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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit einem optischen Element,
welches in einem Strahlengang einer ersten Lichtquelle angeordnet
ist, und mit einem optischen Sensorelement, welches außerhalb
des Strahlengangs angeordnet ist, und das zur Detektion von Licht
dient, das von einer zweiten, außerhalb des Strahlengangs
angeordneten Lichtquelle ausgesandt und von einem Punkt einer Oberfläche
des optischen Elements reflektiert wird, sowie eine Projektionsbelichtungsanlage
mit mindestens einer solchen optischen Anordnung und ein Verfahren
zum Bestimmen der Dicke einer Kontaminationsschicht.
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Unter
dem Begriff „Licht" wird im Sinne dieser Anmeldung jede
Art von elektromagnetischer Strahlung verstanden, d. h. insbesondere
auch Strahlung außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs,
z. B. Strahlung im extremen Ultraviolettbereich bei Wellenlängen
von ca. 13,5 nm.
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In
der
US 7,084,982 ist
eine optische Anordnung der oben genannten Art beschrieben, bei
der das optische Element in einem Strahlengang einer EUV(extremen
Ultraviolett)-Lichtquelle angeordnet ist. Die optische Anordnung
dient zur Bestimmung einer optischen Charakteristik des optischen
Elements, insbesondere von dessen Reflektivität, durch
Verarbeitung des Ausgangssignals des optischen Sensorelements. Die
dort beschriebene optische Anordnung ermöglicht eine Messung
einer optischen Charakteristik des optischen Elements in-situ, d.
h. im eingebauten Zustand z. B. in einer Projektionsbelichtungsanlage.
Weiterhin ist die Messung auch online möglich, d. h. während
des Betriebs des optischen Elements, da durch die Anordnung des
Sensors und der zweiten Lichtquelle außerhalb des Strahlengangs keine
Störung des Betriebs hervorgerufen wird.
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Die
US 7,084,982 beschreibt
als Alternative zur obigen optischen Anordnung eine Vorrichtung, bei
der die optische Charakteristik des optischen Elements mittels eines
auf dem Oszillatorprinzip basierenden Schichtdickensensors, der
außerhalb des Strahlengangs angeordnet ist, ermittelt wird.
Im dortigen Anwendungsfall ist eine Bestimmung der Schichtdicke
einer Kontaminationsschicht auf dem optischen Element deshalb auch
mit einem außerhalb des Strahlengangs angeordneten Schichtdickensensor
möglich, weil die kontaminierenden, von einer Plasmalichtquelle
ausgesandten Stoffe nicht auf den Strahlengang begrenzt sind, sondern
sich uniform verteilen. Die optische Charakteristik (Reflektivität)
des optischen Elements wird dort nachfolgend in Abhängigkeit
von der Schichtdicke bestimmt.
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In
Projektionsbelichtungsanlagen können sich auf optischen
Elementen aber auch Kontaminationen ausbilden, welche nur durch
die verwendete Belichtungsstrahlung entstehen und somit auf den Bereich
des Strahlengangs beschränkt sind. Dies ist beispielsweise
während des Betriebs von EUV-Projektionsbelichtungsanlagen
der Fall, bei dem sich im Hochvakuum der Vakuumkammer verbliebene
Kohlenwasserstoffe auf den Oberflächen der optischen Elemente
ablagern. Die EUV-Strahlung, die auf diese Oberflächen
auftrifft, bricht dabei die Kohlenwasserstoffe auf und erzeugt eine
Kontaminationsschicht aus Kohlenstoff auf den bestrahlten Flächen.
Im Extremfall kann die Kontamination mit dem bloßen Auge
als ein bräunlicher Schatten in den bestrahlten Bereichen
wahrgenommen werden. In diesen Fällen ist die EUV-Reflektivität
der optischen Elemente so stark vermindert, dass gelegentlich nur
noch 50% der ursprünglichen Reflektivität vorhanden
ist. Aber auch in Fällen, in denen die Kontaminationen
nicht mit dem bloßen Auge sichtbar sind, kann eine Kontaminationsschicht
von mehreren Nanometern Dicke auf dem optischen Element vorhanden
sein, was einen Reflexionsverlust von mehreren Prozent bedeuten
kann.
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Der
aus der
US 7,084,982 bekannte
Schichtdickensensor kann zur Bestimmung der Schichtdicke bei derartigen
Kontaminationen nicht verwendet werden, da er hierzu in den Strahlengang
eingebracht werden müsste, was eine Störung des
Belichtungsbetriebs zur Folge hätte.
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Die
Schichtdicke einer solchen Kontaminationsschicht kann aber auch
auf andere Weise bestimmt werden, und zwar indem bei unter normalem Einfall
betriebenen Spiegeln, welche zur Reflexionssteigerung mit Mehrfachschichtsystemen
versehen sind, der von der Dicke einer Kontaminationsschicht abhängige
Photostrom gemessen wird, wie z. B. in der
US 7,060,993 B2 beschrieben
ist. Die Auswertung der Intensität des Photostroms ermöglicht
dort die Online-Regelung der Zusammensetzung der Restgasatmosphäre,
in der das optische Element angeordnet ist. Hierbei muss der Photostrom über
eine vorgegebene Zeitdauer gemittelt werden, um durch die dort verwendete,
gepulste EUV-Lichtquelle entstehende Schwankungen auszugleichen.
