DE102014217229B4 - Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes einer Lithografiemaske sowie Metrologiesystem - Google Patents

Abstract

Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes im Bereich um eine Bildebene (24) bei der Abbildung einer Lithografiemaske (5), die in einer Objektebene (4) angeordnet ist, unter Berücksichtigung eines wählbaren Abbildungsmaßstab-Verhältnisses in zueinander senkrechten Richtungen (x, y) mit folgenden Schritten:- Rekonstruktion (33) einer elektromagnetischen Wellenfront von Abbildungslicht (1) nach dessen Wechselwirkung mit der Lithografiemaske (5), wobei bei der Rekonstruktion (33) der elektromagnetischen Wellenfront eine Intensitätsrekonstruktion erfolgt,- Einbeziehen (31) einer Beeinflussungsgröße, die dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis entspricht,- Ausgabe (36) des unter Einbeziehung der Beeinflussungsgröße gemessenen 3D-Luftbildes, wobei bei der Rekonstruktion (33) und bei der Intensitätsrekonstruktion folgende Schritte durchgeführt werden:-- Vermessen (28) einer 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung im Bereich einer der Bildebene (24) entsprechenden Ebene (14a),-- Verlagern der Lithografiemaske (5) senkrecht (z) zur Objektebene (4) um einen vorgegebenen Verlagerungsweg (Δz; Δz1, Δz2; Δz1, Δz2, Δzi),-- Wiederholen (30) der Schritte „Vermessen“ und „Verlagern“, bis eine zur Wiedergabe des 3D-Luftbildes ausreichende Anzahl von 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen vermessen ist,-- Durchführen einer Intensitäts-Fouriertransformation der erhaltenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes im Bereich um eine Bildebene bei der Abbildung einer Lithografiemaske. Ferner betrifft die Erfindung ein Metrologiesystem zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Metrologiesysteme der eingangs genannten Art sind bekannt aus der US 2013/0063716 A1 , der DE 102 20 815 A1 , der DE 102 20 816 A1 und aus der US 2013/0083321 A1 . Aus der EP 2 506 061 A1 ist eine Projektionsoptik für eine Projektionsbelichtungsanlage zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bekannt, die eine Aperturblende einsetzt, bei der der Blendendurchmesser in zwei zueinander senkrechten Richtungen sich um mehr als 10 % unterscheidet. Die DE 10 2010 040 811 A1 beschreibt eine anamorphotische Projektionsoptik. Die US 2008/0036986 A1 beschreibt eine Projektionsbelichtungsanlage. Die nachveröffentlichte DE 10 2014 214 257 A1 offenbart ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes einer Lithografiemaske.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vermessen eines 3D-Luftbildes einer Lithografiemaske so weiterzubilden, dass auch Lithografiemasken vermessen werden können, die zur Verwendung mit einer anamorphotischen Projektionsoptik bei der Projektionsbelichtung optimiert sind.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Schritten. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es zum Vermessen von Lithografie-masken, die für die Verwendung mit anamorphotischen Lithografie-Projektionsoptiken optimiert sind, nicht zwingend erforderlich ist, ein Metrologiesystem mit einer ebenfall anamorphotischen Projektionsoptik einzusetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit einer Projektionsoptik verwendet werden, die nicht anamorphotisch ist und insbesondere kein wählbares Abbildungsmaßstab-Verhältnis in zueinander senkrechten Richtungen hat. Der anamorphotische Einfluss der Lithografie-Projektionsoptik wird beim Vermessen durch die Einbeziehung der Beeinflussungsgröße emuliert, die ein Maß für das Abbildungsmaßstab-Verhältnis der zu emulierenden Lithografie-Projektionsoptik ist. Dieses Einbeziehen erfolgt durch Manipulation der rekonstruierten elektromagnetischen Wellenfront, was auf digitalem Wege geschehen kann. Existierende Metrologiesysteme mit nicht anamorphotischen Projektionsoptiken, deren Bildverarbeitungs-Software entsprechend umgerüstet wird, können auf diese Weise grundsätzlich auch für die Vermessung von Lithografiemasken zum Einsatz kommen, die für den Einsatz mit anamorphotischen Lithografie-Projektionsoptiken optimiert sind.
• Neben einer Phasenrekonstruktion erfolgt auch eine Intensitätsrekonstruktion. Bei der Intensitätsrekonstruktion kann eine Abbildungs-Aperturblende mit einem deutlich von 1 abweichenden x/y-Aspektverhältnis zum Einsatz kommen. Die Rekonstruktionsberechnung im Intensitätsraum kann ebenfalls mithilfe einer Fouriertransformation sowie einer Rücktransformation erfolgen. Eine Beeinflussungsgröße, die dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis entspricht, kann in diesem Fall fourierkomponentenrichtungsabhängig einbezogen werden, indem Messerergebnisse mit entsprechender Auswahl einer Verlagerungs-Schrittweite herangezogen werden. Für jede Richtung, der ein bestimmtes Abbildungsmaßstab-Verhältnis zugeordnet wird, kann dann ein Messergebnis bei einer eigenen, dieser Richtung zugeordneten Verlagerungs-Schrittweite zum Einsatz kommen.
• Beim dreidimensionalen Vermessen des 3D-Luftbildes werden bei der Rekonstruktion folgende Schritte durchgeführt:
• - Vermessen einer 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung im Bereich einer der Bildebene entsprechenden Ebene,
• - Verlagern der Lithografiemaske senkrecht zur Objektebene um einen vorgegebenen Verlagerungsweg,
• - Wiederholen der Schritte „Vermessen“ und „Verlagern“, bis eine zur Wiedergabe des 3D-Luftbildes ausreichende Anzahl von 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen vermessen ist.
• Eine solche Schrittfolge hat sich zur Durchführung der Rekonstruktion der elektromagnetischen Wellenfront als besonders geeignet herausgestellt. Eine Schrittweite der Verlagerung kann, angepasst an die jeweilige Messaufgabe, variiert werden. Messergebnisse zwischen zwei tatsächlich vermessenen Verlagerungspositionen können auch durch Interpolation erhalten werden. Eine Interpolation kann im Fourierraum, aber auch im Ortsraum stattfinden.
• Bei der Intensitätsrekonstruktion wird zudem eine Intensitäts-Fouriertransformation der erhaltenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten durchgeführt. Eine derartige Erzeugung von 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten hat sich zur Intensitätsrekonstruktion als besonders geeignet herausgestellt.
• Die Vorteile einer Vermessung mit einer Messoptik nach Anspruch 2 wurden oben bereits diskutiert.
• Eine Phasenrekonstruktion nach Anspruch 3 erlaubt eine besonders genaue Rekonstruktion der elektromagnetischen Wellenfront. Zur Durchführung einer derartigen Phasenrekonstruktion existieren mehrere verschiedene digitale Verfahren, die aus der Literatur bekannt sind. Die Phasenrekonstruktion kann unter Einsatz einer Fouriertransformation sowie einer Fourier-Rücktransformation erfolgen.
• Eine Defokus-Variation nach Anspruch 4 kann mit bereits bekannten Metrologiesystemen über eine Verlagerung der Lithografiemaske senkrecht zur Objektebene, jeweils um einen vorgegebenen Verlagerungsweg, herbeigeführt werden.
• Eine Beleuchtungsoptik-Manipulation nach Anspruch 5 ist eine alternativ oder zusätzlich mögliche Variante, die bei der Rekonstruktion der elektromagnetischen Wellenfront herangezogen werden kann. Zu dieser Rekonstruktion kann die Lithografiemaske aus einer Mehrzahl verschiedener, exakt vorgegebener Beleuchtungsrichtungen beleuchtet und es können dabei entstehende 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen für jede der Beleuchtungsrichtungen vermessen werden. Eine Phasenrekonstruktion kann auch mithilfe der Fourier-Ptychografie durchgeführt werden. Hierbei kann beispielsweise eine enge Lochblende durch eine Beleuchtungspupille des Metrologiesystems gefahren werden, um eine für die Fourier-Ptychografie erforderliche Beleuchtungsrichtungsdiversifizierung herbeizuführen.
