WO2021160583A1 - Projektionsbelichtungsanlage mit einem thermischen manipulator - Google Patents

Projektionsbelichtungsanlage mit einem thermischen manipulator Download PDF

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WO2021160583A1
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projection
manipulator
optical element
exposure
exposure system
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PCT/EP2021/053029
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Stephanus Fengler
Reimar Finken
Ulrich Loering
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Carl Zeiss Smt Gmbh
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    • G03F7/70883—Environment aspects, e.g. pressure of beam-path gas, temperature of optical system
    • G03F7/70891—Temperature

Definitions

  • the invention relates to a projection exposure system for microlithography with a projection objective for projecting structures into a substrate plane by means of exposure radiation.
  • a projection objective for projecting structures into a substrate plane by means of exposure radiation.
  • at least one optical element of the projection objective is provided with a manipulator which is configured to introduce thermal energy into the optical element.
  • the invention also relates to a method for controlling such a projection exposure system.
  • a projection exposure system With a projection exposure system, the smallest structures can be produced on a substrate during the production of integrated circuits or other micro- or nano-structured components.
  • a projection objective of the projection exposure system images structures of a mask or a reticle onto a photosensitive layer of the substrate during a predetermined exposure time interval.
  • a so-called wafer made of semiconductor material is generally used as the substrate. After an exposure has been carried out, there is usually a change in position or a change of the substrate for a further exposure.
  • the imaging properties of projection exposure systems and, in particular, projection lenses are also affected by the progressive miniaturization of semiconductor structures and the need for faster manufacturing processes shorter exposure times made increasingly higher demands. For the most precise possible imaging of mask structures on the wafer, projection objectives with the lowest possible imaging errors are therefore required. In addition to imaging errors as a result of manufacturing or assembly tolerances, imaging errors occurring during operation are also known.
  • the unavoidable absorption of part of the electromagnetic radiation used for exposure in optical elements of the projection exposure system leads to generally inhomogeneous heating of the optical elements. This lens or mirror heating is also referred to as “lens heating” and causes local changes in the refractive index, expansion and mechanical stresses, and thus aberrations in a wave front propagating in the projection lens.
  • Various optical manipulators are used to correct wavefront errors that occur during operation.
  • DE 102015201 020 A1 discloses manipulators with a large number of individually heatable zones in an optical element. With these thermal manipulators, heat is introduced, for example, by means of infrared radiation or electrical conductor tracks and ohmic structures.
  • Other known manipulators make it possible to deform a surface or change the position of an optical element in one or more of the six rigid body degrees of freedom. With manipulators, the optical effect of the respective optical element can be adjusted by a corresponding change in state during operation of the projection exposure system.
  • a wavefront deformation can be induced in this way during operation, which is at least partially suitable for compensating the currently occurring wavefront error.
  • a projection exposure system for microlithography which comprises a projection objective for projecting structures into a substrate plane by means of exposure radiation, at least one optical element of the projection objective being provided with a manipulator which is used for the targeted input of thermal energy is configured in the optical element without significantly heating one of further optical elements of the projection objective.
  • the projection exposure system comprises a control device which is configured to control the exposure radiation and to control the manipulator in such a way that it has an effect on an optical Property of the projection lens, which occurs due to a decrease in thermal energy input into the projection lens due to an exposure pause, is at least partially compensated for by the energy input by means of the manipulator.
  • control device is configured to control the manipulator in such a way that an effect, which affects an optical property of the projection lens, of a decrease in thermal energy input into the projection lens due to an exposure pause is at least partially compensated for by the energy input by means of the manipulator.
  • the requirement that thermal energy is introduced into the optical element in a targeted manner without significantly heating up another optical element of the projection objective is understood to mean that no thermal energy is introduced into the optical element or only thermal energy is introduced into the further optical element Element is entered, which is at most 5%, in particular at most 1%, of the energy entered into the first optical element.
  • the optical element of the projection objective is, for example, a lens in the form of a wavefront-shaping lens element, a plane plate permeable to exposure radiation, or a mirror element.
  • a certain thermal energy can preferably be introduced into different sections or zones of the optical element in such a way that heating takes place with a corresponding change in optical properties.
  • a predetermined temperature change for a section or a zone is also referred to as the travel for this section or this zone.
  • An exposure pause is to be understood as a period of time in which the intensity of the exposure radiation in the projection lens is reduced or shut down and thus in the latter case no exposure radiation passes through the projection lens.
  • the decrease due to the exposure pause the thermal energy input is at least partially due to the decrease in the intensity of the exposure radiation in the exposure pause.
  • the effect of the decrease in thermal energy input into the projection objective caused by an exposure pause is at least partially compensated for in a targeted manner.
  • a manipulator which is configured to introduce thermal energy into the optical element in a targeted manner.
  • the mode of operation of the projection lens according to the invention can also be referred to in abbreviated form as “anti-cyclical heating of the optical element”. Heating takes place in particular when there is no exposure, thus countercyclically to the individual exposure periods.
  • the effect of the exposure pause on the projection lens can be precisely compensated so that the optical reaction of the optical element to the thermal energy introduced is exactly in advance can be said and is not falsified by less well-known optical reactions of further optical cal elements.
  • the wavefront errors occurring due to the exposure pauses can be corrected much more quickly with the operating mode according to the invention or their occurrence can be completely avoided.
  • the longer time scale in conventional wavefront correction is due to the fact that the thermal changes that occur in the relevant optical element during the exposure pause must first set a wavefront deviation, which in turn can only be corrected by suitable manipulator changes calculated using the lens model. With the thermal energy input according to the invention into the optical Element is at least partially prevented from developing a corresponding wavefront deviation.
  • the invention is based on the knowledge that the rapid switching on and off of the exposure radiation during the operation of a projection lighting system, unlike with thicker optical elements, with thin lenses or other thin optical elements during each exposure interval a heating by exposure radiation and in the intermediate ones Pauses in exposure a cooling occurs, which causes rapidly changing, thermally induced imaging errors.
  • Image errors generated in projection lenses with thin optical elements can be reduced by the constant change between exposure times and exposure pauses in the projection objective due to the input of energy by means of the manipulator.
  • the effect which is at least partially compensated for by the energy input by means of the manipulator, includes a change in a wavefront error of the projection lens that occurs due to the exposure pause.
  • the projection exposure system further comprises a wavefront determination device for determining a wavefront deviation of the projection objective from a desired wavefront, the control device also being configured to correct a wavefront deviation of the projection objective from a desired wavefront by means of the manipulator and / or at least one further manipulator of the projection objective.
  • the temporal course of the effect of the energy input taking place by means of the manipulator is coordinated with the temporal course of the effect of the exposure pause on the optical property of the projection lens.
  • the time profile of the effect of the energy input is matched to the time profile of the effect of the exposure pause on the wavefront error of the projection lens.
  • the optical element provided with the manipulator has a sub-aperture ratio of at least 0.4, in particular a sub-aperture ratio of more than 0.75 or more than 0.9.
  • the subaperture ratio of an optical element is formed by the quotient of the subaperture diameter and the optically free diameter.
  • the subaperture diameter is given by the maximum diameter of a respective area which is illuminated when imaging an arbitrary but fixed point of the object field on the optical element.
  • the optically free diameter is the diameter of the smallest circle around a respective reference axis of the corresponding optical element, which contains the part of the optical element illuminated when imaging the entire object field.
  • a subaperture ratio of greater than 0.75 means an arrangement in the pupil plane or an arrangement close to the pupil, of less than 0.25 an arrangement in the field plane or an arrangement close to the field and a subaperture ratio between them means an intermediate arrangement of the optical element between field and field Pupillary planes.
  • the subaperture ratio of at least 0.4 specified in the present embodiment thus includes an intermediate northing and an arrangement close to the pupil.
  • the optical element provided with the manipulator has a center thickness of at most 10 mm, in particular a center thickness of at most 8 mm or at most 5 mm.
  • the center thickness of the optical element is the dimension of the optical element in the direction of the optical beam path of the projection lens in the area of the optical axis of the optical element or in a centrally located area of the optical element based on the cross section of the optical beam path. The thinner an optical element, the faster local heating occurs when exposure radiation acts, and the heated area is cooled without exposure radiation.
  • the optical element provided with the manipulator is assigned at least one further of the optical elements of the projection objective in such a way that the assigned further optical element has a subaperture ratio which deviates from a subaperture ratio of the optical element provided with the manipulator by a maximum of 0.3, wherein the assigned further optical element has a center thickness of at most 10 mm.
  • the subaperture ratios differ from one another by a maximum of 0.2 or a maximum of 0.1. Is there something like that with If the optical element provided with the manipulator is in the pupil plane, then the designated further optical element is also located in the pupil plane or only slightly away from it.
  • the assigned further optical element has a center thickness of at most 8 mm or at most 5 mm.
  • the center thickness of the optical element provided with the manipulator deviates from the center thickness of the associated optical element by at most 5 mm, in particular by at most 2 mm.
  • the assigned further optical element is configured as a meniscus lens, which is arranged in front of a concave mirror.
  • a meniscus lens is to be understood as a lens which combines a concave surface with a convex surface.
  • the refractive power of such a meniscus lens can be positive or negative.
  • the concave mirror represents the main mirror of the projection object, i.e. the mirror with the greatest refractive power in the projection objective.
  • the assigned further optical element has a sub-aperture ratio of at least 0.4, in particular a sub-aperture ratio of more than 0.75 or more than 0.9. In the case of a subaperture ratio of more than 0.75, it is also said that the optical element is arranged in the vicinity of the pupil.
  • the at least one further assigned optical element comprises one in the first third of the projection objective, one in the last third of the projection objective and / or a lens arranged in front of a concave mirror.
  • a lens arranged in the first third of the projection objective, a lens arranged in the last third of the projection objective and / or a lens arranged in front of a concave mirror can form the associated optical element described above or several such associated optical elements.
  • the division of the projection ob- jective in various third parties! takes place on the basis of the length of the beam path in the projection lens.
  • the projection exposure system is configured for operation in the DUV wavelength range.
  • the operating wavelength of the projection exposure system is approximately 248 nm or approximately 193 nm.
  • the projection exposure system further comprises a determination device which is configured to determine a thermal intensity distribution entered into the optical element by the exposure radiation during an exposure process.
  • the determination device can comprise a simulation module for calculating the thermal energy distribution entered into the element during the exposure process by the exposure radiation.
  • the registered thermal energy distribution can also be determined by measurement with a suitable measuring device of the determination device or a combination of measurement and simulation or calculation.
  • a thermal intensity distribution is understood to mean the spatial energy distribution transferred to the optical element per unit of time and unit of area.
  • control device is configured to effect the control of the manipulator on the basis of the determined thermal intensity distribution.
  • the manipulator is controlled in such a way that a thermal energy input generated by the manipulator essentially corresponds to the determined thermal intensity distribution.
  • the determined thermal intensity distribution is essentially maintained even during a pause in exposure.
  • a control can take place in such a way that a temperature distribution in the optical element does not change, or only changes insignificantly, when the exposure radiation is switched on and off.
  • the control device is configured to control the manipulator in such a way that the energy input takes place with a spatially resolved distribution over an optically effective surface of the optical element.
  • the manipulator is designed to heat individual sections or zones of the optical element.
  • the control device can then be configured in such a way that each section or each zone is heated individually in such a way that a predefined thermal intensity distribution or a predefined spatially resolved temperature profile is generated.
  • control device is configured to bring about the energy input taking place by means of the manipulator within a period of time in which a maximum of 10% of a wave front deviation would develop in the projection lens, which corresponds to the decrease in the thermal energy input.
  • control device is configured to bring about the energy input within a period of time in which at most 1% or at most 0.1% of the wavefront deviation corresponding to the decrease in thermal energy input develops.
  • the wavefront deviation corresponding to the decrease in the thermal energy input is to be understood as that wavefront deviation of the projection lens which develops after a certain period of time without the energy input brought about by the manipulator. This period of time is required by the optical element in order to achieve a new thermal equilibrium due to the lack of thermal energy input.
  • the control device is configured to bring about the thermal energy input over a period of at most 15 seconds.
  • the control device is configured to bring about the thermal energy input over a period of at most 10 seconds, at most 7 seconds or at most 5 seconds.
  • the energy transfer by the manipulator is ended after a maximum of 15, 10, 7 or 5 seconds. After an execution Formation is a period of time without energy input by the manipulator is at least as long as the period of energy input.
  • control device is configured to bring about the thermal energy input over a period of at least 2 seconds.
  • control device is configured to bring about the thermal energy input over a period of at least 3 seconds or at least 5 seconds.
  • a periodic input of energy can be provided in each exposure pause between two exposures.
  • the projection exposure system further comprises a wavefront determination device for determining a wavefront deviation of the projection objective from a desired wavefront.
  • the control device is configured to correct a wavefront deviation of the projection objective from a nominal wavefront by means of the manipulator and / or at least one further manipulator of the projection objective.
  • the wavefront determining device can for example comprise a measuring device, a simulation module or both for determining the wavefront deviation.
  • a simulation with the simulation module is based, for example, on a suitable “lens model” known to those skilled in the art.
  • the measuring device can be designed, for example, to carry out a phase-shifting interferometry technique, such as shearing or shearing interferometry, or point diffraction interferometry.
  • the optical element is configured as a plane-parallel plate, also referred to as a plane plate.
  • a plurality of optical elements of the projection objective are each configured as a plane-parallel plate.
  • each of the optical elements configured as a plane-parallel plate is provided with a manipulator configured to introduce thermal energy into the optical element.
  • the manipulator comprises heating elements for introducing thermal energy into the optical element.
  • the heating elements are, for example, electrically operated heating elements. In the case of such heating elements, a power supply can be provided by means of electrical conductors or inductively.