Die Mittelung erfolgt durch Bildung eines Integrals über
den Photostrom, wodurch zur Auswertung nur ein integrierter Wert
zur Verfügung steht. Weiterhin muss der gemessene Photostrom
auf die Intensität jedes einzelnen Laserpulses normiert
werden, um das Schrotrauschen der EUV-Pulse zu unterdrücken.
Schließlich zeigt auch das gemessene Signal nicht nur die periodische
Veränderung durch die wachsende Kohlenstoff-Schicht des
zu untersuchenden optischen Elementes selbst, sondern auch einen
kontinuierlichen Abfall durch die abnehmende Reflektivität
der im Strahlengang vorausgehenden Spiegeloberflächen.
Alle diese Probleme tragen dazu bei, dass die Interpretation des
Photostroms sich schwierig gestaltet, sodass die Messung für
eine präzise Bestimmung der Schichtdicke von Kontaminationsschichten
zu ungenau ist.
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Um
die Genauigkeit im Verglich zur integralen Photostrommessung zu
erhöhen, ist es z. B. aus der
WO2005/091076 A2 bekannt,
den wellenlängenabhängigen Photostrom zusammen
mit der Reflektivität zur Messung der relativen Dicke der
Kontaminationsschicht mit einer Präzision im Sub-Nanometerbereich
zu verwenden, wobei die Messung nicht während des Belichtungsbetriebs
erfolgt. Die gemessene Photostrom-Kurve in Abhängigkeit
von der Wellenlänge (PC(λ)) hängt nicht
monoton von der Dicke der Kontaminationen ab. Vielmehr ist die PC(λ)-Kurve von
zwei unterschiedlich dicken Kontaminationsschichten nahezu identisch,
wenn die Differenz der Dicken zwischen den zwei Kontaminationsschichten ein
ganzzahliges Vielfaches von 7 nm beträgt. Derzeit wird
versucht, obige Technik auch für die online-Überwachung
der Dicke von Kontaminationsschichten während des Belichtungsbetriebs
von EUV-Lithographieanlagen einzusetzen; jedoch existiert zur Zeit
noch keine Einrichtung, mit der Messungen bei unterschiedlichen
Wellenlängen im Betrieb der Anlage durchgeführt
werden könnten.
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Aus
der
US 7,172,788 B2 ist
es bekannt, die Photostromkurve als Designvorgabe eines Mehrfachschichtsystems
auf einem optischen Element zu verwenden, wobei das Design derart
gewählt wird, dass ein Knoten der sich im Mehrfachschichtsystem ausbildenden
stehenden Welle an der Grenzfläche zwischen dem Mehrfachsichtsystem
und der Umgebung positioniert wird. Hierdurch soll die Kontaminationsrate
reduziert werden, da in diesem Fall der die Anlagerung von Kontaminationen
begünstigende Photostrom besonders gering ist. Allerdings
kann die Anlagerung von Kontaminationen hierdurch nicht vollständig
unterdrückt werden, sodass sich dennoch eine Kontaminationsschicht
aufbaut, deren Aufbaugeschwindigkeit mit zunehmender Dicke ansteigt.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine optische Anordnung bereitzustellen, welche
eine online-Messung der Dicke einer Kontaminationsschicht auf einem
optischen Element erlaubt, eine Projektionsbelichtungsanlage mit
mindestens einer solchen Anordnung auszustatten, sowie ein Verfahren
zur Messung der Dicke einer Kontaminationsschicht auf einer optischen
Oberfläche anzugeben.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung der eingangs
genannten Art, welche zusätzlich eine Verarbeitungseinrichtung
aufweist, welche die Dicke einer Kontaminationsschicht auf dem optischen
Element durch Verarbeitung eines Ausgangssignals des Sensorelements
bestimmt.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass die in der
US 7,084,982 beschriebene
optische Anordnung zur Messung der Reflektivität der optischen
Oberfläche auch zur Messung der Dicke der Kontaminationsschicht
verwendet werden kann, wodurch auf den dort ebenfalls beschriebenen
Schichtdickensensor verzichtet werden kann. In der Verarbeitungsvorrichtung
kann hierbei zunächst aus dem Ausgangssignal des Sensors
die Reflektivität des optischen Elements berechnet werden
und durch eine in der Verarbeitungsvorrichtung hinterlegte, bekannte
Abhängigkeit zwischen Reflektivität und Schichtdicke
letztere bestimmt werden. Diese Abhängigkeit kann anhand
von Versuchen oder durch Simulationen erhalten werden.
