nenfalls auf das DOE2 verzichten und statt dessen zur Vereinfa­ chung einen Plan- oder Kugelspiegel einsetzen. In diesem Fall wird der Prüfstrahlengang dem Gebrauchsstrahlengang ausreichend nahekommen.

Gemäß Fig. 2 wird eine zweikomponentige Baugruppe 5 mit den beiden Linsen 5a und 5b geprüft. Selbstverständlich ist jedoch auch die Prüfung einer Einzellinse oder auch von mehreren Lin­ sen möglich. Ebenso kann die Baugruppe auch reflektierende Kom­ ponenten (Spiegel) enthalten. Im Falle der Prüfung einer Ein­ zellinse kann das DOE2 vereinfachend durch einen zuvor absolut vermessenen Kugelspiegel ersetzt werden.

Beide DOEs können als in-line oder auch als off-axis DOE ausge­ bildet sein.

Da die beugende Wirkung beider DOEs stark von der Lichtwellen­ länge abhängt, ist es sinnvoll, einen frequenzstabilisierten Laser 3 zu verwenden. Auch kann es vorteilhaft sein, den aktu­ ellen Luftbrechungsindex zu messen, z. B. durch Verfolgung von Luftdruck und -temperatur, um die aktuelle Lichtwellenlänge möglichst genau zu kennen.

Ist die letzte Fläche der zu prüfenden Baugruppe 5 als Spiegel ausgeführt, so erübrigt sich die zweite Prüfkomponente, weil dann die Baugruppe 5 schon ohne diese zweite Prüfkomponente im doppelten Durchtritt geprüft werden kann. Die Strahlen des Prüfstrahlengangs stehen dann senktrecht auf der letzten, re­ flektierenden Fläche der Baugruppe 5. Diese Bedingung legt den Prüfstrahlengang in diesem Fall fest. In der Praxis wird dies in vielen Fällen akzeptabel sein, da der Betriebsstrahlengang bei einem Spiegel als letzter Fläche meist nur wenig geneigt zur optischen Achse verlaufen und damit dem oben erwähnten Prüfstrahlengang nahekommen wird.

Claims (12)

1. System zur interferometrischen Messung von optisch wirksa­ men Fehlern von optischen Baugruppen, insbesondere von Bau­ gruppen in der Halbleiter-Lithographie, mit ersten Prüfkom­ ponenten (1) die vor der zu prüfenden Baugruppe (5) ange­ ordnet sind und die strahlausgangsseitig mit einem ersten diffraktiven optischen Strahlformungselement (DOE1) verse­ hen sind, und mit wenigstens einer zweiten Prüfkomponente (DOE2), die hinter der zu prüfenden Baugruppe (5) angeord­ net ist, wobei die ersten Prüfkomponenten (1) in der null­ ten Beugungsordnung wenigstens annähernd eine Kugelwelle und in einer von der nullten Beugungsordnung abweichenden Ordnung eine wenigstens annähernd asphärische Welle erzeu­ gen für das diffraktive optische Strahlformungselement (DOE1), und wobei die zweite Prüfkomponente ein optisches Element (DOE2) aufweist, das die auftreffenden Strahlen in sich selbst zurückreflektiert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ sten Prüfkomponenten (1) refraktive Elemente (1a, 1b, 1c) zur Erzeugung einer Kugelwelle für das erste diffraktive opti­ sche Strahlformungselement (DOE1), das als letztes opti­ sches Element vor der zu prüfenden Baugruppe (5) angeordnet ist, aufweisen.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Prüfkomponente einen Plan- oder Kugelspiegel aufweist.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Prüfkomponente ein diffraktives optisches Strahlformungselement (DOE2) aufweist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite diffraktive optische Strahlformungselement (DOE2) ein Amplituden-DOE ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplituden-DOE auf Quarzglas oder einem anderen Material mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufge­ bracht ist.

7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die re­ fraktiven Teile der ersten Prüfkomponenten (1) aplanatisch ausgeführt sind.

8. System zur interferometrischen Messung von optisch wirksa­ men Fehlern von optischen Baugruppen, deren letzte Fläche mit einem optischen reflektierenden Element versehen ist und die im doppelten Durchtritt geprüft werden, mit Prüf­ komponenten (1), die strahlausgangsseitig mit einem ersten diffraktiven optischen Strahlformungselement (DOE1) verse­ hen sind, wobei die Prüfkomponenten (1) in der nullten Beu­ gungsordnung des DOE1 wenigstens annähernd eine Kugelwelle und in einer von der nullten Beugungsordnung abweichenden Ordnung des DOE1 eine wenigstens annähernd asphärische Wel­ le erzeugen, und wobei die letzte reflektierende Fläche der Baugruppe (5) die auftreffenden Strahlen in sich selbst zu­ rückreflektiert.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ sten Prüfkomponenten (1) refraktive Elemente (1a, 1b, 1c) zur Erzeugung einer Kugelwelle für das erste diffraktive opti­ sche Strahlformungselement (DOE1), das als letztes opti­ sches Element vor der zu prüfenden Baugruppe (5) angeordnet ist, aufweisen.

10. System nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste diffraktive optische Strahlformungselement (DOE1) ein Phasen-DOE ist.

11. System nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlbildung ein frequenzstabilisierter Laser (3) ver­ wendet wird, wobei der aktuelle Luftbrechungsindex zur verbesserten Kenntnis der Wellenlänge in Luft gemessen wird.

12. System nach Anspruch 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehler der refraktiven Elemente (1a, 1b, 1c) durch eine Kalibrierung mit einem absolut vermessenen Kugelspiegel (4) bestimmt und aus dem Meßergebnis eliminiert werden.