DE69813519T2

DE69813519T2 - Interferometrisches system mit zwei wellenlängen, und lithographischer apparat versehen mit so einem system

Info

Publication number: DE69813519T2
Application number: DE69813519T
Authority: DE
Inventors: Evert Jan VAN DER WERF; Jos Philippe BELIEN; Cornelis Johannes RIJPERS
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: KR100554886B1; EP0961914A1; DE69813519D1; WO1999032848A1; US6122058A; TW367407B; EP0961914B1; JP3774476B2; JP2001513204A; KR20000075472A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Interferometersystem mit mindestens einer Meßachse, aufweisend:
eine Laserquelle, um einen ersten Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge und einen zweiten Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge zu liefern, eine Einrichtung, um den ersten Laserstrahl in einen ersten Meßstrahl und einen ersten Referenzstrahl aufzuspalten und um den ersten Meßstrahl entlang einem Meßweg zu einem Meßspiegel zu lenken und um den ersten Referenzstrahl entlang einem Referenzweg zu einem Referenzspiegel zu lenken;
eine erste Nachweiseinrichtung, um eine Verschiebung des Meßspiegels mit Hilfe eines Interferenzmusters nachzuweisen, das durch den vom Meßspiegel reflektierten Meßstrahl und den vom Referenzspiegel reflektierten Referenzstrahl gebildet wird;
eine zweite Nachweiseinrichtung, um Störungen im Medium, in dem sich der erste Meßstrahl ausbreitet, mit Hilfe der Strahlung des vom Meßspiegel reflektierten ersten Meßstrahls und des zweiten Laserstrahls nachzuweisen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen lithographischen Apparat mit einem solchen Interferometersystem. Dieser Apparat kann ein Stepper oder ein Step-und-Scan-Gerät sein. Eine Meßachse des Interferometersystems wird als eine Achse verstanden, entlang der die Position oder die Verschiebung in einer gegebenen Richtung (X oder Y) eines gegebenen Punktes eines Objekts gemessen wird. Diese Meßachse muß nicht mit dem Hauptstrahl des Meßstrahls zusammenfallen, der für diese Messung genutzt wird. Falls der Meßstrahl zweimal durch das System geschickt und durch das Objekt zweimal an im wesentlichen dem gleichen Punkt reflektiert wird, liegt die Meßachse zwischen dem Hauptstrahl des Meßstrahls auf dem ersten Durchgang und dem Hauptstrahl dieses Strahls auf dem zweiten Durchgang.
Ein Interferometersystem dieses Typs zur Verwendung in einem lithographischen Apparat ist aus u. a. US-A-5,404,202 bekannt. Der lithographische Apparat wird für eine wiederholte und reduzierte Bilderzeugung eines Maskenmusters, zum Beispiel des Musters einer integrierten Schaltung (IC), auf einem mit einer strahlungsempfindlichen Schicht versehenen Substrat verwendet. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern des Maskenmusters auf dem gleichen Substrat werden dieses Substrat und die Maske in Bezug aufeinander zum Beispiel parallel zur X- oder Y-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems bewegt, während die Substratebene und die Maskenebene zur XY-Ebene parallel sind, um das Maskenmuster nacheinander auf allen Substratfeldern oder IC-Flächen des Substrats abzubilden.
Bei der Herstellung integrierter Schaltungen wird der lithographische Apparat in Verbindung mit Maskier- und Diffusionstechniken genutzt. Ein erstes Maskenmuster wird in einer großen Anzahl, z. B. Dutrende, von Feldern eines Substrats abgebildet. Das Substrat wird dann aus dem Apparat entfernt, um es den gewünschten physikalischen und/oder chemischen Prozeßschritten zu unterziehen. Anschließend wird das Substrat in den oder einen anderen ähnlichen Apparat eingeführt, um ein Bild eines zweiten Maskenmusters in den verschiedenen Substratfeldern zu bilden usw. Es sollte dann sichergestellt sein, daß für die Bilder von Maskenmustern auf einem Substrat dieses Feld und das Maskenmuster in Bezug aufeinander sehr genau ausgerichtet sein sollten. Zu diesem Zweck weist ein lithograpischer Apparat nicht nur ein Justiersystem, sondern auch ein Interferometersystem auf. In einem Step-Apparat wird das Interferometersystem verwendet, um die Bewegungen und die Position des Substrats und der separaten Substratfelder genau zu messen. In einem Step- und Scan-Apparat wird nicht nur dieses Substrat-Interterometersystem, sondern auch ein Masken-Interferometersystem verwendet, um zu prüfen, ob während einer Belichtung eines Substratsfeldes sich das Substrat und die Maske in Bezug auf den Projektionsstrahl und ein Projektionssystem synchron bewegen, mit dessen Hilfe das Maskenmuster auf einem Substratfeld abgebildet wird.
Da es wünschenswert ist, eine IC mit einer zunehmend größeren Anzahl elektronischer Komponenten zu versehen, was bedeutet, daß die Details dieser Komponenten kleiner werden sollen, müssen strengere Anforderungen nicht nur an die Auflösungsleistung und die Bildqualität des Projektionssystems, sondern auch an die Genauigkeit gestellt werden, mit der die Positionen der Substratfelder gemessen und somit geprüft werden können. Dies bedeutet, daß das Interferometersystem auch genauer werden muß. Turbulenzen und andere Störungen, insbesondere im Medium, in dem sich die Meßstrahlen ausbreiten, werden dann zunehmend eine wichtige Rolle spielen. Diese Turbulenzen und Störungen verursachen Variationen des Brechungsindex des Mediums, welche durch das Interferometersystem als Verschiebungen interpretiert werden.
US-A-5,404,222 beschreibt ein Interterometersystem, in welchem die Effekte der Störungen so gemessen werden können, daß die Positionsmessungen danach korrigiert werden können. Dieses Interferometersystem umfaßt eine erste Laserquelle in Form eines HeNe-Lasers, der einen Strahl bei einer Wellenlänge von 633 nm liefert. Dieser Strahl wird in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufgespaltet, die zu den Meßspiegel bzw. dem Referenz spiegel geschickt werden und mit denen die Position des Meßspiegels in bekannter Weise gemessen wird. Das bekannte Interterometersystem umfaßt ferner eine zweite Laserquelle, die zwei Teststrahlen an erheblich verschiedenen Wellenlängen liefert. Diese Teststrahlen durchlaufen beide den Meßweg zum Meßspiegel und nach Reflexion durch diesen Spiegel erreichen sie ein spezielles Nachweissystem. Es wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß für einen Strahl der Brechungsindex des von diesem Strahl durchlaufenen Mediums von der Wellenlänge dieses Strahls abhängig ist. Wenn die Störungen auftreten, sind die Schwankungen des Brechungsindex für die beiden Teststrahlen verschieden, was eine Phasendifferenz zwischen den beiden Teststrahlen zur Folge hat. Durch Messen dieser Phasendifferenz kann der Effekt der Störungen auf den das gleiche Medium durchlaufenen Meßstrahl gemessen werden. Da die Dispersion des Mediums genutzt wird, sollten die Wellenlängen der Teststrahlen für eine genaue Messung der Effekte erheblich verschieden sein. In dem in US-A-5,404,222 beschriebenen Interferometersystem wurden Wellenlängen von 532 nm und 266 nm gewählt. Der erste Teststrahl mit einer Wellenlänge von 532 nm wird von einem Laser geliefert, und der zweite Teststrahl mit einer Wellenlänge von 266 nm wird aus dem ersten Teststrahl durch ein frequenzverdoppelndes Element erhalten, welches ein nichtlineares Material aufweist und einen Teil der Strahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm in eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 266 nm umwandelt, die den zweiten Teststrahl bildet. In der Praxis tritt das Problem auf, daß das Interterometersystem mehrere Elemente umfaßt, die von Natur aus wellenlängenabhängig sind. Zum Beispiel umfassen die herkömmlichen Interferometersysteme einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler und eine λ/4-Platte, worin λ die genutzte Wellenlänge ist, mit deren Hilfe sichergestellt werden kann, daß im wesentlichen kein Strahlungsverlust auftritt, wenn der Laserstrahl in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufgespaltet und wenn diese Strahlen wieder kombiniert werden. Es ist sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, solche Elemente herzustellen, die für sowohl die Wellenlänge des Meßstrahls als auch für die beiden Wellenlängen der Teststrahlen geeignet sind. Das gleiche gilt für Reflexionsstrukturen mit mehreren Schichten und Antireflexionsstrukturen mit mehreren Schichten, die auf Komponenten des Interferometersystems vorgesehen sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Interterometersystem der im einleitenden Abschnitt beschriebenen Art zu schaffen, worin einfach herstellbare optische Elemente verwendet werden können und worin die Störungen messende Vorrichtung eine einfache Struktur hat. Dieses Interterometersystem ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls von der Größenordnung des Dreifachen derjenigen des ersten Laserstrahls ist und die zweite Nachweiseinrichtung von der Strahlung des durch den Meßspiegel reflektierten zweiten Laserstrahls und des ersten Meßstrahls Gebrauch macht.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine λ/4-Platte für einen Strahl mit einer bestimmten Wellenlänge sich wie eine 3λ/4-Platte für einen Strahl mit einer Wellenlänge verhält, die dreimal kleiner ist, und daß der optische Effekt einer 3λ/4-Platte der gleiche wie derjenige einer λ/4-Platte ist. Das gleiche gilt für einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler. Die Elemente des Interferometersystems müssen nur für die größte Wellenlänge optimiert sein; für die kleinste Wellenlänge sind die Elemente dann automatisch optimiert. Bei diesem Wellenlängenverhältnis können die Polarisationselemente sowie die antireflektierenden Mehrschichtstrukturen auf optischen Komponenten des Interferometersystems einfach hergestellt werden. Das neuartige Interferometersystem ist einfacher als das in US-A-5,404,222 beschriebene, weil es keinen HeNe-Laser und die zugeordneten Strahlen aufweist.
Eine erste Ausführungsform des neuartigen Interferometersystems ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laserstrahl einen Teststrahl bildet und die Phasendifferenz zwischen dem ersten Meßstrahl, der vom Meßspiegel reflektiert wird, und dem Teststrahl die Störungen angibt.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem Interferometersystem gemäß US-A-5,404,222 insofern, als einer der beiden Teststrahlen auch für die eigentliche Positionsmessung verwendet wird. In dieser Ausführungsform kann die gleiche Prozedur wie in US-A-5,404,222 für die beiden Teststrahlen beschrieben verfolgt werden, um die Störungen im Medium mit Hilfe des ersten Meßstrahls und des Teststrahls nachzuweisen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des neuartigen Interferometersystems ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laserstrahl in einen zweiten Meßstrahl und einen zweiten Referenzstrahl aufgespaltet wird, die den gleichen Meßweg bzw. Referenzweg wie der erste Meßstrahl bzw. der erste Referenzstrahl durchlaufen.
