DE102010041556A1 - Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie und Verfahren zur mikrolithographischen Abbildung - Google Patents

Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie und Verfahren zur mikrolithographischen Abbildung Download PDF

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Abstract

Eine Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Mikrolithographie zum Abbilden von Maskenstrukturen (22) eines bildgebenden Substrats (20) auf ein zu strukturierendes Substrat (30) umfasst eine Messvorrichtung (40), welche dazu konfiguriert ist, eine Lagebeziehung von auf einer Oberfläche eines der Substrate (20; 30) angeordneten Messstrukturen (32) zueinander in zumindest einer lateralen Richtung bezüglich der Substratoberfläche zu bestimmen und dabei mehrere lateral zueinander versetzt angeordnete Messstrukturen (32) zeitgleich zu vermessen.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zum Abbilden eines bildgebenden Substrats in Gestalt eines Retikels auf ein zu strukturierendes Substrat, insbesondere einen Wafer. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur mikrolithographischen Abbildung von Maskenstrukturen eines bildgebenden Substrats auf ein zu strukturierendes Substrat.
  • Bei der Herstellung von Mikrochips wird herkömmlicherweise ein Halbleiter-Wafer in mehreren aufeinander folgenden Belichtungsschritten zur Abbildung von gewünschten Strukturen lithographisch belichtet. Nach jedem Belichtungsschritt erfolgen prozesstechnische Verarbeitungsschritte zur Strukturierung des Wafers entsprechend der abgebildeten Strukturen, etwa durch Ätzverfahren und Materialablagerungen. Bei jedem Belichtungsschritt muss sichergestellt werden, dass die Belichtung bezüglich vorhergehenden Belichtungen in lateraler Richtung justiert ist. Mit anderen Worten soll erreicht werden, dass die mit der Belichtung erzeugten Strukturen lateral genau über den zuvor belichteten Strukturen, ggf. unter Berücksichtigung von im Design vorgesehenen Positionsabweichungen, erfolgt. Die laterale Justage der einzelnen Belichtungsebenen wird üblicherweise als „Overlay” bezeichnet.
  • Zur lateralen Justage werden herkömmlicherweise in früheren Belichtungsschritten gedruckte Referenzstrukturen bzw. Justagemarken auf dem Wafer sowie dem Wafertisch hinsichtlich deren lateraler Position vermessen. Dazu werden die Justagemarken nacheinander von einer Messoptik angefahren und vermessen. Um den Waferdurchsatz durch die Vermessung nicht zu limitieren erfolgt die Vermessung in vielen modernen Lithographieanlagen auf einem Messtisch, welcher benachbart zum Belichtungstisch angeordnet ist. Parallel zur Vermessung eines Wafers wird auf dem Belichtungstisch ein bereits vermessener Wafer belichtet. Die Messzeit ist dann auf die zur Belichtung eines Wafers benötigte Zeit begrenzt, um keine Verluste beim Waferdurchsatz hinnehmen zu müssen. Die dadurch notwendig werdenden Messzeiten können nur durch hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Messtisches erreicht werden. Dies wiederum führt zum unerwünschten Übertrag von Schwingungen des Messtischs auf den Belichtungstisch, woraus Lagefehler des lithographischen Bildes gegenüber der Solllage resultieren. Bei Lithographiebelichtungsanlagen mit nur einem Wafertisch geht die Messzeit linear in den Waferdurchsatz ein, weshalb in diesem Fall entsprechend großer technischer Aufwand zur Erreichung hoher Beschleunigungen und Geschwindigkeiten des Wafertisches bei der Vermessung des Wafers betrieben wird.
  • Darüber hinaus werden herkömmlicherweise auch Justagemarken auf dem zu belichtenden Retikel in der Projektionsbelichtungsanlage hinsichtlich ihrer lateralen Position vermessen. Dies erfolgt analog zur Wafervermessung mittels eines scannenden Verfahrens durch nacheinander erfolgendes Abtasten der Justagemarken.
  • Zugrunde liegende Aufgabe
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere eine laterale Positionsvermessung auf dem Wafer oder dem Retikel bei vertretbarem Aufwand in kürzerer Zeit gemessen werden kann.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • Die vorgenannte Aufgabe kann beispielsweise erfindungsgemäß gelöst werden mittels einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zum Abbilden von Maskenstrukturen eines bildgebenden Substrats auf ein zu strukturierendes Substrat. Die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage umfasst eine Messvorrichtung, welche dazu konfiguriert ist, eine Lagebeziehung von auf einer Oberfläche eines der Substrate angeordneten Messstrukturen zueinander in zumindest einer lateralen Richtung bezüglich der Substratoberfläche zu bestimmen und dabei mehrere lateral zueinander versetzt angeordnete Messstrukturen zeitgleich zu vermessen.
  • Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung dazu konfiguriert, entweder das bildgebende Substrat in Gestalt eines Retikels oder das zu strukturierende Substrat, z. B. in Gestalt eines Wafers oder eines Substrats für eine LCD-Anzeige, bezüglich der lateralen Lagebeziehung von auf dem Substrat angeordneten Messstrukturen zu vermessen. Diese Vermessung erfolgt parallel, d. h. mehrere Messtrukturen werden zeitgleich vermessen. Die Messvorrichtung ist damit dazu konfiguriert, über zumindest einen flächigen Abschnitt der Substratoberfläche verteilte Messstrukturen zeitgleich zu vermessen.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden dabei Abweichungen der lateralen Positionen der Messstrukturen von ihren Sollpositionen gemessen. Zwei der zeitgleich vermessenen Messstrukturen sind gemäß einer erfindungsgemäßen Variante mindestens 100 mm voneinander beabstandet, und insbesondere über die gesamte Substratoberfläche in beiden lateralen Koordinatenrichtungen versetzt. Durch Vergleich der erfindungsgemäß bestimmten lateralen Lagebeziehung der Messstrukturen zueinander mit Sollwerten kann eine Verzeichnung eines die Messstrukturen umfassenden Bildes einer vorausgehenden Belichtungsebene auf einem Wafer ermittelt werden.
  • Durch die erfindungsgemäße zeitgliche Vermessung mehrerer Messstrukturen zueinander auf der Waferoberfläche verringert sich die Messzeit zur Ermittlung der Messdaten, die zur lateralen Justage einer anstehenden Waferbelichtung bezüglich bereits auf dem Wafer befindlichen Strukturen benötigt werden. Damit verringern sich die Anforderungen an Geschwindigkeiten und Beschleunigung eines zur Messung verwendeten Messtisches, wodurch mögliche Schwingungsübertragungen auf den Belichtungstisch vermieden werden können. Weiterhin erlaubt die zeitgleiche Vermessung eine engmaschigere Vermessung des Wafers in dem vorhandenen Zeitfenster, wodurch die Qualität des Overlays zwischen einzelnen Belichtungsebenen gesteigert werden kann.
  • Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die laterale Lagebeziehung von über die gesamte Substratoberfläche verteilten Messstrukturen zeitgleich zu vermessen. Unter der gesamten Substratoberfläche wird die Oberfläche der der Messvorrichtung zugewandten Seite des Substrats verstanden. Mit anderen Worten weist die Messvorrichtung einen die gesamte Substratoberfläche abdeckenden Erfassungsbereich für die Vermessung der lateralen Lagebeziehung auf. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die Substratoberfläche zumindest abschnittsweise zu vermessen, und weist eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu konfiguriert ist, die Messergebnisse der einzelnen Substratabschnitte zusammenzufügen. Durch die abschnittsweise Vermessung kann der für die Messvorrichtung benötigte Bauraum und der Aufwand für die Messvorrichtung selbst reduziert werden.
  • Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die laterale Lagemessung am zu strukturierenden Substrat, und damit z. B. an einem Halbleiterwafer oder einem Substrat für eine LCD-Anzeige, vorzunehmen.
  • Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Messvorrichtung zur lateralen Lagemessung der Messstrukturen als interferometrische Messvorrichtung konfiguriert. Mit anderen Worten, ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, zur lateralen Lagemessung der Messstrukturen zwei Lichtstrahlen interferometrisch zu überlagern und aus dem daraus resultierenden Interferogramm die gewünschten Messwerte zu ermitteln.
  • Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Messvorrichtung mindestens zwei reflektive Elemente, welche dazu dienen, an den Messstrukturen durch Beugung in zwei Messstrahlen aufgeteiltes Messlicht auf die Messstrukturen zu rückzureflektieren. Die zwei Messstrahlen können insbesondere durch in positive und negative Beugungsordnung gebeugtes Messlicht gebildet werden. Gemäß einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung vier Reflexionselemete, nämlich jeweils zwei Reflexionselemente für jede laterale Messrichtung auf. Als Reflexionselemente können Spiegel oder Katzenaugenreflektoren dienen. Die Reflexionselemente sind vorzugsweise an entgegengesetzten Seiten des in der Messposition angeordneten Substrats platziert und weisen gemäß einer Ausführungsform eine Abmessung von mindestens 300 mm × mindestens 50 mm auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung weist die Messvorrichtung einen Strahlaufspalter zum Aufspalten von Messlicht vor Auftreffen auf das zu vermessende Substrat in zwei Messstrahlen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen auf. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Strahlaufspalter ein Beugungsgitter. Das Beugungsgitter kann als 2-dimensionales Gitter, z. B. mit schachbrettartigem Muster ausgebildet sein. Gemäß einer anderen Variante setzt sich das Beugungsgitter aus einzelnen Gittersegmenten in Gestalt von 1-dimensionalen Liniengittern zusammen, wobei die Liniengitter in zwei zueinander um 90° verdrehten Orientierungen vorliegen und die Gittersegmente unterschiedlicher Orientierung in Form eines Schachbrettmusters alternierend angeordnet sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messvorrichtung eine Messlichtquelle zum Erzeugen des Messlichts für die laterale Lagemessung und die Wellenlänge des Messlichts ist größer als die Gitterperiode des Strahlaufspalters. Damit wird sichergestellt, dass bei der Wechselwirkung des Messlichts mit dem Gitter des Strahlaufspalters Lichtanteile in sich von der nullten Beugungsordung unterscheidende Beugungsordnungen gelenkt werden. Gemäß einer Ausführungsform weist der Strahlaufspalter Gitter auf, die auf Gitterstrukturen auf dem Substrat abgestimmt sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, das Messlicht schräg zur zu vermessenden Substratoberfläche auf den Strahlaufspalter oder für eine Ausführungsform, in der kein Strahlaufspalter vorhanden ist, auf die Substratoberfläche einzustrahlen. Mit anderen Worten weicht die Ausbreitungsrichtung des Messlichts von der Oberflächennormalen ab. Die Abweichung beträgt insbesondere mindestens 0,1°, vorzugsweise mindestens 0,5°.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die beiden Messstrahlen des Messlichts unter unterschiedlichen Winkeln auf das in einer Messposition angeordnete Substrat zu lenken.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, mittels der zwei Messstrahlen erzeugte Bilder der Messstrukturen kohärent zu überlagern. Die Überlagerung ergibt ein Interferogramm, das zu Ermittlung der lateralen Lagebeziehungen der Messstrukturen ausgewertet wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, aus den lateralen Lagemessungen eine Verzeichnung über die Substratoberfläche zu bestimmen, und die Projektionsbelichtungsanlage weist weiterhin eine Belichtungssteuerungsvorrichtung auf, welche dazu konfiguriert ist, bei der Belichtung des Substrats den lokalen Abbildungsmaßstab dynamisch an die Verzeichnung anzupassen. Mit anderen Worten ermöglicht die erfindungsgemäße Messung eine dynamische Anpassung eines Maßstabsmanipulators bei der Belichtung eines Substrats. Unter der Verzeichnung wird hier insbesondere eine Feld-zu-Feld-Variation des Maßstabs von in einem früheren optischen Abbildungsvorgang auf die Substratoberfläche geschriebenen Strukturen verstanden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung weiterhin dazu konfiguriert, Topographiemessungen zeitgleich an mehreren Stellen der Substratoberfläche durchzuführen. Mit anderen Worten, wird eine Passemessung bzw. eine Messung von Höhenvariationen parallel an mehreren Stellen der Substratoberfläche durchgeführt. Vorzugsweise ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert ist, die Topographiemessung mit einer Genauigkeit von besser als 10 nm durchzuführen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die Messungen der lateralen Lagebeziehung der Messstrukturen und die Topographiemessungen zeitgleich durchzuführen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die lateralen Lagemessungen mit Messlicht einer ersten Wellenlänge und die Topographiemessungen mit Messlicht einer zweiten Wellenlänge durchzuführen. Die erste Wellenlänge unterscheidet sich von der zweiten Wellenlänge derart, dass eine separate Detektion von durch das Licht der einzelnen Wellenlängen erzeugten Interferogrammen möglich ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die Messwellenlängen um mindestens 100 nm. Als Wellenlängen kommt z. B. die eine Laserwellenlänge wie 1064 nm zusammen mit der frequenzverdoppelten Wellenlänge von 532 nm in Frage. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform unterscheidet sich das Messlicht für die Topographiemessungen von dem Messlicht für die lateralen Lagemessungen in der Polarisation.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weist die Messvorrichtung ein als Strahlaufspalter dienendes Beugungsgitter zum Aufspalten des Messlichts der ersten Wellenlänge in zwei Messstrahlen auf, wobei das Beugungsgitter derart konfiguriert ist, dass das Messlicht der zweiten Wellenlänge das Beugungsgitter mindestens zu 90% ungebeugt durchläuft. Damit wird die Erzeugung von Störlicht durch Beugung des für die Topographiemessung verwendeten Messlichts in eine sich von der nullten Beugungsordung unterscheidende Beugungsordung vermieden. Dies kann entweder dadurch erreicht werden, indem die zweite Wellenlänge größer als die Periode des Beugungsgitters gewählt wird oder indem ein speziell angepasstes Gitterprofil zur Unterdrückung höherer Beugungsordnungen verwendet wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Beugungsgitter gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Messlichts der zweiten Wellenlänge verkippt. Damit wird sichergestellt, dass an dem Strahlaufspalter von dem Messlicht der zweiten Wellenlänge erzeugte Rückreflexe die Messung nicht beeinträchtigen. Weiterhin ist insbesondere die Ausbreitungsrichtung des der Topographiemessung dienenden Messlichts gegenüber der Oberflächennormalen des zu vermessenden Substrats verkippt. Darüber hinaus ist es vorteilhalft, wenn das Beugungsgitter gegenüber der Oberfläche des zu vermessenden Substrats verkippt ist. All diese Massnahmen vermeiden, dass Störreflexe einen für die Messungen verwendeten Detektor erreichen. Weiterhin kann die Rückseite des Beugungsgitters mit einer Beschichtung zur weiteren Abschwächung von Störreflexen versehen sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, die Vermessung der gesamten Substratoberfläche in weniger als 10 Sekunden durchzuführen. Dabei kann erfindungsgemäß die Messvorrichtung dazu konfiguriert sein, die laterale Lagebeziehung der Messstrukturen zueinander mit einer Genauigkeit von besser als 1 nm zu bestimmen.
  • Weiterhin kann die vorgenannte Aufgabe beispielsweise mit einem Verfahren zur mikrolithographischen Abbildung von Maskenstrukturen eines bildgebenden Substrats auf ein zu strukturierendes Substrat gelöst werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Lagebeziehung von auf einer Oberfläche eines der Substrate angeordneten Messstrukturen zueinander in zumindest einer lateralen Richtung bezüglich der Substratoberfläche durch zeitgleiches Vermessen von mehreren lateral zueinander versetzt angeordneten Messstrukturen bestimmt. Weiterhin werden die Maskenstrukturen auf das zu strukturierende Substrat mittels einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie abgebildet, wobei während der Belichtung ein Abbildungsparameter auf Grundlage der lateralen Lagemessungen lokal variiert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während der Belichtung des Substrats der Abbildungsmassstab lokal variiert. Dies erfolgt auf Grundlage der lateralen Lagemessungen. Gemäß einer erfindungsgemäßen Variante umfassen die auf dem Substrat angeordneten Messstrukturen Beugungsgitter unterschiedlicher Periodizitäten. Diese sind vorzugsweise zur in In-sich-Reflexion der vorstehend erwähnten, mittels eines Strahlaufspalters erzeugten Messstrahlen konfiguriert. Gemäß einer Ausführungsform können die Gitterabschnitte unterschiedlicher Periodizität jeweils in zwei zueinander orthogonalen Gitterausrichtungen angeordnet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das zu strukturierende Substrat vermessen und die Gesamtheit der Messstrukturen bildet eine Netzstruktur mit einer Vielzahl von Netzmaschen, welche Produktflächen umgeben, die jeweils durch eine Abbildung des bildgebenden Substrats strukturiert werden können. Diese Produktflächen werden oft auch als „Die” bezeichnet.
  • Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Vermessen eines Substrats bereitgestellt, bei dem auf einer Oberfläche des Substrats angeordnete Messstrukturen zueinander in zumindest einer lateralen Richtung bezüglich der Substratoberfläche durch zeitgleiches interferometrisches Vermessen von mehreren lateral zueinander versetzt angeordneten Messstrukturen bestimmt wird.
  • Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage angegebenen Merkmale können entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren in den aufgeführten Ausführungsformen übertragen werden. Umgekehrt können die bezüglich der vorstehend ausgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale entsprechend auf die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage übertragen werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorstehenden sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:
  • 1 eine Veranschaulichung einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie in Schnittansicht mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Messvorrichtung zum Bestimmen einer Verzeichnung einer Oberfläche eines Wafers sowie der Topographie desselben,
  • 2 Spiegelelemente der Messvorrichtung gemäß 1 sowie der zu vermessende Wafer in Schnittansicht,
  • 3 die Anordnung gemäß 2 in Draufsicht,
  • 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Verwendung in der Projektionsbelichtungsanlage gemäß 1,
  • 5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Verwendung in der Projektionsbelichtungsanlage gemäß 1,
  • 6 eine Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Messvorrichtung nach 5,
  • 7 eine Veranschaulichung von Lichtpfaden zwischen einem diffraktiven optischen Element der Messvorrichtung nach 5 und dem zu vermessenden Wafer,
  • 8 eine Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Variante der Messvorrichtung gemäß 5,
  • 9 eine Draufsicht auf zwei verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen einer Beugungsmusteranordnung auf einem diffraktiven Element der Messvorrichtung gemäß 5,
  • 10 eine Draufsicht auf eine Messstrukturanordnung auf einer mittels der Messvorrichtung gemäß 5 zu vermessenden Waferoberfläche,
  • 11 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Verwendung in der Projektionsbelichtungsanlage gemäß 1,
  • 12 eine Veranschaulichung von Lichtpfaden zwischen einem diffraktiven optischen Element der Messvorrichtung nach 11 und dem zu vermessenden Wafer,
  • 13 eine Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Variante des diffraktiven optischen Elements zur Verwendung in der Messvorrichtung gemäß 11, sowie
  • 14 eine Veranschaulichung einer weiteren erfindungsgemäßen Variante des diffraktiven optischen Elements zur Verwendung in der Messvorrichtung gemäß 11.
  • Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
  • In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.
  • Zur Erleichterung der Beschreibung der Projektionsbelichtungsanlage ist in der Zeichnung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In 1 verläuft die x-Richtung nach rechts, die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein und die z-Richtung nach oben.
  • In 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie in einer Ausführungsform nach der Erfindung veranschaulicht. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 umfasst ein Beleuchtungssystem 12 zur Beleuchtung eines bildgebenden Substrats in Gestalt einer Maske 20 mit einer Belichtungsstrahlung 15 sowie ein Projektionsobjektiv 18. Das Projektionsobjektiv 18 dient dazu, Maskenstrukturen 22 aus einer Maskenebene auf ein zu strukturierendes Substrat in Gestalt eines Wafers 30 abzubilden. Als zu strukturierendes Substrat kann neben einem Siliziumwafer beispielsweise auch ein Substrat für eine LCD-Anzeige, ein transparentes sogenanntes „Flat-Panel” zum Einsatz kommen.
  • Das Beleuchtungssystem 12 umfasst eine Belichtungsstrahlungsquelle 14 zur Erzeugung der Belichtungsstrahlung 15. Die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung 15 kann je nach Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage 10 im UV-Wellenlängenbereich, z. B. bei 248 nm oder 193 nm oder auch im extrem ultravioletten Wellenlängenbereich (EUV), z. B. bei etwa 13,5 nm oder 6,8 nm liegen. Je nach Belichtungswellenlänge sind die optischen Elemente des Beleuchtungssystems 12 und des Projektionsobjektivs 18 als Linsen und/oder als Spiegel ausgeführt.
  • Die von der Belichtungsstrahlungsquelle 14 erzeugte Belichtungsstrahlung 15 durchläuft eine Strahlaufbereitungsoptik 16 und wird daraufhin von einem Illuminator 17 auf die Maske 20 eingestrahlt. Die Maske 20 wird von einem Maskentisch 24 gehalten, welcher gegenüber einem Rahmen 19 der Projektionsbelichtungsanlage 10 verschiebbar gelagert ist. Der Wafer 30 ist auf einem Belichtungstisch 33 angeordnet, welcher als Waferverschiebevorrichtung dient.
  • Der Belichtungstisch 33 umfasst einen Waferhalter 34 zum Fixieren des Wafers 30 von dessen Unterseite her, beispielsweise durch Unterdruck, sowie eine Verschiebebühne 36, mittels welcher der Wafer 30 quer zur optischen Achse des Projektionsobjektivs 18, d. h. in x- und y-Richtung gemäß des Koordinatensystems aus 1 verschoben werden kann. Weiterhin ermöglicht die Verschiebebühne 36 eine Verschiebung des Wafers 30 in Richtung der optischen Achse und damit in z-Richtung gemäß dem Koordinatensystem aus 1. Eine derartige Verschiebung in z-Richtung dient insbesondere dazu, bei der Belichtung des Wafers 30 dessen Oberfläche 31 im Fokus der Belichtungsstrahlung 15 zu halten.
  • Üblicherweise wird die Oberfläche 31 des Wafers 30 abschnittsweise, d. h. Feld für Feld, belichtet. Dabei werden sowohl Wafer 30 als auch Maske 20 entlang der x-Achse gegenläufig bewegt, so dass ein schlitzförmiger Belichtungsbereich über die Waferoberfläche 31 gescannt wird. Dies erfolgt mehrfach, so dass die Maske 20 nebeneinander in Gestalt einer Vielzahl von Feldern auf der Waferoberfläche 31 abgebildet wird.
  • In die Projektionsbelichtungsanlage 10 ist eine Messvorrichtung 40 integriert, welche dazu konfiguriert ist, den Wafer 30 einerseits vollflächig bezüglich seiner Verzeichnung und andererseits bezüglich Topographievariationen zu vermessen. Unter der Verzeichnung des Wafers 30 wird eine Abweichung von relativen Positionen von auf der Waferoberfläche 31 angeordneten Messstrukturen zueinander in lateraler Richtung, d. h. in der X-Y-Ebene, verstanden. Die Messstrukturen sind in 1 mit dem Bezugszeichen 32 versehen und wurden in einem vorausgehenden Waferbearbeitungsschritt auf den Wafer 30 aufgebracht. Die Messstrukturen 32 sind als Gitterstrukturen ausgebildet, wie nachstehend näher beschrieben.
  • In einer Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage 10 wird der Wafer 30 zur Vermessung auf den Belichtungstisch 33 unterhalb der Messvorrichtung 40 angeordnet. Dazu wird der Belichtungstisch 33 in die in 1 gezeigte Stellung quer zur optischen Achse des Projektionsobjektivs 18 verschoben. In einer alternativen Ausführungsform weist die Projektionsbelichtungsanlage 10 einen separaten Messtisch 38 auf, von dem der Wafer 30 bei der Vermessung mittels der Messvorrichtung 40 angeordnet wird, während sich gleichzeitig ein bereits vermessener Wafer 30 auf dem Belichtungstisch 33 befindet und parallel belichtet wird.
  • Die Messvorrichtung 40 ist als flächig vermessende optische Messvorrichtung ausgeführt, d. h. bei der Vermessung sowohl der Verzeichnung als auch der Oberflächentopographie des Wafers 30 werden zeitgleich an mehreren Stellen der Oberfläche 31 entsprechende Messwerte ermittelt, im einen Gegensatz zu einer Punkt-für-Punkt-Abtastung der Waferoberfläche 31.
