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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Bildsensor sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines optischen Elements, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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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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In einer für EUV (d.h. für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb von 15 nm) ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage werden mangels Vorhandenseins lichtdurchlässiger Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet. Dabei ist es u.a. bekannt, zur Positionsmanipulation der einzelnen Spiegel in der Projektionsbelichtungsanlage die jeweilige Spiegelposition mittels eines Positionssensors zu vermessen und mittels eines Reglers über einen Aktor auf den gewünschten Wert einzustellen.
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Die Positionsbestimmung und -regelung der Spiegel oder Spiegelanordnungen einer für EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage stellt dabei in der Praxis u.a. wegen der typischerweise vorhandenen Vakuumbedingungen eine anspruchsvolle Herausforderung dar. Dies gilt zum einen im Hinblick auf eine zu vermeidende Wärmeerzeugung im Bereich der im Vakuum befindlichen optischen Komponenten etwa durch zur Positionsbestimmung erforderliche elektronische Bauteile und zum anderen auch im Hinblick auf die Gefahr einer Degradation oder sogar Zerstörung entsprechender, zur Positionsbestimmung eingesetzter Bauteile etwa durch EUV-Strahlung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bildsensor sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines optischen Elements, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, bereitzustellen, welche eine Positionsbestimmung unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche gelöst.
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Ein Bildsensor, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines optischen Elements, weist auf:
- - eine durchstimmbare Lichtquelle;
- - einen photonisch integrierten Schaltkreis, welcher wenigstens eine Lichtaustrittszone und eine Mehrzahl von Lichteintrittszonen aufweist;
- - wenigstens einen ersten Lichtwellenleiter, über welchen von der Lichtquelle erzeugtes Licht der wenigstens einen Lichtaustrittszone zuführbar ist; und
- - eine Mehrzahl von zweiten Lichtwellenleitern, über welche Licht von jeweils einer Lichteintrittszone einer gemeinsamen, vom photonisch integrierten Schaltkreis weg führenden optischen Faser zuführbar ist;
- - wobei im Betrieb des Bildsensors die optische Faser zu unterschiedlichen Zeiten von Licht unterschiedlicher Wellenlänge durchlaufen wird.
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Dabei geht die erfindungsgemäße Positionsbestimmung zunächst von dem für sich z.B. aus
DE 10 2015 209 259 A1 bekannten Ansatz aus, bei welchem ein Bildsensor ein mit dem hinsichtlich seiner Position zu einer Bezugslage zu charakterisierenden optischen Element bzw. Spiegel gekoppeltes Muster erfasst, wobei eine bekannte Beziehung zwischen dem Bild des Musters auf dem Bildsensor einerseits und der Position des optischen Elements bzw. Spiegels relativ zur Bezugslage andererseits besteht, so dass von dem durch den Bildsensor aufgenommenen Bild auf die Position des optischen Elements bzw. Spiegels relativ zur Bezugslage geschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt nun insbesondere das Konzept zugrunde, den Bildsensor zur Verwendung bei der Positionsbestimmung eines optischen Elements (bei welchem es sich z.B. um einen Spiegel einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage handeln kann) derart auszulegen, dass dieser einen photonisch integrierten Schaltkreis mit wenigstens einer Lichtaustrittszone und einer Mehrzahl von Lichteintrittszonen aufweist, wobei von den Lichteintrittszonen zu unterschiedlichen Zeiten Licht unterschiedlicher Wellenlänge einer gemeinsamen optischen Faser zugeführt wird.
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Demzufolge kann in einer entsprechenden Vorrichtung zur Positionsbestimmung der besagte photonisch integrierte Schaltkreis selbst als optisch rein passives Bauteil ohne elektronische Komponenten zur Spannungsversorgung bzw. elektrische Zuleitungen ausgelegt werden mit der Folge, dass dessen Platzierung im Vakuum ohne Gefahr einer Degradation oder gar Zerstörung möglich ist und zudem auch eine erhöhte Strahlungsresistenz etwa gegenüber elektromagnetischer Strahlung im EUV-Bereich erzielt wird.
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Mit anderen Worten wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht, dass in einer entsprechenden Anordnung zur Positionsbestimmung der gegebenenfalls im Vakuum zu platzierende Teil der Vorrichtung lediglich optische Komponenten in Form von Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittszonen sowie Lichtwellenleitern und optischen Fasern umfasst, wohingegen jegliche (z.B. Auswerte-) Elektronik hiervon separat und außerhalb des gegebenenfalls vorhandenen Vakuums angeordnet werden kann. Infolgedessen kann auch eine unerwünschte Wärmeerzeugung im Betrieb des optischen Systems aufgrund derartiger elektronischer Komponenten vermieden werden.
