DE102017212465A1

DE102017212465A1 - Measuring system and measuring method for photolithographic applications

Info

Publication number: DE102017212465A1
Application number: DE102017212465.2A
Authority: DE
Inventors: Sven Martin; Dirk Seidel; Oliver Jäckel
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Durchführung von Messaufgaben an Objekten für die Fotolithographie, insbesondere zur Messung oder Inspektion von Fotomasken, Retikeln und Wafern. Das Messsystem umfasst eine Strahlungsquelle, mit der eine Nutzstrahlung im fernen ultravioletten Frequenzbereich (DUV) mit einer Wellenlänge unterhalb 200 nm erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird als Strahlungsquelle ein Festkörper-Lasersystem mit mehrfacher Frequenzverdopplung verwendet. Aufgrund der geringen spektralen Bandbreite und der hohen Kohärenz der auf diese Weise erzeugten Nutzstrahlung eignet sich das Messsystem für eine Vielzahl von Messmethoden, insbesondere für Messungen mit strukturierter Beleuchtung, Messungen unter Verwendung der Fourier-Ptychografie und/oder Anwendung von Phasenkontrastverfahren.The invention relates to a measuring system for performing measurement tasks on objects for photolithography, in particular for measuring or inspecting photomasks, reticles and wafers. The measuring system comprises a radiation source with which a useful radiation in the far ultraviolet frequency range (DUV) with a wavelength below 200 nm can be generated. According to the invention, a solid-state laser system with multiple frequency doubling is used as the radiation source. Due to the low spectral bandwidth and the high coherence of the useful radiation generated in this way, the measuring system is suitable for a large number of measuring methods, in particular for measurements with structured illumination, measurements using Fourier pychography and / or the use of phase contrast methods.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Messverfahren zur Durchführung von Messaufgaben an Objekten für die Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, insbesondere zur Messung oder Inspektion von Fotomasken, Retikeln und Wafern für fotolithographische Anwendungen. The invention relates to a measuring system and a measuring method for performing measurement tasks on objects for semiconductor and microsystem technology, in particular for measuring or inspecting photomasks, reticles and wafers for photolithographic applications.

Die Fotolithographie ist eine gängige Methode zur Herstellung von mikro- und/oder nanostrukturierten Bauteilen für die Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Dabei wird mit Hilfe einer Beleuchtungseinrichtung ein Bild einer mikrostrukturierten Maske (Retikel) auf ein Substrat (Wafer) übertragen, welches mit einer fotosensitiven Beschichtung versehen ist. Anschließend wird der belichtete Wafer chemisch weiterverarbeitet, um die Mikrostruktur der belichteten fotosensitiven Beschichtung auf den Wafer zu übertragen. Photolithography is a common method for the production of micro- and / or nanostructured components for microelectronics and microsystems technology. In this case, an image of a microstructured mask (reticle) is transferred onto a substrate (wafer) with the aid of a lighting device, which image is provided with a photosensitive coating. Subsequently, the exposed wafer is chemically processed to transfer the microstructure of the exposed photosensitive coating to the wafer.

Um eine hohe Qualität der auf diese Weise hergestellten Halbleiterbauteile sicherzustellen, müssen die Wafer und Masken auf Defekte und Verunreinigungen überprüft werden. Dabei besteht ein Bedarf an Messsystemen mit immer höherer Auflösung, um die immer kleineren Merkmale beispielsweise integrierter Schaltkreise auflösen zu können und Defekte zu erkennen, die in der Größenordnung der Merkmale liegen. Die optische Qualitätssicherung an solchen mikroelektronischen Objekten, insbesondere an Fotomasken beziehungsweise Retikeln, erfordert eine Strahlung, deren Wellenlänge in der Größenordnung der zur Lithographie benutzten Wellenlänge liegt. Kurzwellige Lichtquellen mit einer Wellenlänge im fernen ultravioletten (DUV) Spektralbereich von etwa 200 nm ermöglichen eine solche Auflösung. Licht einer solch kurzen Wellenlänge kann beispielsweise durch Excimer-Laser und einige Festkörper- und Faser-Laser erzeugt werden. To ensure high quality of the semiconductor devices produced in this way, the wafers and masks must be checked for defects and contamination. There is a need for increasingly higher resolution measurement systems to resolve the ever-smaller features of, for example, integrated circuits and to detect defects on the order of the features. Optical quality assurance of such microelectronic objects, in particular of photomasks or reticles, requires radiation whose wavelength is on the order of magnitude of the wavelength used for lithography. Shortwave light sources with a wavelength in the far ultraviolet (DUV) spectral range of about 200 nm allow such a resolution. Light of such a short wavelength can be generated, for example, by excimer lasers and some solid state and fiber lasers.