• Zur Rekonstruktion der elektromagnetischen Wellenfront nach Anspruch 6 kann auch eine Variation einer Beleuchtungspupille der Beleuchtungsoptik des Metrologiesystems genutzt werden, die prinzipiell bei der Spatial Light Interference Microscopy (räumliche Lichtinterferenzmikroskopie, SLIM) bereits bekannt ist. Eine Phasenrekonstruktion der elektromagnetischen Wellenfront kann auch interferometrisch, holografisch oder unter Einsatz einer kohärenten Beleuchtung der Lithografiemaske erfolgen. Alternativ zu einer kohärenten Beleuchtung kann auch ein feines Sampeln über das jeweils vorgegebene Beleuchtungssetting innerhalb der Beleuchtungspupille erfolgen, wozu wiederum eine Lochblende herangezogen werden kann.
• Eine digitale Simulation der Abbildung nach Anspruch 7 ermöglicht eine Einbeziehung der Beeinflussungsgröße, die dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis entspricht, ohne das hierzu ein Hardware-Eingriff erforderlich ist. Die digitale Simulation kann durch Simulation der Wirkung einer ovalen objektseitigen numerischen Apertur und Realisierung einer runden bildseitigen numerischen Apertur bei der Abbildung der Lithografiemaske realisiert werden. Die digitale Simulation kann in Form einer digitalen Zylinderlinse oder in Form der Addition einer astigmatischen Wellenfront erfolgen.
• Durch ein Verzerren der gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen nach Anspruch 8 lässt sich das Abbildungsverhalten einer entsprechenden Abbildungsoptik emulieren. Nach dem Verzerren kann eine Intensitäts-Fouriertransformation der erhaltenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten erfolgen.
• Informationen, die in ausgewählten 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten, die bei verschiedenen Verlagerungswegen der Lithografiemaske bzw. einer Teststruktur gemessen werden können zur Intensitätsrekonstruktion zusammengesetzt werden. Hierzu wird nach Anspruch 9 ein Satz von 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen herangezogen, die bei vorgegebenen Verlagerungswegen der Lithografiemaske gemessen wurden, und von diesem Satz wird mit Hilfe einer Zuordnungsfunktion jeweils eine Richtungskomponente der Intensitäts-Fouriertransformierten ausgewählt. Diese verschiedenen Richtungskomponenten werden dann zusammengesetzt. Die Zuordnungsfunktion wird so ausgewählt, dass ein möglichst stetiger Übergang zwischen denjenigen Richtungskomponenten, die Extremwerten der Abbildungsmaßstäbe entsprechen, gewährleistet ist. Die Zuordnungsfunktion ist insbesondere monoton und kann stetig differenzierbar, insbesondere mehrfach stetig differenzierbar sein.
• Ein zusätzlicher Verzerrungsschritt nach Anspruch 10 ermöglicht wiederum das Emulieren einer Abbildungsoptik mit einem entsprechenden Abbildungsmaßstab-Verhältnis. Alternativ zu einem Verzerren des synthetischen Roh-Bildes kann ein Verzerren auch vor dem Durchführen einer Intensitäts-Fouriertransformation von gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen erfolgen. In diesem Fall werden die gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen zunächst verzerrt, bevor die Schritte Intensitäts-Fouriertranstransformation, Erzeugen einer synthetischen 2D-Intensitäts-Gesamt-Fouriertransformierten und Intensitäts-Fourier-Rücktransformation erfolgen.
• Das Verzerren kann digital, also durch Umrechnen der Messwerte, erfolgen.
• Eine Auswahl nach Anspruch 11 lässt sich numerisch mit vergleichsweise einfachen Mitteln realisieren. Die Auswahlfunktion kann so gewählt werden, dass einer Normierungsbedingung, die dafür sorgt, dass jede Richtung gleichberechtigt ausgewählt wird, Rechnung getragen wird.
• Eine digitale Auswahlfunktion nach Anspruch 12 lässt sich numerisch in besonders einfacher Weise umsetzen. Alternativ zu einer digitalen Auswahlfunktion, die ausschließlich die Werte 0 und 1 einnehmen kann, kann auch eine Auswahlfunktion mit stetigem Übergang zwischen den Werten 0 und 1 herangezogen werden.
• Die Vorteile eines Metrologiesystems nach Anspruch 13 entsprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren bereits erläutert wurden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
• 1 stark schematisch in einer Aufsicht mit Blickrichtung senkrecht zu einer Einfallsebene ein Metrologiesystem für die Untersuchung eines Objekts in Form einer Lithografiemaske mit EUV-Beleuchtungs- und Abbildungslicht mit einer Beleuchtungsoptik und einer abbildenden Optik, die jeweils sehr stark schematisch dargestellt sind;
• 2 ein Beleuchtungssetting, also eine Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht in einer Pupillenebene der Beleuchtungsoptik, für eine Beleuchtung des Objekts;
• 3 eine Aufsicht auf das abzubildende Objekt;
• 4 eine Aufsicht auf eine Abbildungs-Aperturblende zur randseitigen Begrenzung eines Abbildungs-Lichtbündels in der abbildenden Optik;
• 5 weniger schematisch als in 1 eine Seitenansicht einer Anordnung einer Lithografie-Projektionsoptik zwischen dem abzubildenden Objekt und einem Wafer, wobei das Objekt dasjenige ist, welches im Vorfeld mit dem Metrologiesystem nach 1 untersucht wurde;
• 6 schematisch in einem Schnitt in einer Einfallseinebene eine Reflexion des Beleuchtungs- und Abbildungslichts am Objekt bei der Projektionsbelichtung;
• 7 einen Schnitt durch das einfallende Beleuchtungs-Lichtbündel und das ausfallende Abbildungs-Lichtbündel gemäß Linie VII-VII in 6;
• 8 ein Ablaufschema eines Verfahrens zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes im Bereich um eine Bildebene bei der Abbildung der Lithografiemaske;
• 9 ein Ablaufschema, welches stärker im Detail Verfahrensschritte bei einer Einbeziehung einer Beeinflussungsgröße verdeutlicht, die dem Verhältnis von Abbildungsmaßstäben der Projektionsoptik in zueinander senkrechten Richtungen entspricht;
• 10 in einem Diagramm eine Abhängigkeit eines Verlagerungsweges Δzi einer Feldebene von einer optimalen Fokusebene der abbildenden Optik, wobei dieser Verlagerungsweg Δzi für eine Intensitätsrekonstruktion bei der Vermessung eines 3D-Luftbildes herangezogen wird, von einem Winkel φ einer Richtungskomponente einer zur Berechnung des 3D-Luftbildes herangezogenen Fouriertransformierten, wobei die Abhängigkeit für ein gegebenes Abbildungsmaßstab-Verhältnis der Abbildungsoptik und für verschiedene Rekonstruktions-Verlagerungswege der Objektebene zur optimalen Fokusebene der Abbildungsoptik sowie für zwei verschiedene, die Winkelabhängigkeit beschreibende stetig differenzierbare Funktionen dargestellt ist;
• 11 bis 14 jeweils eine 2D-Intensitätsverteilung einer Abbildung einer rechteckigen Teststruktur bei verschiedenen Defokus-Verlagerungswegen Δz der Teststruktur, aufgenommen jeweils in der xy-Ebene;
• 15 bis 18 den Betrag der den Intensitätsverteilungen der 11 bis 14 zugeordneten 2D-Intensitäts-Fouriertransformierte;
• 19 bis 22 den Fouriertransformierten nach den 15 bis 18 zugeordnete digitale Auswahlfunktionen zur Auswahl bestimmter Richtungskomponenten der Fouriertransformierten;
• 23 den Betrag einer mit Hilfe der Intensitäts-Fouriertransformierten nach den 15 bis 18 und den Auswahlfunktionen nach den 19 bis 22 erzeugten synthetische 2D-Gesamt-Fouriertransformierte;
• 24 ein synthetisches Bild als Ergebnis einer Fourier-Rücktransformation der Gesamt-Fouriertransformierten nach 23;
• 25 ein synthetisches Ergebnis-Bild nach Verzerrung des synthetischen Bildes nach 24 mit einem vorgegebenen Abbildungsmaßstab-Verhältnis einer zu emulierenden bzw. zu rekonstruierenden Abbildungsoptik.
• Zur Erleichterung der Darstellung von Lagebeziehungen wird nachfolgend ein kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse verläuft in der 1 senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein. Die y-Achse verläuft in der 1 nach oben. Die z-Achse verläuft in der 1 nach rechts.
