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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung der Position und Ausrichtung von optischen Elementen insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtunganlage mit
- a) einer ersten Sensoreinrichtung, die einem ersten optischen Element zugeordnet ist, und wenigstens einer zweiten Sensoreinrichtung, die einem zweiten optischen Element zugeordnet ist;
- b) einer Tragstruktur, welche die erste und die zweite Sensoreinrichtung trägt.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein optisches System mit
- a) einem ersten optischen Element und wenigstens einem zweiten optischen Element;
- b) einer Messvorrichtung zur Erfassung der Position und Ausrichtung des ersten optischen Elements und des zweiten optischen Elements.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Mittels mikrolithographischer Projektionsbelichtungsanlagen werden Strukturen, die auf einer Maske angeordnet sind, auf eine lichtempfindliche Schicht wie beispielsweise einen Photolack oder dergleichen übertragen. Hierzu umfasst die Projektionsbelichtungsanlage eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Lichtquelle und einem Beleuchtungssystem, welches von der Lichtquelle erzeugtes Projektionslicht aufbereitet und auf die Maske richtet. Die von der Beleuchtungseinrichtung beleuchtete Maske wird durch ein Projektionsobjektiv auf die lichtempfindliche Schicht abgebildet.
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Je kürzer die Wellenlänge des Projektionslichtes ist, desto kleinere Strukturen lassen sich mit Hilfe der Projektionsbelichtungsanlage auf der lichtempfindlichen Schicht definieren. Aus diesem Grund wird heutzutage vermehrt Projektionslicht im extremen ultravioletten Spektralbereich, also so genannte EUV-Strahlung, verwendet, dessen mittlere Wellenlänge bei 13,5 nm liegt. Derartige Projektionsbelichtungsanlagen werden daher häufig kurz als EUV-Projektionsbelichtungsanlagen bezeichnet.
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Da es keine optischen Materialien gibt, die für derart kurze Wellenlängen ein ausreichend hohes Transmissionsvermögen haben, umfasst eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage reflektierende optische Elemente in Form von Spiegeln. Mittels der in der Beleuchtungseinrichtung der EUV-Projektionsbelichtungsanlage angeordneten Spiegel wird das Projektionslicht auf die Maske gelenkt und diese ausgeleuchtet. Mit Hilfe der Spiegel des zugehörigen Projektionsobjektivs wird entsprechend die ausgeleuchtete Maske auf die lichtempfindliche Schicht abgebildet.
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Um dies jeweils mit der erforderlichen Genauigkeit zu bewirken, müssen die Spiegel in allen sechs Freiheitsgraden präzise zueinander ausgerichtet sein. Hierzu kann die Position und Ausrichtung der Spiegel mittels Aktuatoren oder manuell eingestellt werden. Üblicherweise ist bei einem Projektionsobjektiv einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage ein Spiegel stationär installiert. Relativ zu diesem stationären Spiegel werden die übrigen Spiegel dann ausgerichtet. Die jeweilige Ist-Position und Ist-Ausrichtung der Spiegel wird dabei mittels Sensoren erfasst und überwacht.
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Die Spiegel sind auf einer lastaufnehmenden Struktur befestigt, wogegen die Sensoren von einer davon weitgehend entkoppelten Tragstruktur getragen sind.
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Die Tragstruktur und die Position der Sensoren bezogen auf die lastaufnehmende Struktur geben absolute Referenzkoordinaten vor, auf welche die Position und Ausrichtung der Spiegel bezogen wird. Somit spielt die Stabilität der Position der Sensoren zueinander eine signifikante Rolle für die Genauigkeit der Bestimmung der Position und der Ausrichtung der Spiegel. Die Stabilität der Position der Sensoren zueinander wiederum hängt unter anderem stark von der Formbeständigkeit der Tragstruktur ab.
