DE10319268A1

DE10319268A1 - Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme

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Publication number: DE10319268A1
Application number: DE10319268A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen DOBSCHAL; Jörn Dr. Greif-Wüstenbecker; Robert Dr. Brunner; Norbert Rosenkranz; Thomas Dr. Scherübl
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-12-02
Also published as: WO2004097499A1; JP2006524912A; EP1618429A1; US20070070502A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abbildungssystem, bei dem ein diffraktiv optisches Element sowohl vom Beleuchtungs- als auch vom Abbildungsstrahlengang verwendet wird. Ob dieses diffraktive Element in Reflektion oder Transmission arbeitet, ist abhängig von den Vorgaben des Systemdesigns. DOLLAR A Bei dem erfindungsgemäßen diffraktiven Strahlteiler für Abbildungssysteme wird mindestens eines der im Strahlengang vorhandenen abbildenden optischen Elemente sowohl für den Beleuchtungsstrahlengang als auch für den Abbildungsstrahlengang verwendet wird. Dieses Element ist ein diffraktiv-optisches Element (DOE) und verlangt durch Verwendung verschiedener Beugungsordnungen keine räumliche Trennung von Abbildungs- und Beleuchtungsstrahlengang im Objektraum. DOLLAR A Durch die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen kann die Anzahl der reflektiven optischen Elemente reduziert werden. Dadurch ergibt sich erstens eine Systemkostenreduzierung und zweitens wird die Lebensdauer der optischen Bauelemente durch Verwendung einer EUV-Quelle mit geringerer Leistung heraufgesetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abbildungssystem bei dem ein diffraktiv optisches Element sowohl vom Beleuchtungs- als auch vom Abbildungsstrahlengang verwendet wird. Ob dieses diffraktive Element in Reflektion oder Transmission arbeitet ist abhängig von den Vorgaben des Systemdesigns.

Ziel ist es die Auflösung des Abbildungssystems zu steigern und obendrein die Telezentriebedingung einzuhalten.

Die maximale Auflösung eins Abbildungssystems wird primär durch die Numerische Apertur (NA) und die verwendete Wellenlänge (λ) festgelegt.

Die Telezentriebedingung bewirkt einen konstanten Vergrößerungs-Verkleinerungs-Maßstab bei Defokussierung, d.h. beobachtet man z. B. ein dreidimensionales Objekt unter einem Mikroskop, dessen Objektiv die Telezentriebedingung erfüllt, und verschiebt dieses Objekt durch die Fokusebene verändert sich nicht der Maßstab der Struktur, wobei unterschiedliche Bereiche des Objektes scharf und andere unscharf zu sehen sind.

Das grundlegende Prinzip dieser Erfindung kann im ganzen Bereich der elektromagnetischen Strahlung angewannt werden. Eine besondere Bedeutung gewinnt es aber im Wellenlängenbereich unterhalb von 100 nm. Oberhalb kann man Systeme bauen die diese Erfindung sowohl in reflektiv als auch transmittiv verwenden, unterschreitet man jedoch die 100 nm ist die Auswahl von transmittiven „bulk" Material so gering, so dass hauptsächlich in Reflektion gearbeitet wird. In diesem Reflektionsbereich sind explizit drei große Anwendungsfeder zu nennen, wo diese Erfindung besonders greifen:

A) Lithographie bzw. Stepper in der Halbleiterindustrie bei 13.5nm
B) Materialmikroskopie z. B. Maskeninspektionsmikroskopie AIMS
C) Biologische Proben im „Wasserfenster"

Zu A) Für die Miniaturisierung der Mikroprozessorstrukturen benötigt die Halbleiterindustrie die Verkleinerung der auflösbaren und abbildbaren Strukturgrößen. Dazu muss bei den neuen Steppern, die bei 13.5nm arbeiten, auch die Numerische Apertur zu vergrößert werden. Geht man von der Auflösungsgrenze eines heute eingesetzten Steppers, die bei 157 nm und einer NA = 0.95 betrieben werden, aus, so muss ein EUV Stepper (13.5nm) eine NA von 0.08 aufweisen, d.h. erst bei einer NA größer als 0.08 erfolgt eine Auflösungsvorteil gegenüber vom heutigen 157 nm System. Die Numerische Apertur eines modernen zwei Element Abbildungssystem bei 13.5nm z. B. ein Schwarzschilddesign, beträgt ~0.1 was sich durch unseren Vorschlag verdoppeln ließ.

