Vorrichtung zur polarisationsspezifischen Untersuchung eines optischen Systems
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur polarisationsspezifischen Untersuchung eines optischen Systems mit einem Detektorteil, der Polarisationsdetektormittel zur Erfassung des Austritts-Polarisations- zustands von aus dem optischen System austretender Strahlung um- fasst.
Insbesondere kann eine solche Vorrichtung zur Bestimmung benutzt werden, wie ein optisches System den Polarisationszustand optischer Strahlung beeinflusst. Dazu sind verschiedene Vorrichtungstypen bekannt. Unter dem Begriff optisches System ist dabei jedwede Anordnung einer oder mehrerer Optikkomponenten zu verstehen, die einfallende optische Strahlung transmittieren und/oder reflektieren, insbesondere auch Linsen und damit aufgebaute Objektive. Unter dem Begriff optische Strahlung ist vorliegend eine beliebige elektromagnetische Strahlung zu verstehen, mit denen das untersuchte optische System beaufschlagt wird, z.B. sichtbares Licht oder UV-Strahlung. Besonders verbreitet sind Ellipsometrieverfahren und Ellipsometrievorrichtungen in diversen Ausprägungen. Zur Beschreibung des Polarisationszustandes sowie dessen Beeinflussung bzw. Änderung durch das optische System dienen geeignete Größen, wie die Stokes-Parameter, die Müller-Matrix, die Polarisationsmatrix und die Jones-Matrix. Für diesbezügliche Details kann auf die einschlägige Literatur verwiesen werden.
Zur Ermittlung der Abbildungsgüte von hochpräzis abbildenden Optiken können bekanntermaßen Wellenfrontsensoren eingesetzt werden, mit denen Abweichungen der bildseitigen Wellenfronten vom idealen Abbildungsverhalten sehr genau bestimmt werden können. Hierzu sind z.B.
sogenannte Shearing-Interferometer im Gebrauch. Eine darauf basierende Wellenfronterfassungsvorrichtung ist in der Offenlegungsschrift DE 101 09 929 A1 offenbart. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere auch zur Bestimmung der Abbildungsqualität von Projektionsobjektiven mikrolithographischer Projektionsbelichtungsanlagen und beinhaltet Mittel zur Bereitstellung einer Wellenfrontquelle, z.B. mit einem Lichtleiter und einer an dessen Ausgang angeordneten Lochmaske, in der Objektebene des untersuchten optischen Abbildungssystems und ein Beugungsgitter in der zur Objektebene konjugierten Bildebene. Dem Beugungsgitter ist ein ortsauflösender Strahlungsdetektor nachgeschaltet, z.B. in Form eines CCD-Chips, wobei eine zwischenliegende Optik das vom Beugungsgitter erzeugte Interferogramm auf die Sensorfläche des Detektors abbildet. Diese Art von Wellenfrontsensorik kann das Abbildungssystem mit derselben Strahlung untersuchen, die vom Abbildungssystem in seinem normalen Betrieb verwendet wird. Dieser Wel- lenfrontsensortyp wird daher auch als Betriebsinterferometer (BIF) bezeichnet und kann insbesondere mit dem Abbildungssystem in einer Baueinheit integriert sein.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102 17 242.0 wird eine Messvorrichtung beschrieben, die insbesondere eine derartige BIF-Vorrichtung sein kann und zur interferometrischen Vermessung eines optischen Abbildungssystems dient, das zur Abbildung eines an einer Maske vorgesehenen Nutzmusters in die Bildebene dient, wozu die Maske in der Objektebene angeordnet wird. Es wird vorgeschlagen, die Wellenfrontquelle für die interferometrische Vermessung durch ein zusätzlich zum Nutzmuster an der Maske ausgebildetes Messmuster zu realisieren.
