WO2004031828A1 - Abbildungsoptik - Google Patents

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WO2004031828A1
WO2004031828A1 PCT/EP2003/010476 EP0310476W WO2004031828A1 WO 2004031828 A1 WO2004031828 A1 WO 2004031828A1 EP 0310476 W EP0310476 W EP 0310476W WO 2004031828 A1 WO2004031828 A1 WO 2004031828A1
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WO
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diffractive element
imaging optics
radiation
optics
imaging
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Ceased
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PCT/EP2003/010476
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen DOBSCHAL
Robert Brunner
Knut Hage
Klaus Rudolf
Reinhard Steiner
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Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH
Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/02—Objectives

Definitions

  • the invention relates to an imaging optics with a main optics having a plurality of optical elements, which is corrected for an observation radiation.
  • imaging optics which can be, for example, microscope optics for mask or wafer inspection, are often said to be autofocus capable. Since autofocusing is mostly used simultaneously with the use of the imaging optics, it is necessary to switch to radiation with a wavelength for autofocusing that lies outside the wavelength range of the observation radiation.
  • the wavelength of the observation radiation is often in the deep UV range (for example 157 nm, 193 nm or 248 nm), and the wavelength of the examination radiation for autofocusing is frequently between 650 and 820 nm.
  • the imaging optics it is necessary to correct the imaging optics in such a way that when the imaging optics are ideally focused on a sample to be examined, the focus for the observation radiation coincides with the focus for the examination radiation and that the imaging optics collapse when defocusing has at least similar behavior for the observation radiation and the examination radiation.
  • imaging optics which are suitable both for observation radiation and for examination radiation with a different wavelength than that of the observation radiation, even if the wavelength difference between the two radiations is large, is corrected sufficiently, in particular with regard to chromatic aberrations, such as the longitudinal color error.
  • the object is achieved by an imaging optics with a main optics having a plurality of optical elements, which is corrected for an observation radiation, and also with a transmissive diffractive element which is arranged in the observation beam path of the imaging optics and, in particular, essentially does not essentially change the imaging properties of the main optics for the observation radiation , wherein the diffractive element is further designed such that at least one aberration of the main optics for an examination radiation with a different wavelength than that of the observation radiation is corrected by the diffractive effect of the diffractive element.
  • the diffractive element essentially does not change the imaging properties of the main optics for the observation radiation, the effort for the optical correction of the main optics is significantly reduced.
  • the imaging optics according to the invention especially when used as microscope optics for mask or wafer inspection, it is only possible in this way to achieve certain optical solutions that would not be conceivable in the classical way (only with refractive optical elements).
  • the diffractive element (hereinafter also referred to as the diffraction grating) therefore does not contribute or makes very little to the imaging properties of the imaging optics with regard to the observation radiation and is therefore optically decoupled from the imaging optics for the observation radiation. This considerably simplifies the optical design of such imaging optics.
  • the teaching according to the invention eliminates the need to select the wavelength of the examination radiation as close as possible to the wavelength of the observation radiation for correction reasons, so that laser diodes with short wavelengths (in the UV range), which are relatively expensive, are no longer required for the examination radiation ,
  • the imaging optics according to the invention are even easier to implement the further the wavelength of the examination radiation is from the wavelength of the observation radiation.
  • the wavelength for the examination radiation can be shifted further into the infrared range if the wavelength of the observation radiation is, for example, in the UV range (wavelength less than 300 nm). In the infrared range, there is a large and inexpensive selection of suitable laser diodes, as a result of which the manufacturing costs of the imaging optics according to the invention can be reduced.
  • the diffracted examination radiation of a predetermined, non-zero diffraction order can be used.
  • the diffracted examination radiation of the positive or negative first order is preferably used, since gratings can be easily produced for this diffraction order, which have a high diffraction efficiency in this diffraction order. Diffraction efficiency is understood here to mean the intensity of the radiation emitted corresponding to the diffraction order for the intensity of the radiation incident.
  • the diffraction efficiency of the diffractive element for the zeroth diffraction order of the observation radiation is greater than the sum of the diffraction efficiencies of all remaining diffraction orders of the observation radiation.
  • the diffraction efficiency for the zeroth diffraction order is several times greater than the sum of the diffraction efficiencies of the remaining diffraction orders. This ensures that the diffractive element essentially does not change the imaging properties of the main optics for the observation beams.
  • the diffraction efficiency of the diffractive element for the zero diffraction order of the observation radiation can be at least 80%. With this size of the diffraction efficiency it is ensured that the imaging properties of the main optics for the observation radiation are essentially not changed by the diffraction grating.
  • the diffractive element of the imaging optics can in particular be a phase grating. Compared to an amplitude grating, this has the advantage that parts of the incident radiation are not simply blocked, so that almost the entire intensity of the radiation incident on the diffractive element can be used.
  • the diffractive element can be a grating that is symmetrical, preferably rotationally symmetrical, with respect to the optical axis of the main optics.
  • a symmetrical grating is easy to manufacture and, owing to its symmetry, can also be aligned more easily in the production of the imaging optics.
  • a particularly preferred development of the imaging optics according to the invention consists in the fact that the grating frequency of the diffractive element increases radially outwards from the optical axis of the main optics.
  • the desired correction of the imaging error for the examination radiation can thus be implemented.
  • the depressions of the diffractive element are formed in a preferred development such that the depth of the individual depressions decreases with increasing radial distance of the depression from the center of the diffractive element.
  • the depressions can also be formed so that they are all of the same depth. In this case, the manufacture of the grid is simplified.
  • the diffractive element can have annular depressions which are formed concentrically.
  • Such a diffractive element can be formed, for example, using the holographic standing wave method.
  • the diffractive element can be formed, for example, on one side of a plane-parallel plate. This has the advantage that the production on a flat side with the desired accuracy is easily possible.
  • the diffractive element essentially does not change the imaging properties of the main optics for the observation radiation, when the wavelength of the examination radiation changes, only the existing diffractive element has to be replaced by a diffractive element adapted to the new wavelength. Changes in the main optics are not necessary, which means that adaptation to the other wavelength of the examination radiation is quick and easy.
  • the exchange can be easily realized, in particular when the diffractive element is formed on a plane-parallel plate.
  • the diffractive element can also be formed on an optical active surface of a refractive optical element in the main optics.
  • This is advantageous in that no additional body (such as the plane-parallel plate) has to be provided in the main optics, as a result of which the size of the imaging optics and also their weight can be minimized. Due to the smaller number of elements of the imaging optics, the production of the imaging optics can also be carried out more quickly and cost-effectively.
  • a preferred embodiment of the imaging optics according to the invention is that the diffractive element is formed only in an annular area on the side of the plane-parallel plate or on the optical active surface of the optical element. This is advantageous, for example, for certain autofocusing principles in which the examination radiation for autofocusing only passes through an annular area in a plane perpendicular to the optical axis of the imaging optics.
  • the observation radiation is generally in the entire area, that is also the area enclosed by the annular area pass through, so that for this reason alone the influence of the diffractive element (due to its smaller area) on the observation radiation can be minimized or almost completely suppressed.
  • the diffractive element can be designed as a blaze grating (grating with a sawtooth profile).
  • a blaze grating the diffraction efficiency for the desired diffraction order is extremely high, so that light sources for the examination wavelength can be used with low intensity.
  • the flanks of the depressions are continuous, so that advantageously hardly any diffuse scattered radiation is generated by the illuminating radiation.
  • the diffractive element can also have a blaze structure approximated by steps.
  • each active edge is approximated by a staircase function, two steps per edge being provided in the simplest case.
  • Such a diffractive element can, for. B. by means of structuring methods known from semiconductor production, any profile profiles can be realized. In particular, such profile profiles can be generated that are not or only very difficult to generate using holographic methods.
  • the diffractive element can preferably be arranged in the area with the largest beam diameter of the observation radiation in the main optics. This leads to the advantage that diffracted radiation of zero order of the observation radiation, if it is generated, is largely shadowed on the sockets of the optical elements following the diffractive element or the imaging optics with a clearly different focal length than that not diffracted by the diffractive element Observation radiation (zeroth diffraction order), which is used for imaging, leaves, so that the diffracted radiation of zero order is expanded very strongly and thus leads to a very low deterioration of the imaging.
  • the main optics have a second diffractive element, which has a refraction-enhancing and achromatizing effect for the observation radiation. Since the dispersion of a diffractive element is opposed to the dispersion of refractive elements, no or less fluorspar lenses have to be used for achromatization in the imaging optics according to the invention for applications in the UV range (compared to an imaging optics without a diffractive element). This leads to a significant simplification of the production of the imaging optics compared to conventional imaging optics for the UV range, which due to the required achromatization usually also contain lenses made from fluorspar.