  • Die Messvorrichtung 40 umfasst zwei Messlichtquellen 41 und 43 zur Erzeugung von Messlicht unterschiedlicher Wellenlänge. Eine erste Messlichtquelle 41 erzeugt ein erstes Messlicht 42 mit einer Wellenlänge λ1, welches zur Oberflächentopographiemessung, nachfolgend auch als Passemessung bezeichnet, Verwendung findet. Die zweite Messlichtquelle 43 erzeugt ein zweites Messlicht 44 mit einer Wellenlänge λ2, welches zur Messung der lateralen Platzierung der Messstrukturen und damit zur Verzeichnungsmessung eingesetzt wird. Das Messlicht beider Messlichtquellen 41 und 43 wird über einen jeweiligen Lichtleiter 45 auf einen Strahlteiler 48 eingestrahlt. Für das Messlicht 42 kommen Wellenlängen im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich, wie nachstehend näher erläutert, in Frage. So kommen als Messlichtquellen beispielsweise Helium-Neon-Laser, Laserdioden, Festkörperlaser und LED's in Frage.
  • Für das Messlicht sollten Wellenlängen gewählt werden, bei denen der zur Belichtung mit der Belichtungsstrahlung 15 vorgesehene Photolack auf dem Wafer 30 nicht empfindlich ist. Vorzugsweise sollten die Messwellenlängen unterhalb der Belichtungsschwelle des Photolacks sein. Gemäß einer Ausführungsform wird die Messwellenlänge derart gewählt, dass die Energie der damit erzeugten Photonen unterhalb der Bandlücke von Silizium ist. Damit kann eine Wafererwärmung während der Messung minimiert werden. Das Messlicht 42 zur Passemessung wird vom Strahlteiler 48 in Richtung der Waferoberfläche 31 umgelenkt. Vor dem Auftreffen auf die Waferoberfläche 31 durchläuft das Messlicht einen Fizeau-Kollimator 50.
  • Der Fizeau-Kollimator 50 weist eine Fizeau-Fläche 52 auf, an der ein Teil des Messlichts 42 als Referenzlicht zurückreflektiert wird, während der unreflektierte Teil des Messlichts 42 an der Waferoberfläche 31 reflektiert wird und daraufhin mit dem Referenzlicht nach Durchlaufen einer Kollimatorlinse 58 in Gestalt eines Okulars auf einer Detektionsfläche 61 eines ortsauflösenden Detektors 60 in Gestalt einer CCD-Kamera interferiert. Gemäß einer Ausführungsform ist der Fizeau-Kollimator 50 als hochgeöffneter Kollimator mit einem Brennweite-zu-Durchmesser-Verhältnis f/d < 1 ausgeführt, wodurch Bauraum in der Projektionsbelichtungsanlage 10 gespart werden kann.
  • Das Interferogramm auf der Detektionsfläche 61 wird vom Detektor 60 erfasst. Aus dem erfassten Interferogramm wird mittels einer Auswerteeinrichtung 62 der Oberflächenverlauf des vom Messlicht 42 bestrahlten Abschnitts der Waferoberfläche 21 bestimmt. Mit anderen Worten wird die Oberflächentopographie des Wafers 30 zumindest abschnittsweise ermittelt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Erfassungsbereich der Messvorrichtung 40 groß genug, um die gesamte Waferoberfläche 31 gleichzeitig hinsichtlich einer Oberflächentopographie zu vermessen.
  • Das Messlicht 44 zur Platzierungsmessung wird ebenfalls von dem Strahlteiler 48 in Richtung der Waferoberfläche 31 umgelenkt. Dabei ist die Ausbreitungsrichtung des Messlichts 44 leicht gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Messlichts 42 verkippt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel breitet sich das Messlicht 42 entlang der optischen Achse 51 des Fizeau-Kollimators aus, während die Ausbreitungsrichtung des Messlichts 44 gegenüber der optischen Achse 51 derart verkippt ist, dass beim Durchlaufen des Fizeau-Kollimators 50 an der Fizeau-Fläche 52 erzeugte Rückreflexe des Messlichts 44 an einer vor der Kollimatorlinse 58 angeordneten Blende 56 abgeblockt werden, so dass diese die Platzierungsmessung und bei gleichzeitiger Durchführung der Passemessung auch die Passemessung nicht stören können.
  • Nach Durchlaufen des Fizeau-Kollimators 50 trifft das Messlicht 44 auf die Waferoberfläche 31 und wird von den dort angeordneten Messstrukturen 32 in Gestalt von Gitterstrukturen in minus erster bzw. plus erster Beugungsordnung auf schräg oberhalb des Wafers 30 angeordnete Planspiegel 54 reflektiert. Dieser Strahlverlauf ist in 2 anschaulich dargestellt. Allgemein gesprochen wird die Messstrahlung 44 an der Messstruktur 32 in zwei von Null verschiedene Beugungsordnungen, im vorliegenden Fall die minus erste Beugungsordnung und die plus erste Beugungsordnung reflektiert.
  • Das Licht der minus ersten Beugungsordnung bildet einen ersten Messstrahl 44a und das Licht der plus ersten Beugungsordnung einen zweiten Messstrahl 44b. Das Licht des ersten Messstrahls 44a läuft nach Reflektion an dem Planspiegel 54 wieder zur Messstruktur 32 zurück. Dort läuft das in minus erster Beugungsordnung an der Messstruktur 32 reflektierte Licht des ersten Messstrahls 44a im Strahlengang des eingehenden Messlichts 44 zum Strahlteiler 48 zurück, durchläuft diesen und trifft auf die Detektionsfläche 61. Das Licht des zweiten Messstrahls 44b läuft nach Reflektion an dem zweiten Planspiegel 54 nach Beugung an der Messstruktur 32 in plus erster Beugungsordnung ebenfalls durch den Strahlteiler 48 und interferiert mit dem Licht des ersten Messstrahls 44a auf der Detektionsfläche 31.
  • Das Bild auf der Detektionsfläche 61 ist eine kohärente Überlagerung der Bilder über die beiden Spiegel 54 und bildet damit ein Interferogramm. Das Interferogramm enthält Informationen zur relativen Phase der beiden Wege der Messstrahlen 44a und 44b und damit der Position der Messstruktur 32. Bezug nehmend auf 2 wird die Phase des Lichts des ersten Messstrahls 44a auf der Detektionsfläche 61 mit φ1 und die Phase des Lichts des zweiten Messstrahls 44b auf der Detektionsfläche 61 mit φ2 bezeichnet. Bei einer Verschiebung der Messstruktur 32 um Δx ergibt sich folgende Phasendifferenz: Δφ = φ1 – φ2 = 4·2π·Δx/p (1) wobei p die Gitterperiode der Messstruktur 32 ist. Bei einer Verschiebung der Messstruktur 32 um eine Periode p folgt damit ein Phasenhub Δφ von viermal der Wellenlänge des Messlichts 44. Die Phasendifferenz Δφ kann aus dem durch die kohärente Überlagerung der Bilder über die beiden Spiegel 54 erzeugten Interferogramm abgelesen werden und daraus eine Abweichung der Position der betreffenden Messstruktur 32 in Richtung der x-Koordinate von ihrer Sollposition bestimmt werden.
  • 3 zeigt die Anordnung des Wafers 30 und der Planspiegel 54 gemäß 1 in Draufsicht. Die in 1 mit dem Bezugszeichen 54 gekennzeichneten Spiegel entsprechen in der Bezeichnung gemäß 3 den Spiegeln 54a. Diese Spiegel dienen der lateralen Positionsbestimmung von Messstrukturen bezüglich der x-Koordinate. Als Messstrukturen dienen hierzu die Liniengitter 32a, deren Gitterlinien in y-Richtung verlaufen. Zur vollflächigen Vermessung des Wafers 30 sind die Liniengitter 32a in einer netzartigen Anordnung auf der Waferoberfläche 31 platziert. Zur Vermessung der Position von Messstrukturen in y-Richtung sind entsprechende Gitterstrukturen 32b auf der Waferoberfläche 31 angeordnet, deren Gitterlinien in x-Richtung verlaufen.