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Spiegel, die in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen verwendet werden, haben für die EUV-Strahlung nur ein verhältnismäßig geringes Reflexionsvermögen von meist nicht mehr als 70%. Dieses vergleichsweise geringe Reflexionsvermögen der Spiegel führt zu thermischen Problemen, da der nicht reflektierte Teil der EUV-Strahlung absorbiert wird und zu einer Temperaturerhöhung der Spiegel führt. Diese Wärme muss weitgehend über die Spiegel und damit verbundene Kühleinrichtungen abgeführt werden, da die Projektionsbelichtungsanlagen auf Grund der hohen Absorption von EUV-Strahlung durch Gase im Vakuum und teilweise im Hochvakuum betrieben werden.
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Dennoch erwärmen sich auch stets die meist in dichter Nachbarschaft zu den Spiegeln angeordneten Sensoren und deren Tragstruktur. Dies wiederum führt zu einer thermischen Ausdehnung der Tragstruktur.
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Hierbei verändert sich naturgemäß die Relativlage der Sensoren zueinander und gegenüber der lastaufnehmenden Struktur mit den Spiegeln, sodass die Ist-Lage der Sensoren nicht mehr mit ihrer Soll-Lage übereinstimmt, von der bei der Ermittlung der Position und der Ausrichtung der Spiegel ausgegangen wird.
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Dies bedeutet jedoch, dass auch die Position und Ausrichtung der Spiegel fehlerbehaftet ist, was sich insgesamt auf das Belichtungsergebnis auswirkt. Je stärker die Materialausdehnung der Tragstruktur ist, desto größer ist auch der Fehler bei der Einstellung der Position und Ausrichtung der Spiegel.
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Im Hinblick auf die Materialeigenschaften des oder der bei der Tragstruktur verwendeten Materialien sind insbesondere die auf die Masse bezogene spezifische Wärmekapazität c [Jg–1K–1], die auf das Volumen bezogene Wärmespeicherzahl s [Jcm–3K–1], die sich aus der spezifischen Wärmekapazität c und der Dichte ρ [gcm–3] des Materials zu s = c × ρ berechnet, sowie der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient α [10–6 K–1] bzw. der Volumenausdehnungskoeffizient γ [10–3 K–1] von Interesse.
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Die Tragstruktur sollte nur eine geringe thermische Ausdehnung zeigen. Solche Materialien mit besonders kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind bekannt, beispielsweise in Form von Glas- und Glaskeramikmaterialien wie Zerodur®. Es hat sich jedoch nicht immer als praktikabel erwiesen, derartige Materialien für die Tragstruktur zu verwenden.
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Um die Wärmeausdehnung der Tragstruktur möglichst gering zu halten, wird bei bekannten Lösungen als Material für die Tragstruktur der Sensoren insbesondere Aluminium verwendet, welches mit einer großen Materialstärke verbaut wird.
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Aluminium hat eine verhältnismäßig hohe spezifische Wärmekapazität von cAl = 0,896 Jg–1K–1. Multipliziert mit der Dichte von Aluminium ρAl = 2,7 g·cm–3 ergibt sich für Aluminium die auf das Volumen bezogene Wärmespeicherzahl sAl = c × ρ = 2,43 Jcm–3K–1. Aluminium kann somit verhältnismäßig viel Wärmeenergie aufnehmen; seine Temperatur steigt also bei der Aufnahme einer bestimmten Wärmeenergie weniger an als die Temperatur eines Materials mit kleinerer spezifischer Wärmekapazität bei der Aufnahme der gleichen Wärmeenergie. Darüber hinaus hat Aluminium eine gute Wärmeleitfähigkeit, so dass Wärme gut über dessen Volumen und damit über die Tragstruktur verteilt wird.
