DE10258142A1

DE10258142A1 - Vorrichtung zur optischen Vermessung eines Abbildungssystems

Info

Publication number: DE10258142A1
Application number: DE2002158142
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Wegmann
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-06-24
Also published as: WO2004051206A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Vermessung eines Abbildungssystems, z. B. durch Wellenfronterfassung mittels Shearinginterferometrie, mit einer objektseitig vor dem Abbildungssystem anzuordnenden Objektstruktur, einer bildseitig nach dem Abbildungssystem anzuordnenden Bildstruktur und einer letzterer nachgeschalteten Detektor- und Auswerteeinheit zur Detektion einer Überlagungsstruktur aus abgebildeter Objektstruktur und Bildstruktur und Auswertung derselben. DOLLAR A Gemäß der Erfindung beinhaltet die Bildstruktur und/oder die Objektstruktur ein periodisches Mehrfrequenzmuster, das in wenigstens einer Richtung mindestens zwei unterschiedliche Periodizitätslängen aufweist und/oder wenigstens ein zweidimensionales Hauptmuster mit periodisch angeordneten Strukturfeldern und mindestens ein Submuster umfasst, das in Strukturfeldern des Hauptmusters gebildet ist. DOLLAR A Verwendung z. B. zur hochgenauen ortsaufgelösten Vermessung von Projektionsobjektiven in Mikrolithografieanlagen zur Halbleiterbauelementstrukturierung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Vermessung eines Abbildungssystems, z.B. durch Wellenfronterfassung mittels Shearing-Interferometrie, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen werden typischerweise zur ortsaufgelösten Ermittlung der Abbildungsqualität bzw. von Bildfehlern optischer Abbildungssysteme über deren gesamten Pupillenbereich hinweg eingesetzt. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen, mit denen sich Bildfehler von hochauflösenden Abbildungssystemen, wie sie z.B. in Mikrolithographieanlagen zur Strukturierung von Halbleiterbauelementen zum Einsatz kommen, mit hoher Präzision ortsaufgelöst über die Pupille des Abbildungssystems hinweg bestimmen lassen. Wenn für die Vermessung dieselbe Strahlung verwendet wird, wie sie vom Abbildungssystem in seinem normalen Betrieb benutzt wird, wobei die Vermessungsvorrichtung in einer Baueinheit mit dem Abbildungssystem integriert sein kann, wird dies auch als sogenanntes Betriebsinterferometer (BIF) bezeichnet.

Es ist bekannt, als dem zu vermessenden Abbildungssystem nachgeordnete, bildseitige Interferenzerzeugungsstruktur ein Beugungsgitter vor oder in der Bildebene vorzusehen und als vor dem Abbildungssystem anzuordnende, objektseitige Wellenfrontbildungsstruktur eine Nadelloch-Filtermaske oder eine zweidimensionale, kohärenzbildende Strukturmaske (Kohärenzmaske) einzusetzen, siehe beispielsweise die Offenlegungsschriften WO 02/12826 A1 und DE 101 09 929 A1 . In der älteren deutschen Patentanmeldung DE 102 172 42 .0 werden für das bildseitige Beugungsgitter auch zweidimensionale Beugungsstrukturen vorgeschlagen, die in zwei nichtparallelen Richtungen je eine eigene Periodizitätslänge aufweisen, die voneinander verschieden sind, z.B. eine rautenförmige Schachbrettstruktur oder eine Struktur aus zwei benachbarten, nichtparallelen Liniengittermustern. Eine weitere bekannte Technik ist die Verzeichnungsmessung mittels Moiré-Strukturen.

Herkömmlicherweise wird bei der Shearinginterferometrie mit ein- oder zweidimensionalen Einfrequenz-Beugungsgittern und entsprechenden Kohärenzmasken gearbeitet, z.B. mit Schachbrett-Beugungsgittern. Durch die Gitterperiode und die Wellenlänge der verwendeten Strahlung wird der Scherwinkel der Shearing-Interferometrie festgelegt. Die räumliche Auflösung, mit der die Phasenwerte der Pupille des zu vermessenden Abbildungssystems, nachfolgend auch als Prüfling bezeichnet, bestimmt werden können, ist durch das Verhältnis von Scherwinkel zur numerischen Apertur des Prüflings gegeben. In typischen Auslegungen erfolgt die ortsaufgelöste Bestimmung der Phasenwerte der Pupille anhand einer vorgegebenen Anzahl von Stützstellen, die in einem orthogonalen Raster über den Pupillendurchmesser hinweg verteilt sind. Mit steigenden Anforderungen an die Abbildungsqualität und damit die Beherrschung auch höhenfrequenter Wellenfrontanteile, wie sie durch Gradienten von Linsen- und Spiegeloberflächen verursacht werden, wächst auch die gewünschte Genauigkeit der Wellenfrontvermessung. So ist beispielsweise die Ermittlung der Beiträge hochfrequenter Wellenfront anteile zum Streulicht oder zur Kontrolle von Effekten wünschenswert, die als Summenfehler von Bearbeitungsrestfehlern von Linsenoberflächen bislang kaum ausreichend erfassbar sind. Andererseits gibt es Fälle und Situationen, in denen eine Vermessung mit nicht so hoher Auflösung und folglich geringerem Aufwand genügt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer neuartigen Vorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, die eine weiter verbesserte Vermessung optischer Abbildungssysteme, z.B. durch Wellenfronterfassung mittels Shearing-Interferometrie und/oder durch Verzeichnungsmessung mittels Moiré-Strukturen, ermöglicht, insbesondere komfortable und flexible Vermessungen mit unterschiedlicher Ortsauflösung und/oder mit verbesserter Pupillenausleuchtung.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Vorrichtung weist die Bildstruktur und/oder die Objektstruktur ein Mehrfrequenzmuster auf, das in wenigstens einer Richtung mindestens zwei periodische Muster unterschiedlicher Periodizitätslänge umfasst und/oder das wenigstens ein zweidimensionales Hauptmuster und wenigstens ein Submuster umfasst, das in Strukturfeldern des Hauptmusters gebildet ist.

