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Die
Erfindung betrifft ein Autofokusverfahren zur Bestimmung einer besten
Fokusposition einer Abbildungsvorrichtung, bei welcher ein lateraler
Abstand von zwei Bildern ein Minimum aufweist, wobei die zwei Bilder
durch Abbildung eines Objektes durch Beleuchtung unter zwei unterschiedlichen
Beleuchtungswinkeln erhalten werden.
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Die
Erfindung betrifft zudem eine Abbildungsvorrichtung zur Durchführung
des Autofokusverfahrens.
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Autofokusverfahren
und Abbildungsvorrichtungen zur Durchführung von Autofokusverfahren sind
beispielsweise bei Mikroskopen, Lithographiescannern oder Maskeninspektionssystemen
bekannt. Die Anforderungen an diese Verfahren sind insbesondere
eine schnelle, reproduzierbare und eindeutige Einstellung bzw. Nachjustierung
des Fokus einer Abbildungsvorrichtung. Da beispielsweise bei Lithographiescannern
und Maskeninspektionssystemen voll- oder partiellkohärentes
Licht verwendet wird, muss dass Verfahren auch bei dieser Beleuchtung zuverlässig
arbeiten. Generell wird bei den Verfahren in unterschiedlichen Fokuspositionen
eine Bewertungsgröße des Fokus ermittelt, die
bei der besten Fokusposition ein Maximum oder ein Minimum aufweist.
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Bei
den bekannten Kontrastverfahren werden Bilder eines Objektes in
unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen. Die beste Fokusposition
ist dann jene, die dem Bild mit dem maximalen Kontrast zugeordnet
ist. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass eine einwandfreie
Funktion bei der Beleuchtung mit kohärenter Strahlung nicht
möglich ist. Da in diesem Fall die Schärfentiefe
der Abbildung sehr hoch ist, ist der Kontrastunterschied der Bilder unterschiedlicher
benachbarter Fokusebenen dann so gering, dass die Bestimmung des
Bildes des maximalen Kontrasts nur ungenau oder überhaupt
nicht möglich ist.
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Aus
der
DE 3328821 ist ein
Verfahren bekannt, bei welchem zur Fokussierung eine Hilfsbeleuchtung
in einen Strahlengang eines Mikroskops eingespiegelt wird. Diese
besteht aus zwei alternierenden Lichtquellen, die aus unterschiedlichen
Beleuchtungsrichtungen ein Objekt beleuchten. Ist der Fokus exakt
eingestellt, so fallen die durch die beiden Lichtquellen erhaltenen
Abbildungen zusammen. Im Falle einer Defokussierung sind die Bilder
late ral zur optischen Achse verschoben. Dies führt durch
die alternierende Beleuchtung zu einer Oszillation der Bilder. Diese
Oszillation der Bilder wird durch einen in der Bildebene angeordneten
Detektor in ein Wechselstromsignal umgewandelt, wobei die Frequenz des
Wechselstroms in der besten Fokusposition minimal ist. Bei diesem
Verfahren ist von Nachteil, dass eine Hilfsbeleuchtung benötigt
wird. Weiterhin werden ein Detektor zur Erzeugung des Wechselstroms und
eine Vorrichtung zu dessen Analyse benötigt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Autofokusverfahrens
zur Bestimmung einer besten Fokusebene einer Abbildungsvorrichtung
bzw. einer Abbildungsvorrichtung zur Durchführung des Autofokusverfahrens
unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch Erfassen von zwei Bildern je
Fokusposition in unterschiedlichen Fokuspositionen, Bestimmen eines
lateralen Abstandes der zwei Bilder einer Fokusposition für
die unterschiedlichen Fokuspositionen, Bestimmen eines Minimums
der lateralen Abstände und der zugehörigen Fokusposition
als der besten Fokusposition.
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Ein
abzubildendes Objekt wird unter einem Beleuchtungswinkel beleuchtet,
d. h. einem Winkel zwischen der Richtung der Strahlung und der optischen
Achse der Abbildungsoptik. Werden nun Bilder in unterschiedlichen
Fokuspositionen aufgenommen, so sind dessen Positionen lateral zur
optischen Achse der Abbildungsoptik verschoben, wenn die Beleuchtungsrichtung
nicht mit der optischen Achse der Abbildungsoptik zusammenfällt,
oder weitere weiter unten angegebene Bedingungen erfüllt
sind. Fällt beispielsweise die Beleuchtungsrichtung mit
der optischen Achse der Abbildungsoptik zusammen, der Beleuchtungswinkel
hat in diesem Fall den Wert null, tritt keine Verschiebung der lateralen
Position des Bildes in unterschiedlichen Fokuspositionen auf. Die
laterale Verschiebung der Position der Bilder steigt mit der Zunahme
des Beleuchtungswinkels. In der besten Fokusposition ist nun die
laterale Position der Bilder bei unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln
identisch. Hierbei kann natürlich einer der Beleuchtungswinkel
auch null sein.
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Zur
Bestimmung der besten Fokusposition wird bei jeder Fokusposition
für zwei Beleuchtungswinkel ein Bild aufgenommen. Bevorzugt
wird eine ungerade Anzahl von Fokuspositionen angefahren, da dies
wie unten beschrieben für die Auswertung vorteilhaft ist.
Aus diesen Bildern wird der laterale Abstand, d. h. die Differenz
der lateralen Positionen der Bilder, bestimmt. Jene Fokusposition,
bei welcher die Bilder keinen oder den geringsten Abstand aufweisen,
d. h. beim Minimum der lateralen Abstände, ist die beste
Fokusposition.
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Die
Reihenfolge der Schritte dieses Verfahrens ist variabel. So ist
es beispielsweise möglich, zuerst unter den unterschiedlichen
Beleuchtungswinkeln in einer der Fokuspositionen die zwei Bilder
aufzunehmen oder zuerst für einen Beleuchtungswinkel in
allen Fokuspositionen je ein Bild aufzunehmen.
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Die
Beleuchtung erfolgt mit voll- oder partiellkohärenter Strahlung.
