JP5481475B2 - マイクロリソグラフィのための投影露光システムおよび側方結像安定性監視方法 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、独国特許出願公開第１０２００８０２９９７０．７および米国仮特許出願第６１／１３３，１９７号からの優先権を主張するものであり、それらの出願は引用により本明細書に援用される。

本発明はマイクロリソグラフィのための投影露光システムに関する。このような投影露光システムは、一般に、マスクテーブルまたはいわゆる「レチクルステージ」として構成した、マスクまたはいわゆる「レチクル」を保持するためのマスク保持デバイスを備える。この「レチクル」上にはマスク構造を配置する。さらに、このような投影露光システムは、一般に、いわゆる「ウエハステージ」として構成した基板保持デバイス、およびその基板上にマスク構造を結像する投影光学系を備え、基板保持デバイスにより、ウエハとして構成した基板を保持する。

従来の投影露光システムにおいては、多くの場合、ぼけ（blurring）により画質が低下する。ウエハにおける視野を露光中にそのウエハ上で画像位置がドリフトすると、その潜像がフォトレジスト内でぼけてしまう。この潜像のぼけは、結果として、プリント構造における重なりエラー（overlay errors:オーバーレイ・エラー）となって現れる。これらのぼけの問題は、極紫外線（ＥＵＶ：extreme ultraviolet）投影露光システムにおいて特に顕著に発生する。ＥＵＶ投影露光システムは、極紫外線波長域の波長、例えば、１３．５ｎｍの波長光で構造を露光する。半導体業界のロードマップでは、ＥＵＶにおける光リソグラフィは重要な役割を果たす。ここでは、ミラーのみを光学部品と考える。ミラー光学系では、ミラー位置および／またはミラー傾斜位置の変更は、像の変位に直結する。光学部品の機械的安定性に対する要件は、屈折光学系と比較して明らかに厳しいものとなっている。

従来の投影露光システムでは、適宜の調整およびいわゆる「整列（アラインメント）」センサによりウエハ露光中の視野位置を複数回制御し、適切な補正措置を講じる。このため、本来のフォトレジストの露光プロセスが中断される。制御測定と制御測定の間は、投影システムの短時間の安定性が頼りとなる。ＥＵＶシステムと比べ、従来システムの短時間安定性のレベルは比較的高い。像位置安定性に対する要件に関しては、従来の概念による像位置制御を継続した場合、従来システムにおける像位置の機械的安定性に対する要求値は５分間に１ｎｍであるのに対し、ＥＵＶシステムにおいては５分間に０．２ｎｍと厳しくなる。対物レンズの機械的基本構造の熱膨張が、ミラー位置の安定性におけるエラーの主な原因である。像安定性に課される高い要件を満たすため、極端に低い熱膨張係数を持つ材料を用いて投影対物レンズを構成する方法がとられている。しかしながら、このような材料は極めて高価で、扱いにくく、加工が難しい。

本発明の目的は上記課題を解決することであり、特に、フォトレジスト内の潜像のぼけ（blurring）を広範囲に防止できる投影露光システムを得ることである。

上記目的を達成するため、本発明によるマイクロリソグラフィのための投影露光システムは、マスク構造を基板平面内に結像する投影光学系、および投影光学系の側方結像安定性を、０．５ｎｍよりも良好な分解能および少なくとも１０Ｈｚの測定速度で測定するように構成した測定デバイス、を備える。

この場合、投影光学系の側方結像安定性により、投影光学系を用いて基板平面内に結像したマスク構造の側方位置が、投影露光システムの露光動作中、経時的にどの程度安定性を維持できるか、を特定する。像の側方位置とは、基板平面内の像の位置を意味することが理解されよう。ここで、測定デバイスにより測定した投影光学系の側方結像安定性は、露光動作中に投影光学系によってのみ生じるマスク構造像の側方移動に関連する。

しかしながら、側方結像安定性の測定は投影露光システムの露光動作からは独立して行われ、また、露光と露光の合間に測定を行うこともできる。したがって、投影光学系の側方結像安定性により投影光学系の性能を規定し、マスク構造像の側方移動に対しマスク構造を基板平面内に安定して結像する。言い換えれば、測定デバイスを、いわゆる「視線」センサと称することもでき、このセンサにより投影光学系を通過した測定ビームの「視線」の安定性を測定する。

結像安定性測定の際の特定分解能は０．５ｎｍよりも良好なものとする。この特定分解能により、基板平面内の結像安定性を本発明の測定デバイスにより測定することができる。この特定分解能および少なくとも１０Ｈｚの測定速度で結像安定性を測定することにより、投影露光システムの露光動作中におけるマスク構造の像の側方位置の変化を高い局所分解能および時間分解能で測定することができる。これにより、マスク構造を結像しつつ像の側方位置をリアルタイムで修正することができる。この目的のため、有利には、測定デバイスを投影露光システムの露光動作制御装置に接続する。したがって、露光プロセス中、マスク構造像の側方位置をほぼ一定に維持することができ、フォトレジスト内での潜像のぼけも広範囲に防止することができる。

本発明の一実施形態において、測定デバイスの分解能は０．１ｎｍをよりも良好なものとし、特には、３０ｐｍよりも良好なものとする。測定速度は少なくとも５０Ｈｚとし、特には、少なくとも５００Ｈｚとし、有利には、少なくとも２ｋＨｚとする。