Die Verwendung eines solchen Mehrfrequenzmusters in der Bildstruktur ermöglicht die Vermessung des jeweiligen optischen Abbildungssystems mit zwei oder mehr Musterfrequenzen und folglich mit entsprechend unterschiedlichen Ortsauflösungen. Durch das Vorhandensein des Mehrfrequenzmusters können die Messungen mit den verschiedenen Ortsauflösungen simultan vorgenommen werden oder jedenfalls ohne dass ein Austausch von Teilen der Vorrichtung erforderlich ist. Insbesondere ist für Shearinginterferometrie-Messungen mit unterschiedlichen Ortsauflösungen kein Austausch einer bildseitigen Interferenzerzeugungsstruktur bzw. einer objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur erforderlich.

Außerdem ist eine verbesserte Anpassung der Strukturfrequenzen an die sogenannte Parzellierung der Pupille möglich, mit welcher der Effekt bezeichnet wird, dass bei vielen üblichen Beleuchtungssystemen, wie sie z.B. in Mikrolithographieanlagen zum Einsatz kommen, eine periodische Intensitätsvariation in der Pupillenebene des zu vermessenden Abbildungssystems auftritt. Die Verwendung des Mehrfrequenzmusters bei der objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur kann durch den entsprechenden Beugungseffekt die sogenannte Pupillenfüllung optimieren, d.h. dass die benutzte Messstrahlung möglichst die ganze Pupille des Abbildungssystems erfasst und nicht nur z.B. einen mittleren Pupillenbereich.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 beinhaltet das Mehrfrequenzmuster eine Kombination eines zweidimensionalen Hauptmusters, das periodisch angeordnete Strukturfelder aufweist, z.B. eines Schachbrettmusters, mit mehreren Submustern in Strukturfeldern des Hauptmusters, wobei sich die mehreren Submuster in ihren Periodizitätslängen und/oder Periodizitätsrichtungen unterscheiden. Dies ermöglicht z.B. weiter verfeinerte interferometrische Vermessungen optischer Abbildungssysteme mit mehreren verschiedenen Ortsauflösungen in verschiedenen Richtungen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 das Hauptmuster ein periodisches Polygonmuster, z.B. aus schachbrettartig angeordneten Quadraten oder aus Dreiecken, und zusätzlich sind ein oder mehrere Submuster vorgesehen, in das oder die ein jeweiliges Polygon des Hauptmusters strukturiert ist. Durch Auswahl von Art und Anordnung der Polygone und durch die Wahl des oder der weiteren Submuster können simultane Vermessungsvorgänge in sehr flexibler Weise mit unterschiedlichen Ortsauflösungen in einer jeweiligen Richtung ebenso wie in mehreren unterschiedlichen Richtungen vorgenommen werden.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines optischen Abbildungssystems durch Wellenfronterfassung mittels Shearing-Interferometrie mit objektseitiger Kohärenzmaske und bildseitigem Beugungsgitter,
2 eine schematische Darstellung einer Zweifrequenz-Pupillenrasterung in einer einzigen Beugungsrichtung,
3 eine Darstellung entsprechend 2, jedoch für eine Pupillenrasterung mit unterschiedlicher Periodizität in zwei zueinander senkrechten Richtungen,
4 im linken Teilbild eine Beugungsgitterstruktur mit Schachbrett-Hauptmuster und zwei Liniengitter-Submustern die gleiche Periodizitätslänge und zu je einer der beiden orthogonalen Periodizitätsrichtungen des Schachbrett-Hauptmusters parallele Periodizitätsrichtungen aufweisen und im rechten Teilbild schematisch die Lage der zugehörigen 0. und ±1. Beugungsordnungen,
5 eine Darstellung entsprechend 4, jedoch für eine Variante mit mit um 45° gegenüber den Hauptmuster-Periodizitätsrichtungen gedrehten Submuster-Periodizitätsrichtungen,
6 eine Darstellung entsprechend den 4 und 5 für eine kombinierte Dreifrequenzmustervariante mit vier Submustern mit zu den Hauptmuster-Periodizitätsrichtungen in einem Winkel von 0° bzw. 45° orientierten Submuster-Periodizitätsrichtungen,
7 eine Darstellung entsprechend den 4 bis 6, jedoch für eine Variante mit schachbrettartiger Anordnung orthogonaler Einfrequenz-Liniengitter,
