EP1471539B1 - Abbildungssystem für ein, auf extrem ultravioletter (EUV) Strahlung basierendem Mikroskop - Google Patents
Abbildungssystem für ein, auf extrem ultravioletter (EUV) Strahlung basierendem Mikroskop Download PDFInfo
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- EP1471539B1 EP1471539B1 EP03016371A EP03016371A EP1471539B1 EP 1471539 B1 EP1471539 B1 EP 1471539B1 EP 03016371 A EP03016371 A EP 03016371A EP 03016371 A EP03016371 A EP 03016371A EP 1471539 B1 EP1471539 B1 EP 1471539B1
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Definitions
- the present invention relates to a reflective imaging system for an X-ray microscope for examining an object in an object plane, wherein the object is illuminated with rays of a wavelength ⁇ 100 nm, in particular ⁇ 30 nm and magnified in an image plane.
- the microscopic examination of objects with X-rays is becoming increasingly important, especially in the semiconductor industry. Smaller structure sizes consequently require ever higher resolutions, which can only be achieved by shortening the examination wavelength. This is especially important in the microscopic inspection of masks for the lithographic process.
- the lithography with extreme ultraviolet (EUV) radiation represents the most promising solution for the chip production in the next years.
- US Patents US 5,144,497, US 5,291,339 and US 5,131,023 relate to X-ray microscopes in which Schwarzschild systems are used as imaging systems. In these X-ray microscopes, the beam paths are designed to be telecentric on the object to be examined, which makes it difficult to image objects in reflection.
- a further disadvantage of such systems for use in the examination of objects, in particular those which are used in the field of X-ray lithography, is their great structural length in order to achieve a sufficient magnification. This complicates use, for example, in inspection systems for inspecting masks in EUV projection exposure equipment.
- a reflective X-ray microscope for investigating an object for microlithography in an object plane with radiation of a wavelength ⁇ 100 nm, in particular ⁇ 30 nm, is known from JP 2001116900.
- This in X-ray microscope disclosed in this application is a Schwarzschild system with a concave first mirror and a convex second mirror.
- the beam path for the examination of the object on the object is not telecentric, so that a study in reflection, for example of EUV reflection masks, is made possible.
- a disadvantage of this system is the very large length to achieve large imaging scales.
- Another X-ray microscopic arrangement is described for example in the applications DE 102 20 815 and DE 102 20 816.
- the imaging optics is designed as a purely reflective system and optimized in terms of short length at high magnifications. This will u. a. achieved by using highly aspheric mirrors.
- a disadvantage of these arrangements is that the manufacturing tolerances for the aspherical mirror to achieve a high image quality are extremely demanding and therefore high demands are placed on the manufacturing technology and measurement technology.
- the present invention has for its object to develop an imaging system for an X-ray microscope, which avoids the disadvantages known in the prior art. Furthermore, it should be achieved with a reasonable production cost high image quality.
- the proposed imaging system includes all optical elements associated with an imaging optic and generates a corresponding intermediate image by the extreme ultraviolet (EUV) radiation. This can be further processed by further imaging systems, ie further increased.
- EUV extreme ultraviolet
- the imaging system according to the invention can be used for example in photolithography.
- a diffractive-reflective structure in the form of a line structure.
- the diffractive-reflective structure is applied to a spherical or planar base surface of one or both imaging optical elements 2 and 3 . Concave or convex curvatures are possible as a spherical base.
- a further imaging system is subordinated to the first imaging system.
- the second imaging system can be based on an X-ray image, an electro-optical image or an image that uses a radiation above 200 nm.
- the second imaging system can also be another imaging optical element with a spherically convex base surface without a diffractive structure.
- the imaging system according to the invention is preferably provided for wavelengths in the range of less than 30 nm, at a magnification of 5-1000 ⁇ and a length less than 3 m.
- the imaging system has two imaging optical elements 2 and 3 each having a diffractive-reflective structure, the first imaging optical element 2 having a concave base surface and the second imaging optical element 3 having a convex base surface for the respective diffractive reflective surface. have reflective structure.
- the imaging optical elements 2 and 3 are arranged so that the optical paths intersect one another.
- the optical axis of the imaging system is inclined to the object normal.
- the imaging optical elements 2 and 3 can also be arranged so that the optical paths do not intersect.
- the imaging system according to the invention can be used as the basis for an inspection system for lithographic masks.