In diesem System werden eine erste Positionsmessung mit Hilfe des ersten Meßstrahls und des ersten Referenzstrahls und eines ersten Detektors und eine zweite Positionsmessung mit Hilfe des zweiten Meßstrahls und des zweiten Referenzstrahls und eines zweiten Detektors vorgenommen. Die Differenz zwischen den Positionsmeßsignalen, die von den beiden Detektoren kommen, gibt nun das Auftreten von Störungen, besonders Turbulenzen, im Medium an, das von den Strahlen durchlaufen wird.
Die Laserquelle zum Liefern des Meßstrahls und Teststrahls kann aus einem ersten Laser, der eine Strahlung bei einer der beiden Wellenlängen liefert, und einem zweiten Laser bestehen, der eine Strahlung bei der anderen Wellenlänge liefert. Es sollte sichergestellt sein, daß die beiden Wellenlängen korrekt aufeinander abgestimmt bleiben.
Das neuartige Interferometersystem ist jedoch vorzugsweise ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle die Kombination eines einzelnen kontinuierlichen Lasers und eines Wellenlängenwandlers umfaßt.
Die von dieser Laserquelle gelieferten Strahlen werden dann automatisch das gewünschte Wellenlängenverhältnis beibehalten.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Interferometersystems ferner dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laserstrahl eine Wellenlänge von 1064 nm hat und der erste Laserstrahl eine Wellenlänge von ungefähr 355 nm hat.
Die Strahlung bei der kleineren Wellenlänge kann z. B. durch eine Frequenzverdopplung um einen Faktor Drei der Strahlung mit der größeren Wellenlänge erhalten werden. In der Ausführungsform, in der nur der erste Laserstrahl für die Positionsmessung genutzt wird, kann die Auflösungsleistung des Interferometersystems durch Wählen der kleineren Wellenlänge für diesen Strahl maximiert werden.
Die λ/4-Platte für die größere Wellenlänge ist ohne weiteres als 3λ/4-Platte für die kleinere Wellenlänge geeignet. Das optische Interferenzfilter des polarisationsempfindlichen Strahlteilers zeigt auch den gewünschten Interferenzeffekt, sowohl bei der größeren Wellenlänge als auch der kleineren Wellenlänge. Um jedoch die Bandbreite dieses Interferenzfilters für die kleinere Wellenlänge zu vergrößern, ist dieses Filter dadurch gekennzeichnet, daß es ein erstes Schichtpaket, welches als ein Viertel-λ-Element für die zweite Wellenlänge geeignet ist, und ein zweites Schichtpaket aufweist, das als ein Breitband-Viertet-λ-Element für die erste Wellenlänge geeignet ist.
Wie schon angemerkt wurde, sind die Außenflächen der Elemente mit einer Antireflexionsstruktur in Form eines optischen Interferenzfilters im Interferometersystem versehen. Bei dem Verhältnis zwischen der größeren und kleineren Wellenlänge, die gemäß der Erfindung gewählt werden, kann ein derartiges Filter für die beiden Wellenlängen optimiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform eines derartigen Filters ist dadurch gekennzeichnet, daß es vier Schichten mit abwechselnd einem höheren und einem niedrigeren Brechungsindex aufweist, wobei die dritte Schicht den gleichen Brechungsindex wie die erste Schicht und eine Dicke aufweist, die gleich der halben der ersten Schicht ist, und die vierte Schicht den gleichen Brechungsindex wie die zweite Schicht und eine Dicke aufweist, die gleich der halben der zweiten Schicht ist.
Die Erfindung kann in irgendeinem Interterometersystem mit ein oder mehr Meßachsen verwendet werden, mit dem sehr genaue Messungen durchgeführt werden müssen und in welchen Variationen der Umgebungsparameter, besonders Turbulenzen im Medium, die Messung beeinflussen können. Ein Interterometersystem mit drei Meßachsen, nämlich einer X-Meßachse und einer Y-Meßachse zum Messen der Verschiebungen entlang der X-Achse und der Y-Achse und einer zweiten X-Meßachse oder Y-Meßachse, mit der in Kombination mit der anderen X-Meßachse oder Y-Meßachse die Rotation des Substrats um die Z-Achse gemessen werden kann, wurde für eine gewisse Zeit in lithographischen Apparaten zum Messen der Positionen und Verschiebungen des Substrats verwendet. Da besonders die möglicherweise auftretenden Turbulenzen im Medium sehr lokal und für alle Meßachsen nicht die gleichen sein können, ist ein dreiachsiges Interterometersystem, in welchem die Erfindung verwendet wird, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß zwei Laserstrahlen mit Wellenlängen, die um einen Faktor Drei verschieden sind und die erste und zweite Nachweiseinrichtung trennen, für jede Meßachse zur Verfügung stehen.
Die Turbulenzen und andere Störungen werden dann für jede Meßachse separat gemessen, und sehr genaue Messungen können durchgeführt werden.
In EP-A-0 498 499 ist ein besonderes Interterometersystem beschrieben. Dieses Interferometersystem hat mindestens fünf Meßachsen. Bei diesem System können nicht nur die Verschiebungen des Substrats oder eines anderen Objekts entlang der X-Achse und der Y-Achse und die Rotation um die Z-Achse gemessen werden, sondern auch eine Neigung φ_x um die X-Achse und eine Neigung φ_y um die Y-Achse. Wenn dieses Interterometersystem verwendet wird, kann jedes Feld des Substrats bezüglich des Maskenmusters sehr genau positioniert werden, ohne eine separate Justierung für jedes Feld durchführen zu müssen. Folglich kann die Zeit, die zum Beleuchten eines ganzen Substrats erforderlich ist, beträchtlich reduziert werden. Auch für neue Generationen noch ausgefeilterer lithographischer Apparate, an die sogar strengere Justier- und Positionieranforderungen gestellt werden, kann ein Interferometersystem mit fünf Meßachsen erhebliche Vorteile liefern. Falls die Erfindung in einem solchen Interferometersystem verwendet wird, ist sie wieder dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlen mit Wellenlängen, die um einen Faktor Drei verschieden sind und eine erste und eine zweite Nachweiseinrichtung trennen, für jede Meßachse zur Verfügung stehen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Step-Apparat zur lithographischen Projektion, um ein Maskenmuster auf einem Substrat wiederholt abzubilden, welcher Apparat eine Beleuchtungseinheit zum Liefern eines Projektionsstrahls, einen Maskentisch mit einem Mas kenhalter, einen Substrattisch mit einem Substrathalter, ein im Weg des Projektionsstrahls angeordnetes Projektionssystem und ein optisches Meßsystem aufweist, um Positionen und Orientierungen des Substrats zu messen. Dieser Apparat ist dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem ein Interferometersystem wie hierin oben beschrieben ist.
Durch Verwenden des Interferometersystems im Apparat wird die Genauigkeit dieses Apparats erheblich gesteigert.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Step- und Scan-Apparat zur lithographischen Projektion, worin das Maskenmuster auf jeden Substratfilm mittels Scannen abgebildet wird und worin ein Meßsystem zum Messen der Positionen der Maske vorhanden ist. Dieser Apparat ist dadurch gekennzeichnet, daß dieses Meßsystem ein Interferometersystem wie hierin vorher beschrieben ist.
In einem lithographischen Step- und Scan-Apparat kann anstelle separater Interferometersysteme für das Substrat und die Maske, wie in der PCT-Patentanmeldung WO 97/33205 beschrieben, auch ein differentielles Interferometersystem verwendet werden, mit welchem Verschiebungen der Maske bezüglich des Substrats direkt und optisch gemessen werden. Falls die Erfindung in einem differentiellen Interferometersystem verwendet wird, ist sie dadurch gekennzeichnet, daß zwei Laserstrahlen mit Wellenlängen, welche um einen Faktor Drei verschieden sind und eine erste und eine zweite Nachweiseinrichtung trennen, für jede Meßachse zur Verfügung stehen.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind aus den hierin im folgenden beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und werden mit Verweis darauf erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
1 schematisch eine Ausführungsform eines Apparats zur photolithographischen Projektion zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat;
2 ein Interferometersystem mit drei Meßachsen zur Verwendung in diesem Apparat;
3 das Prinzip eines einachsigen Interterometersystems;
4 ein Interferometersystem mit fünf Meßachsen zur Verwendung in diesem Apparat;
5 eine Ausführungsform eines lithographischen Apparats, in welchem eine Höhenmessung mit Hilfe eines Interferometersystems durchgeführt wird;
6 das Schaltungsdiagramm eines differentiellen Interferometersystems für einen lithographischen Step- und Scan-Apparat;
7 eine erste Ausführungsform eines Interferometersystems mit dem neuen System zum Messen von Variationen des Brechungsindex;
8 eine zweite Ausführungsform eines solchen Systems;
9 eine Transmissions/Wellenlängen-Kurve einer Ausführungsform eines polarisierenden Interferenzfilters;
10 eine solche Kurve einer Ausführungsform eines Wellenlängen trennenden Filters, und
11 eine Reflexions/Wellenlängen-Kurve einer Ausführungsform eines antireflektierenden Interferenzfilters.
1 zeigt schematisch die optischen Elemente einer Ausführungsform eines photolithographischen Apparats zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat. Die Hauptkomponente dieses Apparats ist eine Projektionssäule, die ein Projektionslinsensystem PL aufnimmt. Ein Maskenhalter MH für eine Maske MA, in der das abzubildende Maskenmuster C vorgesehen ist, ist über diesem System angeordnet. Der Maskenhalter ist in einem Maskentisch MT vorgesehen. Ein Substrattisch WT ist unterhalb des Projektionslinsensystems PL angeordnet. Dieser Tisch nimmt den Substrathalter WH für ein Substrat W auf, das mit einer lichtempfindlichen Schicht versehen ist und auf dem das Maskenmuster mehrere Male jedesmal in einer verschiedenen IC-Fläche Wd abgebildet werden muß. Der Substrattisch ist in den X- und Y-Richtungen bewegbar, so daß nach Abbilden des Maskenmusters auf einer IC-Fläche eine folgende IC-Fläche unter dem Maskenmuster positioniert werden kann.
Der Apparat hat ferner ein Beleuchtungssystem, das eine Strahlungsquelle LA zum Beispiel einen Krypton-Fluor-Excimerlaser oder eine Quecksilberlampe aufweist, ein Linsensystem LS, einen Reflektor RE und eine Kondensorlinse CO. Der vom Beleuchtungssystem gelieferte Projektionsstrahl PB beleuchtet das Maskenmuster C. Dieses Muster wird durch das Projektionslinsensystem PL auf einer IC-Fläche des Substrats W abgebildet. Das Beleuchtungssystem kann wie in EP-A-0 658 810 beschrieben alternativ implementiert sein. Das Projektionslinsensystem hat eine Vergrößerung von z. B. M = 1/4, eine numerische Apertur NA = 0,6 und ein beugungsbegrenztes Bildfeld mit einem Durchmesser von 22 mm.