8 eine Darstellung entsprechend 4, jedoch für eine Variante mit schachbrettartiger Anordnung orthogonaler Zweifrequenz-Liniengitter,
9 eine Darstellung entsprechend 4, jedoch für eine Variante mit Schachbrett-Submuster,
10 eine Darstellung entsprechend 9 für eine Variante mit um 45° zu den Schachbrett-Periodizitätsrichtungen des Hauptmusters gedrehten Schachbrett-Periodizitätsrichtungen des Submusters,
11 eine Darstellung entsprechend den 9 und 10 für eine Mischvariante mit zwei verschiedenen Schachbrett-Submustern,
12 eine Ansicht entsprechend 9 für eine Variante mit schachbrettartiger Anordnung mehrerer Schachbrett-Submuster unterschiedlicher Periodizitätslängen,
13 eine schematische Darstellung einer Beugungsstruktur mit einem Mehrfrequenzmuster aus einem dreieckförmigen, periodischen Hauptmuster und einem Schachbrett-Submuster,
14 eine Darstellung entsprechend 13 für eine Variante mit je zwei orthogonalen Liniengitter-Submustern innerhalb eines jeweiligen Hauptmuster-Dreieckfeldes und
15 eine Darstellung entsprechend 4 für eine Variante mit einem schachbrettförmigen Quadrat-in-Quadrat-Mehrfrequenzmuster.
1 veranschaulicht einen typischen Aufbau einer Vorrichtung zur pupillenaufgelösten Bestimmung der Abbildungsqualität bzw. von eventuellen Bildfehlern eines optischen Abbildungssystems 1 mittels Shearinginterferometrie-Wellenfrontmessung. Beim zu vermessenden Abbildungssystem 1 kann es sich beispielsweise um ein Projektionsobjektiv einer Mikrolithographieanlage handeln. Das Objektiv 1 ist vereinfacht durch eine objektseitige Linse 1a, eine Objektivpupille 1b und eine bildseitige Linse 1c repräsentiert. In die Objektebene des Objektivs 1 wird als Objektstruktur eine Wellenfrontbildungsstruktur 2 z.B. in Form einer geeigneten Kohärenzmaske mit zweidimensionaler, kohärenzbildender Beugungsstruktur eingebracht. In die Bildebene wird als Bildstruktur eine Interferenzerzeugungsstruktur 3z.B. in Form eines Beugungsgitters eingebracht. Das Beugungsgitter 3 kann relativ zur Kohärenzmaske 2 lateral beweglich angeordnet sein. Eine nachgeschaltete Abbildungsoptik 4 ist so angeordnet, dass ihre Objektebene in der Bildebene des zu vermessenden Abbildungssystems 1 liegt, so dass sie dessen Austrittspupille auf eine Detektorebene 5 einer nachgeschalteten, herkömmlichen Detektor- und Auswerteeinheit abbildet.
Alternativ zum gezeigten Beispiel kann die Wellenfrontbildungsstruktur 2 statt in der Objektebene an einer anderen objektseitigen Stelle vor dem Abbildungssystem 1 platziert werden, und ebenso kann die Interferenzerzeugungsstruktur 3 bildseitig statt in der Bildebene an einer anderen geeigneten Stelle nach dem zu vermessenden Abbildungssystem 1 positioniert werden.
Erfindungsgemäß wird für die objektseitige Wellenfrontbildungsstruktur 2 und/oder die bildseitige Interferenzerzeugungsstruktur 3 die Verwendung von Mehrfrequenzmustern vorgeschlagen, die in wenigstens einer Richtung mindestens zwei unterschiedliche Periodizitätslängen aufweisen und/oder bei denen wenigstens ein zweidimensionales Hauptmuster, das periodisch angeordnete Hauptstrukturfelder beinhaltet, mit einem oder mehreren Submustern kombiniert ist, das bzw. die eine weitere periodische Strukturunterteilung von Strukturfeldern des Hauptmusters darstellen. Mit diesen Gitter-/Maskenmustern, die mehrere Periodizitätsfrequenzen und/oder Periodizitätsrichtungen kombinieren, können simultan Shearinginterferogramme unterschiedlicher Scherdistanzen und Scherrichtungen gewonnen werden. Durch geeignete Auslegung von Mehrfrequenzmuster, Kohärenzfunktion und Auswerteteil können die Phaseninformationen der einzelnen Interferenzsysteme getrennt ermittelt und daraus hochgenau durch Wellenfrontrekonstruktion eventuelle Bildfehler des Abbildungssystems ermittelt werden. Dabei wird die grundlegende Tatsache benutzt, dass bei Einsatz solcher Mehrfrequenzmuster in der lateralen Shearinginterferometrie über die Frequenz die laterale Auflösung der Pupillenrasterung und über die Orientierung die Achsrichtungen des jeweiligen Koordinatensystems festgelegt werden.