  • the second diffractive element has a relatively high positive refractive power (or high positive effect) compared to a refractive element, so that the number of optical elements of the imaging optics according to the invention is significantly reduced compared to an imaging optics formed from exclusively refractive elements.
  • This is particularly advantageous in the case of high-performance imaging optics, which are achromatized for a wavelength range of a few nanometers or less, since, because of the extremely high precision with which the optical elements have to be manufactured and adjusted, each optical element saved can be manufactured at a significantly more cost-effective and faster way Imaging optics leads.
  • the imaging optics according to the invention can easily be implemented as an exchange lens that can be used in existing devices, such as optical inspection systems and microscopes can be used without having to change these devices.
  • these devices can easily be retrofitted with the imaging optics according to the invention, which can have a very high numerical aperture and at the same time a very large working distance.
  • the second diffractive element can preferably be designed such that, in addition to its achromatizing and refraction-enhancing effect, spherical errors of higher order of the main optics, which are generated by the remaining optics elements, are also compensated.
  • the second diffractive element which takes over the achromatizing effect for the observation radiation in the imaging optics according to the invention, can overcome the difficulties of the lens margins being too narrow and the air gaps between the lenses being too narrow due to the necessary achromatization when the imaging optics consist exclusively of refractive elements Lenses, in particular at the lens edges, which complicates the mounting technology extremely, are avoided, so that advantageously the mounting of the optical elements in the invention Imaging optics is significantly simplified. For this reason too, the imaging optics according to the invention can be produced inexpensively and quickly.
  • the second diffractive element does not significantly influence the imaging properties of the main optics for the examination radiation. This leads to the advantage that the correction of the aberration of the main optics for the examination radiation is carried out exclusively by the first diffractive element.
  • the diffraction efficiency of the second diffractive element for the zeroth diffraction order of the examination radiation is greater than the sum of the diffraction efficiencies of all remaining diffraction orders of the examination radiation, the diffraction-related effect of the second diffractive element on the examination radiation can be neglected.
  • the desired achromatization of the main optics for a wavelength range containing the wavelength of the observation radiation can be effected completely by the second diffractive element.
  • the desired achromatization is the complete achromatization of the imaging optics for the observation radiation
  • optical systems downstream of the imaging optics such as e.g. a tube lens in a microscope, with regard to its achromatization properties, be designed completely independently of the imaging optics.
  • Imaging optics emerging beam is not fully achromatized. The missing one
  • a contribution to the complete achromatization can then be made by an optical system downstream of the imaging optics (e.g. a tube lens with a microscope).
  • an optical system downstream of the imaging optics e.g. a tube lens with a microscope.
  • the achromatization of the main optics (which is preferably not itself achromatized at all) can be effected essentially or exclusively by the at least one second diffractive element (or also by several second diffractive elements).
  • all optics elements of the main optics and the first diffractive element are formed from a maximum of two different materials, preferably from the same material. Since the achromatization is effected by the second diffractive element, materials can be selected that are best suited for the spectral range of the observation radiation. For example, you can choose the material with the best transmission properties and / or the material that is easiest to work with.
  • the optical elements can consist of quartz and / or calcium fluoride. With an observation radiation of 193nm, 248nm and 266nm, Suprasil, synthetic quartz, is preferred and at 157nm, fluorspar is the preferred material.
  • all optical elements of the main optics and the first diffractive element can be held without cement. This advantageously avoids the disadvantage of aging and destruction of the putty which occurs in systems with optical putty, which occurs particularly at wavelengths in the UV range and is a great difficulty there. A very long period of use of the imaging optics according to the invention can thus be ensured.
  • the second diffractive element can preferably be formed on a plane-parallel plate or on an optical active surface of a refractive optical element of the main optics.
  • the first diffractive element can be formed on one side of a plane-parallel plate or a refractive optical element of the main optics and the second diffractive element on the other side of the plane-parallel plate or the refractive optical element.
  • the imaging optics are designed as autofocus capable imaging optics, which also comprise a beam splitter, with which the examination radiation (for autofocusing) can be coupled into and out of the observation beam path of the imaging optics.
  • This beam splitter can be designed, for example, so that it reflects the examination radiation and transmits the observation radiation. Alternatively, it can of course also reflect the observation radiation and transmit the examination radiation.
  • an autofocus unit can also be provided, which generates the examination radiation to be coupled in and evaluates the coupled out examination radiation with regard to the autofocusing.
  • autofocusing principles that are known to the person skilled in the art can be used.
  • the autofocusing can thus be carried out according to the triangulation principle.
  • the auto focus unit is designed accordingly.
  • the wavelength of the examination radiation is preferably greater than that of the observation radiation, the imaging optics according to the invention being the simpler to design, the greater the wavelength spacing.
  • the imaging optics are preferably designed such that when the imaging optics are ideally focused on a sample to be examined, the focus for the observation radiation coincides with the focus for the examination radiation and that the imaging optics have at least similar behavior when defocused has the observation radiation and the examination radiation.
  • a manufacturing method of imaging optics in which a main optics having a plurality of optical elements is computationally compiled and corrected for a given observation radiation, then a transmissive diffractive element is computationally arranged in the observation beam path of the imaging optics and its phase function is optimized so that the imaging properties of the Main optics for the observation radiation are essentially not changed and at least one aberration of the main optics for an examination radiation with a different wavelength than that of the observation radiation is corrected by the diffractive effect of the diffractive element, and which also generates the optical data necessary for the production of the imaging optics calculated in this way and the imaging optics are produced on the basis of the optical data generated.
  • the phase function indicates which phase change of the incident radiation is impressed when passing through the diffractive element.
  • a polynomial is used as the phase function.
  • the at least one aberration of the skin optics for the examination radiation can be a chromatic aberration, such as the longitudinal color error.
  • the color-dependent opening error or color-dependent Gaussian error
  • the color-dependent Gaussian error can also be minimized.
  • the main optics can be optimized in a known manner without having to take into account the imaging properties of the main optics for the examination radiation. This considerably simplifies the optical design of the imaging optics, in particular if the wavelength distance between the observation radiation and the examination radiation is large (for example greater than 400 nm).
  • the diffractive element optimized for correcting the aberration of the main optics for the examination radiation. In order to minimize the effect of the diffractive element for the observation radiation, it is designed with an extremely high diffraction efficiency for the zero order of diffraction of the observation radiation.
  • This can be used to select a furrow depth at which there is a high diffraction efficiency of the zeroth diffraction order of the observation radiation and a high diffraction efficiency of the first diffraction order of the examination radiation if the wavelength of the examination radiation (which is preferably used for autofocusing) is greater than that observation radiation.
  • the optimization of the diffractive element can be carried out in such a way that the imaging optics described above can be implemented.
  • the computation of the imaging optics and the optimization of the diffractive element is preferably carried out using a computer.
  • the diffractive element can be optimized in particular by calculating the phase changes impressed by the diffraction grating of the illuminating and examination radiation, from which the grating effects are then derived. The phase changes are adjusted during the optimization so that the desired lattice effects are achieved.
  • the method according to the invention can also be used with hybrid main optics (a main optic that includes both refractive and diffractive optical elements).
  • hybrid main optics a main optic that includes both refractive and diffractive optical elements.
  • the further diffractive element in the correction of the main optics, is advantageously designed such that it has a high diffraction efficiency in a predetermined, non-zeroth diffraction order for the observation radiation (the first diffraction order is preferred). There may be a high zero order diffraction efficiency for the examination radiation. When optimizing the first diffractive element, however, care is taken to ensure that there is a high diffraction efficiency for the observation radiation in the zeroth diffraction order. A high diffraction efficiency for the examination radiation in the predetermined, non-zero diffraction order is also preferably given.
  • FIG. 1 shows a lens section of the optical structure of the imaging optics according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram showing the grating frequency of the diffractive element
  • Fig. 3 is a graph showing the grating frequency of the diffraction grating
  • Fig. 4 shows the profile shape of the diffraction grating
  • Fig. 5 is a plan view of the diffraction grating.
  • the imaging optics 1 comprise a transmissive diffractive element 10 (also called diffraction grating in the following) and a main optic 9, which has several refractive optical elements 2, 3, 4, 6, 7 and 8, and a second diffractive element 5.
  • a transmissive diffractive element 10 also called diffraction grating in the following
  • main optic 9 which has several refractive optical elements 2, 3, 4, 6, 7 and 8, and a second diffractive element 5.
  • an object of which an object point P is drawn in the object plane, can be imaged.
  • three rays of the beam path for the observation radiation are shown.
  • a parallel beam path is present behind the optical element 8.