Eine weitere, in der Praxis verwendete Methode der Wellenfronterfas- sung hochpräziser Abbildungssysteme stellt die Punktbeugungs- Interferometrie (Point-Diffraction-Interferometrie) dar, deren Grundprin-
zipien in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben sind, siehe z.B. D. Malacara, „Optical Shop Testing", Kap 3.7., John Wiley, New York, 1991. Spezielle Ausführungen sind in den Patentschriften US 6.344.898 B1 und US 6.312.373 und den Offenlegungsschriften JP 1 1 -142291 und WO 02/42728 angegeben. Weitere benutzte Methoden zur Bestimmung bzw. Korrektur von Abbildungsfehlern hochpräziser Abbildungssysteme sind z.B. das Shack-Hartmann-Verfahren und das von der Firma Litel Instruments benutzte, sogenannte Litel-Verfahren, siehe zu letzterem z.B. die Patentschriften US 5.392.1 19, US 5.640.233, US 5.929.991 und US 5.978.085. Diese interferometrischen und nicht-interferometrischen Vermessungsverfahren können insbesondere zur Aberrationsbestimmung von Projektionsobjektiven mikrolithographischer Projektionsbelichtungsanlagen benutzt werden.
Bei modernen hochpräzisen Abbildungssystemen hoher numerischer Apertur, wie sie z.B. als mikrolithographische Projektionsobjektive eingesetzt werden, ist der Einfluss des Abbildungssystems auf den Polarisationszustand der eingesetzten Strahlung kaum mehr zu vernachlässigen. So ergeben sich z.B. polarisationsbedingte Auswirkungen auf die Abbildungsqualität durch Doppelbrechung bei Linsen aus Calciumfluorid, wie sie häufig für kurze Wellenlängen verwendet werden, und durch Polarisationseffekte an Umlenkspiegeln. Es besteht daher ein Bedarf, die Beeinflussung des Polarisationszustands von optischen Abbildungssystemen hoher Apertur möglichst gut quantitativ bestimmen zu können, um daraus Rückschlüsse auf die polarisationsabhängige Abbildungsqualität zu ziehen.
Verschiedene Vorrichtungen zur Bestimmung der Polarisationszu- standsbeeinflussung durch ein optisches System und dafür geeignete Polarisationsanalysatoranordnungen sind in der nicht vorveröffentlichten, älteren deutschen Patentanmeldung 103 04 822.7 beschrieben, deren Inhalt hiermit in vollem Umfang durch Verweis aufgenommen wird.
Mit der dort beschriebenen Vorrichtung und dem dort beschriebenen Verfahren kann z.B. die phasenreduzierte oder vollständige Jones- Matrix eines untersuchten optischen Abbildungssystems, insbesondere auch von hochaperturigen Mikrolithographie-Projektionsobjektiven, pupillenaufgelöst bestimmt werden. Die Polarisationsdetektormittel des Detektorteils, der auf der Bildseite des untersuchten optischen Abbildungssystems angeordnet wird, weisen dort eine Kompensator- Polarisatoreinheit, typischerweise in Form einer λ/4-Platte, mit nachfolgendem Pola sationsanalysatorelement, typischerweise in Form eines Polarisationsstrahlteilerelements, und eine vorgeschaltete, kollimierende Optik auf, um das aus dem untersuchten optischen Abbildungssystem austretende Aperturstrahlenbündel in ein für das Polahsationsanalysatorelement benötigtes Parallelstrahlenbündel umzuformen. Eine derartige kollimierende Optik bedingt eine entsprechende Bauhöhe des Detektorteils. Alternativ angegebene Polarisationsdetektormittel beinhalten refraktive oder diffraktive Kleinlinsen mit nachgeschaltetem miniaturisiertem Polahsationsteilerwürfel. Solche miniaturisierten optischen Bauteile sind jedoch relativ aufwendig in der Herstellung.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, mit der sich ein optisches System polarisationsspezifisch untersuchen lässt, insbesondere hinsichtlich der Beeinflussung des Polarisationszustands der verwendeten Strahlung durch das untersuchte optische System, und die sich mit vergleichsweise geringer Bauhöhe realisieren lässt und z.B. zur pupillenaufgelösten Ermittlung des polarisationsbedingten Einflusses auf die Abbildungsqualität bei hochaperturigen Mikrolithographie-Projektions- objektiven verwendet werden kann.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Vorrichtung bein-