In den 2 und 3 ist der Einfluss hinsichtlich der lateralen Auflösung der Pupillenrasterung für den Fall eines größeren Strahldurchmessers D bzw. eines kleineren Strahldurchmessers d im System von 1 veranschaulicht. Speziell zeigt 2 eine Pupillenrasterung anhand eines Zweifrequenzgitters mit identischen Hauptbeugungsrichtungen in x- bzw. y-Richtung.
Die in 2 durchgezogen gezeichneten Linien bilden ein gröberes quadratisches Raster mit zugehöriger Periodizitätslänge a. Durch die weitere Gitterfrequenz ist dieses Raster in x-Richtung nochmals unterteilt, und zwar in ein in dieser x-Richtung feineres Raster mit um den Faktor 4 kleinerer Periodizitätslänge b=a/4, wie mit den gestrichelten Rasterlinien repräsentiert.
3 zeigt speziell den Fall einer Pupillenrasterung mit unterschiedlicher Auflösung in x- und y-Richtung. Das mit den durchgezogenen Linien repräsentierte, gröbere Raster weist in y-Richtung eine Periodizitätslänge c1 auf, die kleiner als seine Periodizitätslänge c2 in x-Richtung ist. Das feinere Raster ist durch eine Teilung der Periodizitätslänge c2 des gröberen Rasters in x-Richtung um den Faktor 4 gebildet, d.h. seine Periodizitätslänge c3 in x-Richtung beträgt ein Viertel der Periodizitätslänge c2 des gröberen Rasters in x-Richtung und ist auch kleiner als die Periodizitätslänge c1 des gröberen Musters in y-Richtung.
Durch geeignete Wahl des Mehrfrequenzmusters für die objektseitige Wellenfrontbildungsstruktur 2 und/oder die bildseitige Interferenzerzeugungsstruktur 3 kann eine jeweils geeignete, gerasterte Pupillenausleuchtung mit unterschiedlicher Periodizität erzielt werden. Zwar überlagern sich bei Beugungsgitterstrukturen mit mehr als einer Frequenz die jeweiligen Shearinginterferogramme, die darin codierten Phaseninformationen können jedoch durch geeignete Phasenschiebung und Anwendung einer daran angepassten Berechnungsmethode getrennt werden, insbesondere mittels eines entsprechenden Fourieralgorithmus. Derartige Algorithmen sind als solche dem Fachmann geläufig und bedürfen daher hier keiner näheren Erläuterung. Bei bildseitigen Mehrfrequenzmustern mit verschiedenen Gitterorientierungen kann die Formung der räumlichen Kohärenzfunktion, d.h. die Kohärenz- bzw. Beleuchtungsmaske 2, als Filter eingesetzt werden. Des weiteren können störende Anteile durch geeignete Maßnahmen im Zeitbereich, wie zeitliche Mittelung und schnelle Gitteroszillation, eliminiert bzw. unterdrückt werden.
Durch den Einsatz besagter Mehrfrequenzmuster für die bildseitige Interferenzerzeugungsstruktur 3, insbesondere in Form eines entsprechenden Mehrfrequenz-Beugungsgitters, ist die simultane Vermessung des Abbildungssystems 1 mit unterschiedlicher Ortsauflösung über seine Pupille hinweg möglich, ebenso eine optimale Anpassung der Beugungsgitterfrequenzen an die Parzellierung der Pupille. Unter der Pupillenparzellierung wird bekanntermaßen der Effekt verstanden, dass die Beleuchtungsintensität in der Pupille des Abbildungssystems nicht homogen, sondern parzelliert ist, wie dies z.B. in Mikrolithographieanlagen häufig der Fall ist, wenn dort konstruktionsbedingt eine entsprechende Parzellierung der Pupille des Beleuchtungssystems vorliegt, die sich in die Pupille des zu vermessenden Projektionsobjektivs abbildet. Bei Einsatz der besagten Mehrfrequenzmuster in der objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur kann die Pupillenfüllung durch entsprechende Beugungseffekte an der Kohärenz- bzw. Beleuchtungsmaske verbessert werden, d.h. auch bei geringeren Strahldivergenzwinkeln eines vorgeschalteten Beleuchtungssystems, wie sie z.B. für extreme UV-Strahlung typisch sind, kann eine ausreichende Ausleuchtung auch des äußeren Pupillenbereichs erzielt werden.
In den 4 bis 15 sind einige vorteilhafte Realisierungen von Mehrfrequenzmustern dargestellt, die sich für die Wellenfrontbildungsstruktur 2 und/oder für die Interferenzerzeugungsstruktur 3 eignen und auf die nachfolgend näher eingegangen wird.