Zu B) Im Falle der Materialmikroskopie werden beide Vorteile der Erfindung exemplarisch anhand der Maskeninspektionsmikroskopie dem sogenannten Aerial Imaging Measurement (AIMS) beschrieben. Bei dem AIMS Verfahren werden im wesentlichen die Abbildung der Lithographiemaske des Steppers simuliert. Der Lithographiestepper bildet die Maskenstruktur verkleinert auf den zu belichtenden Träger ab. Bei der Maskeninspektion wird hingegen die Struktur vergrößert abgebildet, wobei gewöhnlich bei der Simulation die numerische Apertur (NA) des Mikroskops umgekehrt proportional und mit dem Vergrößerungsfaktors des Steppers eingestellt wird. (Beispiel: Stepper Apertur 0.4 mit dem Steppervergrößerungsfaktor 4 ⇒ numerische Apertur des Simulationsmikroskops 0.4/4 = 0.1) Beobachtet man nun einen Defekt auf der Maske kann er durch vergrößern der numerischen Apertur (NA) genauer in Augenschein genommen werden ohne ein zusätzliches Mikroskop zu bemühen.

Diese Möglichkeit ist bei den jetzigen käuflichen Geräten nur in sehr geringen Umfang möglich.

Mit Hilfe des Maskeninspektionsmikroskops soll das Prozeßfenster des Steppers für eine Maske bestimmt werden. Dabei muss die bildseitige Telezentrie des Steppers für den Defokussierungbereich des Inspektionsmikroskops eingehalten werden. Dabei bestimmt die Größe der Verschiebung beim Defokussieren, bei dem eine bestimmte Strukturbreite der Abbildung nicht überschritten wird d.h. daraus ergibt sich der Abstand des Wafers von der projizierten Abbildung, der dann eingehalten werden muss. Eine genauere Beschreibung der Funktionsweise findet man bei den Anmeldungen DE 10220816 und DE 10220815 (Engel et. al.)

Zu C) Die kontinuierliche Reduzierung der Auflösungsgrenze ist nicht nur für die Halbleiterindustrie wichtig. So interessieren sich z. B. Biologen und Mediziner für den UV-Fis Bereich sondern auch für das EUV- Mikroskopie im sogenannten Wasserfenster [2–5 nm (~500 eV)]. In diesem Bereich hat das Wasser eine Absorptionslücke und ist somit besser transparent, so dass biologische Proben in wässriger Lösung untersucht werden können.

Diese in Reflektion arbeitenden Auflichtabbildungsanordnung haben gemeinsam, dass bei der Beleuchtungs- und Abbildungskegel (Numerischen Apertur NA) des Systems geometrisch eingeschränkt wird. Dieses Problem ist in 1. an einem Strahlengang eines Abbildungssystems aufgezeichnet was zur Zeit Stand der Technik ist. Die US-Patente US 5,144,497 , US 5,291,339 und US 5,131,023 betreffen Röntgenstrahlmikroskope bei denen Schwarzschild-Systeme als abbildende Systeme verwendet werden. Diese haben unter anderem den Nachteil, dass wir eine sogenannte Dunkelfeldabbildung machen, was als Konsequenz eine Strukturgrößenverfälschung zur Folge hat.

Durch die geometrisch bedingte Strahleinfallswinkel erfüllen die bisherigen in Reflektion arbeitenden Auflichtabbildungssysteme nicht die objektseitige Telezentriebedingung die dafür sorgt dass der Abbildungsmaßstab bei einer Defokussierung erhalten bleibt und eine objekttreueren Abbildung erzeugt wird.