Der Apparat umfaßt mehrere Meßsysteme, nämlich ein System zum Justieren der Maske MA bezüglich des Substrats W in der XY-Ebene, ein Interferometersystem zum Bestimmen der X- und Y-Positionen und der Orientierung des Substrathalters und daher des Substrats und ein System zum Nachweis von Brennpunktfehlern, um eine Abweichung zwischen der Fokal- oder Bildebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfläche der lichtemp findlichen Schicht auf dem Substrat W zu bestimmen. Diese Meßsysteme sind Teile von Servosystemen, welche elektronische Signalverarbeitungs- und Steuerschaltungen und Treiber- oder Stellglieder aufweisen, mit denen die Position und Orientierung des Substrats und das Fokussieren mit Hilfe der von den Meßsystemen gelieferten Signalen korrigiert werden kann.
Das Justiersystem verwendet zwei Justierungsmarken M₁ und M₂ in der Maske MA, die in der oberen rechten Ecke von 1 angegeben sind. Diese Marken bestehen vorzugsweise aus Beugungsgittern; sie können aber alternativ dazu durch andere Marken, wie z. B. Quadrate oder Streifen, die von ihren Umgebungen optisch unterschiedlich sind, gebildet werden. Die Justierungsmarken sind vorzugsweise zweidimensional, d. h. sie erstrecken sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen, der X- und Y-Richtung in 1. Das Substrat W weist mindestens zwei Justierungsmarken, vorzugsweise auch zweidimensionale Beugungsgitter auf, von denen zwei P₁ und P₂ in 1 dargestellt sind. Die Marken P₁ und P₂ befinden sich außerhalb der Fläche des Substrats W, wo die Bilder des Musters C erzeugt werden müssen. Die Gittermarken P₁ und P₂ sind vorzugsweise Phasengitter, und die Gittermarken M₁ und M₂ sind vorzugsweise Amplitudengitter.
1 zeigt eine spezielle Ausführungsform eines Justierungssystems, nämlich ein Doppeljustierungssystem, in welchem zwei Justierungsstrahlen b und b' zum Justieren der Substratjustierungsmarke P₂ auf der Maskenjustierungsmarke M₂ bzw. der Substratjustierungsmarke P₁ auf der Maskenjustierungsmarke M₁ verwendet werden. Der Strahl b wird durch ein reflektierendes Element 30, zum Beispiel einen Spiegel, zu einer reflektierenden Oberfläche 27 eines Prismas 26 reflektiert. Die Oberfläche 27 reflektiert den Strahl b zur Justierungsmarke P₂ des Substrats, die einen Teil der Strahlung als Strahl b₁ zur zugeordneten Justierungsmarke M₂ der Maske durchläßt, wo ein Bild der Marke P₂ erzeugt wird. Ein reflektierendes Element 11, z. B. ein Prisma, ist über der Marke M₂ angeordnet, welches Prisma die durch die Marke M₂ durchgelassene Strahlung in Richtung auf einen strahlungsempfindlichen Detektor 13 richtet. Der zweite Justierungsstrahl b' wird durch einen Spiegel 31 zu einem Reflektor 29 im Projektionslinsensystem PL reflektiert. Der Reflektor 29 läßt den Strahl b' zu einer zweiten reflektierenden Oberfläche 28 des Prismas 26 durch, welche Oberfläche den Strahl b' auf die Justierungsmarke P₁ des Substrats richtet. Diese Marke reflektiert einen Teil der Strahlung des Strahls b' als einen Strahl b₁' zur Justierungsmarke M₁ der Maske, wo ein Bild der Marke P₁ erzeugt wird. Die Strahlung des durch die Marke M₁ durchgehenden Strahls b₁ wird durch einen Reflektor 11' in Richtung auf einen strahlungsempfindlichen Detektor 13' gerichtet. Im US-Patent 4,778,275, worauf für weitere Einzelheiten dieses Systems verwiesen wird, ist der Betrieb des Doppeljustierungssystems beschrieben.
Die Ausführungsform des Justierungssystems gemäß 1 ist besonders geeignet für einen Apparat, in welchem das Projektionslinsensystem PL für einen Projektionsstrahl PB mit einer kurzen Wellenlänge, z. B. 248 nm, ausgelegt ist, wohingegen der Justierungsstrahl eine erheblich längere Wellenlänge, z. B. 633 nm, hat. Tatsächlich enthält dieses System eine zusätzliche Linse oder Korrekturlinse 25 in der Projektionssäule. Diese Linse stellt sicher, daß die Justierungsmarken des Substrats in der Ebene der Justierungsmarken der Maske und mit der korrekten Vergrößerung trotz der Tatsache abgebildet werden, daß das Projektionslinsensystem für die Wellenlänge des Justierungsstrahls nicht optimiert ist. Die Korrekturlinse ist bei einer solchen Höhe in der Projektionslinse angeordnet, daß auf der einen Seite die Teilstrahlen mit verschiedenen Brechungsordnungen des Justierungsstrahls, welche Teilstrahlen durch eine Justierungsmarke des Substrats erzeugt werden, in der Ebene der Korrekturlinse ausreichend getrennt werden, um diese Teilstrahlen separat beeinflussen zu können, und auf der anderen Seite die Korrekturlinse einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Projektionsstrahl und das damit erzeugte Bild des Maskenmusters C hat. Die Korrekturlinse 25 ist vorzugsweise in der Fourier-Ebene des Projektionslinsensystems angeordnet. Falls die Korrekturlinse in einer Ebene angeordnet ist, in der die Hauptstrahlen des Justierungsstrahls b und b₁ einander schneiden, wie in 1 gezeigt ist, kann diese Linse zum Korrigieren der beiden Justierungsstrahlen verwendet werden. Für weitere Einzelheiten über die Aufgabe und Funktion der Korrekturlinse 25 wird auf das US-Patent 5,100,237 verwiesen.
Ein Keil oder ein anderes Ablenkungselement wie z. B. ein Beugungselement ist vorzugsweise in der Nähe einer Justierungsmarke den Weg des (der) Justierungsstrahls(en) weiter hinab angeordnet. Mit einem solchen (in 1 nicht dargestellten) Justierungselement können Justierungsfehler verhindert werden, die sich aus unabsichtlichen Phasendifferenzen innerhalb der ausgewählten, vom Detektor 13 oder 13' eingefangenen Justierungsstrahlteile ergeben, welche Phasendifferenzen auftreten können, falls die Symmetrieachse der Justierungsstrahlteile, die von einer Justierungsmarke des Substrats kommen, zur Maskenplatte nicht senkrecht sind, so daß innerhalb dieser Platte falsche Reflexionen auftreten können. Ein mit einem solchen Ablenkungselement versehenes Justierungssystem ist im US-Patent 5,481,362 beschrieben.
Zusätzlich zu den globalen, in 1 dargestellten Justierungsmarken P₁ und P₂ , welche Marken zum Justieren des gesamten Substrats bezüglich der Maske verwendet werden, worauf als globale Justierung verwiesen wird, kann das Substrat mit weiteren Justierungsmarken zum Beispiel einer Marke pro IC-Fläche versehen sein, um die entsprechende Fläche bezüglich des Maskenmusters für jede IC-Fläche zu justieren. Die Maske kann mehr als zwei Jus tierungsmarken aufweisen, während die weiteren Justierungsmarken zum Beispiel verwendet werden, um die Drehung der Maske um die Z-Achse zu messen, um dementsprechend zu korrigieren.
Der Projektionsapparat kann ferner ein System zum Nachweis von Brennpunktfehlern aufweisen, um eine Abweichung zwischen der Fokalebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfäche des Substrats W zu bestimmen, so daß diese Abweichung korrigiert werden kann, indem z. B. die Höhe der Substratfläche mit Z-Stellgliedern gesteuert wird, die im Substrattisch vorhanden sind. Das System zur Feststellung von Brennpunktfehlern kann durch die Elemente 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 gebildet werden, die in einem (nicht dargestellten) Halter angeordnet sind, der mit dem Projektionslinsensystem fest verbunden ist, oder in einem Metrologie- bzw. Meßgestell angeordnet sind, in welchem auch das Projektionssystem angeordnet ist. Das Element 40 ist eine Strahlungsquelle, zum Beispiel ein Diodenlaser, der einen fokussierenden Strahl b₃ emittiert. Dieser Strahl wird unter einem sehr kleinen Winkel durch ein reflektierendes Prisma 42 auf das Substrat gerichtet. Der durch diese Oberfläche reflektierte Strahl wird durch das Prisma 43 in Richtung auf einen Retroreflektor 44 gerichtet. Das Element 44 reflektiert den Strahl in sich selbst, so daß dieser Strahl (b'₃ ) den gleichen Weg über Reflexionen auf dem Prisma 43, der Substratoberfläche und dem Prisma 42 noch einmal durchläuft. Der Strahl b'₃ erreicht das strahlungsempfindliche Nachweissystem 46 über ein teilweise reflektierendes Element 41 und ein reflektierendes Element 45. Dieses System umfaßt z. B. einen positionsabhängigen Detektor oder zwei separate Detektoren. Die Position des durch den Strahl b'₃ auf diesem System gebildeten Strahlungsflecks hängt von dem Ausmaß ab, in dem die Fokalebene des Projektionslinsensystems mit der Oberfläche des Substrats zusammenfällt. Für eine ausführliche Beschreibung des Systems zum Nachweis von Brennpunktfehlern wird auf das US-Patent 4,356,392 verwiesen.
Zum genauen Bestimmen der X- und Y-Positionen des Substrattisches WT umfassen bekannte Projektionsapparate ein mehrachsiges Interferometersystem. Das US-Patent 4,251,160 beschreibt ein Zweiachsensystem, und das US-Patent 4,737,283 beschreibt ein Dreiachsensystem. In 1 ist ein solches Interferometersystem durch die Elemente 50, 51, 52 und 53 schematisch dargestellt, wobei die Figur nur eine Meßachse, die X-Achse, zeigt. Der von einer Strahlungsquelle 50, z. B. einem Laser, emittierte Strahl b₄ wird durch ein Strahlteiler 51 in einen Meßstrahl b_4,m und einen Referenzstrahl b_4,r aufgespaltet. Der Meßstrahl erreicht eine reflektierende Seitenfläche 54 des Substrathalters WH, und der von dieser Seitenfläche reflektierte Meßstrahl wird durch den Strahlteiler mit dem Referenzstrahl kombiniert, der von einem stationären Reflektor 52, zum Beispiel einem "Eckwürfel"- Reflektor (engl. corner cube reflector) reflektiert wird. Die Intensität des kombinierten Strahls kann mit einem Detektor 53 gemessen werden, und die Verschiebung, in diesem Fall in der X-Richtung, des Substrathalters WH kann aus dem Ausgangssignal dieses Detektors abgeleitet werden, und eine momentane Position dieses Halters kann ebenfalls erhalten werden.