Bei Lithographiescannern und Maskeninspektionssystemen kann der
Kohärenzfaktor beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 1
liegen, bei Maskeninspektionssystemen kommt auch vollkohärentes
Licht zum Einsatz. Der Kohärenzfaktor der Beleuchtung einer
Abbildungsvorrichtung ist definiert als das Verhältnis
aus der Größe des Bildes der Lichtquelle in der
Pupille einer Abbildungsoptik und der Größe der
Pupille selbst.
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Die
unterschiedlichen Fokuspositionen können beispielsweise
durch Veränderung des Abstandes des Objektes zum Objektiv
bzw. eines Bildaufnehmers zur Abbildungsoptik bzw. durch Justage einzelner
Linsen bzw. Linsengruppen innerhalb der Abbildungsoptik eingestellt
werden. Die Veränderung des jeweiligen Abstandes erfolgt
beispielsweise längs zur optischen Achse der Abbildungsoptik,
die Aufnahme der Bilder erfolgt beispielsweise durch einen Bildaufnehmer
in Ebenen senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik. Die
laterale Verschiebung der Position der Bilder wird dann vorzugsweise
senkrecht zur optischen Achse bestimmt. Die Daten des Bildaufnehmers
können zur Weiterverarbeitung an eine zentrale Steuereinheit übertragen werden.
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Zur
Bestimmung des Minimums der lateralen Abstände kann beispielsweise
der kleinste Wert der Abstände bestimmt werden und die
zu diesem Wert zugehörige Fokusposition als beste Fokusposition bewertet
werden.
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Dieses
Autofokusverfahren hat den Vorteil, dass es auch bei voll- oder
partiellkohärenter Beleuchtung zuverlässig arbeitet.
Es ist keine zusätzliche Hilfsbeleuchtung notwendig. Auch
ein zusätzlicher Detektor wird nicht benötigt,
da die ohnehin anfallenden Daten des Bildaufnehmers zur Bewertung der
Fokuspositionen verwendet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zuerst unter einem
ersten Beleuchtungswinkel der zwei Beleuchtungswinkel eine erste
Serie von Bildern für die unterschiedlichen Fokuspositionen
erfasst, dann unter einem zweiten Beleuchtungswinkel der zwei Beleuchtungswinkel
eine zweite Serie von Bildern für die unterschiedlichen
Fokuspositionen erfasst.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass der Beleuchtungswinkel nicht
in jeder Fokusposition eingestellt werden muss. Je nach apparativer
Ausgestaltung, ist das Anfahren der jeweiligen Fokuspositionen schneller
und/oder mit höherer Reproduzierbarkeit möglich,
als die Einstellung der Beleuchtungswinkel. Somit führt
diese Maßnahme zu einer schnelleren bzw. genaueren Messung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in einer ersten
Iteration aus einer vorgegebenen Anzahl unterschiedlicher Fokuspositionen
die besten Fokusposition ermittelt, wobei eine weitere Iteration
durchgeführt wird, wenn der Abstand zwischen der bisherigen
Fokusposition und der neuen besten Fokusposition einen Maximalwert überschreitet.
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Je
weiter beim Start des Verfahrens die aktuelle Fokusposition von
der zu bestimmenden besten Fokusposition entfernt ist, desto unschärfer
werden die aufgenommenen Bilder. Damit sinkt auch die Genauigkeit
der Bestimmung der lateralen Abstände der Bilder und damit
die Genauigkeit der zu bestimmenden besten Fokusposition.
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Durch
die genannte Maßnahme wird auch bei starker Defokussierung
eine hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Autofokusverfahrens
erreicht. Während einer Iteration werden beispielsweise
drei oder fünf Fokuspositionen angefahren. Es kann auch
eine maximale Anzahl von Iterationen vorgegeben werden, nach der
das Autofokusverfahren unabhängig vom Abstand der bisherigen
Fokusposition und der neuen Fokusposition abgebrochen wird. Dies
ist dann von Vorteil, wenn aufgrund der Struktur des Bildes eine
Bestimmung der besten Fokusposition überhaupt nicht oder
nur schlecht möglich ist. Durch die Begrenzung der Anzahl
an Iterationen wird so ein endloses Weiterführen des Autofokusverfahrens
vermieden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen die zwei Beleuchtungswinkel
und die optische Achse der Abbildungsvorrichtung in einer Ebene.
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Das
Ortsspektrum in der Pupillenebene der Abbildungsoptik bewegt sich
somit auf einer Geraden durch den Mittelpunkt der Pupille. Dies
vereinfacht die Auswertung der Bilder zur Bestimmung der lateralen
Abstände.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Neutralwinkel
um einen ersten Fokussierwinkel zu dem ersten Beleuchtungswinkel
verändert und um einen zweiten Fokussierwinkel zu dem zweiten
Beleuchtungswinkel verändert, wobei der Betrag des ersten
und zweiten Fokussierwinkels identisch, die Richtung entgegengesetzt
ist.
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Wird
das Objekt unter bestimmten Beleuchtungswinkeln beleuchtet, findet
keine oder nur eine sehr geringe laterale Verschiebung des Bildes
statt. Diese Winkel werden als Neutralwinkel bezeichnet. Während
der Durchführung des Autofokusverfahrens wird dieser Neutralwinkel
dann um den ersten bzw. zweiten Fokussierwinkel verändert.
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Das
einfachste Beispiel für einen Neutralwinkel ist der Beleuchtungswinkel
von null. Weitere Beispiele für Neutralwinkel sind bei
periodischen Strukturen gegeben und werden weiter unten diskutiert.
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Durch
die bei dieser Ausgestaltung getroffene Wahl der Fokussierwinkel
werden unter den beiden Fokussierwinkeln in der Pupille Ortsspektren
erhalten, die eine hohe Ähnlichkeit aufweisen, d. h. sich idealerweise
nur im Ort unterscheiden. Je höher die Ähnlichkeit
der Ortsspektren, desto genauer ist die Bestimmung der lateralen
Abstände der Bilder durch Kreuzkorrelation dieser Bilder
gegeben. Die Kreuzkorrelation zweier Funktionen (hier der Bilder)
ist das Maß der Ähnlichkeit der Funktionen als
Funktion der Verschiebung (der Bilder) gegeneinander.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Bereich der
Pupille der Abbildungsvorrichtung durch eine Pupillenblende in Abhängigkeit vom
Beleuchtungswinkel teilweise abgeblendet.