• 1 zeigt in einer einem Meridionalschnitt entsprechenden Ansicht einen Strahlengang von EUV-Beleuchtungslicht bzw. Abbildungslicht 1 in einem Metrologiesystem 2 für die Untersuchung eines in einem Objektfeld 3 in einer Objektebene 4 angeordneten Objekts 5 in Form eines Retikels bzw. einer Lithografiemaske mit dem EUV-Beleuchtungslicht 1. Das Metrologiesystem 2 wird zur Analyse eines dreidimensionalen (3D-) Luftbildes (Aerial Image Metrology System) eingesetzt und dient zur Simulation und Analyse der Auswirkungen von Eigenschaften von Lithographiemasken, sogenannten Retikels, die wiederum bei der Projektionsbelichtung zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zum Einsatz kommen, auf die optische Abbildung durch Projektionsoptiken innerhalb einer Projektionsbelichtungsanlage. Derartige Systeme sind aus der US 2013/0063716 A1 (vgl. dort 3), aus der DE 102 20 815 A1 (vgl. dort 9) und aus der DE 102 20 816 A1 (vgl. dort 2) und aus der US 2013/0083321 A1 bekannt.
• Das Beleuchtungslicht 1 wird am Objekt 5 reflektiert. Eine Einfallsebene des Beleuchtungslichts 1 liegt parallel zur y-z-Ebene.
• Das EUV-Beleuchtungslicht 1 wird von einer EUV-Lichtquelle 6 erzeugt. Bei der Lichtquelle 6 kann es sich um eine Laser-Plasma-Quelle (LPP; laser produced plasma) oder um eine Entladungsquelle (DPP; discharge produced plasma) handeln. Grundsätzlich kann auch eine Synchrotronbasierende Lichtquelle zum Einsatz kommen, z. B. ein Freie-Elektronen-Laser (FEL). Eine Nutzwellenlänge der EUV-Lichtquelle kann im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm liegen. Grundsätzlich kann bei einer Variante des Metrologiesystems 2 auch eine Lichtquelle für eine andere Nutzlichtwellenlänge anstelle der Lichtquelle 6 zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Lichtquelle für eine Nutzwellenlänge von 193 nm.
• Je nach Ausführung des Metrologiesystems 2 kann dieses für ein reflektierendes oder auch für ein transmittierendes Objekt 5 zum Einsatz kommen. Ein Beispiel für ein transmittierendes Objekt ist eine Phasenmaske.
• Zwischen der Lichtquelle 6 und dem Objekt 5 ist eine Beleuchtungsoptik 7 des Metrologiesystems 2 angeordnet. Die Beleuchtungsoptik 7 dient zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts 5 mit einer definierten Beleuchtungsintensitätsverteilung über das Objektfeld 3 und gleichzeitig mit einer definierten Beleuchtungswinkelverteilung, mit der die Feldpunkte des Objektfeldes 3 beleuchtet werden.
• 2 zeigt ein entsprechendes Beleuchtungssetting, welches für die Beleuchtungsoptik 7 einstellbar ist. Dargestellt ist in der 2 eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts 1 in einer Pupillenebene 8 (vgl. 1) bzw. in einer hierzu konjugierten Ebene der Beleuchtungsoptik 7. Das Beleuchtungssetting ist beispielhaft als Hexapol-Setting mit sechs Beleuchtungspolen 9 ausgestaltet.
• Die sechs Beleuchtungspole 9 liegen innerhalb einer elliptischen äußeren Randkontur 10, die in der 2 gestrichelt angedeutet ist. Diese Randkontur 10 folgt einer Ellipse mit einem Verhältnis zwischen großer Halbachse parallel zur x-Achse und kleiner Halbachse parallel zur y-Achse von 2:1. Auch andere Achsenverhältnisse der elliptischen Randkontur 10 im Bereich von 10:1 und 1,1:1 sind möglich, beispielsweise von 1,5:1, 1,6:1, 2,5:1, 3:1, 4:1, 5:1 oder 8:1.
• Die elliptische Randkontur 10 wird von einer Beleuchtungs-Aperturblende 11 der Beleuchtungsoptik 7 erzeugt, die ein auf die Beleuchtungs-Aperturblende 11 einfallendes Bündel des Beleuchtungslichts 1 randseitig begrenzt. Entsprechend weist die Beleuchtungs-Aperturblende 11 in einer sich parallel zur xy-Ebene erstreckenden Blendenebene in den zwei zueinander senkrechten Richtungen x und y zwei sich voneinander um mindestens 10 %, im vorliegenden Fall um 100 % unterscheidende Blendendurchmesser auf, deren Entsprechungen in der 2 mit Bx und By bezeichnet sind. Den größeren Blendendurchmesser Bx hat die Beleuchtungs-Aperturblende 11 senkrecht zur Einfallsebene yz des Beleuchtungslichts 1 auf dem Objekt 5.
• Das Metrologiesystem 2 ist zur Untersuchung an anamorphotischen Masken mit unterschiedlichen Struktur-Skalierungsfaktoren in x und y ausgelegt. Derartige Masken sind zur Herstellung von Halbleiterelementen mittels anamorphotischer Projektionsanlagen geeignet.
• Eine numerische Apertur des Beleuchtungs- und Abbildungslichts 1 in der xz-Ebene kann retikelseitig bei 0,125 und in der yz-Ebene retikelseitig bei 0,0625 liegen.
• 3 zeigt eine Aufsicht auf das Objekt 5. Strukturen auf dem Retikel 5 sind in der y-Richtung um einen Faktor 2 gestreckt. Dies bedeutet, dass eine Teilstruktur, beispielsweise die Rechteck-Struktur 12 in der rechten unteren Ecke des Objekts 5 nach 3, die in eine 1: 1-Struktur abgebildet werden soll, ein x/y-Aspektverhältnis von 1:2 aufweist.
• Nach Reflexion am Objekt 5 tritt das Beleuchtungs- bzw. Abbildungslicht 1 in eine abbildende Optik bzw. Projektionsoptik 13 des Metrologiesystems 2 ein, die in der 1 ebenfalls schematisch durch eine gestrichelte Berandung angedeutet ist. Die abbildende Optik 13 dient zur Abbildung des Objekts 5 hin zu einer ortsauflösenden Detektionseinrichtung 14 des Metrologiesystems 2. Die Detektionseinrichtung 14 ist z.B. als CCD-Detektor ausgebildet.
• Die abbildende Optik 13 umfasst eine im Strahlengang nach dem Objekt 5 angeordnete Abbildungs-Aperturblende 15 (vgl. auch 4) zur randseitigen Begrenzung eines Abbildungslicht-Bündels. Die Abbildungs-Aperturblende 15 ist in einer Pupillenebene 8a der abbildenden Optik 13 angeordnet. Die Pupillenebenen 8 und 8a können zusammenfallen; dies ist allerdings nicht zwingend.
• Auf die Abbildungs-Aperturblende 15 kann im Metrologiesystem 2 auch verzichtet werden.
• Die Abbildungs-Aperturblende 15 hat eine elliptische Randkontur 16 mit einem x/y-Halbachsenverhältnis von 2:1. Die Abbildungs-Aperturblende 15 hat also in einer sich parallel zur xy-Ebene erstreckenden Blendenebene in zwei zueinander senkrechten Richtungen x, y zwei sich voneinander um mindestens 10 % unterscheidende Blendendurchmesser, die in der 4 wiederum mit Bx, By bezeichnet sind. Für das Durchmesserverhältnis Bx:By im Bereich zwischen 10:1 und 1,1:1 gilt, was vorstehend zum entsprechenden Durchmesserverhältnis der Beleuchtungs-Aperturblende 11 ausgeführt wurde.
• Auch die Abbildungs-Aperturblende 15 hat den größeren Blendendurchmesser Bx senkrecht zur Einfallsebene yz des Beleuchtungs- bzw. Abbildungslichts 1 auf dem Objekt 5. Auch bei der Abbildungs-Aperturblende 15 ist der Durchmesser Bx doppelt so groß wie der Durchmesser By.
• Die Detektionseinrichtung 14 steht in Signalverbindung mit einer digitalen Bildverarbeitungseinrichtung 17.
• Das Objekt 5 wird von einem Objekthalter 18 getragen. Dieser kann über einen Verlagerungsantrieb 19 einerseits parallel zur xy-Ebene und andererseits senkrecht zu dieser Ebene, also in z-Richtung, verlagert werden. Der Verlagerungsantrieb 19 wird, wie auch der gesamte Betrieb des Metrologiesystems 2 von einer zentralen Steuereinrichtung 20 gesteuert, die mit den zu steuernden Komponenten in nicht näher dargestellter Weise in Signalverbindung steht.
• Der optische Aufbau des Metrologiesystems 2 dient zur möglichst exakten Emulation einer Beleuchtung sowie einer Abbildung im Rahmen einer Projektionsbelichtung des Objekts 5 bei der projektionslithografischen Herstellung von Halbleiterbauelementen.
• 5 zeigt die Abbildungsverhältnisse einer lithografischen Projektionsoptik 21, die bei einer derartigen lithografischen Projektionsbelichtung zum Einsatz kommt. Im Unterschied zur 1 zeigt die 5 eine transmittierende Beleuchtung des Objekts 5 anstelle der tatsächlich vorliegenden reflektierenden Beleuchtung. Angedeutet ist in einem Beleuchtungs-Lichtbündel 22 des Beleuchtungs- und Abbildungslichts 1 eine Strukturierung dieses Beleuchtungs-Lichtbündels 22 aufgrund eines definierten Beleuchtungssettings mit diskreten Beleuchtungspolen.