さらに、上記目的を達成するため、本発明によるマイクロリソグラフィのための投影露光システムは、マスク構造を基板平面に結像する投影光学系と、照射された測定放射線を投影光学系上に向かって異なる方向に伝播する少なくとも２つのテスト波に変換するように構成した入射回折素子と、投影光学系通過後のテスト波の光路内に配置され、このテスト波からテスト波の両方の放射部分の混合を有する検出ビームを生成するように構成した検出回折素子とを備える。投影露光システムは、さらに、検出ビームの光路内に配置され、該検出ビームの時間分解した照射強度を記録するように構成した光検出器、および記録した照射強度に基づき、投影光学系の側方結像安定性を測定するように構成した評価ユニットを備える。

さらに、本発明によれば、マイクロリソグラフィ用の投影露光システムの投影光学系の側方結像安定性を監視する方法を提供する。本発明方法において、測定放射線を入射回折素子上に照射して該測定放射線を伝播方向の異なる少なくとも２つのテスト波に変換し、テスト波は投影光学系を通過し、投影光学系を通過したテスト波は検出回折素子に到達し、その結果、回折により検出ビームが生成され、検出ビームは両方のテスト波の放射部分の混合を有する。さらに、検出ビームの放射強度は光検出器を用いて記録し、記録した放射強度により、投影光学系の側方結像安定性を確定する。

入射回折素子により生成されたテスト波は、投影光学系（ピューピル）の少なくとも１つの平面内において、互いに空間的に分離される。このことは、テスト波が、端から端まで連続した波の中の個々の部分ではないことを意味する。テスト波は、むしろ、それぞれ独立した波である。テスト波をこのように構成することで、各テスト波はそれぞれ異なる方向に伝播し、投影光学系のシステムピューピルを部分ごとに照射する。特に、テスト波により照射されるピューピル平面の１つの部分は複数の領域を含み、その領域は局所的に互いに離れている。すなわち、それぞれの領域は連続した一領域を構成しない。

言い換えれば、本発明によれば、投影光学系は異なる経路を経由して放射された複数のテスト波を有する。投影光学系を通過したテスト波は、回折検出素子により、両方のテスト波の放射部分を有する少なくとも１つの検出ビームに変換される。そして、この検出ビームを光検出器に照射して、その光検出器により、検出部分ビームの時間分解した全放射強度を記録する。記録した放射強度により、投影光学系の側方結像安定性を確定する。したがって、投影光学系の側方結像特性における変化を、リアルタイムに高精度で観測することができる。

光検出器の強度は、回折素子の側方移動、すなわち、入射回折素子および／または検出回折素子の測定放射線の光路に対する側方への移動に対して周期性を持つ。これに対応して、検出強度も検出回折素子上でのテスト波の側方移動、すなわち「像」の側方移動に対して周期的となる。したがって、光検出器からの信号は周期性についてのみ互いに異なる。したがって、回折素子の周期性は、有利には、目的とする所望の測定範囲よりも確実に広くなるように構成する。例えば、約１０ｎｍの測定範囲に対して望ましい格子間隔である数百ｎｍ〜数μｍを用いる。

この測定方法およびこのように構成した投影露光システムによれば、投影光学系の側方結像安定性を上記の分解能および特定の測定速度で測定することができる。したがって、前述のように、露光プロセス中、マスク構造像の側方位置をほぼ安定して維持することができる。

本発明の一実施形態において、照射した測定放射線を入射回折素子により、投影光学系への伝播方向が異なる多くとも２０のテスト波に、特に、２つ、３つ、または４つのテスト波に変換する。

本発明のさらなる実施形態において、各テスト波の波面は非球面である。一つの変形例によれば、テスト波をガウスビームまたはガウスビームに類似のものとして構成する。ある実施形態によれば、各テスト波の波面を平面または実質的に平面とする。

いくつかの実施形態によれば、各テスト波は照射した測定放射線の放射部分をそれぞれ含む。この放射部分は、入射回折素子における少なくとも第１回折次数の回折、すなわち、第１の回折次数またはそれ以上の回折次数により生成される。

入射回折素子および／または検出回折素子は、それぞれ格子構造として構成することができる。格子構造とした実施形態では、有利には、測定プロセスを２回行い、２回目の測定の際に格子構造の向きを約９０°回転して、側方結像安定性を基板内で二次元的に測定するようにする。代案として、入射回折素子および／または検出回折素子を、それぞれホログラム構造として構成することができる。このようなホログラム構造は、それにより生成された回折ビームにより側方結像安定性を基板平面の二次元で測定可能とするように構成する。光検出器は強度センサとして機能し、例えば、フォトダイオードとして構成することができる。

本発明のさらなる実施形態において、投影光学系に対し、入射回折素子をマスク側または対物側に配置し、検出回折素子を基板側または像側に配置する。したがって、本実施形態において、入射回折素子および検出回折素子は２つの別々の回折素子として構成する。回折素子を上記のように配置することにより、投影露光システムの露光動作中は、測定放射線と照射線は投影光学系をと同じ方向に通過する。さらなる実施形態においては、入射回折素子を基板側に配置し、検出回折素子をマスク側に配置し、それにより光路を逆行させる。