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Aluminium hat jedoch einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von αAl = 90 [10–6 K–1] bei 20°C. Obwohl Aluminium als Material für die Tragstruktur bereits viele wünschenswerte Eigenschaften in sich vereint, kann es bei bekannten Tragstrukturen für Sensoren in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen zu einer nicht zu vernachlässigenden Wärmeausdehnung kommen, durch welche die Positionen der Sensoreinrichtungen verändert und die Messergebnisse aus den oben erläuterten Gründen verfälscht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung und ein optisches System der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen temperaturabhängige Veränderungen der Tragstruktur für die Sensoren möglichst klein sind.
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Diese Aufgabe wird bei einer Messvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
- c) die Tragstruktur wenigstens einen Hohlraum aufweist, welcher mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
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Die Erfindung beruht einerseits auf der Erkenntnis, dass eine Flüssigkeit zwei der für eine Tragstruktur für Sensoren bedeutsamen Eigenschaften in sich vereinen kann. Zum einen gibt es Flüssigkeiten mit hoher spezifischer Wärmespeicherkapazität c bzw. hoher Wärmespeicherzahl s, welche bei der vorliegenden Anwendung der Flüssigkeit den aussagekräftigeren Materialparameter darstellt. Zum anderen können Flüssigkeiten Wärme gut über Konvektion über ihr Volumen verteilen.
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Die Erfindung beruht andererseits auf der Erkenntnis, dass diese positiven Eigenschaften von bestimmten Flüssigkeiten effektiv in eine Tragstruktur integriert werden können, wenn die Tragstruktur dieser Flüssigkeit einen Raum zur Verfügung stellt.
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Dabei hat es sich insbesondere als günstig herausgestellt, wenn die Flüssigkeit bei 20°C eine höhere Wärmespeicherzahl s als ein den wenigstens einen Hohlraum begrenzendes Material der Tragstruktur hat.
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Es ist besonders von Vorteil, wenn die Flüssigkeit bei 20°C eine Wärmespeicherzahl s in einem Bereich von 1,0 Jcm–3K–1 bis 4,5 Jcm–3K–1 hat.
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Inder Praxis konnten gute Ergebnis mit Flüssigkeit aus einer Gruppe erzielt werden, die folgende Flüssigkeiten umfasst: Wasser; Quecksilber; ein Öl, insbesondere ein Silikonöl.
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Besonders günstig hat sich Wasser als Flüssigkeit erwiesen. Wasser hat bei 20°C eine besonders hohe Wärmespeicherzahl von s = 4,2 Jcm–3K–1.
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Im Hinblick auf das den wenigstens einen Hohlraum umgebende Material der Tragstruktur ist es vorteilhaft, wenn dieses bei 20°C eine Wärmespeicherzahl s in einem Bereich von 0,95 Jcm–3K–1 bis 4,35 Jcm–3K–1 hat
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Gute Ergebnisse konnte mit den wenigstens einen Hohlraum umgebendem Material der Tragstruktur aus einer Gruppe erreicht werden, die folgende Materialien umfasst: Aluminium; Glas; Glaskeramik.
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Vorzugsweise ist das Material Aluminium.
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Herstellungstechnisch ist es günstig, wenn die Tragstruktur wenigstens ein Hohlprofil umfasst, welches den wenigstens einen Hohlraum bereitstellt.
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Dabei ist die Tragstruktur bevorzugt insgesamt eine Hohlprofilstruktur. Eine solche Tragstruktur kann beispielsweise aus mehreren Aluminium-Hohlprofilstreben zusammengefügt sein, die gemeinsam einen oder mehrere flüssigkeitsgefüllte Hohlräume begrenzen.
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Auch Flüssigkeiten unterliegen temperaturbedingten Volumenänderungen; Wasser beispielsweise hat bei 20°C einen Volumenausdehnungskoeffizienten γ = 0,21 [10–3 K–1]. Daher ist es günstig, wenn die Tragstruktur eine Kompensationseinrichtung umfasst, mittels welcher das Volumen des wenigstens einen Hohlraums veränderbar ist, so dass temperaturbedingte Änderungen des Volumens der Flüssigkeit kompensierbar sind.
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Im Hinblick auf das optisches System der eingangs genannten Art wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass
- c) die Messvorrichtung eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.