4 veranschaulicht im linken Teilbild ein Mehrfrequenzmuster, bei dem ein schachbrettförmiges Hauptmuster mit zwei linienförmigen Submustern kombiniert ist. Speziell besitzt das Hauptmuster eine Schachbrettstruktur mit in x- und y-Richtung verlaufenden Diagonalen. Dies entspricht zwei orthogonalen Strichgittern mit gleicher Periodizitätslänge L, die gleich der Länge der Diagonalen jedes Schachfeldes ist. Die „schwarzen" Schachfelder sind alternierend durch orthogonale Liniengitter-Submuster ersetzt, die beide dieselbe Periodizitätslänge l aufweisen und von denen die Linien des einen Submusters parallel zur x-Richtung und die Linien des anderen Submusters parallel zur y-Richtung verlaufen. Dies führt im zugehörigen Beugungsdiagramm, in 4 im rechten Teilbild schematisch wiedergegeben, zu einem zentralen Beugungsmaximum B₀ 0. Ordnung, an das sich in x- und y-Richtung mit Abstand zunächst je ein Beugungsmaximum B_–1,x, B_1,x, B_–1,y, B_1,y ±1. Ordnung anschließen, die vom schachbrettartigen Einfrequenz-Hauptmuster mit Periodizitätslänge L in x- und y-Richtung stammen. Daran schließen nach außen in x- und y-Richtung mit weiterem Abstand jeweilige Beugungsmaximum Bs_–1,x, Bs_1,x, Bs_–1,y, Bs_1,y ±1. Beugungsordnung des Liniengitter-Submusters mit in x-Richtung parallel versetzten Linien bzw. des Liniengitter-Submusters mit in y-Richtung nebeneinander liegenden Linien und der jeweiligen Periodizitätslänge l an. Dabei dient die Beugungsdiagrammdarstellung nur zum besseren Verständnis der Beugungsresultate bzw. der entstehenden Interferogramme und ist nicht maßstäblich gedacht. Bekanntermaßen liegen die Beugungsmaxima einer jeweiligen Beugungsordnung um so weiter vom Symmetriemittelpunkt der Anordnung entfernt, je kleiner die Periodizitätslänge der Beugungsstruktur ist.
Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend demjenigen von 5, indem es ebenfalls ein Schachbrett-Hauptmuster mit in x- und y-Richtung verlaufenden Diagonalen beinhaltet, bei dem die schwarzen Felder alternierend durch zwei Liniengitter-Submuster mit zueinander orthogonalen Linienrichtungen ersetzt sind, welche die gleiche Periodizitätslänge l besitzen. Hier und im folgenden ist jeweils die Periodizitätslänge bzw. Gitterperiode eines Hauptmusters mit großem „L" und diejenige eines jeweiligen Submusters mit kleinem „l" bezeichnet, wobei die Hauptmuster-Periodizitätslängen L und die Submuster- Periodizitätslängen l je für sich in den verschiedenen Beispielen unterschiedliche Werte haben können. Im Unterschied zu 4 sind beim Mehrfrequenzmuster von 5 die Liniengitter der Submuster in einem Winkel von jeweils 45° zur x- bzw. y-Richtung orientiert. Dies bedeutet, dass die zugehörigen Achsen der Beugungsordnungen beim Hauptmuster von der x- bzw. y-Achse gebildet sind, diejenigen der beiden Liniengitter-Submuster hingegen unter einem Winkel von 45° zur x- bzw. y-Achse verlaufen, wie im rechten Teilbild von 5 zu erkennen. Die entsprechenden, auf diesen Winkelhalbierenden der x- und y-Achse liegenden Beugungsmaxima ±1. Ordnung für die Liniengitter-Submuster sind korrespondierend mit Bs_1,xy, Bs_–1,xy, Bs_1,–xy und Bs_–1,–xy bezeichnet.
Während es sich bei den Beispielen der 4 und 5 um zweidimensionale Zweifrequenzmuster handelt, zeigt 6 ein Beispiel eines zweidimensionalen Dreifrequenzmusters. Wie aus 6 ersichtlich, besteht dieses wiederum aus einem Schachbrett-Hauptmuster mit gleicher Periodizitätslänge L in x- und y-Richtung entsprechend der Schachfeld-Diagonallänge sowie alternierend aus vier Liniengitter-Submustern, von denen zwei denjenigen der 4 mit zur x- bzw. y-Richtung parallelen Gitterlinien und die beiden anderen den beiden Liniengitter-Submustern der 5 mit um 45° zur x- bzw. y-Richtung verlaufenden Gitterlinien entsprechen. Dies führt im Beugungsdiagramm zu einem Muster der Beugungsordnungen, das der Summe derjenigen der 4 und 5 entspricht, d.h. es treten sowohl die Beugungsordnungen des Hauptmusters in x- und y-Richtung als auch die Beugungsordnungen der beiden Submuster von 4 ebenfalls in x- und y-Richtung und die Beugungsordnungen der beiden Submuster von 5 entlang der Winkelhalbierenden des xy-Koordinatensystems auf. Für die beiden Submuster entsprechend 5 ist im Beispiel von 6 eine Periodizitätslänge I₁ größer als die Periodizitätslänge I₂ für die beiden Submuster entsprechend 4 gewählt, so dass sich die auf den Winkelhalbierenden des xy-Koordinatensystems des Beugungsdiagramms liegenden Beugungsord nungen einen etwas geringeren Abstand vom Diagrammmittelpunkt haben als die auf der x- bzw. Y-Achse liegenden, gleichen Beugungsordnungen der beiden anderen Submuster. Mit dem Mehrfrequenzmuster von 6 lassen sich folglich simultane Messvorgänge mit drei unterschiedlichen Ortsauflösungen realisieren.