Wie in 1 schematisch gezeigt ist, werden die Interterometersignale, die der Einfachheit halber durch ein Signal S₅₃ repräsentiert werden, und die Signale S₁₃ und S₁₃ - des Justierungssystems an eine signalverarbeitende Einheit SPU, zum Beispiel einen Mikrocomputer, angelegt, der die Signale in Steuersignale S_AC für ein Stellglied AC verarbeitet, mit dem der Substrathalter über den Substrattisch WT in der XY-Ebene bewegt wird.
Bei einem Interferometer, das nicht nur die in 1 gezeigte X-Meßachse, sondern auch eine Y-Meßachse und möglicherweise eine dritte Meßachse aufweist, können die Positionen der und die gegenseitigen Distanzen zwischen den Justierungsmarken P₁ , P₂ und M₁ , M₂ in einem Koordinatensystem, das durch das stationäre Interferometersystem definiert ist, während der anfänglichen oder der globalen Justierung der Maske bezüglich des Substrats niedergelegt (engl. laid down) werden. Dieses Interferometersystem wird auch verwendet, um zu ermöglichen, daß sich der Substrattisch sehr genau schrittweise bewegt, d. h. sich über vorbestimmte Distanzen und Richtungen bewegt. Ein solcher Schritt wird durchgeführt, um ein folgendes IC-Feld unter dem Maskenmuster und dem Projektionslinsensystem zu positionieren, nachdem das Maskenmuster mit einem (oder mehr) Blitzen) in einer ersten IC-Fläche oder einem Feld abgebildet wurde, so daß das Maskenmuster in diesem Feld auch abgebildet werden kann. Diese Schritt- und Abbildungsoperationen dauern an, bis alle IC-Felder mit einem Maskenmusterbild versehen wurden. Auf einen in dieser Weise arbeitenden lithographischen Apparat wird als Stepper verwiesen.
Aufgrund des Bedarfs an mehr elektronischen Komponenten pro Flächeneinheit eines IC-Feldes auf der einen Seite und größeren IC-Feldern auf der anderen Seite werden zunehmend strengere Anforderungen an die Auflösungsleistung und das Bildfeld des Projektionslinsensystems gestellt. Um diese technologisch widersprüchlichen Anforderungen abzuschwächen, wurde schon vorgeschlagen, einen Step-und-Scanner zu verwenden. In einem solchen Apparat werden die gleichen Schrittbewegungen wie in einem Stepper durchgeführt, aber nur ein kleiner Abschnitt des Maskenmusters wird jedesmal auf einem entsprechenden Teilfeld des IC-Feldes abgebildet, wenn das Maskenmuster auf einem IC-Feld abgebildet wird. Indem sukzessive Teile des Maskenmusters auf sukzessiven Teilfeldern der IC-Fläche abgebildet werden, wird ein Bild des gesamten Maskenmusters auf einem IC-Feld erhalten.
Zu diesem Zweck wird das Maskenmuster mit einem Projektionsstrahl beleuchtet, der an der Stelle des Maskenmusters einen kleinen, z. B. rechtwinkligen oder bogenförmigen Beleuchtungsfleck bildet, und der Substrattisch wird in einer gegebenen Richtung, der Scanrichtung, bezüglich des Projektionslinsensystems und des Projektionsstrahls bewegt, und der Maskentisch wird in der gleichen oder der entgegengesetrten Richtung bewegt, während die Rate des Substrattisches das M-fache derjenigen des Maskentisches ist. M ist die Vergrößerung, mit der das Maskenmuster abgebildet wird. Es sollte sichergestellt werden, daß die Maske und das Substrat in jedem Moment die korrekte gegenseitige Position haben, was mit Hilfe einer sehr genauen Synchronisierung der Bewegungen der Maske und des Substrats realisiert werden kann, d. h. die Rate V_sub des Substrats ist immer gleich dem M-fachen der Rate V_MA der Maske.
Um die Bedingung V_sub = M·V_MA zu prüfen, sollte der Step-und-Scanner nicht nur ein Substrat-Interferometersystem, sondern auch ein Masken-Interferometersystem aufweisen, mit dem die Bewegung und die Position der Maske genau gemessen werden kann. Der Meßspiegel des zuletzt erwähnten Systems ist vorzugsweise am Maskenhalter befestigt. Das Masken-Interferometersystem ist in 1 durch die Elemente 60, 61, 62, 63 und 64 bezeichnet, die die gleiche Funktion wie die Elemente 50, 51, 52, 53 und 54 des Substrat-Interferometersystems haben. Die Signale des Masken-Interferometersystems, die der Einfachheit halber in 1 durch ein Signal S₆₃ repräsentiert werden, werden an die signalverarbeitende Einheit SPU angelegt, in der diese Signale mit den entsprechenden Signalen des Substrat-Interferometersystems verglichen werden. Es kann dann festgestellt werden, ob die Maske und das Substrat die gegenseitig korrekte Position haben und/oder sich synchron bewegen.
Um feststellen, ob dies der Fall ist, reicht es aus, daß sowohl das Interferometersystem für das Substrat als auch dasjenige für die Maske drei Meßachsen aufweisen. Das Interferometersystem des Substrats hat jedoch vorzugsweise fünf Meßachsen. Wie in EP-A-0 498 499 können nicht nur X, Y und φ_z,w, sondern auch φ_x,w und φ_y,w, d. h. die Neigungen des Substrats um die X-Achse und die Y-Achse, gemessen werden. Für die verschiedenen Ausführungsformen der Interferometereinheiten, aus denen ein fünfachsiges Interferometersystem bestehen kann, wird auf EP-A-0 498 499 verwiesen. Um die Neigungen um die X-Achse und die Y-Achse auch für die Maske messen zu können, kann ein fünfachsiges Masken-Interferometersystem verwendet werden. Es ist jedoch alternativ dazu möglich, ein dreiachsiges Masken-Interferometersystem mit anderen Sensoren wie z. B. kapazitiven Sensoren zum Messen der Neigungen der Maske um die X-Achse und die Y-Achse zu kombinieren.
Eine Ausführungsform eines Interterometersystems mit drei Meßachsen, mit dem die Bewegungen und die Positionen des Substrats oder der Maske entlang der X-Achse und der Y-Achse sowie eine Rotation des Substrats oder der Maske um die Z-Achse gemessen werden können, ist in dem Artikel "Linear/angular displacement interterometer for wafer stage metrology" in SPIE, Bd. 1088: Optical/Laser Microlithography, S. 268–272 beschrieben. 2 zeigt das Diagramm eines derartigen Interterometersystems zusammen mit dem Substrathalter WH. Das zusammengesetzte Interterometersystem umfaßt einen Laser 70, zum Beispiel einen Helium-Neon-Laser, zwei Strahlteiler 71 und 72 und drei Interferometereinheiten 73, 74 und 75. Ein Teil des Strahls b₅ vom Laser wird durch den Strahlteiler 71 als Strahl b₆ zur Interferometereinheit 73 reflektiert, die mit dem Spiegel R₁ des Substrathalters WH zusammenwirkt. Der durch den Strahlteiler 71 durchgelassene Strahl b₇ wird durch den Strahlteiler 72 in einen Strahl b₈ aufgespaltet, der zur Interferometereinheit 74 reflektiert wird, und in einen Strahl b₈ , der zur Interferometereinheit 75 durchgeht. Die Interferometereinheit 74 wirkt mit dem Meßspiegel R₁ zusammen, während die Interferometereinheit 75 mit dem Meßspiegel R₂ zusammenwirkt.
3 veranschaulicht das Prinzip der Interferometereinheit 73. Diese Einheit umfaßt einen Strahlteiler 80, z. B. einen partiellen transparenten Spiegel, der den ankommenden Strahl b₆ in einen Meßstrahl b_6,m und einen Referenzstrahl b_6,r aufspaltet. Der Meßstrahl wird zum Spiegel R₁ des Substrathalters durchgelassen, der diesen Strahl zum Strahlteiler 80 reflektiert, der wiederum einen Teil des Strahls b_6,m zu einem Detektor 76 reflektiert. Der durch den Strahlteiler 80 reflektierte Referenzstrahl b_6,r wird durch einen fest angeordneten Referenzspiegel 81, der einen Teil dieses Strahls zum Detektor 76 durchläßt, zum Strahlteiler 80 reflektiert. Wenn der Spiegel des Substrathalters in der X-Richtung bewegt wird, treten abwechselnd konstruktive und destruktive Interferenzen zwischen den Strahlen b_6,m und b_6,r auf, die auf den Detektor 76 einfallen, so daß das Ausgangssignal dieses Detektors von einem maximalen Wert zu einem minimalen Wert und umgekehrt geht, wann immer der Substrathalter über eine Distanz von λ/4 verschoben wird, worin λ die Wellenlänge des Strahls b₆ ist. Die gemessene Zahl von Maxima und Minima des Detektorsignals S₇₆ ist ein Maß der Verschiebung des Substrathalters in der X-Richtung. Bewegungen des Spiegels R₁ , die viel kleiner als λ/4, z. B. bis zu λ/128 oder gar λ/512 sind, können gemessen werden, indem von elektronischen Interpolationsverfahren Gebrauch wird, die in der Interferometertechnik bekannt sind.
Die Interferometereinheiten 74 und 75 haben den gleichen Aufbau und arbeiten in der gleichen Weise wie die Interferometereinheit 73. Die Bewegung des Maskenhalters in der Y- Richtung wird mit Hilfe der Interferometereinheit 75 und des zugeordneten Detektors 78 gemessen. Eine zweite Messung in der X-Richtung wird mit der Interferometereinheit 74 und dem zugeordneten Detektor 78 durchgeführt. Die Rotation des Halters um die Z-Achse wird aus den Signalen S₇₆ und S₇₇ berechnet. Diese Rotation ist gegeben durch:
in der d die Distanz zwischen den Punkten ist, wo die Hauptstrahlen der Meßstrahlen b_6,m und b_6,r auf den Spiegel R₁ treffen.
Es ist besonders zu erwähnen, daß 3 nur das Prinzip einer Interferometereinheit zeigt. In der Praxis werden zum Strahlaufspalten und zur Kombination ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler 80 und mehrere λ/4-Platten verwendet, die in 3 durch die Elemente 82 und 83 repräsentiert sind. Der Strahlungsverlust ist dann minimal, was besonders wichtig ist, falls für die verschiedenen Interferometereinheiten nur ein Laser 70 verwendet werden soll. Ein Zeeman-Laser wird vorzugsweise als Strahlungsquelle verwendet, die einen Strahl mit zwei zueinander senkrecht polarisierten Komponenten und verschiedenen Frequenzen emittiert. Die Strahlkomponenten bilden dann den Meßstrahl und den Referenzstrahl, und die Messung basiert dann auf einer Phasenmessung. Überdies können Retroreflektoren, wie sie in dem Artikel in SPIE, Bd. 1088, Optical/Laser Microlithography II, S. 268 – 272 beschrieben sind, in den Interferometereinheiten eingebaut sein, welche Retroreflektoren einen Meßstrahl nach Reflexion durch einen Meßspiegel wieder zu diesem Meßspiegel reflektieren, so daß die Messung, die mit dem entsprechenden Interferometer durchgeführt wird, von einer Neigung des entsprechenden Meßspiegels unabhängig ist.