  • the optical element comprises quartz bodies.
  • An increase in temperature in quartz leads to an increase in the refractive index.
  • the heating power of the heating elements is between 10 W / m 2 and 150 W / m 2 , in particular between 50 W / m 2 and 100 W / m 2 .
  • the total power of the heating elements is between 0.2 W and 5 W, in particular between 0.5 W and 2.0 W.
  • the projection objective comprises a further optical element with a manipulator configured to introduce thermal energy into the optical element
  • the two optical elements are designed as plane-parallel plates each with a plurality of heatable zones.
  • the heatable zones are preferably arranged distributed over a cross section of the exposure beam path of the projection objective.
  • very small electrically conductive structures and ohmic structures for electrical heating are provided for each zone in both plates.
  • an air or gas flow can be conducted in the space between the two plates to cool the plates.
  • a gap with a width of at least 3 mm, in particular of at least 5 mm, is arranged between the optical elements each configured as a plane-parallel plate.
  • the gap width is at most 20 mm or at most 10 mm.
  • the manipulator comprises an irradiation device for irradiating heating radiation onto the optical element.
  • the heating radiation can have a wavelength that differs from the wavelength of the exposure radiation; alternatively, the heating radiation can also have the same wavelength as the exposure radiation.
  • the heating radiation can be radiated onto the optical element transversely to the beam path of the exposure radiation, i.e. from the edge of the optical element. This procedure is also known as "heating by transverse light".
  • the heating radiation can be coupled into the area of the exposure beam path, for example with half mirrors, and thus radiated essentially perpendicularly onto the optical element enter the optical element.
  • the projection exposure system is configured for operation in the UV wavelength range.
  • the wavelength of the exposure radiation is about 365 nm, about 248 nm or about 193 nm. 8 nm.
  • a projection exposure system for the EUV wavelength range essentially comprises mirrors as optical elements.
  • EUV projection exposure systems usually have significantly fewer optical elements or optical surfaces in order to reduce intensity losses due to absorption.
  • the aforementioned object can also be achieved, for example, with a method for controlling a projection exposure system for microlithography with a projection objective and a manipulator for at least one op- Table element of the projection objective for the targeted input of thermal energy into the optical element without significantly heating up any of the other optical elements of the projection objective.
  • the method comprises controlling an exposure radiation for the projection of structures into a substrate plane and controlling the manipulator in such a way that an effect on an optical property of the projection objective, which occurs due to a decrease in thermal energy input into the projection objective due to an exposure pause, is at least partially achieved the energy input is compensated for by means of the manipulator.
  • One embodiment of the method according to the invention further comprises determining a thermal intensity distribution entered into the optical element by the exposure radiation during an exposure process and controlling the manipulator on the basis of the determined thermal intensity distribution.
  • Fig. 1 is a first principlesbeispie! the projection exposure system according to the invention for microlithography with a projection objective, which comprises two plane-parallel optical plates and a manipulator for heating a plurality of zones of each of the plates in a schematic view,
  • FIG. 2 shows one of the optical disks of the exemplary embodiment according to FIG. 1 in a more detailed schematic view
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the projection exposure system according to the invention with a thin optical plate as an optical element with heatable zones in a schematic view
  • FIG. 5 shows a thermal intensity distribution determined for the exposure radiation according to FIG. 4 on an optical element in a schematic representation
  • FIG. 6 shows the thermal power entered in an optical element by exposure radiation and a thermal manipulator during an exposure of a large number of wafers in a diagram
  • FIG. 7 shows a comparison of the time profile of an offset of the Zernike coefficient Z12 in a projection exposure system according to the invention and a conventional projection exposure system during an exposure of a large number of wafers in a diagram.
  • a Cartesian xyz coordinate system is indicated in some drawings, from which the respective positional definition of the components shown in the figures results.
  • Fig. 1 the y-direction runs perpendicular to the plane of the drawing out of this, the x-direction to the right and the z-direction downwards.
  • FIG. 1 shows, in a schematic view, a projection exposure system 10 for microlithography for the production of microstructured components such as, for example, integrated circuits.
  • the projection exposure system 10 is used to project structures of a mask 12 or a reticle onto a photosensitive layer of a substrate 14.
  • a mask 12 or a reticle onto a photosensitive layer of a substrate 14.
  • wafers made of silicon or another semiconductor are used as the substrate 14.
  • the projection exposure system 10 contains a radiation source 16 for providing electromagnetic radiation as exposure radiation 18.
  • the radiation source 16 provides and contains radiation in the UV range, in particular in the DUV with a wavelength of, for example, about 248 nm or 193 nm for this purpose, for example, a suitably designed laser.
  • the radiation source can also be used to provide radiation in the extreme ultraviolet (EUV) world.
  • the length range can be configured with a wavelength of less than 100 nm, in particular about 13.5 nm or about 6.8 nm.
  • the exposure radiation 18 coming from the radiation source 16 first passes through an illumination system 20 of the projection exposure system 10.
  • the illumination system 20 comprises a multiplicity of optical elements, of which a lens 22 and a deflecting mirror 24 are symbolically shown in FIG.
  • a desired illumination of the mask 12 is set with the illumination system 20.
  • Such a lighting setting is also referred to as a lighting setting.
  • Such an illumination setting defines the angular distribution of the exposure radiation 18 radiated onto the mask 12. Examples of illumination settings include dipole, quadrupole or multipole illumination.
  • the lighting system can contain or enable a scanner slot for continuous scanning of the mask 12 with an exposure beam with a rectangular cross-section.
  • the projection exposure system 10 also contains a projection objective 26 for imaging structures of the mask 12 onto a photosensitive layer of the substrate 14.
  • the structures of the mask 12 are arranged in an object plane 28 and the photosensitive layer in an image plane 30 of the projection objective 26.
  • the image plane 30 can thus also be referred to as the substrate plane into which the mask structures are projected.
  • the projection objective 26 contains a multiplicity of optical elements in the form of lenses, mirrors or the like, of which in FIG concave mirror 36, a meniscus lens 35 directly in front of the concave mirror 36, a second deflecting mirror 34, and a thin converging lens 37 are shown.
  • the optical elements of the projection objective 26 define a beam path 42 of the projection objective 26.
  • the concave mirror 36 represents the main mirror of the projection object 26, ie it is the mirror with the greatest refractive power in the projection objective.
  • Fig. 1 executive example is the lens 41 in a first third! of the projection objective 26 and the thin converging lens 37 are arranged in a third of the projection objective 26.
  • the division of the projection objective 26 takes place on the basis of the length of the beam path of the exposure radiation 18 in the projection objective 26.
  • the meniscus lens 35 has a center thickness of at most 10 mm, in particular of at most 5 mm, and together with the concave mirror 36 forms a so-called Schupmann achromat.
  • the lens 41, the optical plates 38 and 40, the thin diverging lens 36 and the thin converging lens 37 are each arranged at such a location in the beam path 42 of the projection objective 26 that they have a subaperture ratio of at least 0.4, in particular of at least 0.7 or at least 0.9, ie they have a considerable optical distance from the field plane or a conjugate field plane and, according to certain embodiments, are close to the pupil plane or a conjugate pupil plane of the projection objective 26 reference is made to the explanations given in this text.
  • the subaperture ratios of the optical disks 38 and 40 deviate from a maximum of 0.3, in particular a maximum of 0.1, from the respective subaperture ratio of the thin divergent lens 36, the thin convergent lens 37 and / or the lens 41.
  • the projection exposure system 10 contains a mask holder 44.
  • the mask holder 44 enables a spatial displacement, rotation or inclination of the mask 12 with the aid of actuators for moving the mask 12 perpendicular to an optical axis 46 of the projection objective 26.
  • a substrate holder 47 is provided for the substrate 14, which by means of actuators for spatial displacement, rotation or inclination of the substrate 14 is also trained during operation.
  • a movement of the substrate 14 perpendicular to the optical axis 46 can be provided for a step-and-scan operation.
  • imaging errors of the projection objective 26 must be kept as small as possible when imaging structures of the mask 12 on the substrate 14.
  • imaging errors can also only occur in the projection objective 26 during operation of the projection exposure system 10.
  • local heating can occur due to an unavoidable absorption of a portion of the incident or penetrating exposure radiation 18.
  • the heating can cause local changes in the surface geometry due to expansion or mechanical stress or cause a change in material properties such as the refractive index.
  • Another cause of operational imaging errors are aging effects, for example a compression of the material.
  • Image errors of lenses are often described as the deviation of a measured optical wavefront from a nominal wavefront.
  • the deviation is also referred to as wavefront deformation or wavefront error and can be broken down into individual components by means of a series expansion, for example.
  • a decomposition into Zernäke polynomials has proven to be particularly suitable, since the individual terms of the decomposition can each be assigned to specific imaging errors such as astigmatism or coma.
  • the projection objective 26 contains various manipulators for changing the optical properties of optical elements.
  • a manipulator M1 is arranged for the first deflection mirror 32 and is configured to displace the first deflection mirror 32 in one plane and thus in two mutually perpendicular directions.
  • the plane of displacement gene is arranged, for example, parallel to the reflective surface of the first deflection mirror 32 or to the optical axis 46.
  • the second deflection mirror 34 can be tilted about an axis parallel to the y-axis by rotating it by means of a manipulator M2. This changes the angle of the reflecting surface of the second deflection mirror 34 with respect to the incident exposure radiation.
  • the manipulators M1, M2 can have further degrees of freedom.
  • the associated optical element 32, 34 can be displaced while executing a rigid body movement along a predetermined travel path. Such a travel can, for example, combine translations, tilts or rotations in any way.
  • the concave mirror 36 is designed as a deformable or adaptive mirror.
  • the projection lens 26 comprises a manipulator M3 which is configured for the separate deformation of a multiplicity of areas of a reflective coating as zones which can be individually adjusted in terms of their optical effect.
  • a travel for this manipulator M3 describes a certain deformation of the concave mirror 36 by a large number of actuators.
  • the projection objective 26 contains an electrically operated thermal manipulator M4 and M5, respectively. Both manipulators M4 and M5 have a large number of electrically conductive and ohmic structures in the respective plate for heating local zones.
  • the optical plates 38 and 40 are arranged perpendicular to the optical axis 46 and plane-parallel to one another in the beam path of the projection objective 26.
  • a gap 48 is formed between the optical disks 38, 40 through which an air, gas or liquid flow 50 is guided for cooling.
  • the optical plates 38, 40 are designed as thin quartz plates with a center thickness of approximately 5 mm each.
  • the Quartz plates can have a uniform thickness, so that the term “thickness” can also be used here instead of the term “center thickness”. There is a gap about 7 mm wide between the quartz plates.
  • more than two optical plates, plates or lenses which are not arranged plane-parallel and have a large number of heatable zones can be arranged in a projection objective.
  • a temperature increase at wavelengths of 193 nm leads to an increase in the refractive index. This effect is, among other things, the cause of wavefront errors due to lens heating (also known as “lens heating”).
  • the effect of generating a wavefront deformation is used, which is intended to compensate for a wavefront error occurring momentarily in the projection objective 26, for example caused by lens heating in one or more of the optical elements.
  • the temporal course of the effect of the energy input taking place by means of the manipulators M4 and / or M5 is matched to the temporal course of the effect of the exposure pause on the optical property of the projection lens 26.
  • the meniscus lens 35 and the thin converging lens 37 however, the rapid lens heating described above can occur. There is a heating and cooling in the cycle of exposure times and exposure pauses. This leads to rapidly changing, periodic imaging errors.
  • the first optical disk 38 is shown in a schematic view.
  • the first plate 38 contains a two-dimensional matrix of separately heatable zones 52.
  • the first optical plate 38 has a 14 ⁇ 14 matrix of zones 52.
  • Ninety-six separately heatable zones 52 are arranged in an optically effective manner in the beam path 42 of the projection objective 26.
  • the second optical plate 40 is designed accordingly, so that a total of one hundred ninety-two heatable zones 52 are arranged in the beam path 42.
  • a different number, arrangement and shape of the zones 42 is also possible, for example the zones can be arranged radially or designed as strips or in the shape of a circular arc.
  • the zones 52 are heated in such a way that areas that are colder and warmer than the ambient temperature are balanced overall.
  • zones 52 at the edge of the optical disks 38, 40 with thermal contact with other components of the projection objective 26 are actively heated to ambient temperature. In this way, thermal neutrality of the optical disks 38, 40 with respect to the environment is ensured.
  • the manipulators M4, M5 for the optical disks 38, 40 also contain an actuation device 54 for setting a predetermined temperature profile or a thermal intensity distribution for both optical disks 38, 40.
  • a temperature profile! specifies for each zone 52 of the two optical disks 38, 40 temperature values or corresponding values, such as a heating power in W / m 2 as the travel range.
  • the thermal intensity distribution thus represents an adjustment path.
  • the actuation device 54 supplies each zone 52 of the optical disks 38, 40 with a corresponding heating current for setting the predetermined adjustment path and can also regulate the cooling by the air, gas or liquid flow 50.
  • thermal energy can be introduced into the relevant optical plate 38 or 40 in a targeted manner without any other of the optical elements 41, 32, arranged in the beam path of the projection objective 26. 35, 36, 34, 37 and 40 or 38 heat up significantly. This means that either no thermal energy is entered into the other optical element or, at most, thermal energy which is at most 5%, in particular at most 1%, of the energy entered into the optical disk 38 or the optical disk 40.
  • the projection objective 26 for the lens 41 comprises a manipulator M6, which is configured to heat various zones of the lens 41 by infrared radiation.
  • the manipulator M6 comprises a large number of Irradiation units 55, which irradiate infrared light provided by an infrared light source of the manipulator M6, each with an adjustable intensity, onto a specific area or a specific zone of the lens 41.
