DE102010004827A1

DE102010004827A1 - Katadioptrische Pupillen-Relaysysteme

Info

Publication number: DE102010004827A1
Application number: DE102010004827A
Authority: DE
Inventors: Alexander Epple
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Relayoptik zur Abbildung einer Pupille, mit einem konkaven Spiegel (15) und einem konvexen Spiegel (16), die derart angeordnet sind, dass ein Strahlengang zunächst an dem konkaven Spiegel (15), anschließend an dem konvexen Spiegel (16) und anschließend erneut an dem konkaven Spiegel (15) reflektierbar ist.
In einer ersten Ausgestaltungsform ist in dem Strahlengang eine im Wesentlichen brechkraftlose erste Linse (18) oder erste Platte angeordnet, die eine asphärisch ausgestaltete Fläche aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform sind der konkave Spiegel (15) und der konvexe Spiegel (16) derart ausgestaltet, dass ein Zwischenbild nach einer ersten Reflektion an dem konkaven Spiegel (15) und einer zweiten Reflektion an dem konvexen Spiegel (16) wiederum auf dem konkaven Spiegel (15) entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft breitbandige katadioptrische Pupillen-Relaysysteme.
Aus diversen Publikationen und Patentanmeldungen der Carl Zeiss Laser Optics ist ein hochaperturiges Mikroobjektiv zur Waferinspektion bekannt, das so genannte ”Catadioptric Microscope Objektive” (CMO). Nachteilig an diesem System ist, dass Manipulationen der Fourierebene des Objektivs nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Mikroobjektiv zur Waferinspektion zu schaffen, das eine Beeinflussung der Fourierebene des Objektivs ermöglicht.
Eine Herausforderung für die Relayoptik besteht darin, dass sie für einen sehr großen Spektralbereich von etwa 266 nm bis 437 nm für Aberrationen korrigiert sein soll. Dies ist dioptrisch nur mit großem Aufwand bei einer großen Baulänge möglich. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein kompaktes Mikroobjektiv bereitzustellen, welches sich insbesondere durch eine verbesserte Farbkorrektur auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch ein Mikroobjektiv mit einem katadioptrisches Konzept gelöst. Mit Hilfe einer Relayoptik lässt sich eine Zwischenabbildung einer nicht-freiliegenden Systempupille auf eine freiliegende Systempupille realisieren. Dabei wird eine Relayoptik in der Nähe einer vorhandenen Pupillenebene angeordnet. Auf diese Weise wird eine frei zugängliche Pupillenebene zwischen Objekt (Wafer) und Bild (Detektor) geschaffen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
In 1 ist ein Mikroobjektiv zur Waferinspektion gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Es umfasst einen Detektor 10 sowie sequentiell angeordnet eine erste Linsengruppe 1, eine zweite Linsengruppe 2, eine dritte Linsengruppe 3 und eine vierte Linsengruppe 4, wobei die erste Linsengruppe 1, die zweite Linsengruppe 2 und die dritte Linsengruppe 3 einen so genannten dioptrischen Objektivteil 8 bilden und wobei die vierte Linsengruppe 4 als so genannter katadioptrischer Objektivteil 9 ausgebildet ist. Der dioptrische Objektivteil 8 und der katadioptrische Objektivteil 9 sind so ausgelegt, dass zwischen ihnen ein Zwischenbild 5 entsteht. Zwischen der ersten Linsengruppe 1 und der zweiten Linsengruppe 2 des dioptrischen Objektivteils 8 ist ein Luftraum 7 in der Nähe einer ersten Systempupille 6 angeordnet. Die erste Systempupille 6 ist dabei zwischen der zweiten Linsengruppe 2 und der dritten Linsengruppe des dioptrischen Objektivteils 8 ausgebildet.