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Die Vorteile hiezu entsprechen den oben zu der Messvorrichtung angegebenen Vorteilen.
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Eine besonders effektive Anwendung wird erreicht, wenn das optische System ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen EUV-Projektionsbelichtungsanlage ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer schematischen mikrolithographischen EUV-Projektionsbelichtungsanlage mit einer Beleuchtungseinheit und einem Projektionsobjektiv;
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2 einen Teilschnitt des Projektionsobjektivs von 1 mit einer Tragstruktur mit zwei Sensoren zur Erfassung der Position und Ausrichtung zweier Spiegel.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In 1 ist schematisch eine mikrolithographische EUV-Projektionsbelichtungsanlage 10 gezeigt, welche eine Beleuchtungseinrichtung 12 und ein Projektionsobjektiv 14 umfasst.
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Mit dem Projektionsobjektiv 14 werden reflektierende Strukturen 16, die auf einer Maske 18 angeordnet sind, auf eine lichtempfindliche Schicht 20 übertragen. Die lichtempfindliche Schicht 20 ist meist ein Photolack und befindet sich auf einem Wafer 22 oder einem anderen Substrat.
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Zur Übertragung der reflektierenden Strukturen 16 der Maske 18 auf die lichtempfindliche Schicht 20 wird die Maske 18 mittels der Beleuchtungseinrichtung 12 mit EUV-Strahlung 24 beleuchtet. Die Beleuchtungseinrichtung 12 erzeugt EUV-Strahlung, welche beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mittenwellenlänge von 13,5 nm und eine spektrale Halbwertsbreite von etwa 1% hat, so dass der größte Teil der die Beleuchtungseinrichtung 12 verlassenden EUV-Strahlung 24 Wellenlängen zwischen 13,36 nm und 13,64 nm hat.
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Die Beleuchtungseinrichtung 12 leuchtet auf der Unterseite der Maske 18 ein stationäres Feld 26 aus, welche beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einem Ringsegment entspricht. Das Projektionsobjektiv 14 erzeugt auf dem Wafer 22 ein verkleinertes Bild 28 der Strukturen 16, die auf der Maske 18 im Feld 26 ausgeleuchtet werden.
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Das Projektionsobjektiv 14 ist für einen Scanbetrieb ausgelegt, bei dem die Maske 18 und der Wafer 22 in an und für sich bekannter Art und Weise mit durch den Abbildungsmaßstab des Projektionsobjektivs 14 vorgegebenen Geschwindigkeiten gegenläufig bewegt werden. Dies ist in den 1 und 2 durch die Pfeile 21 und 22 angedeutet.
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Die Beleuchtungseinrichtung 12 umfasst ein Gehäuse 30, in dem eine in 2 zu erkennende und dort nur schematisch gezeigte Lichtquelle 32 für die EUV-Strahlung 24 angeordnet ist. Die von der Lichtquelle 32 erzeugte EUV-Strahlung 24 wird mittels optischer Elemente in Form von Spiegeln auf die Maske 18 projiziert. In 2 ist die Lichtquelle 32 hinter der Zeichenebene angeordnet, so dass der Strahlengang der EUV-Strahlung 24 nach vorne vor die Zeichenebene führt.
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In der Praxis sind in der Beleuchtungseinrichtung 12 hierzu zwischen 5 und 7 Spiegel vorhanden. Inder stark schematischen 2 ist das Gehäuse 30 teilweise weggebrochen und sind der Übersichtlichkeit halber nur ein erster Spiegel 34 und ein zweiter Spiegel 36 gezeigt.
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Jeder Spiegel 34, 36 ist mit einer ihm zugeordneten Justageeinrichtung 38 bzw. 40 verbunden, die im Gehäuse 30 auf einem mit dem Gehäuse 30 verbundenen Tragrahmen 42 angeordnet ist, von dem lediglich schematisch eine erste Rahmenstrebe 42a und eine zweite Rahmenstrebe 42b angedeutet sind.