Insbesondere Excimer-Laser werden verbreitet in der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt; sie verwenden ein Gemisch eines Edelgases und eines reaktiven Gases unter hohem Druck, um Licht im ultravioletten Spektralbereich zu erzeugen. Allerdings verursacht der damit verbundene Einsatz toxischer und ätzender Gase (z.B. Fluor) als Lasermedium hohe Betriebskosten, beispielsweise für die Gasinstallation und Sicherheitstechnik. Weiterhin ist der Einsatz solcher Laser für die Durchführung von Messaufgaben an Fotomasken nur bedingt geeignet, da die Strahlung typischerweise als gepulste Strahlung mit geringer Folgefrequenz von einigen kHz abgestrahlt wird; das hat zur Folge, dass die Intensität der einzelnen Pulse vergleichsweise hoch ist und daher eine hohe Menge an Laserenergie in kurzer Zeit (typischerweise wenigen Nanosekunden) deponiert wird, was zu Beschädigungen des Messobjekts führen kann. Weiterhin muss ein hoher Aufwand zur Homogenisierung des Strahlprofils getrieben werden, um einen qualitativ hochwertigen Messstrahl zu erzeugen. Schließlich ist systembedingt die spektrale Bandbreite von Excimer-Lasern recht hoch (etwa 500 pm), was einen Zusatzaufwand zur Korrektur der chromatischen Aberrationen in abbildenden Systemen bzw. einen Zusatzaufwand zur Begrenzung und Kontrolle der Laserbandbreite zur Folge hat. Die Verwendung von Excimer-Lasern für die Messung und Qualitätssicherung von Fotomasken beziehungsweise Retikeln ist daher mit einigen Nachteilen verbunden. In particular, excimer lasers are widely used in the manufacture of integrated circuits; they use a mixture of a noble gas and a reactive gas under high pressure to produce light in the ultraviolet spectral range. However, the associated use of toxic and corrosive gases (e.g., fluorine) as a lasing medium causes high operating costs, such as gas installation and safety engineering. Furthermore, the use of such lasers is only conditionally suitable for carrying out measurement tasks on photomasks since the radiation is typically emitted as pulsed radiation with a low repetition frequency of a few kHz; This has the consequence that the intensity of the individual pulses is comparatively high and therefore a high amount of laser energy is deposited in a short time (typically a few nanoseconds), which can lead to damage of the measurement object. Furthermore, a great deal of effort has to be made to homogenize the beam profile in order to produce a high-quality measuring beam. Finally, due to the system, the spectral bandwidth of excimer lasers is quite high (about 500 pm), which has an additional cost for the correction of chromatic aberrations in imaging systems or an additional effort to limit and control the laser bandwidth. The use of excimer lasers for the measurement and quality assurance of photomasks or reticles is therefore associated with some disadvantages.