本発明のさらなる実施形態において、さらに、照射回折素子を設ける。照射回折素子は、入射回折素子の手前で、測定放射線の光路内に配置され、測定放射線を少なくとも２本の伝播方向の異なる測定放射線部分ビームに変換する。特に、測定放射線を、照射回折素子の−１次、零次、＋１次の回折次数により形成した少なくとも３本の測定放射線部分ビームに変換する。測定放射線を分割してから入射回折素子に入射させることにより、入射回折素子において多数のテスト波を生成することができる。入射回折素子および検出回折素子同様、照射回折素子を、例えば、格子構造またはホログラム構造として設計することができる。

本発明によるさらなる実施形態において、さらに、結像光学素子を設ける。結像光学素子は、照射回折素子と入射回折素子との間に配置し、測定放射線部分ビームを入射回折素子上に向ける。したがって、測定放射線部分ビームを入射回折素子上の共通する点に全て向けることが可能となり、続いて生成されるテスト波の起点をすべて同じとすることができる。

本発明のさらなる実施形態において、照射回折素子および入射回折素子は、照射回折素子から発生した少なくとも２本の測定放射線部分ビームのそれぞれが入射回折素子における回折により少なくとも２本の個別ビームに変換されるように構成する。その回折個別ビームの少なくとも一つは第１の測定放射線部分ビームを回折して生成したものであり、第２の測定放射線部分ビームを回折して生成した回折個別ビームの一つと重ね合わせることにより、その２本の重なり合った個別ビームが１つのテスト波を形成するようにする。個別測定放射線部分ビームのそれぞれの回折個別ビームは、特に、その個別測定放射線部分ビームを入射回折素子で少なくとも２次の回折次数により回折することにより形成する。ここで、少なくとも２次の回折次数は、−１次、零次、および＋１次の次数を含む。この重ね合わせにより、検出部分ビームの計測、またはむしろ記録した検出部分ビームの数を最適化できるように、特定のテスト波の強度および測定位相位置を設定することができる。

本発明のさらなる実施形態において、第１検出ビームに加え、さらに少なくとも第２検出ビームおよび第３検出ビームをテスト波から生成できるように、検出回折素子を構成する。第２検出ビームは２つのテスト波のうち第１のテスト波の少なくとも１つの放射部分を有し、第３検出ビームは２つのテスト波のうち第２のテスト波の少なくとも１つの放射部分を有するものであり、投影露光システムはその第２検出ビームおよび第３検出ビームのそれぞれの放射強度を検出する少なくともさらに２つの検出器を備える。検出部分ビームとも称するさらなる検出ビームについてその強度を測定することにより、第１検出ビームについての測定強度を標準化することができる。前述のように、第１光検出器からの信号は周期性についてのみ一定である。さらなる検出ビームを用いることにより、周期内の補完を容易にする。それぞれの光検出器からの信号は、検出回折素子上の格子およびテスト波の側方位置の平行移動に対してはなお周期性を有するが、互いに対してはそれぞれ検出回折素子の間隔に対する一定の比率で相殺しあう。側方移動の間の検出器信号の形状が異なる（例えば、調波とする）ように、回折素子を構成することもできる。

本発明のさらなる実施形態において、さらに、マスク構造を基板平面内に結像するための照射線を生成する照射線源、および、この照射線源からは独立した、測定放射線を生成するための測定放射線源を設ける。特に、測定放射線源の波長は赤外線波長域内、可視波長域内、または近紫外線波長域内とするが、照射線源の波長は、例えば、ＥＵＶ波長域内とすることができる。

本発明のさらなる実施形態において、投影露光システムは、マスク構造を基板平面に結像する露光光路、および、測定放射線をマスク側において露光光路に連結するカップリングミラーを備える。

本発明のさらなる実施形態において、マスク構造を基板平面に結像する露光光路およびテスト波を露光光路から分離するアンカップリングミラーを備える。基板側に少なくとも１つの光検出器を配置することにより、アンカップリングミラーを、有利には、基板側に設ける。

本発明のさらなる実施形態において、入射回折素子および検出回折素子を同じ回折素子で構成し、投影露光システムは逆反射体を有する。逆反射体により、投影光学系を通過したテスト波を自身に逆反射させ、それによりテスト波が投影光学系を再度通過して検出回折素子に到達するようにする。したがって、投影光学系に測定放射線を二重に通過させて検査することになる。この二重通過により、安定性測定の分解能を向上することができる。さらに、測定技術用の設置スペースは投影光学系の片側にのみ必要である。したがって、もう投影露光システムの一方の側の測定デバイスの構成は何ら変更する必要がない。リトロー回折格子、球面ミラー、またはいわゆる「コーナーキューブ」とし構成したプリズムを、例えば、逆反射体として用いることができる。

本発明のさらなる実施形態において、投影光学系をミラーおよび各ミラー表面の独立した領域で構成し、側方結像安定性を計測する際は、ミラーおよび各ミラー表面の独立した各領域にテスト波を照射し、ミラーおよび各ミラー表面の独立した各領域には測定放射線の波長に応じて設計した反射コーティングを施す。これにより、投影光学系におけるテスト波の強度低下を抑制し、測定信号の品質を向上することができる。測定放射線のミラー表面上の断面、すなわち、いわゆる「フットプリント」は、特に、部分的に、照射線の「フットプリント」の範囲を超える。