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Diese
Maßnahme dient zur weiteren Erhöhung der Ähnlichkeit
der aufgenommenen Ortsspektren. Werd die Ortsspektren bei unterschiedlichen Fokussierwinkel
verglichen, sind auf der gesamten Pupille unterschiedliche Ausschnitte
dieser Ortsspektren zu finden. Durch Abblenden von Teilen der Pupille
wird erreicht, dass Ausschnitte der Ortsspektren betrachtet werden,
die symmetrisch oder gar identisch sind. Die erhaltenen Ortsspektren unterscheiden
sich dann idealerweise nur noch im Ort auf der Pupille. Dann ist
eine genaue Auswertung zur Bestimmung des lateralen Abstandes möglich.
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In
Verbindung mit der genannten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher
die zwei Beleuchtungswinkel und die optische Achse der Abbildungsvorrichtung
in einer Ebene liegen, wird die apparative Ausgestaltung der zur
Durchführung des Autofokusverfahrens benötigten
Abbildungsvorrichtung vereinfacht, da die Pupillenblende nur noch
längs der Geraden bewegbar ausgestaltet werden muss, auf
denen sich das Ortsspektrum in der Pupillenebene bewegt.
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In
einer besonders einfachen Variante dieser Ausgestaltung wird die
Pupillenblende nur in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (im
Folgenden auch als X-Richtung und Y-Richtung bezeichnet) bewegt.
Die Ebene der zwei Beleuchtungswinkel schneidet die Pupille dann
in Geraden durch den Mittelpunkt der Pupille in diesen Richtungen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung entspricht die Breite
des abgeblendeten Bereichs der Pupille in Richtung der Änderung
der Beleuchtungswinkel dem zweifachen Radius des Fokussierwinkels.
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Durch
diese Maßnahme wird in Bewegungsrichtung der Pupille die
größte Symmetrie des nach Abblendung durch die
Pupillenblende resultierenden Bereiches der Pupille erhalten. Damit
werden Ortsspektren hoher Ähnlichkeit erhalten.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Strukturperiode
des Objektes aus dem Ortsspektrum der Pupille bestimmt.
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Besteht
eine periodische Struktur beispielsweise aus parallelen Streifen
gleicher Breite, die in immer gleichen Abständen angeordnet
sind, so ist die Strukturperiode senkrecht zu diesen Streifen. Die Strukturperiode
(auch als Pitch bezeichnet) ist die Breite der sich wiederholenden
Abschnitte. Diese periodischen Strukturen, die beispielsweise in
Bereichen auf lithografischen Masken vorzufinden sind, wirken bei
entsprechender Wellenlänge der Beleuchtung wie ein Beugungsgitter.
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Zur
Bestimmung der Strukturperiode wird der Abstand von Beugungsmaxima
des Ortsspektrums bestimmt. Dies kann beispielsweise durch Abbildung
des Ortsspektrums auf einen Bildaufnehmer erfolgen. Hierzu kann
eine entsprechende Abbildungsoptik verwen det werden, oder es kann
die vorhandene Abbildungsoptik durch eine sogenannte Bertrand-Linse
entsprechend modifiziert werden. Die Auswertung des Bildes des Ortsspektrums
kann durch bekannte Methoden der digitalen Bildverarbeitung erfolgen.
Bevorzugt wird der Abstand von zwei benachbarten Beugungsmaxima,
insbesondere des nullten und ersten oder minus ersten Beugungsmaximums
bestimmt. Natürlich können auch Abstände entfernter
Maxima bestimmt und zur Berechnung der Strukturperiode verwendet
werden.
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Für
die Auswertung des Ortsspektrums müssen zumindest zwei
Beugungsmaxima innerhalb der Pupille liegen. Dies ist bei den üblichen,
zur Inspektion von Objekten wie z. B. Masken gewählten
Beleuchtungswinkeln, im Folgenden auch Inspektionswinkel genannt,
gegeben. Der Inspektionswinkel wird vorzugsweise so gewählt,
dass das nullte Beugungsmaximum noch innerhalb der Pupille liegt.
Dann ist der Inspektionswinkel kleiner als NAObj.
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Die
Strukturperiode kann auch vom Anwender vorgegeben werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die zwei Beleuchtungswinkel
in Richtung einer Strukturperiode des Objekts verändert.
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Durch
diese Maßnahme ist die laterale Verschiebung der Bilder
eines Objektes genau zu erfassen. So wäre beispielsweise
bei einer Veränderung der Beleuchtungswinkel senkrecht
zur Strukturperiode die laterale Verschiebung des Bildes nicht oder nur
sehr ungenau zu erfassen.
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In
einer bevorzugen Variante dieser Ausgestaltung liegt die Strukturperiode
entweder in X- oder Y-Richtung (wie oben definiert). Somit kann
die genannte einfache Ausgestaltung der Bewegbarkeit der Pupillenblende
genutzt werden. In einer weiteren Variante kann der zentralen Steuereinheit
vorgegeben werden, ob eine zu fokussierende Struktur in X- oder Y-Richtung
ausgerichtet ist. Dies kann jedoch auch durch die Auswertung der
Ortsspektren erfolgen. Da die Beleuchtungswinkel nur in X- oder
Y-Richtung variiert werden, liegen die Beugungsmaxima des Ortsspektrums
entweder auf der X-Achse oder der Y-Achse und werden durch die Bildverarbeitung
dementsprechend als X- oder Y-Strukturen erkannt.