Während beispielhaft in den Ausführungsformen der 4 bis 6 die schwarzen Schachfelder des Hauptmusters durch die Feinstrukturen von Liniengitter-Submustern ersetzt wurden, versteht es sich, dass in alternativen Ausführungsformen stattdessen die weißen Schachfelder des Hauptmusters durch Submuster-Feinstrukturen gefüllt sein können und die schwarzen Schachfeder einheitlich lichtundurchlässig bleiben.
7 zeigt eine weitere Modifikation in Form eines Mehrfrequenzmusters, bei dem zwei orthogonale Liniengitter-Einfrequenzmuster schachbrettartig angeordnet sind. Die einen alternierenden Schachbrettfelder sind mit einem Liniengittermuster mit zur x-Achse parallelen Gitterlinien gefüllt, während die übrigen alternierenden Schachfelder mit einem Liniengittermuster mit zur y-Achse parallelen Gitterlinien gefüllt sind. Durch die Füllung sowohl der „weißen" als auch der „schwarzen" Schachfelder mit jeweiligen Liniengittermustern verschwinden die den Schachbrett-Hauptmustern der 4 bis 6 entsprechenden Beugungsmuster im Beugungsdiagramm, während sich entlang der x- bzw. y-Achse die Beugungsmaxima entsprechend den beiden Feinstruktur-Liniengittermustern bilden. Dabei sind im Beispiel von 7 gleiche Periodizitätslängen l für beide Feinstruktur-Liniengittermuster gewählt, alternativ sind unterschiedliche Periodizitätslängen möglich.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mehrfrequenzmusters mit einer schachbrettartigen Anordnung zweier orthogonaler Liniengitter-Zweifrequenzmuster. Speziell sind bei diesem Mehrfrequenzmuster die Schachbrettfelder alternierend mit zwei um 90° verdrehten, d.h. ortho gonalen Mustern belegt, die ihrerseits jeweils aus einem Grobmuster mit drei dunklen und drei hellen Linien und einem Feinmuster bestehen, bei dem jeder helle Streifen des gröberen Musters durch zwei dunkle Streifen in drei einzelne helle Steifen unterteilt ist. Die in x- und y-Richtung gleiche Periodizitätslänge I₂ des feineren Musters beträgt folglich ein Drittel der Periodizitätslänge I₁ des gröberen Musters, wobei die Periodizitätslängen I₁, I₂ in x- und y-Richtung jeweils gleich sind. Dies führt dementsprechend zu einem Beugungsdiagrammbild, bei dem vom zentralen Beugungsmaximum B₀ nullter Ordnung in x- und y-Richtung jeweils zunächst die Beugungsmaxima Bsg_1,x, Bsg_–1,x, Bsg_1,y und Bsg_–1,y ±1. Ordnung des gröberen Liniengittermusters mit der größeren Periodizitätslänge I₁ und dann die Beugungsmaxima Bsf_1,x, Bsf_–1,x, Bsf_1,y und Bsf_–1,y ±1. Ordnung des feineren Linienmusters mit der kleineren Periodizitätslänge I₂ folgen.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen Zweifrequenzmusters mit einem schachbrettförmigen Hauptmuster, bei dem die schwarzen Schachfelder durch ein ebenfalls schachbrettartiges Submuster ersetzt sind, dessen Diagonalen und damit Beugungsachsen parallel zu denjenigen des Hauptmusters orientiert sind, d.h. parallel zur xund y-Richtung. Dies führt zu einem Beugungsbild gemäß dem rechten Teilbild von 9, das qualitativ demjenigen von 4 entspricht.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das demjenigen von 9 mit dem Unterschied entspricht, dass die Schachbrettdiagonalen und damit die Beugungsachsen des Schachbrett-Submusters um 45° gegenüber denen des Hauptmusters gedreht sind. Dies führt zu einem Beugungsdiagramm, das qualitativ demjenigen von 5 entspricht.