  • the main optics 9 is followed by a beam splitter 11, via which the examination radiation for autofocusing can be coupled in and out of the beam path for the observation radiation.
  • the imaging optics 1 are designed for observation radiation with a wavelength of 248 nm and an examination radiation with a wavelength of 785 nm, the main optics 9 being corrected only for the observation radiation (and not for the examination radiation).
  • the longitudinal color error of the main optics 9 for the examination radiation is corrected by means of the diffraction grating (or first diffractive element) 10.
  • the diffraction grating 10 is designed such that the diffraction effect of the grating 10 with respect to the positive first diffraction arrangement of the examination radiation compensates for the longitudinal color error of the main optics 9 for the examination radiation.
  • the imaging optics ie main optics 9 + diffraction grating 10) for the examination radiation used for auto-focusing are corrected with regard to the longitudinal color error.
  • the diffraction grating 10 is also designed such that its diffraction efficiency is as high as possible for the zero diffraction order of the observation radiation (preferably at least 80%), so that the diffraction grating does not significantly influence the imaging properties of the imaging optics for the observation radiation.
  • the design and arrangement of the optical elements 2 to 8 (except for the grating profiles) of the imaging optics 9 can be found in the table below, the distance between the individual surfaces along the optical axis OA of the imaging optics being indicated (P stands for the sample plane).
  • the second diffractive optical element 5 is a transmissive phase grating, in which annular furrows which are arranged concentrically to the optical axis OA of the imaging optics 1 are formed in the surface F6 facing the object plane.
  • the second diffractive optical element 5 is designed such that on the one hand it increases the refraction for the main optics 9 (ie an increase in the positive effect or positive refractive power) and on the other hand it completely achieves the achromatization in the given spectral range for the observation radiation, the diffracted here Radiation of the positive first order is used as useful light for the imaging.
  • the diffracted radiation of other orders is scattered light, which should not contribute to the image if possible so as not to worsen it.
  • the first diffraction order in which a parallel beam (a beam parallel to the optical axis OA) is deflected toward the optical axis OA is referred to as a positive first order.
  • the first diffraction order, in which a parallel beam is deflected away from the optical axis OA, is referred to as the negative first diffraction order.
  • the deflection angle for the diffracted light of the positive first order is set via the grating frequency of the diffractive optical element 5. It can be practical Grid frequency by means of optimization calculations based on the following phase polynomial p (r)
  • phase polynomial p (r) indicates the phase shift as a function of the radial distance r, and the lattice frequency of the diffractive element can be calculated from the derivation of the phase polynomial after the radial distance r. From this grating frequency, it is then possible in turn for its incident angle to be determined for each incident beam (depending on its wavelength), as a result of which the achromatizing and refraction-enhancing effect of the grating can then be determined.
  • the furrow shape which is decisive for the diffraction efficiency, can be derived by means of scalar diffraction theory or also RCWA theory (Rigorous Coupled Wavefront Analysis), as is known to the person skilled in the art.
  • the second diffractive element 5 can be generated, for example, by means of the holographic standing wave method, in which at least one of the two exposure waves is a spherical wave (and the other is a spherical wave or a plane wave) and the two waves run in opposite directions.
  • the wavelength of the exposure waves is 248nm and the distance between the source points of both spherical waves to a layer to be exposed, which z. B. is applied to a plane-parallel plate made of Suprasil and in which the latent lattice structure is generated, is 35.31 mm.
  • the exposed layer is then developed and used e.g. B.
  • the course of the grating frequency of the diffractive element 5 is shown in FIG. 2.
  • the distance from the grid center M is plotted on the abscissa and the number of furrows per mm is shown on the ordinate.
  • the grating center M coincides with the optical axis OA of the imaging optics 1.
  • a diffraction grating for the examination wavelength for autofocusing is formed on the surface F10, the diffraction grating being a transmissive phase grating.
  • the diffraction grating on the surface F10 is derived in the same way as the diffraction grating of the diffractive element from the above-mentioned phase polynomial p (r), where
  • the following coefficients a- ⁇ result (the furrow shape is in turn derived using scalar diffraction theory or RCWA theory):
  • the course of the grating frequency of the diffraction grating 10 is shown in the same representation as in FIG. 2 for the diffractive element 5 in FIG. 3. It can be seen from this that the grating frequency of the diffractive element 5 increases more than that of the diffraction grating 10.
  • FIG. 4 also shows schematically the furrow shape of the diffraction grating 10, for example in the region of + 2 mm from the center M.
  • the dashed line shows the blaze profile shape 12, which is the result of the above optimization calculation and derivation (eg by means of the RCWA therapy).
  • This blaze profile shape 12 is approximated here for each profile flank FL1, FL2, FL3, FL4 by a step function with two steps. It has been shown that such a rectangular profile, with which the blaze profile shape 12 is approximated, has the desired optical properties.
  • the imaging optics 1 are first optimized for the observation radiation, only one plane-parallel plate being taken into account for the diffraction grating 10 in the optimization.
  • the second diffractive element 5 is also calculated in the manner specified above.
  • the desired grating profile is now arithmetically provided on the surface F10 of the plane-parallel plate 10 and optimized so that the color longitudinal error of the main optics 9 for the examination radiation is corrected as completely as possible and that the diffraction efficiency of the zeroth diffraction order of the observation radiation is as large as possible, so that the diffraction grating 10 does not significantly deteriorate the imaging properties of the imaging optics which have already been optimized for the observation radiation.
  • the optics 1 optimized in this way, when the optics 1 are ideally focused on a sample to be examined, the focus for the observation radiation B coincides with the focus for the examination radiation U and when the imaging optics are defocused, there is at least similar behavior for the observation radiation B and the examination radiation U available.
  • pupil division takes place for the examination radiation U, as indicated by the arrows in the examination radiation U, so that the examination radiation U only in certain areas B1 and B2 onto the diffraction grating 10 hits, as indicated in the schematic plan view of the diffraction grating 10 in FIG. 5.
  • the central region B3, delimited by both regions B1 and B2, is not exposed to the examination radiation U, so that in this region no grating profile of the diffraction grating 10 has to be formed at all.
  • this area B3 since observation radiation passes through this area B3, this leads to the further advantage that the influence of the diffraction grating 10 on the imaging properties of the main optics for the observation radiation can be further minimized.
  • the areas B1 and B2 are arranged in a ring, and can also be designed as a closed ring area.

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Abstract

Bei einer Abbildungsoptik (1) mit einer mehrere Optikelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7) aufweisenden Hauptoptik (9), die für eine Beobachtungsstrahlung korrigiert ist, ist ferner ein transmissives diffraktiven Elements (10) vorgesehen, das im Beobachtungsstrahlengang der Abbildungsoptik (1) so angeordnet and ausgebildet ist, dass zumindest ein Abbildungsfehler der Hauptoptik für eine Untersuchungsstrahlung mit einer anderen Wellenlänge als die der Beobachtungsstrahlung durch die diffraktive Wirkung des diffraktiven Elements (10) korrigiert ist.

Description

Abbildungsoptik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abbildungsoptik mit einer mehrere Optikelemente aufweisenden Hauptoptik, die für eine Beobachtungsstrahlung korrigiert ist.
Eine solche Abbildungsoptik, die beispielsweise eine Mikroskopoptik für die Masken- oder Waferinspektion sein kann, soll häufig autofokusfähig sein. Da die Autofokussierung meistens simultan zur Nutzung der Abbildungsoptik eingesetzt wird, ist es-notwendig, auf eine Strahlung mit einer Wellenlänge für die Autofokussierung auszuweichen, die außerhalb des Wellenlängenbereichs der Beobachtungsstrahlung liegt.
Bei einer Mikroskopoptik für die Masken- oder Waferinspektion liegt die Wellenlänge der Beobachtungsstrahlung häufig im tiefen UV-Bereich (beispielsweise 157nm, 193nm oder 248nm), und die Wellenlänge der Untersuchungsstrahlung für die Autofokussierung liegt häufig zwischen 650 bis 820nm. Um eine korrekte Funktion der Autofokussierung zu gewährleisten, ist es notwendig, die Abbildungsoptik so zu korrigieren, daß bei idealer Fokussierung der Abbildungsoptik auf eine zu untersuchende Probe der Fokus für die Beobachtungsstrahlung mit dem Fokus für die Untersuchungsstrahlung zusammenfällt und daß die Abbildungsoptik bei einer Defokussierung ein zumindest ähnliches Verhalten für die Beobachtungsstrahlung und die Untersuchungsstrahlung aufweist.