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Neutral-
und Fokussierwinkel können an die Strukturperiode angepasst
werden, wie dies in weiteren Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt
wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Neutralwinkel
so gewählt, dass zumindest zwei benachbarte Beugungsmaxima
der periodischen Struktur innerhalb der Pupille, symmetrisch zu
deren Mittelpunkt angeordnet sind.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass auch bei im Verhältnis
zur Wellenlänge der zur Abbildung verwendeten Strahlung
und im Verhältnis zur numerischen Apertur der Abbildungsvorrichtung
kleinen Strukturen eine exakte Auswertung der Bilder ermöglicht
wird. Der Neutralwinkel kann beispielsweise so gewählt
werden, dass der Mittelpunkt der Pupille zwischen zwei Beugungsmaxima,
beispielsweise dem nullten und ersten (oder minus ersten) Beugungsmaximum,
liegt. Es ist auch möglich, dass ein Beugungsmaximum, beispielsweise
das nullte Beugungsmaximum auf dem Mittelpunkt der Pupille liegt. In
einer Variante dieser Ausgestaltung wird das mittlere Beugungsmaximum
zur Steigerung des Kontrastes ausgeblendet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Neutralwinkel
aus der Strukturperiode des Objekts bestimmt.
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Bei
periodischen Strukturen ist der Abstand zwischen den Beugungsmaxima
durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung und der
Strukturperiode bestimmt. Durch die Anpassung der zur Abbildung
und Fokussierung verwendeten Beugungsmaxima an die Größe
der Strukturperiode wird eine kontrastreiche Abbildung und genaue
Fokussierung ermöglicht. Ist die Strukturperiode der zu
fokussierenden Struktur so groß, dass bei der gegebenen
numerischen Apertur der Abbildungsoptik beispielsweise drei Beugungsmaxima
auf die Pupille treffen, so kann ein entsprechender Neutralwinkel
eingestellt werden, so dass das mittlere Beugungsmaximum in der
Mitte der Pupille liegt. Wird die Struktur kleiner, so dass nur noch
zwei Beugungsmaxima auf die Pupille treffen, so können
diese symmetrisch zur Mitte der Pupille angeordnet werden.
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Die
Einstellung des Neutralwinkels kann auch vom Anwender vorgenommen
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der erste und
zweite Fokussierwinkel so gewählt, dass die Beugungsmaxima
des Ortsspektrums während der Beleuchtung unter den zwei Beleuchtungswinkeln
innerhalb der Pupille bleiben.
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Durch
diese Maßnahme bleibt die Ähnlichkeit der Ortsspektren
weitgehend erhalten und eine kontrastreiche Abbildung wird ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der laterale Abstand
zweier Bilder durch Kreuzkorrelation bestimmt.
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Zur
Bestimmung des lateralen Abstands wird durch Kreuzkorrelation der
Bilder eine Funktion berechnet, die ein Maximum aufweist. Die Lage
dieses Maximums entspricht dem lateralen Abstand der Bilder zueinander.
Die Berechnung kann mit Daten erfolgen, die von einem Bildaufnehmer
an eine zentrale Steuereinheit geliefert werden. So wird eine genaue Auswertung
erreicht, wobei Daten genutzt werden können, die in entsprechend
ausgestalteten Abbildungsvorrichtungen ohnehin anfallen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Minimum der
lateralen Abstände durch das Minimum einer Funktion der
lateralen Abstände in Abhängigkeit von den Fokuspositionen
bestimmt.
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Bei
dieser Maßnahme wird aus den Abständen und den
Fokuspositionen eine Funktion der lateralen Abstände in
Abhängigkeit von der Fokuspositionen aufgestellt und die
beste Fokusposition aus dieser Funktion, als deren Nullstelle, berechnet.
In einer Variante dieser Ausgestaltung wird durch lineare Regression
eine Gerade durch die lateralen Abstände in Abhängigkeit
von der Fokusposition gelegt. Die Nullstelle dieser Geraden ist
dann das Minimum der lateralen Abstände. Eine besonders
genaue Bestimmung der Fokusposition wird erreicht, wenn zum Ermitteln
der Geradengleichung eine ungerade Anzahl lateraler Abstände
verwendet wird, wobei der kleinste der lateralen Abstände
der mittlere der Werte ist. Bevorzugt werden drei oder fünf
Werte verwendet. Die Anzahl der verwendeten Werte kann mit der Anzahl
der während der Fokussierung angefahrenen Fokuspositionen übereinstimmen.
So wird eine Auswertung mit hoher Genauigkeit erreicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein maximaler Fokussierbereich
so gewählt, dass der laterale Abstand der zwei Bilder kleiner
als die Strukturperiode der periodischen Struktur ist.
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Würde
der laterale Abstand zweier Bilder der Strukturperiode oder einem
ganzzahligen Vielfachen der Strukturperiode entsprechen, so würden
die jeweiligen Bilder identisch erscheinen, der laterale Abstand
würde zu null bestimmt und die beste Fokusposition würde
falsch bestimmt werden. Vorzugsweise ist vor Durchführung
des Autofokusverfahrens bei periodischen Strukturen eine Grob-Fokussierung durchzuführen,
so dass der maximale Fokussierbereich bereits erreicht ist. Die
kann durch visuelle Einstellung durch den Anwender erfolgen oder
es können andere bekannte Fokussierverfahren eingesetzt werden.
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Eine
erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung ist so
aufgebaut, dass die Durchführung der jeweiligen Ausgestaltung
des Autofokusverfahrens ermöglicht wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Abbildungsvorrichtung weist die
Pupillenblende einen lichtdurchlässigen Bereich auf, dessen
Weite in Bewegungsrichtung der Pupillenblende dem Durchmesser der
Pupille entspricht.
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In
Ruhestellung der Pupillenblende, d. h. bei Beleuchtung unter dem
Neutralwinkel, wird durch die Pupillenblende kein Teil der Pupille
abgeblendet. Bei Einstellung eines Fokussierwinkels wird die Pupillenblende
so verschoben, dass ein Bereich der Puppille abgeblendet wird.
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Durch
diese Maßnahme ist eine genaue Berechnung und Einstellung
der gewünschten Position der Pupille in der entsprechenden
Bewegungsrichtung auf einfache Weise möglich.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Abbildungsvorrichtung entspricht
der lichtdurchlässigen Bereich der Pupillenblende in Größe
und Form der Pupille.