  • Die Gitterstrukturen 32b beugen das einfallende Messlicht 44 auf die Spiegel 54b, welche in +/–y-Richtung schräg oberhalb hin bezüglich des Wafers 30 angeordnet sind. An den Schnittpunkten 33 der Beugungsstrukturen 32a und 32b kann die Position in beiden Koordinatenrichtungen x und y bestimmt werden. Insgesamt bilden die Liniengitter 32a und 32b eine Netzstruktur auf der Waferoberfläche 31, wobei die jeweiligen Flächenbereiche innerhalb der Netzmaschen als Belichtungsfelder 68 vorgesehen sind, auf welche jeweils die Maske 20 abgebildet wird. Die Belichtungsfelder 68 werden oft als „Die” bezeichnet. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Planspiegel 54a und 54b eine laterale Ausdehnung von mindestens 300 mm und eine vertikale Ausdehnung von mindestens 50 mm auf.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform weisen, wie bereits vorstehend erwähnt, das Messlicht 42, welches zur Passemessung dient, und das Messlicht 44, welches zur Platzierungsmessung dient, unterschiedliche Wellenlängen auf. So kann beispielsweise die Wellenlänge λ1 des Messlichts 44 zwischen 532 nm und 633 nm liegen, und die Wellenlänge λ2 des Messlichts 42 zwischen 700 nm und 1064 nm. Der Fizeau-Kollimator 50 und das Okular in Gestalt der Kollimatorlinse 58 sollten farbkorrigiert sein. Ähnliche Wellenlängen für die beiden Messungen erleichtern die Farbkorrektur. Zur zeitgleichen Ausführung von Passemessung und Platzierungsmessung, erfolgen die Messungen wellenlängenselektiv. Dies kann z. B. erfolgen, indem der ortsauflösende Detektor 40 die auf der Detektionsfläche 61 erzeugten Intensitätsverteilungen wellenlängenselektiv vermisst. Alternativ kann auch ein Farbstrahlteiler im Detektionsmodul der Messvorrichtung 40 vorgesehen sein, wie nachstehend mit Bezug auf 4 erläutert.
  • Anstatt unterschiedlicher Wellenlängen kann auch unterschiedliche Polarisation für die verschiedenen Messungen verwendet werden. In einer alternativen Ausführungsform wird für die Passemessung und die Platzierungsmessung Messlicht der gleichen Wellenlänge verwendet und die beiden Messvorgänge werden nacheinander durchgeführt.
  • Nach Durchführung der Passe- und Platzierungsmessungen werden die ermittelten Messwerte in einer in 1 dargestellten Aufzeichnungseinrichtung 64 gespeichert. Daraufhin wird der Wafer 30 unter das Projektionsobjektiv 18 verschoben. Dazu erfolgt je nach Ausführungsform ein Umladen des Wafers 30 vom Messtisch 38 auf den Belichtungstisch 32 oder aber der Wafer 30 verbleibt auf dem Belichtungstisch 32, welcher unter das Projektionsobjektiv 18 verfährt. Bei der nun folgenden Belichtung des Wafers 30 werden sowohl die Passe- als auch die Platzierungsmesswerte von der Aufzeichnungseinrichtung 64 an eine Steuerungseinrichtung 66 übermittelt. Die Steuerungseinrichtung 66 steuert einerseits anhand der Passemesswerte die Fokusposition (z) der Belichtungsstrahlung 15 und andererseits anhand der Platzierungsmesswerte die x,y-Position sowie gegebenenfalls den Abbildungsmaßstab während der Belichtung des Wafers 30. Zur Steuerung des Abbildungsmaßstabs während der Belichtung wird dieser dynamisch an die lokale gemessene Verzeichnung der Messstrukturen 32 angepasst.
  • Die Messvorrichtung 40 stellt Messdaten zur Verfügung, anhand derer eine hochfrequente Verzeichnung auf der Waferoberfläche korrigierbar ist. Unter hochfrequenter Verzeichnung wird eine Verzeichnung verstanden, welche höherfrequenter ist als herkömmliche Maßstabsfehler. Herkömmliche Maßstabsfehler sind proportional zur ersten Potenz der Koordinate entlang des Scannerschlitzes. Damit sind anhand der von der Messvorrichtung 40 bereitgestellten Messdaten Verzeichnungen korrigierbar, welche zur dritten oder einer höheren Potenz der Koordinate entlang des Scannerschlitzes proportional sind.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 40. Diese unterscheidet sich von der Messvorrichtung 40 gemäß 1 in zwei Gesichtspunkten. Der erste Gesichtspunkt besteht darin, dass anstatt von Planspiegeln Katzenaugenspiegelarrays 154 zur Reflektion des gebeugten Messlichts 44 verwendet werden. Ein Katzenaugenspiegel reflektiert eine einlaufende Planwelle präzise in sich selbst zurück. Dabei ist die Justage des Katzenaugenspiegels unkritisch. Die Verwendung eines Katzenaugenspiegelarrays 154 ermöglicht es, für beliebige Gitterperioden auf dem Wafer 30 eine in sich zurücklaufende Reflektion zu erreichen, ohne eine Neujustage der Reflektoren vornehmen zu müssen.
  • Der zweite sich von der Ausführungsform gemäß 1 unterscheidende Gesichtspunkt in der Ausführungsform gemäß 4 besteht in der Verwendung eines Farb-Strahlteilers 170 im Strahlengang der Messstrahlung 42 und 44 nach der Kollimatorlinse 58. Der Farb-Strahlteiler 170 ist so konfiguriert, dass das Messlicht 44 mit der Wellenlänge λ2 den Strahlteiler durchläuft, während das Messlicht 42 mit der Wellenlänge λ1 an diesem reflektiert wird. Somit ist es möglich, die Messlichtanteile der Passemessung sowie der Platzierungsmessung zu separieren. Für jeden der Messlichtanteile ist ein eigener Detektor 60 vorgesehen. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Passemessung und die Platzierungsmessung zeitgleich unter Verwendung von Wellenlängen-unselektiven Detektoren durchgeführt werden.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform 40 einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Verwendung in der Projektionsbelichtungsanlage 10 gemäß 1. Diese ist in der dargestellten Ausführungsform lediglich zur Platzierungsmessung bzw. Verzeichnungsmessung konfiguriert. Die Messvorrichtung 40 gemäß 5 unterscheidet sich von der Messvorrichtung 40 gemäß 1 neben dem fehlenden Messstrahlengang für die Topographiemessung darin, dass sie keine Planspiegel 54 aufweist. Vielmehr ist bei der Messvorrichtung 40 gemäß 5 zwischen dem Fizeau-Kollimator 50 und dem Wafer 30 ein diffraktives optisches Element 70 angeordnet.
  • Das diffraktive optische Element 70 umfasst Gitterstrukturen 72 zum jeweiligen Aufspalten des eingehenden Messlichts 44 in zwei Messstrahlen 74a bzw. 74b. 6 zeigt den Strahlengang für eine Gitterstruktur 72 im Detail. 6 zeigt die Anordnung des diffraktiven optischen Elements 70 sowie des Wafers 30 im Detail. Die Gitterstruktur 72 ist dort mit dem Buchstaben „A” bezeichnet. Die Aufspaltung des eingehenden Messlichts 44 in die Messstrahlen 74a und 74b erfolgt durch Beugung am Gitter A in minus erster bzw. plus erster Beugungsordnung. Die Messstrahlen 74a und 74b werden daraufhin an den Messstrukturen 32 an der Oberfläche des Wafers 30 durch Beugung in plus erster bzw. minus erster Beugungsordnung in sich selbst zurückreflektiert. Die Gitterstruktur 72 ist vorteilhafterweise mit einem Durchmesser von mindestens 300 mm ausgeführt, um den Wafer 30 vollflächig vermessen zu können.