Aufgrund des großen Wellenlängenunterschieds zwischen der Beobachtungsstrahlung (tiefer UV-Bereich) und der Untersuchungsstrahlung für die Autofokussierung (650-820nm) ist ein enormer optischer Aufwand notwendig, um beispielsweise den Farblängsfehler sowohl für die Beobachtungsstrahlung als auch für die Untersuchungsstrahlung zu beherrschen. Dies ist oft nur unzureichend oder auf Kosten der Qualität der Abbildung für die Beobachtungsstrahlung möglich.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Abbildungsoptik zur Verfügung zu stellen, die sowohl für eine Beobachtungsstrahlung als auch für eine Untersuchungsstrahlung mit einer anderen Wellenlänge als die der Beobachtungsstrahlung, selbst wenn der Wellenlängenunterschied zwischen beiden Strahlungen groß ist, ausreichend korrigiert ist, insbesondere hinsichtlich chromatischer Abbildungsfehler, wie z.B. der Farblängsfehler.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Abbildungsoptik mit einer mehrere Optikelemente aufweisenden Hauptoptik, die für eine Beobachtungsstrahlung korrigiert ist, und ferner mit einem transmissiven diffraktiven Element gelöst, das im Beobachtungsstrahlengang der Abbildungsoptik angeordnet ist und insbesondere die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlung im wesentlichen nicht verändert, wobei das diffraktive Element ferner so ausgebildet ist, daß zumindest ein Abbildungsfehler der Hauptoptik für eine Untersuchungsstrahlung mit einer anderen Wellenlänge als die der Beobachtungsstrahlung durch die diffraktive Wirkung des diffraktiven Elements korrigiert ist.
Da das diffraktive Element die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlung im wesentlichen nicht verändert, verringert sich der Aufwand für die optische Korrektur der Hauptoptik deutlich. Bei vielen Anwendungsfällen der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik (insbesondere bei der Verwendung als Mikroskopoptik für die Masken- oder Waferinspektion) wird es hierdurch erst möglich, bestimmte optische Lösungen zu erreichen, die klassisch (nur mit refraktiven Optikelementen) nicht denkbar wären.
Das diffraktive Element (im folgenden auch Beugungsgitter genannt) trägt somit nicht oder nur sehr gering zu den Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik hinsichtlich der Beobachtungsstrahlung bei und ist daher für die Beobachtungsstrahlung optisch von der Abbildungsoptik entkoppelt. Dies vereinfacht das Optikdesign einen solchen Abbildungsoptik erheblich.
Durch die erfindungsgemäße Lehre entfällt der bisher vorliegende Zwang, die Wellenlänge der Untersuchungsstrahlung aus Korrekturgründen möglichst nahe an der Wellenlänge der Beobachtungsstrahlung zu wählen, so daß für die Untersuchungsstrahlung keine Laserdioden mit kurzen Wellenlängen (im UV-Bereich) mehr benötigt werden, die relativ teuer sind. Die erfindungsgemäße Abbildungsoptik läßt sich sogar um so leichter realisieren, je weiter die Wellenlänge der Untersuchungsstrahlung von der Wellenlänge der Beobachtungsstrahlung entfernt ist. So läßt sich die Wellenlänge für die Untersuchungsstrahlung, wenn die Wellenlänge der Beobachtungsstrahlung beispielsweise im UV-Bereich (Wellenlänge kleiner als 300nm) liegt, weiter in den Infrarot-Bereich verschieben. Im Infrarot-Bereich gibt es eine große und preiswerte Auswahl von geeigneten Laserdioden, wodurch sich die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik senken lassen. Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik zur Korrektur des Abbildungsfehlers, der bevorzugt ein chromatischen Abbildungsfehler ist (wie z. B. der Farblängsfehler oder der farbabhängige öffnungsfehler), die gebeugte Untersuchungsstrahlung einer vorbestimmten, nicht nullten Beugungsordnung eingesetzt werden. Bevorzugt wird dabei die gebeugte Untersuchungsstrahlung der positiven oder negativen ersten Ordnung verwendetet, da für diese Beugungsordnung leicht Gitter hergestellt werden können, die eine hohe Beugungseffizienz in dieser Beugungsordnung aufweisen. Unter Beugungseffizienz wird hier die Intensität der ausfallenden Strahlung der entsprechenden Beugungsordnung zur Intensität der einfallenden Strahlung verstanden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik ist die Beugungseffizienz des diffraktive Elements für die nullte Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung (die Beobachtungsstrahlung der nullten Beugungsordnung ist die nicht gebeugte Beobachtungsstrahlung) größer als die Summe der Beugungseffizienzen aller restlichen Beugungsordnungen der Beobachtungsstrahlung. Insbesondere ist die Beugungseffizienz für die nullte Beugungsordnung um ein Mehrfaches größer als die Summe der Beugungseffizienzen der restlichen Beugungsordnungen. Damit wird sichergestellt, daß das diffraktive Element die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlen im wesentlichen nicht verändert.
Ferner kann die Beugungseffizienz des diffraktiven Elements für die nullte Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung mindestens 80% betragen. Bei dieser Größe der Beugungseffizienz ist gewährleistet, daß die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlung durch das Beugungsgitter im wesentlichen nicht verändert sind.
Das diffraktive Element der Abbildungsoptik kann insbesondere ein Phasengitter sein. Dies beinhaltet gegenüber einem Amplitudengitter den Vorteil, daß nicht einfach Teile der einfallenden Strahlung abgeblockt werden, so daß nahezu die gesamte Intensität der auf das diffraktive Element einfallenden Strahlung genutzt werden kann.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik das diffraktive Element ein zur optischen Achse der Hauptoptik symmetrisches, bevorzugt rotationssymmetrisches Gitter sein. Ein symmetrisches Gitter läßt sich leicht fertigen und läßt sich aufgrund seiner Symmetrie auch leichter bei der Fertigung der Abbildungsoptik in dieser ausrichten.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik besteht darin, daß die Gitterfrequenz des diffraktiven Elements von der optischen Achse der Hauptoptik radial nach außen hin zunimmt. Damit läßt sich die gewünschte Korrektur des Abbildungsfehlers für die Untersuchungsstrahlung realisieren. Um eine möglichst optimale Beugungseffizienz für die Untersuchungsstrahlung zu verwirklichen, sind in einer bevorzugten Weiterbildung die Vertiefungen des diffraktiven Elements so gebildet, daß mit zunehmendem radialen Abstand der Vertiefung von der Mitte des diffraktiven Elements die Tiefe der einzelnen Vertiefungen abnimmt.
Alternativ können die Vertiefungen aber auch so gebildet sein, daß sie alle gleich tief ausgebildet sind. In diesem Fall ist die Herstellung des Gitters vereinfacht.
Insbesondere kann das diffraktive Element ringförmige Vertiefungen aufweisen, die konzentrisch ausgebildet sind. Ein solches diffraktives Element läßt sich beispielsweise mittels des holographischen Stehwellenverfahrens bilden.
Das diffraktive Element kann beispielsweise auf einer Seite einer planparallelen Platte ausgebildet sein. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Herstellung auf einer planen Seite mit der gewünschten Genauigkeit leicht möglich ist.
Da das diffraktive Element die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlung im wesentlichen nicht verändert, muß bei einer Änderung der Wellenlänge der Untersuchungsstrahlung nur das vorhandene diffraktive Element durch ein an die neue Wellenlänge angepaßtes diffraktives Element ersetzt werden. Änderungen in der Hauptoptik sind nicht nötig, wodurch eine Anpassung an die andere Wellenlänge der Untersuchungsstrahlung schnell und leicht möglich ist. Insbesondere bei der Ausbildung des diffraktiven Elements auf einer planparallelen Platte läßt sich der Austausch leicht verwirklichen.
Alternativ kann das diffraktive Element auch auf einer optischen Wirkfläche eines refraktiven Optikelements in der Hauptoptik ausgebildet sein. Dies ist in der Hinsicht vorteilhaft, daß kein zusätzlicher Körper (wie z.B. die planparalle Platte) in der Hauptoptik vorgesehen werden muß, wodurch sich die Größe der Abbildungsoptik und auch ihr Gewicht minimieren läßt. Aufgrund der geringeren Anzahl der Elemente der Abbildungsoptik kann auch die Fertigung der Abbildungsoptik schneller und kostengünstiger erfolgen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik besteht darin, daß das diffraktive Element nur in einem ringförmigen Bereich auf der Seite der planparallelen Platte bzw. auf der optischen Wirkfläche des Optikelements ausgebildet ist. Dies ist beispielsweise für gewisse Autofokussierungsprinzipien von Vorteil, bei denen die Untersuchungsstrahlung für die Autofokussierung nur durch einen ringförmigen Bereich in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik hindurchtritt. Die Beobachtungsstrahlung wird jedoch in der Regel in den gesamten Bereich, also auch den von dem ringförmigen Bereich umschlossen Bereich durchlaufen, so daß schon aus diesem Grund der Einfluß des diffraktiven Elements (aufgrund seiner kleineren Fläche) auf die Beobachtungsstrahlung minimiert bzw. fast vollständig unterdrückt werden kann.