Um diese Probleme zu umgehen, wurde vorgeschlagen, in Messsystemen für die Halbleiterindustrie anstelle eines Excimer-Lasers einen Festkörper-Laser als Strahlungsquelle einzusetzen. So werden in US 2014/0226140 A1 und US 2014/0362880 A1 Messsysteme beschrieben, in denen ein Festkörper-Laser zum Einsatz kommt, in dem die gewünschte Strahlung im sub-200-nm Wellenlängenbereich durch Mischung von Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen erfolgt. Dabei werden beispielsweise nichtlineare Kristalle verwendet, in denen Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen überlagert und gemischt wird. Solche Festkörper-Laser haben allerdings den Nachteil, dass zur Erzeugung von Nutzstrahlung im 200 nm-Bereich ein hoher instrumenteller Aufwand notwendig ist, weil drei oder mehr Stufen von Wellenlängentransformationen benötigt werden. Weiterhin erfordert die Verwendung solcher Laser einen hohen Justageaufwand, weil Laserstrahlen innerhalb des nichtlinearen Mediums unter dem korrekten Phasenanpassungswinkel überlagert werden müssen. Schließlich ist die von Festkörper-Lasern erbrachte Leistung von Nutzstrahlung im 200 nm-Bereich oftmals nicht ausreichend für Bildaufnahme mit einem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis für Mess- und Inspektionsaufgaben. Es besteht daher die Notwendigkeit, die Strahlungsquelle in einer solchen Weise weiterzuentwickeln, dass sie eine bessere und einfachere Qualitätsprüfung und Metrologie in der Halbleiterindustrie ermöglicht. To circumvent these problems, it has been proposed to use a solid-state laser as a radiation source in measurement systems for the semiconductor industry instead of an excimer laser. So be in US 2014/0226140 A1 and US 2014/0362880 A1 Measuring systems described in which a solid-state laser is used, in which the desired radiation in the sub-200 nm wavelength range is effected by mixing radiation of different wavelengths. In this case, for example, nonlinear crystals are used in which radiation of different wavelengths is superimposed and mixed. However, such solid-state lasers have the disadvantage that a high instrumental effort is necessary for the generation of useful radiation in the 200 nm range, because three or more stages of wavelength transformations are required. Furthermore, the use of such lasers requires a high adjustment effort because laser beams must be superimposed within the non-linear medium at the correct phase matching angle. Finally, the power of useful radiation in the 200 nm range provided by solid-state lasers is often insufficient for image acquisition with a good signal-to-noise ratio for measurement and inspection tasks. There is therefore a need to further develop the radiation source in such a way as to enable better and easier quality testing and metrology in the semiconductor industry.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Inspektions- bzw. Messsystem (Metrologiesystem) zur Verwendung in der Halbleiterindustrie bereitzustellen, das die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem fotolithografische Objekte (Fotomasken, Retikel, Wafers etc.) mit hoher Genauigkeit und reduziertem apparativem Aufwand gemessen werden können. The invention is therefore based on the object to provide an inspection or measuring system (metrology system) for use in the semiconductor industry, which avoids the disadvantages described above. A further object of the invention is to provide a method with which photolithographic objects (photomasks, reticles, wafers, etc.) can be measured with high accuracy and reduced equipment complexity.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem und eine Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmalen. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. This object is achieved by a measuring system and a method having the features listed in the independent claims. The dependent claims relate to advantageous embodiments and developments of the invention.

Ein erfindungsgemäßes Inspektionssystem bzw. Messsystem für Fotomasken, Retikel und Wafer umfasst als Strahlungsquelle ein Festkörper-Lasersystem mit einer Nutzstrahlung im Wellenlängenbereich unterhalb 200 nm, die durch mehrfache Frequenzverdoppelung erreicht wird. Eine derartige Strahlungsquelle ist beispielsweise in M. Scholz et al.: 1.3-mW tunable and narrow-band continuous-wave light source at 191 nm; OPTICS EXPRESS, Vol. 20, No. 17, 18659–18664 , beschrieben. An inventive inspection system or measuring system for photomasks, reticles and wafers comprises as a radiation source a solid-state laser system with useful radiation in the wavelength range below 200 nm, which is achieved by multiple frequency doubling. Such a radiation source is for example in M. Scholz et al .: 1.3 mW tunable and narrow-band continuous-wave light source at 191 nm; OPTICS EXPRESS, Vol. 20, no. 17, 18659-18664 , described.

Im Unterschied zu dem in US 2014/0226140 A1 und US 2014/0362880 A1 beschriebenen Stand der Technik wird die für die Messung verwendete DUV-Strahlung also nicht durch Mischung mehrerer Wellenlängen sondern durch mehrfache Frequenzverdoppelung im Festköper-Lasersystem erreicht. Zur Erzeugung von Nutzstrahlung im DUV-Spektralbereich werden dabei lediglich zwei Stufen benötigt, was gegenüber den bisher verwendeten Systemen (mit drei oder mehr Stufen) eine Verringerung des instrumentellen Aufwands bedeutet und mit einer Reduktion der ungenutzten Strahlanteile einhergeht. Da die DUV-Nutzstrahlung durch Frequenzverdopplung erzeugt wird, ist außerdem der Justageaufwand minimal, da pro Verdopplungsstufe nur jeweils ein Input-Strahl vorhanden ist. Unlike the in US 2014/0226140 A1 and US 2014/0362880 A1 Thus, the DUV radiation used for the measurement is not achieved by mixing several wavelengths but by multiple frequency doubling in the solid-state laser system. For the generation of useful radiation in the DUV spectral range only two stages are needed, which compared to the previously used systems (with three or more levels) means a reduction of the instrumental effort and is accompanied by a reduction of the unused beam portions. Since the DUV useful radiation is generated by frequency doubling, also the adjustment effort is minimal, since only one input beam is present per duplication level.