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Durch
diese Maßnahme wird über den gesamten Bereich
der Pupille die größte Symmetrie des nach Abblendung
durch die Pupillenblende resultierenden Bereiches der Pupille erhalten.
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Es
versteht sich, dass die bisher genannten und die im Folgenden noch
zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in den
beschriebenen, sondern auch in weiteren Kombinationen oder einzeln Verwendung
finden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung
zu verlassen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand einiger ausgewählter
Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Längsschnitt einer erfindungsgemäßen
Abbildungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Autofokusverfahrens in schematischer Darstellung;
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2:
Draufsicht einer Pupillenblende der Abbildungsvorrichtung gemäß 1 in
schematischer Darstellung;
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3:
Längsschnitt einer Lichtquelle der Abbildungsvorrichtung
gemäß 1 in schematischer Darstellung;
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4:
Ablauf eines erfindungsgemäßen Autofokusverfahrens.
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Eine
Abbildungsvorrichtung 1 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel mit einer Abbildungsoptik 5 zur
Abbildung einer Maske 19 auf den Bildaufnehmer 21 bei
Beleuchtung durch eine Lichtquelle 25 zeigt 1.
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Die
Abbildungsoptik 5 weist ein Objektiv 6 und eine
Tubuslinse 7 auf. Die Baugruppen sind hier als einzelne
Linsen dargestellt, bestehen aber in bekannter Weise aus einer Vielzahl
optischer Elemente. Die Abbildungsoptik 5 ist objekt- und
bildseitig telezentrisch. Die objektseitige numerische Apertur,
im Folgenden auch als NAObj bezeichnet, der Abbildungsoptik 5 ist
NAObj = 0,42. Die Randstrahlen sind mit dem Bezugszeichen 13,
die Hauptstrahlen mit 14 bezeichnet.
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Eine
Bertrand-Linse 15 kann durch Antrieb 16 in den
Strahlengang eingebracht werden (in 1 punktiert
dargestellt). Dann wird auf dem Bildaufnehmer 21 das Ortspektrum
der Pupille 9 der Abbildungsoptik 5 abgebildet.
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In
der Pupille 9 der Abbildungsoptik 5 ist die Pupillenblende 10 angeordnet.
Diese weist, wie in 2 dargestellt, einen undurchlässigen
Bereich 11 und einen quadratischen durchlässigen
Bereich 12 auf. Die Kantenlänge der Kanten des
durchlässigen Bereichs entspricht dem Durchmesser der Pupille 9. Die
Pupillenblende 10 besteht aus Quarzglas, welches im undurchlässigen
Bereich 11 mit Chrom beschichtet ist. In Ruhestellung der
Pupillenblende 10 liegt die Pupille 9 vollständig
im durchlässigen Bereich 12. Die Pupillenblende 10 wird
durch Antrieb 31 in Richtung der X- oder Y-Achse bewegt.
Die X-Achse liegt senkrecht zur optischen Achse bzw. der Z-Achs
in der Zeichenebene, die Y-Achse liegt senkrecht zur Z-Achse und
senkrecht zur X-Achse. Wird die Pupillenblende 10 aus der
Ruhestellung bewegt, wird ein Abschnitt der Pupille 9 durch
den undurchlässigen Bereich 11 abgeblendet. In
einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht in der Zeichnung
dargestellt) ist der durchlässige Bereich der Pupillenblende kreisförmig,
der Durchmesser des Kreises ist 1600 μm und der Mittelpunkt
des Kreises fällt mit dem Mittelpunkt der Pupille 9 zusammen,
so dass in Ruhestellung die Pupille vollständig im durchlässigen
Bereich liegt.
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Maskenhalter 20 mit
Maske 19 werden durch einen Antrieb 30 in Richtung
der optischen Achse der Abbildungsvorrichtung 1, die hier
als Z-Achse bezeichnet wird, bewegt. So werden unterschiedliche Fokuspositionen
eingestellt.
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Die
Antriebe 30, 31 und 16 sowie der Bildaufnehmer 21 sind
mit einer zentralen Steuereinheit 32 verbunden. Die Steuerung
der Antriebe 30 und 31, des Bildaufnehmers 21 und
der Lichtquelle 25 erfolgt durch die zentrale Steuereinheit 32.
Die zentrale Steuereinheit 32 weist eine Eingabeeinheit 33 zur Dateneingabe
auf.
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Als
Bildaufnehmer 21 wird ein CCD-Chip (Charged Coupled Device)
verwendet. Wird ein Bild 22 der Maske 19 oder
der Pupille 9 auf dem Bildaufnehmer 21 abgebildet,
so werden die gewonnen Daten von der zentralen Steuereinheit 32 ausgewertet.
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Lichtquelle 25,
wie in 3 dargestellt, weist ein Leuchtmittel 50,
einen ArF-Excimer-Laser der Wellenlänge von λ =
193,3 nm auf, eine Sigma-Blende 51 zur Einstellung des Öffnungsquerschnittes
des Leuchtmittels 50 und damit der Lichtquelle 25.
Des Weiteren weist die Lichtquelle einen Kollimator 52, die
Tubuslinse 56 und den Kondensor 57 auf. Die Baugruppen
sind hier als einzelne Linsen dargestellt, bestehen aber in bekannter
Weise aus einer Vielzahl optischer Elemente. Diese optischen Elemente
erzeugen in bekannter Weise ein homogenes Leuchtfeld, dessen Beleuchtungswinkel
durch die Öffnung der Sigma-Blende 51 eingestellt
wird. Mit dieser Einstellung wird der Kohärenzfaktor der
Beleuchtung festgelegt.
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Die
Einstellung des Beleuchtungswinkels erfolgt durch einen ersten Drehkeil 53 und
einen zweiten Drehkeil 54. Die Drehkeile 53 und 54 sind
in einer Halterung 55 um die optische Achse 2 drehbar
gelagert. Sind die Drehkeile in Ruhestellung, wie in 3 dargestellt,
wird der Beleuchtungswinkel nicht verändert. Wird jedoch
der erste Drehkeil 53 gegen den zweiten Drehkeil 54 verdreht,
wird das Licht abgelenkt, wobei der Winkel zur optischen Achse größer wird,
je weiter die Drehkeile 53 und 54 gegeneinander
verdreht sind. Somit wird zur Einstellung eines gewünschten
Beleuchtungswinkels durch die Stellung der Drehkeile 53 und 54 zueinander
der Winkel zur optischen Achse eingestellt und durch die gleichzeitige
Verdrehung beider Drehkeile 53 und 54 die Ebene
dieses Winkels eingestellt.