• Die Projektionsoptik 21, die Teil einer ansonsten nicht dargestellten Projektionsbelichtungsanlage ist, ist anarmorphotisch ausgeführt, hat also in der xz-Ebene einen anderen Abbildungsmaßstab als in der yz-Ebene. Eine objektseitige numerische Apertur der Projektionsoptik 21 beträgt in der xz-Ebene 0,125 und in der yz-Ebene 0,0625. Eine bildseitige numerische Apertur der Projektionsoptik 21 beträgt sowohl für die xz-Ebene als auch für die yz-Ebene jeweils 0,5. Es ergibt sich in der xz-Ebene ein Abbildungsmaßstab von 4x und in der yz-Ebene ein Abbildungsmaßstab von 8x, also ein Verkleinerungsfaktor einerseits von 4 und andererseits von 8.
• Bei der Projektionsbelichtung bildet die Projektionsoptik 21 das Objektfeld 3 in ein Bildfeld 23 in einer Bildebene 24 ab, in der ein Wafer 25 angeordnet ist.
• Im Unterschied zur Projektionsoptik 21 der Projektionsbelichtungsanlage ist die Projektionsoptik 13 des Metrologiesystems 1 nicht anamorphotisch, sondern hat sowohl in der xz-Ebene als auch in der yz-Ebene den gleichen vergrößernden Abbildungsmaßstab β_MS von mehr als 100, beispielsweise von 500 oder von 850. Die Metrologiesystem-Projektionsoptik 13 ist also isomorph.
• Die 6 und 7 verdeutlichen die Reflexionsverhältnisse bei der Nutzung einer Beleuchtung mit elliptischer Randkontur, die dann in Reflexion von einer hieran entsprechend angepassten anamorphotischen Projektionsoptik wie der Projektionsoptik 21 bzw. einer Optik mit elliptischer Abbildungs-Aperturblende wie bei der Projektionsoptik 13 genutzt werden kann. Aufgrund des elliptischen Querschnitts einerseits des Beleuchtungs-Lichtbündels 22 und andererseits eines vom Objekt 5 reflektierten Abbildungs-Lichtbündels 26 kann ein kleiner Hauptstrahl-Einfallswinkel CRA von 6° oder weniger realisiert sein, da die Lichtbündel 22, 26 in der yz-Ebene jeweils die kleinere numerische Apertur von 0,0625 haben. In der hierzu senkrechten xz-Ebene haben die Lichtbündel 22 und 26 die größere numerische Apertur von 0,125, was dort nicht stört.
• Eine zentrale Achse, von der aus der Hauptstrahlwinkel CRA gemessen wird und die senkrecht auf der Objektebene 4 steht, ist in den 6 und 7 mit A bezeichnet.
• Bei der 3D-Luftbildmessung werden Daten erzeugt, mit deren Hilfe auf ein Abbildungs-Verhalten der im Objektfeld 3 beleuchteten Struktur des Objekts 5 durch die Projektionsoptik 21 im Bereich der Bildebene 24 rückgeschlossen werden kann. Hierzu wird das Metrologiesystem 2 eingesetzt, wobei das Abbildungsmaßstab-Verhältnis von 2:1 der Projektionsoptik 21 in den zwei zueinander senkrechten Richtungen y und x, also in den beiden zueinander senkrechten Ebenen yz und xz, unter Verwendung einer Metrologiesystem-Projektionsoptik 13, die nicht anamorphotisch ist, berücksichtigt wird.
• Das Verfahren zur 3D-Luftbildmessung wird nachfolgend anhand der 8 und 9 erläutert.
• Zunächst wird das zu vermessende Objekt 5, also die zu vermessende Lithografiemaske in einem Schritt 27 bereitgestellt. Anschließend wird eine Intensitätsverteilung des Abbildungslichts 1 im Bereich einer Bildebene 14a vermessen, in der die Detektionseinrichtung 14 des Metrologiesystems 1 angeordnet ist. Dies geschieht in einem Messschritt 28. Die Detektionseinrichtung 14 erfasst im Messschritt 28 innerhalb eines Detektionsfeldes, in welches durch die Metrologiesystem-Projektionsoptik 13 das Objektfeld 3 abgebildet ist, eine 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung. Die vermessende Intensitätsverteilung wird dann jeweils abgespeichert und an die digitale Bildverarbeitungseinrichtung 17 weitergeleitet.
• Es wird nun die Lithografiemaske 5 mithilfe des Verlagerungsantriebs 19 senkrecht zur Objektebene 4 um einen vorgegebenen Verlagerungsweg Δz verlagert. Dies geschieht in einem Verlagerungsschritt 29.
• Der Messschritt 28 und der Verlagerungsschritt 29 werden dann mittels Durchführung eines Wiederholungsschrittes 30 so oft wiederholt, bis eine zur Wiedergabe eines 3D-Luftbildes ausreichende Anzahl von 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen mittels der Detektionseinrichtung 14 vermessen ist. Durch Wiederholen des Messschritts 28 und des Verlagerungsschritts 29 bei verschiedenen z-Positionen des Objekts 5 wird die 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung also beispielsweise an fünf, sieben, neun oder elf jeweils um Δz auseinander liegenden z-Positionen vermessen, wobei das Objekt 5 bei einem mittleren Verlagerungsschritt 29 exakt in der Objektebene 4 liegt. In der 1 sind strichpunktiert entsprechende Verlagerungs-z-Positionen des Objekts 5 angedeutet. Dargestellt ist der Fall, bei dem fünf jeweils um Δz auseinander liegende z-Positionen vermessen werden, wobei die in der 1 dargestellte z-Position, bei der das Objekt 5 in der Objektebene 4 liegt, die mittlere der fünf zu vermessenden z-Positionen darstellt.
• Die dritte Dimension des 3D-Luftbildes, nämlich die z-Dimension wird bei diesem Messverfahren der Messung durch z-Verlagerung des Objekts 5 zugänglich gemacht. Da das 3D-Luftbild eine anamorphotische Abbildung, nämlich die Abbildung durch die Lithografie-Projektionsoptik 21, emulieren soll, führt jeder Verlagerungsschritt 29 im Bereich der Bildebene 14a zu einer Defokussierung in z-Richtung. Defokussierungswerte einerseits in der xz-Ebene und andererseits in der yz-Ebene unterscheiden sich voneinander aufgrund des zu emulierenden xz-/yz-Abbildungsmaßstab-Verhältnisses der Lithografie-Projektionsoptik 21. Der Unterschied zwischen den Abbildungsmaßstab-Verhältnissen einerseits der isomorphen Metrologiesystem-Projektionsoptik 13 und andererseits der zu emulierenden anamorphotischen Projektionsbelichtungsanlagen-Projektionsoptik 21 wird beim Vermessungsverfahren durch Einbeziehen einer Beeinflussungsgröße berücksichtigt, die dem Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe der Lithografie-Projektionsopitk 21 entspricht. Dies geschieht in einem Einbeziehungs-Schritt 31, der im Ablaufschema der 9 stärker im Detail dargestellt ist.
• Die Vermessung wird mit einer Messoptik des Metrologiesystems 1 durchgeführt, deren Abbildungsmaßstab in zueinander senkrechten Richtungen (xz/yz) gleich ist. Der Einbeziehungsschritt 31 erfolgt ausschließlich durch Umrechnen der Daten der gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung. Diese Umrechnung wird von der digitalen Bildverarbeitungseinrichtung 17 durchgeführt.
• Bei der Durchführung des Einbeziehungsschritts 31 werden zunächst die Datensätze der Messschritte 28 herangezogen, also die verschiedenen gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen an den unterschiedlichen z-Positionen des Objekts 5, die im Rahmen der vorausgegangenen Sequenz der wiederholten Schritte „Messschritt 28/Verlagerungsschritt 29“ vermessen und in einem Speicher der digitalen Bildverarbeitungseinrichtung 17 abgelegt wurden. Dies geschieht in einem Heranziehungsschritt 32.
• Aus den so herangezogenen Daten wird zur Vorbereitung der Einbeziehung in einem Rekonstruktionsschritt 33 eine elektromagnetische Wellenfront des Abbildungslichts 1 nach Wechselwirkung des Abbildungslichts 1 mit dem Objekt 5 rekonstruiert. Diese Rekonstruktion findet insbesondere im Bereich der Bildebene 14a des Metrologiesystems 1 statt. Beim Rekonstruktionsschritt 33 kann eine Phasenrekonstruktion der elektromagnetischen Wellenfront des Abbildungslichts 1 erfolgen. Insbesondere werden Phase und Amplitude eines 3D-Objektspektrums und deren partiell kohärente Überlagerung rekonstruiert. Eine polarisationsabhängige Rekonstruktion findet nicht statt.