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Bevorzugt
ist die zweite Lichtquelle zum gerichteten Aussenden von Licht (Messlicht)
an den Punkt ausgelegt. In diesem Fall kann mit der optischen Anordnung
die Dicke der Kontaminationsschicht nur in dem Punkt vermessen werden,
in dem das Messlicht der zweiten Lichtquelle (Messlichtquelle) auf
die Oberfläche des optischen Elements auftrifft. Dies ist
für eine Bestimmung der Schichtdicke auf der gesamten Oberfläche
gegebenenfalls ausreichend, wenn in erster Näherung von
einer homogenen Dicke der Kontaminationsschicht auf dem optischen
Element ausgegangen wird. Es ist aber auch möglich, an
verschiedenen Punkten der Oberfläche die Dicke der Kontaminationsschicht
zu messen, um ein genaueres Bild von der Verteilung der Kontaminationen über
die Oberfläche zu gewinnen.
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Hierzu
ist in einer vorteilhaften Ausführungsform mindestens ein
weiteres optisches Sensorelement vorgesehen, das zur Detektion von
Licht dient, das an mindestens einem weiteren Punkt von der Oberfläche
des optischen Elements reflektiert wird. Das zweite Sensorelement
kann vom ersten Sensorelement unabhängig sein oder beide
Sensorelemente können Teile (z. B. einzelne Pixel oder
Pixelgruppen) eines gemeinsamen, ortsauflösenden Sensors wie
z. B. eines CCD-Arrays sein. Das an mindestens einem zweiten Punkt
reflektierte Licht kann von der zweiten Lichtquelle geliefert werden,
wenn diese mit einem Bewegungsmechanismus ausgestattet und z. B.
drehbar gelagert ist, sodass der Punkt, an dem das von der Lichtquelle
ausgesandte Licht die Oberfläche trifft, variiert werden
kann. In diesem Fall kann die Dicke der Kontaminationen auf der
Oberfläche an einer Vielzahl von Punkten ermittelt werden.
Um einen möglichst senkrechten Lichteinfall auf die Sensorelemente zu
gewährleisten, können diese ggf. mit einer oder
mehreren Bewegungseinheiten verbunden sein, um beispielsweise durch
eine geeignete Drehung eine senkrechte Ausrichtung bezüglich
des reflektierten Lichts zu erreichen. Das Messlicht, welches an
mehreren Punkten von der Oberfläche des optischen Elements
reflektiert wird, kann hierbei von derselben Messlichtquelle erzeugt
werden, z. B. wenn die Messlichtquelle das Messlicht in einen geeignet
gewählten Raumwinkelbereich abstrahlt. Bevorzugt wird das
Messlicht aber an jeden einzelnen der Punkte gerichtet ausgesandt,
so dass gewährleistet werden kann, dass das Messlicht in
jedem Punkt unter einem individuell einstellbaren, bevorzugt identischen
Einfallswinkel auftrifft.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform
sind mindestens eine weitere Lichtquelle außerhalb des
Strahlengangs und/oder mindestens eine Strahlteilereinrichtung für
das Licht der zweiten und/oder der mindestens einen weiteren Lichtquelle
vorgesehen, um Licht an den mindestens einen weiteren Punkt der
Oberfläche des optischen Elements auszusenden. Dieses Vorgehen
ist ebenfalls günstig, um die Dicke der Kontaminationsschicht an
zwei oder mehr Punkten gleichzeitig zu messen. Das Vorsehen eines
Strahlteilers hat hierbei den Vorteil, dass das Licht einer einzelnen
Lichtquelle an mehrere Punkte der Oberfläche insbesondere
gerichtet ausgesandt werden kann. Bei der Detektion des von einer
Vielzahl von Punkten der Oberfläche ausgesandten Lichts
kann hierbei ein Mapping, d. h. eine zwei- oder dreidimensionale
Karte der Kontaminationen auf der Oberfläche erstellt werden.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung die nach der Detektion erfolgende
Auswertung anhand des von einem einzigen Punkt der Oberfläche
reflektierten Lichts beschrieben, da die Auswertung des von weiteren Punkten
der Oberfläche reflektierten Lichts analog erfolgt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform liefert das optische
Sensorelement ein von der Intensität des Lichts der zweiten
Lichtquelle abhängiges Ausgangssignal. Das optische Sensorelement
kann hierbei eine Photodiode sein, die eine zum einfallenden Photostrom
proportionale Ausgangsspannung liefert. Solange sich die Ausgangsleistung
der zweiten Lichtquelle, z. B. eines Diodenlasers, und die Sensitivität
der Photodiode nicht verändert, ist eine Änderung
des Ausgangssignals allein auf die Veränderung der Dicke
der Kontaminationsschicht zurückzuführen. Eine
Kontamination des Diodenlasers und der Photodiode und eine damit
einhergehende Verfälschung der Messung ist hierbei nahezu
ausgeschlossen, weil die Kohlenstoff-Kontaminationen durch die EUV-Strahlung
erzeugt werden und sowohl der Diodenlaser als auch die Photodiode
außerhalb des Strahlenganges angeordnet sind.
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Bei
eine weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist/sind der
Einfallswinkel des Lichts der zweiten Lichtquelle auf das optische
Element und/oder die Wellenlänge des Lichts der zweiten
Lichtquelle jeweils in Abhängigkeit von kontaminierenden
Material auf der der Oberfläche derart gewählt,
dass zwischen einer ersten Dicke und einer zweiten Dicke der Kontaminationsschicht
eine Änderung des Ausgangssignals des optischen Sensors
maximiert ist. Es versteht sich, dass der Einfallswinkel des von
der zweiten Lichtquelle ausgesandten Lichts dem Ausfallswinkel des
vom optischen Element auf das Sensorelement reflektierten Lichts
entspricht.