  • the lens 41 with the manipulator M6 can be arranged in a field or pupil plane of the projection objective 26 or intermediately, i.e. between the field and pupil plane.
  • a thermal manipulator M6 which radiates infrared light onto a specific area or zone of the lens 41 is particularly suitable for exposure radiation in the deep ultraviolet DUV or VUV spectral range and is described, for example, in US 2008/0204682 A1.
  • thermal energy can thus be brought into the lens 41 in a targeted manner without significantly heating another of the optical elements 38, 40, 32, 35, 36, 34 and 37 arranged in the beam path of the projection lens 26.
  • the projection exposure system 10 also contains a control device 56 which is configured, inter alia, to control the exposure radiation 18 and the manipulators M1 to M5.
  • the control device 56 comprises an exposure control 58 and a manipulator control 60.
  • the lighting system 20 is set in such a way that a desired lighting setting as well as exposure periods and exposure pauses are implemented as precisely as possible. Exposure pauses are required in particular to replace wafers.
  • a set lighting setting 62 as well as exposure times and exposure pauses are transmitted to the manipulator control 60.
  • the manipulator control 60 comprises a wavefront determination device 64 for determining a wavefront deviation of the projection lens 26 from a desired wavefront.
  • wavefronts 68 measured by a wavefront measuring device 66 and other state characterizations are transmitted to the wavefront determining device 64 and taken into account when determining the wavefront deviation.
  • the wavefront measuring device can, for example, be used to carry out a phase-shifting interferometric technique, such as et- wa a shear or shearing interferometry, or a point diffraction interferometry be configured.
  • wavefront deviations calculated by a simulation module 70 with the aid of a lens model can be taken into account. In this way, a wavefront deviation can also be determined before or between a wavefront measurement, depending on the manipulator positions.
  • a travel generator 72 is used to determine optimal travel ranges X1 to X5 for each manipulator M1 to M5. Suitable optimization methods known to those skilled in the art can be used, which are also known as “lens models”.
  • the determined travel ranges X1 to X5 are then transmitted to the manipulators M1 to M5, which then carry out a corresponding setting of the optical elements 32 to 41.
  • imaging errors of the projection lens 26 can be compensated which occur due to slow heating of the optical elements or other components over several exposure periods and exposure pauses or which are caused by aging effects such as compaction of optical materials.
  • this procedure is not suitable for correcting imaging errors by quickly heating the lens.
  • the control device 56 additionally includes a determination device 74 for determining a thermal intensity distribution entered into the first and second optical disks 38, 40 by the exposure radiation. The determination takes place taking into account the illumination setting 62 transmitted by the exposure control 58 and the transmitted exposure time periods and exposure pauses. A calculation of the thermal intensity distribution with the aid of the simulation module 70 or one of one of Intensity distribution measured by a measuring device (not shown in FIG. 1) can be used.
  • the travel generator 72 of the control device 56 Based on the determined thermal intensity distribution, the travel generator 72 of the control device 56 generates travel X4, X5 for the manipulators M4, M5 of the two optical disks 38, 40 for the exposure pauses in such a way that the thermal intensity distribution does not change even during exposure pauses.
  • Energy input by the manipulators M4, M5 takes place immediately at the beginning of the exposure pause, but at least within a period of time in which at most 10% of a wavefront deviation develops in the projection lens (26), which corresponds to the decrease in the thermal energy input by exposure radiation.
  • the spatially resolved energy input of the exposure radiation 18 is maintained in exposure pauses by a corresponding thermal energy input of the manipulators M4, M5.
  • a spatially resolved temperature profile remains essentially constant on both thin optical disks 38, 40 over exposure periods and exposure pauses. Image errors due to rapid heating and cooling in the cycle of the exposure times are very effectively reduced by this anti-cyclical heating with the thermal manipulators M4, M5.
  • a further projection exposure system 80 for microlithography is shown in FIG. 3.
  • the projection exposure system 80 corresponds to the projection exposure system according to FIG. 1 with the exception that, in contrast to the projection exposure system 10 according to FIG. 1, in the projection exposure system 80 the two plane-parallel plates 38, 40 have been removed and replaced by a thin lens element 82.
  • the center thickness of the lens element 82 is a maximum of 10 mm.
  • the lens element 82 has a center thickness of at most 8 mm or at most 5 mm.
  • the length element 82 is designed essentially as a thin plane plate and serves in the projection lens 26 as a placeholder for the two plane-parallel plates 38, 40. essentially have the same optical properties as the unheated optical plates 38, 40 and thus enables further use of the projection objective 26 even without the plane-parallel optical plates 38, 40.
  • the thin lens element 82 also contains a large number of electrically heatable zones. For example, electrical conductors and ohmic elements for heating are arranged at each zone.
  • the thin lens element 82 and, analogously, the two optical plates 38 and 40 according to FIG. 1 can also be heated by appropriate irradiation with heating radiation, for example snfrared light.
  • heating radiation for example snfrared light.
  • the heating radiation can have a wavelength that differs from the wavelength of the exposure radiation 18; alternatively, the heating radiation can also have the same wavelength as the exposure radiation 18.
  • the heating radiation can be radiated onto the optical element transversely to the beam path of the exposure radiation, ie from the edge of the optical element. This procedure is also known as "heating by transverse light".
  • the heating radiation can be coupled into the area of the exposure beam path, for example with the aid of mirrors, and thus radiated essentially perpendicularly onto the relevant optical element, ie the thin lens element 82 or one of the two optical plates 38 and 40.
  • the manipulator is used to direct a warm gas flow onto the relevant optical element and thus to introduce thermal energy into the optical element.
  • the determination device 74 according to FIG. 3 determines a thermal intensity distribution induced by the exposure radiation 18, taking into account the transmitted exposure setting 62 with exposure time periods and exposure pauses.
  • the travel generator 72 On the basis of the determined thermal intensity distribution, the travel generator 72 generates travel X4 for a manipulator M4 of the thin lens element 82 during the exposure pauses.
  • the travel X4 are in turn designed such that the thermal intensity distribution does not change during exposure pauses.
  • the spatially resolved temperature profile of the thin lens element 82 remains essentially constant over many exposure periods and breaks in exposure. Image errors due to rapid heating of the lens are prevented in this way when the lens element 82 is used as a placeholder for the two optical disks 38, 40.
  • FIG. 4 shows, by way of example, various areas 90 with a high intensity of exposure radiation 18 in a cross section of the beam path 42 on the optical plates 38, 40 of the projection lens 26.
  • a corresponding distribution of the radiation intensities therefore also applies to a thin lens element 82 as a placeholder for the optical Plates.
  • the intensity distribution of the exposure radiation 18 depends essentially on the exposure setting selected and set in each case. Depending on the exposure setting, a higher radiation intensity occurs in different areas 90 of a cross section of the beam path 42 and a lower radiation intensity occurs in other areas. In the areas 90 with higher radiation intensity, there is greater absorption of exposure radiation in the optical plates 38, 40 or the lens element 82, which in turn results in local heating of the optical plates 38, 40 or the lens element 82 in these areas 90.
  • This spatially resolved thermal intensity distribution 92 is determined by the determination device 74 with the aid of an illumination setting transmitted by the exposure control, it being possible for calculations by the simulation module 70 or measurements of a measuring device to be included in the determination.
  • the manipulator control 60 controls the manipulators M4, M5 of the optical disks 38, 40 or the manipulator M4 of the lens element 82 in such a way that the manipulators produce the same intensity distribution as possible. With this operation of the manipulators M4, M5 anticyclical to the exposure times, rapid temperature changes and the corresponding imaging errors are prevented.
  • FIG. 6 shows in a diagram a registered thermal power or a heat application for the optical disks 38, 40 by exposure radiation 18 and the thermal manipulators M4, M5 during an exposure of a large number of wafers in a diagram.
  • the x-axis shows the time in seconds and the y-axis shows the power in watts.
  • a first exposure 110 lasts approx. 15 s and brings about a power input of slightly more than 0.7 watts in this period of time.
  • the manipulators M4, M5 apply heat with a power of also slightly more than 0.7 watts.
  • a second and all subsequent exposures 114 also last about 15 s, with about 0.72 watts and about 0.68 watts being entered alternately.
  • the exposure pauses 116 after each exposure 114 now each last about 5 s, with the manipulators M4, M5 each applying heat at the power of the immediately preceding exposure 114. In this way, cooling and thus a change in the optical properties of the optical disks 38, 40 is prevented.
  • FIG. 7 shows a comparison of the time profile of an offset of the Zernike coefficient Z12 in a projection exposure system according to the invention and a conventional projection exposure system during an exposure of a large number of wafers in a diagram.
  • the Zernike coefficient Z12 together with the Zernike coefficient Z13, describes the 5th order astigmatism as an imaging error of a projection lens.
  • the time in seconds is plotted over the x-axis and an offset of the Zernike coefficient Z12 in nanometers is plotted over the y-axis.
  • the upper curve 120 shows the course of Z12 in the case of a projection objective 26 with two thin, electrically heatable optical plates 38, 40 in a conventional projection exposure system without an anti-cyclical application of heat by the manipulators M4, M5.
  • the short-term periodic fluctuations due to rapid heating and cooling in the cycle of exposure times and exposure pauses can be clearly seen.
  • the lower curve 122 of a projection exposure system according to the invention has significantly lower periodic fluctuations, since the manipulators are subjected to an anti-cyclical application of heat.
  • control device 58 exposure control Manipulator control
  • Wavefront measuring device measured wavefronts

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Abstract

Eine Projektionsbelichtungsanlage (10, 80) für die Mikrolithographie umfasst ein Projektionsobjektiv (26) zur Projektion von Strukturen einer Maske (12) in eine Substratebene (30) mittels einer Belichtungsstrahlung (18), wobei mindestens ein optisches Element (38, 40, 82) des Projektionsobjektivs (26) mit einem Manipulator (M4, M5) versehen ist, welcher zum gezielten Eintrag von thermischer Energie in das optische Element (38, 40, 82) konfiguriert ist, ohne dabei eines von weiteren optischen Elementen des Projektionsobjektivs wesentlich aufzuheizen. Die Projektionsbelichtungsanlage (10, 80) enthält weiterhin eine Steuerungseinrichtung (56), welche zur Steuerung der Belichtungsstrahlung (18) sowie zur derartigen Steuerung des Manipulators (M4, M5) konfiguriert ist, dass eine Wirkung auf eine optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs, welche durch einen aufgrund einer Belichtungspause erfolgenden Rückgang eines thermischen Energieeintrags in das Projektionsobjektiv (26) erfolgt, zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators (M4, M5) ausgeglichen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Steuern einer Projektionsbelichtungsanlage (10, 80) für die Mikrolithographie.

Description

Projektionsbelichtungsanlage mit einem thermischen Manipulator
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102020201 723.9 vom 12. Februar 2020. Die gesamte Offenbarung dieser Patentanmeldung wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Projektionsobjektiv zur Projektion von Strukturen in eine Substratebene mittels einer Belichtungsstrahlung. Insbesondere ist mindestens ein optisches Element des Projektionsobjektivs mit einem Manipulator versehen, welcher zum Eintrag von thermischer Energie in das optische Element konfiguriert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Projektionsbelichtungsanlage.
Mit einer Projektionsbelichtungsanlage lassen sich bei einer Herstellung von integrierten Schaltkreisen oder anderen mikro- oder nanostrukturierten Bauelementen kleinste Strukturen auf einem Substrat erzeugen. Dazu bildet ein Projektionsobjektiv der Projektionsbelichtungsanlage Strukturen einer Maske oder eines Reti- kels während eines vorgegebenen Belichtungszeitintervalls auf eine fotosensitive Schicht des Substrats ab. Als Substrat wird in der Regel ein so genannter Wafer aus Halbleitermaterial verwendet. Nach einer durchgeführten Belichtung erfolgt üblicherweise eine Positionsänderung oder ein Wechsel des Substrats für eine weitere Belichtung.
An die Abbildungseigenschaften von Projektionsbelichtungsanlagen und insbesondere Projektionsobjektiven werden mit fortschreitender Miniaturisierung der Haibleiterstrukturen und dem Bedarf an schnelleren Herstellungsprozessen mit kürzeren Belichtungszeiten zunehmend höhere Anforderungen gestellt. Für eine möglichst präzise Abbildung von Maskenstrukturen auf den Wafer werden daher Projektionsobjektive mit möglichst geringen Abbildungsfehlern benötigt. Neben Abbildungsfehlern in Folge von Fertigungs- oder Montagetoleranzen sind auch während eines Betriebs auftretende Abbildungsfehler bekannt. So führt die unvermeidbare Absorption eines Teils der zur Belichtung verwendeten elektromagnetischen Strahlung in optischen Elementen der Projektionsbelichtungsanlage zu einer im Allgemeinen inhomogenen Erwärmung der optischen Elemente. Diese Linsen- oder Spiegelaufheizung wird auch als „Lens-Heating“ bezeichnet und bewirkt lokale Änderungen des Brechungsindex, Ausdehnungen und mechanischen Spannungen, und somit Aberrationen in einer sich im Projektionsobjektiv ausbreitenden Wellenfront.