• Bei der Durchführung des Rekonstruktionsschritts 33 können verschiedene bereits aus der Literatur bekannte Phasenrekonstruktionsverfahren zum Einsatz kommen. Hierzu gehören Methoden, die verschiedene 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungs-Sequenzen, die durch entsprechende mehrfache Durchführung der Abfolge der Schritte 28 bis 30 erzeugt werden, wobei bei jeder dieser Sequenzen ein Teil des optischen Systems des Metrologiesystems 1 verändert wird, was auch als Diversifizierung bekannt ist. Die Schritte 28 bis 30 können also einen Teil der Phasenrekonstruktion darstellen und bei der Rekonstruktion der Wellenfront im Schritt 33 zum Einsatz kommen.
• Bei einer Variante der Phasenrekonstruktion findet eine Defokus-Diversifizierung statt. Dies wurde vorstehend durch Erläuterung der Schritte 28 bis 30 bereits diskutiert.
• Algorithmen, die hierbei zum Einsatz kommen, können beispielsweise sein: Transport of Intensity Equation, Iterative Fourier Transform Algorithms (IFTA, z.B. Gerchberg-Saxton) oder Optimierungsmethoden, z.B. mittels Backpropagation. Der Algorithmus Transport of Intensity Equation (TIE) ist beschrieben im Fachartikel „Critical assessment of the transport of intensity equation as a phase recovery technique in optical lithography“, Aamod Shanker ; Martin Sczyrba ; Brid Connolly ; Franklin Kalk ; Andy Neureuther ; Laura Waller, Proc. SPIE 9052, Optical Microlithography XXVII, 90521D (March 31, 2014); doi: 10.1117/12.2048278. Der Algorithmus „Gerchberg-Saxton“ ist beschrieben in Fienup, J.R. (1 August 1982). „Phase retrieval algorithms: a comparison.“. Applied Optics 21 (15): 2758-2769. Bibcode:1982ApOpt..21.2758F. DOI: 10.1364/AO.21.002758. Die Optimierungsmethode „Backpropagation“ ist beschrieben in General framework for quantitative three-dimensional reconstruction from arbitrary detection geometries in TEM, Phys. Rev. B 87, 184108 - Published 13 May 2013, Wouter Van den Broek and Christoph T. Koch.
• Eine weitere Variante für einen Algorithmus, der bei der Phasenrekonstruktion zum Einsatz kommen kann, ist die Stokes Polarimetrie. Dieser Algorithmus ist beispielsweise beschreiben in Opt Express. 2014 Jun 2;22(11):14031-40. DOI: 10.1364/OE.22.014031. All-digital wavefront sensing for structured light beams. Dudley A, Milione G, Alfano RR, Forbes A.
• Bei Einsatz einer Phasenrekonstruktion kann auf die elliptische Abbildungs-Aperturblende 15 auch verzichtet werden. Die optische Wirkung der Aperturblende kann auch digital herbeigeführt werden.
• Alternativ zu einer Defokus-Diversifizierung kann auch eine Beleuchtungsrichtungs-Diversifizierung zur Durchführung des Rekonstruktionsschritts 33 durchgeführt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Fourier-Ptychographie. Dieser Algorithmus ist beschrieben im Fachartikel „Widefield, high-resolution Fourier ptychographic microscopy, Guoan Zheng et al., Nature Photonics, Advance online publication 28.07.2013, DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.187.
• Hierbei wird zu jeder Beleuchtungsrichtung eine 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung gemessen und mittels eines Algorithmus auf Phase und Amplitude der elektromagnetischen Wellenfront zurückgerechnet. Hierbei können wiederum die Algorithmen IFTA oder Backpropagation zum Einsatz kommen.
• Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des Rekonstruktionsschritts 33 ist eine allgemeine Pupillenmanipulation, wie dies beispielsweise bei der Spatial Light Interference Microscopy (räumliche Lichtinterferenzmikroskopie, SLIM, vgl. Fachartikel Wang et al. Optics Express, 2011, Volume 19, Nr. 2, Seite 1017) zum Einsatz kommen. Hier werden beispielsweise vier Bilder mit jeweils einer unterschiedlichen phasenschiebenden Maske aufgenommen, die in einer Detektionspupille, also beispielsweise in der Pupillenebene 8a der Projektionsoptik 13 des Metrologiesystems 1, angeordnet ist.
• Grundsätzlich kann die Phasenrekonstruktion der elektromagnetischen Wellenfront auch ohne eine derartige Diversifizierung erfolgen. Beispiele hierfür stellen Verfahren der Interferometrie und der digitalen Holographie dar. Bei der Interferometrie wird ein Referenzstrahlengang benötigt. Bei der digitalen Holographie wird zum Beispiel ein Gitter in die Detektionspupille eingebracht. Die einzelnen Beugungsordnungen werden dann auf dem Detektor zur Interferenz gebracht. Beispielhaft sind diese Verfahren der Interferometrie und der digitalen Holographie beschreiben in U. Schnars, W. Jüptner (2005). Digital Holography. Springer, sowie Wen, Han; Andrew G. Gomella, Ajay Patel, Susanna K. Lynch, Nicole Y. Morgan, Stasia A. Anderson, Eric E. Bennett, Xianghui Xiao, Chian Liu, Douglas E. Wolfe (2013). „Subnanoradian X-ray phase-contrast imaging using a far-field interferometer of nanometric phase gratings“. Nat. Commun. 4. Bibcode:2013NatCo...4E2659W. doi:10.1038/ncomms3659.
• Für ein gegebenes Beleuchtungssetting, für welches die abbildende Funktion der Lithografie-Projektionsoptik 21 durch das Metrologiesystem 1 emuliert werden soll, kann eine Phasenrekonstruktion durch feines Sampling der bei diesen Beleuchtungssetting verwendeten Beleuchtungspupille beispielsweise der Intensitätsverteilung nach 2 realisiert werden. Das verwendete Beleuchtungssetting wird dabei durch viele kleine nahezu kohärente Beleuchtungs-Monopole angenähert, die sequentiell vermessen werden. Derartige Monopole sind in der 2 beispielhaft bei 34 angedeutet. Für jeden dieser Monopole 34 wird dann eine Phasenrekonstruktion durchgeführt, so dass die zu ermittelnde partiell kohärente Welle nach Wechselwirkung mit dem Objekt 5 als Überlagerung von angenähert kohärenten Wellen, also den Ergebnissen der jeweiligen Phasenrekonstruktion zur Monopol-Beleuchtung, beschrieben werden kann. Ein derartiges Abrastern der Beleuchtungspupille wird bei der Fourier-Ptychografie als Diversifizierung verwendet. Ein partiell kohärentes Feld kann also als Überlagerung vieler nahezu kohärenter Felder beschrieben werden, die durch das Monopol-Sampling erzeugt werden.
• Nach dem Rekonstruktionsschritt 33 erfolgt eine digitale Simulation der Abbildung mit dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis der Lithografie-Projektionsoptik 25. Dies erfolgt in einem digitalen Simulationsschritt 35.
• Die beim Rekonstruktionsschritt 33 berechnete elektromagnetische Wellenfront wird hierbei so manipuliert, wie sie bei der Propagation durch ein entsprechendes anamorphotisches System manipuliert würde. Dies kann durch Einsatz einer digitalen elliptischen Abbildungs-Aperturblende entsprechend der vorstehend erläuterten Abbildungs-Aperturblende 15 geschehen. Gleichzeitig muss durch die digitale Manipulation sichergestellt werden, dass bildseitig, wie auch bei der Lithografie-Projektionsoptik 25, die numerische Apertur in der xz-Ebene gleich ist zur numerischen Apertur in der yz-Ebene. Eine derartige digitale Manipulation kann durch eine digitale Zylinderlinse oder durch Addieren einer astigmatischen Wellenfront erfolgen. Die Addition einer astigmatischen Wellenfront kann durch Addition eines Beitrages eines Zernike-Polynoms Z5 erfolgen. Zernike-Polinome Zi (i=1, 2, ...) sind beispielsweise in der Fringe-Notierung bekannt aus der mathematischen und der optischen Literatur. Ein Beispiel für diese Notierung gibt das CodeV-Manual, Version 10.4, S. C-6 ff.
• Die resultierende astigmatische Wellenfront kann dann in jeder Propagationsebene berechnet werden.
• Entsprechend kann nun in einem Ausgabeschritt 36 die Ausgabe des unter Einbeziehung der Beeinflussungsgröße resultierenden 3D-Luftbildes ausgegeben werden.
• Die Phasenrekonstruktion kann einen Fourier-Transformationsschritt beinhalten, mit dem aus einer berechneten Phase eine komplexe, also die Phase beinhaltende Amplitudenverteilung berechnet wird. Nach digitaler Astigmatismus-Manipulation kann dann mithilfe einer inversen FourierTransformation zurück in das Bildfeld gerechnet werden.
• Im Rahmen der Phasenrekonstruktion kann auch eine dreidimensionale (3D-)Fouriertransformation stattfinden.