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Unter
einer maximierten Änderung des Ausgangssignals wird im
Sinne dieser Anmeldung verstanden, dass durch keine andere Wahl
der Wellenlänge oder des Einfallswinkels innerhalb der
für diese Parameter möglichen Werte eine größere Änderung des
Ausgangssignals erzielt werden kann. Die für den Einfallswinkel
möglichen Werte liegen aus geometrischen Gründen
in der Regel zwischen 15° und 75°, da das Sensorelement
weder im Strahlengang positioniert werden darf, noch – aufgrund
der in der Regel konvex gekrümmten Oberfläche
der Spiegel – unter zu starkem streifenden Einfall betrieben
werden kann. Gegebenenfalls ist die Wahl des Einfallswinkels aufgrund
des zu geringen zur Verfügung stehenden Bauraums auf kleinere
Intervalle eingeschränkt. Da für die Lichtquelle
in der Regel Diodenlaser eingesetzt werden, sind die möglichen
Werte für die Wellenlängen auf den sichtbaren
und nahen UV-Wellenlängenbereich begrenzt. Innerhalb dieser möglichen
Grenzen wird der Einfallswinkel und/oder die Wellenlänge
derart eingestellt, dass sich zwischen der ersten Dicke und der
zweiten Dicke eine maximale Änderung, d. h. eine (als Absolutwert)
maximale Steigung des Ausgangssignals (z. B. der Intensität
bzw. Reflektivität) für das Licht der zweiten Lichtquelle
in Abhängigkeit von der Schichtdicke der Kontaminationsschicht
ergibt, wobei auch die Abhängigkeit des Ausgangssignals
vom Typ des kontaminierenden Materials (z. B. Kohlenstoff) berücksichtigt wird.
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Zur
Bestimmung der Dicke der Kontaminationsschicht ist es somit ausreichend,
die Reflektivität des optischen Elements bei der gewünschten
Wellenlänge im sichtbaren bzw. nahen UV-Spektralbereich
und dem gewünschten Einfallswinkel in Abhängigkeit
von der Schichtdicke zu messen oder zu berechnen. Ist die Dicke
der Kontaminationsschicht bekannt, so kann über eine ggf.
noch durch Messung oder Berechnung zu ermittelnde Beziehung zwischen
der momentanen Dicke der Kontaminationsschicht und der Reflektivität
des optischen Elements für EUV-Strahlung auch letztere
bestimmt werden.
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Bei
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform liegt die erste
Dicke zwischen 0 nm und 5 nm, bevorzugt bei 0 nm, und die zweite
Dicke zwischen 10 nm und 40 nm, bevorzugt zwischen 5 nm und 10 nm.
Insbesondere ein Dickenbereich zwischen 0 nm und 5 nm entspricht
den typischen Schichtdicken von Kontaminationsschichten auf optischen
Elementen in EUV-Anwendungen, da bei größeren
Schichtdicken in der Regel aufgrund des hohen Verlusts an Reflektivität
ohnehin ein Austausch oder eine Reinigung des optischen Elements
stattfinden muss. Sollte Bedarf bestehen, auch größere
Schichtdicken zu messen, kann es ggf. notwendig sein, insbesondere
den Einfallswinkel abweichend vom optimalen Wert zu wählen,
da hierdurch das Minimum der Reflektivität zu größeren
Dicken verschoben werden kann.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt der
Einfallswinkel des Lichts der zweiten Lichtquelle an dem Punkt der
Oberfläche des optischen Elements zwischen 15° und
75°, bevorzugt zwischen 15° und 50°,
besonders bevorzugt zwischen 15° und 40°. Wie
oben ausgeführt, gibt es geometrische Beschränkungen
für die Wahl des Einfallswinkels. Die Änderung
der Reflektivität nimmt hierbei mit kleineren Winkeln zu.