Zur Korrektur von während eines Betriebs auftretenden Wellenfrontfehlern kom men verschiedene optische Manipulatoren zum Einsatz. So offenbart beispielsweise die DE 102015201 020 A1 Manipulatoren mit einer Vielzahl von individuell beheizbaren Zonen in einem optischen Element. Ein Wärmeeintrag erfolgt bei diesen thermischen Manipulatoren zum Beispiel mittels Infrarot-Strahlung oder elektrischer Leiterbahnen und ohmschen Strukturen. Andere bekannte Manipulatoren ermöglichen eine Deformation einer Oberfläche oder eine Lageänderung eines optischen Elements in einem oder mehreren der sechs Starrkörperfreiheitsgrade. Mit Manipulatoren lässt sich die optische Wirkung des jeweiligen optischen Elements durch eine entsprechende Zustandsänderung während eines Betriebs der Projektionsbelichtungsanlage einstellen. Je nach gemessener oder mittels einer Simulation ermittelter Aberrationscharakteristik des Projektionsobjektivs kann auf diese Weise während des Betriebs eine Wellenfrontdeformation induziert werden, welche zumindest teilweise zur Kompensation des momentan auftretenden Wellenfrontfehlers geeignet ist.
Während des Betriebs der Projektionsbelichtungsanlage findet üblicherweise ein ständiger Wechsel zwischen Belichtungszeiten und Belichtungspausen ohne Belichtungsstrahlung statt. In einer Pause erfolgt beispielsweise ein Wechsel des Wafers. Der ständige Wechsel zwischen Belichtungszeiten und Belichtungspau sen verursacht sich schnell ändernde, thermisch bedingte Abbildungsfehler. Dieser Effekt wird auch als „schnelles Linsenaufheizen“ oder „Fast-Lens-Heating“ bezeichnet und führt zu einer schnellen periodischen Änderung von Abbildungs eigenschaften und somit zu entsprechenden Abbildungsfehlern. Bei den bekannten Projektionsbelichtungsanlagen lassen sich diese Abbildungsfehler mit Manipulatoren nur schlecht oder gar nicht kompensieren, da die hierfür erforderlichen Messungen oder Simulationen von Abbildungseigenschaften und das Berechnen und Einstellen entsprechender Stellwege bei den Manipulatoren zu zeitintensiv ist.
Zugrunde liegende Aufgabe
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere durch den ständigen Wechsel zwischen Belichtungszeiten und Belichtungspausen einer Projektionsbelichtungsanlage bewirkte Abbildungsfehler reduziert werden.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorgenannte Aufgabe kann erfindungsgemäß beispielsweise gelöst werden mit einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, welche ein Projektionsobjektiv zur Projektion von Strukturen in eine Substratebene mittels einer Belichtungsstrahlung umfasst, wobei mindestens ein optisches Element des Projektionsobjektivs mit einem Manipulator versehen ist, welcher zum gezielten Eintrag von thermischer Energie in das optische Element konfiguriert ist, ohne dabei eines von weiteren optischen Elementen des Projektionsobjektivs wesentlich aufzuheizen. Weiterhin umfasst die Projektionsbelichtungsanlage eine Steuerungs einrichtung, welche zur Steuerung der Belichtungsstrahlung sowie zur derartigen Steuerung des Manipulators konfiguriert ist, dass eine Wirkung auf eine optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs, welche durch einen aufgrund einer Belichtungspause erfolgenden Rückgang eines thermischen Energieeintrags in das Projektionsobjektiv erfolgt, zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators ausgeglichen wird.
Mit anderen Worten ist die Steuerungseinrichtung zur derartigen Steuerung des Manipulators konfiguriert, dass eine, eine optische Eigenschaft des Projektionsob jektivs betreffende, Wirkung eines aufgrund einer Belichtungspause erfolgenden Rückgangs eines in das Projektionsobjektiv erfolgenden thermischen Energieeintrags zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators ausgeglichen wird. Unter der Anforderung, dass thermische Energie gezielt in das optische Element eingetragen wird, ohne dabei ein weiteres optisches Element des Projektionsobjektivs wesentlich aufzuheizen, ist zu verstehen, dass dabei keine thermische Energie in das optische Element eingetragen wird oder lediglich eine thermische Energie in das weitere optische Element eingetragen wird, welche höchstens 5%, insbesondere höchstens 1%, der in das erste optische Element eingetragenen Energie beträgt.
Das optische Element des Projektionsobjektivs ist zum Beispiel eine Linse in Gestalt eines Wellenfront-formenden Linsenelements, eine für die Belichtungsstrah lung durchlässige Planplatte, oder ein Spiegelelement. Mit dem Manipulator lässt sich vorzugweise eine bestimmte thermische Energie bei verschiedene Abschnitten oder Zonen des optischen Elements derart eintragen, dass eine Erwärmung mit einer entsprechenden Änderung von optischen Eigenschaften erfolgt. Eine vorgegebene Temperaturänderung für einen Abschnitt oder eine Zone wird auch als Stellweg für diesen Abschnitt oder diese Zone bezeichnet.
Unter einer Belichtungspause ist ein Zeitabschnitt zu verstehen, in dem die Intensität der Belichtungsstrahlung im Projektionsobjektiv reduziert bzw. heruntergefahren wird und damit im letzteren Fall keine Belichtungsstrahlung das Projektionsobjektiv durchläuft. Der aufgrund der Belichtungspause erfolgende Rückgang des thermischen Energieeintrags ist zumindest teilweise durch den Rückgang der Intensität der Belichtungsstrahlung in der Belichtungspause bedingt.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die Wirkung des durch eine Belichtungspause bedingten Rückgangs eines thermischen Energieeintrags in das Projektionsobjektiv gezielt zumindest teilweise ausgeglichen. Dies erfolgt mittels eines Manipulators, welcher dazu konfiguriert ist, thermische Energie gezielt in das optische Element einzutragen. Die erfindungsgemäße Betriebsform des Projektionsobjektivs kann auch verkürzt als „antizyklische Beheizung des optischen Elements“ bezeichnet werden. Eine Beheizung erfolgt insbesondere dann, wenn keine Belichtung erfolgt, somit antizyklisch zu den einzelnen Belichtungszeiträumen. Durch den gezielten Eintrag von thermischer Energie in das optische Element, ohne dabei eines von weiteren optischen Elementen des Projektionsobjektivs wesentlich aufzuheizen, lässt sich die Wirkung der Belichtungspause auf das Projektionsobjektiv präzise ausgleichen, sodass die optische Reaktion des optischen Elements auf die eingetragene thermische Energie genau vorher gesagt werden kann und nicht durch weniger genau bekannte optische Reaktionen weiterer opti scher Elemente verfälscht wird.
Im Vergleich zur herkömmlichen Wellenfrontkorrektur mittels eines als „Lens- Model“ bezeichneten Optimierungsverfahrens, bei dem in bestimmten Zeitabschnitten eine Wellenfrontabweichung des Projektionsobjektivs ermittelt und dann diese durch geeignete Manipulatorveränderungen korrigiert wird, lassen sich die durch die Belichtungspausen auftretenden Wellenfrontfehler mit der erfindungsgemäßen Betriebsform viel schneller korrigieren bzw. lässt sich deren Auftreten komplett vermeiden. Die längere Zeitskala bei der herkömmlichen Wellenfrontkorrektur liegt daran, dass sich durch die in der Belichtungspause im betreffenden optischen Element auftretenden thermischen Veränderungen zunächst eine Wellenfrontabweichung einstellen muss, die dann wiederum erst durch geeignete, mittels des „Lens-Model“ berechnete Manipulatorveränderungen korrigiert werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen thermischen Energieeintrag in das optische Element wird zumindest teilweise verhindert, dass sich eine entsprechende Wellenfrontabweichung ausbildet.
Das im Betrieb einer Projektionsbelichtungsanlage erfolgende schnelle An- und Ausschalten der Belichtungsstrahlung führt bei dickeren optischen Elementen kaum zu kurzfristigen, Abbildungseigenschaften verändernde Temperaturschwankungen. Vielmehr erfolgt während eines Betriebs eine Erwärmung dieser optischen Elemente bis zu einem thermischen Gleichgewicht. Durch die Erwärmung verursachte Abbildungsfehler lassen sich in der Regel mit Hilfe einer geeig neten Einstellung von Manipulatoren kompensieren, welche mittels aus dem Stand der Technik bekannten Steuerungsverfahren ermittelt werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das im Betrieb einer Projektionsbe lichtungsanlage erfolgende schnelle An- und Ausschalten der Belichtungsstrahlung, anders als bei dickeren optischen Elementen, bei dünnen Linsen oder anderen dünnen optischen Elementen bei jedem Belichtungsintervall eine Erwärmung durch Belichtungsstrahlung und in den dazwischen liegenden Belichtungspausen eine Abkühlung auftritt, welche sich schnell ändernde, thermisch bedingte Abbil dungsfehler verursacht.
Dieser Effekt führt zu dem eingangs erwähnten „schnellen Linsenaufheizen“ oder „Fast-Lens-Heating“, was wiederum eine schnelle periodische Änderung von Abbildungseigenschaften und somit zu entsprechenden Abbildungsfehlern zur Folge hat. Wie bereits erwähnt, lassen sich diese Abbildungsfehler bei den bekannten Projektionsbelichtungsanlagen mit mittels eines „Lens-Model“ gesteuerten Manipulatoren nur schlecht oder gar nicht kompensieren, da die hierfür erforderlichen Messungen oder Simulationen von Abbildungseigenschaften und das Berechnen und Einstellen entsprechender Stellwege bei den Manipulatoren zu zeitintensiv sind.
Durch das erfindungsgemäße zumindest teilweise Ausgleichen eines aufgrund einer Belichtungspause erfolgenden Rückgangs eines thermischen Energieein- trags in das Projektionsobjektiv durch Energieeintrag mittels des Manipulators können durch den ständigen Wechsel zwischen Belichtungszeiten und Belichtungspausen in Projektionsobjektiven mit dünnen optischen Elementen erzeugte Abbildungsfehler reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Wirkung, die zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators ausgeglichen wird, eine aufgrund der Belichtungspause erfolgende Veränderung eines Wellenfrontfehlers des Projektionsobjektivs. Gemäß einerweiteren Ausführungsform umfasst die Projektionsbelichtungsanlage weiterhin eine Wellenfrontermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Wellenfrontabweichung des Projektionsobjektivs von einer Soll wellenfront, wobei die Steuerungseinrichtung weiterhin dazu konfiguriert ist, eine Wellenfrontabweichung des Projektionsobjektivs von einer Sollwellenfront mittels des Manipulators und/oder mindestens eines weiteren Manipulators des Projektionsobjektivs zu korrigieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zeitliche Verlauf der Wirkung des mittels des Manipulators erfolgenden Energieeintrags auf den zeitlichen Verlauf der Wirkung der Belichtungspause auf die optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs abgestimmt. Insbesondere ist der zeitliche Verlauf der Wirkung des Energieeintrags auf den zeitlichen Verlauf der Wirkung der Belichtungspause auf den Wellenfrontfehler des Projektionsobjektivs abgestimmt.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform weist das mit dem Manipulator versehene optische Element ein Subaperturverhältnis von mindestens 0,4, insbesondere ein Subaperturverhältnis von mehr als 0,75 oder von mehr als 0,9, auf. Wie dem Fachmann z.B. aus US2013/0188246A1 bekannt ist, ist das Subaperturverhältnis eines optischen Elements durch den Quotienten aus Subaperturdurchmesser und optisch freiem Durchmesser gebildet. Der Subaperturdurchmesser ist durch den maximalen Durchmesser einer jeweiligen Fläche gegeben, die bei Abbildung eines beliebigen, aber fest gewählten Punktes des Objektfeldes auf dem optischen Element beleuchtet wird. Der optisch freie Durchmesser ist der Durchmesser des kleinsten Kreises um eine jeweilige Referenzachse des entsprechenden optischen Elements, welcher den bei Abbildung des gesamten Objektfeldes beleuchteten Teil des optischen Elements beinhaltet.