halten die Polarisationsdetektormittel eine polarisierende Gitterstruktur. Mit dem Begriff „polarisierende Gitterstruktur" ist hierbei eine periodische Struktur mit einer Periodizitätslänge bis etwa in der Größenordnung der Wellenlänge der verwendeten Strahlung gemeint, die polarisierende Eigenschaften zeigt. Solche polarisierende Gitterstrukturen werden auch Sub-λ-Gitter bezeichnet, wenn die Gitterstrukturperiode kleiner als die Strahlungswellenlänge ist. Zu weiteren Details über polarisierende Gitterstrukturen sei auf die diesbezügliche Fachliteratur verwiesen, siehe z.B. L. H. Cescato et al., "Holographie quarterwave plates", Applied Op- tics 29 (1990), Seite 3286, M. Totzeck et al., "Inspection of subwave- length struetures and zero-order gratings using polarization- interferometry", Proceedings for Interferometry XI: Techniques and Ana- lysis, SPIE 4777-39 (2002), M. Gruntman, "Transmission grating filtering of 52-140nm radiation", Applied Optics 36 (1997), Seite 2203, B. Schnabel et al., "Study on polarizing visible light by subwavelength-period me- tal-stripe gratings", Opt. Eng. 38 (1999), Seite 220 und M. Honkanen, "Inverse metal-stripe polarizers", Appl. Phys. B 68 (1999), Seite 81.
Die erfindungsgemäße Verwendung einer polarisierenden Gitterstruktur in den Polarisationsdetektormitteln ermöglicht eine vergleichsweise kompakte und einfache Realisierung des Detektorteils der Vorrichtung zur polarisationsspezifischen Untersuchung optischer Systeme. Insbesondere kann dadurch eine vorgeschaltete kollimierende Optik entfallen, und auch Kleinlinsen und miniaturisierte Polarisationsstrahlteilerelemente sind nicht zwingend erforderlich. Trotzdem eignet sich die Vorrichtung speziell auch zur pupillenaufgelösten Bestimmung der Beeinflussung des Polarisationszustands optischer Strahlung durch ein Mikrolithogra- phie-Projektionsobjektiv hoher Apertur, wobei der kompakt bauende Detektorteil problemlos auf der Bildseite des Projektionsobjektivs am Ort desselben in einer entsprechenden Mikrolithographie-Projektionsbe- lichtungsanlage platziert werden kann. Alle Aperturstrahlen können unter variierender Inzidenz auf die polarisierende Gitterstruktur analysiert wer-
den, ohne dass eigens eine kollimierende Optik erforderlich ist. Im übrigen kann die Vorrichtung für diesen Anwendungszweck in einer der herkömmlichen Weisen aufgebaut sein, um das Objektiv durch eine entsprechende Technik zu vermessen, z.B. durch Scherinterferometrie, Punktbeugungsinterferometrie, nach dem Shack-Hartmann- oder dem Litel-Verfahren.
Insbesondere kann der Detektorteil der Vorrichtung dazu in Weiterbildung der Erfindung eine periodische Beugungsstruktur zur Bereitstellung eines entsprechenden Beugungseffektes umfassen. Die Beugungsstruktur kann z.B. durch ein Beugungsgitter realisiert sein, dessen Gitterperi- odizität dann typischerweise deutlich größer als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung ist und somit zwar beugende, aber keine merkliche polarisierende Wirkung hat. Im Fall eines untersuchten optischen Abbildungssystems kann vorteilhaft die periodische Beugungsstruktur im Wesentlichen in der Bildebene desselben und/oder die polarisierende Gitterstruktur bildebenennah angeordnet sein.
Die periodische Beugungsstruktur und die polarisierende Gitterstruktur können je nach Bedarf auf je einem eigenen Träger oder auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein, in letzterem Fall z.B. die eine Struktur auf einer Vorderseite und die andere Struktur auf einer Rückseite des gemeinsamen Trägers.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung vom Scherinterferometrie-, Punktbeugungsinterferometrie-, Litel- oder Shack- Hartmann-Typ und/oder zur Bestimmung der Beeinflussung des Polarisationszustands optischer Strahlung durch ein mikrolithographisches Projektionsobjektiv eingerichtet.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des erfindungswesentlichen Teils einer Vorrichtung zur polarisationsspezifischen Untersuchung eines optischen Systems unter Verwendung eines Detektorteils mit einer periodischen Beugungsstruktur und einer polarisierenden Gitterstruktur auf je einem eigenen Strukturträger und
Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1 für eine Variante mit gemeinsamem Träger für die periodische Beugungsstruktur und die polarisierende Gitterstruktur.