Der Erfinder hat erkannt, dass sich bei Einfallswinkeln von unter
40° die Reflektivität in Abhängigkeit
von der Dicke der Kontaminationsschicht nicht mehr merklich ändert,
sodass in einem Bereich zwischen 15° und 40° eine
maximale Änderung der Reflexion im oberflächennahen
Dickenbereich zwischen 0 nm und ca. 40 nm erzielt werden kann. Diese
Eigenschaft ist auch im Wesentlichen unabhängig von der
verwendeten Wellenlänge.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Wellenlänge
des Lichts der zweiten Lichtquelle in einem Spektralbereich zwischen
250 nm und 750 nm, bevorzugt zwischen 350 nm und 640 nm, besonders
bevorzugt zwischen 350 nm und 420 nm. Im sichtbaren Wellenlängenbereich
können als Lichtquelle Laserdioden verwendet werden, welche
z. B. bei 405 nm (blau), 523 nm (grün) oder 633 nm (rot) erhältlich
sind. Für eine Maximierung der Änderung der Reflexion
ist hierbei kurzwelliges Licht bevorzugt, d. h. die Verwendung einer
blauen Laserdiode. Laserdioden sind als zweite Lichtquellen vorteilhaft, weil
sie gerichtete Strahlung erzeugen und einfach handhabbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist das optische Element
im Strahlengang einer EUV-Lichtquelle als erster Lichtquelle angeordnet, was
z. B. bei einem in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage angeordneten,
reflektiven optischen Element der Fall ist. Es versteht sich, dass
sich die Erfindung auch mit ersten Lichtquellen, die bei anderen
Wellenlängen als im EUV-Bereich arbeiten, sinnvoll anwenden
lässt, beispielsweise bei Lichtquellen im UV-Bereich, wie
sie für die Lithographie bei größeren
Wellenlängen, z. B. bei 193 nm, zum Einsatz kommen.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform transmittiert das optische
Element das Licht der ersten Lichtquelle. Neben der Bestimmung der
Dicke einer Kontaminationsschicht auf einem reflektiven Element
ist es auch möglich, die Dicke einer Kontaminationsschicht
auf einem transmissiven optischen Element zu bestimmen. In diesem
Fall kann bspw. durch die Wahl von besonders großen Einfallswinkeln
(über 60°) erreicht werden, dass ein ausreichender
Teil der Strahlung der zweiten Lichtquelle von der Oberfläche reflektiert
wird. Die Lichtausbeute kann hierbei auch durch geeignete Wahl der
Wellenlänge der zweiten Lichtquelle weiter gesteigert werden.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn auf der Oberfläche
des transmissiven optischen Elements eine Antireflexbeschichtung
aufgebracht ist, da diese die Reflexionen zwar bei der Wellenlänge
der ersten Lichtquelle reduziert, aber zu einem stark fluktuierenden
Verlauf der Reflektivität in Abhängigkeit von
der Wellenlänge führt. Durch die Wahl der Wellenlänge
der Strahlung der zweiten Lichtquelle bei einem Maximum der Reflektivität
der Antireflexschicht kann daher ein erheblicher Teil des von der
zweiten Lichtquelle gerichtet an einen Punkt der Oberfläche
ausgesandten Lichts reflektiert und vom Sensorelement detektiert
werden.
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Die
Erfindung ist auch verwirklicht in einer Projektionsbelichtungsanlage
für die Mikrolithographie mit mindestens einer optischen
Anordnung wie oben beschrieben. Die optischen Elemente der optischen
Anordnungen sind hierbei alle im Strahlengang einer gemeinsamen
Lichtquelle angeordnet. Hierbei ist in der Regel für jedes
zu vermessende optische Element mindestens ein eigenes Sensorelement
vorgesehen. Die Verarbeitung kann für die Ausgangssignale
aller Sensorelemente in einer gemeinsamen Verarbeitungsvorrichtung
erfolgen. Auch muss nicht zwingend für jedes zu vermessende
optische Element eine eigene zweite Lichtquelle vorhanden sein,
da durch Strahlteiler und geeignete Strahlführung ggf.
eine einzige zweite Lichtquelle zur Erzeugung von Messlicht in der
Projektionsbelichtungsanlage ausreichen kann.
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Die
Erfindung ist weiterhin verwirklicht in einem Verfahren zum Bestimmen
der Dicke einer Kontaminationsschicht an einem Punkt einer Oberfläche eines
in einem im Strahlengang einer ersten Lichtquelle angeordneten optischen
Elements, umfassend die Schritte: Detektieren des von einer zweiten, außerhalb
des Strahlengangs angeordneten Lichtquelle an den Punkt ausgesandten
und von dort reflektierten Lichts in einem außerhalb des
Strahlengangs angeordneten optischen Sensorelement, und Verarbeiten
eines Ausgangssignals des Sensorelements zur Bestimmung der Dicke
der Kontaminationsschicht auf dem optischen Element. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren kann auf einfache Weise eine online-Vermessung der Dicke
der Kontaminationsschicht auf dem optischen Element vorgenommen
werden.
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Bei
einer bevorzugten Variante wird/werden der Einfallswinkel des Lichts
der zweiten Lichtquelle an dem Punkt der Oberfläche des
optischen Elements und/oder die Wellenlänge des Lichts
der zweiten Lichtquelle jeweils in Abhängigkeit von kontaminierenden
Material auf der der Oberfläche derart gewählt,
dass zwischen einer ersten Dicke und einer zweiten Dicke der Kontaminationsschicht
eine Änderung des Ausgangssignals des optischen Sensorelements
maximiert wird. Hierdurch wird eine hohe Sensitivität der
Messapparatur für Änderungen der Schichtdicke
im relevanten Dickenbereich erreicht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der
Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen,
und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können
je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination
bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
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1a,
b schematische Darstellungen eines Teils einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen EUV-Projektionsbelichtungsanlage
mit einem (1a) bzw. mehreren Sensorelementen
(1b), und
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2a–c
eine schematische Darstellung der Reflektivität eines optischen
Elements in Abhängigkeit von der Schichtdicke einer Kontaminationsschicht
aus Kohlenstoff bei einer Wellenlänge von 400 nm (2a),
550 nm (2b) und 650 nm (2c)
und für mehrere Einfallswinkel.