Ein Subaperturverhältnis von größer als 0,75 etwa bedeutet eine Anordung in der Puplilienebene bzw. eine pupillennahe Anordnung, von kleiner als 0,25 eine Anordnung in der Feldebene bzw. feldnahe Anordnung und ein Subaperturverhältnis dazwischen eine intermediäre Anordnung des optischen Elements zwischen Feld- und Pupillenebenen. Damit schließt das in der vorliegenden Ausführungsform vorgegebene Subaperturverhältnis von mindestens 0,4 eine intermediäre Änor- dung und eine pupillennahe Anordnung ein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das mit dem Manipulator versehene optische Element eine Mittendicke von höchstens 10 mm, insbesondere eine Mittendicke von höchstens 8 mm oder höchstens 5 mm, auf. Unter der Mittendicke des optischen Elements ist die Abmessung des optischen Elements in Richtung des optischen Strahlengangs des Projektionsobjektivs im Bereich der optischen Achse des optischen Elements bzw. in einem, bezogen auf den Querschnitts des optischen Strahlengangs, zentral angeordneten Bereich des opti schen Elementes zu verstehen. Je dünner ein optisches Element ist, desto schneller erfolgt bei einem Einwirken von Belichtungsstrahlung eine lokale Erwärmung und ohne BeSichtungsstrahlung eine Abkühlung des erwärmten Bereichs.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist dem mit dem Manipulator versehenen optischen Element mindestens ein weiteres der optischen Elemente des Projektionsobjektivs dahingehend zugeordnet, dass das zugeordnete weitere optische Element ein Subaperturverhältnis aufweist, welches von einem Subaperturverhältnis des mit dem Manipulator versehenen optischen Elements um maximal 0,3 abweächt, wobei das zugeordnete weitere optische Element eine Mittendicke von höchstens 10 mm aufweist. Insbesondere weichen die Subaperturverhältnisse um maximal 0,2 oder um maximal 0,1 voneinander ab. Befindet sich etwa das mit dem Manipulator versehene optische Element in der Pupillenebene, so befindet sich das bezeichnete weitere optische Element ebenfalls in der Pupillenebene oder nur geringfügig davon entfernt. Gemäß unterschiedlichen Ausführungsvarianten weist das zugeordnete weitere optische Element eine Mittendicke von höchstens 8 mm oder höchstens 5 mm auf. Gemäß einer Ausführungsvariante weicht die Mittendicke des mit dem Manipulator versehenen optischen Elements von der Mittendicke des zugeordneten optischen Elements um höchstens 5 mm, insbesondere um höchstens 2 mm, ab.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist das zugeordnete weitere optische Element als Meniskuslinse konfiguriert, welche vor einem konkaven Spiegel an geordnet ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist unter einer Meniskuslinse eine Linse zu verstehen, welche eine konkave Oberfäche mit einer konvexen Oberfläche kombiniert. Dabei kann die Brechkraft einer derartigen Meniskuslinse positiv oder auch negativ sein. Gemäß einer Ausführungsform stellt der konkave Spiegel den Hauptspiegel des Projektionsobjekts dar, d.h. den Spiegel mit der größten Brechkraft im Projektionsobjektiv.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform weist das zugeordnete weitere optische Element ein Subaperturverhältnis von mindestens 0,4, insbesondere ein Subaperturverhältnis von mehr als 0,75 oder von mehr als 0,9, auf. Bei einem Subaperturverhältnis von mehr als 0,75 wird auch davon gesprochen, dass das optische Element in Pupillennähe angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das mindestens eine weitere zugeordnete optische Element eine im ersten Drittel des Projektionsobjektivs, eine im letzten Drittel des Projektionsobjektives und/oder eine vor einem konkaven Spiegel angeordnete Linse. Mit anderen Worten kann eine im ersten Drittel des Projektionsobjektivs angeordnete, eine im letzten Drittel des Projektionsobjektives angeordnete Linse und/oder eine vor einem konkaven Spiegel angeordnete Linse das vorstehend beschriebene zugeordnete optische Element oder mehrere solcher zugeordneten optischen Elemente bilden. Die Einteilung des Projektionsob- jektivs in verschiedene Dritte! erfolgt anhand der Länge des Strahlengangs im Projektionsobjektiv.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist die Projektionsbelichtungsanlage zum Betrieb im DUV-Wellenlängenbereich konfiguriert. Insbesondere beträgt die Betriebswellenlänge der Projektionsbelichtungsanlage etwa 248 nm oder etwa 193 nm.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Projektionsbelichtungsanlage weiter hin eine Ermittlungseinrichtung, welche zur Ermittlung einer während eines Belichtungsvorgangs durch die Belichtungsstrahlung in das optische Element eingetragenen thermischen Intensitätsverteilung konfiguriert ist. Die Ermittlungseinrich tung kann ein Simulationsmodul zur Berechnung der beim Belichtungsvorgang durch die Belichtungsstrahlung in das Element eingetragenen thermischen Energieverteilung umfassen. Alternativ kann die Ermittlung der eingetragenen thermischen Energieverteilung auch durch Messung mit einer geeigneten Messvorrichtung der Ermittlungseinrichtung oder einer Kombination aus Messung und Simulation bzw. Berechnung erfolgen. Wie dem Fachmann bekannt ist, wird unter einer thermischen Intensitätsverteilung die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit auf das optische Element übertragene räumliche Energieverteilung verstanden.
Bei einerweiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert, die Steuerung des Manipulators auf Grundlage der ermittelten thermischen Intensitätsverteilung zu bewirken. Beispielsweise erfolgt eine Steuerung des Manipulators derart, dass ein vom Manipulator erzeugter thermischer Energieeintrag im Wesentlichen der ermittelten thermischen Intensitätsverteilung entspricht. Mit anderen Worten wird mit Hilfe des Manipulators die ermittelte thermische Intensitätsverteilung auch während einer Belichtungspause im Wesentlichen aufrecht erhalten. Mit dieser Maßnahme kann eine Steuerung so erfolgen, dass sich eine Temperaturverteilung in dem optischen Element durch ein An- und Ausschalten der Belichtungsstrahlung nicht oder nur unwesentlich ändert. Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung zum derartigen Steuern des Manipulators konfiguriert, dass der Energieeintrag mit einer, über eine optisch wirksame Fläche des optischen Elements, ortsaufgelösten Verteilung erfolgt. Beispielsweise ist der Manipulator zum Erwärmen von einzelnen Abschnitten oder Zonen des optischen Elements ausgebildet. Die Steuerungseinrichtung kann dann derart konfiguriert sein, dass jeder Abschnitt oder jede Zone individuell so beheizt wird, dass sich eine vorgegebene thermische Intensitätsverteilung bzw. ein vorgegebenes ortsaufgelöstes Temperaturprofil erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert, den mittels des Manipulators erfolgenden Energieeintrag innerhalb eines Zeitraums zu bewirken, in dem sich im Projektionsobjektiv höchstens 10% einer WelSenfrontabweichung ausbilden würde bzw. ausbildet, welche dem Rückgang des thermischen Energieeintrags entspricht. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu konfiguriert, den Energieeintrag innerhalb eines Zeitraums zu bewirken, in dem sich höchstens 1% oder höchstens 0,1% der dem Rückgang des thermi schen Energieeintrags entsprechenden Wellenfrontabweichung ausbildet. Unter der dem Rückgang des thermischen Energieeintrags entsprechenden Wellenfrontabweichung ist diejenige Wellenfrontabweichung des Projektionsobjektivs zu verstehen, die sich ohne den mittels des Manipulators bewirkten Energieeintrag nach einem gewissen Zeitraum ausbildet. Dieser Zeitraum wird vom optischen Element benötigt, um aufgrund des fehlenden thermischen Energieeintrags ein neues thermisches Gleichgewicht einzunehmen.
Die Steuervorrichtung ist nach einer weiteren Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage dazu konfiguriert, den thermischen Energieeintrag über einen Zeitraum von höchstens 15 Sekunden zu bewirken. Insbesondere ist die Steuervorrichtung dazu konfiguriert, den thermischen Energieeintrag über einen Zeitraum von höchsten 10 Sekunden, höchstens 7 Sekunden oder höchstens 5 Sekunden zu bewirken. Mit anderen Worten wird der Energieeäntrag durch den Manipulator nach maximal 15, 10, 7 oder 5 Sekunden beendet. Nach einer Ausfüh- rungsform ist ein Zeitraum ohne Energieeintrag durch den Manipulator mindestens so lang ist wie der Zeitraum des Energieeintrags.
Bei einerweiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert, den thermischen Energieeintrag über einen Zeitraum von mindestens 2 Sekunden zu bewirken. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert, den thermischen Energieeintrag über einen Zeitraum von mindestens 3 Sekunden oder mindestens 5 Sekunden zu bewirken. Insbesondere kann ein periodischer Energieeintrag in jeder Belichtungspause zwischen zwei Belichtungen vorgesehen sein.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform umfasst die Projektionsbelichtungsanlage weiterhin eine Wellenfrontermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Wellen frontabweichung des Projektionsobjektivs von einer Sollwellenfront. Ferner ist die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert, eine Wellenfrontabweichung des Projektionsobjektivs von einer Sollwellenfront mittels des Manipulators und/oder mindestens eines weiteren Manipulators des Projektionsobjektivs zu korrigieren. Die Wellenfrontermittlungseinrichtung kann zum Beispiel eine Messvorrichtung, ein Simulationsmodul oder beides zum Ermitteln der Wellenfrontabweichung umfassen. Eine Simulation mit dem Simulationsmodul basiert zum Beispiel auf einem geeigneten, dem Fachmann bekannten „Lens-Model“. Die Messvorrichtung kann beispielsweise zur Durchführung einer phasenschiebenden Interferometrietechnik, wie etwa einer Scher- bzw. Shearinginterferometrie, oder einer Punktbeugungs interferometrie ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element als planparallele Platte, auch Planplatte bezeichnet, konfiguriert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Mehrzahl an optischen Elementen des Projektionsobjektivs jeweils als planparallele Platte konfiguriert. Insbesondere ist jedes der als planparallele Platte konfigurierten optischen Elemente mit einem zum Eintrag von thermischer Energie in das optische Element konfigurierten Manipulator versehen. Der Manipulator umfasst nach einer weiteren Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage Heizelemente zum thermischen Energieeintrag in das optische Element. Die Heizelemente sind beispielsweise elektrisch betriebene Heizelemente. Bei solchen Heizelementen kann eine Stromversorgung mittels elektrischer Leiter oder induktiv vorgesehen sein. Eine Steuerung eines Energieeintrags kann bei einer elektrischen Beheizung mit Hilfe einer entsprechenden Steuerung eines Heizstromes erfolgen. Ferner umfasst das optische Element nach einer Ausführungsform Quarzkörper. Eine Temperaturerhöhung in Quarz führt zu einer Erhöhung des Brechungsindex. Gemäß einer Ausführungsvariante liegt die Heizleistung der Heizelemente zwischen 10 W/m2 und 150 W/m2, insbesondere zwischen 50 W/m2 und 100 W/m2. Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante beträgt die Gesamtleistung der Heizelemente zwischen 0,2 W und 5 W, insbesondere zwischen 0,5 W und 2,0 W.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Projektionsobjektiv ein weiteres optisches Element mit einem zum Eintrag von thermischer Energie in das optische Element konfigurierten Manipulator und die beiden optischen Elemente sind als planparallele Platten mit jeweils einer Vielzahl beheizbarer Zonen ausgebildet. Vorzugsweise sind die beheizbaren Zonen über einen Querschnitt des Belichtungsstrahlengangs des Projektionsobjektivs verteilt angeordnet. Nach einer Ausbildung sind für jede Zone bei beiden Platten sehr kleine elektrisch leitende Strukturen und ohmsche Strukturen für eine elektrische Beheizung vorgesehen. Ferner kann in dem Zwischenraum zwischen beiden Platten zur Kühlung der Platten ein Luft- oder Gasstrom geführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den jeweils als planparallele Platte konfigurierten optischen Elementen ein Spalt mit einer Breite von mindestens 3 mm, insbesondere von mindestens 5 mm, angeordnet. Gemäß einerweiteren Ausführungsform beträgt die Spaltbreite höchstens 20 mm oder höchstens 10 mm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Manipulator eine Bestrahlungseinrichtung zur Einstrahlung von Heizstrahlung auf das optische Element.
Die Heizstrahlung kann eine Wellenlänge aufweisen, die sich von der Wellenlänge der Belichtungsstrahlung unterscheidet, alternativ kann die Heizstrahlung auch die gleiche Wellenlänge wie die Belichtungsstrahlung aufweisen.
Die Heizstrahlung kann quer zum Strahlengang der Belichtungsstrahlung auf das optische Element, d.h. vom Rand des optischen Elements her eingestrahlt werden. Diese Vorgehensweise wird auch als „Beheizung durch Querlicht“ bezeichnet. Alternativ kann die Heizstrahlung beispielsweise mit Hälfe von Spiegeln in den Bereich des Belichtungsstrahlengangs eingekoppelt werden und damit im Wesentlichen senkrecht auf das optische Element eingestrahlt werden ln einer alternativen Ausführungsform dient der Manipulator dazu, einen warmen Gasstrom auf das optische Element zu richten und damit thermische Energie in das optische Element einzutragen.
Ferner ist bei einerweiteren Ausführungsform die Projektionsbelichtungsanlage zum Betrieb im UV-Wellenlängenbereich konfiguriert. Insbesondere beträgt die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung etwa 365 nm, etwa 248 nm oder etwa 193 nm. Alternativ kann die Projektionsbelichtungsanlage zum Betrieb im extrem ultravioletten (EÜV-) Wellenlängenbereich mit einer Wellenlänge kleiner als 100 nm, insbesondere etwa 13,5 nm oder etwa 6,8 nm ausgebildet sein. Eine Projektionsbelichtungsanlage für den EUV-Wellenlängenbereich umfasst im Wesentlichen Spiegel als optische Elemente. Weiterhin weisen EUV-Projektionsbelichtungs- anlagen gegenüber Projektionsbelichtungsanlagen für Strahlung in einem anderen, langwelligeren Spektralbereich üblicherweise deutlich weniger optische Elemente beziehungsweise optische Flächen auf, um Intensitätsverluste durch Absorption zu reduzieren.
Die vorgenannte Aufgabe kann weiterhin beispielsweise gelöst werden mit einem Verfahren zum Steuern einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Projektionsobjektiv und einem Manipulator für mindestens ein op- tisches Element des Projektionsobjektivs zum gezielten Eintrag von thermischer Energie in das optische Element, ohne dabei eines von weiteren optischen Elementen des Projektionsobjektivs wesentlich aufzuheizen. Das Verfahren umfasst ein Steuern einer Belichtungsstrahlung zur Projektion von Strukturen in eine Substratebene und ein Steuern des Manipulators derart, dass eine Wirkung auf eine optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs, welche durch einen aufgrund einer Belichtungspause erfolgenden Rückgang eines thermischen Energieeintrags in das Projektionsobjektiv erfolgt, zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators ausgeglichen wird.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst weiterhin ein Ermitteln einer während eines Belichtungsvorgangs durch die Belichtungsstrahlung in das optische Element eingetragenen thermischen Intensitätsverteilung und ein Steuern des Manipulators auf Grundlage der ermittelten thermischen Intensitätsverteilung.