Gegenüber herkömmlicherweise verwendeten Excimer-Lasern hat das erfindungsgemäße Messsystem den Vorteil, dass es einen Festkörperlaser verwendet, so dass keine Prozessgase notwendig sind und der Infrastrukturaufwand geringer ist. Compared to conventionally used excimer lasers, the measuring system according to the invention has the advantage that it uses a solid state laser, so that no process gases are necessary and the infrastructure costs are lower.

Vorzugsweise wird der Festkörper-Laser als Dauerstrichlaser betrieben (continuous wave-Betrieb, cw-Betrieb). Im Unterschied zum gepulsten Betrieb erreicht man auf diese Weise einen gleichmäßigeren Energieeintrag in das Messsystem und eine Reduktion der thermischen Belastung des Messobjekts. Preferably, the solid-state laser is operated as a continuous wave laser (continuous wave operation, cw operation). In contrast to pulsed operation, in this way a more uniform energy input into the measuring system and a reduction of the thermal load of the test object are achieved.

Um eine hohe Auflösung der Messungen zu gewährleisten, hat die Nutzstrahlung vorzugsweise eine Wellenlänge unterhalb 150 nm. In order to ensure a high resolution of the measurements, the useful radiation preferably has a wavelength below 150 nm.

Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Messsystems besteht darin, dass ein Nutzstrahl, der mittels Frequenzverdoppelung eines Festkörper-Lasers erzeugt wird, eine vergleichsweise sehr geringe spektrale Bandbreite hat. Dadurch kann gegenüber den aus US 2014/0226140 A1 und US 2014/0362880 A1 bekannten Systemen, die eine Wellenlängenmischung nutzen, der Aufwand zur Korrektur chromatischer Aberrationen und/oder zur Begrenzung und Kontrolle der Laserbandbreite erheblich reduziert werden. Weiterhin hat das vorgeschlagene Festkörper-Lasersystem im Vergleich zum Stand der Technik ein verbessertes Strahlprofil, so dass der Aufwand zur Homogenisierung reduziert werden kann. A major advantage of the measurement system according to the invention is that a useful beam, which is generated by means of frequency doubling of a solid-state laser, has a comparatively very low spectral bandwidth. This can be compared to the off US 2014/0226140 A1 and US 2014/0362880 A1 known systems that use a wavelength mixing, the effort to correct chromatic aberrations and / or to limit and control the laser bandwidth are significantly reduced. Furthermore, the proposed solid state laser system in comparison to the prior art has an improved beam profile, so that the effort for homogenization can be reduced.

Weiterhin hat der durch Frequenzverdopplung erzeugte Nutzstrahl eine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz. Dies ermöglicht die Durchführung von Mess- und Prüfverfahren unter Ermittlung bzw. Ausnutzung von Phaseninformationen (Phasenkontrast, Retrieval, Ptychografie) im DUV-Wellenlängenbereich. Auf diese Weise können Auflösung und Kontrast der Abbildung des Messobjekts erhöht werden. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit interferometrischer Messungen im DUV-Bereich. Außerdem kann durch strukturierte Beleuchtung im DUV-Bereich Superresolution, also die Steigerung der Auflösung unter das Abbe-Limit, erreicht werden. Furthermore, the useful beam generated by frequency doubling has a high spatial and temporal coherence. This makes it possible to carry out measurement and test methods with determination or utilization of phase information (phase contrast, retrieval, ptychography) in the DUV wavelength range. In this way, the resolution and contrast of the image of the DUT can be increased. Furthermore, there is the possibility of interferometric measurements in the DUV range. In addition, structured illumination in the DUV range can achieve superresolution, ie an increase in the resolution below the Abbe limit.