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In 1a ist
schematisch ein Teil einer Projektionsbelichtungsanlage 10 für
die Mikrolithographie gezeigt, welche bei Wellenlängen
im EUV-Bereich, üblicherweise bei einer Wellenlänge
von ca. 13,5 nm betrieben wird. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 weist
eine Plasma-Lichtquelle 1 als primäre Lichtquelle
zur Erzeugung von EUV-Strahlung auf. Die Lichtquelle 1 ist
in einer (nicht gezeigten) Baugruppe mit einem EUV-Kollektorspiegel
zur Fokussierung der Beleuchtungsstrahlung integriert. Von der Lichtquelle
geht ein Strahlengang 2 aus, in dem die optischen Elemente
der Projektionsbelichtungsanlage 10 angeordnet sind, von
denen in 1a lediglich ein erstes optisches
Element 3 und ein zweites optisches Element 4 beispielhaft
dargestellt sind. Bei den optischen Elementen 3, 4 handelt
es sich um reflektive Elemente mit konvex gekrümmter Oberfläche,
die unter normalem Lichteinfall betrieben werden und mit einem reflexionsverstärkenden
Mehrfachschichtsystem versehen sind. Sie sind Teil eines nicht vollständig
dargestellten Beleuchtungssystems der Projektionsbelichtungsanlage 10 zur
Erzeugung eines möglichst homogenen Bildfeldes in einer
Objektebene. Dort ist eine Maske (Retikel) mit einer Struktur angeordnet, welche
in verkleinertem Maßstab auf ein Substrat abgebildet wird,
das zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen dient.
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Auf
einer Oberfläche 4b des optischen Elements 4 ist
eine Kontaminationsschicht 4a vorhanden, welche sich im
Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage 10 durch die EUV-Strahlung
der Lichtquelle 1 gebildet hat. Zur Messung der Dicke der Kontaminationsschicht 4a ist
ein Diodenlaser als zweite Lichtquelle 5 vorgesehen. Die
zweite Lichtquelle 5 dient zur Erzeugung von Messlicht 6 bei
einer Wellenlänge von ca. 400 nm, d. h. im blauen sichtbaren
Spektralbereich. Es versteht sich, dass auch Lichtquellen mit anderen
Wellenlängen sowie andere Typen von Lichtquellen als Diodenlaser
zum Einsatz kommen können. Die Verwendung von blauem Licht
hat sich für die Bestimmung der Schichtdicke als besonders
vorteilhaft erwiesen, wie unten näher ausgeführt
wird.
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Das
Licht 6 der zweiten Lichtquelle 5 trifft unter
einem Einfallswinkel α von 40° bezüglich
einer Flächennormalen 9 an einem Punkt P1 auf
die Oberfläche 4b des optischen Elements 4,
wird von dort reflektiert und trifft nachfolgend auf eine Photodiode
als optischem Sensorelement 7, welches als Ausgangssignal 7a ein
zur Intensität des reflektierten Lichts 6 proportionales
elektrisches Signal an eine Verarbeitungseinrichtung 8 liefert.
Die Intensität des Lichts 6 ist hierbei ein Maß für
die Dicke der Kontaminationsschicht 4a, da mit zunehmender
Dicke die Reflektivität des optischen Elements 4 abnimmt,
weil das reflexionsverstärkende Mehrfachschichtsystem,
welches auf dem Substrat des optischen Elements 4 aufgebracht
ist, durch die Kontaminationsschicht in seiner Leistungsfähigkeit
abnimmt.
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Die
Verarbeitungseinrichtung 8 berechnet aus dem Ausgangssignal 7a des
Sensors 7 zunächst die Reflektivität
des optischen Elements 4 auf Grundlage der bekannten, von
der zweiten Lichtquelle 5 ausgesandten Lichtintensität.
Aus der Reflektivität kann durch eine bekannte Abhängigkeit
von der Dicke der Kontaminationsschicht 4a, welche in einem
in der Verarbeitungsvorrichtung 8 vorhandenen (nicht gezeigten)
Speicher hinterlegt ist, die Dicke der Kontaminationsschicht 4a bestimmt
werden. Die Beziehung zwischen Reflektivität und Schichtdicke
ist für einen Schichtdickenbereich von 0 nm bis 40 nm eindeutig,
wie unten im Zusammenhang mit 2a–c erläutert
wird. Das optische Element 4, das Sensorelement 7 sowie
die Verarbeitungseinrichtung 8 bilden gemeinsam eine optische
Anordnung zur Bestimmung der Dicke der Kontaminationsschicht 4a am Punkt
P1. Um die Dicke der Kontaminationsschicht an weiteren Punkten der
Oberfläche 4b zu bestimmen, kann die zweite Lichtquelle 5 mit
einem Bewegungsmechanismus versehen und z. B. drehbar gelagert sein
oder linear verschoben werden, sodass der Punkt, an dem die Oberfläche 4b vom
Licht 6 getroffen wird, variabel ist. Zur Detektion des
von verschiedenen Punkten der Oberfläche reflektierten Lichts
kann hierbei an Stelle des Sensorelements 7 ein ortsauflösender,
flächiger Sensor verwendet werden, welcher gegebenenfalls
ebenfalls bewegt, beispielsweise gedreht werden kann, um einen möglichst
senkrechten Einfall des Lichts 6 zu gewährleisten.