• Alternativ kann zur Durchführung des Rekonstruktionsschritts 33 eine Intensitäts-Fouriertransformation der bei der Sequenz der Schritte 28 bis 30 ermittelten 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen durchgeführt werden, wozu diese Intensitätsverteilungen vorab mittels bekannter mathematischer Techniken mit periodischen Randbedingungen versehen werden. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf die WO 2008/025433 A 2 und die DE 10 2007 009 661 A1 .
• Der Einbeziehungsschritt 31 erfolgt dann durch Auswahl der xy-Richtungskomponenten der erzeugten Intensitäts-Fouriertransformationen unter Berücksichtigung des xy-Abbildungsmaßstabs-Verhältnisses der Lithografie-Projektionsoptik 21. Es wird also ein Fourierbild zusammengesetzt, dessen x-Komponente bei einer Verlagerung mit einer ersten Schrittweite Δz₁ mit einer Sequenz der Verfahrensschritte 28 bis 30 aufgenommen wurde und als y-Komponente werden Fourierkomponenten der Intensitätsverteilungen einer Sequenz verwendet, die mit einem schrittweiten Verhältnis Δz₂ aufgenommen wurden. Für Richtungskomponenten, die mit der x-Achse einen Winkel φ zwischen 0° und 90° einnehmen, werden fouriertransformierte 2D-Intensitätsdaten herangezogen, die bei einer zwischenliegenden Schrittweite Δzi aufgenommen wurden. Die jeweilige Schrittweite Δzi skaliert mit dem Winkel φ der jeweils betrachteten Richtung der Fourierkomponente und der x-Achse.
• Die Funktion Δzi (φ) kann zwischen den Schrittweiten Δz₁ für die x-Achse und den Schrittweiten Δz₂ für die y-Achse linear oder mittels einer angepasst ausgewählten Anpassungsfunktion, z.B. mittels einer quadratischen Funktion, einer Sinusfunktion und einer Sinus²-Funktions variiert werden.
• Die Δzi-Schrittweiten-Messungen der 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen müssen nicht alle real durchgeführt werden, sondern es kann, falls eine Messung bei einem z-Wert zwischen zwei real durchgeführten Messungen benötigt wird, auch eine Interpolation zwischen diesen beiden 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen durchgeführt werden. Diese Interpolation kann z.B. mithilfe einer nearestneighbourhood, einer linearen, einer bikubischen oder einer Spline-Interpolationsfunktion erfolgen. Die Interpolation kann im Fourierraum, aber auch im Ortsraum stattfinden.
• Eine Abbildung mit dem Metrologiesystem 2 kann mit einer elliptischen Abbildungs-Aperturblende 15, alternativ aber auch mit einer ovalen oder mit einer rechteckigen Blende durchgeführt werden. Soweit keine Phasenrekonstruktion durchgeführt wird, ist der Einsatz einer Abbildungs-Aperturblende mit einem x/y-Aspektverhältnis erforderlich, welches dem Verhältnis der Abbildungsmasstabs in x- und y- Richtung einer zu emulierenden bzw. zu rekonstruierenden Abbildungsoptik entspricht, , also beispielsweise ein Aspekt- bzw. Durchmesserverhältnis im Bereich zwischen 10:1 und 1,1:1 hat.
• Das so manipulierte und aus den verschiedenen Richtungskomponenten zusammengesetzte Fourierbild wird dann über eine inverse Fouriertransformation rücktransformiert, so dass sich das gewünschte 3D-Luftbild ergibt.
• Die sich ergebende Bild-Intensitätsverteilung kann dann noch softwaremäßig verzerrt werden, insbesondere in x-Richtung anders skaliert werden als in y-Richtung, um einen von der Lithografie-Projektionsoptik 21 erzeugten Anamorphismus wiederzugeben.
• Die Schritte 28 bis 30 sind also nicht zwingend. Nach dem Bereitstellungsschritt 27 kann eine Rekonstruktion der Wellenfront im Rekonstruktionsschritt 33 auch durch eine der vorstehend beschriebenen Varianten erfolgen.
• Ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes im Bereich um die Bildebene 24 bei der Abbildung der Lithografiemaske 5, die in der Objektebene 4 angeordnet ist, unter Berücksichtigung eines wählbaren Abbildungsmaßstab-Verhältnisses einer zu emulierenden bzw. zu rekonstruierenden Abbildungsoptik unter Einsatz einer Intensitätsrekonstruktion einer elektromagnetischen Wellenfront des Abbildungslichts 1 wird nachfolgend anhand der 10 ff. noch näher im Detail erläutert.
• Hierbei wird zunächst durch Wiederholung der Schritte 28 bis 30 ein Stapel von jeweils sich um einen Δz-Verlagerungsweg der Teststruktur unterscheidenden 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung im Bereich der Ebene 14a mit der Detektionseinrichtung 14 gemessen. Dies geschieht mit eingesetzter Abbildungs-Aperturblende 15 nach 4.
• Die 11 bis 14 zeigen beispielhaft für ein Rechteck 5 als Beispiel für eine Teststruktur, die anstelle der Lithografiemaske 5 zum Einsatz kommt, verschiedene Messergebnisse für die sich hierbei ergebende 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung. Das Rechteck hat ein x/y-Aspektverhältnis von 1:2.
• 11 zeigt die gemessene 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung für einen sich bildseitig ergebenden Defokus Δz von 1600 nm.
• 12 zeigt die gemessene 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung für einen Defokus Δz von 2500 nm.
• 13 zeigt die gemessene 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung für einen Defokus Δz von 4900 nm.
• 14 zeigt die gemessene 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung für einen Defokus Δz von 6400 nm.
• Die in den 11 bis 14 sichtbare fortschreitende Defokussierung erscheint in der y-Richtung bei gegebenem Verlagerungsweg Δz schwächer als in x-Richtung, was sich aufgrund des Bx/By-Aspektverhältnisses der Abbildungs-Aperturblende 15 erklärt, die zu einer größeren Tiefenschärfe in der y-Richtung im Vergleich zur x-Richtung führt.
• Zur Intensitätsrekonstruktion des 3D-Luftbildes führt die zu emulierende Abbildungsoptik mit vorgegebenem und von 1 verschiedenen Abbildungsmaßstab-Verhältnis findet nun eine Umrechnung des gemessenen Fokusstapels mit einer Vielzahl von 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen nach Art der 11 bis 14 für verschiedene Verlagerungswege Δz in ein synthetisches Ergebnisbild des 3D-Luftbildes dieser Abbildungsoptik statt.
• Beispielhaft wird von einem Vergrößerungsmaßstab der zu emulierenden abbildenden Optik 21 in der x-Richtung, β_x, von 1 / 4 und in der y-Richtung, β_y, von 1 / 8 ausgegangen. Die abbildende Optik 13 des Metrologiesystems 2 hat einen isomorphen Vergrößerungsfaktor β_MS von 850.
• Die Verlagerung Δz der Teststruktur bzw. der Lithografiemaske 5 wird nachfolgend auch als Δz_LM bezeichnet.
• Mit Hilfe ausgewählter 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen zu bestimmten Verlagerungswegen Δz, wie beispielhaft in den 11 und 14 gezeigt, wird nun ein synthetisches Bild der Lithografie-Projektionsoptik 21 erzeugt. Hierzu wird von jeder der 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen eine Intensitäts-Fouriertransformation erzeugt. Ergebnis ist jeweils eine 2D-Intensitäts-Fouriertransformierte. Beispielhaft ist der Absolutbetrag der 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten der 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen nach den 11 bis 14 in den 15 bis 18 gezeigt.
• Aus diesen Intensitäts-Fouriertransformierten wird nun ein neues synthetisches Ergebnis-Bild erzeugt. Hierzu werden Richtungskomponenten der zunächst erzeugten 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten unter Berücksichtung des Abbildungsmaßstab-Verhältnisses der Lithografie-Projektionsoptik 21 ausgewählt. Ein Verlagerungsweg Δzi einer hierzu jeweils ausgewählten 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung skaliert hierbei mit der Ausrichtung der Richtungskomponenten. Hierzu geht man folgendermaßen vor:
• Auf der x-Achse verwendet man die Intensitäten und Phasen (also Real- und Imaginäranteil) des Fourierbildes, das in Ebene $\Delta \text{zi}=\Delta {\text{z}}_{\text{LM}}/{\mathrm{\beta }}_{\text{x}}{}^2$
  