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In
einem weiteren nicht in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel
wird der Beleuchtungswinkel einer Lichtquelle durch Verstellen der Lage
einer Sigmablende senkrecht zur optischen Achse eingestellt. Diese
Ausführung ist einfacher in der apparativen Ausgestaltung,
führt aber zu Verlusten in der Lichtausbeute des Leuchtmittels.
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Der
kreisförmige Öffnungsquerschnitt der Sigma-Blende 51 wird
durch einen Antrieb 65 verändert, die Drehkeile 53 und 54 werden
durch Antriebe 66 und 67 um die optische Achse 2 gedreht.
Diese Antriebe 65, 66 und 67 sind mit
der Steuereinheit 70 verbunden. Steuereinheit 70 ist
mit der zentralen Steuereinheit 32 verbunden und steuert
den Beleuchtungswinkel und Öffnungsquerschnitt der Lichtquelle 25,
wie von der zentralen Steuereinheit 32 vorgegeben, durch
entsprechende Ansteuerung der Antriebe 65, 66 und 67.
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Jeder
Ort auf der Pupille 9 entspricht Licht eines Winkels aus
den Objekt- oder Bildfeldebenen. Winkel, wie beispielsweise Beleuchtungswinkel
oder Beugungswinkel, werden im Folgenden als entsprechende Orte
auf der Pupille 9 angegeben. Die Orte werden in Polarkoordinaten
angegeben, wobei der Pol der Mittelpunkt der Pupille ist. Die Radialkoordinaten
werden in Einheiten der numerischen Apertur angegeben. Die Polarachse
liegt auf der oben definierten X-Achse, wobei die positive Richtung
in Beleuchtungsrichtung nach rechts definiert ist. Zur Einstellung
der Beleuchtungswinkel, der Fokuspositionen, der Position der Pupillenblende 10 etc.
werden diese Koordinaten von der zentralen Steuereinheit 32 in
Gerätekoordinaten umgewandelt und durch die entsprechenden
Antriebe die gewünschten Werte eingestellt.
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Die
Abbildungsvorrichtung und das Autofokusverfahren dieser Ausführungsbeispiele
sind optimiert für die Untersuchung von Masken 19,
die periodische Strukturen (zweidimensionale Beugungsgitter) mit
einer bestimmten Strukturperiode (im Folgenden auch als Pitch bezeichnet)
aufweisen. Die Strukturperiode liegt bei Strukturen, die mit dieser
Abbildungsvorrichtung untersucht werden, üblicherweise im
Bereich von ca. 460 μm bis ca. 5000 μm. Verläuft die
Strukturperiode in Richtung der X-Achse, so wird der Beleuchtungswinkel
nur in der X-Z-Ebene variiert, die Pupillenblende nur längs
der X-Achse bewegt, dieser Fall wird im Folgenden als eine X-Struktur
benannt. Verläuft die Strukturperiode in Richtung der Y-Achse,
so wird der Beleuchtungswinkel nur in der Y-Z-Ebene variiert, die
Pupillenblende nur längs der Y-Achse bewegt, dieser Fall
wird im Folgenden als eine Y-Struktur benannt.
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Bei
Beginn des Autofokusverfahrens sind in der zentralen Steuereinheit 32 folgende
Daten gespeichert oder werden vom Anwender über die Eingabeeinheit 33 eingegeben:
Die
objektseitige numerischen Apertur NAObj der Abbildungsoptik 5;
die
Wellenlänge der Beleuchtung, hier 193,3 nm;
die maximale
und minimale Anzahl von Iterationen wird vorgegeben, beispielsweise
3 oder 5 Iterationen, die Mindestzahl an Iterationen ist zwei;
die
Anzahl von Fokuspositionen, die während einer Iteration
angefahren werden, beispielsweise 5;
die maximale Änderung
der Z-Position BFMax, unterhalb welcher das Verfahren beendet wird,
beispielsweise BFMax = 20 nm,
die maximalen Standardwerte für
die Fokussierwinkel für die erste Iteration FokMax1 und
für alle weiteren Iterationen FokMax2, beispielsweise FokMax1
= 0,02 und FokMax2 = 0,1;
die maximalen Fokussierbereiche für
die erste Iteration Defok1 und für alle weiteren Iterationen
Defok2, beispielsweise Defok1 = 5,4 μm und Defok2 = 1,36 μm.
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Zudem
nimmt der Anwender vor Start des Autofokusverfahrens eine visuelle
Grob-Fokussierung vor. Der Fokussierbereich wird ausgehend von dieser
Position jeweils zur Hälfte (beispielsweise Defok1/2) in
beide Richtungen der Z-Achse angefahren.
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Zur
Bestimmung der Strukturperiode wird über Antrieb 16 die
Bertrand Linse 15 in den Strahlengang eingeführt.
Als Beleuchtungswinkel wird ein Inspektionswinkel eingestellt, bei
welchem die Struktur untersucht bzw. beobachtet wird. Bei diesem
Beleuchtungswinkel liegen üblicherweise die nullte Beugungsordnung
und zumindest eine weitere Beugungsordnung innerhalb der Pupille.
Der Inspektionswinkel ist somit wegen der Lage der nullten Beugungsordnung
kleiner als NAObj. Das Ortsspektrum der Pupille 9 wird
vom Bildaufnehmer 21 aufgenommen und an die zentrale Steuereinheit 32 übermittelt. Hier
wird durch Auswertung des Bildes durch bekannte Methoden der digitalen
Bildverarbeitung der Abstand der nullten und ersten Beugungsmaxima
x1 bestimmt. Die Strukturperiode ist dann: Pitch = λ/x1. Die
Auswertung wird vereinfacht, da die Beleuchtungswinkel nur in X-
oder Y-Richtung variiert werden und bevorzugt X- oder Y-Strukturen
vorliegen. Somit liegen die Beugungsmaxima entweder auf der X-Achse
oder der Y-Achse und werden durch die Bildverarbeitung dementsprechend
als X- oder Y-Strukturen erkannt. Zur Auswertung wird neben der Lage
auch die Helligkeit der Beugungsmaxima herangezogen.
