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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Belichtungsenergie bei der Belichtung eines Elements in einem optischen System, insbesondere für die Mikrolithographie. Die Erfindung ist z.B. in einer Maskeninspektionsanlage, aber auch in weiteren Mikroskopie-Anwendungen sowie in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage einsetzbar.
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Stand der Technik
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Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
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Im Lithographieprozess wirken sich unerwünschte Defekte auf der Maske besonders nachteilig aus, da diese mit jedem Belichtungsschritt reproduziert werden können. Zur Minimierung der Maskendefekte sowie zur Realisierung einer erfolgreichen Maskenreparatur ist somit eine unmittelbare Analyse des Abbildungseffektes möglicher Defektpositionen wünschenswert. Es besteht daher ein Bedarf, die Maske schnell und einfach zu vermessen bzw. zu qualifizieren, und zwar möglichst unter den gleichen Bedingungen, wie sie real in der Projektionsbelichtungsanlage vorliegen. Hierzu ist es bekannt, in einer Maskeninspektionsanlage ein Luftbild eines Ausschnitts der Maske aufzunehmen und auszuwerten. Zur Aufnahme des Luftbilds werden dabei die zu vermessenden Strukturen auf der Maske mit einer Beleuchtungsoptik beleuchtet, wobei das von der Maske kommende Licht über eine Abbildungsoptik auf eine Detektoreinheit projiziert und detektiert wird.
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Um bei der Vermessung der auf der Maske vorhandenen Strukturen eine möglichst hohe Absolutgenauigkeit zu erzielen, ist eine Kenntnis der bei der Belichtung der Maske in der Maskeninspektionsanlage eingesetzten Belichtungsenergie erforderlich. Zur Bestimmung dieser Belichtungsenergie ist es insbesondere bekannt, entsprechend der schematischen Prinzipskizze von 7 in der Maskeninspektionsanlage aus dem von einer Leuchtfeldblende 701 zum Messobjekt 705 bzw. der Maske führenden Strahlengang einen Anteil der elektromagnetischen Strahlung mit Hilfe eines Strahlteilers 703 auszukoppeln und auf einen Energie- bzw. Intensitätssensor 707 zu lenken. Dabei befinden sich gemäß 7 im optischen Strahlengang ferner Linsen 702, 704 und 706, wobei die Linse 704 einen entlang der optischen Systemachse OA beweglichen Kondensor bildet.
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Ein bei der vorstehend beschriebenen Bestimmung der Belichtungsenergie in der Praxis auftretendes Problem ist, dass die erhaltenen Messergebnisse dadurch von der tatsächlichen Belichtungsenergie abweichen bzw. gegenüber dieser verfälscht werden können, dass zwischen dem zur Lichtauskopplung verwendeten Strahlteiler 703 und dem Messobjekt 705 noch eine Beeinflussung der elektromagnetischen Strahlung durch gegebenenfalls vorhandene optische Elemente (z.B. durch Beugungseffekte) und/oder die im jeweiligen optischen System vorhandene Atmosphäre auftritt. Eine vor diesem Hintergrund grundsätzlich wünschenswerte Realisierung der Energiemessung in möglichst geringem Abstand vom Messobjekt bzw. der Maske wird jedoch dadurch erschwert, dass der in diesem Bereich für die jeweiligen optischen Komponenten zur Verfügung stehende Bauraum aufgrund des geringen Abstandes zwischen letzter Kondensorlinse und Maske (welcher z.B. nur wenige Millimeter betragen kann) relativ stark begrenzt ist.
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Aus
EP 1 780 770 B2 ist u.a. eine Belichtungsvorrichtung zum Übertragen eines vorab festgelegten Musters auf ein lichtempfindliches Substrat bekannt, welche mit einem optischen Projektionssystem und einer Lichtdetektionseinrichtung versehen ist, wobei die Lichtdetektionseinrichtung ein Lichtteilerelement mit zwei optischen Flächen aufweist. Dabei ist auf oder in dem Lichtteilerelement ein Einfallswinkelumwandlungsabschnitt z.B. in Form eines Beugungsgitters vorgesehen, wodurch bewirkt werden soll, dass Licht in die jeweils andere optische Fläche unter einem Einfallswinkel größer oder gleich dem Totalreflexionswinkel eintritt.