Aus 1 ist ersichtlich, dass die erste Systempupille 6 des dioptrischen Objektivteils nicht frei zugänglich ist. Daher soll eine im Luftraum 7 auftretende virtuelle Pupille über ein einzufügendes Relaysystem auf eine weitere Systempupille abgebildet werden.
In 2. ist ein bekanntes Relaysystem nach Offner dargestellt. Die Objektebene wird über einen konkav ausgebildeten großen Spiegel 15, einen konvex ausgebildeten kleinen Spiegel 16 und einen weiteren konkav ausgebildeten großen Spiegel 15 auf die Bildebene im Maßstab 1:1 abgebildet. Eine Eintrittspupille, die sich im Unendlichen befindet, wird jedoch typischerweise mit sehr großen Aberrationen, z. B. mit sphärischer Aberration, abgebildet.
Für die Anwendung als Pupillenrelaysystem werden gedanklich die Objekt- und Pupillenebenen ausgetauscht, so dass das Objekt ins Unendliche geht und eine Eintrittspupille 12 am Ort der ursprünglichen Bildebene liegt. Aus Symmetriegründen kommt nun ein Zwischenbild 17 auf dem kleinen Spiegel 16 zu liegen. Nachteilig an diesem Pupillen-Relaysystem ist das Auftreten von sphärischer Aberration in der Ortsabbildung.
Mit einem modifizierten System lässt sich die Qualität der Ortsabbildung dieses Pupillenrelaysystems verbessern. Ein denkbarer Schritt wäre eine Asphärisierung des Spiegels 15, um die sphärische Aberration der Ortsabbildung zu korrigieren. Das führt jedoch zu einem im Wesentlichen parabolischen Spiegel 15, was sich negativ auf die Pupillenabbildung des Pupillenrelays auswirkt.
Das in 2 gezeigte Relaysystem nach Offner weist insbesondere für Anwendungen in Lithographiesystemen nur ungenügende Korrekturmittel bei zu brechkraftstarken Spiegeln auf und ist nicht als Pupillen-Relaysystem geeignet.
In 3 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Pupillen-Relaysystem dargestellt. Dieses basiert auf dem Offner-Relaysystem, wobei die ein- und ausgehenden Pupillen stark außeraxial angeordnet sind. Das System ist durch Aberrationen höherer Ordnung so stark begrenzt, dass mit einem Standard-Offnersystem selbst mit asphärischen Spiegeln (in 3 nicht dargestellt) nur eine ungenügende Abbildungsleistung erzielbar wäre.
Als zusätzliche Korrekturmittel wäre es grundsätzlich denkbar, weitere Asphären in das Design einzubringen. Dies ist jedoch aufgrund der sehr begrenzten Flächenanzahl nicht oder nur äußerst eingeschränkt möglich. Der große konkave Spiegel 15 ist bereits asphärisch ausgebildet, und auf dem kleinen konvexen Spiegel 16, auf dem ein Zwischenbild 17 der Relay-Abbildung abgebildet ist, wirkt sich eine Asphäre nicht auf die Bildqualität, sondern lediglich auf die Abbildungsqualität der Eintrittspupille 12 auf die Austrittspupille 13 aus.
Es ist daher erforderlich, im Wesentlichen brechkraftlose Linsen in das System einzubringen, die als ”Asphärenträger” fungieren können. Bringt man jedoch im vierfach durchtretenen Strahlengang zwischen dem großen Spiegel 15 und dem kleinen Spiegel 16 eine Platte oder Linse 18 aus dispersivem Material (z. B. Quarz) ein, so würden daraus sofort chromatische Aberrationen entstehen, die die Bandbreite des Gesamtdesigns stark einschränken. Die chromatischen Aberrationen lassen sich mit einer zweiten Platte oder Linse 19 eines anderen Materials (z. B. CaF2) korrigieren. Somit stehen prinzipiell vier zusätzliche Flächen zur Verfügung, welche als Asphärenträger dienen können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Spiegeln 15, 16 vorgesehen, von denen der große Spiegel 15 als Manginspiegel ausgebildet ist, sowie zwei zusätzliche Linsen 18, 19 und drei Asphären. Damit ist eine breitbandige hervorragende Abbildungsleistung erzielbar. Die Abbildung des kollimiert eintretenden Objekts in das kollimiert austretende Bild (afokale Abbildung) wurde durch die Verwendung zweier idealer Linsen auf eine 1:1 Projektion erreicht.