Einige dieser Anwendungen sollen im Folgenden näher erläutert werden. Some of these applications will be explained in more detail below.

Aufgrund der hohen zeitlichen und räumlichen Kohärenz der Nutzstrahlung kann insbesondere eine Untersuchung von Messobjekten mit strukturierter Beleuchtung im DUV-Spektralbereich durchgeführt werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in US 2013/0100525 A1 erläutert. Bei diesem Verfahren wird der kohärente Nutzstrahl zunächst an einem Beleuchtungsgitter gebeugt, wodurch in verschiedene Richtungen laufende, untereinander kohärente Teilstrahlen erzeugt werden. Diese werden mit Hilfe einer geeigneten Optik auf das zu untersuchende Messobjekt (z.B. eine Fotomaske) fokussiert, das auf diese Weise gleichzeitig mit zueinander kohärenten Teilstrahlen unter verschiedenen Einstrahlwinkeln beleuchtet wird. Das dabei entstehende Bild ist eine Art Moiré-Muster, das durch einer Überlagerung der Struktur des Messobjekts mit der Struktur des Beleuchtungsgitters gebildet wird. Durch Variation des Beleuchtungsgitters können Einzelaufnahmen generiert werden, aus denen mittels bekannter Algorithmen ein Bild der Struktur des Messobjekts rekonstruiert werden kann; aufgrund der Zusatzinformationen weist dieses Bild dann eine höhere Auflösung auf als eine herkömmliche Aufnahme, die ohne strukturierte Beleuchtung erzeugt wurde. Due to the high temporal and spatial coherence of the useful radiation, it is possible in particular to carry out an investigation of DUT objects with structured illumination in the DUV spectral range. Such a method is for example in US 2013/0100525 A1 explained. In this method, the coherent useful beam is first diffracted at a lighting grating, whereby mutually coherent partial beams running in different directions are generated. These are focused by means of a suitable optics on the test object to be examined (eg a photomask), which is illuminated in this way simultaneously with mutually coherent partial beams at different angles of incidence. The resulting image is a kind of moiré pattern, which is formed by a superposition of the structure of the measurement object with the structure of the illumination grid. By varying the illumination grid, individual images can be generated from which an image of the structure of the measurement object can be reconstructed by means of known algorithms; because of the additional information, this image then has a higher resolution than a conventional image that was produced without structured illumination.