本発明のさらなる実施形態において、本発明による投影露光システムは、極紫外線（ＥＵＶ）波長域および／またはより高周波長域の光によりマスク構造を基板平面内に結像するように構成される。ＥＵＶ波長域の光の波長は、例えば、１３．５ｎｍである。本発明の一実施形態において、投影光学系の各ミラーにはＥＵＶ波長および測定放射線の波長の両方を良好に反射するコーティングを施す。

本発明による投影露光システムの上記実施形態およびその変形に関して述べた特徴は、本発明による方法にも適用される。本発明による方法から得られた実施形態は、本発明の開示内容に明示的に含まれるべきものである。さらに、本発明による投影露光システムの実施形態に関して挙げた上記利点は、したがって、本発明による方法に対応した実施形態にも関連している。

以下に例示する実施形態において、本発明によるマイクロリソグラフィのための投影露光システムおよび方法を、添付の概略的な図面に基づき、より詳細に説明する。それら図面については次のとおりである。

本発明の第１実施形態による、投影光学系およびその投影光学系の側方結像安定性を測定する測定デバイスを有する投影露光システムの概略断面図である。 図１に示す投影露光システム内の測定光路を示す図である。 本発明による投影露光システムのさらなる実施形態のマスク側断面図である。 本発明による投影露光システムのさらなる実施形態のマスク側断面図である。 本発明による投影露光システムのさらなる実施形態の基板側断面図である。 本発明による投影露光システムのさらなる実施形態の基板側断面図である。 本発明の第２実施形態による、逆反射体を有する投影露光システムの概略断面図である。 図７に示す本発明による投影露光システムのさらなる実施形態を示す概略側面図である。 図７および図８に示す逆反射体の動作モードを示す図である。 図７および図８に示す逆反射体の動作モードを示す図である。 図７に示す本発明による投影露光システムのさらなる実施形態を示す図である。 図７に示す本発明による投影露光システムのさらなる実施形態を示す図である。

以下に説明する実施形態において、機能的または構造的に相互に類似する要素には可能な限り同一または類似の符号を付している。したがって、特定の実施形態における各要素の特徴を理解するためには、その他の実施形態の説明または本発明の全体的な説明を参照されたい。

図１は、本発明によるマイクロリソグラフィのための投影露光システム１０の第１実施形態を示す図である。投影露光システム１０は、例えば、いわゆる「スキャナ」として設計したＥＵＶ（extreme ultraviolet）投影露光システムとして構成したものである。投影露光システム１０は、投影光学系１２を用いて、マスク上の、図１には図示しないマスク構造を、基板平面１６内に設けたいわゆる「ウエハ」として構成した基板上に結像するように構成される。そのため、投影露光システム１０は、いわゆる「レチクルステージ」として構成したマスク移動テーブル、およびいわゆる「ウエハステージ」として構成した基板移動テーブルを備える。

そのため、投影露光システム１０は、例えば図３に示す照射線源４６および照射光学系５２を備える。照射線源は、例えば、波長１３．５ｎｍの極紫外照射線４８を生成するＥＵＶ照射源として構成され、照射光学系により照射線４８をマスクに照射する。

照射光学系１２は多数の光学素子を備える。ＥＵＶ波長領域内の照射線４８により投影露光システム１０が動作する場合、照射光学系１２は反射光学系として設計され、ミラーとして構成した反射光学素子のみを備える。

投影露光システム１０は、さらに、照射光学系１２の側方結像安定性を測定する測定デバイス１８を備える。この場合、前述のように、照射光学系１２の側方結像安定性に基づき、照射光学系１２を用いてマスク平面１４から基板平面１６内に結像した構造像の側方位置が、投影露光システム１２の露光動作中、経時的に安定性をどの程度維持できるか、を特定する。したがって、この側方結像安定性により、投影光学系１２の性能が規定される。投影光学系の性能とは、基板平面１６内のマスク構造像の側方移動に対してマスク構造を基板平面１６内に安定して結像する性能のことである。

言い換えれば、測定デバイス１８により、投影光学系１２内の収差に起因して発生する投影露光システム１０の像の側方移動を測定する。波面誤差として、波面の傾斜を検出する。この目的のため、測定光路を設けるが、この測定光路は、露光光路または結像光路と一時的に置き換わり、または結像光路に対し連結または分離し、あるいは露光光路において利用されていない投影光学系１２の一部を、投影光学系１２全体を代表する特徴として、サンプリングする。

測定デバイス１８は、測定放射線２１を生成する測定放射線源２０を備える。測定放射線２１は赤外線波長域、可視波長域、または紫外線波長域の電磁放射線を含むことができ、その波長は、例えば、１０６４ｎｍ、７８０ｎｍ、６３２ｎｍ、５３２ｎｍ、３６５ｎｍ、２４８ｎｍ、または１９３ｎｍである。投影露光システム１０をＥＵＶ露光システムとして構成した場合、本発明による一実施形態において、投影光学系１２の各ミラーに、ＥＵＶ波長および測定放射線２１の波長の両方を良好に反射するコーティングを施す。

本発明による一実施形態において、測定放射線２１の波長と、マスク構造を結像するための照射線の波長とを等しくすることができる。この場合、測定放射線源２０は照射線源４６に相当するものとすることができる。