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DE 10 2011 004 188 A1 offenbart u.a. eine optische Anordnung zur Abtastung mindestens eines Einfallsstrahls mit einer transparenten Platte und einem an der Oberfläche dieser Platte befindlichen optischen Gitter, dessen Gitterperiode auf die Brechzahl der transparenten Platte so abgestimmt ist, dass die Wellenlänge der Einfallsstrahlen außerhalb der transparenten Platte größer und innerhalb davon kleiner als die Gitterperiode des optischen Gitters ist.
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Aus
DE 100 59 961 A1 ist u.a. ein Strahlenteiler bekannt, welcher eine mit einer Mikrostruktur als periodische Struktur versehene Oberfläche aufweist.
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Aus
JP 2006-259439 A ist u.a. ein Demultiplex-Element bekannt, welches eine mit einem periodischen Beugungsgitter versehene Oberfläche aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Belichtungsenergie bei der Belichtung eines Elements in einem optischen System bereitzustellen, welche eine möglichst genaue Bestimmung der Belichtungsenergie unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Belichtungsenergie bei der Belichtung eines Elements in einem optischen System weist auf:
- - ein optisches Element,
- - eine diffraktive Struktur, und
- - eine Intensitätssensor-Anordnung,
- - wobei im Betrieb des optischen Systems an der diffraktiven Struktur gebeugte elektromagnetische Strahlung in wenigstens einer Beugungsordnung über in dem optischen Element erfolgende Totalreflexion zu der Intensitätssensor-Anordnung gelenkt wird, und
- - wobei die diffraktive Struktur eine örtlich variierende Gitterperiode aufweist.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine Bestimmung der Belichtungsenergie bei der Belichtung eines Elements - wie z.B. einer Maske in einer Maskeninspektionsanlage - in sehr geringem Abstand von bzw. unmittelbar vor dem betreffenden Element dadurch zu realisieren, dass die elektromagnetische Strahlung an der betreffenden, in unmittelbarer Nähe zum Element bzw. der Maske befindlichen Position durch Beugung an einer diffraktiven Struktur ausgekoppelt und über Totalreflexion innerhalb eines als Lichtwellenleiter fungierenden optischen Elements zu einer Intensitätssensor-Anordnung gelenkt wird.
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Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß eine zum Zwecke der Strahlungsauskopplung im optischen Strahlengang unmittelbar vor dem Messobjekt bzw. der Maske eingebrachte diffraktive Struktur in Form wenigstens eines Beugungsgitters derart ausgelegt, dass für wenigstens eine Beugungsordnung der an dieser diffraktiven Struktur gebeugten elektromagnetischen Strahlung (typischerweise die ± 1.-Beugungsordnung) der Grenzwinkel der Totalreflexion beim Auftreffen auf eine nachfolgende Grenzfläche in dem erfindungsgemäß vorgesehenen und als Lichtwellenleiter dienenden optischen Element überschritten wird. Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass für die betreffende ± 1.-Beugungsordnung die bei dieser Energiemessung erhaltenen Ergebnisse in guter Näherung auf die eigentlich für die Belichtung des Messobjekts bzw. der Maske relevante nullte Beugungsordnung übertragbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das optische System eine optische Systemachse auf, wobei die Gitterperiode mit zunehmendem Abstand zu dieser optischen Systemachse abnimmt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die diffraktive Struktur auf einer Lichteintrittsfläche des optischen Elements ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die diffraktive Struktur nur auf einem Teilbereich dieser Lichteintrittsfläche ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die diffraktive Struktur eine Mehrzahl von Beugungsgittern auf, welche sich hinsichtlich der Richtung, in welcher ein- und dieselbe Beugungsordnung von dem betreffendem Beugungsgitter gelenkt wird, voneinander unterscheiden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Intensitätssensor-Anordnung eine Mehrzahl von Intensitätssensoren auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Intensitätssensor-Anordnung wenigstens einen ortsauflösenden Intensitätssensor auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die diffraktive Struktur wenigstens ein Phasengitter auf.