  aufgenommen wurde.
• Auf der y-Achse verwendet man die Intensitäten und Phasen des Fourierbildes, das in Ebene $\Delta \text{zi}=\Delta {\text{z}}_{\text{LM}}/{\mathrm{\beta }}_{\text{y}}{}^2$

  

  aufgenommen wurde.
• Für alle Pixel dazwischen verwendet man die Intensitäten und Phasen eines Fourierbildes, das in einer Defokus-Ebene Δzi zwischen $\Delta {\text{z}}_{\text{LM}}/{\mathrm{\beta }}_{\text{y}}{}^2$

  

  und $\Delta {\text{z}}_{\text{LM}}/{\mathrm{\beta }}_{\text{y}}{}^2$

  

  aufgenommen wurde. Die Funktion für die interpolierende Berechnung des Defokus soll stetig und vorteilhafterweise stetig differenzierbar sein und vorteilhafterweise von 0° bis 90° monoton sein.
• Nachfolgend werden zwei Beispiele für eine Zuordnung jeweiliger Δz-Verlagerungspositionen zu den Richtungskomponenten, also den verschiedenen Winkeln φ angegebenen: $$\Delta \text{zi}=\Delta {\text{z}}_{\text{LM}}\ast 1/{\left({\mathrm{\beta }}_{\text{x}}+\left({\mathrm{\beta }}_{\text{y}}-{\mathrm{\beta }}_{\text{x}}\right)\ast {\text{sin}}^2\mathrm{\phi }\right)}^2$$

  

  (= Beispiel-Zuordnungsfunktion 1) $$\Delta \text{zi}=\Delta {\text{z}}_{\text{LM}}\ast {\left(1/{\mathrm{\beta }}_{\text{x}}+\left(1/{\mathrm{\beta }}_{\text{y}}-{\mathrm{\beta }}_{\text{x}}\right)\ast {\text{sin}}^2\mathrm{\phi }\right)}^2$$

  

  (= Beispiel-Zuordnungsfunktion 2)
• 10 verdeutlicht den Verlauf dieser Beispiel-Zuordnungsfunktionen, also die Abhängigkeit Δzi (φ) für Werte von Δz_LM von -100 nm, -50 nm, 0 nm, 50 nm und 100 nm. Die der Beispiel-Zuordnungsfunktion 1 zugeordneten Kurven sind mit BF 1 und die der Beispiel-Zuordnungsfunktion 2 zugeordneten Kurven sind mit BF2 bezeichnet.
• Ein weiteres Beispiel einer Zuordnungsfunktion nach Art der vorstehend beschriebenen Beispiel-Zuordnungsfunktionen 1 und 2 ist der Mittelwert aus diesen beiden Beispiel-Zuordnungsfunktionen.
• Für diese Rechnung benötigt man einen Fokusstapel mit sehr vielen Bildern und sehr kleiner Schrittweite. In der Praxis wird man aber meist (z.B. um Messzeit zu sparen) weniger Bilder messen und die Schrittweite größer wählen. In diesem Fall kann man die Bilder zwischen den verschiedenen gemessenen Bildern interpolieren. Die Interpolation kann im Bildraum (also vor der Fouriertransformation) oder im Fourierraum (nach der Fouriertransformation) erfolgen. Als Interpolationsmethode kommt je nachdem, welche Genauigkeit gewünscht ist, nearest neighbour, linear, bikubisch, spline oder ein anderes Verfahren in Betracht.
• Vorteilhafterweise wählt man den gesamten Fokusbereich so groß, dass man zwischen den Fokusebenen nur interpolieren und nicht extrapolieren muss.
• Eine numerische Realisierung einer Richtungskomponenten-Auswahl entsprechend einer dieser Beispiel-Zuordnungsfunktionen wird verdeutlicht durch digitale Auswahlfunktionen nach den 19 bis 22. Die digitalen Auswahlfunktionen haben dort den Wert 1, wo weiße Flächen vorliegen, und überall sonst den Wert 0.
• Dargestellt ist anhand der vier gemäß den 11 bis 14 gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen eine übertrieben grobe Ermittlung des Ergebnis-Bildes mit entsprechend lediglich vier verschiedenen Defokuswerten und zugeordneten Auswahlfunktionen. Letztere sind so gewählt, dass jeder Punkt auf der über die digitalen Auswahlfunktionen aufgespannten x/y-Fläche genau ein Mal ausgewählt wird. Die Zuordnung dieser Richtungskomponenten φ zum Defokuswert Δzi erfolgt dabei über die Zuordnungs-Beispielsfunktion BF1, also die oberste Kurve in der 10.
• Berechnet wird ein Ergebnis-Bild für Δz_LM = 100 nm. Für die x-Achse dieses Ergebnis-Bildes wird die Intensitäts-Fouriertransformierte nach 15 ausgewählt. Hierzu wird diese Intensitäts-Fouriertransformierte nach 15 mit der digitalen Auswahlfunktion nach 19 multipliziert, die für Werte, die im Bereich der x-Achse (φ ≈ 0) liegen, 1 und für alle anderen Werte 0 ist.
• Die Auswahlfunktion nach 20 ist der Intensitäts-Fouriertransformierten nach 16 zugeordnet und deckt den Wert φ ungefähr gleich 30° ab.
• 21 zeigt die digitale Auswahlfunktion für die Intensitäts-Fouriertransformierte nach der 17 (Richtungskomponente φ ungefähr gleich 60°).
• 22 zeigt die digitale Auswahlfunktion für die Intensitäts-Fouriertransformierte nach 18 (φ ungefähr gleich 90°).
• Über die Auswahlfunktionen 19 bis 22 findet also eine Auswahl vorgegebener Winkel-Sektoren der 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten nach den 15 bis 18 statt.
• Numerisch wird also die Intensitäts-Fouriertransformierte nach 15 mit der digitalen Auswahlfunktion nach 19 multipliziert, die Intensitäts-Fouriertransformierte nach 16 mit der digitalen Auswahlfunktion nach 20, die Intensitäts-Fouriertransformierte nach 17 mit der digitalen Auswahlfunktion nach 21 und die Intensitäts-Fouriertransformierte nach 18 mit der digitalen Auswahlfunktion nach 22. Die Resultate dieser Multiplikationen werden addiert und ergeben eine synthetische 2D-Intensitäts-Gesamt-Fouriertransformierte. Deren Absolutbetrag ist in 23 dargestellt. Es werden also in einem Zwischenschritt erzeugte synthetische 2D-Intensitäts-Teil-Fouriertransformierte, die jeweils das Ergebnis der einzelnen Multiplikationen darstellen, miteinander addiert. Eine Fourier-Rücktransformation dieser synthetischen 2D-Intensitäts-Gesamt-Fouriertransformierten ergibt ein synthetisches Roh-Bild nach 24.
• Dieses synthetische Roh-Bild nach 24 wird anschließend mit dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis der Lithografie-Projektionsoptik 21 verzerrt, so dass sich als Ergebnis-Bild für den zu emulierenden Defokus Δz_LM von 100 nm das Ergebnis-Bild nach 25 ergibt. Erwartungsgemäß sind bei diesem Defokus die Kanten der abgebildeten Teststruktur in x- und y-Richtung gleichermaßen verwaschen, da sich der Tiefenschärfe-Unterschied in x- und y-Richtung aufgrund der Abbildungs-Aperturblende 15 einerseits und das Abbildungsmaßstab-Verhältnis β_x / β_y anderseits ausgleichen.
• Die vorstehend im Zusammenhang mit den 11 bis 25 erläuterte Berechnung wird nachfolgend noch für die weiteren zu emulierenden Δz-Defokus-Verlagerungen der Lithografiemaske 5, Δz_LM, durchgeführt. Hierzu werden für die Verlagerungen Δz_LM von 50 nm, 0 nm, -50 nm und - 100 nm die Richtungskomponenten entsprechend den in der 10 dargestellten Kurven ausgewählt. Für zwischenliegende Δz_LM-Verlagerungen werden entsprechende 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen ausgewählt, die entweder bei entsprechenden Δz_i-Werten gemessen oder interpoliert werden.
• Das vorstehend im Zusammenhang mit den 11 bis 25 beschriebene Verfahren wurde mit einer übertrieben groben Ermittlung des Ergebnis-Bildes mit lediglich vier verschiedenen Defokuswerten und zugeordneten Auswahlfunktionen beschrieben. Durch Verwendung einer größeren Anzahl von Defokuswerten, beispielsweise durch Verwendung von mehr als fünf Defokuswerten, mehr als zehn Defokuswerten, durch Verwendung von dreizehn oder siebzehn Defokuswerten, durch Verwendung von mehr als zwanzig Defokuswerten, zum Beispiel durch Verwendung von fünfundzwanzig Defokuswerten, und gleichzeitiger Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Auswahlfunktionen mit feinerer Winkelsektor-Auswahl, lässt sich entsprechend eine Genauigkeit der Ermittlung des Ergebnis-Bildes noch verbessern.
• Alternativ zu einer digitalen Auswahlfunktion, die ausschließlich die Werte 0 und 1 annehmen kann, wie vorstehend im Zusammenhang mit den Auswahlfunktionen nach den 19 bis 22 erläutert, kann auch eine Auswahlfunktion mit stetigem Übergang zwischen den Werten 0 und 1 zum Einsatz kommen. Auch diese alternativen Auswahlfunktionen mit stetigem Übergang werden so gewählt, dass sie einer Normierungsbedingung genügen, dass sie also in der Summe jeden Punkt der xy-Fläche mit einer Gewichtung von 1 auswählen.
• Vorstehend wurde das Rekonstruktionsverfahren mit einer Ausführung beschrieben, bei der ein Verzerrungsschritt mit dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis der Lithografie-Projektionsoptik 21 den letzten Verfahrensschritt darstellt. Alternativ ist es möglich, die zunächst im Messschritt 28 gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen mit dem Abbildungsmaßstabs-Verhältnis der Lithografie-Projektionsoptik 21 zu verzerren und im Anschluss hieran die anderen Rekonstruktionsschritte zum Vermessen des 3D-Luftbildes, insbesondere die Fouriertransformation, die Auswahl der Richtungskomponenten, die Addition der Richtungskomponenten und die Fourier-Rücktransformation, durchzuführen.