Bringt man das Relaysystem gemäß 3 in den Luftraum 7 des Ausgangssystem gemäß 1 ein, so erhält man das in 4 gezeigte System. Deutlich ist eine frei zugängliche Pupille 20 nach dem Relay-System erkennbar, welche wieder von der ursprünglich ersten Linsengruppe 1 aufgegriffen werden kann.
Weist das Relaysystem aus 3 eine ausreichende Korrektur der afokalen Abbildung sowie eine ausreichende Korrektur der Pupillenabbildung von P1 nach P2 auf, so lässt sich das Relaysystem nur mit minimalem Aberrationsverlust in das Originalsystem einfügen. Eine Nachkorrektur des Gesamtsystems ist nicht erforderlich.
In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pupillen-Relaysystems dargestellt. Mit diesem System soll der Nachteil eines Standard-Offnersystem mit zwei Spiegeln und drei Reflexionen überwunden werden, welches für die Ortsabbildung des Pupillenrelays trotz einer Asphärisierung des großen Spiegels 15 zu große Aberrationen aufweist. Dies lässt sich qualitativ so erklären, dass die Brechkraft des großen Spiegels 15 zu groß ist. Verwendet man jedoch einen Spiegel mit geringerer Brechkraft, so wird das Zwischenbild 17 nicht mehr auf dem kleinen Spiegel 16 zu liegen kommen. Ein Ausweg besteht darin, wie in 5 dargestellt den großen Spiegel 15 und den kleinen Spiegel 16 so auszugestalten, dass das Zwischenbild nach einer ersten Reflexion auf dem kleinen Spiegel 16 wiederum auf dem großen Spiegel 15 entsteht. Das bedeutet, dass im Gesamtsystem zwei Reflektionen vorgesehen sind. Die Abbildungsleistung des Systems ist gegenüber einem Standard-Offnersystem deutlich verbessert. Es ist zu beachten, dass die erforderliche Abbildungsleistung von Anwendung zu Anwendung verschieden ist und unter anderem vom Lichtleitwert des Relaysystems abhängt. Die notwendige deutlich vergrößerte außeraxiale Anordnung der Eintrittspupille 12 und der Austrittspupille 13 wird durch die Verringerung an Aberrationen höherer Ordnung durch die flacheren ashärischen Spiegel zumindest teilweise kompensiert. Durch die Verwendung eines katadioptrischen Systems ist die Farbreinheit der Abbildung sichergestellt und hängt im Wesentlichen nur noch von der Leistungsfähigkeit der Elementbeschichtungen ab.
In 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pupillen-Relaysystems dargestellt. Verringert man ausgehend von dem in 5 gezeigten System die Brechkraft der einzelnen Spiegel weiter, so erhält man einem Zweispiegelsystem, bei dem das Zwischenbild 17 nach einer Reflexion an dem großen Spiegel 15, einer Reflexion an dem kleinen Spiegel 16 und einer erneuten Reflexion an dem großen Spiegel 15 auf dem kleinen Spiegel 16 zu liegen kommt. Dies ist in 6 dargestellt. Die Abbildung der Eintrittspupille 12 in die Austrittspupille 13 erfährt also insgesamt sieben Reflexionen zuzüglich der Reflexionen an den faltenden Planspiegeln 21. Die Qualität der Abbildung liegt im vorliegenden Fall über 90% Strehl.
In 7 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pupillen-Relaysystems dargestellt. Das System unterscheidet sich von dem vorangehenden Ausführungsbeispiel in folgenden Punkten:

• Der große Spiegel 15 ist nicht als Manginspiegel, sondern als normaler Vorderflächenspiegel ausgelegt;
• Die im vorangehenden Ausführungsbeispiel vierfach durchtretenen Linsen 18, 19 sind nach unterhalb kleinen Spiegels 16 verschoben, so dass die Linsen 18, 19 in diesem Ausführungsbeispiel doppelt durchtreten sind;
• Der kleine Spiegel 16 ist auf der Linsenoberseite der ersten Linse 18 angeordnet, so dass die erste Linse 19 im inneren Bereich einfach verspiegelt sein kann. Dadurch entfällt eine Fassung für den Spiegel.

In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Pupillen-Relaysystem in geeigneter Kombination als Mischform aus dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel realisiert. Insbesondere kann der große Spiegel als Manginspiegel ausgestaltet und mit doppelt durchtretenen Linsen kombiniert sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der große Spiegel als Vorderflächenspiegel ausgestaltet und mit vierfach durchtretenen Linsen kombiniert. Ferner ist es möglich, den großen Spiegel als Manginspiegel auszugestalten, den kleinen Spiegel auf einer der Linsen anzuordnen und beides mit doppelt oder vierfach durchtretenen Linsen zu kombinieren. Weitere Kombinationen der Merkmale des dritten Ausführungsbeispiels mit den Merkmalen des vierten Ausführungsbeispiels liegen im Ermessen des Fachmanns.
In weiteren modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist das System so ausgestaltet, dass noch mehr Reflexionen (9, 11 oder mehr) zwischen den Spiegeln stattfinden, wobei die reine Abbildungsleistung mit der Anzahl der Reflexionen ansteigt. Ebenso ist es möglich, dass Ein- und Austrittspupille weiter außeraxial angeordnet sind. Die Anzahl der Reflektionen ist in der Praxis jedoch aufgrund ansteigender Transmissionsverluste durch die Reflexionen sowie durch die stark ansteigenden Dimensionen der Spiegel begrenzt.

Claims

Relayoptik zur Abbildung einer Pupille, mit einem konkaven Spiegel (15) und einem konvexen Spiegel (16), die derart angeordnet sind, dass ein Strahlengang zunächst an dem konkaven Spiegel (15), anschließend an dem konvexen Spiegel (16) und anschließend erneut an dem konkaven Spiegel (15) reflektierbar ist.
Relayoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang eine im Wesentlichen brechkraftlose erste Linse (18) oder erste Platte angeordnet ist, die eine asphärisch ausgestaltete Fläche aufweist.
Relayoptik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang eine zweite Linse (19) oder eine zweite Platte angeordnet ist, die eine asphärisch ausgestaltete Fläche aufweist.
Relayoptik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse (19) oder zweite Platte aus einem anderen Material gefertigt ist als die erste Linse (18) oder erste Platte.
Relayoptik nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (18) oder erste Platte aus einem dispersiven Material gefertigt ist.
Relayoptik nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse (19) aus CaF₂ gefertigt ist.
Relayoptik nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt mindestens drei Flächen der ersten Linse (18) oder ersten Platte und der zweiten Linse (19) oder zweiten Platte asphärisch ausgestaltet sind.
Relayoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Spiegel (15) als Manginspiegel ausgestaltet ist.
Relayoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Spiegel (15) und der konvexe Spiegel (16) derart ausgestaltet sind, dass ein Zwischenbild nach einer ersten Reflektion an dem konkaven Spiegel (15) und einer zweiten Reflektion an dem konvexen Spiegel (16) wiederum auf dem konkaven Spiegel (15) entsteht.
Relayoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Spiegel (15) und der konvexe Spiegel (16) derart ausgestaltet sind, dass ein Zwischenbild nach einer ersten Reflektion an dem konkaven Spiegel (15), einer zweiten Reflektion an dem konvexen Spiegel (16) und einer dritten Reflektion an dem konkaven Spiegel (15) wiederum auf dem konvexen Spiegel (16) entsteht.
Relayoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Spiegel und/oder der konvexe Spiegel asphärisch ausgestaltet sind.