Sowohl die Limitierung der Numerischen Apertur als auch der aufgrund der Geometrie gegebene Strahleinfallwinkel birgt starke Einschränkungen für das Abbildungssystem was durch unsere Erfindung behoben werden kann. Dabei wurde die Technik von diffraktive Elemente bisher nur zur spektralen Selektion (spektrale Strahlfilterung) durch Beugung von Röntgenstrahlung verwendet. In den US Patenten US 6,469,827 und US 5,022,064 werden diese diffraktiven Elemente alleinig zur spektralen Aufspaltung und Selektierung von Röntgenstrahlung beschrieben. In unserem Fall hingegen verwenden wir das diffraktive Element unter anderem zur Korrektur und zur Verbesserung von Abbildungseigenschaften.

Zur Vergrößerung der Numerischen Apertur (NA) wurden einige Techniken entwickelt die besonders gut auch bei der vorgeschlagenen Methode greifen.

– Erhöhung der Anzahl der vor- oder nachgeschalteten optischen Elemente. Im EUV Energiebereich führt je zusätzlicher Oberfläche zu einer Intensitätsreduzierung von wenigstens 30%.
– Anstelle von refraktiven oder reflektiven Elementen (Linsen, Spiegel etc.) diffraktive Elemente (DOE) verwenden.
– Anstelle von sphärischen assphärische Elemente verwenden.
– Reduzierung der Symmetrie bezüglich der Oberflächen. Ein Beispiel dafür wird später genauer beschrieben.