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen, Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsvarianten, etc. der erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage angegebenen Merkmale können entsprechend auf das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispie! der erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Projektionsobjektiv, welches zwei planparallele optische Platten sowie jeweils einen Manipulator zum Beheizen ei ner Vielzahl von Zonen jeder der Platten umfasst in einer schematischen Ansicht,
Fig. 2 eine der optischen Platten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 in einer detaillierteren schematischen Ansicht,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage mit einer dünnen optischen Platte als ein optisches Element mit beheizbaren Zonen in einer schematischen Ansicht,
Fig. 4 verschiedene Bereiche mit einer hohen Intensität an Belichtungsstrahlung auf einem optischen Element eines Projektionsobjektivs in einer schematischen
Ansicht,
Fig. 5 eine für die Belichtungsstrahlung nach Fig. 4 ermittelte thermische Intensitätsverteilung an einem optischen Element in einer schematischen Darstellung,
Fig. 6 die in ein optisches Element durch Belichtungsstrahlung und einen thermischen Manipulator eingetragene thermische Leistung während einer Belichtung einer Vielzahl von Wafern in einem Diagramm, sowie
Fig. 7 einen Vergleich des zeitlichen Verlaufs eines Offsets des Zernike- Koeffizienten Z12 bei einer erfindungsgemäßen und einer herkömmlichen Projektionsbelichtungsanlage während einer Belichtung einer Vielzahl von Wafern in einem Diagramm. Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.
Zur Erleichterung der Beschreibung ist in einigen Zeichnungen ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebezäehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In Fig. 1 verläuft die y- Richtung senkrecht zur Zeichenebene aus dieser hinaus, die x-Richtung nach rechts und die z-Richtung nach unten.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Projektionsbelichtungsanlage 10 für die Mikrolithographie zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauelementen wie beispielsweise integrierten Schaltkreisen. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 dient zur Projektion von Strukturen einer Maske 12 bzw. eines Retikels auf eine fotosensitive Schicht eines Substrats 14. Als Substrat 14 werden üblicherweise Wafer aus Silizium oder einem anderen Halbleiter verwendet.
Für die Projektion enthält die Projektionsbelichtungsanlage 10 eine Strahlungsquelle 16 zum Bereitstellen von elektromagnetischer Strahlung als Belichtungsstrahlung 18. Die Strahlungsquelle 16 stellt in diesem Ausführungsbeispiel Strahlung im UV-Bereich, insbesondere im DUV mit einer Wellenlänge von beispielsweise etwa 248 nm oder 193 nm, bereit und enthält hierfür z.B. einen geeignet ausgebildeten Laser. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Strahlenquelle auch zum Bereitstellen von Strahlung im extrem ultravioletten (EUV) Wel- ienlängenbereich mit einer Wellenlänge kleiner als 100 nm, insbesondere etwa 13,5 nm oder etwa 6,8 nm konfiguriert sein.
Die von der Strahlungsquelle 16 kommende Belichtungsstrahlung 18 durchläuft zunächst ein Beleuchtungssystem 20 der Projektionsbelichtungsanlage 10. Das Beleuchtungssystem 20 umfasst eine Vielzahl von optischen Elementen, von denen in Fig. 1 symbolisch eine Linse 22 und ein Umlenkspiegel 24 dargestellt sind. Mit dem Beleuchtungssystem 20 wird eine gewünschte Beleuchtung der Maske 12 eingestellt. Eine solche Beleuchtungseinstellung wird auch als Beleuchtungs- setting bezeichnet. Ein derartiges Beleuchtungssetting definiert die Winkeiverteilung der auf die Maske 12 eingestrahlten Belichtungsstrahlung 18. Beispiele für Beleuchtungssettings umfassen eine Dipol-, Quadrupol- oder Multipol-Be- leuchtung. Ferner kann das Beleuchtungssystem einen Scannerschlitz zum kontinuierlichen Scannen der Maske 12 mit einem Belichtungsstrahl mit rechteckigem Querschnitt enthalten oder ermöglichen.
Die Projektionsbelichtungsanlage 10 enthält weiterhin ein Projektionsobjektiv 26 zum Abbilden von Strukturen der Maske 12 auf eine fotosensitive Schicht des Substrats 14. Hierfür sind die Strukturen der Maske 12 in einer Objektebene 28 und die fotosensitive Schicht in einer Bildebene 30 des Projektionsobjektivs 26 angeordnet. Die Bildebene 30 kann somit auch als Substratebene bezeichnet werden, in welche die Maskenstrukturen projiziert werden. Zum Abbilden der Strukturen enthält das Projektionsobjektiv 26 eine Vielzahl von optischen Elementen in Form von Linsen, Spiegeln oder dergleichen, von denen in Fig. 1 exemplarisch eine Linse 41 eine erste optische Platte 38, eine zweite optische Platte 40, ein erster Umlenkspiegel 32, ein konkaver Spiegel 36, eine dem konkaven Spiegel 36 unmittelbar vorgelagerte Meniskuslinse 35, ein zweiter Umlenkspiegel 34, und eine dünne Sammellinse 37 dargestellt sind. Die optischen Elemente des Projektionsobjektivs 26 definieren einen Strahlengang 42 des Projektionsobjektivs 26. Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt der konkave Spiegel 36 den Hauptspiegel des Projektionsobjekts 26 dar, d.h. er ist der Spiegel mit der größten Brechkraft im Projektionsobjektiv. Gemäß dem in Fig. 1 veranschaulichten Aus- führungsbeispiel ist die Linse 41 in einem ersten Dritte! des Projektionsobjektivs 26 und die dünne Sammellinse 37 in einem Setzten Drittel des Projektionsobjektivs 26 angeordnet. Die Einteilung des Projektionsobjektivs 26 erfolgt dabei anhand der Länge des Strahlengangs des Belichtungsstrahlung 18 im Projektionsobjektiv 26.
Die Meniskuslinse 35 weist eine Mittendicke von höchstens 10 mm, insbesondere von höchstens 5 mm, auf und bildet zusammen mit dem konkaven Spiegel 36 einen sogenannten Schupmann-Achromat.
Die Linse 41 , die optischen Platten 38 und 40, die dünne Streulinse 36 sowie die dünne Sammellinse 37 sind jeweils an einem derartigen Ort im Strahlengang 42 des Projektionsobjektivs 26 angeordnet, dass sie ein Subaperturverhältnis von mindestens 0,4, insbesondere von mindestens 0,7 oder mindestens 0,9, aufweisen, d.h. sie weisen einen erheblichen optischen Abstand von der Feldebene bzw. einer konjugierten Feldebene auf und befinden sich gemäß bestimmter Ausführungsformen nahe an der Pupillenebene bzw. einer konjugierten Pupillenebene des Projektionsobjektivs 26. Bezüglich der Definition des Subaperturverhältnisses wird auf die vorstehend in diesem Text gemachten Erläuterungen Bezug genommen. Gemäß einer Ausführungsform weichen die Subaperturverhältnisse der optischen Platten 38 und 40 maximal 0,3, insbesondere maximal 0,1 von dem jeweiligen Subaperturverhältnis der dünnen Streulinse 36, der dünnen Sammellinse 37 und/oder der Linse 41 ab.
Für eine Aufnahme und exakte Positionierung der Maske 12 enthält die Projektionsbelichtungsanlage 10 eine Maskenhalterung 44. Die Maskenhalterung 44 ermöglicht auch während des Betriebs mit Hilfe von Aktuatoren eine räumliche Verschiebung, Drehung oder Neigung der Maske 12. Ferner kann die Maskenhalterung 44 für einen Scan-Betrieb zum Verfahren der Maske 12 senkrecht zu einer optischen Achse 46 des Projektionsobjektivs 26 ausgebildet sein. Entsprechend äst für das Substrat 14 eine Substrathalterung 47 vorgesehen, welche mittels Aktuatoren zur räumlichen Verschiebung, Drehung oder Neigung des Substrats 14 auch während des Betriebs ausgebildet ist. Weiterhin kann für einen Step-und- Scan-Betrieb ein Verfahren des Substrats 14 senkrecht zur optischen Achse 46 vorgesehen sein.
Zur Vermeidung von Herstellungsfehlern bei mikro- oder nanostrukturierten Bauelementen müssen Abbildungsfehler des Projektionsobjektivs 26 bei der Abbildung von Strukturen der Maske 12 auf das Substrat 14 möglichst klein gehalten werden. Neben Abbildungsfehlern infolge von Fertigungs- und Montagetoleranzen können auch erst während eines Betriebes der Projektionsbelichtungsanlage 10 Abbildungsfehler im Projektionsobjektiv 26 auftreten. So kann bei einzelnen optischen Elementen durch eine unvermeidbare Absorption eines Anteils der auftreffenden oder durchtretenden Belichtungsstrahlung 18 eine lokale Erwärmung auftreten. Die Erwärmung kann lokale Änderungen der Oberflächengeometrie durch Ausdehnung oder mechanische Spannung verursachen oder eine Änderung von Materialeigenschaften wie dem Brechungsindex bewirken. Eine weitere Ursache für betriebsbedingte Abbildungsfehler sind Alterungseffekte, beispielsweise eine Verdichtung des Materials.
Abbildungsfehler von Objektiven werden häufig als Abweichung einer gemessenen optischen Wellenfront von einer Sollwellenfront beschrieben. Die Abweichung wird auch als Wellenfrontdeformation oder Wellenfrontfehler bezeichnet und lässt sich beispielsweise durch eine Reihenentwicklung in einzelne Anteile zerlegen. Eine Zerlegung in Zernäke-Polynome hat sich dabei als besonders geeignet erwiesen, da die einzelnen Terme der Zerlegung jeweils bestimmten Abbildungsfehlern wie etwa Astigmatismus oder Koma zugeordnet werden können.
Das Projektionsobjektiv 26 enthält zur Kompensation von solchen, während des Betriebs auftretenden oder sich ändernden Wellenfrontfehlern verschiedene Manipulatoren zum Verändern der optischen Eigenschaften von optischen Elementen. Für den ersten Umlenkspiegel 32 ist ein Manipulator M1 angeordnet, welcher zur Verschiebung des ersten Umlenkspiegels 32 in einer Ebene und somit in zwei zueinander senkrechten Richtungen konfiguriert äst. Die Ebene der Verschiebun- gen ist beispielsweise parallel zur reflektiven Fläche des ersten Umlenkspiegels 32 oder zur optischen Achse 46 angeordnet.
Der zweite Umlenkspiegel 34 kann durch Drehung mittels eines Manipulators M2 um eine Achse parallel zur y-Achse verkippt werden. Damit wird der Winkel der reflektierenden Oberfläche des zweiten Umlenkspiegels 34 gegenüber der einfallenden Belichtungsstrahlung verändert. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Manipulatoren M1, M2 weitere Freiheitsgrade aufweisen. Allgemein kann eine Verlagerung des zugehörigen optischen Elements 32, 34 unter Ausführung einer Starrkörperbewegung entlang eines vorgegebenen Stellwegs erfolgen. Ein derartiger Stellweg kann beispielweise Translationen, Verkippungen oder Rotationen in beliebiger Weise kombinieren.
Der konkave Spiegel 36 ist als deformierbarer bzw. adaptiver Spiegel ausgebildet. Das Projektionsobjektiv 26 umfasst hierfür einen Manipulator M3, welcher zur separaten Deformierung einer Vielzahl von Bereichen einer reflektierenden Be schichtung als in ihrer optischen Wirkung individuell einstellbaren Zonen konfiguriert ist. Ein Stellweg für diesen Manipulator M3 beschreibt eine bestimmte Deformierung des konkaven Spiegels 36 durch eine Vielzahl von Aktuatoren.
Für die erste und zweite transparente optische Platte 38, 40 enthält das Projektionsobjektiv 26 jeweils einen elektrisch betriebenen thermischen Manipulator M4 bzw. M5. Beide Manipulatoren M4 und M5 weisen eine Vielzahl von elektrisch leitenden und ohmschen Strukturen in der jeweiligen Platte zum Beheizen von lokalen Zonen auf. Die optischen Platten 38 und 40 sind senkrecht zur optischen Achse 46 und planparallel zueinander im Strahlengang des Projektionsobjektivs 26 angeordnet. Zwischen den optischen Platten 38, 40 ist ein Spalt 48 ausgebildet, durch den zur Kühlung eine Luft-, Gas- oder Flüssigkeitsströmung 50 geführt wird.
Die optischen Platten 38, 40 sind in diesem Ausführungsbeispiel als dünne Quarzplatten mit einer Mittendicke von jeweils etwa 5 mm ausgebildet. Die Quarzplatten können eine gleichmäßige Dicke aufweisen, sodass hier anstatt des Begriffs „Mittendicke“ auch der Begriff „Dicke“ versendet werden kann. Zwischen den Quarzplatten befindet sich ein Spalt von etwa 7 mm Breite. Alternativ können auch mehr als zwei optische Platten, nicht planparallel angeordnete Platten oder Linsen mit einer Vielzahl von beheizbaren Zonen in einem Projektionsobjektiv angeordnet sein. In Quarz führt eine Temperaturerhöhung bei Wellenlängen um 193 nm zu einer Erhöhung des Brechungsindex. Dieser Effekt ist u.a. die Ursache für Wellenfrontfehler durch Linsenerwärmung (auch „Lens Heating“ bezeichnet). An den optischen Platten 38, 40 wird der Effekt zur Erzeugung einer Wellenfrontdeformation verwendet, welche einen momentan auftretenden, beispielsweise durch Linsenerwärmung bei einem oder mehreren der optischen Elemente verursachten Wellenfrontfehler in dem Projektionsobjektiv 26 kompensieren soll. Mit anderen Worten, wird der zeitliche Verlauf der Wirkung des mittels der Manipulatoren M4 und/oder M5 erfolgenden Energieeintrags auf den zeitlichen Verlauf der Wirkung der Belichtungspause auf die optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs 26 abgestimmt. Bei den dünnen optischen Platten 38, 40, der Meniskuslinse 35 so wie der dünnen Sammellinse 37 kann aber die weiter oben beschriebene schnelle Linsenerwärmung auftreten. Es tritt eine Erwärmung und Abkühlung im Zyklus der Belichtungszeiten und Belichtungspausen auf. Dieses führt zu sich schnell ändernden, periodischen Abbildungsfehlern.