- the work focuses on wavelengths around 13.5nm, because only here efficient optics for the required exposure systems can be produced.
- the first imaging optical element 2 with spherically concave base surface has, for example, a diffractive-reflective structure with approximately 240 lines / mm
- the second imaging optical element 3 with a spherically convex base surface has a diffractive-reflective structure with approximately 660 lines / mm.
- the imaging optical elements 2 and 3 are arranged so that the optical paths intersect once.
- FIG. 1 and FIG. 2 (enlarged detail), the corresponding beam paths in the imaging system, starting from the object 1 to be examined, via the imaging optical elements 2 and 3 , up to the intermediate image 4 produced, are shown.
- the illustrated beam path relates to an imaging system for an extreme ultraviolet (EUV) radiation based microscope or a corresponding inspection system for lithographic masks.
- EUV extreme ultraviolet
- FIG. 4 shows the schematic overall view of an inspection system for lithographic masks based on EUV radiation.
- EUV radiation In contrast to UV radiation, EUV radiation is absorbed very strongly in almost all materials. Since the absorption length in air at atmospheric pressure is well below 1 mm, the EUV radiation can propagate almost loss-free only in vacuum over the distances required for EUV lithography.
- the EUV radiation is focused by the illumination optics 6 onto the object 1.
- the reflected from the object 1 EUV radiation is focused by the imaging optics 7 as an intermediate image 4 on a transducer layer.
- the subsystem according to the invention, starting from the object plane 1 to the intermediate image 4 , on the transducer layer is also referred to as the first subsystem and is based entirely on the EUV radiation.
- the intermediate image 4 thus produced can be further enlarged, for example, by a second subsystem.
- the second subsystem can be based on both the EUV radiation and a different wavelength.
- the EUV radiation is converted, for example, in VIS radiation.
- This VIS radiation is imaged onto a camera chip 9 by a further imaging optics 8 which is used as a second subsystem and which is simultaneously designed as a window of the vacuum chamber 10 .
- the camera chip 9 is used to control the irradiation.
- an imaging system is provided which avoids the disadvantages known in the prior art and ensures a high imaging quality.
- the production costs remain justifiable by the exclusive use of spherical mirrors.
- the Römgenmikroskopie in Verfanren such as the so-called AIMS (Aenai Imaging Measurement).
- AIMS Azai Imaging Measurement
- the lithography stepper is simulated by a less expensive and simpler microscopic arrangement. It is important that the image with the same wavelength of z. B. 13.5nm, the same lighting conditions and the same image quality as an EUV stepper is generated. In contrast to the stepper but the image field with about 10 ⁇ m instead of several mm is much smaller. Another difference is that the mask is typically imaged 10 to 1000 times larger on a camera.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein reflektives Abbildungssystem für ein Röntgenmikroskop zur Untersuchung eines Objektes in einer Objektebene, wobei das Objekt mit Strahlen einer Wellenlänge < 100 nm, insbesondere < 30 nm beleuchtet und in eine Bildebene vergrößert abgebildet wird.
- Die mikroskopische Untersuchung von Objekten mit Röntgenstrahlung wird vor allem in der Halbleiterindustrie immer wichtiger. Kleinere 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. Dabei stellt die Lithographie mit extrem ultravioletter (EUV) Strahlung die aussichtsreichste Lösung für die Chipfertigung in den nächsten Jahren dar.
- Nach dem Stand der Technik sind zahlreiche verschieden technische Lösungen zu Röntgenmikroskopen bekannt.
- Die Anmeldungen US 5,222,113; US 5,311,565; US 5,177,774 und EP 0 459 833 zeigen Röntgenstrahlmikroskope, bei denen in der Projektionsoptik Zonenplatten für die Abbildung vorgesehen sind. Bei diesen Fresnelschen Zonenplatten handelt es sich um ein wellenoptisch abbildendes Element, bei dem das Licht an einem System aus konzentrisch angeordneten Kreisringen gebeugt wird. Der Nachteil der Verwendung von Fresnelschen Zonenplatten in den abbildenden Systemen mit mehreren optischen Elementen im Bereich der Röntgenstrahlung ist darin zu sehen, dass Fresnelsche Zonenplatten transmittive Bauteile sind, die aufgrund der schlechten Transmission im Röntgenbereich zu großen Lichtverlusten führen.
- 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. Bei diesen Röntgenstrahlmikroskopen sind die Strahlengänge am zu untersuchenden Objekt telezentrisch ausgelegt, was eine Abbildung von Objekten in Reflexion erschwert.