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Die Erfindung betrifft weiter ein optisches System, welches eine Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen aufweist. Dabei kann das optische System insbesondere eine Maskeninspektionsanlage oder eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage sein.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus und des Funktionsprinzips einer Vorrichtung zur Bestimmung der Belichtungsenergie in einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein Diagramm einer möglichen Variation der Gitterperiode in einer bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhandenen Gitterstruktur;
- 3-6 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer möglicher Ausführungsformen der Erfindung;
- 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines herkömmlichen Ansatzes zur Bestimmung der Belichtungsenergie; und
- 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines beispielhaften Aufbaus einer Maskeninspektionsanlage.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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8 zeigt einen möglichen Aufbau einer Maskeninspektionsanlage 800, in welcher die vorliegende Erfindung realisiert werden kann.
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Gemäß 8 ist in einer Maskeninspektionsanlage 800 eine Maske 821 auf einem Maskenhalter 820 gelagert. Die zu vermessenden Strukturen auf der Maske 821 werden mit von einer Lichtquelle 801 erzeugtem Beleuchtungslicht über eine Beleuchtungsoptik 810 beleuchtet. Von der Maske 821 kommendes Licht wird von einer Abbildungsoptik 830 auf eine Detektoreinheit 840 abgebildet und detektiert. Die von der Detektoreinheit 840 aufgenommenen Bilddaten werden in einer Auswerteeinheit 850 zur Positionsbestimmung der Strukturen ausgewertet.
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Die im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Bestimmung der Belichtungsenergie sind insbesondere dazu einsetzbar, in einer Maskeninspektionsanlage mit dem in 8 gezeigten Aufbau die Belichtungsenergie der auf die Maske 821 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung zu ermitteln. In weiteren Anwendungen ist die erfindunggemäße Vorrichtung aber auch in anderen Mikroskopie-Anwendungen sowie auch in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage (z.B. zur Bestimmung der Belichtungsenergie der auf den Wafer auftreffenden elektromagnetischen Strahlung) vorteilhaft einsetzbar.
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1 zeigt eine lediglich schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus und des Funktionsprinzips einer Vorrichtung zur Bestimmung der Belichtungsenergie in einer Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Maskeninspektionsanlage z.B. mit dem anhand von 8 beschriebenen Aufbau zwischen einer mit „105“ bezeichneten, im optischen Strahlengang letzten Kondensorlinse und einer Maske 100, deren Belichtungsenergie bestimmt werden soll, eine diffraktive Struktur 120 auf, welche im Ausführungsbeispiel auf der Lichteintrittsfläche eines als Lichtwellenleiter fungierenden optischen Elements 110 ausgebildet ist. Das optische Element 110 ist im Ausführungsbeispiel als Quarzglas (SiO2)-Platte realisiert. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Intensitätssensor-Anordnung auf, welche im Ausführungsbeispiel zwei Intensitätssensoren 131, 132 umfasst und auf welche die wie im Weiteren beschrieben ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung über Linsen 121 bzw. 122 gelenkt wird. Als Intensitätssensoren 131, 132 sind z.B. kommerziell verfügbare Photodiodenarrays geeignet, wobei auch eine ortsaufgelöste Intensitätsmessung möglich ist. Ferner kann in weiteren Ausführungsformen auch nur ein Intensitätssensor eingesetzt werden, oder es können wie im Weiteren noch detaillierter beschrieben auch mehr als zwei Intensitätssensoren eingesetzt werden.
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Zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips ist in 1 für drei exemplarische, auf das optische Element 110 bzw. die diffraktive Struktur 120 auftreffende Strahlen „A“, „B“ und „C“ der Strahlverlauf nach Beugung an der diffraktiven Struktur 120 sowohl für die nullte Beugungsordnung als auch für die ± 1.-Beugungsordnung skizziert. Dabei ist die diffraktive Struktur 120 so ausgestaltet, dass - wie in 1 angedeutet - nach Beugung an der diffraktiven Struktur 120 zumindest für eine Beugungsordnung der Grenzwinkel der Totalreflexion innerhalb des optischen Elements 110 überschritten wird mit der Folge, dass die entsprechend gebeugte elektromagnetische Strahlung innerhalb des als Lichtleiter wirkenden optischen Elements 110 durch Totalreflexion zu dem jeweils seitlich angeordneten Intensitätssensor 131 bzw. 132 transportiert wird.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 ist die vorstehende Bedingung der Totalreflexion für die Strahlen „A“ und „B“ jeweils für die ± 1.-Beugungsordnung und für den Strahl „C“ immerhin noch für die -1.-Beugungsordnung erfüllt.