Ferner kann das diffraktive Element als Blaze-Gitter (Gitter mit einem Sägezahnprofil) ausgebildet sein. Bei einem Blaze-Gitter ist die Beugungseffizienz für die gewünschte Beugungsordnung außerordentlich hoch, so daß Lichtquellen für die Untersuchungswellenlänge mit geringer Intensität eingesetzt werden können.
Wenn das Blaze-Gitter mittels holographischer Verfahren (wie z.B. das holographische Stehwellenverfahren) gebildet wird, sind die Flanken der Vertiefungen stetig, so daß vorteilhaft so gut wie keine diffuse Streustrahlung von der Beleuchtungsstrahlung erzeugt wird.
Alternativ kann das diffraktive Element auch eine durch Stufen angenäherte Blaze-Struktur aufweisen. In diesem Fall ist jede Wirkflanke durch eine Treppenfunktion angenähert, wobei im einfachsten Fall zwei Stufen pro Flanke vorgesehen werden. Ein solches diffraktives Element läßt sich z. B. mittels aus der Halbleiterfertigung bekannter Strukturierungsverfahren herstellen, wobei beliebige Profilverläufe realisiert werden können. So können insbesondere solche Profilverläufe erzeugt werden, die mittels holographischer Verfahren nicht oder nur sehr schwer erzeugbar sind.
Das diffraktive Element kann bevorzugt im Bereich mit dem größten Bündeldurchmesser der Beobachtungsstrahlung in der Hauptoptik angeordnet sein. Dies führt zu dem Vorteil, daß gebeugte Strahlung nicht nullter Ordnung der Beobachtungsstrahlung, sofern dieses erzeugt wird, an den Fassungen der dem diffraktiven Element nachfolgenden Optikelemente zum großen Teil abgeschattet wird oder die Abbildungsoptik mit einer deutlich anderen Schnittweite als die nicht durch das diffraktive Element gebeugte Beobachtungsstrahlung (nullte Beugungsordnung), die zur Abbildung verwendet wird, verläßt, so daß die gebeugte Strahlung nicht nullter Ordnung sehr stark aufgeweitet wird und dadurch zu einer höchsten sehr geringen Verschlechterung der Abbildung führt.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik weist die Hauptoptik ein zweites diffraktives Element auf, das für die Beobachtungsstrahlung brechungsverstärkend und achromatisierend wirkt. Da die Dispersion eines diffraktiven Elements gegenläufig ist zur Dispersion von refraktiven Elementen, müssen bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik für Anwendungen im UV-Bereich keine oder weniger Linsen aus Flußspat zur Achromatisierung eingesetzt werden (im Vergleich zu einer Abbildungsoptik ohne diffraktives Element). Das führt zu einer deutlichen Vereinfachung der Herstellung der Abbildungsoptik im Vergleich zur herkömmlichen Abbildungsoptiken für den UV-Bereich, die aufgrund der geforderten Achromatisierung in der Regel auch Linsen aus Flußspat enthalten.
Auch können mittels dem zweiten diffraktiven Element vorteilhaft weitere Abbildungsfehler, wie z.B. die sphärische Aberration und Koma der Hauptoptik vermindert bzw. korrigiert werden, wodurch diese Abbildungsfehler vorteilhafterweise nicht mehr auftreten.
Ferner besitzt das zweite diffraktive Element eine relativ hohe positive Brechkraft (bzw. hohe positive Wirkung) im Vergleich zu einem refraktiven Element, so daß die Anzahl der Optikelemente der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik im Vergleich zu einer aus ausschließlich refraktiven Elementen gebildeten Abbildungsoptik deutlich verringert ist. Dies ist insbesondere bei Hochleistungsabbildungsoptiken, die für einen Wellenlängenbereich von einigen Nanometern oder weniger achromatisiert sind, von besonderem Vorteil, da aufgrund der extrem hohen Genauigkeit, mit der die optischen Elemente gefertigt und justiert werden müssen, jedes eingesparte Optikelement zu einer deutlich kostengünstigeren und schneller herzustellenden Abbildungsoptik führt.
Des weiteren läßt sich auch noch vorteilhaft eine sehr viel kürzere Baulänge der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik im Vergleich zu einer herkömmlichen Abbildungsoptik (rein refraktiv) mit gleicher Apertur und gleichem Arbeitsabstand realisieren, wodurch sich die erfindungsgemäße Abbildungsoptik leicht als Austauschobjektiv realisieren läßt, das in schon vorhandene Geräte, wie z.B. optische Inspektionssysteme und Mikroskope, eingesetzt werden kann, ohne daß dazu diese Geräte verändert werden müssen. Dadurch können diese Geräte problemlos mit der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik, die eine sehr hohe numerische Apertur und gleichzeitig einen sehr großen Arbeitsabstand aufweisen kann, einfach nachgerüstet werden.
Das zweite diffraktive Element kann bevorzugt so ausgelegt werden, daß neben seiner achromatisierenden und brechungsverstärkenden Wirkung auch noch sphärische Fehler höherer Ordnung der Hauptoptik, die durch die restlichen Optikelemente erzeugt werden, kompensiert werden.
Des weiteren können durch das zweite diffraktive Element, das in der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik die achromatisierende Wirkung für die Beobachtungsstrahlung übernimmt, die bei einer ausschließlich aus refraktiven Elementen bestehenden Abbildungsoptik aufgrund der notwendigen Achromatisierung auftretenden Schwierigkeiten der zu schmalen Randdicken der Linsen und der zu geringen Luftabstände zwischen den Linsen, insbesondere an den Linsenrändern, was die Fassungstechnologie außerordentlich verkompliziert, vermieden werden, so daß vorteilhaft die Fassung der Optikelemente bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik deutlich vereinfacht ist. Auch deswegen läßt sich die erfindungsgemäße Abbildungsoptik kostengünstig und schnell herstellen.
Insbesondere beeinflußt das zweite diffraktive Element die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Untersuchungsstrahlung nicht wesentlich. Dies führt zu dem Vorteil, daß die Korrektur des Abbildungsfehlers der Hauptoptik für die Untersuchungsstrahlung ausschließlich von dem ersten diffraktiven Element durchgeführt wird.
Wenn die Beugungseffizienz des zweiten diffraktiven Elements für die nullte Beugungsordnung der Untersuchungsstrahlung größer ist als die Summe der Beugungseffizienzen aller restlichen Beugungsordnungen der Untersuchungsstrahlung, kann die beugungsbedingte Wirkung des zweiten diffraktiven Elements auf die Untersuchungsstrahlung vernachlässigt werden.
Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik die gewünschte Achromatisierung der Hauptoptik für einen die Wellenlänge der Beobachtungsstrahlung enthaltenen Wellenlängenbereich vollständig vom zweiten diffraktiven Element bewirkt werden.
Wenn die gewünschte Achromatisierung die vollständige Achromatisierung der Abbildungsoptik für die Beobachtungsstrahlung ist, können der Abbildungsoptik nachgeschaltete Optiksysteme, wie z.B. eine Tubuslinse bei einem Mikroskop, bezüglich ihrer Achromatisierungseigenschaften völlig unabhängig von der Abbildungsoptik ausgelegt werden. Alternativ kann die gewünschte
Achromatisierung eine nicht vollständige Achromatisierung der erfindungsgemäßen
Abbildungsoptik sein, so daß das an der der zu untersuchenden Probe abgewandten Seite der
Abbildungsoptik austretende Strahlenbündel nicht vollständig achromatisiert ist. Den fehlenden
Beitrag zur vollständigen Achromatisierung kann dann, falls gewünscht, ein der Abbildungsoptik nachgeschaltetes Optiksystem (z.B. eine Tubuslinse bei einem Mikroskop) liefern.
Bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik kann die Achromatisierung der Hauptoptik (die bevorzugt selbst überhaupt nicht achromatisiert ist) im wesentlichen oder auch ausschließlich durch das zumindest eine zweite diffraktive Element (oder auch durch mehrere zweite diffraktive Elemente) bewirkt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik sind alle Optikelemente der Hauptoptik und das erste diffraktive Element aus maximal zwei unterschiedlichen Materialien, bevorzugt aus dem gleichen Material gebildet. Da die Achromatisierung durch das zweite diffraktive Element bewirkt wird, können Materialien gewählt werden, die für den Spektralbereich der Beobachtungsstrahlung am besten geeignet sind. Man kann beispielsweise das Material mit den besten Transmissionseigenschaften und/oder das Material, das am leichtesten zu bearbeiten ist, auswählen. So können die Optikelemente beispielsweise aus Quarz und/oder Kalziumfluorid bestehen. Bei einer Beobachtungsstrahlung von 193nm, 248nm und 266nm ist Suprasil, synthetischer Quarz, bevorzugt und bei 157nm ist Flußspat das bevorzugte Material.
Insbesondere können bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik alle Optikelemente der Hauptoptik und das erste diffraktive Element kittfrei gehaltert sein. Dadurch wird vorteilhaft der bei Systemen mit optischem Kitt auftretende Nachteil der Alterung und Zerstörung des Kitts, was insbesondere bei Wellenlängen im UV-Bereich auftritt und dort eine große Schwierigkeit darstellt, vermieden werden. Somit kann eine sehr lange Einsatzdauer der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik gewährleistet werden.
Bevorzugt kann bei der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik das zweite diffraktive Element auf einer planparallelen Platte oder auf einer optischen Wirkfläche eines refraktiven Optikelements der Hauptoptik ausgebildet sein. Insbesondere können das erste diffraktive Element auf einer Seite einer planparallelen Platte oder eines refraktiven Optikelements der Hauptoptik und das zweite diffraktive Element auf der anderen Seite der planparallelen Platte bzw. des refraktiven Optikelements ausbildet sein. Dies führt zu dem Vorteil, daß die Anzahl der zusätzlichen Elemente der Abbildungsoptik sehr gering (nur eine planparallele Platte) oder auch null (ein refraktives Optikelement) sein kann.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik ist diese als autofokusfähige Abbildungsoptik ausgebildet, die noch einen Strahlteiler umfaßt, mit dem die Untersuchungsstrahlung (für die Autofokussierung) in den Beobachtungsstrahlengang der Abbildungsoptik ein- und ausgekoppelt werden kann. Dieser Strahlteiler kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß er die Untersuchungsstrahlung reflektiert und die Beobachtungsstrahlung transmittiert. Alternativ kann er natürlich auch die Beobachtungsstrahlung reflektieren und die Untersuchungsstrahlung transmittieren.
Insbesondere kann dabei noch eine Autofokuseinheit vorgesehen sein, die die einzukoppelnde Untersuchungsstrahlung erzeugt und die ausgekoppelte Untersuchungsstrahlung hinsichtlich der Autofokussierung auswertet. Dabei können Autofokussierungsprinzipien eingesetzt werden, die dem Fachmann bekannt sind. So kann die Autofokussierung nach dem Triangulations- Prinzip durchgeführt werden. Die Autofokuseinheit wird dazu entsprechend ausgebildet.
Bevorzugt ist die Wellenlänge der Untersuchungsstrahlung größer als die der Beobachtungsstrahlung, wobei die erfindungsgemäße Abbildungsoptik um so einfacher auszulegen ist, desto größer der Wellenlängenabstand ist. Ein Wellenlängenabstand von mindestens 100nm, insbesondere mindestens 400nm ist bevorzugt. Insbesondere ist die Abbildungsoptik (Hauptoptik mit erstem diffraktiven Element) bevorzugt so ausgebildet, daß bei idealer Fokussierung der Abbildungsoptik auf eine zu untersuchenden Probe der Fokus für die Beobachtungsstrahlung mit dem Fokus für die Untersuchungsstrahlung zusammenfällt und daß die Abbildungsoptik bei einer Defokussierung ein zumindest ähnliches Verhalten für die Beobachtungsstrahlung und die Untersuchungsstrahlung aufweist.
Ferner wird noch ein Herstellungsverfahren einer Abbildungsoptik bereitgestellt, bei dem rechnerisch eine mehrere Optikelemente aufweisende Hauptoptik zusammengestellt und für eine vorgegebene Beobachtungsstrahlung korrigiert wird, danach rechnerisch ein transmissives diffraktives Element in dem Beobachtungsstrahlengang der Abbildungsoptik angeordnet und hinsichtlich seiner Phasenfunktion so optimiert wird, daß die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlung im wesentlichen nicht verändert werden und zumindest ein Abbildungsfehler der Hauptoptik für eine Untersuchungsstrahlung mit einer anderen Wellenlänge als die der Beobachtungsstrahlung durch die diffraktive Wirkung des diffraktiven Elements korrigiert wird, und bei dem ferner für die Fertigung der so berechneten Abbildungsoptik notwendige Optikdaten erzeugt werden und anhand der erzeugten Optikdaten die Abbildungsoptik hergestellt wird.
Die Phasenfunktion gibt an, welche Phasenänderung der einfallenden Strahlung beim Durchlaufen des diffraktiven Elements eingeprägt wird. Insbesondere wird als Phasenfunktion ein Polynom eingesetzt.
Der zumindest eine Abbildungsfehler der Hautoptik für die Untersuchungsstrahlung kann ein chromatischer Abbildungsfehler, wie beispielsweise der Farblängsfehler sein. Zusätzlich kann auch noch der farbabhängige öffnungsfehler (bzw. farbabhängiger Gaußfehler) minimiert werden.
Mit diesem Herstellungsverfahren läßt sich in bekannter Art und Weise die Hauptoptik optimieren, ohne die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Untersuchungsstrahlung berücksichtigen zu müssen. Dies vereinfacht das Optikdesign der Abbildungsoptik erheblich, insbesondere wenn der Wellenlängenabstand zwischen der Beobachtungsstrahlung und der Untersuchungsstrahlung groß ist (beispielsweise größer als 400nm). Erst nach der Optimierung der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlung wird dann das diffraktive Element zur Korrektur des Abbildungsfehlers der Hauptoptik für die Untersuchungsstrahlung optimiert. Um die Wirkung des diffraktiven Elements für die Beobachtungsstrahlung zu minimieren, wird es mit einer äußerst hohen Beugungseffizienz für die nullte Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung ausgelegt. Dies wird durch die Profilform erreicht, wobei tendenziell mit kleiner werdender Wellenlänge die Beugungseffizienz der nullten Ordnung größer und die Beugungseffizienz der ersten Ordnung kleiner wird, wenn die Furchentiefe konstant ist. Dies kann dazu ausgenutzt werden, eine Furchentiefe zu wählen, bei der eine hohe Beugungseffizienz der nullten Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung und eine hohe Beugungseffizienz der ersten Beugungsordnung der Untersuchungsstrahlung vorliegt, wenn die Wellenlänge der Untersuchungsstrahlung (die bevorzugt für eine Autofokussierung eingesetzt wird) größer ist als die der Beobachtungsstrahlung.
Die Optimierung des diffraktiven Elements kann in vorteilhaften Weiterbildungen so ausgeführt werden, daß die oben beschriebenen Abbildungsoptiken realisiert werden können.
Das rechnerische Zusammenstellen der Abbildungsoptik sowie die Optimierung des diffraktiven Elements wird bevorzugt mittels einem Computer durchgeführt. Die Optimierung des diffraktiven Elements kann insbesondere durch die Berechnung der vom Beugungsgitter der Beleuchtungsund Untersuchungsstrahlung eingeprägte Phasenänderungen erfolgen, aus denen dann die Gitterwirkungen abgeleitet werden. Die Phasenänderungen werden bei der Optimierung so eingestellt, daß die gewünschten Gitterwirkungen erreicht werden.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer hybriden Hauptoptik (eine Hauptoptik, die sowohl refraktive als auch diffraktive Optikelemente umfaßt) eingesetzt werden. Gerade bei solchen Hauptoptiken war es aufgrund der starken dispersiven Wirkung des bzw. der weiteren diffraktiven Elemente bisher fast unmöglich, eine gleichzeitige Korrektur des Farblängsfehlers für die Beobachtungs- und Untersuchungsstrahlung zu erreichen.
Vorteilhaft wird beim erfindungsgemäßen Verfahren bei der Korrektur der Hauptoptik das weitere diffraktive Element so ausgelegt, daß es eine hohe Beugungseffizienz in einer vorbestimmten, nicht nullten Beugungsordnung für die Beobachtungsstrahlung (bevorzugt ist die erste Beugungsordnung) besitzt. Für die Untersuchungsstrahlung kann eine hohe Beugungseffizienz für die nullte Ordnung vorliegen. Bei der Optimierung des ersten diffraktiven Elements wird hingegen darauf geachtet, daß eine hohe Beugungseffizienz für die Beobachtungsstrahlung in der nullten Beugungsordnung vorliegt. Bevorzugt ist auch noch eine hohe Beugungseffizienz für die Untersuchungsstrahlung in der vorbestimmten, nicht nullten Beugungsordnung gegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen beschrieben. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Linsenschnitt des optischen Aufbaus der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Gitterfrequenz des diffraktiven Elements zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Gitterfrequenz des Beugungsgitters zeigt;
Fig. 4 die Profilform des Beugungsgitters, und Fig. 5 eine Draufsicht des Beugungsgitters.