Claims (13)

1. Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes im Bereich um eine Bildebene (24) bei der Abbildung einer Lithografiemaske (5), die in einer Objektebene (4) angeordnet ist, unter Berücksichtigung eines wählbaren Abbildungsmaßstab-Verhältnisses in zueinander senkrechten Richtungen (x, y) mit folgenden Schritten: - Rekonstruktion (33) einer elektromagnetischen Wellenfront von Abbildungslicht (1) nach dessen Wechselwirkung mit der Lithografiemaske (5), wobei bei der Rekonstruktion (33) der elektromagnetischen Wellenfront eine Intensitätsrekonstruktion erfolgt, - Einbeziehen (31) einer Beeinflussungsgröße, die dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis entspricht, - Ausgabe (36) des unter Einbeziehung der Beeinflussungsgröße gemessenen 3D-Luftbildes, wobei bei der Rekonstruktion (33) und bei der Intensitätsrekonstruktion folgende Schritte durchgeführt werden: -- Vermessen (28) einer 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung im Bereich einer der Bildebene (24) entsprechenden Ebene (14a), -- Verlagern der Lithografiemaske (5) senkrecht (z) zur Objektebene (4) um einen vorgegebenen Verlagerungsweg (Δz; Δz₁, Δz₂; Δz₁, Δz₂, Δzi), -- Wiederholen (30) der Schritte „Vermessen“ und „Verlagern“, bis eine zur Wiedergabe des 3D-Luftbildes ausreichende Anzahl von 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen vermessen ist, -- Durchführen einer Intensitäts-Fouriertransformation der erhaltenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermessung mit einer Messoptik (7, 13) durchgeführt wird, deren Abbildungsmaßstab in zueinander senkrechten Richtungen (x, y) gleich ist, wobei die Einbeziehung (31) der Beeinflussungsgröße durch Umrechnung der Daten der gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rekonstruktion (33) der elektromagnetischen Wellenfront eine Phasenrekonstruktion erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Phasenrekonstruktion ein Defokus der Abbildung der Lithografiemaske (5) variiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rekonstruktion (33) eine Manipulation an einer Beleuchtungsoptik (7), mit der die Lithografiemaske (5) beleuchtet wird, vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion (33) eine Beleuchtungspupille der Beleuchtungsoptik (7) variiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbeziehung (31) der Beeinflussungsgröße beim Umrechnen der Daten der Wellenfront über eine digitale Simulation der Abbildung mit dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsrekonstruktion mit folgendem Schritt durchgeführt wird: - Verzerren der gemessenen 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilungen mit dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet, durch folgende Schritte - Auswählen von Richtungskomponenten der erzeugten 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten unter Berücksichtung des Abbildungsmaßstab-Verhältnisses, wobei ein Verlagerungsweg (Δzi) beim Verlagern der Lithografiemaske (5) senkrecht zur Objektebene (4) mit der Ausrichtung (φ) der Richtungskomponenten skaliert, zur Erzeugung jeweils einer synthetischen 2D-Intensitäts-Teil-Fouriertransformierten; - Addieren der erzeugten synthetischen 2D-Intensitäts-Teil-Fouriertransformierten zu einer synthetischen 2D-Intensitäts-Gesamt-Fouriertransformierten; - Durchführen einer Intensitäts-Fourier-Rücktransformation der synthetischen 2D-Intensitäts-Gesamt-Fouriertransformierten zur Erzeugung eines synthetischen Roh-Bildes.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet, durch das - Erzeugen eines Ergebnis-Bildes durch Verzerren des synthetischen Roh-Bildes mit dem Abbildungsmaßstab-Verhältnis.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Richtungskomponenten der erzeugten 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten erfolgt durch Multiplizieren jeder der erzeugten 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten mit einer zugeordneten Auswahlfunktion zur Auswahl vorgegebener Winkel-Sektoren der 2D-Intensitäts-Fouriertransformierten, wobei die Auswahlfunktion vom Verlagerungsweg (Δzi) senkrecht zur Objektebene (4) und vom Abbildungsmaßstab-Verhältnis abhängt, zur Erzeugung der jeweiligen synthetischen 2D-Intensitäts-Teil-Fouriertransformierten.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine digitale Auswahlfunktion.
13. Metrologiesystem (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einer Beleuchtungsoptik (7) zur Beleuchtung der zu untersuchenden Lithografiemaske (5) und mit einer abbildenden Optik (13) zur Abbildung des Objekts (5) hin zu einer ortsauflösenden Detektionseinrichtung (14).

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