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Dabei beinhaltet die Erfindung das Konzept, unter Verwendung einer durchstimmbaren Lichtquelle mit einem zeitlichen (beispielsweise in der Zeit linearen) Verlauf der Wellenlänge des ausgesandten Lichtes den einzelnen Pixeln bzw. Lichteintrittszonen zu unterschiedlichen Zeitpunkten Licht unterschiedlicher Wellenlänge zuzuführen mit der Folge, dass im Betrieb des Bildsensors auf der an die Mehrzahl von Lichteintrittszonen gekoppelten und vom photonisch integrierten Schaltkreis weg führenden optischen Faser zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Information von unterschiedlichen Pixeln vorliegt (wobei unter unterschiedlichen Pixeln unterschiedliche Orte im Raum zu verstehen sind).
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Die Zuordnung der betreffenden Information zu einem bestimmten Pixel bzw. einer bestimmten Lichteintrittszone kann dann anhand der Kenntnis erfolgen, welche Wellenlänge zu welchem Zeitpunkt vorgelegen hat. Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß mit Kenntnis, dass die durchstimmbare Lichtquelle zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Wellenlänge erzeugt hat, gefolgert werden, dass zu dem betreffenden Zeitpunkt das Licht von einem bestimmten Pixel bzw. einer bestimmten Lichteintrittszone in die vom photonisch integrierten Schaltkreis weg führende optische Faser gelangt, so dass auf Basis dieser Information das zur Positionsbestimmung herangezogene Bild entsprechend rekonstruiert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich die Lichteintrittszonen hinsichtlich der Wellenlänge des im Betrieb des Bildsensors eintretenden Lichtes voneinander.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Bildsensor eine Mehrzahl von Wellenlängenfiltern auf, welche sich hinsichtlich des jeweils transmittieren Wellenlängenbereichs voneinander unterscheiden, wobei jeder dieser Wellenlängenfilter einer anderen Lichteintrittszone zugeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der photonisch integrierte Schaltkreis ein dispersives optisches Element, insbesondere ein Prisma oder ein AWG („arrayed waveguide“), auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der photonisch integrierte Schaltkreis als optisch passives Bauteil ohne elektronische Spannungsversorgung ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Bildsensor eine Mehrzahl von Lichtaustrittszonen auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Bildsensor ferner eine Messeinheit zur Messung der von der durchstimmbaren Lichtquelle jeweils aktuell ausgesandten Wellenlänge auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Bildsensor ferner eine an die optische Faser gekoppelte Bildrekonstruktionseinheit zum Rekonstruieren eines Bildes auf Basis des der optischen Faser von den Lichteintrittszonen zugeführten Lichtes auf.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines optischen Elements, mit
- - einem erfindungsgemäßen Bildsensor, und
- - einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des optischen Elements auf Basis des rekonstruierten Bildes.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Projektionsbelichtungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Projektionsbelichtungsanlage kann insbesondere für einen Betrieb im EUV ausgelegt sein. In weiteren Anwendungen kann die Projektionsbelichtungsanlage auch für einen Betrieb im VUV-Bereich ausgelegt sein, beispielsweise für Wellenlängen kleiner als 200 nm, insbesondere kleiner als 160 nm.
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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 eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1-4 Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzepts;
- 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage; und
- 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer für den Betrieb im DUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine lediglich schematische Darstellung zur Erläuterung des prinzipiellen möglichen Aufbaus sowie der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Bildsensors.
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Der Bildsensor weist gemäß 1 auf einem photonisch integrierten Schaltkreis 100 insbesondere eine Mehrzahl von Lichtaustrittszonen 111, 112, 113 (von denen lediglich beispielhaft drei angedeutet sind) auf, denen Licht von einer außerhalb des photonisch integrierten Schaltkreises 100 in einer externen Elektronikeinheit 140 vorhandenen durchstimmbaren Lichtquelle 105 über eine optische Faser 150 (sowie über eine Lichteinkopplung 124 und Lichtverteilung 130) zugeführt wird.
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Des Weiteren weist der photonisch integrierte Schaltkreis 100 eine Mehrzahl von Lichteintrittszonen 121-126 auf, von denen lediglich beispielhaft sechs angedeutet sind und in welche jeweils Licht von einem mit dem zu vermessenden optischen Element gekoppelten und über die Lichtaustrittszonen 111, 112, 113 beleuchteten Muster 101 eintritt. Im konkreten Ausführungsbeispiel sind den Lichteintrittszonen 121-126 unterschiedliche Wellenlängenfilter zugeordnet, welche sich hinsichtlich der Wellenlänge λ1 , λ2 , λ3 , ... bzw. des Wellenlängenbereichs des jeweils transmittierten Lichtes voneinander unterscheiden und in 1 durch mit „λ1 “, „λ2 “, ... „λN-1 “ bzw. „λN “ beschriftete Kästchen angedeutet sind. Das somit unterschiedlichen Wellenlängen bzw. unterschiedlichen Aussendezeitpunkten der durchstimmbaren Lichtquelle 105 sowie unterschiedlichen Pixeln entsprechende Licht der Lichteintrittszonen 121-126 wird gemäß 1 einer gemeinsamen, vom photonisch integrierten Schaltkreis 100 weg bzw. nach außen führenden optischen Faser 160 (über eine Lichtauskopplung 114) zugeführt.