Bei Verwendung der strukturierten Beleuchtung bilden Einstrahlwinkel jenseits der optischen Achse Anteile des Spektrums ab, die von einer On-Axis-Beleuchtung nicht erfasst werden können. Die Kohärenz der Beleuchtung stellt dabei sicher, dass diese Spektrumsanteile einen definierten Phasenbezug zueinander haben, wodurch das Gesamtspektrum phasenrichtig rekonstruiert werden kann. Das Verfahren liefert umso bessere Ergebnisse, je kohärenter und punktförmiger die verwendete Lichtquelle ist. Die erfindungsgemäße Verwendung eines Festkörper-Lasersystems mit Frequenzverdopplung als Strahlungsquelle gewährleistet eine hohe Kohärenz, so dass auch sehr kleine Strukturen gut aufgelöst werden können. When using the structured illumination, angles of incidence beyond the optical axis depict portions of the spectrum that can not be detected by on-axis illumination. The coherence of the illumination ensures that these spectrum components have a defined phase relation to each other, whereby the entire spectrum can be reconstructed in the correct phase. The better the results, the more coherent and punctiform the light source used is. The inventive use of a solid-state laser system with frequency doubling as a radiation source ensures high coherence, so that even very small structures can be well resolved.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Mess- und Inspektionssystem zur Durchführung von Fourier-Ptychografie verwendet werden. Dabei wird das Messobjekt sequentiell mit einer kohärenten Strahlung aus verschiedenen Winkeln beleuchtet und die dabei gewonnenen Bilder gespeichert. Mittels eines rekursiv-iterativen Algorithmus (IFTA = inverse Fourier transform algorithm) kann aus den Einzelbildern unter Verwendung der Kenntnis der zugehörigen Beleuchtungswinkel ein komplettes hochaufgelöstes Bild rekonstruiert werden. Der hierbei verwendete Algorithmus liefert umso bessere Ergebnisse, je höher die Kohärenz der Beleuchtung ist, so dass die Verwendung des Festkörper-Lasersystems mit mehrfacher Frequenzverdopplung als Strahlungsquelle erheblich Vorteile bringt. Neben der Bildintensität kann bei diesem Verfahren auch die Bildphase rekonstruiert werden. Mit dieser Information kann künstlich nachfokussiert werden, Bildfehler algorithmisch kompensiert werden oder eine Registriermethode auf Phaseninformationen angewandt werden. Ein entsprechendes Verfahren ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2015 218 917 A1 , welche auf die Anmelderin zurückgeht, beschrieben. Besondere Vorteile können mit dem erfindungsgemäßen Messsystem bei Messung bzw. Qualitätssicherung von Phasenobjekten (z.B. Inspektion von phasenschiebenden Lithographiemasken, Detektion von Phasendefekten auf Masken-Blanks etc.) erreicht werden. Hier wird zur Erhöhung des Kontrastes ein Phasenkontrastverfahren eingesetzt, bei dem in die zur Objektebene konjugierte Pupillenebene ein Phasenfilter eingebracht wird, welches einen definierten Phasen-Offset auf die Nullte Beugungsordnung der Abbildung aufbringt; dies ist beispielsweise in DE 10 2007 009 661 A1 erläutert. Bei diesem Verfahren können allerdings nur dann gute Resultate erzielt werden, wenn die nullte Beugungsordnung gut getrennt von den höheren Beugungsordnungen abgebildet wird. Dies ist bei den herkömmlichen, partiell kohärenten Beleuchtungsmethoden nicht der Fall. Die erfindungsgemäße Verwendung eines Festkörper-Lasersystem mit mehrfacher Frequenzverdopplung als Strahlungsquelle ermöglicht jedoch einen quasi-punktförmigen Beleuchtungsspot mit hoher Kohärenz und hoher Intensität und erzeugt genau definierte Beugungsordnungen, welche gut gefiltert werden können. Das erfindungsgemäße Messsystem liefert somit bei Verwendung des Phasenkontrastverfahrens wesentlich bessere Ergebnisse als die herkömmlichen Messsysteme. Furthermore, the measurement and inspection system according to the invention can be used to perform Fourier pychography. The object to be measured is illuminated sequentially with coherent radiation from different angles and the images obtained are stored. By means of a recursive iterative algorithm (IFTA = inverse Fourier transform algorithm), a complete high-resolution image can be reconstructed from the individual images using the knowledge of the associated illumination angles. The algorithm used in this case delivers the better the higher the coherence of the illumination, so that the use of the solid-state laser system with multiple frequency doubling as a radiation source brings considerable advantages. In addition to the image intensity, the image phase can also be reconstructed in this process. This information can be artificially refocused, image aberrations can be compensated algorithmically or a registration method can be applied to phase information. A corresponding method is in the German Offenlegungsschrift DE 10 2015 218 917 A1 , which goes back to the Applicant described. Particular advantages can be achieved with the measuring system according to the invention for measuring or quality assurance of phase objects (eg inspection of phase-shifting lithography masks, detection of phase defects on mask blanks, etc.). Here, a phase contrast method is used to increase the contrast, in which a phase filter is introduced into the pupil plane conjugate to the object plane, which phase filter applies a defined phase offset to the zero diffraction order of the image; this is for example in DE 10 2007 009 661 A1 explained. In this method, however, good results can only be achieved if the zeroth diffraction order is well imaged separately from the higher diffraction orders. This is not the case with conventional, partially coherent illumination methods. However, the inventive use of a solid-state laser system with multiple frequency doubling as a radiation source allows a quasi-point illumination spot with high coherence and high intensity and generates well-defined diffraction orders, which can be well filtered. The measuring system according to the invention thus provides substantially better results when using the phase contrast method than the conventional measuring systems.