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Die
Lage des Maximums der nullten Beugungsordnung ist durch den Inspektionswinkel
vorgegeben. Das hellste der benachbarten Beugungsmaxima ist dann
das erste bzw. minus erste Beugungsmaximum. Sind bei komplexeren
Strukturen des beobachteten Objektes sowohl in X- als auch in Y-Richtung
Beugungsmaxima zu beobachten, wird die Struktur nach den helleren
Beugungsmaxima zugeordnet.
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Der
Ablauf des beschriebenen Autofokusverfahrens ist zur Verdeutlichung
in 4 dargestellt.
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Wenn
sich in einer ersten Alternative aus der Strukturperiode und der
numerischen Apertur NAObj ergibt, dass zumindest das erste, nullte
und das minus erste Beugungsmaximum in der Pupille 9 liegen, wird
ein Neutralwinkel von null eingestellt. Da der Abstand des nullten
und ersten Beugungsmaximums λ/Pitch ist, ist dies der Fall,
wenn: λ/Pitch < NAObj. Diese
Bedingung wird durch die zentrale Steuereinheit 32 überprüft,
und die Steuereinheit 10 der Lichtquelle 25 zu
Einstellung des Neutralwinkels angesteuert.
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Der
erste Beleuchtungswinkel wird nun so gewählt, dass der
Neutralwinkel in Richtung der Strukturperiode um einen ersten Fokussierwinkel verändert
wird, so dass keines der Beugungsmaxima die Pupille 9 verlässt.
Somit ist der maximale Wert des ersten Fokussierwinkels und des
ersten Beleuchtungswinkels kleiner als NAObj – λ/Pitch.
Für den ersten Fokussierwinkel wird bei Beginn des Autofokusverfahrens
für die erste Iteration ein maximaler Standartwert von
FokMax1 = 0,02 und für weitere Iterationen von FokMax2
= 0,1 als Radius vorgegeben, der nur dann durch den o. g. aus NAObj – λ/Pitch berechneten
Wert ersetzt wird, wenn dieser kleiner ist als der vorgegebene Wert,
der Azimutwinkel bleibt bei X-Strukturen 0° und bei Y-Strukturen
90°. Der maximale Wert des Fokussierwinkels für
die zweite und für weitere Iterationen wird beispielsweise
mit 0,1 oder 0,2 vorgegeben.
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Zur
Erhöhnung der Ähnlichkeit der Ortsspektren in
der Pupille 9 wird diese durch Einfahren der Pupillenblende 10 teilweise
abgeblendet. Der Pupillenfilter wird dabei um den zweifachen Radius
des ersten Fokussierwinkels in X-Richtung für X-Strukturen
und in Y-Richtung für Y-Strukturen verschoben.
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Nun
werden mit dem Bildaufnehmer 22 für 3 oder 5 unterschiedliche
Fokuspositionen Bilder 21 aufgenommen und in der zentralen
Steuereinheit 32 gespeichert.
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Der
Fokussierbereich wird derart gewählt, dass der laterale
Abstand Δs zweier Bilder kleiner bleibt als die Hälfte
der Strukturperiode (Δs < Pitch). Wir
verwenden im Folgenden die übliche Näherung sin(Bel)
= tan(Bel), da die verwendeten Beleuchtungswinkel Bel klein sind.
Die laterale Verschiebung in Abhängigkeit der Fokusposition
z der Maske in der Maskenebene wird mit Δs1 und Δs2
bezeichnet. Bei periodischen Strukturen würde in diesem
Fall das erste Bild in guter Näherung um Δs1 =
Pitch/2 verschoben, das zweite Bild wegen des entgegengesetzten
Fokussierwinkels um Δs2 = Pitch/2 in die entgegengesetzte
Richtung. Somit würden die Bilder scheinbar zusammenfallen.
Der erste Fokussierwinkel wird mit Fok1, der zweite Fokussierwinkel
mit Fok2 bezeichnet. Zwischen dem Fokussierbreich Δz der
Maske, d. h. dem Abstand zwischen zwei Fokusposition und Δs1
bzw. Δs2 besteht folgender Zusammenhang: Δz
= Δs1/Fok1 und Δz = Δs2/Fok2 (da |Fok1|
= |Fok2| ist |Δs1| = |Δs2|).
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Der
laterale Abstand Δs der Strukturen ist somit Δs
= 2Δs1 = 2Δz·Fok1, für den Fokussierbereich Δz
= Δs/(2Fok1) gilt wegen Δs < Pitch/2: Δz < Pitch/(4Fok1).
In der Praxis hat es sich bewährt, wenn Δz < 0,9·Pitch/(4Fok1).
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Der
Fokussierbereich ist nun der kleinere der Werte aus dem berechneten Δz
oder Defok1 bzw. Defok2.
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Der
Abstand zwischen den jeweiligen Fokuspositionen innerhalb des Fokussierbereiches
ist konstant.
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Der
zweite Beleuchtungswinkel wird nun so gewählt, dass der
Neutralwinkel in Richtung der Strukturperiode um einen zweiten Fokussierwinkel verändert
wird. Der zweite Fokussierwinkel hat den gleiche Radius wie der
erste Fokussierwinkel, der Azimutwinkel ist 180°. Der zweite
Beleuchtungswinkel hat somit den gleichen Radius wie der erste Beleuchtungswinkel,
der Azimutwinkel ist bei X-Strukturen somit 180° und bei
Y-Strukturen 270°.
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Zur
Optimierung des Ortsspektrums in der Pupille 9 wird diese
durch Einfahren der Pupillenblende 10 teilweise abgeblendet.