図１の測定デバイス１８は、さらに、コリメータ２２、照射回折格子２４として構成した任意選択の回折素子、任意選択の結像光学素子２６、および入射回折格子２８として構成した入射回折素子を備える。コリメータ２２により、測定放射線２１を照射回折格子２４上に集光し、そこから測定放射線２１を回折により、異なる方向に伝播する３本の測定放射部分ビーム２５に変換する。測定放射線を、零次、−１次、および＋１次の回折次数で回折して、各測定放射部分ビーム２５を形成する。測定放射部分ビーム２５は、その後、マスク平面１４上に設けた入射回折格子２８に到達する。入射回折格子２８において、各測定放射部分ビーム２５の放射線は再度回折され、入射回折格子での回折により、５本のいわゆるテスト波３０が形成される。テスト波３０はテスト部分ビームとも称する。

図２に示すように、各テスト波３０は、それぞれ、多数の回折個別ビーム３１から形成される。例えば、「０」で識別されるテスト波３０は、以下の３本の回折個別ビーム３１、すなわち、（＋１、−１）、（−１、＋１）、および（０、０）を含む。ここで、個々の回折個別ビーム３１をそれぞれ表すカッコ内の数字のうち、第１の数字は対応する測定放射部分ビーム２５の回折次数を示し、第２の数字は、各回折個別ビーム３１を生成するために、この測定放射部分ビーム２５を入射回折格子２８上で回折するときの回折次数を示す。「＋１」で識別されるテスト波３０は、以下の回折個別ビーム３１、すなわち、（＋１、０）および（０、＋１）を含む。さらに、回折個別ビーム（−１、＋２）は、例えば、このテスト波３０の形成にも資することができる。

本発明による方法の基本機能を実現するためには、異なる方向に伝播する少なくとも２つのテスト波３０を投影光学系１２に通過させることが必要不可欠である。投影光学系１２を通過した後、テスト波３０は検出回折格子３４として構成した検出回折素子に到達し、そこでテスト波３０は、回折により、「−３」〜「＋３」により識別される検出部分ビーム３６に変換される。

テスト波３０と同様に、検出部分ビーム３６は回折個別ビーム３７から形成される。したがって、例えば、「−２」で識別される検出部分ビーム３６は、以下の３つの回折個別ビーム３７、すなわち、（−１、−１、０）、（０、−１、−１）、および（−１、０、−１）を含む。ここで、各回折個別ビーム３６をそれぞれ表すカッコ内の数字のうち、第１の数字は対応する測定放射部分ビーム２５の回折次数を示し、第２の数字は、対応するテスト波３０の回折次数を示し、そして、第３の数字は、このテスト波３０を検出回折格子３４上で回折して生成した回折個別ビーム３７の回折次数を示す。さらに、（−１、−２、＋１）、（−１、＋１、−２）等の回折個別ビームは、例えば、「−２」で識別されるテスト部分ビーム３０の形成にも資することができる。

測定デバイス１８は、さらに、検出部分ビーム３６のそれぞれについて、フォトダイオード３８として構成した光検出器を備える。フォトダイオード３８により、各検出部分ビーム３６のそれぞれの強度の経時推移を記録する。各フォトダイオード３８により記録した強度信号は、照射回折格子２４の側方移動、入射回折格子２８の側方移動、検出回折格子３４の側方移動、および、投影光学系１２の波面傾斜３２に起因する基板平面１６内の側方像移動と相関する。

照射回折格子２４、入射回折格子２８、および検出回折格子３４を十分に固定して保持すれば、投影光学系１２に起因する側方像移動および投影光学系１２の側方像安定性を、記録した強度信号に基づいて測定することができる。

この側方像移動および側方像安定性の測定は、読み出しユニット４０を用いてフォトダイオード３８から強度信号を読み出し、評価ユニット４２を用いてその強度信号を対応評価することにより行う。側方結像安定性を測定するためには、少なくとも２つのテスト波３０の放射部分が混在する少なくとも第１部分ビーム３６の強度を読み出す必要がある。このような第１部分ビーム３６として、例えば、「−１」により示される検出部分ビーム３６であって、少なくとも２つのテスト波３０から発生した回折個別回線３７を有する検出部分ビーム３６、例えば、（−１、−１、＋１）および（−１、＋１、−１）がある。

さらに、有利な一実施形態において、少なくともさらにもう２つの検出部分ビーム３６のそれぞれの強度を記録する。これらの検出部分ビーム３６のうち、１つは上記２つのテスト波の第１のテスト波３０の少なくとも１つの放射部分を含み、もう一方の検出部分ビーム３０は上記２つのテスト波の第２のテスト波の少なくとも１つの放射部分を含む。したがって、第１の検出部分ビーム３６の測定強度を標準化することができる。前述のように、光検出器３８が検出する信号は、格子間隔に関する限り一定である。さらなる検出ビームを利用して、格子間隔の補間を容易にする。各光検出器３８の信号は、格子の平行移動および検出回折格子３４上のテスト波３０の側方位置に対しては周期性を維持するが、検出回折格子３４の格子間隔に対する一定の比率でそれぞれ互いに相殺される。

格子２４、２８、および３４は、光路内での格子間隔、格子形状、ブレーズ角、位相範囲、および位置に関して、フォトダイオード信号を生成しさらに電気的処理を施すことができるように、設計する。フォトダイオード信号を電子的に評価することにより、検出回折格子３４の格子間隔より少なくとも３桁から４桁高い測定精度を達成する。測定放射線源２０が動作中は、常に測定信号を取得可能である。測定信号の取得は、例えば、ウエハステージのスキャン動作等の結像システム内の動作、または投影露光システム１０の照射線源４６による照射線４８の発生とは独立して行われる。