Eine weiterentwickelte Methode zur Erhöhung des Kontrastes in der Abbildung von Phasenobjekten ist das Spiralphasenkontrastverfahren, welches beispielsweise in DE 10 2007 058 558 A1 dargestellt ist. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Phasenkontrastverfahren wird hier ein Filter mit einer Spiralphase der Form exp(iφ) in die Pupillenebene der Abbildung eingebracht, wobei φ der Polarwinkel in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes ist. Diese Art von Filterung entspricht einer Faltung der Objektamplitude mit einer Funktion r² × exp(iφ) in der Feldebene. Das Resultat einer solchen Filterung ist, dass Intensitätsmaxima an den Amplituden- und Phasenkanten des Objekts abgebildet werden, wohingegen Gebiete konstanter Amplitude in der Abbildung nicht sichtbar werden. Somit erhält man einen sehr guten Kantenkontrast in der Abbildung, was beispielsweise für Registrierungs-Methoden ein großer Vorteil ist. A further developed method for increasing the contrast in the imaging of phase objects is the spiral phase contrast method, which is used for example in DE 10 2007 058 558 A1 is shown. In contrast to the phase contrast method described above, here a filter with a spiral phase of the form exp (iφ) is introduced into the pupil plane of the image, where φ is the polar angle in a plane perpendicular to the propagation direction of the light. This type of filtering corresponds to a convolution of the object amplitude with a function r ² × exp (iφ) in the field plane. The result of such filtering is that intensity maxima are mapped to the amplitude and phase edges of the object, whereas areas of constant amplitude are not visible in the image. This gives a very good edge contrast in the image, which is a great advantage for registration methods, for example.

Aufgrund der Verwendung des Festkörper-Lasersystems mit mehrfacher Frequenzverdoppelung als Strahlungsquelle verfügt das erfindungsgemäße Messsystem über eine kohärente Punktbeleuchtung. Dies ermöglicht bei der Auswertung der Messergebnisse die Anwendung inverser Fouriertransformations-Algorithmen (z.B. Gerchberg-Saxton-Algorithmus). Hierzu kann ein Pupillenfilter in die Pupillenebene der optischen Abbildung eingebracht werden, dessen Wirkung auf das gesamte Spektrum zielt und mathematisch modelliert werden kann. In der einfachsten Form kann der Defokus eines optischen Systems dieser Pupillenfilter sein. Es zeigt sich jedoch, dass z.B. mit Mikrolinsen-Arrays bessere Resultate erzielt werden können (siehe beispielsweise DE 10 2007 009 661 A ). Aus der Messung einer Serie von Bildern des Objekts, bei der die Pupillenfilterung gezielt verändert wurde, lässt sich über den Gerchberg-Saxton-Algorithmus die Amplitude und die Phase des abgebildeten Objekts rekonstruieren. Wie bei der Fourier-Ptyochografie kann auch hier die Phaseninformation geeignet genutzt werden, um beispielsweise Defekte auf den Messobjekten zu detektieren. Due to the use of the solid-state laser system with multiple frequency doubling as a radiation source, the measuring system according to the invention has a coherent point illumination. This allows for the evaluation of the measurement results, the application of inverse Fourier transform algorithms (eg Gerchberg-Saxton algorithm). For this purpose, a pupil filter can be introduced into the pupil plane of the optical image whose effect is aimed at the entire spectrum and can be mathematically modeled. In the simplest form, the defocus of an optical system may be those pupil filters. It turns out, however, that better results can be achieved with microlens arrays, for example (see, for example, US Pat DE 10 2007 009 661 A ). From the measurement of a series of images of the object, in which the pupil filtering was specifically changed, the amplitude and phase of the imaged object can be reconstructed via the Gerchberg-Saxton algorithm. As with Fourier ptyochography, the phase information can also be suitably used to detect, for example, defects on the measurement objects.