- Ein weiterer Nachteil derartiger Systeme für einen Einsatz zur Untersuchung von Objekten, insbesondere solchen, die im Bereich der Röntgenlithographie Verwendungen finden, ist deren große Baulänge zur Erzielung eines ausreichenden Abbildungsmaßstabes. Dies erschwert die Verwendung beispielsweise in Inspektionssystemen zur Untersuchung von Masken in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen.
- Aus US 6469827 und US 5022064 sind die Verwendung von diffraktiven Elementen zur spektralen Selektierung durch Beugung von Röntgenstrahlung bekannt. In beiden Schriften werden diese Elemente aber nur zur spektralen Aufspaltung und Selektierung von Röntgenstrahlung und nicht zur Korrektur oder Verbesserung von Abbildungseigenschaften verwendet. Auch dieses System ist am Objekt telezentrisch ausgelegt, was eine Abbildung von Objekten in Reflexion erschwert.
- Die Verwendung eines diffraktiven optischen Element mit brechungsverstärkender und achromatisierender Wirkung für ein Objektiv, insbesondere ein Mikroskopobjektiv wird in der DE-OS 101 30 212 beschrieben. Ein derartiges Objektiv ist aber für die EUV-Strahlung aufgrund der transmittiven optischen Elemente nicht einsetzbar. Da die EUV-Strahlung im Gegensatz zur UV-Strahlung in nahezu allen Materialien sehr stark absorbiert wird, ist die Verwendung von auf Transmission beruhenden optischen Bauelementen nicht möglich.
- Ein reflektives Röntgenstrahfmikroskop zur Untersuchung eines Objektes für die Mikrolithographie in einer Objektebene mit Strahlung einer Wellenlänge < 100 nm, insbesondere < 30 nm, ist aus der JP 2001116900 bekannt. Das in dieser Anmeldung offenbarte Röntgenstrahlmikroskop ist ein Schwarzschild-System mit einem konkaven ersten Spiegel und einem konvexen zweiten Spiegel. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Systemen ist der Strahlengang zur Untersuchung des Objektes am Objekt nicht telezentrisch, so dass eine Untersuchung in Reflexion, beispielsweise von EUV-Reflexionsmasken, ermöglicht wird. Nachteilig an diesem System ist die sehr große Baulänge um große Abbildungsmaßstäbe zu erzielen.
- Eine weitere Röntgenmikroskopische Anordnung ist beispielsweise in den Anmeldungen DE 102 20 815 und DE 102 20 816 beschrieben. Darin ist die Abbildungsoptik als rein reflektives System ausgelegt und hinsichtlich geringer Baulänge bei hohen Vergrößerungen optimiert. Dies wird u. a. durch die Verwendung stark asphärischer Spiegel erreicht. Nachteilig bei diesen Anordnungen ist, dass die Fertigungstoleranzen für die asphärischen Spiegel zum Erreichen einer hohen Bildgüte extrem anspruchvoll sind und daher hohe Anforderungen an die Fertigungstechnologie und Messtechnik zu stellen sind.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Abbildungssystem für ein Röntgenmikroskop zu entwickeln, welches die im Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Weiterhin soll dabei eine hohe Abbildungsgüte bei einem vertretbaren Fertigungsaufwand erreicht werden.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Das vorgeschlagene Abbildungssystem beinhaltet alle zu einer abbildenden Optik gehörenden optischen Elemente und erzeugt durch die extrem ultraviolette (EUV) Strahlung ein entsprechendes Zwischenbild. Diese kann durch weitere Abbildungssysteme weiter verarbeitet, d. h. weiter vergrößert werden.
- Durch Nutzung einer EUV-Strahlung von 13,5 nm ist das erfindungsgemäße Abbildungssystem beispielsweise in der Photolithographie einsetzbar.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Dazu zeigen
- Figur 1:
- Strahlenverlauf im ersten Subsystem des Mikroskops,
- Figur 2:
- einen vergrößerten Ausschnitt des Strahlenverlaufes im ersten Subsystem des Mikroskops und
- Figur 3:
- eine schematische Gesamtansicht eines Inspektionssystems für Lithographiemasken, basierend auf EUV-Strahlung.