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mehrfrequenzmusters, das einer Kombination der Beispiele der 9 und 10 entspricht, bei der im schachbrettartigen Hauptmuster die beiden schachbrettartigen Submus ter der 9 und 10 in alternierenden „schwarzen" Schachfeldern des Hauptmusters vorgesehen sind. Dabei ist im gezeigten Fall für das Schachbrett-Submuster mit den zum Schachbrett-Hauptmuster parallelen Diagonalen eine Periodizitätslänge I₁ gewählt, die größer als die Periodizitätslänge I₂ des anderen Schachbrett-Submusters ist. Dies führt zu einem im rechten Teilbild von 11 wiedergegebenen Beugungsdiagramm, das demjenigen von 6 qualitativ entspricht.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zweifrequenzmusters mit einer schachbrettartigen Anordnung zweier Schachbrettmuster unterschiedlicher Frequenz bzw. Periodizitätslänge. Speziell sind alternierende Felder eines Schachbrett-Hauptmusters mit der Periodizitätslänge L von zwei Schachbrettmustern unterschiedlicher Periodizitätslängen I₁, I₂ gefüllt, von denen das eine mit zum Schachbrett-Hauptmuster parallelen Schachfelddiagonalen und das andere mit dazu um 45° geneigten Schachfelddiagonalen angeordnet ist, so dass sich qualitativ das im rechten Teilbild von 12 wiedergegebene Diagramm der 0. und der ±1. Beugungsordnungen ergibt.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mehrfrequenzmusters mit einem zweidimensionalen Hauptmuster aus alternierend hellen und dunklen Dreiecken in Kombination mit einem Schachbrett-Submuster, das die hellen Dreiecksfelder des Hauptmusters ausfüllt. Die Dreiecksfeldanordnung des Hauptmusters erzeugt drei um jeweils 120° gegeneinander gedrehte Beugungsrichtungen mit jeweils gleicher Periodizitätslänge L, von denen eine bei dem in 13 explizit wiedergegebenen xy-Koordinatensystem parallel zur y-Richtung liegt, d.h. auf eine in y-Richtung periodische Gitterstruktur zurückgeht. Das Schachbrett-Submuster bildet zwei um jeweils 90° versetzte Beugungsrichtungen in x- bzw. y-Richtung mit gleicher Periodizitätslänge l, indem seine Schachbrettdiagonalen in diesen beiden Richtungen verlaufen.
14 zeigt eine Variante von 13, bei der für das gleiche Dreiecksfeld-Hauptmuster in den „weißen" Dreiecksflächen zwei orthogonale Liniengitter-Submuster vorgesehen sind. Die beiden Liniengitter-Submuster definieren orthogonale Beugungsrichtungen in x- und y-Richtung, indem ihre Gitterlinien in y- bzw. x-Richtung verlaufen. Für die beiden Liniengitter-Submuster ist im Beispiel von 14 die gleiche Periodizitätslänge l gewählt, alternativ sind selbstverständlich auch unterschiedliche Periodizitätslängen möglich. Die beiden Submuster teilen sich je ein „weißes" Dreiecksfeld des Hauptmusters, indem diese jeweils in vier gleich große, zu den Hauptmuster-Dreiecken kongruente Dreiecke unterteilt sind, von denen je zwei mit dem gleichen Liniengitter-Submuster „gefüllt" sind. Ersichtlich ergibt sich für dieses Mehrfrequenzmuster ein zu demjenigen der 13 äquivalentes Beugungsmuster mit den drei um jeweils 120° gedrehten Hauptmuster-Beugungsrichtungen und den beiden Submuster-Beugungsrichtungen xund y-Richtung.
Es versteht sich, dass als weitere Alternativen der Ausführungsbeispiele der 13 und 14 die weißen Hauptmuster-Dreiecksfelder frei bleiben können und die schwarzen Dreiecksflächen durch Dreiecksflächen ersetzt sind, welche die betreffenden Submuster tragen.
15 veranschaulicht ein weiteres Mehrfrequenzmuster, bei dem wiederum ein Schachbrett-Hauptmuster mit Schachfelddiagonalen bzw. Beugungsrichtungen in x- und y-Richtung und Periodizitätslänge L in Kombination mit einem Submuster vorgesehen ist. Das Submuster ist in diesem Fall von inneren hellen Quadraten in den dunklen Hauptmuster-Schachfeldern und dunklen Quadraten in den hellen Hauptmuster-Schachfeldern gebildet, wobei die Quadratseitenlänge des Submusters ein Drittel derjenigen des Hauptmusters beträgt. Dies führt zu dem im rechten Teilbild von 15 schematisch wiedergegebenen Beugungsbild.