Wie aus dem in Fig.1 gezeigten Linsenschnitt des optischen Aufbaus der autofokusfähigen Abbildungsoptik gemäß einer Ausführungsform ersichtlich ist, umfaßt die Abbildungsoptik 1 ein transmissives diffraktives Element 10 (im folgenden auch Beugungsgitter genannt) sowie eine Hauptoptik 9, die mehrere refraktive Optikelemente 2, 3, 4, 6, 7 und 8, sowie ein zweites diffraktives Element 5 umfaßt. Mit der Abbildungsoptik 1 kann ein Objekt, von dem ein Objektpunkt P in der Objektebene eingezeichnet ist, abgebildet werden. Zur Verdeutlichung sind drei Strahlen des Strahlenverlaufs für die Beobachtungsstrahlung eingezeichnet. Hinter dem Optikelement 8 liegt ein paralleler Strahlenverlauf vor.
Ferner ist der Hauptoptik 9 noch ein Strahlteiler 11 nachgeordnet, über den die Untersuchungsstrahlung für die Autofokussierung aus dem Strahlengang für die Beobachtungsstrahlung ein- und ausgekoppelt werden kann.
Die Abbildungsoptik 1 ist für eine Beobachtungsstrahlung mit der Wellenlänge 248nm und eine Untersuchungsstrahlung mit der Wellenlänge 785nm ausgelegt, wobei die Hauptoptik 9 nur für die Beobachtungsstrahlung (und nicht für die Untersuchungsstrahlung) korrigiert ist. Der Farblängsfehler der Hauptoptik 9 für die Untersuchungsstrahlung wird mittels dem Beugungsgitter (bzw. erstem diffraktiven Element) 10 korrigiert. Anders gesagt, das Beugungsgitter 10 ist so ausgelegt, daß die beugende Wirkung des Gitters 10 hinsichtlich der positiven ersten Beugungsanordnung der Untersuchungsstrahlung den Farblängsfehler der Hauptoptik 9 für die Untersuchungsstrahlung kompensiert. Dadurch ist die Abbildungsoptik (also Hauptoptik 9 + Beugungsgitter 10) für die Untersuchungsstrahlung, die zur Autofokussierung verwendet wird, hinsichtlich des Farblängsfehlers korrigiert. Ferner ist das Beugungsgitter 10 auch noch so ausgelegt, daß seine Beugungseffizienz für die nullte Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung möglichst hoch ist (bevorzugt mindestens 80%), so daß das Beugungsgitter der Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik für die Beobachtungsstrahlung nicht wesentlich beeinflußt.
Die Ausbildung und Anordnung der Optikelemente 2 bis 8 (bis auf die Gitterprofile) der Abbildungsoptik 9 kann der nachfolgenden Tabelle entnommen werden, wobei der Abstand der einzelnen Flächen entlang der optischen Achse OA der Abbildungsoptik angegeben ist (P steht für die Probenebene).
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Das zweite diffraktive optische Element 5 ist ein transmissives Phasengitter, bei dem in der der Objektebene zugewandten Fläche F6 konzentrisch zur optischen Achse OA der Abbildungsoptik 1 angeordnete ringförmige Furchen ausgebildet sind.
Das zweite diffraktive optische Element 5 ist dabei so ausgelegt, daß es einerseits brechungsverstärkend für die Hauptoptik 9 (d. h. eine Erhöhung der positiven Wirkung bzw. positiver Brechkraft) und daß es andererseits vollständig die Achromatisierung im gegebenen Spektralbereich für die Beobachtungsstrahlung bewirkt, wobei hier die gebeugte Strahlung der positiven ersten Ordnung als Nutzlicht für die Abbildung verwendet wird. Die gebeugte Strahlung anderer Ordnungen ist Streulicht, das möglichst nicht zur Abbildung beitragen soll um diese nicht zu verschlechtern.
Als positive erste Ordnung wird die erste Beugungsordnung bezeichnet, bei der ein Parallelstrahl (ein Strahl parallel zur optischen Achse OA) zur optischen Achse OA hin abgelenkt wird. Die erste Beugungsordnung, bei der ein Parallelstrahl von der optischen Achse OA weggebeugt wird, wird hingegen als negative erste Beugungsordnung bezeichnet.
Der Ablenkwinkel für das gebeugte Licht der positiven ersten Ordnung wird über die Gitterfrequenz des diffraktiven optischen Elements 5 eingestellt. Praktisch kann die Gitterfrequenz mittels Optimierungsrechnungen ausgehend von dem folgenden Phasenpolynomen p(r)
N
P(r) = ∑a,r»
berechnet werden, wobei r der radiale Abstand von der Mitte M des Phasengitters und N eine positive ganze Zahl größer gleich 1 ist. Zur Optimierung werden die Koeffizienten a, verändert. Das Phasenpolynom p(r) gibt die Phasenverschiebung in Abhängigkeit vom radialen Abstand r an und aus der Ableitung des Phasenpolynoms nach dem radialen Abstand r läßt sich die Gitterfrequenz des diffraktiven Elements berechnen. Aus dieser Gitterfrequenz wiederum kann dann für jeden einfallenden Strahl (in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge) dessen Ausfallswinkel ermittelt werden, wodurch sich dann die achromatisierend und brechungsverstärkende Wirkung des Gitters bestimmen läßt. Bei dieser Optimierungsrechnung können auch noch andere Abberationen der Hauptoptik 5 (wie z. B. höhere sphärische Fehler) mit korrigiert werden, wobei für N bevorzugt ein Wert von 3 bis 10 gewählt wird. Ferner kann man die Furchenform, die für die Beugungseffizienz ausschlaggebend ist, mittels der skalaren Beugungstheorie oder auch der RCWA-Theorie (Rigorous Coupled Wavefront Analysis) ableiten, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
Das zweite diffraktive Element 5 kann beispielsweise mittels des holographischen Stehwellenverfahrens erzeugt werden, bei dem mindestens eine der beiden Belichtungswellen eine Kugelwelle ist (und die andere eine Kugelwelle oder eine ebene Welle ist) und die beiden Wellen gegenläufig laufen. Die Wellenlänge der Belichtungswellen beträgt 248nm und der Abstand der Quellpunkte beider Kugelwellen zur einer zu belichtenden Schicht, die z. B. auf einer planparallelen Platte aus Suprasil aufgebracht ist und in der die latente Gitterstruktur erzeugt wird, beträgt jeweils 35,31mm. Die belichtete Schicht wird dann entwickelt und dient z. B. als Maske bei einem Mikrostrukturierungsverfahren (beispielsweise reaktives lonenätzen), so daß dadurch das Gitterprofil in die planparallele Platte übertragen werden kann. In Fig. 2 ist der Verlauf der Gitterfrequenz des diffraktiven Elements 5 gezeigt. Dabei ist auf der Abszisse der Abstand von der Gittermitte M aufgetragen und auf der Ordinate sind die Anzahl der Furchen pro mm gezeigt. Die Gittermitte M fällt mit der optischen Achse OA der Abbildungsoptik 1 zusammen.
Auf der Fläche F10 ist ein Beugungsgitter für die Untersuchungswellenlänge für die Autofokussierung ausgebildet, wobei das Beugungsgitter ein transmissives Phasengitter ist.
Das Beugungsgitter auf der Fläche F10 ist in gleicher Weise wie das Beugungsgitter des diffraktiven Elements aus dem oben angegebenen Phasenpolynom p(r) abgeleitet, wobei sich bei der Wahl des Wertes 3 für N folgende Koeffizienten a-{ ergeben (die Furchenform ist wiederum mittels der skalaren Beugungstheorie oder der RCWA-Theorie abgeleitet):
a<. 1 ,136*10-2 a2: 7, 596*10"6 a3: 6,429*10-8
Der Verlauf der Gitterfrequenz des Beugungsgitters 10 ist in einer gleichen Darstellung wie in Fig. 2 für das diffraktive Element 5 in Fig. 3 gezeigt. Daraus läßt sich entnehmen, daß die Gitterfrequenz des diffraktiven Elements 5 stärker zunimmt als beim Beugungsgitter 10.