Sn Fig. 2 wird die erste optische Platte 38 in einer schematischen Ansicht dargestellt. Die erste Platte 38 enthält eine zweidimensionale Matrix aus separat beheizbaren Zonen 52. In diesem Ausführungsbeispiel weist die erste optische Platte 38 eine 14x14-Matrix von Zonen 52 auf. Dabei sind sechsundneunzig separat beheizbare Zonen 52 optisch wirksam im Strahlengang 42 des Projektionsobjektivs 26 angeordnet. Die zweite optische Platte 40 ist entsprechend ausgebildet, so dass insgesamt einhundert zweiundneunzig beheizbare Zonen 52 im Strahlengang 42 angeordnet sind. Alternativ ist auch eine andere Anzahl, Anordnung und Form der Zonen 42 möglich, z.B. können die Zonen radial angeordnet oder als Streifen oder kreisbogenförmig ausgebildet sein. Eine Beheizung der Zonen 52 erfolgt gemäß einer Ausführungsform so, dass sich gegenüber der Umgebungstemperatur kältere und wärmere Bereiche insgesamt ausgleichen. Zusätzlich werden Zonen 52 am Rand der optischen Platten 38, 40 mit thermischem Kontakt zu anderen Komponenten der Projektionsobjektivs 26 aktiv auf Umgebungstemperatur beheizt. Auf diese Weise wird eine thermische Neutralität der optischen Platten 38, 40 gegenüber der Umgebung gewährleistet.
In der nachfolgenden Beschreibung wird sowohl auf Fig. 1 als auch auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Manipulatoren M4, M5 für die optischen Platten 38, 40 enthalten weiterhin eine Aktuierungseinrichtung 54 zum Einstellen eines vorgegebenen Temperaturprofils bzw. einer thermischen Intensitätsverteilung bei beiden optischen Platten 38, 40. Ein solches Temperaturprofi! gibt für jede Zone 52 beider optischen Platten 38, 40 Temperaturwerte oder entsprechende Werte, wie etwa eine Heizleistung in W/m2 als Stellweg vor. Die thermische Intensitätsverteilung stellt somit einen Stellweg dar. Die Aktuierungseinrichtung 54 versorgt jede Zone 52 der optischen Platten 38, 40 mit einem entsprechenden Heizstrom zur Einstellung des vorgegebenen Stellwegs und kann zusätzlich die Kühlung durch die Luft-, Gas- oder Flüssigkeätsströmung 50 regeln.
Anhand der mittels der Manipulatoren M4 und M5 an den optischen Platten 38 und 40 einstellbaren Temperaturprofile kann thermische Energie gezielt in die betreffende optische Platte 38 bzw. 40 eingebracht werden, ohne dabei ein anderes der im Strahlengang des Projektionsobjektivs 26 angeordneten optischen Elemente 41, 32, 35, 36, 34, 37 und 40 bzw. 38 wesentlich aufzuheizen. Darunter ist zu verstehen, dass dabei entweder keine thermische Energie in das andere optische Element eingetragen wird oder allenfalls eine thermische Energie, welche höchstens 5%, insbesondere höchstens 1%, der in die optische Platte 38 bzw. die optische Platte 40 eingetragenen Energie beträgt.
Ferner umfasst das Projektionsobjektiv 26 für die Linse 41 einen Manipulator M6, welcher zur Beheizung von verschiedenen Zonen der Linse 41 durch Infrarotstrahlung konfiguriert ist. Hierfür umfasst der Manipulator M6 eine Vielzahl von Bestrahlungseinheiten 55, welche von einer Infrarotlichtquelle des Manipulators M6 bereitgestelltes infrarotes Licht jeweils mit einer einstellbaren Intensität auf einen bestimmten Bereich bzw. eine bestimmte Zone der Linse 41 einstrahlen.
Die Linse 41 mit dem Manipulator M6 kann in einer Feld- oder Pupillenebene des Projektionsobjektivs 26 oder intermediär, d.h. zwischen Feld- und Pupillenebene, angeordnet sein. Ein thermischer Manipulator M6, welcher Infrarotlicht auf einen bestimmten Bereich oder eine Zone der Linse 41 einstrahlt, eignet sich besonders für eine Belichtungsstrahlung im tiefen ultravioletten DUV- oder VUV-Spektral- bereich und wird beispielsweise in der US 2008/0204682 A1 beschrieben. Mittels des Manipulators M6 kann damit thermische Energie gezielt in die Linse 41 ein gebracht werden, ohne dabei ein anderes der im Strahlengang des Projektionsobjektiv 26 angeordneten optischen Elemente 38, 40, 32, 35, 36, 34 und 37 wesentlich aufzuheizen. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 enthält ferner eine Steuerungseinrichtung 56, welche unter anderem zum Steuern der Belichtungsstrahlung 18 und der Manipulatoren M1 bis M5 konfiguriert ist. Für diesen Zweck umfasst die Steuerungseinrichtung 56 eine Belichtungssteuerung 58 und eine Manipulatorsteuerung 60. Mit Hilfe der Belichtungssteuerung 58 wird das Beleuchtungssystem 20 derart eingestellt, dass ein gewünschtes Beleuchtungssetting sowie Belichtungszeiträume und Belichtungspausen möglichst genau realisiert werden. Belichtungspausen werden insbesondere zum Auswechseln von Wafern benötigt. Ein eingestelltes Beleuchtungssetting 62 sowie Belichtungszeiten und Belichtungspausen werden an die Manipulatorsteuerung 60 übermittelt.
Die Manipulatorsteuerung 60 umfasst eine Wellenfrontermittlungseinrichtung 64 zum Ermitteln einer Wellenfrontabweichung des Projektionsobjektivs 26 von einer Sollwellenfront. Dabei werden von einer Wellenfrontmesseinrichtung 66 gemessene Wellenfronten 68 und andere Zustandscharakterisierungen an die Wellen- frontermittlungseinrichtung 64 übermittelt und bei einer Ermittlung der Wellenfrontabweichung berücksichtigt. Die Wellenfrontmesseinrichtung kann beispielsweise zur Durchführung einer phasenschiebenden Interferometrietechnik, wie et- wa einer Scher- bzw. Shearinginterferometrie, oder einer Punktbeugungsinterferometrie konfiguriert sein. Alternativ oder zusätzlich können von einem Simulationsmodul 70 mit Hilfe eines Linsen-Modells berechnete Wellenfrontabweichungen berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann eine Ermittlung einer Wellenfrontabweichung je nach Manipulatorstellungen auch vor oder zwischen einer Wellenfrontmessung erfolgen.
Zur Kompensation von ermittelten Wellenfrontabweichungen erfolgt mit einem Stellweggenerator 72 eine Ermittlung von optimalen Stellwegen X1 bis X5 für jeden Manipulator M1 bis M5. Dabei können geeignet ausgebildete und dem Fachmann bekannte Optimierungsverfahren verwendet werden, welche auch als „Lens-Model“ bekannt sind. Die ermittelten Stellwege X1 bis X5 werden anschließend an die Manipulatoren M1 bis M5 übermittelt, welche dann eine entspre chende Einstellung der optischen Elemente 32 bis 41 durchführen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Abbildungsfehler des Projektionsobjektivs 26 kompensieren, welche auf Grund einer langsamen Erwärmung der optischen Elemente oder anderer Komponenten über mehrerer Belichtungszeiträume und Belichtungspausen hinweg auftrete n oder durch Alterungseffekte wie eine Kompaktierung von optischen Materialien bewirkt werden. Zur Korrektur von Abbildungsfehler durch eine schnelle Linsenerwärmung ist diese Vorgehensweise aber nicht geeignet.
Für eine Kompensation von solchen durch eine schnelle Linsenerwärmung bei den beiden optischen Platten 38, 40 auftretenden kurzeitigen, periodischen Wellenfrontabweichungen umfasst die Steuerungseinrichtung 56 zusätzlich eine Ermittlungseinrichtung 74 zum Ermitteln eines durch die Belichtungsstrahlung in die erste und zweite optische Platte 38, 40 eingetragen thermische Intensitätsverteilung. Die Ermittlung erfolgt unter Berücksichtigung des von der Belichtungssteuerung 58 übermittelten Beleuchtungssettings 62 sowie der übermittelten Belichtungszeiträume und Belichtungspausen. Dabei kann eine Berechnung der thermischen Intensitätsverteilung mit Hilfe des Simulationsmoduls 70 oder eine von ei- ner in Fig. 1 nicht dargestellten Messvorrichtung gemessene Intensitätsverteilung verwendet werden.
Basierend auf der ermittelten thermischen Intensitätsverteilung erzeugt der Stellweggenerator 72 der Steuerungseinrichtung 56 Stellwege X4, X5 für die Manipulatoren M4, M5 der beiden optischen Platten 38, 40 für die Belichtungspausen derartig, dass sich die thermische Intensitätsverteilung auch in Belichtungspausen nicht ändert. Dabei erfolgt ein Energieeintrag durch die Manipulatoren M4, M5 vorzugsweise unmittelbar mit Beginn der Belichtungspause, zumindest aber innerhalb eines Zeitraums, in dem sich im Projektionsobjektiv (26) höchstens 10% einer Wellenfrontabweichung ausbildet, welche dem Rückgang des thermischen Energieeintrags durch Belichtungsstrahlung entspricht.
Mit anderen Worten wird der ortsaufgelöste Energieeintrag der Belichtungsstrahlung 18 in Belichtungspausen durch einen entsprechenden thermischen Energie eintrag der Manipulatoren M4, M5 aufrecht erhalten. Ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil bleibt auf diese Weise an beiden dünnen optischen Platten 38, 40 über Belichtungszeiträume und Belichtungspausen hinweg im Wesentlichen konstant. Abbildungsfehler durch eine schnelle Erwärmung und Abkühlung im Zyklus der Belichtungszeiten werden durch diese antizyklische Beheizung mit den thermischen Manipulatoren M4, M5 sehr effektiv reduziert.
In Fig. 3 wird eine weitere Projektionsbelichtungsanlage 80 für die Mikrolithographie dargestellt. Die Projektionsbelichtungsanlage 80 entspricht der Projektionsbelichtungsanlage nach Fig. 1 mit der Ausnahme, dass im Gegensatz zur Projektionsbelichtungsanlage 10 nach Fig. 1 bei der Projektionsbelichtungsanlage 80 die beiden planparallelen Platten 38, 40 entfernt und durch ein dünnes Linsenelement 82 ersetzt worden sind. Die Mittendicke des Linsenelements 82 beträgt maximal 10 mm. Insbesondere weist das Linsenelement 82 eine Mittendicke von höchstens 8 mm oder höchstens 5 mm auf. Das Länsenelement 82 ist im Wesentlichen als dünne Planplatte ausgeführt und dient im Projektionsobjektiv 26 als Platzhalter für die beiden planparallelen Platten 38, 40. Hierfür weist es im We- sentlichen dieselben optische Eigenschaften wie die unbeheizten optischen Platten 38, 40 auf und ermöglicht somit eine weitere Verwendung des Projektionsobjektivs 26 auch ohne die planparallelen optischen Platten 38, 40.
Am dünnen Linsenelement 82 tritt während eines Betriebs der Projektionsbelichtungsanlage 80 ebenfalls der Effekt einer schnellen Linsenerwärmung mit einer entsprechend schnellen und periodischen Änderung von Abbildungsfehlern im Zyklus der Belichtungszeiten und Belichtungspausen auf. Zur Kompensation die ser Abbildungsfehler enthält auch das dünne Linsenelement 82 eine Vielzahl von elektrisch beheizbaren Zonen. An jeder Zone sind zum Beispiel elektrische Leiter und ohmsche Elemente für eine Beheizung angeordnet.
Alternativ kann eine Beheizung des dünnen Linsenelements 82, und analog auch der beiden optischen Platten 38 und 40 gemäß Fig. 1 , auch durch eine entsprechende Bestrahlung mit einer Heizstrahlung, etwa Snfrarotlicht, erfolgen. Eine derartige Bestrahlung mit Heizstrahlung kann analog zur vorstehend beschriebenen Bestrahlung der Linse 41 mittels der Bestrahlungseinheiten 55 des Manipulators M6 erfolgen. Die Heizstrahlung kann eine Wellenlänge aufweisen, die sich von der Wellenlänge der Belichtungsstrahlung 18 unterscheidet, alternativ kann die Heizstrahlung auch die gleiche Wellenlänge wie die Belichtungsstrahlung 18 auf weisen. Die Heizstrahlung kann quer zum Strahlengang der Belichtungsstrahlung auf das optische Element, d.h. vom Rand des optischen Elements her eingestrahlt werden. Diese Vorgehensweise wird auch als „Beheizung durch Querlicht“ bezeichnet. Alternativ kann die Heizstrahlung beispielsweise mit Hilfe von Spiegeln in den Bereich des Belichtungsstrahlengangs eingekoppelt werden und damit im Wesentlichen senkrecht auf das betreffende optische Element, d.h. das dünne Linsenelement 82 bzw. eine der beiden optischen Platten 38 und 40, eingestrahlt werden. Sn einer alternativen Ausführungsform dient der Manipulator dazu, einen warmen Gasstrom auf das betreffende optische Element zu richten und damit thermische Energie in das optische Element einzutragen. Analog zur Projektionsbelichtungsanlage nach Fig. 1 ermittelt die Ermittlungsein richtung 74 gemäß Fig. 3 unter Berücksichtigung des übermittelten Belichtungs- settings 62 mit Belichtungszeiträumen und Belichtungspausen eine durch die Belichtungsstrahlung 18 induzierte thermische Intensitätsverteilung. Auf Grundlage der ermittelten thermischen Intensitätsverteilung erzeugt der Stellweggenerator 72 während der Belichtungspausen Stellwege X4 für einen Manipulator M4 des dünnen Linsenelements 82. Die Stellwege X4 sind wiederum derart ausgebildet, dass sich die thermische Intensitätsverteilung auch in Belichtungspausen nicht ändert. Das ortsaufgelöste Temperaturprofil des dünnen Linsenelements 82 bleibt über viele Belichtungszeiträume und Belichtungspausen hinweg im Wesentlichen konstant. Abbildungsfehler durch eine schnelle Linsenerwärmung werden auf diese Weise bei einer Verwendung des Linsenelements 82 als Platzhalter für die beiden optischen Platten 38, 40 verhindert.