Um die X-, Y- und φ_z Messung auf dem Substrat mit der gewünschten Genauigkeit mit Hilfe eines dreiachsigen Interferometersystems durchführen zu können, sollten die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sein:

1. Die Hauptstrahlen der Interferometereinheiten müssen in einer Ebene liegen, die mit der Oberfläche des Substrats zusammenfällt.
2. Während der Verschiebungen entlang der X-Achse und der Y-Achse und der möglichen Rotation um die Z-Achse muß der Substrathalter in den anderen Freiheitsgraden φ_x,w und φ_y,w fixiert sein.

Wie in EP-A-0 498 499 beschrieben ist, können diese Bedingungen, die in der Praxis kaum oder nicht leicht erfüllt werden können, umgangen werden, indem von einem fünfach sigen Interferometersystem Gebrauch gemacht wird, mit welchem mehr Bewegungen des Substrats gemessen werden können, so daß dies die Möglichkeiten zum genaueren Messen der X- und Y-Bewegungen liefert.
4 zeigt das Prinzip eines solchen Systems zum Messen der fünf Freiheitsgrade: X, Y, φ_x,w, φ_y,w und φ_z,w, worin der Substrathalter mit einem integrierten Spiegelblock versehen ist, der aus zwei Spiegeln R₁ und R₂ besteht. Das System umfaßt z. B. zwei Interferometereinheiten 100 und 150, denen die Strahlen b₂₀ und b₃₀ zugeführt werden. Diese Strahlen werden von einem Laser 50, zum Beispiel einem Helium-Neon-Laser entweder vom Zeeman-Typ oder nicht, emittiert. Der von diesem Laser kommende Strahl b₁₀ geht zuerst durch ein strahlaufweitendes optisches System, das mit Hilfe der Linse 90 schematisch dargestellt ist, und wird anschließend durch den Strahlteiler 92 in die beiden Strahlen b₂₀ und b₃₀ aufgespaltet. Die Elemente 91, 93 und 94 sind Reflektoren, welche sicherstellen, daß die Strahlen auf solch eine Weise abgelenkt werden, daß sie unter den korrekten Winkeln auf die Interferometereinheiten 100 und 150 einfallen. Die Interferometereinheit 100 kann auf solch eine Weise implementiert sein, daß sie drei Meßstrahlen entlang den Meßachsen MAX,1, MAX,2 und MAX,3 in Richtung auf den Meßspiegel R₁ emittiert und diese Stahlen von diesem Spiegel empfängt. Mit diesen Strahlen können die Verschiebung in der X-Richtung, geliefert vom Signal durch eine der Achsen MAX,1 und MAX,2, die Neigung um die Y-Achse aus der Differenz des durch die Meßachse MAX,3 gelieferten Signals und des Signals von einer der Meßachsen MAX,1 und MAX,2 und die Rotation um die Z-Achse aus der Differenz der Signale der Meßachsen MAX,1 und MAX,2 des Substrathalters gemessen werden. Die zweite Interferometereinheit emittiert zwei Meßstrahlen entlang den Meßachsen MAX,4 und MAX,5 zum Meßspiegel R₂ und empfängt diese Strahlen von diesem. Mit diesen Strahlen kann die Verschiebung in der Y-Richtung aus dem Signal von einer der Meßachsen MAX,4 und MAX,5 gemessen werden, und die Neigung φ_x um die X-Achse kann aus der Differenz der Signale dieser Meßachsen des Substrathalters und daher des Substrats gemessen werden. Die Meßachsen MAX,5 und MAX,3 werden bezüglich der Meßachse MAX,4 und der Meßachsen MAX,1 und MAX,2 in der Z-Richtung verschoben, wohingegen die Meßachse MAX,1 bezüglich der Meßachse MAX,2 in der Y-Richtung verschoben wird. Es wurde ferner sichergestellt, daß die Meßachsen MAX,1, MAX,2 und MAX,4 möglichst nahe an der Oberfläche des Substrathalters positioniert sind, so daß die Abbe-Fehler minimal und die gemessenen X- und Y-Verschiebungen den tatsächlichen Verschiebungen des Substrats optimal gleich sind.
Die Interferometereinheiten 100 und 150 können auf verschiedene Arten implementiert werden. Für Einzelheiten wird auf EP-A-0 489 499 verwiesen.
Das Interterometersystem des Substrats kann auch zumindest eine Z-Meßachse aufweisen, die mit einem Z-Meßspiegel zusammenwirkt, der am Substrathalter starr befestigt ist. Die Z-Position des Substrats kann dadurch auch mit dem Interterometersystem gemessen werden. Diese Z-Messung kann als Ergänzung zu der oder als Ersatz für die oben beschriebene Z-Messung mit Hilfe des Systems zum Nachweis von Brennpunktfehlern oder des Systems zur Feststellung von Brennpunkt und Pegel dienen.
Die Z-Meßachse des Interferometersystems kann die Meßachse einer separaten Interferometereinheit sein. Die Z-Meßachse ist vorzugsweise jedoch eine zusätzliche Meßachse einer Interferometereinheit, die schon vorhanden ist, zum Beispiel die Interferometereinheit 100, wie in einer Aufrißdarstellung in 5 schematisch gezeigt ist. In dieser Ausführungsform ist eine Seitenfläche 159 des Substrathalters WH mit einem abgeschrägten und reflektierenden Abschnitt 160 versehen. Dieser Abschnitt bildet einen Z-Meßspiegel R₃ . Der reflektierende gerade Abschnitt 161 der Seitenfläche hat die gleiche Funktion wie der gerade Spiegel R₁ in 4. Die Interferometereinheit 100 umfaßt nicht nur die Meßachsen MAX,2 und MAX,3, sondern auch eine Z-Meßachse MAX,7, welche möglichst nahe an der Oberseite des Substrathalters positioniert ist. Der Meßspiegel R₃ reflektiert den Meßstrahl der Meßachse MAX,7 zu einem weiteren Reflektor, dem Z-Reflektor, 164, der auf einer Platte 163 angeordnet ist, die am Halter LH des Projektionssystems starr befestigt ist und einen Teil eines größeren Metrologie-Gestells bilden kann. Der Z-Reflektor reflektiert den Meßstrahl zum Meßspiegel R₃ , der wiederum den Meßstrahl zur Interferometereinheit 100 reflektiert. Diese Einheit nimmt einen separaten Detektor für den Z-Meßstrahl auf, dessen Ausgangssignal zusammen mit anderen Signalen verarbeitet wird, um ein Z-Meßsignal zu bilden.
Der Z-Meßspiegel 160 (R₃ ) in 5 ist unter einem Winkel von 45° zur XY-Ebene angeordnet, die Ebene, in der sich die X- und Y-Meßstrahlen ausbreiten. Im Prinzip kann sich der Z-Meßspiegel auch unter einem verschiedenen spitren Winkel zur XY-Ebene erstrecken. Der Winkel von 45° wird jedoch bevorzugt, weil der Z-Meßstrahl den gleichen Weg zum und vom Z-Reflektor 164 durchquert und der Z-Meßspiegel dann eine minimale Breite aufweisen kann.
In dieser Ausführungsform des Interterometersystems, in welchem der Z-Meßstrahl auf den Z-Meßspiegel an einer Position auftrifft, die nahe der Oberseite des Substrathalters und daher nahe dem Substrat liegt, haben mögliche Neigungen des Substrats einen vernachlässigbaren Einfluß auf die gemessenen Z-Positionen des Substrats.
Dem Z-Meßstrahl ist ein Referenzstrahl zugeordnet, der, nachdem er von einem Referenzspiegel reflektiert wurde, auf dem Z-Detektor mit dem Meßstrahl reflektiert wird, der durch den Z-Meßspiegel 160 und den Z-Reflektor 163 reflektiert wurde. Dieser Referenzspiegel kann ein stationärer Spiegel innerhalb der Interferometereinheit 100 sein. Das vom Z-Detektor gelieferte Signal weist dann keine reine Z-Positionsinformation auf, sondern die Z-Positionsinformation ist mit der X-Positionsinformation in diesem Signal gemischt. Um ein reines Z-Positionssignal zu erhalten, muß die X-Positionsinformation aus dem Detektorsignal entfernt werden, d. h. von diesem Signal subtrahiert werden; mit anderen Worten eine elektronische Differentiation muß verwendet werden.
Anstelle eines separaten und stationären Z-Referenzspiegels wird als ein Referenzspiegel für die Z-Messung ein X-Meßspiegel 161 vorzugsweise verwendet, wie in 5 dargestellt ist. Der durch diesen Spiegel reflektierte Referenzstrahl b_z,r weist dann keine X-Positionsinformation auf, so daß die Kombination auf dem Z-Detektor dieses Referenzstrahls mit dem Z-Meßstrahl zur Folge hat, daß das Ausgangssignal dieses Detektors ein reines Z-Positionssignal ist. Eine optische Differentiation wird somit durchgeführt, die verglichen mit einer elektronischen Differentiation den Vorteil hat, daß sie nicht durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit elektronischer Schaltungen beschränkt sein kann. Die optische Differentiation, daher die Verwendung eines X- oder Y-Meßspiegels als Referenzspiegel für die Z-Messung, kann auch in den noch zu beschreibenden Ausführungsformen genutzt werden.
Verschiedene Ausführungsformen eines Interferometersystems der Z-Meßachse sind in der früher eingereichten EP-Patentanmeldung Anmeldenummer 97 203 771.7 (PHQ 97.010) beschrieben.
In einem lithographischen Step- und Scan-Apparat muß nicht nur ein zu beleuchtendes Substratfeld bezüglich des Maskenmusters genau positioniert werden, sondern es sollte unter Berücksichtigung der Vergrößerung des Projektionssystems auch geprüft werden, ob das Substrat und die Maske sich während einer Abbildung des Maskenmusters auf dem entsprechenden Substratfeld synchron bewegen. Diese Prüfung kann mit Hilfe des in 1 mit Hilfe der Elemente 60, 61, 62 und 63 schematisch dargestellten Masken-Interferometersystems realisiert werden. Dieses Interferometersystem arbeitet mit einem Meßspiegel 64 zusammen, der auf einer Oberfläche des Maskenhalters MH angeordnet ist. Das Signal S₆₃ des Masken-Interferometersystems, welches Signal die Verschiebung der Maske in der Scan-Richtung angibt, d. h. in der X-Richtung in dieser Ausführungsform, wird zusammen mit dem Signal S₅₃ des Substrat-Interferometersystems an eine elektronische Verarbeitungseinheit, z. B. den Prozessor SPU angelegt, in welchem diese Signale voneinander subtrahiert und zu Steuersignalen für die X-Stellglieder der Tische verarbeitet werden.