入射回折格子２８および検出回折格子３４は、マスク平面１４内または基板平面１６内に必ずしも図１に示すように正確に配置されている必要はない。格子２８および格子３４はまた、必ずしも互いに正確に共役である必要はない。デフォーカスは、フォトダイオード３８からの信号を最適化するのに有効であるといえる。本発明の図示しない一実施形態においては、測定光路を逆転させる、すなわち、入射回折格子２８を基板側に設け、検出回折格子３４をフォトダイオード３８と共に基板側に設ける。

評価ユニット４２により、測定した投影光学系４２の側方結像安定性を制御信号に変換し、その制御信号は投影露光システム１０の制御装置に伝達される。制御信号に基づいて、制御装置により、露光処理中に像の側方位置をリアルタイムで補正して、基板上に結像したマスク構造の側方位置がほぼ一定になるようにする。

本発明の測定デバイス１８によれば、特に、投影光学系１２の側方結像安定性を、３０ｐｍよりも良好な分解能および少なくとも２ｋＨｚの測定速度で測定することができる。したがって、露光中に、マスク構造像の側方位置を非常に高い繰り返し率と精度で補正することができる。

図３は、図１に示した本発明の第１実施形態による投影露光システム１０のマスク側断面図である。本実施形態によれば、テスト波３０として構成した測定放射線２１を、カップリングミラー４を介して投影露光システム１０の露光光路５０に連結する。露光光路５０は照射線源４６により生成された照射線４８を案内する。投影露光システム１０の露光中、照射光学系５２を介して照射線４８をマスク平面１４上に配置した製品としてのマスクに照射し、マスク平面上に配置したマスク構造を基板平面１６内に結像する。図３に示した実施形態において、マスク平面１４と投影光学系１２との間のある１点において、カップリングミラー４４を介して投測定放射線２１を影露光システム１０の露光光路５０に連結し、露光光路５０に干渉しないようにする。格子２４および格子２６は、測定放射線源２０同様、露光光路５０の外側に設ける。

図４は、投影露光システム１０のさらなる実施形態のマスク側断面図である。ここで、コリメータ２２を通過した測定放射線２１は、照射線４８の光路内における、マスク平面１４より手前のある１点において、露光光路５０に連結する。この場合も、露光光路５０に干渉しないようにして、測定放射線１２を露光光路５０に連結する。ここでは、格子２４および格子２８を露光光路５０上に設け、格子２４と格子２８との間には、結像光学素子１２６を投影露光システム１０の一部として配置する。

図５は、本発明による投影露光システム１０のさらなる実施形態の基板側断面図である。本実施形態においては、検出回折格子３４の下流に格子５４を付加的に設け、テスト波３０をコヒーレント重畳させる。マスク側において、照射回折格子２４を省略することができる。この場合、投影光学系１２を通過するテスト波３０は３つだけである。検出回折格子３４上では、図２において説明した手順と同様にして、この３つのテスト波３０を５つの検出部分ビーム３６に分割し、付加的な格子上において７つの加工済み検出部分ビーム５６に分割する。

図６は本発明による投影露光システム１０の構成のさらなる実施形態の基板側断面図である。本実施形態によれば、テスト波３０として構成した測定放射線２１を、アンカップリングミラー５８を介して基板平面１６の手前で投影露光システム１０の露光光路５０から分離する。これにより、基板テーブル上の領域、すなわち、いわゆる「ウエハステージ」上の領域における構成に何ら悪影響を及ぼすことなく、測定デバイス１８を投影露光システム１０と一体化して構成することができる。

図７は、本発明による投影露光システム１０のさらなる実施形態を示す図であり、本実施形態において、テスト３０を投影光学系１２に二重に通過させる。この目的のため、基板平面１６内に逆反射体６０を設け、それにより、投影光学系１２を通過したテスト波３０は自身に逆反射する。以下、投影光学系１２を通過したテスト波３０を入射テスト波３０ａと称する。したがって、テスト波３０は、入射テスト波３０ａと同じ経路に沿って逆行するテスト波３０ｂとして、投影光学系１２を通過する。図７に示した実施形態のさらなる変形例として、図６の変形例と同様、アンカップリングミラーおよびカップリングミラーを基板側に設け、投影露光システムの露光光路から入射テスト波３０ａを分離し、逆行テスト波３０ｂを露光光路に連結する。図６の検出回折格子３４と同様に、本実施形態では、逆反射体６０を露光光路の側方に配置する。

測定放射線２１を、部分透過型カップリングミラー１４４を介して露光光路に連結する。逆行テスト波３０ｂから生成した検出部分ビーム３６がカップリングミラー１４４を部分的に透過することにより、テスト波３０ｂをフォトダイオード３８で記録することができる。逆路では、入射回折格子２８を検出回折格子としても用いる。

図１０ａは、逆反射体６０に向かう測定放射線２１の光路を示す図であり、光路は測定放射線源２０から逆反射体６０へ伸びている。図１０ｂは、逆行する測定放射線２１の光路を示す図であり、光路は逆反射体６０から検出器３８へ伸びている。ここでは、一実施形態として、テスト波３０の数を最小、すなわち、テスト波３０の数を２とした実施形態を示す。