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Zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung kann eine vorzugsweise schmalbandige Lichtquelle (z.B. mit einer Bandbreite von weniger als 1nm) eingesetzt werden. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, wobei die Verwendung einer vergleichsweise breitbandigen Lichtquelle auch durch entsprechende Anpassung der diffraktiven Struktur berücksichtigt werden kann.
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Wenngleich im dargestellten Ausführungsbeispiel die diffraktive Struktur 120 unmittelbar auf der Lichteintrittsfläche des als Lichtwellenleiter fungierenden optischen Elements 110 angeordnet ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann in weiteren Ausführungsformen die Realisierung der diffraktiven Struktur 120 und des als Lichtwellenleiter fungierenden optischen Elements 110 auch in voneinander separaten, zueinander beabstandeten Komponenten erfolgen. 5 zeigt eine entsprechende Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „400“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Dabei ist die separate Komponente, auf welcher die diffraktive Struktur 520 ausgebildet ist, mit „520a“ bezeichnet.
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Des Weiteren kann das als Lichtwellenleiter fungierende optische Element 110 auch eine von der dargestellten planparallelen Form abweichende Geometrie aufweisen. Dabei kann insbesondere auch durch geeignete Neigung und/oder Krümmung der Lichteintrittsfläche und/oder der Lichtaustrittsfläche eine geeignete Anpassung der bei der Totalreflexion auftretenden Reflexionswinkel sowie (z.B. über eine Erhöhung der Anzahl stattfindender Reflexionen) auch eine gegebenenfalls erwünschte Lichtdurchmischung bzw. Homogenisierung erzielt werden.
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Ferner kann je nach konkreter Ausführungsform auch ein ohnehin im optischen System vorhandenes optisches Element (z.B. die im optischen Strahlengang letzte Kondensorlinse) zur Realisierung des erfindungsgemäßen, als Lichtwellenleiter fungierenden optischen Elements genutzt werden. Hierzu kann in einer lediglich beispielhaften Ausführungsform die im optischen Strahlengang letzte Kondensorlinse als Plankonvexlinse mit auf der konvex gekrümmten Lichteintrittsfläche befindlicher diffraktiver Struktur ausgeführt sein, wobei die Totalreflexion jeweils an der planen Lichtaustrittsfläche dieser Plankonvexlinse erfolgt. 6 zeigt eine entsprechende Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „500“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 ist die diffraktive Struktur 120 auf der Lichteintrittsfläche des optischen Elements 110 insofern lokal begrenzt, als oberhalb eines vorgegebenen Wertes des Radius (entsprechend dem Abstand der betreffenden Position auf der diffraktiven Struktur 120 von der optischen Systemachse OA bzw. in der x-y-Ebene) keine diffraktive Struktur mehr auf dem optischen Element 110 vorhanden ist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein unerwünschter beugungsbedingter Strahlaustritt der totalreflektierten Strahlen über die Lichteintrittsfläche des optischen Elements 110 verhindert werden kann. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, so dass in weiteren Ausführungsformen auch eine ganzflächige Belegung der Lichteintrittsfläche des optischen Elements 110 mit der diffraktiven Struktur 120 möglich ist, wobei in diesem Falle ein unerwünschter beugungsbedingter Strahlaustritt über die Lichteintrittsfläche des optischen Elements 110 durch geeignete Anpassung der Gitterperiode der diffraktiven Struktur 120 verhindert werden kann.