Fig. 1 zeigt den vorliegend besonders interessierenden Teil einer Vorrichtung zur polarisationsspezifischen Untersuchung eines optischen Systems, wobei die Vorrichtung speziell darauf ausgelegt sein kann, die Beeinflussung des Polarisationszustands optischer Strahlung durch ein Mikrolithographie-Projektionsobjektiv hoher Apertur pupillenaufgelöst zu bestimmen. Genauer gesagt zeigt Fig. 1 einen im Fall der Untersuchung eines optischen Abbildungssystems auf der Bildseite desselben angeordneten Vorrichtungsteil mit einem Detektorteil, der spezielle Polarisationsdetektormittel beinhaltet.
Im einzelnen beinhaltet der in Fig. 1 gezeigte Vorrichtungsteil einen ersten Gitterträger 1 mit einer auf seiner Vorderseite angeordneten Beugungsgitterstruktur 2, einen zweiten Gitterträger 3 mit einer auf dessen Vorderseite angeordneten polarisierenden Gitterstruktur 4 und ein Detektorelement 5, das z.B. durch einen CCD-Chip einer Bildaufnahmekamera gebildet sein kann. Der erste Träger 1 mit der Beugungsgitterstruktur 2, der zweite Träger 3 mit der polarisierenden Gitterstruktur 4 und das Detektorelement 5 sind hintereinander im Strahlengang von zu analysierender Strahlung 6 angeordnet, die aus dem zu untersuchenden optischen System austritt.
In einer bevorzugten Realisierung dient die Vorrichtung gemäß Fig. 1 der pupillenaufgelösten Vermessung eines mikrolithographischen Projektionsobjektivs mittels Scherinterferometrie unter Verwendung von Strahlung der gleichen Wellenlänge, wie sie in der zugehörigen Projekti- onsbelichtungsanlage im normalen Belichtungsbetrieb z.B. zur Waferbe- lichtung eingesetzt wird, d.h. als BIF. Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 1 das Projektionsobjektiv und der auf dessen Objektseite befindliche Teil der Vermessungsvorrichtung nicht dargestellt, wobei der objektseiti- ge Vorrichtungsteil einen herkömmlichen, vom gewählten Vermessungsverfahren abhängigen Aufbau besitzt, der folglich keiner näheren Erläuterung bedarf. Es kann hierzu beispielsweise auf die erwähnte ältere deutsche Patentanmeldung 103 04 822.7 verwiesen werden.
Im besagten Anwendungsfall der Objektivvermessung durch Scherinterferometrie fungiert das Beugungsgitter 2 als zugehörige Scherinterfero- metrie-Beugungsstruktur, wozu es bevorzugt eine gegenüber der Wellenlänge der verwendeten Strahlung 6 deutlich größere Gitterperiodizität besitzt, wie dem Fachmann bekannt. Im Unterschied dazu besitzt die polarisierende Gitterstruktur 4 eine Gitterperiodizität maximal in der Größenordnung der verwendeten Strahlungswellenlänge. Derartige polarisierende Gitterstrukturen sind in der Praxis auch für typische UV- Strahlungswellenlängen hochauflösender Mikrolithographie-Projektions- belichtungsanlagen, wie im Bereich von etwa 140nm bis 200nm, realisierbar, z.B. durch eine Gitterstruktur aus Gold mit ca. 90nm bis 100nm Dicke und einer Gitterperiodizität von ebenfalls etwa 90nm bis 100nm auf einem dünnen Quarzträger oder durch ein freitragendes Nickelgitter mit einer Dicke und Periodizität der Nickelmetallstreifen von jeweils ca. 100nm, was Strukturbreiten von ca. 50nm bedeutet.