- Bei dem erfindungsgemäßen Abbildungssystem für ein, auf extrem ultravioletter (EUV) Strahlung basierendem Mikroskop mit Wellenlängen im Bereich kleiner 100nm, mit einer Verkleinerung, bzw. Vergrößerung von 0,1 - 1000x und einer Baulänge kleiner 5m weist mindestens eines von mehreren der im Strahlengang vorhandenen abbildenden optischen Elemente 2 und 3 eine diffraktiv-reflektive Struktur in Form einer Linienstrucktur auf. Die diffraktiv-reflektive Struktur ist dabei auf einer sphärischen oder einer planen Grundfläche eines oder beider abbildenden optischen Elemente 2 und 3 aufgebracht. Als sphärische Grundfläche sind konkave oder konvexe Krümmungen möglich.
- Die diffraktiv-reflektiven Strukturen weisen eine nicht rotationssymmetrische, asymmetrische Form auf. Im speziellen Fall sind die Strukturen in der Meridionalebene (entspricht der Zeichnungsebene) asymmetrisch, senkrecht dazu sind sie symmetrisch. Die diffraktiv-reflektiven Strukturen lassen sich beispielsweise durch folgendes Polynom der Phasenverteilung ϕ beschreiben:
- x, y
- Koordinaten
- ai
- Koeffizienten
- i
- Summationsindex
- m, n
- ganze Zahlen.
- Um eine Gesamtvergrößerung von 5 - 1000x realisieren zu können wird dem ersten Abbildungssystem ein weiteres Abbildungssystem nachgeordnet. Das zweite Abbildungssystem kann dabei auf einer Röntgenabbildung, einer elektro-optischen Abbildung oder einer Abbildung, die eine Strahlung oberhalb 200nm verwendet, basieren. Im einfachsten Fall kann das zweite Abbildungssystem auch ein weiteres abbildendes optisches Elemente mit einer sphärisch konvexen Grundfläche ohne eine diffraktiv wirkende Struktur sein.
- Das erfindungsgemäße Abbildungssystem ist vorzugsweise für Wellenlängen im Bereich kleiner 30nm, bei einer Vergrößerung von 5 - 1000x und einer Baulänge kleiner 3m vorgesehen.
- In einer weiteren Ausgestaltung weist das Abbildungssystem zwei abbildende optische Elemente 2 und 3 mit jeweils einer diffraktiv-reflektiven Struktur auf, wobei das erste abbildende optische Element 2 über eine konkave Grundfläche und das zweite abbildende optische Element 3 über eine konvexe Grundfläche für die jeweilige diffraktiv-reflektive Struktur verfügen. Die abbildenden optischen Elemente 2 und 3 sind so angeordnet, dass sich die optischen Wege einmal kreuzen. Außerdem ist die optische Achse des Abbildungssystems dabei zur Objektnormalen geneigt.
- Die abbildenden optischen Elemente 2 und 3 können aber auch so angeordnet sein, dass sich die optischen Wege nicht kreuzen.
- In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Abbildungssystem als Basis für ein Inspektionssystem für Lithographiemasken verwendet werden. Für Anwendungen in der Lithographie konzentrieren sich die Arbeiten auf Wellenlängen um 13,5nm, da sich nur hier effiziente Optiken für die erforderlichen Belichtungssysteme herstellen lassen.
- Das erste abbildende optische Element 2 mit sphärisch konkaver Grundfläche verfügt dabei beispielsweise über eine diffraktiv-reflektiv wirkende Struktur mit ca. 240 Linien/mm und das zweite abbildende optische Element 3 mit sphärisch konvexer Grundfläche über eine diffraktiv-reflektiv wirkende Struktur mit ca. 660 Linien/mm. Die abbildenden optischen Elemente 2 und 3 sind dabei so angeordnet, dass sich die optischen Wege einmal kreuzen.
- In Figur 1 und Figur 2 (vergrößerter Ausschnitt) sind die entsprechenden Strahlenverläufe im Abbildungssystem, ausgehend vom zu untersuchenden Objekt 1, über die abbildenden optischen Elemente 2 und 3, bis hin zum erzeugten Zwischenbild 4 dargestellt. Der dargestellte Strahlenverlauf betrifft ein Abbildungssystem für ein, auf extrem ultravioletter (EUV) Strahlung basierendem Mikroskop bzw. einem entsprechenden Inspektionssystem für Lithographiemasken.
- Figur 4 zeigt die schematische Gesamtansicht eines Inspektionssystems für Lithographiemasken, basierend auf EUV-Strahlung.