Bei hohen Tischgeschwindigkeiten, die erwünscht sind, um die Beleuchtungszeit für jedes Substrat zu minimieren, haben die Interferometersignale S₅₃ und S₆₃ eine hohe Frequenz oder Bitrate. Wenn diese Signale verglichen werden, kann die Rate, mit der die elektronischen Schaltungen diese Signale verarbeiten können, ein beschränkender Faktor sein. Die Zeitverzögerung, d. h. die Zeit, die zwischen dem Moment, wenn eine Messung durchgeführt wird, und dem Moment verstreicht, wenn das gemessene Ergebnis verfügbar wird, wird dann eine wichtige Rolle spielen. In einem geschlossenen Servoschleifensystem mit den Meßsystemen und Stellgliedern für die Tische können Differenzen in der Verzögerungszeit in der elektronischen Signalverarbeitung zu einem unerwünschten Versatr zwischen dem Maskentisch und dem Substrattisch führen. Außerdem ist dann die maximale Tischgeschwindigkeit beschränkt.
Diese Probleme können verhindert werden, indem eine optische Differentiation durchgeführt und ein differentielles Interferometer verwendet wird, wenn die synchrone Bewegung der Maske und des Substrats geprüft wird. 6 zeigt das Prinzip eines differentiellen Interferometers für einen lithographischen Apparat, in welchem das Maskenmuster in vierfach reduzierter Größe abgebildet wird.
Diese Figur zeigt nur diejenigen Komponenten des lithographischen Apparats, mit denen das differentielle Interterometersystem zusammenwirkt, nämlich den Maskenhalter MH, auf dem ein Meßspiegel RM angeordnet ist, und den Substrathalter WH, auf dem er Meßspiegel RW angeordnet ist. Der von einem (nicht dargestellten) Laser kommende Meßstrahl b_m und der Referenzstrahl b, sind durch durchgezogene bzw. gestrichelte Linien dargestellt. Diese Strahlen sind zum Beispiel die beiden zueinander senkrecht polarisierten Komponenten bei verschiedenen Frequenzen eines Strahls der Strahlung, die von einem Zeeman-Laser geliefert wird, so daß die Messung auf einer Phasenmessung basiert. Die Richtung des Meßstrahls und des Referenzstrahls ist mit Hilfe von Pfeilen angegeben.
An der Stelle des Substrathalters weist die Ausführungsform von 6 einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler 101, eine λ/4-Platte 102 und zwei Retroreflektoren 103 und 104 auf. Ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler 105, eine λ/4-Platte 108 und zwei Retroreflektoren 106 und 107 sind ebenfalls an der Stelle der Maske angeordnet. Ein stationärer Reflektor MI ist außerdem an dieser Stelle angeordnet. Die Strahlteiler 101 und 105 haben polarisationsempfindliche Grenzflächen 109 und 110, die eine erste Komponente mit einer ersten Polarisationsrichtung des vom Laser kommenden Strahls durchlassen und eine zweite Komponente dieses Strahls mit einer zweiten, zur ersten Polarisationsrichtung senkrechten Polarisationsrichtung reflektieren oder umgekehrt. In der dargestellten Ausführungsform ist die durchgelassene Komponente der Referenzstrahl b_r , und die reflektierte Komponente ist der Meßstrahl bm. Die λ/4-Platten 102 und 108, deren Polarisationsrichtungen unter einem Winkel von 45° zu denjenigen der Strahlkomponenten verlaufen, stellen sicher, daß die Polarisationsrichtung einer Strahlkomponente um 90° gedreht wird, falls diese Strahlkomponente durch eine solche Platte zweimal durchgeht.
Der Meßstrahl bm, der durch die Grenzflächen 109 durchgelassen wird, geht durch die λ/4-Platte 102 und trifft an der Position P1 auf den Spiegel RW. Der reflektierte Strahl geht ein zweites Mal durch die Platte 102, so daß die Polarisationsrichtung bezüglich der ursprünglichen Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird, und wird dann durch die Grenzfläche 109 zum Retroreflektor 103 durchgelassen. Über Reflexionen auf den schrägen Seiten dieses Reflektors tritt der Meßstrahl wieder in den Strahlteiler 101 ein und wird dann durch diesen Strahlteiler durchgelassen, so daß er an der Position P2 ein zweites Mal auf den Spiegel RW fällt. Der von der Position P2 kommende Meßstrahl wird durch die Grenzfläche 109 zur Grenzfläche 110 des Strahlteilers 105 reflektiert, der in der Nähe des Maskenhalters liegt. Die Grenzfläche 110 reflektiert den Meßstrahl über die λ/4-Platte 108 zur Position P3 auf dem Spiegel RM des Maskenhalters. Der von diesem Spiegel reflektierte Meßstrahl geht ein zweites Mal durch die λ/4-Platte 108, an der dessen Polarisationsrichtung wieder um 90° gedreht wird, und wird dann durch die Grenzfläche 109 zum Retroreflektor 106 durchgelassen. Über Reflexionen auf den schrägen Seiten dieses Reflektors und einen Durchgang durch die Grenzfläche 110 und die λ/4-Platte 108 erreicht der Meßstrahl den stationären Reflektor MI an der Position P4. Nach Reflexion durch diesen Reflektor durchquert der Meßstrahl wieder die λ/4-Platte 108, so daß seine Polarisationsrichtung wieder um 90° gedreht wird, und wird durch die Grenzfläche 110 zur Grenzfläche 109 reflektiert. Anschließend wird der Meßstrahl wieder zum Substratspiegel RW reflektiert, so daß er nacheinander an den Positionen P5 und P6 auftrifft und in analoger Weise wie für die Positionen P1 und P2 beschrieben reflektiert wird. Nachdem der Meßstrahl an der Position P6 reflektiert wurde, wird er durch die Grenzfläche 109 zu einem (nicht dargestellten) Detektor reflektiert.
Der durch die Grenzfläche 109 durchgelassene Referenzstrahl br durchquert auch das gesamte System, erreicht aber keinen der Spiegel RW, RM und MI. Dieser Strahl wird nur durch die Seitenflächen der Retroreflektoren 104 und 107 reflektiert und geht immer durch die Grenzflächen 109 und 110 der Strahlteiler 101 und 105. Die zueinander senkrecht polarisierten Strahlen b'_m und b'_r , die vom System kommen, passieren auf ihrem Weg zu einem (nicht dargestellten) Detektor einen Analysator. Dieser Analysator, dessen Polarisationsrichtung unter einem Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung der Strahlen verläuft, läßt die Komponenten mit der entsprechenden Polarisationsrichtung der beiden Strahlen durch, welche beiden Komponenten miteinander interferieren können. Die Phasendifferenz zwischen diesen Strahlkomponenten hängt von der gegenseitigen Position der Spiegel RM und RW und daher von dem Maß ab, in dem diese Spiegel und daher die Maske und das Substrat sich unter Berücksichtigung der Vergrößerung synchron bewegen, mit der das Maskenmuster durch das (nicht dargestellte) zwischen dem Maskenmuster und dem Substrat vorhandene Projektionssystem auf dem Substrat abgebildet wird. In der in 6 gezeigten Ausführungsform, in der der Meßstrahl durch den Substratspiegel viermal und einmal durch den Maskenspiegel reflektiert wird, ist die Vergrößerung M1/4.
Für weitere Einzelheiten des differentiellen Interferometersystems für einen Step- und Scanner wird auf die PCT-Patentanmeldung WO 97/33205 verwiesen, in der verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden.
In allen oben erwähnten Interferometersystemen tritt das Problem auf, daß bei der gewünschten Genauigkeit oder Auflösungsleistung des Systems Variationen des Brechungsindex des durch die Interferometerstrahlen durchquerten Mediums die Messungen beeinflussen können. Diese Variationen werden durch Variationen der Umgebungsparameter wie z. B. Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit hervorgerufen. Turbulenzen im Medium bewirken auch Variationen dieses Brechungsindex. Falls diese Variationen verhältnismäßig langsam fortschreiten und für das Medium aller Strahlen dieselben sind, können diese Variationen mit geeigneten Meßinstrumenten wie z. B. ein Thermometer, ein Barometer und einem Hygrometer gemessen werden, und die Interterometersignale können mit den erhaltenen Meßsignalen korrigiert werden. Dies ist ein verhältnismäßig mühsames und ungenaues Verfahren. Es ist vorteilhafter, diese Variationen mit Hilfe einer zusätrlichen Meßachse im Interferometersystem zu messen, wie in EP-A-0 498 499 für ein fünfachsiges Interterometersystem vorgeschlagen wurde. Ein Meßstrahl, der mit einem zusätrlichen Meßspiegel zusammenwirkt, ver-läuft entlang dieser zusätzlichen Meßachse. In 4 ist dieser zusätzliche Spiegel durch die Referenzziffer 170 bezeichnet, und der zusätzliche Meßstrahl ist durch b_50,m bezeichnet. Dieser Meßstrahl wird vorzugsweise von der Interferometereinheit mit der kleinsten Zahl an Meßachsen, d. h. der Einheit 150 in der beschriebenen Ausführungsform, geliefert, und der von dieser Einheit kommende Strahl wird durch einen Reflektor 171 zum Meßspiegel 170 reflektiert. Ein zusätzlicher Detektor wird dann in der Interferometereinheit angeordnet, um den Meßstrahl b_50,m , der vom Spiegel 170 reflektiert wird, und den zugeordneten Referenzstrahl zu empfangen und diese Strahlen in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Der zusätrliche Meßstrahl durchquert einen Weg mit einer konstanten geometrischen Länge. Die optische Weglänge, die das Produkt der geometrischen Länge und des Brechungsindex des durchquerten Mediums ist, wird jedoch durch die Variation des Brechungsindex beeinflußt. Diese Variation beeinflußt somit auch die Weglängendifferenz zwischen dem Meßstrahl b_50,m , und dem zugeordneten Referenzstrahl. Die Variation der Weglängendifferenz wird mit Hilfe des zusätrlichen Detektors gemessen, und dessen Ausgangssignal kann verwendet werden, um die über andere Meßachsen erhaltene Information hinsichtlich der Variation des Brechungsindex zu korrigieren.