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Alternativ
zum oben beschriebenen Vorgehen kann die Dicke der Kontaminationsschicht
an mehreren Punkten der Oberfläche auch wie in 1b gezeigt
ermittelt werden. Hierzu sind zusätzlich zu den in 1a gezeigten
Bauelementen ein Strahlteiler 11 sowie ein Umlenkspiegel 12 vorgesehen,
welche das Licht der zweiten Lichtquelle 5 in einen ersten
Lichtstrahl 6 und einen im Wesentlichen parallel dazu geführten
zweiten Lichtstrahl 6' aufspalten, die an voneinander beabstandeten
Punkten P1, P2 auf die Oberfläche 4b des optischen
Elements 4 auftreffen, von dort reflektiert werden und
auf zwei voneinander beabstandete Sensorelemente 7, 7' eines
Flächendetektors 13 auftreffen. Bei der in 1b gezeigten
optischen Projektionsbelichtungsanlage 10' kann im Gegensatz
zur in 1a gezeigten Projektionsbelichtungsanlage 10 eine
Schichtdickenmessung an zwei Punkten der Oberfläche 4b erfolgen,
ohne dass die Lichtquelle 5 hierzu bewegt werden muss.
Weiterhin wird durch die Parallelführung der beiden Lichtstrahlen 6, 6' gewährleistet,
dass diese unter demselben Einfallswinkel α auf die Oberfläche 4b auftreffen.
Dies ist günstig, da die Messgenauigkeit bei der Schichtdickenmessung
vom Einfallswinkel abhängt, der an beiden Punkten P1, P2 daher
optimal gewählt werden kann.
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Es
versteht sich, dass bei der gekrümmten Oberfläche 4b identische
Einfallswinkel an weiter voneinander entfernten Punkten als den
beiden in 1b gezeigten Punkten P1, P2
nicht durch eine Parallelführung der Lichtstrahlen 6, 6' erreicht
werden kann. Vielmehr muss die Strahlführung der Lichtstrahlen 6, 6' derart
angepasst werden, dass sich ein solcher identischer, optimaler Einfallswinkel
einstellt. Es versteht sich weiterhin, dass durch geeignete Modifikation
der in 1b gezeigten Anordnung 10' die Dicke
der Kontaminationsschicht 4a auch an mehr als zwei Punkten
bestimmt werden kann, sodass sich eine zweidimensionale Karte der
Kontaminationen auf der Oberfläche 4 erstellen
lässt. Auch können alternativ zur hier gezeigten
Erzeugung von zwei Lichtstrahlen 6, 6' mittels
einer zweiten Lichtquelle 5 zu diesem Zweck auch zwei unabhängige
Lichtquellen vorgesehen sein.
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Im
Folgenden wird anhand der 2a–c, welche
die Reflektivität R in Abhängigkeit von der Schichtdicke
d eines optischen Elements mit einer Kontaminationsschicht aus Kohlenstoff
bei drei verschiedenen Wellenlängen λ zeigen,
beschrieben, wie durch geeignete Wahl des Einfallswinkels α und
der Wellenlänge λ der zweiten Lichtquelle 5 die
Bestimmung der Sichtdicke d an einem Punkt P1 der Oberfläche 4b optimiert
werden kann, d. h. eine besonders genaue Schichtdickenmessung in
einem für die Praxis besonders relevanten Schichtdickenbereich zwischen
d1 = 0 nm und d2 = 35 nm (vgl. 2a) erreicht
werden kann. Hierzu muss die Abhängigkeit der Reflektivität
R von der Schichtdicke d in diesem Bereich eine (im Absolutwert)
besonders starke Änderung aufweisen, d. h. die Steigung
der Reflektivität R muss dort möglichst groß sein.
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Aus 2a erkennt
man, dass von den vier gezeigten Kurven a–d, welche einem
Einfallswinkel α von 20° bis 40° (Kurve
a), 50° (Kurve b), 60° (Kurve c) sowie 70° (Kurve
d) entsprechen, die Kurve a im gewünschten Bereich zwischen
d1 = 0 nm und d2 = 35 nm die größte Steigung aufweist.
Weiterhin erkennt man, dass unterhalb von α = 40° die
Reflektivität R praktisch nicht mehr vom Einfallswinkel
a abhängt, weshalb die zu α = 20°, 30° und
40° gehörigen Messergebnisse zur Kurve a zusammengefasst
sind. Dasselbe Ergebnis erhält man auch bei den zwei in 2b und 2c gezeigten
Schaubildern für Wellenlängen von λ =
550 nm und λ = 650 nm. Somit ist zur Erhöhung
der Genauigkeit der Schichtdickenmessung ein Einfallswinkel von α =
40° oder weniger besonders vorteilhaft. Lediglich wenn
die Schichtdicke auch bei größeren Dicken noch
eindeutig bestimmbar sein soll, ist es ggf. günstiger,
zu höheren Einfallswinkeln α überzugehen,
weil bei den Kurven c bis d das Minimum der Reflektivität
R für das Licht 6 weiter von der Oberfläche
des optischen Elements 4 entfernt ist, sodass eine eindeutige
Zuordnung auch bei noch größeren Dicken d gewährleistet
ist.