Fig. 4 zeigt beispielhaft verschiedene Bereiche 90 mit einer hohen Intensität an Belichtungsstrahlung 18 in einem Querschnitt des Strahlengangs 42 an den optischen Platten 38, 40 des Projektionsobjektivs 26. Eine entsprechende Verteilung der Strahlungsintensitäten gilt somit auch an einem dünnen Linsenelement 82 als Platzhalter für die optischen Platten. Die Intensitätsverteilung der Belichtungsstrahlung 18 hängt wesentlich von dem jeweils ausgewählten und eingestellten Belichtungssetting ab. Je nach Belichtungssetting tritt in unterschiedlichen Bereichen 90 eines Querschnitts des Strahlengang 42 eine höhere Strahlungsintensität und in anderen Bereichen eine geringere Strahlungsintensität auf. In den Bereichen 90 mit höherer Strahlungsintensität erfolgt in den optischen Platten 38, 40 oder dem Linsenelement 82 eine größere Absorption von Belichtungsstrahlung, welche wiederum eine lokale Erwärmung der optischen Platten 38, 40 oder des Linsenelements 82 in diesen Bereichen 90 zur Folge hat. Bei einer Belichtungspause kühlen diese Bereich schnell ab, wodurch zusammen mit der Erwärmung schnelle periodische Änderungen von optischen Eigenschaften mit entsprechenden Abbildungsfehlern auftreten. !n Fig. 5 wird eine für die Belichtungsstrahlung nach Fig. 4 ermittelte thermische Intensitätsverteilung 92 an einer Oberfläche 94 eines optischen Elements 96, etwa einer optischen Platte 38, 40 oder dem Linsenelement 82 schematisch dargestellt. Dunkle Bereiche 98 zeigen einen hohen und hellere Bereiche 100 einen geringeren Energieeintrag auf. Eine Strahlengangquerschnitt wird für eine nummerische Apertur von NA = 1 ,35, durchgezogener Kreis 102, und NA = 0,85, gestrichelter Kreis 104, dargestellt. Diese ortsaufgelöste thermische Intensitätsver- teilung 92 wird von der Ermittlungseinrichtung 74 mit Hilfe eines von der Belichtungssteuerung übermittelten Beleuchtungssettings bestimmt, wobei Berechnungen des Simulationsmoduls 70 oder Messungen einer Messvorrichtung in die Ermittlung eingehen können. In Belichtungspausen steuert die Manipulatorsteuerung 60 die Manipulatoren M4, M5 der optischen Platten 38, 40 oder den Manipulator M4 des Linsenelements 82 so an, dass möglichst genau die gleiche Intensitätsverteilung durch die Manipulatoren erzeugt wird. Mit diesem zu den Belichtungszeiten antizyklischen Betreiben der Manipulatoren M4, M5 werden schnelle Temperaturänderung und damit korrespondierende Abbildungsfehler verhindert.
Fig. 6 zeigt in einem Diagramm eine eingetragene thermische Leistung bzw. eine Wärmebeaufschlagung für die optischen Platten 38, 40 durch Belichtungsstrahlung 18 und die thermischen Manipulatoren M4, M5 während einer Belichtung einer Vielzahl von Wafern in einem Diagramm. Über die x-Achse ist die Zeit in Sekunden und über die y-Achse die Leistung in Watt aufgetragen. Eine erste Belichtung 110 dauert ca. 15 s und bewirkt in diesem Zeitraum einen Leistungseintrag von etwas über 0,7 Watt. In einer darauffolgenden Belichtungspause 112 für einen Wechsel des Wafers mit einer Dauer von ca. 10 s erfolgt eine Wärmebeaufschlagung durch die Manipulatoren M4, M5 mit einer Leistung von ebenfalls etwas über 0,7 Watt. Eine zweite und alle folgenden Belichtungen 114 dauern ebenfalls etwa 15 s, wobei abwechselnd ca. 0,72 Watt und ca. 0,68 Watt eingetragen werden. Die Belichtungspausen 116 nach jeder Belichtung 114 dauern nun jeweils ca. 5 s. Dabei erfolgt durch die Manipulatoren M4, M5 jeweils eine Wärmbeaufschlagung mit der Leistung der unmittelbar vorhergehenden Belichtung 114. Auf diese Weise wird eine Abkühlung und somit eine Änderung von optischen Eigenschaften der optischen Platten 38, 40 verhindert.
In Fig. 7 wird ein Vergleich des zeitlichen Verlaufs eines Offsets des Zernike- Koeffizienten Z12 bei einer erfindungsgemäßen und einer herkömmlichen Projektionsbelichtungsanlage während einer Belichtung einer Vielzahl von Wafern in einem Diagramm dargestellt. Der Zernike-Koeffizient Z12 beschreibt zusammen mit dem Zernike-Koeffizienten Z13 den Astigmatismus 5. Ordnung als Abbildungsfehler eines Projektionsobjektivs. Sn dem Diagramm ist über die x-Achse die Zeit in Sekunden und über die y-Achse ein Offset des Zernike-Koeffizienten Z12 in Nanometern aufgetragen. Die obere Kurve 120 zeigt den Verlauf von Z12 bei einem Projektionsobjektiv 26 mit zwei dünnen elektrisch beheizbaren optischen Platten 38, 40 bei einer herkömmlichen Projektionsbelichtungsanlage ohne eine antizyklische Wärmebeaufschlagung durch die Manipulatoren M4, M5. Deutlich sind die kurzfristigen periodischen Schwankungen durch eine schnelle Erwärmung und Abkühlung im Zyklus der Belichtungszeiten und Belichtungspausen zu erkennen. Insgesamt erfolgt ferner eine allgemeine Erwärmung mit einem größer werdenden negativen Offset von Z12. Im Gegensatz dazu weist die untere Kurve 122 einer erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage deutlich geringere periodische Schwankungen auf, da eine antizyklische Wärmebeaufschlagung durch die Manipulatoren erfolgt.
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele, Ausführungsformen bzw. Ausführungsvarianten ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein. Bezugszeichenliste
10 Projektionsbelichtungsanlage
12 Maske 14 Substrat
16 Strahlungsquelle
18 Belichtungsstrahlung
20 Beleuchtungssystem
22 Linse 24 Umlenkspiegel
26 Projektionsobjektiv
28 Objektebene
30 Bildebene
32 erster Umlenkspiegel 34 zweiter Umlenkspiegel
35 Meniskuslinse
36 konkaver Spiegel
37 dünne Sammellinse
38 erste optische Platte 40 zweite optische Platte
41 Linse
42 Strahlengang 44 Maskenhalterung
46 optische Achse 47 Substrathalterung
48 Spalt 50 Gasströmung 52 Zonen 54 Aktuierungseinrichtung 55 Bestrahlungseinheiten
56 Steuerungsvorrichtung 58 Belichtungssteuerung Manipulatorsteuerung
Beleuchtungssetting
Wellenfrontermittlungseinrichtung
Wellenfrontmesseinrichtung gemessene Wellenfronten
Simulationsmodul
Stellweggenerator
Ermittlungseinrichtung für thermische Intensitätsverteilung
Projektionsbelichtungsanlage dünnes Linsenelement
Bereiche thermische Intensitätsverteilung
Oberfläche optisches Element dunkle Bereiche helle Bereiche durchgezogener Kreis gestrichelter Kreis

Claims

Ansprüche
1. Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, mit
- einem Projektionsobjektiv zur Projektion von Strukturen einer Maske in eine Substratebene mittels einer Belichtungsstrahlung, wobei mindestens ein optisches Element des Projektionsobjektivs mit einem Manipulator versehen ist, welcher zum gezielten Eintrag von thermischer Energie in das optische Element konfiguriert ist, ohne dabei eines von weiteren optischen Elementen des Projektionsobjektivs wesentlich aufzuheizen, sowie
- einer Steuerungseinrichtung, welche zur Steuerung der Belichtungsstrahlung sowie zur derartigen Steuerung des Manipulators konfiguriert ist, dass eine Wirkung auf eine optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs, welche durch einen aufgrund einer Belichtungspause erfolgenden Rückgang eines thermischen Energieeintrags in das Projektionsobjektiv erfolgt, zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators ausgeglichen wird.
2. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1 , wobei die Wirkung, die zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators ausgeglichen wird, eine aufgrund der Belichtungspause erfolgende Veränderung eines Wellenfrontfehlers des Projektionsobjektivs umfasst.
3. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der zeitliche Verlauf der Wirkung des mittels des Manipulators erfolgenden Energieeintrags auf den zeitlichen Verlauf der Wirkung der Belichtungspause auf die optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs abgestimmt ist.
4. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das mit dem Manipulator versehene optische Element ein Subaperturverhältnis von mindestens 0,4 aufweist.
5. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das mit dem Manipulator versehene optische Element eine Mittendicke von höchstens 10 mm aufweist.
6. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der dem mit dem Manipulator versehenen optischen Element mindestens ein weiteres der optischen Elemente des Projektionsobjektivs dahingehend zugeord net ist, dass das zugeordnete weitere optische Element ein Subaperturverhältnis aufweist, welches von einem Subaperturverhältnis des mit dem Manipulator versehenen optischen Elements um maximal 0,3 abweicht, wobei das zugeordnete weitere optische Element eine Mittendicke von höchstens 10 mm aufweist.
7. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 6, bei der das zugeordnete weitere optische Element als Meniskuslinse konfiguriert ist, welche vor einem konkaven Spiegel angeordnet ist.
8. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 6 oder 7, bei der das zugeordnete weitere optische Element ein Subaperturverhältnis von mindestens 0,4 aufweist.
9. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der das mindestens eine weitere zugeordnete optische Element eine im ersten Drittel des Projektionsobjektivs, eine im letzten Drittel des Projektionsobjektives und/oder eine vor einem konkaven Spiegel angeordnete Linse umfasst.
10. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welche zum Betrieb im DUV-Wellenlängenbereich konfiguriert ist.
11. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Ermittlungseinrichtung umfasst, welche zur Ermittlung einer während eines Belichtungsvorgangs durch die Belichtungsstrahlung in das optische Element eingetragenen thermischen Intensitätsverteilung konfiguriert ist.
12. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Steuerungseinrichtung zum derartigen Steuern des Manipulators kon figuriert ist, dass der Energieeintrag mit einer, über eine optisch wirksame Fläche des optischen Elements, ortsaufgelösten Verteilung erfolgt.
13. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert ist, den mittels des Manipulators erfolgenden Energieeintrag innerhalb eines Zeitraums zu bewirken, in dem sich im Projektionsobjektiv höchstens 10% einer Wellenfrontabweichung ausbilden würde, welche dem Rückgang des thermischen Energieeintrags entspricht.
14. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert ist, den thermischen Energieeintrag über einen Zeitraum von höchstens 15 Sekunden zu bewirken.
15. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert ist, den thermischen Energieeintrag über einen Zeitraum von mindestens 2 Sekunden zu bewirken.
16. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das optische Element als planparallele Platte konfiguriert ist.
17. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der eine Mehrzahl an optischen Elementen des Projektionsobjektivs jeweils als planparallele Platte konfiguriert sind.
18. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Manipulator Heizelemente zum thermischen Energieeintrag in das optische Element umfasst.
19. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das Projektionsobjektiv ein weiteres optisches Element mit einem zum Eintrag von thermischer Energie in das optische Element konfigurierten Manipulator umfasst und die beiden, jeweils mit einem Manipulator versehenen, optischen Elemente als planparallele Platten mit jeweils einer Vielzahl beheizbarer Zonen ausgebildet sind.
20. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 19, bei der zwischen den jeweils als planparallele Platte konfigurierten optischen Elementen ein Spalt mit einer Breite von mindestens 3 mm angeordnet ist.
21. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Manipulator eine Bestrahlungseinrichtung zur Einstrahlung von Heizstrahlung auf das optische Element umfasst.
22. Verfahren zum Steuern einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Projektionsobjektiv und einem Manipulator für mindestens ein optisches Element des Projektionsobjektivs zum gezielten Eintrag von thermischer Energie in das optische Element, ohne dabei eines von weiteren optischen Elementen des Projektionsobjektivs wesentlich aufzuheizen, umfassend die Schritte:
- Steuern einer Belichtungsstrahlung zur Projektion von Strukturen einer Maske in eine Substratebene,
- Steuern des Manipulators derart, dass eine Wirkung auf eine optische Eigenschaft des Projektionsobjektivs, welche durch einen aufgrund einer Belichtungspause erfolgenden Rückgang eines thermischen Energieeintrags in das Projektionsobjektiv erfolgt, zumindest teilweise durch den Energieeintrag mittels des Manipulators ausgeglichen wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin umfassend ein Ermitteln einer während eines Belichtungsvorgangs durch die Belichtungsstrahlung in das optische Element eingetragenen thermi- sehen Intensitätsverteilung und ein Steuern des Manipulators auf Grundlage der ermittelten thermischen Intensitätsverteilung.
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