Die Variationen des Brechungsindex, die sich aus Turbulenzen im Medium ergeben, können jedoch auf diese Weise nicht ausreichend und genau genug gemessen werden, weil diese Turbulenzen im ganzen Medium nicht dieselben sind und sehr lokal auftreten. Für den Referenzweg, der mit einer Meßachse verbunden ist und eine feste Länge hat, kann das Problem der Turbulenzen vermieden werden, indem der Abschnitt des Interferometers, der durch den Referenzweg eingenommen wird, in einem Vakuumraum plaziert wird. Da der Meßweg der entsprechenden Meßachse eine variable Länge hat, ist es nicht möglich, einen Vakuumraum in diesem Weg zu nutzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können diese Turbulenzen entlang einem Meßweg gemessen werden, indem von zwei Meßstrahlen mit Wellenlängen Gebrauch gemacht wird, die um einen Faktor Drei verschieden sind. 7 zeigt das Prinzip und eine Ausführungsform des neuartigen Turbulenzmeßsystems, mit dem natürlich auch andere Änderungen im Medium, die zu Variationen des Brechungsindex führen, gemessen werden können. Ein Schlüsselelement dieses Systems ist die Laserquelle 120, die eine erste Strahlkomponente 121 bei einer ersten Wellenlänge λ₁ und eine zweite Strahlkomponente 122 bei einer zweiten Wellenlänge λ₂ liefert, in der λ₂ = 3 λ₁ gilt. Diese Laserquelle weist vorzugsweise nur einen einzigen Laser auf, dessen Strahlung in bekannter Weise mit Hilfe eines nichtlinearen optischen Elements teilweise in eine Strahlung mit einer Wellenlänge umgewandelt wird, die 1/3 der ursprünglichen Wellenlänge ist. Diese Laserquelle kann zum Beispiel von einem YAG-Laser gebildet werden, in dem eine Frequenzerhöhung vom einen Faktor Drei stattfindet, welcher Laser dann die Wellenlängen 1064 nm und 355 nm liefert. Das System weist ferner die Elemente auf, die für ein Interterometersystem bekannt sind, wie z. B. einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler 127 mit einer Grenzfläche 128, einen Referenzspiegel 129, zwei λ/4-Platten 130 und 131 und einen Retroreflektor 135.
Der Laserstrahl 121 mit der kleinsten Wellenlänge wird durch die Grenzfläche 128 in einen Meßstrahl 123 und einen Referenzstrahl 124 aufgespaltet. Der Meßstrahl 123 wird durch die Grenzfläche 128 durchgelassen und erreicht den Meßspiegel an der Position 145. Dieser Spiegel ist zum Beispiel der Meßspiegel R₁, der auf dem Substrathalter WH angeordnet ist. Dieser Spiegel reflektiert den Strahl 123 zur Grenzfläche 128. Da bei Ankunft an dieser Grenzfläche der Strahl 123 durch die λ/4-Platte 130 zweimal durchgegangen ist, ist dessen Polarisationsrichtung um 90° gedreht, so daß dieser Meßstrahl nun durch die Grenzfläche zum Retroreflektor 135 reflektiert wird. Über Reflexionen auf den schrägen Seiten dieses Reflektors wird der Strahl 123 wieder zur Grenzfläche 128 geschickt. Diese Grenzfläche reflektiert den Strahl 123 wieder zum Meßspiegel R₁ . Nach einer Reflexion an der Position 146 durch diesen Spiegel erreicht der Strahl 123' wieder die Grenzfläche 128. Da der Meßstrahl durch die λ/4-Platte auf seinem zweiten Weg zum und vom Meßspiegel wieder zweimal durchgeht, wird seine Polarisationsrichtung wieder um 90° gedreht, so daß der Strahl 123' durch die Grenzfläche durchgelassen wird. Dieser Strahl wird dann durch einen wellenlängenselektiven Strahlteiler oder ein optisches Hochpaßfilter 138 zu einem ersten Detektor 140 reflektiert.
Der mit dem Meßstrahl 123 verbundene Referenzstrahl 124 wird durch die Grenzfläche 128 zum Referenzspiegel 129 reflektiert. Dieser Spiegel reflektiert den Strahl zur Grenzfläche 128. Bei Ankunft an dieser Grenzfläche ist die Polarisationsrichtung des Strahls um 90° gedreht, weil er mittlerweile die λ/4-Platte 131 zweimal durchquert hat. Der Strahl 124 wird dann durch die Grenzfläche zum Retroreflektor 135 durchgelassen, der den Strahl 124 über Reflexionen auf dessen Seitenflächen zur Grenzfläche 128 zurücksendet. Diese Grenzfläche läßt den Strahl zum Referenzspiegel 129 durch, der den Referenzstrahl als Strahl 124' zur Grenzfläche reflektiert. Der Referenzstrahl durchquert dann wieder zweimal die λ/4-Platte 131, so daß dessen Polarisationsrichtung wieder um 90° gedreht wird. Als Folge wird der Referenzstrahl 124' durch die Grenzfläche reflektiert und zusammen mit dem Meßstrahl 123' über den Strahlteiler 128 zum Detektor 140 geschickt. Das Ausgangssignal dieses Detektors weist eine Information über die Position oder Verschiebung des Meßspiegels R₁ auf.
Der zweite Laserstrahl 122 mit der größten Wellenlänge wird auch durch die Grenzfläche 128 in einen Meßstrahl 125 und einen Referenzstrahl 126 aufgespaltet, welche Strahlen das System in der gleichen Weise wie der Meßstrahl 123 und der Referenzstrahl 124 durchqueren. Nach Durchgang durch das System werden der Referenzstrahl 125' und der Referenzstrahl 126' durch den wellenlängenselektiven Strahlteiler 128 zu einem Reflektor 139 durchgelassen, der die Strahlen zu einem zweiten Detektor 141 reflektiert. Das Ausgangssignal dieses Detektors weist auch Informationen über die Position oder Verschiebung des Meßspiegels R₁ auf.
Die Ausgangssignale der Detektoren 140 und 141 werden an die Eingänge einer Vergleichsschaltung 200 angelegt. Da die Meßstrahlen 123 und 125 den gleichen Weg genauso wie die Referenzstrahlen 124 und 126 durchqueren, sollten die Ausgangssignale der Detektoren 140 und 141 einander gleich sein. Falls dies nicht der Fall ist, ist eine Variation des Brechungsindex im Medium aufgetreten. Falls dies eine schnelle Variation ist, ist sie das Ergebnis von Turbulenz im Medium. Aufgrund der Dispersion des Mediums und der Tatsache, daß die beiden Meßstrahlen weit divergente Wellenlängen aufweisen, hat eine Variation des Brechungsindex einen unterschiedlichen Effekt auf die beiden Meßstrahlen. Das Signal des Detektors 140 gibt dann für den zugeordneten Meßstrahl 123 eine verschiedene durchquerte optische Weglänge als die durchquerte optische Weglänge, angegeben durch das Signal des Detektors 141, für den zugeordneten Meßstrahl 125 an. In der Schaltung 200 wird dann festgestellt, ob eine solche Weglängendifferenz auftritt. Das Ausgangssignal 201 dieser Schaltung, das eine Information über diese Weglängendifferenz aufweist, wird an eine weitere Komponente 205 der signalverarbeitenden elektronischen Schaltungen angelegt. In einem Speicher dieser Komponente ist eine Tabelle gespeichert, die angibt, welche Variation des Brechungsindex mit einer bestimmten Weglängendifferenz verbunden ist. Die so am Ausgang 206 der Komponente 205 bestimmte Variation des Brechungsindex kann genutzt werden, um das eigentliche Meßsignal der in 7 dargestellten Meßachse zu korrigieren.
Zusätzlich zur Ausführungsform von 7, in der die Meßstrahlen 123 und 125 und die Referenzstrahlen 124 und 126 zweimal zum Meßspiegel bzw. Referenzspiegel gesendet werden, kann die Erfindung auch in einer Ausführungsform verwendet werden, in der die Meßstrahlen und die Referenzstrahlen nur einmal zu ihren jeweiligen Spiegeln geschickt werden. Eine solche Ausführungsform unterscheidet sich von der in 7 dadurch, daß der Retroreflektor 135 entfernt und an dessen Position der Strahlteiler 138 plaziert ist. Die Detektoren 140 und 141 werden dann in den Wegen der Strahlen plaziert, die durch diesen Strahlteiler getrennt werden. Der Vorteil davon, daß die Meßstrahlen zweimal zum Meßspiegel geschickt werden, ist, daß sogar bei unerwünschten Neigungen des Meßspiegels die Richtung der Meßstrahlen, die aus dem System austreten, korrekt gleich derjenigen der zugeordneten Referenzstrahlen bleibt, so daß jeder Meßstrahl an der Stelle des zugeordneten Detektors korrekt mit dem zugeordneten Referenzstrahl zusammenfällt.
8 zeigt eine Ausführungsform des Interferometersystems, worin nur der Laserstrahl 121 für die eigentliche Distanzmessung verwendet wird, während der Laserstrahl 122 zusammen mit dem Meßstrahl 123 zum Messen der Variation des Brechungsindex verwendet wird. In dieser Figur sind die denjenigen von 7 entsprechenden Elemente durch die glei chen Bezugsziffern bezeichnet. Die Ausführungsform von 8 unterscheidet sich von derjenigen in 7 dadurch, daß der Nachweisteil, d. h. der Teil nach den Elementen 138 und 139, einen anderen Aufbau hat. Der durch den Meßspiegel R₁ zweimal reflektierte Meßstrahl 123' und der zugeordnete Referenzstrahl 124' erreichen ihren Detektor 140 in der gleichen Weise wie in 7, welcher Detektor wieder ein Signal liefert, das die Position oder Verschiebung des Meßspiegels angibt. Der Weg des Meßstrahls 125', der durch den Meßspiegel zweimal reflektiert wird, enthält hinter dem Reflektor 139 einen Polarisationsanalysator 210, dessen Polarisationsrichtung derjenigen des Meßstrahls 125' entspricht. Der diesem Meßstrahl zugeordnete Referenzstrahl 126' wird dadurch blockiert, und nur der Meßstrahl 125' wird zum Detektor 141 durchgelassen. Der Weg dieses Meßstrahls enthält ein frequenzumwandelndes Element 214, das die Wellenlänge dieses Strahls um einen Faktor Drei reduziert, so daß dieser Strahl die gleiche Wellenlänge wie diejenige des Meßstrahls 123' annimmt. Der Weg des Strahls 123' enthält hinter dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 138 einen Neutralstrahlteiler 216, der einen Teil der Strahlung dieses Strahls zu einem wellenlängenselektiven Strahlteiler 212 reflektiert. Ein Polarisationsanalysator 217, dessen Polarisationsrichtung derjenigen des Meßstrahls 123' entspricht, ist zwischen den Reflektoren 216 und 212 angeordnet, so daß nur Strahlung von diesem Meßstrahl und keine Strahlung vom Referenzstrahl 124' zum Strahlteiler 212 durchgelassen wird. Dieser Strahlteiler läßt den Meßstrahl 125' durch und reflektiert die aufgespaltete Strahlung des Meßstrahls 123', was somit sicherstellt, daß diese Strahlen gemeinsam auf den Detektor 141 fallen. Die Phasendifferenz zwischen diesen Strahlen enthält dann Informationen über möglicherweise auftretende Variationen des Brechungsindex im Medium, das von den Meßstrahlen durchquert wird. Das Signal vom Detektor 141 kann in analoger Weise wie in US-A 5,404,222 für die beiden separaten Teststrahlen beschrieben weiterverarbeitet werden.