逆反射体６０をリトロ（Littrow）格子として構成し、スケール修正により、そのリトロ格子の格子間隔を対物側の回折格子２８の格子間隔の半分とする。さらに、検出部分ビーム３６の強度を記録する検出器３８は３つしか設けない。本実施形態は、測定デバイス１８の光路用スペースがほとんどない場合に用いることができる。これは、特に、ＥＵＶシステムの場合に当てはまる。

ＥＵＶ放射線を反射するために投影光学系１２のミラー上に施した複数の層、いわゆる、「多層」層の反射率は約０．６で、測定放射線２１の波長と比べ非常に小さいため、４つのミラーを二重に通過して戻ってくる測定放射線２１の強度はごくわずかである。本発明においては、テスト波３０の数を最小として実施することで、この問題を解決することができる。各ミラー上の部分ビームの断面、すなわち、いわゆる「フットプリント」は比較的小さく、断面には測定放射線２１の波長用に最適化した反射コーティング７０を施す。

基板平面１６における反射には、平面ミラーを用いない。平面ミラーを用いると、センサの効果がなくなってしまうからである。逆反射体６０を用いて、波面傾斜により像オフセットを確実に２回生じさせ、単純ミラーリングを用いたときとは異なり、相殺されないようにする。前述のように、また、例えば図７に示すように、逆反射体６０をリトロ格子として構成することができる。代案として、キャッツアイ位置にある球面ミラー、いわゆる「コーナーキューブ」として構成したプリズムに基づく逆反射体を用いることができる。

リトロ回折格子は、図８の実施形態に示すように、ウエハ上に直接書き込むことができる。本実施形態は、図７の実施形態とは異なり、照射線用の照射光学系５２をカップリングミラー１４４と回折格子２８との間に配置する。回折格子２８を製品マスク６２の周辺領域に配置する。

図９ａおよび図９ｂは、リトロ格子として構成した図７の逆反射体６０の動作モードを示す図である。この目的のため、図９ａにおいて透過格子６０ａを示し、図９ｂにおいて反射格子６０ｂを示す。リトロ格子により、格子間隔、波長、回折次数を補正する。非垂直入射の回折式は次のとおりである。

上記式よれば、格子法線に対する入射ビーム６６の角度αと、波長λ、格子間隔ｐ_Ｂ、および回折次数ｍの格子法線に対し第１次数にて回折された出射ビーム６８の角度βとの間に相関が現れる。図９ｂに示す反射格子を用いると、出射ビーム６８は上方に折り返される。したがって、すべての入射テスト波３０ａについて、各回折ビーム３０ｂはそれぞれに対応する入射ビーム３０ａに正確に戻っていくことができる。

そのためには、式α＝βを満たさなければならない。すなわち、以下の式を満たさなければならない。

ここで、

である。

角度スペクトルが、対物側またはマスク側の格子２８の回折パターンに相当する場合、垂直入射に対するその格子間隔をｐ_ｏとすれば、以下の式が成り立つ。

したがって、回折リトロ格子６０の格子間隔は、対物側の同等の格子の格子間隔の半分になるはずである。

そして、光路の逆反射は全ての次数に対して自動的に保証される。

図７の実施形態において、測定光路が対物側の格子２８を２回通過し、それにより、測定精度を向上することができる。さらに、マスク平面１４内において、入射ビームおよび出射ビームを相互に関連してわずかにオフセットさせることができる。入射ビームおよび出射ビームのオフセットは、リトロ格子１６をデフォーカスおよび傾斜させることにより、またはプリズム反射体またはミラー逆反射体を用いることにより、行うことができる。また、格子２８は、入射測定放射線２１および逆行テスト波３０ｂに対して異なるように書き込むことができる。

図１から図１０に示した回折素子２４，２８，２４、および５４は、格子形状ではなく、ホログラム構造とすることもできる。

１０ 投影露光システム
１２ 投影光学系
１４ マスク平面
１６ 基板平面
１８ 測定デバイス
２０ 測定放射線源
２１ 測定放射線
２２ コリメータ
２４ 照射回折格子
２５ 測定放射線部分ビーム
２６ 結像光学素子
２８ 入射回折格子
３０ テスト波
３０ａ 入射テスト波
３０ｂ 逆行テスト波
３１ 回折個別ビーム
３２ 波面傾斜
３４ 検出回折格子
３６ 検出部分ビーム
３７ 回折個別ビーム
３８ フォトダイオード
４０ 読み出しユニット
４２ 評価ユニット
４４ カップリングミラー
４６ 照射線源
４８ 照射線
５０ 露光光路
５２ 照射光学系
５４ 付加的格子
５６ 加工済み検出部分ビーム
５８ アンカップリングミラー
６０ 逆反射体
６０ａ 透過格子
６０ｂ 反射格子
６２ マスク
６４ 基板
６６ 入射ビーム
６８ 出射ビーム
７０ 反射コーティング
１２６ 結像光学素子
１４４ 部分透過型カップリングミラー

Claims (17)