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Die Justageeinrichtungen 38 und 40 dienen dazu, den jeweiligen Spiegel 34, 36 derart im Raum auszurichten, dass die EUV-Strahlung 24 mit der erforderlichen Genauigkeit auf das Feld 26 zur Ausleuchtung der Maske 18 trifft. Der erste Spiegel 34 ist dabei über seine Justageeinrichtung 38 an der ersten Rahmenstrebe 42a befestigt. In entsprechender Weise ist der zweite Spiegel 36 über seine Justageeinrichtung 40 an der zweiten Rahmenstrebe 42b befestigt. Die Funktionsweise der Justageeinrichtungen 36 und 38 ist hier nicht weiter relevant, weshalb diese nur sehr schematisch gezeigt sind und auf deren weitere Erläuterung verzichtet wird.
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Die Position und Ausrichtung der Spiegel 36 und 38 – und auch der in 2 nicht gezeigten zusätzlichen Spiegel – in dem Gehäuse und ihre Relativlage zueinander wird mittels einer Messvorrichtung 44 überwacht. Die Messvorrichtung 44 umfasst eine Tragstruktur 46, welche zur Bestimmung der Position und Ausrichtung der Spiegel 36 und 38 ein Referenzkoordinatensystem vorgibt. Aus diesem Grund ist die Tragstruktur 46 der Messvorrichtung 44 von der die Spiegel 36 und 38 tragenden Rahmenstruktur 42 entkoppelt. Dies ist in 2 durch ein Federmittel 48 und ein Dämpfungsglied 50 angedeutet. Die Tragstruktur 46 ist dadurch sowohl im Hinblick auf Schwingungen der Rahmenstruktur 42 als auch im Hinblick auf thermische Ausdehnungen der Rahmenstruktur 42 von dieser entkoppelt.
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Die Messeinrichtung 44 umfasst mehrere an der Tragstruktur 46 gelagerte Sensoreinrichtungen, von denen ein 2 zwei Sensoreinrichtungen 52 und 54 gezeigt sind. Die erste Sensoreinrichtung 52 ist dem ersten Spiegel 34 und die zweite Sensoreinrichtung 54 ist dem zweiten Spiegel 36 zugeordnet.
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Mit Hilfe der Sensoreinrichtungen 52, 54 wird die relative Position und Ausrichtung der Spiegel 34 und 36 in ihren jeweils sechs Freiheitsgraden bezogen auf die Tragstruktur 46 bzw. bezogen auf die Sensoreinrichtungen 52, 54 der Messvorrichtung 44 erfasst und überwacht. Dies ist in 2 durch ein jeweiliges Sensorfeld 52a, 54a angedeutet.
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Als Sensoreinrichtungen 52, 54 werden berührungslose Sensoren verwendet, von denen verschiedene Ausführungsarten an und für sich bekannt sind. Insbesondere kommen so genannte Moiré-Sensoren in Betracht.
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Wie in 2 gut zu erkennen ist, weist die Tragstruktur 46 der Messvorrichtung 44 einen Hohlraum 56 auf, der mit einer Flüssigkeit 58 gefüllt ist.
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Hierzu ist die Tragstruktur 46 aus fluidisch miteinander kommunizierenden Hohlprofilen 60 aufgebaut, welche den Hohlraum 56 begrenzen und von denen in 2 drei zu erkennen sind: Die Tragstruktur 46 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel somit eine Hohlprofilstruktur.
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Die Hohlprofile 60 und damit das den Hohlraum 56 umgebende Material der Tragstruktur 46 sind bzw. ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Aluminium. In Abwandlung kann das den Hohlraum 56 umgebende Material der Tragstruktur 46 auch ein Glas oder eine Glaskeramik sein.