Jede dieser angegebenen Techniken kann dazu beitragen die NA graduell zu steigern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen diffraktiven Strahlteiler für Abbildungssysteme zu entwickeln, welches die im Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Weiterhin soll dabei durch eine hohe Apertur eine verbesserte Auflösung erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch beschrieben. Dazu zeigen
1: den schematischen Strahlenverlauf in einem Auflichtabbildungssystem mit reflektiven Bauelementen nach dem Stand der Technik,
2: den durch die Erfindungsmeldung modifizierten schematischen Strahlenverlaufs eines Auflichtabbildungssystems,
3: ein Beispiel für den Strahlenverlauf in einem erfindungsgemäßen Reflektionsauflichtabbildungssystems in symmetrischer Ausführung und
4, 5: detaillierte Beschreibung von den reflektiv-optischenen Elementen.
1 zeigt einen schematischen Strahlenverlauf in einem Abbildungssystems nach dem Stand der Technik. Die von der Beleuchtungsquelle 1 ausgehende Strahlung wird von einem abbildenden reflektiven optischen Element 7 auf das Objekt 4 reflektiert. Die von dort reflektierte Strahlen wird von einem separaten abbildenden optischen Element 8 in die Zwischenbildebene 6 abgebildet. Hierbei sind die optischen Achsen von Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang voneinander getrennt und zur Normalen der Objektoberfläche geneigt. Neben den dadurch eingeschränkten Raumwinkeln wirkt sich außerdem der schräge Einfall der Strahlung auf das Objekt 4 nachteilig aus.
Im Gegensatz dazu zeigt 2 den schematischen Strahlenverlauf des erfindungsgemäßen Abbildungssystem. Durch den vergrößerten Raumwinkel (NA) sowohl für die Beleuchtung als auch für die Abbildung wird eine höhere Auflösung erzielt. Die Telezentriebedingung für die Abbildung ist erfüllt.
Die von einer Lichtquelle 1 ausgehende Strahlung wird über das abbildende optische Element 2 auf ein abbildendes optisches Element 3. Das abbildende optische Element 3 verfügt über eine diffraktiv-reflektive Struktur mit abbildenden und strahlteilenden Eigenschaften. Vom abbildenden optischen Element 3 wird zumindest ein Teil der Strahlung zum Objekt 4 gelenkt und beleuchtet dieses. Die vom Objekt 4 reflektierte Strahlung gelangt wieder auf das abbildende optische Element 3. Ein Teil dieser Strahlung wird vom abbildenden optischen Element 3 über das abbildende optische Element 5 zur Erzeugung eines Abbildes in der Zwischenbildebene 6 verwendet. Das abbildende optische Element 3 mit der diffraktiv-reflektiven Struktur wird somit sowohl für den Beleuchtungsstrahlengang als auch für den Beobachtungsstrahlengang verwendet und verlangt durch Verwendung verschiedener Beugungsordnungen keine räumliche Trennung von Abbildungs- und Beleuchtungsstrahlengang im Objektraum verlangt. Das DOE, welches über eine abbildende Wirkung verfügt, kann sich unmittelbar vor dem Objekt befinden.
Die diffraktiv-reflektive Struktur ist dabei auf einer sphärischen oder einer planen Grundfläche aufgebracht und verfügt über eine nicht rotationssymmetrische, asymmetrische Form. Die sphärischen Grundfläche können konkav oder konvex ausgeprägt sein. Das DOE weist einen variablen Linienzahlverlauf in mindestens einer Richtung zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften auf. Außerdem wird die Telezentriebedingung in der Beleuchtung und der Abbildung eingehalten.
Bei dem diffraktiven Strahlteiler für Abbildungssysteme befinden sich im Abbildungs- und Beobachtungsstrahlengang weitere Elemente nach bzw. vor dem DOE, die zur Kompensation der Abbildungseigenschaften des diffraktiv optischen Elements beitragen, wobei diese zusätzliche Elemente Linsen, Spiegel, DOEs o. ä. sein können. Das DOE wird hierbei zwei Mal in Reflektion verwendet. Außerdem können unterschiedliche numerische Aperturen für das System eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung können durch Umschalten der Beleuchtungs- und Abbildungsapertur verschiedene Applikationsvarianten eingestellt werden. Dabei ist die Profilform des DOEs in wenigstens zwei Spiegelsymmetrieachsen in einer Ebene symmetrisch. Die Strahlengänge der Beleuchtung und der Abbildung sind symmetrisch zueinander aufgebaut und die DOEs werden als komplementärer Beugungsordnungen verwendet.
Bei einem erfindungsgemäßen hochauflösenden Abbildungssystem für ein, auf extrem ultravioletter (EUV) Strahlung basierendem Mikroskop mit Wellenlängen im Bereich < 100 nm, mit einer Vergrößerung von 0,1 – 100x und einer Baulänge kleiner 5m verfügt mindestens eines der im Strahlengang vorhandenen abbildenden optischen Elemente 2, 3 und 4 über eine diffraktiv-reflektive Struktur, welches sowohl für den Beleuchtungsstrahlengang als auch für die Beobachtungsstrahlengang verwendet wird.
Es ist aber auch ein Abbildungssystem möglich, bei dem der Beleuchtungs- und Abbildungsweg nicht symmetrisch aufgebaut ist. Dadurch kann den unterschiedlichen Anforderungen beider Lichtwege genauer Rechnung getragen werden. Das zentrale Element DOE 3 ist detaillierter in 4 beschrieben. Dabei handelt es sich um ein um ein reflektiv optisches Element bei dem die diffraktive Struktur auf einer abbildenden Grundfläche sitzt. Die diffraktive Struktur hat eine variable Linienzahlverlauf in x und y Richtung, was zu einer verbesserten Abbildungseigenschaft des Gesamtsystems führt. Die Linienzahlverläufe sind mit nichten symmetrisch was viel deutlicher in 5 zu erkennen ist.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Abbildungssystem zur Verfügung gestellt, welches die im Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet und eine hohe Abbildungsgüte gewährleistet.
Im EUV fällt die Effizienz der Reflexion der Oberflächen rapide mit einsteigendem Einfallswinkel, was die realisierbare NA limitiert. Das diffraktive optische Elemente verstärkt die Brechkraft der Oberflächen und führt zu einer größer realisierbaren NA. Außerdem kann dadurch das Abbildungssystem, insbesondere für EUV-Anwendungen kompakter gebaut werden.
Durch die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen kann die Anzahl der reflektiven optischen Elemente reduziert werden. Dadurch ergibt sich erstens eine Systemkostenreduzierung und zweitens wird die Lebensdauer der optischen Bauelemente durch Verwendung einer EUV-Quelle mit geringerer Leistung heraufgesetzt.
Die mikroskopische Untersuchung von Objekten mit Röntgenstrahlung, insbesondere mit extrem ultravioletter (EUV) Strahlung wird vor allem in Halbleiterindustrie immer wichtiger. Kleiner Strukturgrößen fordern konsequenterweise immer höhere Auflösungen, welche nur durch eine Verkürzung der Untersuchungswellenlänge erreicht werden kann. Besonders wichtig ist dies bei der mikroskopischen Inspektion von Masken für den Lithographieprozess.
Besonders wichtig wird die Röntgenmikroskopie bei Verfahren, wie beispielsweise dem sogenannten AIMS (Aerial Imaging Measurement). Bei dem AIMS Verfahren wird der Lithographiestepper durch eine preisgünstigere und einfachere mikroskopische Anordnung simuliert. Wichtig dabei ist, dass die Abbildung mit der gleichen Wellenlänge von z. B. 13,5 nm, den gleichen Beleuchtungsbedingungen und der gleichen Bildgüte wie bei einem EUV-Stepper erzeugt wird. Im Gegensatz zum Stepper ist aber das Bildfeld mit ca. 10 μm statt mehrere mm wesentlich kleiner. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Maske typischerweise 10 – 1000fach vergrößert auf eine Kamera abgebildet werden.