  • Die Messstrukturen 32 sind ebenfalls als Gitterstrukturen ausgeführt und sind in 6 als Gitter „B” bezeichnet, wobei das den Messstrahl 74a reflektierende Gitter 32 an einer Position 1 und das den Messstrahl 74b reflektierende Gitter 32 an einer Position 2 angeordnet sind, weshalb die entsprechenden Gitter als „B_pos1” bzw. „B_pos2” bezeichnet sind. Die zurückreflektierten Messstrahlen 74a und 74b werden an der Gitterstruktur 72 in minus erster bzw. plus erster Beugungsordnung im Durchtritt gebeugt und damit in den Strahlengang des eingehenden Messlichts 44 zurückgeführt. Die von den beiden Messstrahlen 74a und 74b erzeugten Bilder überlagern sich auf der Detektionsfläche 61 analog zur Situation bei der Messvorrichtung 40 gemäß 1 kohärent. Bei einer Verschiebung des Wafers 30 in x-Richtung um – den Betrag Δx ergibt sich die folgende Phasendifferenz: Δφ = φ1 – φ2 = 4π·Δx/p (2) wobei p die Gitterperiode der Messstrukturen 32 bezeichnet. Im Vergleich zur bei der Anordnung gemäß 2 erzeugten Phasendifferenz ergibt sich gemäß 6 bei der gleichen Verschiebung Δx nur die Hälfte an Phasendifferenz.
  • Die aus der gemessenen Phasendifferenz errechnete Position entspricht der Schwerpunktsverschiebung der Positionen der Gitter B_pos1 und B_pos2. 7 zeigt das diffraktive optische Element 70 sowie den Wafer 30 gemäß 5 für mehrere Messkanäle, die jeweils durch eine Gitterstruktur 72 sowie die zwei zugehörigen Messstrukturen 32 gebildet werden. Bei der Anordnung der Gitterstrukturen 72 auf dem diffraktiven optischen Element ist es wichtig sicherzustellen, dass kein Störlicht 44s, welches beispielsweise durch Reflektion des Messlichts 74a bzw. 74b durch Beugung an den Messstrukturen 32 entsteht, den Detektor 60 erreicht. Die Gitterstrukturen 72 werden daher so auf dem Wafer 30 angeordnet, dass das Störlicht 44s nicht auf Gitterstrukturen 72 des diffraktiven optischen Elements 70, trifft, sondern vielmehr an den Bereichen des Elements 70 zwischen den Gitterstrukuren 72 reflektiert wird. Damit kann das Störlicht nicht in einen anderen Messkanal eingekoppelt werden, was die Messung verfälschen würde.
  • Es ist weiterhin möglich, auf dem als Strahlteiler fungierenden diffraktiven optischen Element 70 unterschiedliche Gitter anzuordnen. Diesen sollten entsprechend angepasste Gitter auf dem Wafer 30 zugeordnet sein. Weiterhin können spezielle Gitter auf dem diffraktiven optischen Element 70 vorgesehen sein, welche die Position des Messtisches 38 erfassen. Derartige Gitter sind zu Gitterstrukturen auf dem Messtisch 38 angepasst.
  • 8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Messvorrichtung 40 zur Verwendung in der Projektionsbelichtungsanlage 10 gemäß 1. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 5 lediglich darin, dass die Messstrahlung 44 nicht senkrecht sondern unter einem Winkel α bezüglich der Normalen auf das diffraktive optische Element 70 eingestrahlt wird. Die Beugung der in minus bzw. plus erster Beugungsordnung erzeugten Messstrahlen 74a und 74b weisen dann unterschiedliche Auftreffwinkel auf der Waferoberfläche auf. Um die entsprechende Zurückreflexion der Messstrahlen zu gewährleisten, weisen die Messstrukturen 32 auf dem Wafer 30 unterschiedliche Perioden auf, das Gitter B_pos1 die Periode ν – Δν und das Gitter an B_pos2 die Periode ν + Δν, wobei: ν == 2·νGitter A und Δν == 2·1/λ·sin(α), (3) wobei νGitter A die Periode der Gitterstruktur 72 bezeichnet. Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Winkel α mindestens 0,1°.
  • Durch den asymmetrischen Strahlengang in der Anordnung gemäß 8 kann vermieden werden, dass sich Störlicht 44s in einen benachbarten Messkanal einkoppelt, unabhängig von der Anordnung der Gitterstrukturen 72 auf dem diffraktiven optischen Element 70. Damit können die Messstrukturen 72 an beliebigen Orten auf der Waferoberfläche 31 angeordnet werden. Die Gitterstruktur 72 kann auch vollflächig ausgeführt werden. Mit der Ausführungsform gemäß 8 kann die Größe und Lage der Belichtungsfelder 68 bzw. „Dies” aus dem Gesichtspunkt der Platzierungsmessung beliebig gewählt werden.
  • 9 zeigt unter (a) sowie (b) zwei verschiedene Varianten für eine vollflächige Anordnung der Waferstruktur 72 auf dem diffraktiven optischen Element 70. In der Variante (a) besteht die Gitterstruktur 72 aus einer schachbrettartigen Anordnung alternierend in x- und y-Richtung ausgerichteter Gitterabschnitte. Damit können Schwerpunktkoordinaten der jeweils angestrahlen Gitterpaare B_pos1 sowie B_pos2 auf dem Wafer 30 hinsichtlich der x- oder der y-Koordinate vermessen werden. Die Gitterausrichtung der Gitterpaare B_pos1 und B_pos2 definiert, ob x- oder y-Komponente vermessen wird. In der Variante (b) ist die Gitterstruktur 72 als zweidimensionales Rautengitter ausgebildet, mit dem ebenfalls eine Positionsvermessung hinsichtlich der x- oder der y-Komponente vorgenommen werden kann.
  • 10 zeigt eine mögliche Anordnung der Messstrukturen 32 auf dem Wafer 30 zur Verwendung in der Ausführungsform gemäß 8. Hierbei sind die Messstrukturen B_pos1 und B_pos2 zur Vermessung der x-Koordinate des jeweiligen Schwerpunkts mit 32a und 32b bezeichnet. Die Gitterstrukturen zur Vermessung der jeweiligen Schwerpunktskoordinate in y-Richtung sind mit 132a und 132b bezeichnet. Wie aus 10 hervorgeht, sind die Gitterstrukturen 32a und 32b in alternierender Anordnung in horizontalen Streifen angeordnet, während die Gitterstrukturen 132a und 132b in vertikalen Streifen angeordnet sind, so dass sich insgesamt eine Netzstruktur ergibt, deren Maschen die Belichtungsfelder 68 umgeben.
  • 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung 40 zur Verwendung in der Projektionsbelichtungsanlage 10 gemäß 1. Diese Ausführungsform umfasst wie die Ausführungsform gemäß 5 ein diffraktives optisches Element 70. Das diffraktive optische Element 70 ist gemäß 11 jedoch gegenüber dem Wafer 30 verkippt. Dies ermöglicht es, gleichzeitig eine Passemessung mittels des Messlichts 42 einer bereits aus 1 bekannten Messlichtquelle 41 durchzuführen. Die Verkippung des diffraktiven optischen Elements 70 führt dazu, dass das Messlicht 42 nicht senkrecht auf das diffraktive optische Element 70 auftrifft und somit keine störenden Rückreflexe den Detektor 60 durch die Blende 56 erreichen. Die Periode der Gitterstruktur 72 ist derart gewählt, dass die Wellenlänge λ2 des Messlichts 42 die Gitterstruktur 72 ungebeugt durchläuft, während die Wellenlänge λ1 des Messlichts 44 in minus und plus erster Beugungsordnung gebeugt wird.
  • 12 zeigt die Lichtwege sowohl für das Messlicht 44 zur Verzeichnungs- bzw. Platzierungsmessung als auch das Messlicht 42 zur Passe- bzw. Topographiemessung im Bereich des diffraktiven optischen Elements 70 sowie des Wafers 30 gemäß 11. Dabei sind in 12 Strahlen für die Platzierungs- und die Passemessung nebeneinander eingezeichnet. Das Messverfahren erlaubt jedoch eine vollflächige Vermessung der Passe an allen Positionen und gleichzeitig dazu eine Vermessung der Platzierung für alle vorhandenen Platzierungsgitter. Eine räumliche Separation in Bereiche für Platzierung oder Passe ist nicht notwendig. Das eingehende Messlicht ist mit 44e bzw. 42e gekennzeichnet. Weiterhin zeigen in der Figur dicke Linien die Nutzlichtwege, die für die Platzierungsmessung das eingehende Messlicht 44e, die Messstrahlen 44a und 44b sowie den zurücklaufende Nutzlichtstrahl 44n umfassen. Für die Passemessung umfasst der Nutzlichtweg das eingehende Messlicht 42e, welches das diffraktive optische Element 70 ohne Richtungsablenkung durchläuft sowie nach Reflektion an der Waferoberfläche 31 den ins Interferometer zurücklaufenden Strahl 42n.