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Die externe Elektronikeinheit 140 umfasst neben der durchstimmbaren Lichtquelle 105 eine Signalerfassungs- und Zeitsteuerungseinheit 145. Dieser werden sowohl Mess- als auch Referenzsignale zugeführt, welche gemäß 1 jeweils über eine Photodiode, einen daran angeschlossenen Transimpedanzverstärker sowie einen Analog-Digital-Wandler aus Signalen erzeugt werden, die von der optischen Faser 160 bzw. einer optischen Referenz 155 (z.B. in Form eines Frequenzkamms) bereitgestellt werden.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung eines anhand des Aufbaus von 1 realisierbaren Wellenlängen-Zeit-Multiplexverfahrens. Hierbei wird lediglich beispielhaft ein zeitlich linearer Verlauf der von der durchstimmbaren Lichtquelle 105 ausgesandten Wellenlänge bzw. Frequenz zugrundegelegt. Aufgrund der den einzelnen Pixeln bzw. Lichteintrittszonen 121-126 zugeordneten Wellenlängenfilter stammt die auf der optischen Faser 160 bereitgestellte Information von unterschiedlichen Pixeln. Demzufolge kann auch das auf Seiten der externen Elektronikeinheit 140 jeweils erhaltene, zeitlich abhängige Signal u(t) bei Kenntnis, welche Wellenlänge zu welchem Zeitpunkt vorgelegen hat, einem bestimmten Pixel bzw. einer bestimmten Lichteintrittszone 121-126 zugeordnet werden.
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Zur Vermeidung einer Bildverzerrung sollte die Bestimmung, zu welchem Zeitpunkt welche Wellenlänge durch die durchstimmbare Lichtquelle 105 ausgesandt wurde, mit möglichst hoher Genauigkeit erfolgen.
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3 zeigt hierzu eine mögliche Realisierung einer hierzu einsetzbaren Frequenzreferenzierungseinheit. Dabei erfolgt in einem Digitalsignalverarbeitungsblock 230 zu jedem Zeitpunkt die Berechnung der aktuellen Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichtes, damit in einer anschließenden Bildrekonstruktion das aktuelle optische Signal einem bestimmten Pixel zugeordnet werden kann. Wie ebenfalls aus 3 ersichtlich ist, werden je nach aktuell vorliegender Referenzwellenlänge λr1 beziehungsweise λr2 unterschiedliche Referenztriggersignale Ref_trig1 und Ref_trig2 erzeugt. Dabei ist mit „211“ jeweils ein Transimpedanzverstärker, mit „212“ ein entsprechender Schwellenwert und mit „213“ ein Schmitt-Trigger bezeichnet. Des Weiteren ist ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) 220 vorgesehen, welches die Information über die aktuelle Chirp-Rate (d.h. zeitliche Steigung der Frequenz des von der durchstimmbaren Lichtquelle 105 ausgesandten Lichtes) bereitstellt. Mit „221“ ist ein balanzierter Detektor und mit „220“ ein Analog-Digital-Wandler bezeichnet. Auf Basis der Verrechnung der gemäß 3 bereitgestellten Referenzwellenlängen bzw. der aktuellen Steigung des zeitabhängigen Frequenzverlaufs kann im Block 230 die aktuelle Wellenlänge hochgenau bestimmt werden.
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4 zeigt eine beispielhafte Implementierung des Digitalsignalverarbeitungsblocks 230 aus 3 unter Einsatz eines Hilbert-Filters 231. Dabei sind mit „233“ eine Phasenberechnungs-Einheit, mit „234“ eine Einheit zur Berechnung der zeitlichen Ableitung, mit „235“ ein Tiefpassfilter, mit „232“ sowie „237“ Einheiten zum Latenzausgleich und mit „236“ Einheiten zur Entprellung der Referenztriggersignale Ref_trig1, Ref_trig2 bezeichnet. Einem Frequenz- bzw. Wellenlängen-Schätzer 238 (= „Wellenlängen-Estimator“) werden gemäß 4 sowohl die aktuelle Referenzwellenlänge λr1 , λr2 als auch die mit dem Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) 220 bestimmte Schwebungsfrequenz (welche die aktuelle Chirp-Rate bzw. die zeitliche Steigung der Frequenz des von der durchstimmbaren Lichtquelle 105 ausgesandten Lichtes repräsentiert) zugeführt. Der Frequenz- bzw. Wellenlängen-Schätzer 238 liefert als Ausgangssignal die aktuelle Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichtes für die Bildrekonstruktion. In einer alternativen Implementierung kann die Einheit 234 zur Berechnung der zeitlichen Ableitung auch entfallen, da im Wellenlängen-Schätzer 238 die aktuelle Chirp-Rate wieder integriert werden muss.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften für den Betrieb im EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage, in welcher die vorliegende Erfindung realisierbar ist.