Claims

Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme bei dem mindestens eines der im Strahlengang vorhandenen abbildenden optischen Elemente sowohl für den Beleuchtungsstrahlengang als auch für den Abbildungsstrahlengang verwendet wird, dieses Elemente ein diffraktiv-optisches Element (DOE) ist und durch Verwendung verschiedener Beugungsordnungen keine räumliche Trennung von Abbildungs- und Beleuchtungsstrahlengang im Objektraum verlangt.
Diffraktiver Strahlteiler für ein Abbildungssysteme nach Anspruch 1 bei dem sich das DOE unmittelbar vor dem Objekt befinden kann.
Diftraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche bei dem das DOE über eine abbildende Wirkung verfügt.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem dieses abbildende optische Element über eine diftraktiv-reflektive Struktur auf einer sphärischen, asphärischen oder einer planen Grundfläche verfügt.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die sphärische Grundfläche konkav oder konvex ausgeprägt ist.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem das DOE einen variablen Linienzahlverlauf in mindestens einer Richtung zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aufweist.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Telezentriebedingung in der Beleuchtung und Abbildung eingehalten wird.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem sich im Abbildungs- und Beobachtungsstrahlengang weitere Elemente nach bzw. vor dem DOE befinden, die zur Kompensation der Abbildungseigenschaften des diffraktiv optischen Elements beitragen, wobei diese zusätzliche Elemente Linsen, Spiegel, DOEs o. ä. sein können.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Profilform des DOEs symmetrisch in wenigstens zwei Spiegelsymmetrieachsen in einer Ebene ist, die Strahlengänge der Beleuchtung und der Abbildung symmetrisch zueinander aufgebaut werden und DOEs komplementärer Beugungsordnungen verwendet werden.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem das DOE zweimal in Reflektion verwendet wird.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem unterschiedliche numerische Aperturen für das System eingestellt werden können.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem durch Umschalten der Beleuchtungs- und Abbildungsapertur verschiedene Applikationsvarianten eingestellt werden können.
Diffraktiver Strahlteiler für Abbildungssysteme nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem ein abbildendes optisches Element mit sphärisch konkaver Grundfläche eine diffraktiv wirkende Struktur mit nicht mehr als 2000 Linien/mm aufweist und sowohl für den Beleuchtungsstrahlengang als auch für die Beobachtungsstrahlengang verwendet wird.
Inspektionssystem für Lithographiemasken basierend auf einem Abbildungssystem nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem ein, sowohl für den Beleuchtungsstrahlengang als auch für die Beobachtungsstrahlengang verwendetes, abbildendes optisches Element mit sphärisch konkaver Grundfläche eine diffraktiv wirkende Struktur mit nicht mehr als 2000 Linien/mm aufweist und zusätzlich eine Blende zur Anpassung der Apertur vorhanden ist.