Der Pupillenfilter wird dabei um den zweifachen Radius des zweiten
Fokussierwinkels in X-Richtung für X-Strukturen und in Y-Richtung
für Y-Strukturen verschoben.
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Auch
für den zweiten Fokussierwinkel werden mit dem Bildaufnehmer 22 für
die gleichen 3 oder 5 unterschiedliche Fokuspositionen Bilder 21 aufgenommen
und in der zentralen Steuereinheit 32 gespeichert.
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Ist
die Strukturperiode der zu fokussierenden Struktur in einer zweiten
Alternative so klein, dass λ/Pitch > NAObj, so wird von der zentralen Steuereinheit 32 geprüft,
ob λ/2Pitch < NAObj.
Ist dies der Fall, so wird der Neutralwinkeln mit λ/2Pitch
eingestellt. Der Azimutwinkel ist bei X-Strukturen 0° und
bei Y-Strukturen 90°. So liegen das nullte und erste oder minus
erste Beugungsmaximum innerhalb der Pupille 9, diese Beugungsmaxima
liegen symmetrisch zum Mittelpunkt der Pupille 9.
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Der
erste Beleuchtungswinkel wird wieder so gewählt, dass der
Neutralwinkel in Richtung der Strukturperiode um einen ersten Fokussierwinkel verändert
wird, so dass keines der Beugungsmaxima die Pupille 9 verlässt.
Somit ist der maximale Wert des Radius des ersten Fokussierwinkels
bei dem Neutralwinkel von λ/2Pitch kleiner als NAObj – λ/2Pitch.
Für den ersten Fokussierwinkel wird bei Beginn des Autofokusverfahrens
der vorgegebene Standartwert von FokMax1 = 0,02 und für
die zweite und weitere Iterationen von FokMax2 = 0,1 als Radius
vorgegeben, der nur dann durch den o. g. aus |NAObj – λ/2Pitch|
berechneten Wert ersetzt wird, wenn dieser kleiner ist als der vorgegebene
Wert. Ist die Differenz NAObj – λ/2Pitch >= 0 bleibt der Azimutwinkel
bei X-Strukturen 0° und bei Y-Strukturen 90°.
Ist die Differenz NAObj – λ/2Pitch < 0 wird der Azimutwinkel
bei X-Strukturen 180° und bei Y-Strukturen 270°.
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Zur
Symmetrisierung des Ortsspektrums in der Pupille 9 wird
diese wie in der ersten Alternative durch Einfahren der Pupillenblende 10 teilweise
abgeblendet. Der Pupillenfilter wird dabei um den zweifachen Radius
des ersten Fokussierwinkels in X-Richtung für X-Strukturen
und in Y-Richtung für Y-Strukturen verschoben.
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Nun
werden mit dem Bildaufnehmer 22 für 3 oder 5 unterschiedliche
Fokuspositionen Bilder 21 aufgenommen und in der zentralen
Steuereinheit 32 gespeichert. Der Fokussierbreich Δz
wird wie bei der ersten Alternative bestimmt.
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Der
zweite Beleuchtungswinkel wird wieder so gewählt, dass
der Neutralwinkel in Richtung der Strukturperiode um einen zweiten
Fokussierwinkel verändert wird. Der zweite Fokussierwinkel
hat den gleiche Radius (von maximal NAObj – λ/2Pitch)
wie der erste Fokussierwinkel. Der Radius des Neutralwinkels wird
nun um den Radius des zweiten Fokussierwinkels vergrößert,
der Azimutwinkel bleibt bei X-Strukturen 0° und bei Y-Strukturen
90°.
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Zur
Symmetrisierung des Ortsspektrums in der Pupille 9 wird
diese durch Einfahren der Pupillenblende 10 teilweise abgeblendet.
Der Pupillenfilter wird dabei um den Radius des zweiten Fokussierwinkels
in X-Richtung für X-Strukturen und in Y-Richtung für
Y-Strukturen verschoben.
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Auch
für den zweiten Fokussierwinkel werden mit dem Bildaufnehmer 22 für
die gleichen 3 oder 5 unterschiedliche Fokuspositionen Bilder 21 aufgenommen
und in der zentralen Steuereinheit 32 gespeichert.
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Nun
folgt die Auswertung der aufgenommenen Bilder. Für jede
der Fokuspositionen wird der laterale Abstand des Bildes des ersten
Beleuchtungswinkels zu dem Bild des zweiten Beleuchtungswinkels
berechnet. Durch Kreuzkorrelation der Bilder erhält man
dann ein Korrelationsmuster, dessen Maximum bestimmt wird. Die Lage
dieses Maximums entspricht dem lateralen Abstand der Bilder zueinander. Liegt
das erste Bild als Matrix A und das zweite Bild als Matrix B vor,
so gilt: corr = ifft[fft(A)·conj(fft(B))]
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Dabei
ist corr die Kreuzkorrrelation, ifft die invers-Fouriertransformierte,
fft die Fouriertransformierte und conj die Konjungierte.
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Zur
Bestimmung des Minimums der lateralen Abstände wird aus
den lateralen Abständen in Abhängigkeit von den
Fokuspositionen durch lineare Regression eine Gerade gelegt. Die
beste Fokusposition ist dann die Nullstelle dieser Geraden. Zur
Ermittelung der Geradengleichung werden in der ersten Iteration
drei in weiteren Iterationen fünf laterale Abstände
verwendet, wobei der kleinste der lateralen Abstände der
mittlere der Werte ist.
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Nun
wird der Maskenhalter 20 durch den Antrieb 30 in
die bestimmte Fokusposition bewegt. Ist der Abstand ΔBF
zwischen der bisherigen und der neuen Fokusposition kleiner als
20 nm wir das Verfahren beendet, ansonsten in einer weiteren Iteration nochmals
durchgeführt.
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Sollte
die beste Fokusposition außerhalb des Fokussierbereichs Δz
liegen, kann sie nicht erreicht werden. In diesem oder in anderen
Fällen, in welchen der beste Fokus nicht erreicht wird,
wird das Verfahren nach einer maximalen Anzahl von Iterationen abgebrochen
und der Anwender muss manuell nachfokussieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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