Der Nachweisteil der Ausführungsform von 8 kann auch einen anderen Aufbau aufweisen. Die einzige Forderung ist, daß die beiden Meßstrahlen, die den Detektor 141 erreichen, die gleiche Wellenlänge und Polarisationsrichtung haben.
Statt einer Laserquelle, die nur einen Laser aufweist, können die Ausführungsformen von 7 und 8 oder ihre Modifikationen auch eine Laserquelle mit zwei Strahlen aufweisen, in der die Wellenlänge von einem dieser Laser dreimal so groß wie diejenige des anderen Lasers ist. Es sollte dann sichergestellt sein, daß die Wellenlängendifferenz korrekt beibehalten wird.
Diese Wahl der Wellenlängendifferenz liefert nicht nur den Vorteil, daß die Variation des Brechungsindex genauer als in dem Fall gemessen werden können, in dem die Wellen längen sich nur um einen Faktor Zwei unterscheiden, sondern auch den praktisch wichtigen Vorteil, daß die optischen Referenzfilter, die im System vorhanden sind und für die beiden Wellenlängen geeignet sein müssen, relativ einfach hergestellt werden können.
Ein erstes Filter dieser Art ist die Grenzfläche 128 des polarisationsempfindlichen Strahlteilers 127. Dieses Filter kann aus einem ersten Schichtpaket bestehen, das abwechselnd einen höheren und niedrigeren Brechungsindex aufweist, eine optimale λ/4-Struktur für die Wellenlänge von 355 nm bildend, und einem zweiten Schichtpaket, das ebenfalls abwechselnd einen höheren und einen niedrigeren Brechungsindex hat und eine optimale 3λ/4-Struktur für diese Wellenlänge und daher eine optimale λ/4-Struktur für die Wellenlänge von 1064 nm bildet. Die Schichten mit dem höheren Brechungsindex können aus Hafniumdioxid (HfO₂) bestehen, und die Schichten mit dem niedrigeren Brechungsindex können aus Siliciumdioxid (SiO₂) bestehen.
Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung des polarisationstrennenden Filters für eine Referenzwellenlänge von 355 nm. Die Referenz QWOT in dieser Tabelle bezeichnet die optische Dicke für eine Viertel-Wellenlänge, d. h. n.d/λ, worin n der Brechungsindex des Materials der Schicht ist und d die geometrische Dicke dieser Schicht ist.
TABELLE 1
9 zeigt das Verhalten des Polarisationsfilters von Tabelle 1 in Form einer Kurve Transmission (T) gegen Wellenlänge (λ) für P-polarisierte Strahlen (die Meßstrahlen 123 und 125 in den vorherigen Figur) und für S-polarisierte Strahlen (die Referenzstrahlen 124 und 126). Aus dieser Figur ist evident, daß das Filter für die S-Polarisation die gewünschte hohe Reflexion (niedrige Transmission) für die gewählten Wellenlängen von 355 nm und 1064 nm hat.
Auch die wellenlängenselektiven Strahlteiler 138 in 7 und 8 und 212 in 9 können verhältnismäßig einfach und mit der gewünschten Genauigkeit realisiert werden. Tabelle 2 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform des wellenlängenselektiven Filters.
TABELLE 2
10 zeigt das Verhalten des wellenlängenselektiven Filters von Tabelle 2 in Form einer Transmissions/Wellenlängen-Kurve. Dieses Filter hat in der Tat die gewünschte hohe Transmission für die Wellenlänge von 1064 nm und die gewünschte hohe Reflexion für die Wellenlänge von 355 nm.
Die Interferenzfilter, die als antireflektierende Beschichtungen auf den externen Oberflächen der optischen Elemente vorgesehen sein müssen, können auch leicht mit der gewünschten Qualität hergestellt werden. Tabelle 3 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines Antireflexionsfilters.
TABELLE 3
11 zeigt das Verhalten des Antireflexionsfilters von Tabelle 3 in Form einer Kurve Reflexion (R) gegen Wellenlänge. Die Reflexion ist in der Tat im wesentlichen Null für die Wellenlängen 355 nm und 1064 nm.
Das Interferometersystem, das das neue System enthält, um Variationen des Brechungsindex festzustellen, wurde vorher mit Verweis auf dessen Verwendung in einem photolithographischen Verkleinerungsapparat zum Herstellen von IC-Strukturen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch in photolithographischen Apparaten anwendbar, die zum Herstellen anderer Strukturen wie z. B. integrierter planarer optischer Strukturen, Führungs- und Nachweismuster für Magnetdomänenspeicher, Magnetköpfe oder Strukturen mit flüssigkristallinen Anzeigefeldern verwendet werden. Das Interferometersystem, das das neue Nachweissystem enthält, ist auch in lithographischen Apparaten anwendbar, in denen andere Strahlung als optische Strahlung wie z. B. Ionenstrahlen, Elektronenstrahlung oder Röntgenstrahlung zum Abbilden des Maskenmusters verwendet wird, entweder mit oder ohne Verkleinerung ebenfalls anwendbar. Das Bild kann ein Projektionsbild oder ein Proximity-Bild sein. Die Erfindung ist auch außerhalb des Gebiets der Lithographie und allgemein in denjenigen Fällen anwendbar, in denen sehr genaue Messungen über ein Medium durchgeführt werden müssen, in welchem Variationen des Brechungsindex auftreten können.

Claims

Interterometersystem mit mindestens einer Meßachse, aufweisend: eine Laserquelle (120), um einen ersten Laserstrahl (121) mit einer ersten Wellenlänge (λ₁) und einen zweiten Laserstrahl (122) mit einer zweiten Wellenlänge (λ₂) zu liefern, Mittel (127), um den ersten Laserstrahl in einen ersten Meßstrahl (123) und einen ersten Referenzstrahl (124) aufzuspalten und um den ersten Meßstrahl entlang eines Meßwegs zu einem Meßspiegel (R₁ ) zu lenken und um den ersten Referenzstrahl entlang eines Referenzwegs zu einem Referenzspiegel (129) zu lenken; erste Nachweismittel (140), um eine Verschiebung des Meßspiegels mit Hilfe eines Interterenzmusters nachzuweisen, das durch den durch den Meßspiegel reflektierten ersten Meßstrahl und den durch den Referenzspiegel reflektierten ersten Referenzstrahl gebildet wird; zweite Nachweismittel (141), um Störungen indem Medium, in dem sich der erste Meßstrahl ausbreitet, mit Hilfe der Strahlung des durch den Meßspiegel reflektierten ersten Meßstrahls und des zweiten Laserstrahls nachzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls (122) von der dreifachen Größenordnung derjenigen des ersten Laserstrahls (121) ist und die zweiten Nachweismittel (141) die Strahlung des durch den Meßspiegel (R₁ ) reflektierten zweiten Laserstrahls und des ersten Meßstrahls nutzen.
Interterometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl einen Teststrahl bildet und die Phasendifferenz zwischen dem durch den Meßspiegel reflektierten ersten Meßstrahl und dem Teststrahl die Störungen anzeigt.
Interterometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl in einen zweiten Meßstrahl und einen zweiten Referenzstrahl aufgespaltet wird, welche den gleichen Meßweg bzw. Referenzweg wie der erste Meßstrahl bzw. der erste Referenzstrahl durchlaufen.
Interterometersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle einen einzigen kontinuierlichen Laser und einen Wellenlängenkonverter aufweist.
Interterometersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl eine Wellenlänge von 1064 nm hat und der erste Laserstrahl eine Wellenlänge von ungefähr 355 nm hat.
Interterometersystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, mit einem polarisationsempfindlichen Strahlteiler, um einen Laserstrahl in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufzuspalten, welcher Strahlteiler ein optisches Interferenzfilter in Form einer Mehrschichtstruktur aufweist, deren aufeinanderfolgende Schichten abwechselnd einen höheren und einen niedrigeren Brechungsindex haben, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter ein erstes Schichtpaket aufweist, welches als ein Viertel-λ-Element für die zweite Wellenlänge geeignet ist, und ein zweites Schichtpaket, welches als Breitband-Viertel-λ-Element für die erste Wellenlänge geeignet ist.
Interterometersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Außenflächen der optischen Elemente mit einer Antireflexionsstruktur in Form eines optischen Interterenzfilters versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter vier Schichten mit einem abwechselnd höheren und niedrigeren Brechungsindex aufweist, wobei die dritte Schicht den gleichen Brechungsindex wie die erste Schicht und eine Dicke hat, die gleich der halben der ersten Schicht ist, und die vierte Schicht den gleichen Brechungsindex wie die zweite Schicht und eine Dicke hat, die gleich der halben der zweiten Schicht ist.
Interterometersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit drei Meßachsen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laserstrahlen mit Wellenlängen, welche einen Faktor Drei verschieden sind, und separate erste und zweite Nachweiseinrichtungen für jede Meßachse zur Verfügung stehen.
Interterometersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit zumindest fünf Meßachsen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laserstrahlen mit Wellenlängen, die einen Faktor Drei verschieden sind, und separate erste und zweite Nachweiseinrichtungen für jede Meßachse zur Verfügung stehen.
Apparat zur lithographischen Projektion, um ein Maskenmuster auf einem Substrat wiederholt abzubilden, welcher Apparat eine Beleuchtungseinheit zum Liefern eines Projektionsstrahls, einen Maskentisch mit einem Maskenhalter, einen Substrattisch mit einem Sub strathalter, ein im Weg des Projektionsstrahls angeordnetes Projektionssystem und ein optisches Meßsystem aufweist, um die Positionen und Orientierungen des Substrats zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßsystem ein Interterometersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Apparat zur lithographischen Projektion nach Anspruch 10, worin das Maskenmuster auf jedem Substratfeld mittels Scannen abgebildet wird und worin ein Meßsystem zum Messen der Positionen der Maske vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßsystem ein Interterometersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.
Apparat zur lithographischen Projektion nach Anspruch 10, worin das Meßsystem für das Substrat und dasjenige für die Maske in einem differentiellen Interterometersystem integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei dieser Strahlen mit Wellenlängen, welche einen Faktor Drei verschieden sind, und separate erste und zweite Nachweiseinrichtungen für jede Meßachse des differentiellen Interferometersystems zur Verfügung stehen.