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Insbesondere sollte das den Hohlraum 56 umgebende Material der Tragstruktur 46 bei 20°C eine Wärmespeicherzahl s in einem Bereich von 0,95 Jcm–3K–1 bis 4,35 Jcm–3K–1 haben.
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Demgegenüber hat die Flüssigkeit 58 bei 20°C eine höhere Wärmespeicherzahl s als das den Hohlraum 58 begrenzende Material der Tragstruktur 46. In der Praxis hat die Flüssigkeit 58 bei 20°C eine Wärmespeicherzahl s in einem Bereich von 1,0 Jcm–3K–1 bis 4,5 Jcm–3K–1 hat.
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Bei der Flüssigkeit 58 handelt es sich um Wasser. In Abwandlung können auch Quecksilber oder ein Öl, insbesondere ein Silikonöl, verwendet werden.
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Auf Grund des in dem Hohlraum 56 der Tragstruktur 46 befindlichen Wassers 58 ist die thermische Ausdehnung der Tragstruktur 46 insgesamt gegenüber einer massiven Ausbildung der Tragstruktur verringert, da Wasser bei 20°C eine besonders hohe Wärmespeicherzahl von s = 4,2 Jcm–3K–1 hat. Darüber hinaus kann die Flüssigkeit 58 die Wärme durch Konvektion gut innerhalb der Tragstruktur 46 verteilen.
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Insgesamt fallen die temperaturbedingten Veränderungen der Tragstruktur 46 nur noch gering aus. Hierdurch ist auch die Differenz zwischen den Soll-Werten des durch die Tragstruktur 46 definierten Referenzkoordinatensystems und dessen Ist-Werten geringer als bei einer massiven Tragstruktur. Hierdurch erfolgt die Bestimmung der Position und der Ausrichtung der Spiegel 34, 36 mit einem kleineren Fehler und ist somit insgesamt genauer. Dadurch wird jedoch auch eine insgesamt genauerer Positionierung und Ausrichtung der Spiegel 34, 36 in der Beleuchtungseinrichtung 12 erreicht, wodurch die Ausleuchtung der Maske 18 optimiert ist.
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Da auch das Volumen des Wassers 58 in dem Hohlraum 56 temperaturbedingten Schwankungen unterliegt, umfasst die Tragstruktur 46 eine Kompensationseinrichtung 62. Diese umfasst eine Kammer 64, die in Strömungsverbindung mit dem Hohlraum 56 der Tragstruktur 46 steht und einen Flüssigkeitsraum 66 zur Verfügung stellt. Der Flüssigkeitsraum 66 bildet so einen Teilbereich des Hohlraums 58 der Tragstruktur 46 und trägt zu dessen Gesamtvolumen bei. Der Flüssigkeitsraum 66 ist an einer Seite durch eine Kolbenplatte 68 begrenzt, die verschiebbar in der Kammer 64 gelagert ist. Auf der von dem Flüssigkeitsraum 66 abliegenden Seite der Kolbenplatte 68 ist eine Feder 70 vorhanden, welche sich gegen das Kammergehäuse abstützt und gegen die Kolbenplatte 68 andrückt. Die Kolbenplatte 68 wird so stets gegen das in dem Flüssigkeitsraum 66 befindliche Wasser 58 gedrückt.
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Wenn das Volumen des Wassers 58 auf Grund einer Temperaturerhöhung größer wird, drückt das Wasser 58 gegen die Kolbenplatte 68 und drückt diese gegen die Kraft der Feder 70 nach außen. Hierdurch wird das Gesamtvolumen des Hohlraums 56 an das vom Wasser 58 benötigte Volumen angepasst. In entsprechender Weise wird die Kolbenplatte 68 durch die Feder 70 nach innen bewegt, wenn sich das Volumen des Wassers 58 bei einer Temperaturerniedrigung verringert.
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Insgesamt kann somit durch die Kompensationseinrichtung 62 das Volumen des Hohlraums 58 verändert werden, so dass temperaturbedingte Änderungen des Volumens des Wassers 58 kompensiert werden.