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Gemäß 5 weist eine Beleuchtungseinrichtung 501 in einer für EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage 500 insbesondere einen Feldfacettenspiegel 510 (mit Facetten 511) und einen Pupillenfacettenspiegel 520 (mit Facetten 521) auf. Auf den Feldfacettenspiegel 510 wird das Licht einer Lichtquelleneinheit 505, welche eine Plasmalichtquelle 506 und einen Kollektorspiegel 507 umfasst, gelenkt. Die Spiegelelemente bzw. Facetten 511 des Feldfacettenspiegels 510 sind unabhängig voneinander verstellbar, wodurch sich unterschiedliche Beleuchtungswinkelverteilungen auf einer in der Objektebene OP des Projektionsobjektivs 500 angeordneten Maske M realisieren lassen. Im Lichtweg nach dem Pupillenfacettenspiegel 520 sind ein erster Teleskopspiegel 531 und ein zweiter Teleskopspiegel 532 angeordnet. Im Lichtweg nachfolgend ist ein Umlenkspiegel 540 angeordnet, der die auf ihn auftreffende Strahlung auf ein Objektfeld 545 in der Objektebene OP eines sechs Spiegel M1-M6 umfassenden Projektionsobjektivs 550 lenkt. Am Ort des Objektfeldes 545 ist eine reflektive strukturtragende Maske M angeordnet, die mit Hilfe des Projektionsobjektivs 550 in eine Bildebene IP abgebildet wird.
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Die Erfindung ist nicht auf den in 5 gezeigten konkreten Aufbau beschränkt, sondern grundsätzlich in einer Projektionsbelichtungsanlage beliebigen Aufbaus realisierbar.
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6 zeigt einen prinzipiell möglichen Aufbau einer für den Betrieb im DUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage 600. Die Projektionsbelichtungsanlage 600 weist eine Beleuchtungseinrichtung 610 sowie ein Projektionsobjektiv 620 auf. Die Beleuchtungseinrichtung 610 dient zur Beleuchtung einer strukturtragenden Maske (Retikel) 630 mit Licht von einer Lichtquelleneinheit 601, welche beispielsweise einen ArF-Excimerlaser für eine Arbeitswellenlänge von 193 nm sowie eine ein paralleles Lichtbündel erzeugende Strahlformungsoptik umfasst. Die Beleuchtungseinrichtung 610 weist eine optische Einheit 611 auf, die u.a. im dargestellten Beispiel einen Umlenkspiegel 612 umfasst. Die optische Einheit 611 kann zur Erzeugung unterschiedlicher Beleuchtungssettings (d.h. Intensitätsverteilungen in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung 610) beispielsweise ein diffraktives optisches Element (DOE) sowie ein Zoom-Axikon-System aufweisen. In Lichtausbreitungsrichtung nach der optischen Einheit 611 befindet sich im Strahlengang eine Lichtmischeinrichtung (nicht dargestellt), welche z.B. in für sich bekannter Weise eine zur Erzielung einer Lichtmischung geeignete Anordnung aus mikrooptischen Elementen aufweisen kann, sowie eine Linsengruppe 613, hinter der sich eine Feldebene mit einem Retikel-Maskierungssystem (REMA) befindet, welches durch ein in Lichtausbreitungsrichtung nachfolgendes REMA-Objektiv 614 auf die strukturtragende, in einer weiteren Feldebene angeordnete Maske (Retikel) 630 abgebildet wird und dadurch den ausgeleuchteten Bereich auf dem Retikel begrenzt.
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Die strukturtragende Maske 630 wird mit dem Projektionsobjektiv 620 auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) versehenes Substrat bzw. einen Wafer 640 abgebildet. Das Projektionsobjektiv 620 kann insbesondere für den Immersionsbetrieb ausgelegt sein, in welchem Falle sich bezogen auf die Lichtausbreitungsrichtung vor dem Wafer bzw. dessen lichtempfindlicher Schicht ein Immersionsmedium befindet. Ferner kann es beispielsweise eine numerische Apertur NA größer als 0.85, insbesondere größer als 1.1, aufweisen.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015209259 A1 [0005, 0009]
- US 7671971 B2 [0005]