Wie anhand der obigen Beschreibung der gezeigten Ausführungsbeispiele und der erwähnten Varianten hiervon deutlich wird, ermöglicht die Erfindung durch die Verwendung eines Mehrfrequenzmusters in der bildseitigen Interterenzerzeugungsstruktur und/oder in der objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur die simultane Vermessung eines Prüflings mit unterschiedlichen Ortsauflösungen in einer einzigen Richtung oder auch in zwei oder mehr verschiedenen Richtungen. Es versteht sich für den Fachmann, dass außer den gezeigten und oben erwähnten noch zahllose andere Mehrfrequenzmuster verwendet werden können, die sich jeweils dadurch auszeichnen, dass sie in wenigstens einer Richtung eine periodische Struktur mit mindestens zwei unterschiedlichen Periodizitätslängen und/oder eine Struktur umfassen, die mindestens ein zweidimensionales Hauptmuster mit periodisch angeordneten Strukturfeldern und ein oder mehrere Submuster beinhaltet, die als Feinstruktur in Strukturfeldern des Hauptmusters ausgebildet sind. Bei einer entsprechenden Beugungsgitterstruktur führt dies zu entsprechend mehreren Beugungsmustern der jeweiligen Beugungsordnung in der betreffenden Richtung bzw. zu Beugungsmustern in unterschiedlichen Beugungsrichtungen. Die Phaseninformationen der einzelnen Interferenzsysteme können in herkömmlicher Weise durch geeignete Auslegung der bildseitigen Interferenzerzeugungsstruktur, der objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur und des Auswertealgorithmus getrennt aus den simultanen Shearinginterferogrammen unterschiedlicher Scherdistanzen und/oder Scherrichtungen ermittelt werden. Hierzu können unterstützend Maßnahmen im Zeitbereich, wie zeitliche Mittelung und schnelle Beugungsgitteroszillation, und/oder eine als Filter fungierende Beleuchtungsmaske zur Formung der räumlichen Kohärenzfunktion bei verschiedenen Beugungsgitterorientierungen eingesetzt werden.
Außer der simultanen Wellenfrontmessung mit unterschiedlichen Ortsauflösungen bietet die Erfindung als weitere Vorteile die Möglichkeit ei ner Anpassung der Beugungsgitterfrequenz an eine vorgegebene Parzellierung der Pupillenausleuchtung, einer Anpassung der Beugungsgitterfrequenzen an die Wellenlänge der verwendeten Strahlung, einer Messung der Kohärenzfunktion und einer Nutzung der periodischen Submuster-Feinstruktur zur Kalibrierung des Phasenschiebevorgangs bei der lateralen Shearinginterferometrie. Bei der letztgenannten Anwendung werden Submuster-Feinstrukturen der objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur mit solchen der bildseitigen Interferenzerzeugungsstruktur zur Überlagerung gebracht, um daraus hochgenau den relativen lateralen Verschiebeweg zwischen der objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur und der bildseitigen Interferenzerzeugungsstruktur zu erfassen. Des weiteren kann bei Einsatz des Mehrfrequenzmusters in der objektseitigen Wellenfrontbildungsstruktur die Füllung der Pupille des Prüflings gerade auch im Fall von extremer UV-Strahlung verbessert werden, indem das objektseitige Mehrfrequenzmuster die Strahlung mit merklicher Intensität auch in größere Abstrahlwinkel beugt.
Wenngleich oben die Anwendung der Erfindung primär zur Vermessung von Objektiven, die in Mikrolithografieanlagen zum Einsatz kommen, erwähnt wurde, wobei die Vermessungsvorrichtung z.B. als BIF-Vorrichtung auch in die Mikrolithografieanlage integriert sein kann, versteht es sich, dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur hochgenauen ortsaufgelösten Vermessung anderer optischer Abbildungssysteme über deren Pupille hinweg eignet. Des weiteren umfasst die Erfindung Vorrichtungen zur Moiré-Verzeichnungsmessung, bei denen jeweils geeignete Moiré-Strukturen der oben erläuterten Mehrfrequenztypen als Objekt- bzw. Bildstruktur fungieren, sowie kombinierte Vorrichtungen, die eine Vermessung sowohl durch Shearinginterferometrie als auch durch Moiré-Strukturüberlagerung ermöglichen und dazu Objekt- und bildseitig geeignete Shearinginterferometrie- und Moiré-Strukturen beinhalten. Dabei können beide Strukturtypen überlagert o der in verschiedenen Teilbereichen eines jeweiligen Strukturträgers vorgesehen sein.

Claims

Vorrichtung zur optischen Vermessung eines Abbildungssystems, insbesondere durch Wellenfronterfassung mittels Shearinginterferometrie, mit – einer objektseitig vor dem Abbildungssystem (1) anzuordnenden Objektstruktur (2), – einer bildseitig nach dem Abbildungssystem anzuordnenden Bildstruktur (3) und – einer der Bildstruktur nachgeschalteten Detektor- und Auswerteeinheit (5) zur Detektion einer Überlagerungsstruktur aus abgebildeter Objektstruktur und Bildstruktur und Auswertung derselben, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bildstruktur (3) und/oder die Objektstruktur (2) ein periodisches Mehrfrequenzmuster aufweist, das in wenigstens einer Richtung mindestens zwei unterschiedliche Periodizitätslängen umfasst und/oder das wenigstens ein zweidimensionales Hauptmuster mit periodisch angeordneten Strukturfeldern und wenigstens ein Submuster umfasst, das in Strukturfeldern des Hauptmusters gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrfrequenzmuster eine Kombination wenigstens eines zweidimensionalen Hauptmusters mit wenigstens zwei Submustern in Strukturfeldern des Hauptmusters umfasst, wobei die wenigstens zwei Submuster verschiedene Periodizitätsrichtungen und/oder Periodizitätslängen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Hauptmuster ein periodisches Polygonmuster ist und das wenigstens eine Submuster in alternierenden Polygon-Strukturfeldern des Hauptmusters gebildet ist.