Ein weiteres Verfahren zur Sichtbarmachung und Messung von Phasenobjekten ist die Differentialinterferenzkontrastmethode (DIK), die – ebenso wie die oben beschriebenen Verfahren – den Phasenkontrast ausnutzt. Bei diesem Verfahren, dessen Grundlagen beispielsweise in US2924142A beschrieben sind, werden Unterschiede in der optischen Weglänge im betrachteten Objekt in Helligkeitsunterschiede des Bildes umgewandelt, wodurch transparente Phasenobjekte sichtbar gemacht werden. Im Auflicht gibt der Bildkontrast die Änderungen der Oberflächenmorphologie wieder. Im Durchlicht entstehen plastische Bilder des Objekts. Dabei beruht der Bildkontrast auf lokalen Variationen der optischen Weglänge des Lichts in der Probe. Das Bild entspricht also der lokalen Änderung (Gradient) des Brechungsindex der Probe (daher die Bezeichnung "differentieller" Bildkontrast). Durch Verwendung vergleichsweise einfacher optischer Komponenten in einem Standard-Mikroskop-Strahlengang können auf diese Weise Interferogramme der zu vermessenden Objekte erzeugt werden. Nach der Rekonstruktion der Phasenverteilung in der Bildebene erhält man die reine Phaseninformation des Messobjekts ohne einen störenden Einfluss der nullten Beugungsordnung. Damit können Phasenmasken nach der Interferogrammauswertung genau wie Amplitudenmasken unter Verwendung der gleichen Bildverarbeitung ausgewertet werden. Nicht nur die Kanten der Phasenobjekte tragen nun zur Bildinformation bei, sondern wieder die gesamte Fläche des Phasenobjekts. Eine mögliche Ausführung ist beispielsweise ein Nomarksi-Interferometermikroskop mit Wollaston Prismen und Analysator; alternativ kann beispielsweise ein de-Sénarmont-Kompensator mit lambda/4-Platte und Analysator eingesetzt werden. Another method of visualizing and measuring phase objects is the Differential Interference Contrast (DIK) method, which exploits the phase contrast, as well as the methods described above. In this method, the bases of which, for example, in US2924142A Differences in the optical path length in the object under consideration are converted into brightness differences of the image, whereby transparent phase objects are made visible. In reflected light, the image contrast reflects the changes in the surface morphology. In transmitted light, plastic images of the object are created. The image contrast is based on local variations of the optical path length of the light in the sample. The image thus corresponds to the local change (gradient) of the refractive index of the sample (hence the term "differential" image contrast). By using comparatively simple optical components in a standard microscope beam path, in this way Interferograms of the objects to be measured are generated. After the reconstruction of the phase distribution in the image plane, the pure phase information of the measurement object is obtained without any interfering influence of the zeroth diffraction order. Thus, phase masks can be evaluated after the interferogram evaluation just like amplitude masks using the same image processing. Not only the edges of the phase objects now contribute to the image information, but again the entire surface of the phase object. One possible embodiment is, for example, a Nomarksi interferometer microscope with Wollaston prisms and analyzer; Alternatively, for example, a de Sénarmont compensator with λ / 4 plate and analyzer can be used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2014/0226140 A1 [0005, 0009, 0013]
US 2014/0362880 A1 [0005, 0009, 0013]
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DE 102007009661 A1 [0018]
DE 102007058558 A1 [0019]
DE 102007009661 A [0020]
US Pat. No. 2,924,142 A [0021]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M. Scholz et al .: 1.3 mW tunable and narrow-band continuous-wave light source at 191 nm; OPTICS EXPRESS, Vol. 20, no. 17, 18659-18664 [0008]

Claims

Measuring system for performing measurement tasks on objects for photolithography, in particular for measuring or inspection of photomasks, reticles and wafers, comprising a radiation source with useful radiation in the far ultraviolet frequency range (DUV) with a wavelength below 200 nm, characterized in that the radiation source is a solid-state laser system with multiple frequency doubling.

Measuring system according to claim 1, characterized in that the useful radiation has a wavelength below 150 nm.

Measuring system according to claim 1 or 2, characterized in that the radiation source is a continuous wave laser (cw).

Measuring method for measuring or inspecting objects for semiconductor lithography, in particular photomasks, reticles and wafers, using a measuring system with a radiation source in the far ultraviolet frequency range (DUV) with a wavelength of up to 200 nm, characterized in that a solid state radiation source is used as the radiation source. Laser system with multiple frequency doubling is used

Measuring method according to claim 4, characterized in that for the measurement or inspection of the measurement object, a structured illumination is used.

Measuring method according to claim 4, characterized in that during the measurement or inspection of the measurement object a Fourier pychography is performed.

Measuring method according to claim 4, characterized in that a phase contrast method is used in the measurement or inspection of the measurement object.

Measuring method according to claim 7, characterized in that a spiral phase contrasting method is used in the measurement or inspection of the measurement object.

Measuring method according to claim 7, characterized in that a differential interference contrast method (DIK) is used in the measurement or inspection of the measurement object.