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Die diffraktive Struktur 120 wird vorzugsweise sowohl hinsichtlich der Gitterperiode („Pitch“) als auch hinsichtlich der jeweiligen Linienbreite („CD“) gezielt an die konkreten Gegebenheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich der Intensitätssensor-Anordnung angepasst. Dabei kann über die besagte Strukturbreite in der diffraktiven Struktur 120 die Intensität in der ± 1.-Beugungsordnung und damit die jeweils in Richtung zu den Intensitätssensoren 131, 132 ausgekoppelte elektrische Energie gesteuert werden. Hierdurch kann im Ergebnis eine möglichst optimale Aussteuerung der Intensitätssensoren 131, 132 erzielt werden, indem einerseits die zu den Intensitätssensoren 131, 132 gelenkte Strahlungsintensität für eine rauscharme Messung ausreichend hoch ist, andererseits aber auch eine Übersteuerung der Intensitätssensoren 131, 132 vermieden wird (wobei zur Vermeidung der Übersteuerung der Intensitätssensoren 131, 132 erforderlichenfalls auch geeignete Elemente zur Intensitätsabschwächung eingesetzt werden können).
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Des Weiteren kann über eine geeignete Wahl der Gitterperiode („Pitch“) der diffraktiven Struktur 120 der Winkel eingestellt werden, unter welchem die jeweiligen gebeugten Strahlen auf die Lichtaustrittsfläche des als Lichtwellenleiter fungierenden optischen Elements 110 auftreffen. Dabei kann insbesondere auch eine örtliche Variation der Gitterperiode realisiert werden. Insbesondere kann zur Anpassung des Auftreffwinkels auf die Lichtaustrittsfläche des als Lichtwellenleiter fungierenden optischen Elements 110 abhängig davon, ob der Strahl der jeweiligen nullten Beugungsordnung senkrecht oder bereits schräg auf besagtes optisches Element 110 auftrifft, eine örtliche Variation der Gitterperiode der diffraktiven Struktur derart realisiert werden, dass diese Gitterperiode mit zunehmenden Abstand zur optischen Systemachse OA abnimmt.
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Ein beispielhafter möglicher Verlauf ist in 2 dargestellt. In weiteren Ausführungsformen kann abhängig von den konkreten Gegebenheiten auch ein anderer örtlicher Verlauf (z.B. ein linearer Verlauf) der Gitterperiode der diffraktiven Struktur 120 gewählt werden. Eine lediglich beispielhafte, mögliche Realisierung der Anpassung der Gitterperiode abhängig vom Einfallswinkel ist in den Diagrammen von 3a-3d dargestellt, wobei für besagte Variation vier Stützstellen entsprechend einer Gitterperiode von 128nm (3a), 118nm (3b), und 110nm ( 3c und 3d) angegeben sind. Dabei wird innerhalb des als Lichtwellenleiter fungierenden, jeweils wiederum als Planplatte dargestellten optischen Elements gemäß 3a (mit senkrechtem Lichteintritt des hinsichtlich seiner Beugung betrachteten Strahls) für die ± 1.-Beugungsordnung und gemäß 3b-3c (mit zunehmend schrägem Lichteintritt) noch für die -1.-Beugungsordnung Totalreflexion erzielt.
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In weiteren Ausführungsformen kann auch eine ortsaufgelöste Bestimmung der Belichtungsenergie realisiert werden, indem die erfindungsgemäße diffraktive Struktur 120 aus mehreren Beugungsgittern, welche die auftreffende elektromagnetische Strahlung in voneinander verschiedene Richtungen beugen, zusammengesetzt wird. Beispiele hierfür sind lediglich schematisch in 4a-4c gezeigt.
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Dabei kann gemäß 4a eine schachbrettartige Gitterstruktur 420 als Überlagerung zweier sich in x- bzw. y-Richtung erstreckenden Liniengittern mit jeweils zwei zugeordneten Intensitätssensoren 441, 442 bzw. 443, 444 eingesetzt werden. Des Weiteren kann gemäß 4b bzw. 4c eine Gitterstruktur 450 bzw. 460 auch mehrere, jeweils unterschiedlichen Pupillenbereichen zugeordnete Liniengitter 451-455 bzw. 461-468 aufweisen, welche die elektromagnetische Strahlung in voneinander verschiedene Richtungen bzw. hin zu unterschiedlichen (nicht eingezeichneten) Intensitätssensoren beugen, um so eine ortsaufgelöste Bestimmung der Belichtungsenergie zu realisieren.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