1. マイクロリソグラフィ用の投影露光システムであって、
   マスク構造を基板平面に結像する投影光学系と、
   照射された測定放射線を前記投影光学系上に向かって異なる方向に伝播する少なくとも２つのテスト波に変換するように構成した入射回折素子と、
   前記測定放射線の光路内における、前記測定放射線が前記入射回折素子に入射する前の位置に配置した照射回折素子であって、前記測定放射線を伝播方向の異なる少なくとも２つの測定放射線部分ビームに変換するように構成した照射回折素子と、
   前記投影光学系通過後の前記テスト波の光路内に配置され、該テスト波から該テスト波の両方の放射部分の混合を有する検出ビームを生成するように構成した検出回折素子、
   前記検出ビームの光路内に配置され、該検出ビームの時間分解した照射強度を記録するように構成した光検出器と、
   記録した前記照射強度に基づき、前記投影光学系の側方結像安定性を測定するように構成した評価ユニットと、
   を備える投影露光システム。
2. 請求項１に記載の投影露光システムにおいて、
   前記評価ユニットは、少なくとも１０Ｈｚの時間分解能で記録された時間分解した放射強度に基づき、前記投影光学系の側方結像安定性を測定するように構成される、投影露光システム。
3. 請求項１または２に記載の投影露光システムにおいて、
   前記少なくとも２つのテスト波は、前記投影光学系の少なくとも１つの平面内で互いに空間的に分離する、投影露光システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロリソグラフィ用の投影露光システムであって、
   前記投影光学系の側方結像安定性を、０．５ｎｍよりも良好な分解能および少なくとも１０Ｈｚの測定速度で、測定するように構成した、投影露光システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影露光システムにおいて、
   前記分解能は０．１ｎｍよりも良好なものであり、特には、３０ｐｍよりも良好なものであり、および/または前記測定速度は少なくとも５０Ｈｚであり、特には、少なくとも２ｋＨｚである、投影露光システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の投影露光システムにおいて、
   前記投影光学系に対し、
   前記入射回折素子を前記マスク側に配置し、
   前記検出回折素子を前記基板側に配置した、投影露光システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影露光システムであって、さらに、
   前記測定放射線部分ビームを前記入射回折素子上に向けるために前記照射回折素子と前記入射回折素子との間に配置した光学素子、を有する投影露光システム。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の投影露光システムにおいて、
   前記照射回折素子および前記入射回折素子は、該照射回折素子から出射する少なくとも２つの前記測定放射線部分ビームが該入射回折素子上での回折により少なくとも２つの回折個別ビームに変換されるように構成され、第１の前記測定放射線部分ビームを回折して生成した前記回折個別ビームの少なくとも一つは、第２の前記測定放射線ビームを回折して生成した前記回折個別ビームの一つと重ね合わされて、その２本の重なり合った個別ビームが１つのテスト波を形成する、投影露光システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の投影露光システムにおいて、
   前記検出回折素子は、前記第１の検出ビームに加え、少なくとも第２の検出ビームおよび第３の検出ビームが前記テスト波から生成されるように構成され、
   該第２の検出ビームは前記２つのテスト波のうちの第１のテスト波の放射部分を少なくとも有し、該第３の検出ビームは前記２つのテスト波のうちの第２のテスト波の放射部分を少なくとも有し、
   投影露光システムは、少なくともさらにもう２つの光検出器を有し、前記第２の検出ビームおよび前記第３の検出ビームのそれぞれの放射強度を検出する、投影露光システム。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の投影露光システムであって、さらに、
    前記マスク構造を前記基板平面内に結像する放射線を生成する照射線源、および
    前記照射線源から独立した、測定放射線を生成する測定放射線源、を有する投影露光シ
    ステム。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の投影露光システムであって、
    前記マスク構造を前記基板平面内に結像する露光光路、および、
    前記測定放射線を、前記マスク側において、前記露光光路内に結合するカップリングミラー、を有する投影露光システム。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の投影露光システムであって、
    前記マスク構造を前記基板平面内に結像する露光光路、および、
    前記テスト波を前記露光光路から分離するアンカップリングミラー、を有する、投影露光システム。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の投影露光システムにおいて、
    前記入射回折素子および前記検出回折素子は同じ回折素子にて構成され、
    投影露光システムは逆反射体を有し、該逆反射体により、前記投影光学系を通過した前記テスト波を自身に逆反射させ、それにより該テスト波が前記投影光学系を再度通過して前記検出回折素子に到達するようにする、投影露光システム。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の投影露光システムにおいて、
    投影光学系はミラーおよび該ミラーの独立した各領域から構成され、
    側方結像安定性を計測するときは、前記ミラーおよび前記ミラーの独立した各領域にテスト波を照射し、前記ミラーおよび前記ミラーの独立した各領域には測定放射線の波長に応じて設計した反射コーティングを施した、投影露光システム。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の投影露光システムであって、
    ＥＵＶ波長域および／またはより高波長域の光により前記マスク構造を前記基板内に結像するように構成される、投影露光システム。
16. マイクロリソグラフィ用の投影露光システムの投影光学系の側方結像安定性を監視する方法において、
    測定放射線は照射回折素子によって伝播方向の異なる少なくとも２つの測定放射部分ビームに変換され、その後、入射回折素子上に照射されて、該測定放射線が該入射回折素子により伝播方向の異なる少なくとも２つのテスト波に変換され、該テスト波はその後前記投影光学系を通過し、
    前記投影光学系を通過した前記テスト波は検出回折素子に到達し、その結果、回折により検出ビームが生成され、該検出ビームは両方の前記テスト波の放射部分の混合を有し、
    前記検出ビームの放射強度は光検出器を用いて記録し、記録した該放射強度により、前記投影光学系の前記側方結像安定性を確定する、方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    請求項１〜１５のいずれか一項に記載の投影露光システムを用いて実施される、方法。
    

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