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Neben
der Wahl des Einfallswinkels α lässt sich auch
die Wellenlänge λ derart wählen, dass
eine besonders genaue Schichtdickenmessung ermöglicht wird.
Aus 2a–c ist erkennbar, dass die Steigung
der Reflektivität R in Abhängigkeit von der Dicke
d für alle vier Kurven a–d im relevanten Dickenbereich
umso größer wird, je geringer die Wellenlänge
gewählt wird. Optimal für die hier vorliegende
Anwendung sind somit die im Zusammenhang mit 1 angegebenen
Werte für den Einfallswinkel α von 40° (oder
weniger) und die Wellenlänge von ca. 400 nm. Die Empfindlichkeit
bei der Bestimmung der Dicke d der Kontaminationsschicht ist bei
Verwendung eines blauen Lasers als zweiter Lichtquelle 5 bei
einem Einfallswinkel α von 40° ungefähr
gleich groß wie bei einfallendem EUV-Licht, welches fast senkrecht
auf das optische Element 4 auftrifft.
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Im
Gegensatz zur hier verwendeten Wellenlänge des Messlichts
im sichtbaren Bereich würde ein Messlichtstrahl mit einer
Wellenlänge im EUV-Bereich eine Reflektivitätskurve
mit einer sinusförmigen Modulation bei einer Periodenlänge
von ca. 7 nm aufweisen, welche durch die stehende Welle in dem (nicht
gezeigten) Mehrfachschichtsystem auf dem optischen Element 4 ausgelöst
wird. Die Steigung für Wellenlängen im sichtbaren
Bereich nimmt bei der in 2a gezeigten
Kurve a von –1%/nm bei der Dicke d1 = 0 nm auf –2.5
%/nm bei einer Dicke d von 19 nm zu. Die Empfindlichkeit des Sensors 7 für Änderungen
der Intensität des vom optischen Element 4 reflektierten
Lichts der Lichtquelle 5 nimmt daher im blauen Wellenlängenbereich
mit zunehmender Dicke d der Kontaminationsschicht zu, wobei gleichzeitig die
Reflektivität des optischen Elements 4 mit zunehmender
Dicke d stärker abnimmt. Daher kann auf die oben beschriebene
Weise eine Dickenbestimmung mit optimierter Empfindlichkeit für
den praktisch relevanten Schichtdickenbereich erreicht werden.
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Es
versteht sich, dass auch weitere optische Elemente der Projektionsbelichtungsanlage 10,
z. B. das optische Element 3, durch Bereitstellen eines Sensors
und einer Verarbeitungseinrichtung zu weiteren optischen Anordnungen
ergänzt werden können, mit denen die Bestimmung
der Schichtdicke von Kontaminationsschichten möglich ist,
sodass insbesondere auch der Kontaminationszustand aller optischen
Elemente im Beleuchtungssystem und/oder im Projektionssystem der
Projektionsbelichtungsanlage überwacht werden kann. Hierbei
können wahlweise für jedes optische Element eine
eigene Verarbeitungseinrichtung und/oder eine zweite Lichtquelle vorgesehen
sein, oder es kann eine Verarbeitungseinrichtung zur Auswertung
der Ausgangssignale mehrerer Sensoren bzw. eine zweite Lichtquelle
zur Bereitstellung von Messlicht für mehrere optische Elemente
verwendet werden. In letzterem Fall wird das Messlicht von einer
Messlichtquelle durch geeignete Strahlteiler und Strahlführungseinheiten
zu den zu vermessenden optischen Elementen geführt.
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Bei Überschreiten
einer bestimmten Dicke der Kontaminationsschicht, z. B. bei 5 oder
10 nm, entsprechend einer Abnahme der Reflektivität von
z. B. 5 können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, beispielsweise
indem das optische Element gegen ein anderes ausgetauscht wird oder
indem Reinigungsprozesse zur Entfernung der Kontaminationsschicht
zum Einsatz kommen.
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Die
Erfindung ist auch nicht auf den Einsatz in Projektionsbelichtungsanlagen
für die Mikrolithographie beschränkt, sondern
kann auch in anderen optischen Systemen vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere
kann die Bestimmung der Dicke von Kontaminationsschichten auch an
transmissiven optischen Elementen auf die oben beschriebene Weise vorgenommen
werden. Ferner können an Stelle der Reflektivität
andere für die Dicke einer Kontaminationsschicht charakteristische
Größen verwendet werden. So ist es nicht ausgeschlossen,
das oben beschriebene Prinzip auch derart auf in Transmission betriebene
optische Elemente anzuwenden, dass die Transmission die Rolle der
Reflektivität übernimmt, da diese ebenfalls mit
zunehmender Dicke einer bzw. zweier auf gegenüberliegenden
Oberflächen des optischen Elements befindlichen Kontaminationsschichten
abnimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7084982 [0003, 0004, 0006, 0012]
- - US 7060993 B2 [0007]
- - WO 2005/091076 A2 [0008]
- - US 7172788 B2 [0009]