In Fig. 4 ist schematisch noch die Furchenform des Beugungsgitters 10 gezeigt, beispielsweise im Bereich von + 2mm von der Mitte M entfernt. Durch die gestrichelte Linie ist die Blaze- Profilform 12 dargestellt, die das Ergebnis der obigen Optimierungsrechnung und Ableitung (z. B. mittels der RCWA-Theroie) ist. Diese Blaze-Profilform 12 ist hier für jede Profilflanke FL1 , FL2, FL3, FL4 durch eine Treppenfunktion mit zwei Stufen angenähert. Es hat sich gezeigt, daß ein solches Rechteckprofil, mit dem die Blaze-Profilform 12 angenähert ist, die gewünschten optischen Eigenschaften aufweist.
In der Praxis wird zuerst die Abbildungsoptik 1 für die Beobachtungsstrahlung optimiert, wobei für das Beugungsgitter 10 nur eine planparallele Platte bei der Optimierung berücksichtigt wird. Bei dieser Optimierung wird auch das zweite diffraktive Element 5 in der oben angegebenen Weise berechnet.
Nach diesem Optimierungsschritt wird nun das gewünschte Gitterprofil auf der Fläche F10 der planparallelen Platte 10 rechnerisch vorgesehen und so optimiert, daß der Farblängsfehler der Hauptoptik 9 für die Untersuchungsstrahlung möglichst vollständig korrigiert ist und daß die Beugungseffϊzienz der nullten Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung möglichst groß ist, so daß das Beugungsgitter 10 die Abbildungseigenschaften der bereits für die Beobachtungsstrahlung optimierten Abbildungsoptik nicht wesentlich verschlechtert.
Bei der so optimierten Abbildungsoptik 1 fällt bei idealer Fokussierung der Abbildungsoptik 1 auf eine zu untersuchende Probe der Fokus für die Beobachtungsstrahlung B mit dem Fokus für die Untersuchungsstrahlung U zusammen und bei einer Defokussierung der Abbildungsoptik ist ein zumindest ähnliches Verhalten für die Beobachtungsstrahlung B und die Untersuchungsstrahlung U vorhanden. Bei der in Fig. 1 gezeigten autofokusfähigen Abbildungsoptik findet für die Untersuchungsstrahlung U eine Pupillenteilung statt, wie durch die eingezeichneten Pfeile bei der Untersuchungsstrahlung U angedeutet ist, so daß die Untersuchungsstrahlung U nur in gewissen Bereichen B1 und B2 auf das Beugungsgitter 10 trifft, wie in der schematischen Draufsicht auf das Beugungsgitter 10 in Fig. 5 angedeutet ist. Der durch beide Bereiche B1 und B2 begrenzte Mittelbereich B3 wird nicht mit der Untersuchungsstrahlung U beaufschlagt, so daß in diesem Bereicht auch gar kein Gitterprofil des Beugungsgitters 10 ausgebildet werden muß. Da jedoch durch diesen Bereicht B3 sehr wohl Beobachtungsstrahlung hindurchtritt, führt dies zu dem weiteren Vorteil, daß der Einfluß des Beugungsgitters 10 auf die Abbildungseigenschaften der Hauptoptik für die Beobachtungsstrahlung weiter minimiert werden kann. Die Bereiche B1 und B2 sind ringförmig angeordnet, und können auch als geschlossener Ringbereich ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Abbildungsoptik (1) mit einer mehrere Optikelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7) aufweisenden
Hauptoptik (9), die für eine Beobachtungsstrahlung korrigiert ist, und ferner mit einem transmissiven diffraktiven Element (10), das im Beobachtungsstrahlengang der Abbildungsoptik (1) so angeordnet und ausgebildet ist, daß zumindest ein Abbildungsfehler der Hauptoptik für eine Untersuchungsstrahlung mit einer anderen Wellenlänge als die der Beobachtungsstrahlung durch die diffraktive Wirkung des diffraktiven Elements (10) korrigiert ist.
2. Abbildungsoptik nach Anspruch 1, bei der das diffraktive Element (10), die
Abbildungseigenschaften der Hauptoptik (9) für die Beobachtungsstrahlung im wesentlichen nicht verändert.
3. Abbildungsoptik nach Anspruch 1 oder 2, bei der zur Korrektur des Abbildungsfehlers die gebeugte Untersuchungsstrahlung einer vorbestimmten, nicht nullten Beugungsordnung eingesetzt wird.
4. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Beugungseffizienz des diffraktiven Elements (10) für die nullten Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung größer ist als die Summe der Beugungseffizienzen aller restlichen Beugungsordnungen der Beobachtungsstrahlung.
5. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Beugungseffizienz des diffraktiven Elements (10) für die nullten Beugungsordnung der Beobachtungsstrahlung mindestens 80% beträgt.
6. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) ein Phasengitter ist.
7. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) ein zur optischen Achse der Hauptoptik symmetrisches, bevorzugt rotationssymmetrisches Gitter ist.
8. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) ringförmige Vertiefungen aufweist die konzentrisch ausgebildet sind.
9. Abbildungsoptik nach Anspruch 8, bei der alle Vertiefungen gleich tief ausgebildet sind.
10. Abbildungsoptik nach Anspruch 8, bei der mit zunehmendem radialen Abstand der Vertiefung von der optischen Achse (OA) der Hauptoptik (9) die Tiefe der einzelnen Vertiefungen abnimmt.
11. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) auf einer Seite einer planparallelen Platte ausgebildet ist.
12. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) auf einer optischen Wirkfläche eines refraktiven Optikelements (2-4, 6-8) der Hauptoptik (9) ausgebildet ist.
13. Abbildungsoptik nach Anspruch 11 oder 12, bei der das diffraktive Element (10) nur in einem ringförmigen Bereich auf der Seite der planparallelen Platte bzw. auf der optischen Wirkfläche des Optikelements (2-4, 6-8) ausgebildet ist.
14. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) ein Blaze-Gitter ist.
15. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) eine durch Stufen angenäherte Blaze-Profil aufweist.
16. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der das diffraktive Element (10) im Bereich mit dem größten Bündeldurchmesser der Beobachtungsstrahlung in der Hauptoptik (9) angeordnet ist.
17. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Hauptoptik (9) ein zweites diffraktives Element (5) enthält, das für die Beobachtungsstrahlung brechungsverstärkend und achromatisierend wirkt.
18. Abbildungsoptik nach Anspruch 17, bei der die Beugungseffizienz des zweiten diffraktiven Elements (5) für die nullte Beugungsordnung der Untersuchungsstrahlung größer ist als die Summe der Beugungseffizienzen aller restlichen Beugungsordnungen der Untersuchungsstrahlung.
19. Abbildungsoptik nach Anspruch 17 oder 18, bei der die gewünschte Achromatisierung der Hauptoptik für einen die Wellenlänge der Beobachtungsstrahlung enthaltenden Wellenlängenbereich vollständig vom zweiten diffraktiven Element (5) bewirkt wird.
20. Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der das zweite diffraktive Element ein auf einer Seite einer planparallelen Platte oder auf einer optischen Wirkfläche eines refraktiven Optikelements der Hauptoptik ausgebildetes Transmissionsgitter umfaßt.
21. Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der das erste diffraktive Element (10) auf einer Seite einer planparallelen Platte oder eines refraktiven Optikelements der Hauptoptik und das zweite diffraktive Element auf der anderen Seite der planparallelen Platte bzw. des refraktiven Optikelements ausgebildet sind.
22. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der alle Optikelemente (2-8) der Hauptoptik (9) und das erste diffraktive Element (10) aus maximal zwei unterschiedlichen
Materialien, bevorzugt aus dem gleichen Material bestehen.
23. Abbildungsoptik nach einem der obigen Ansprüche, bei der alle Optikelemente (2-8) der Hauptoptik (9) und das erste diffraktive Element (10) kittfrei gehaltert sind.
24. Herstellungsverfahren einer Abbildungsoptik, bei dem rechnerisch eine mehrere Optikelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) aufweisende Hauptoptik (9) zusammengestellt und für eine vorgegebene Beobachtungsstrahlung korrigiert wird, danach rechnerisch ein transmissives diffraktives Element (10) in dem Beobachtungsstrahlengang der Abbildungsoptik (1) angeordnet und hinsichtlich seiner Phasenfunktion so optimiert wird, daß zumindest ein Abbildungsfehler der Hauptoptik (9) für eine Untersuchungsstrahlung mit einer anderen Wellenlänge als die der Beobachtungsstrahlung durch die diffraktive Wirkung des diffraktiven Elements korrigiert wird, und bei dem ferner für die Fertigung der so berechneten Abbildungsoptik notwendigen Optikdaten erzeugt werden und anhand der erzeugten Optikdaten die Abbildungsoptik hergestellt wird.
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