  • Weiterhin sind in 12 Störlichtwege mit dünnen Linien eingezeichnet. Störlichtwege entstehen durch Beugung des Nutzlichts an einem der Gitter 72, 32a und 32b. In 12 sind einige Störlichtwege eingezeichnet, die in nullter, minus erster und plus erster Beugungsordnung an einem der Gitter 72, 32a und 32b entstehen. So entsteht beispielsweise ein Störlichtweg bei Durchlaufen des Gitters 72 durch das eingehende Messlicht 44e in nullter Beugungsordnung, Reflektion an der Waferoberfläche 31 und darauf folgendes Durchlaufen der Gitterstruktur 72 in nullter, plus erster oder minus erster Beugungsordnung. Die hieraus resultierenden Störlichtstrahlen sind in 12 mit b, c und d gekennzeichnet.
  • Ein weiteres Beispiel für Störlicht im Platzierungskanal betrifft Licht des Messstrahls 44a, welches bei Reflektion an dem Gitter 32a nicht in minus erster Beugungsordnung zurückreflektiert wird, sondern in nullter Beugungsordnung auf das diffraktive optische Element 70 zuläuft und daraufhin an dem Gitter 72 in plus erster Beugungsordnung gebeugt wird und in die Optik der Messvorrichtung 40 zurückläuft. Das daraus resultierende Störlicht wird mit a bezeichnet. Auf ähnliche Weise können sich im Passekanal Störlichtwege ergeben, beispielsweise wenn das eingehende Messlicht 42e an dem Gitter 72 in einer von Null verschiedenen Beugungsordnung gebeugt wird und daraufhin auf eines der Beugungsgitter 32a und 32b fällt.
  • Wie bereits vorstehend erwähnt, ist das diffraktive optische Element 70 gegenüber dem Wafer 30 verkippt und zwar um den in 12 eingezeichneten Winkel β. Weiterhin ist der Einfallswinkel des eingehenden Messlichts 44e zur Platzierungsmessung gegenüber der Normalen zur Waferoberfläche 31 um den Winkel α verkippt. Die Dimensionierung der Kippwinkel α und β erfolgt so, dass möglichst wenig Störlicht auf den Dektor 60 gelangt. Durch geschickte Wahl der Winkel α und β kann erreicht werden, dass das Störlicht zumindest zum überwiegenden Teil durch die Blende 56 abgeblockt wird.
  • Die nachfolgende Tab. 1 enthält eine Auflistung aller Lichtstrahlen, die bei der Platzierungsmessung unter Berücksichtigung der minus ersten, nullten und plus ersten Beugungsordnung an den Gittern 72, 32a und 32b entstehen können. Zur Richtungsbezeichnung der einzelnen Lichtstrahlen ist in Tab. 1 jeweils die x Komponente des entsprechenden Richtungsvektors angegeben. Für die Einfallsrichtung des Messlichts 44e ist eine x-Komponente von 5 angesetzt. Die einzelnen Spalten bezeichnen zunächst die Beugungsordnung des eingehenden Messlichts 44e am diffraktiven optischen Element 70, die zweite Spalte die Beugungsordnung an der Gitterstruktur 32a auf dem Wafer 30, die dritte Spalte die Beugungsordnung an der Gitterstruktur 72 beim Rückweg des Lichts in die Optik der Messvorrichtung 40. In der vierten Spalte ist die x-Komponente des Richtungsvektors des entsprechenden Lichtstrahl nach dem zweiten Durchlaufen des diffraktiven optischen Elements 70 angegeben.
    Figure 00240001
    Tab. 1
  • Die auf der rechten Seite von Tab. 1 angeordneten Spalten fünf bis acht geben die analogen Informationen wider, für den Fall, dass ein entsprechender Lichtpfad über die Gitterstruktur 32b auf dem Wafer 30 führt. Als Gitterperioden sind gemäß Tab. 1 für das Gitter 72 der Wert 500, für das Gitter 32a der Wert 1010 und für das Gitter 32b der Wert 990 angesetzt. Die Werte bezeichnen die Streifendichte der Gitter in beliebigen Einheiten und entsprechen der Änderung der x-Komponente der Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle bei Beugung in 1. Ordnung. Als Einheit kann beispielsweise Linien pro Millimeter gewählt werden. Die in 12 eingezeichneten Strahlen a, b, c, d, e und y sind in Tabelle 1 gekennzeichnet. Wie aus der Tabelle ersichtlich, weist keiner der Störlichtvektoren die Richtung des Nutzlichts 44n, welches mit „y” gekennzeichnet ist, auf.
  • Tab. 2 zeigt die zu Tab. 1 analogen Informationen für den Passemesskanal. Hier beträgt die x-Komponente des eingehenden Messlichts 42e Null. Aus der Tabelle kann entnommen werden, dass zwei Reflexe des Störlichts 42s, nämlich die Störreflexe f und h die Ausbreitungsrichtung des Nutzreflexes z aufweisen. Alle anderen Störlichtstrahlen 42s weisen in andere Richtungen als der Nutzreflex z. Nachfolgend werden Maßnahmen vorgestellt, um auch die verbleibenden Störreflexe h und f zu unterdrücken.
  • Figure 00250001
    Tab. 2
  • Die Dimensionierung der Winkel α und β kann nach den nachfolgend aufgelisteten Kriterien geschehen. Da die Störlichtstrahlen a, c und e unter dem Winkel α in die Optik der Messvorrichtung 40 zurücklaufen, muss der Winkel α größer als die numerische Apertur NA der Abbildung des Wafers 30 auf den Detektor 60 sein: sin(α) > NA (4)
  • Für die Lateralauflösung der Abbildung Wafer 30 nach Detektor 60 gilt für die Auflösung R: R = λ/NA (5) wobei λ die Wellenlänge des betreffenden Messlichts ist. Eine Auflösung von R = 0,25 mm bei λ = 633 nm ergibt NA = 0,0025. Für den Einfallswinkel α ergibt sich dann ein Wert von > 0,14°.
  • Da das Störlicht j unter dem Winkel 2β zurücklaufen muss, gilt: sin(2β) > NA (6)
  • Für den Kippwinkel β ergibt sich damit ein Wert von > 0,07°. Dies sind bei einem Wafer mit 300 mm Durchmesser nur 0,37 mm Abstandsvariation zwischen dem diffraktiven optischen Element 70 und dem Wafer 30. Es kann auch günstig sein, den Einfallswinkel α und den Kippwinkel β senkrecht zueinander auszuführen. Höhere Lateralauflösung erfordert einen größeren Einfallswinkel α und einen größeren Kippwinkel β.
  • Die 13 und 14 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen für die Gitterstruktur 72 des diffraktiven optischen Elements gemäß 11. In der Ausführungsform gemäß 13 ist die Gitterstruktur 72 als Nullte-Ordnung-Gitter, auch „Zero-Order”-Gitter genannt, für die Wellenlänge λ2 des Messlichts 42 der Passemessung ausgelegt. Bei einem Nullte-Ordnung-Gitter sind alle Beugungsordnungen außer der nullten unterdrückt. Die Wellenlänge λ1 des Messlichts 44 für die Platzierungsmessung muss kleiner sein als λ2, damit eine plus/minus erste Beugungsordnung erzeugt werden kann. Die Periode p des Gitters 72 muss zwischen den Werten der Wellenlänge λ2 und λ1 liegen. Wie in 13 angegeben, sind für λ2 Wellenlängen zwischen 700 und 1064 nm und für λ1 Wellenlängen von 532 bis 632 nm vorteilhaft. Es kann vorteilhaft sein, z. B. 1064 nm für λ2 mit der frequenzverdoppelten Wellenlänge von 532 nm für λ1 zu verwenden.
  • Die Höhe h der Gitterstruktur 72 ist wie folgt dimensioniert: h = 0,5 × λ2/(n – 1) = λ2 für n = 1,5 (7)
  • Alternativ zur Methode mit „Zero-Order”-Gitter kann wie folgt vorgegangen werden.