- Die EUV-Strahlung wird im Gegensatz zur UV-Strahlung in nahezu allen Materialien sehr stark absorbiert. Da die Absorptionslänge in Luft bei Normaldruck weit unter 1 mm liegt, kann sich die EUV-Strahlung nur im Vakuum über die für die EUV-Lithografie notwendigen Entfernungen nahezu verlustfrei ausbreiten.
- Ausgehend von der Strahlungsquelle 5 wird die EUV-Strahlung von der Beleuchtungsoptik 6 auf das Objekt 1 fokussiert. Die vom Objekt 1 reflektierte EUV-Strahlung wird von der Abbildungsoptik 7 als Zwischenbild 4 auf eine Wandlerschicht fokussiert. Das erfindungsgemäße Teilsystem ausgehend von der Objektebene 1 bis zum Zwischenbild 4, auf der Wandlerschicht wird auch als erstes Subsystem bezeichnet und basiert vollständig auf der EUV-Strahlung.
- Das so erzeugte Zwischenbild 4 kann beispielsweise von einem zweiten Subsystem weiter vergrößert werden. Das zweite Subsystem kann hierbei sowohl auf der EUV-Strahlung als auch einer anderen Wellenlänge basieren.
- Von der Wandlerschicht (Zwischenbild 4) wird die EUV-Strahlung beispielsweise in VIS-Strahlung umgewandelt. Diese VIS-Strahlung wird von einer als zweites Subsystem eingesetzten weiteren Abbildungsoptik 8, welche gleichzeitig als Fenster der Vakuumkammer 10 ausgebildet ist, auf einen Kamerachip 9 abgebildet. Der Kamerachip 9 dient der Kontrolle der Bestrahlung.
- Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Abbildungssystem zur Verfügung gestellt, welches die im Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet und eine hohe Abbildungsgüte gewährleistet. Der Fertigungsaufwand bleibt durch die ausschließlich Verwendung sphärischer Spiegel vertretbar.
- 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 Römgenmikroskopie bei Verfanren, wie beispielsweise dem sogenannten AIMS (Aenai 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. 13,5nm, den gleichen Beleuchtungsbedingungen und der gleichen Bildgüte wie bei einem EUV-Stepper erzeugt wird. Im Gegensatz zum Stepper ist aber das Bildfeld mit ca. 10µm statt mehrere mm wesentlich kleiner. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Maske typischerweise 10 - 1000fach vergrößert auf eine Kamera abgebildet werden.
Claims (6)
- Reflektives Abbildungssystem für ein, auf extrem ultravioletter (EUV) Strahlung basierendem Mikroskop mit Wellenlängen im Bereich < 100nm, mit einer Verkleinerung, bzw. Vergrößerung von 0,1 - 1000x und einer Baulänge < 5m, bei dem mindesten eines von mehreren der im Strahlengang vorhandenen abbildenden optischen Elemente eine diffraktiv-reflektive Struktur in Form einer Linienstruktur aufweist
- Reflektives Abbildungssystem nach Anspruch 1, bei dem die diffraktiv-reflektive Struktur auf einer sphärischen oder einer planen Grundfläche aufgebracht ist und eine nicht rotationssymmetrische, asymmetrische Form aufweist.
- Reflektives Abbildungssystem nach Anspruch 1 und 2, bei dem die sphärischen Grundflächen konkav oder konvex ausgeprägt ist.
- Reflektives Abbildungssystem nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zwei abbildenden optischen Elemente mit jeweils einer diffraktivreflektiven Struktur versehen sind, wobei das erste abbildende optische Element eine konkave und das zweite abbildende optische Element eine konvexe sphärische Grundfläche für die jeweilige diffraktiv-reflektive Struktur aufweisen.
- Reflektives Abbildungssystem nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die abbildenden optischen Elemente so angeordnet sind, dass sich die optischen Wege mindestens einmal kreuzen.
- Inspektionssystem für Lithographiemasken basierend auf einem reflektiven Abbildungssystem nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem ein erstes abbildendes optisches Element mit sphärisch konkaver Grundfläche eine diffraktiv-reflektiv wirkende Struktur mit ca. 240 Linien/mm und ein zweites abbildendes optisches Element mit sphärisch konvexer Grundfläche eine diffraktiv-reflektiv wirkende Struktur mit ca. 660 Linien/mm aufweisen und sich die optischen Wege einmal kreuzen.
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