Die Schehnterferometrie-Beugungsstruktur 2 wird, wie in Fig. 1 anhand eines Mitten- und zweiter Randstrahlen der Strahlung 6 illustriert, vor-
zugsweise in der Bildebene des untersuchten Objektivs angeordnet, während die polarisierende Gitterstruktur 4 mit geringem Abstand davon zwischen dem Beugungsgitter 2 und dem Detektorelement 5 platziert ist. Je nach Bedarf und Anwendungsfall sind andere Positionierungen der beiden periodischen Strukturen 2, 4 möglich, wobei die polarisierende Gitterstruktur 4 statt wie gezeigt hinter alternativ auch vor der Beugungsstruktur 2 angeordnet sein kann.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, benötigt die gezeigte Vorrichtung im Detektorteil außer der polarisierenden Gitterstruktur 4 keine weiteren Optikkomponenten zwischen der Beugungsstruktur 2 und dem Detektorelement 5, insbesondere keine kollimierenden Optikbauteile. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau des Detektorteils mit geringer Bauhöhe, so dass der Detektorteil ohne Bauraumprobleme auf der Bildseite des untersuchten Objektivs platziert werden kann, insbesondere auch an Ort und Stelle des Projektionsobjektivs in der zugehörigen Projektionsbelich- tungsanlage. Alle Aperturstrahlen des typischerweise eine relativ hohe numerische Apertur besitzenden Projektionsobjektivs mit Aperturwinkeln von bis zu 60° und mehr können unter variierender Inzidenz auf das polarisierende Gitter 4 vom nachgeschalteten Detektorelement 5 erfasst und von einer zugehörigen herkömmlichen, nicht gezeigten Auswerteeinheit pupillenaufgelöst analysiert werden.
Untersuchungen zeigen, dass mit einer solchen Vorrichtung mit polarisierendem, bei hohen Inzidenzwinkeln arbeitendem Gitter 4 im Detektorteil z.B. eine Ermittlung der Jones-Matrix mit ausreichender Genauigkeit möglich ist, speziell auch für die erwähnten, für die Mikrolithographie besonders interessierenden UV-Wellenlängen im Bereich zwischen etwa 140 nm und 200nm.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Vorrichtung von Fig. 1 , die sich von dieser darin unterscheidet, dass die Beugungsstruktur 2 und die polarisierende
Gitterstruktur 4 auf einem gemeinsamen Träger 1 a angeordnet sind, wobei für funktioneil äquivalente Elemente gleiche Bezugszeichen gewählt sind und insoweit auf die obige Beschreibung der Fig. 1 verwiesen werden kann.
Im gezeigten Beispiel von Fig. 2 befindet sich die Beugungsstruktur 2 an der Vorderseite und die polarisierende Gitterstruktur 4 an der Rückseite des gemeinsamen Trägers 1 a. Zur Herstellung kann beispielsweise zunächst die Beugungsstruktur 2 an der Vorderseite des Trägers 1 a erzeugt und anschließend das polarisierende Gitter 4 als vorgefertigte Struktur an der Rückseite des Trägers 1 a, z.B. durch Ansprengen fixiert werden.
Im übrigen ergeben sich für die Vorrichtung von Fig. 2 ersichtlich dieselben Eigenschaften, Verwendungsmöglichkeiten und Vorteile wie oben zur Vorrichtung von Fig. 1 erwähnt, worauf verwiesen werden kann.
Exemplarisch wurde oben der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur polarisationsspezifischen, pupillenaufgelösten Scherinterfero- metrie-Vermessung eines hochaperturigen Mikrolithographie-Projek- tionsobjektivs erläutert. Es versteht sich jedoch, dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bei entsprechenden Auslegung auch für jedwede anderen polarisationsspezifischen Untersuchungen von Objektiven und anderen optischen Systemen eignet. Insbesondere kann die Vorrichtung mit dem kompakt zu bauenden Detektorteil mit polarisierendem Gitter auch dafür ausgelegt sein, ein Mikrolithographie-Projek- tionsobjektiv oder ein anderes optisches Abbildungssystem unter Verwendung des Punktbeugungsinterferometrie-, Shack-Hartmann- oder Litel-Verfahrens hinsichtlich Abbildungsfehlern zu vermessen bzw. zu korrigieren.