  • In der Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements gemäß 14 ist die Gitterstruktur 72 mit einem optimierten Gitterprofil zur Reduzierung der Effizienzen der höheren Beugungsordnungen des Messlichts 42 mit der Wellenlänge λ2 für die Passemessung konfiguriert. Die entsprechende Beugungseffizienz kann jedoch aufgrund elektromagnetischer Effekte nicht ganz auf Null reduziert werden. Bei einer Gitterperiode von kleiner als 5λ ist mit Effizienzen im Prozentbereich zu rechnen. Daraus ergeben sich Störungen der Wellenfront von lediglich etwa 10 nm. Wie in 14 angegeben, kann in dieser Ausführungsform für λ1 beispielsweise 1266 nm und für λ2 beispielsweise 693 nm gewählt werden.
  • Als weitere Alternative zur Unterdrückung der Störungen bei der Passemessung durch höhere Beugungsordnungen kann Weißlichtinterferometrie mit einer Vorschaltkavität zum Einsatz kommen.
  • Vorstehend wurde die erfindungsgemäße Messvorrichtung 40 zur Passe- und Platzierungsmessung am Beispiel der Vermessung eines Wafers 30 beschrieben. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Messvorrichtung 40 zur Passe- und Platzierungsmessung an einem Retikel bzw. der Maske 20 eingesetzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Projektionsbelichtungsanlage
    12
    Beleuchtungssystem
    14
    Belichtungsstrahlungsquelle
    15
    Belichtungsstrahlung
    16
    Strahlaufbereitungsoptik
    17
    Illuminator
    18
    Projektionsobjektiv
    19
    Rahmen
    20
    Maske
    22
    Maskenstrukturen
    24
    Maskentisch
    30
    Wafer
    31
    Waferoberfläche
    32
    Messstruktur
    32a
    Liniengitter
    32b
    Liniengitter
    33
    Belichtungstisch
    34
    Waferhalter
    36
    Verschiebebühne
    38
    Messtisch
    40
    Messvorrichtung
    41
    erste Messlichtquelle
    42
    erstes Messlicht
    42n
    Nutzlicht
    42s
    Störlicht
    43
    zweite Messlichtquelle
    44
    zweites Messlicht
    44a
    erster Messstrahl
    44b
    zweiter Messstrahl
    44e
    eingehendes Messlicht
    44n
    Nutzlicht
    44s
    Störlicht
    46
    Interferometer
    48
    Strahlteiler
    50
    Fizeau-Kollimator
    51
    optische Achse
    52
    Fizeau-Fläche
    54
    Planspiegel
    54a
    Planspiegel
    54b
    Planspiegel
    56
    Blende
    58
    Kollimatorlinse
    60
    ortsauflösender Detektor
    61
    Detektionsfläche
    62
    Auswerteeinrichtung
    64
    Aufzeichnungseinrichtung
    66
    Steuerungseinrichtung
    68
    Belichtungsfeld
    70
    diffraktives optisches Element
    72
    Gitterstruktur
    74a, 74b
    Messstrahl
    132a
    Gittersstruktur
    132b
    Gitterstruktur
    154
    Katzenaugenanordnung
    170
    Farbstrahlteiler

Claims (20)

  1. Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Mikrolithographie zum Abbilden von Maskenstrukturen (22) eines bildgebenden Substrats (20) auf ein zu strukturierendes Substrat (30), mit einer Messvorrichtung (40), welche dazu konfiguriert ist, eine Lagebeziehung von auf einer Oberfläche eines der Substrate (20; 30) angeordneten Messstrukturen (32) zueinander in zumindest einer lateralen Richtung bezüglich der Substratoberfläche zu bestimmen und dabei mehrere lateral zueinander versetzt angeordnete Messstrukturen (32) zeitgleich zu vermessen.
  2. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert, die laterale Lagebeziehung von über die gesamte Substratoberfläche verteilten Messstrukturen (32) zeitgleich zu vermessen.
  3. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, die laterale Lagemessung am zu strukturierenden Substrat (30) vorzunehmen.
  4. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) zur lateralen Lagemessung der Messstrukturen (32) als interferometrische Messvorrichtung konfiguriert ist.
  5. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) mindestens zwei reflektive Elemente (54; 154) umfasst, welche dazu dienen, an den Messstrukturen (32) durch Beugung in zwei Messstrahlen aufgeteiltes Messlicht (44) auf die Messstrukturen (32) zurückzureflektieren.
  6. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) einen Strahlaufspalter (70) zum Aufspalten von Messlicht vor Auftreffen auf das zu vermessende Substrat (20; 30) in zwei Messstrahlen (74a, 74b) unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen aufweist.
  7. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 6, bei dem der Strahlaufspalter (70) ein Beugungsgitter (72) umfasst.
  8. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, das Messlicht (44) schräg zur zu vermessenden Substratoberfläche auf den Strahlaufspalter (70) einzustrahlen.
  9. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, mittels der zwei Messstrahlen erzeugte Bilder der Messstrukturen (32) kohärent zu überlagern.
  10. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, aus den lateralen Lagemessungen eine Verzeichnung über die Substratoberfläche zu bestimmen und die Projektionsbelichtungsanlage (10) weiterhin eine Belichtungssteuerungsvorrichtung (66) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, bei der Belichtung des Substrats (20; 30) den lokalen Abbildungsmaßstab dynamisch an die Verzeichnung anzupassen.
  11. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) weiterhin dazu konfiguriert ist, Topographiemessungen zeitgleich an mehreren Stellen der Substratoberfläche durchzuführen.
  12. Projektionsbelichtungsanlage (10) nach Anspruch 11, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, die lateralen Lagemessungen mit Messlicht (44) einer ersten Wellenlänge und die Topographiemessungen mit Messlicht (42) einer zweiten Wellenlänge durchzuführen.
  13. Projektionsbelichtungsanlage (10) nach Anspruch 12, bei der die Messvorrichtung (40) ein als Strahlaufspalter dienendes Beugungsgitter (72) zum Aufspalten des Messlichts (44) der ersten Wellenlänge in zwei Messstrahlen aufweist, wobei das Beugungsgitter derart konfiguriert ist, dass das Messlicht (42) der zweiten Wellenlänge das Beugungsgitter mindestens zu 90% ungebeugt durchläuft.
  14. Projektionsbelichtungsanlage (10) nach Anspruch 13, bei der das Beugungsgitter (72) gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Messlichts (42) der zweiten Wellenlänge verkippt ist.
  15. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messvorrichtung (40) dazu konfiguriert ist, die Vermessung der gesamten Substratoberfläche in weniger als 10 s durchzuführen.
  16. Verfahren zur mikrolithographischen Abbildung von Maskenstrukturen (22) eines bildgebenden Substrats (20) auf ein zu strukturierendes Substrat (30) mit den Schritten: – Bestimmen einer Lagebeziehung von auf einer Oberfläche eines der Substrate (20; 30) angeordneten Messstrukturen (32) zueinander in zumindest einer lateralen Richtung bezüglich der Substratoberfläche durch zeitgleiches Vermessen von mehreren lateral zueinander versetzt angeordneten Messstrukturen (32), sowie – Abbilden der Maskenstrukturen (22) auf das zu strukturierende Substrat (30) mittels einer Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Mikrolithographie, wobei während der Belichtung ein Abbildungsparameter auf Grundlage der lateralen Lagemessungen lokal variiert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem während der Belichtung des Substrats (30) der Abbildungsmaßstab lokal variiert wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die auf dem Substrat (20; 30) angeordneten Messstrukturen (32) Beugungsgitter unterschiedlicher Periodizitäten umfassen.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das zu strukturierende Substrat (30) vermessen wird und die Gesamtheit der Messstrukturen (32) eine Netzstruktur mit einer Vielzahl von Netzmaschen bildet, welche bei jeweils einer Belichtung des bildgebenden Substrats strukturierbare Produktflächen (68) umgeben.
  20. Verfahren zum Vermessen eines Substrats (20; 30), bei dem eine Lagebeziehung von auf einer Oberfläche des Substrats angeordneten Messstrukturen (32) zueinander in zumindest einer lateralen Richtung bezüglich der Substratoberfläche durch zeitgleiches interferometrisches Vermessen von mehreren lateral zueinander versetzt angeordneten Messstrukturen (32) bestimmt wird.
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