DE102005041203A1

DE102005041203A1 - Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Messung von Phasenmasken

Info

Publication number: DE102005041203A1
Application number: DE102005041203A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Haidner; Ulrich Wegmann
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-01
Also published as: WO2007025746A1; US20080231862A1; EP1920227A1; US7911624B2; JP2009506335A; KR20080041671A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur interferometrischen Messung von Phasenmasken, insbesondere aus der Lithographie. DOLLAR A Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Phasenmasken (4) wird die durch eine Kohärenzmaske (1) durchtretende Strahlung durch ein Beugungsgitter (3) zur Interferenz gebracht, wobei in oder nahe der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) eine Phasenmaske (4) angeordnet wird, die in x-y-Richtung exakt positionierbar ist, von der durch translatorische Verschiebung der Kohärenzmaske (1) oder des Beugungsgitters (3) in x-y-Richtung phasengeschobene Interferogramme erzeugt und über eine zweite Abbildungsoptik (5) auf den ortsauflösenden Detektor (6) abgebildet und von einer Auswerteeinheit die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt werden. DOLLAR A Obwohl die vorgeschlagene Lösung insbesondere zur interferometrischen Messung von photolithografischen Phasenmasken vorgesehen ist, kann die Lösung natürlich allgemein auf planare Phasenobjekte, wie beispielsweise biologische Strukturen angewendet werden, wobei sich hierbei Anknüpfungspunkte zu einem Interferenzmikroskop ergeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur interferometrischen Messung von Phasenmasken, insbesondere aus der Lithographie. In der Lithographie werden Phasenmasken eingesetzt, um Strukturen, die unterhalb der Abbe'schen Auflösungsgrenze liegen, auf Wafer zu übertragen. Um eine fehlerhafte Übertragung der Strukturen zu verhindern, ist eine Messung der Phasenmasken erforderlich.
Nach dem bekannten Stand der Technik werden Phasenmasken in der Lithographie zur Steigerung der lateralen Auflösung eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Masken, die transparente und nichttransparente Bereiche aufweisen, besteht bei PSMs ('phase shift mask') zwischen transparenten Bereichen eine Phasenschiebung in der Regel von 180°. Außerdem gibt es auch Masken, die sowohl herkömmliche Maskenbereiche als auch Bereiche mit Phasenshiftstrukturen aufweisen.
Zur Vermessung optischer Abbildungssysteme für lithographische Anwendungen sind nach dem Stand der Technik Lösungen bekannt, die auf interferometrischen Anordnungen basieren.

Dazu wird in der DE 102 58 142 A1 eine Vorrichtung zur optischen Vermessung eines Abbildungssystems durch Wellenfronterfassung mittels Shearing-Interferometrie beschrieben. Dabei wird mit einer objektseitig vor dem Abbildungssystem anzuordnenden Objektstruktur, einer bildseitig nach dem Abbildungssystem anzuordnenden Bildstruktur und einer letzterer nachgeschalteten Detektor- und Auswerteeinheit eine Überlagerungsstruktur detektiert und anhand von Objekt- und Bildstruktur ausgewertet. Die Bildstruktur und/oder die Objektstruktur beinhalten ein periodisches Mehrfrequenzmuster, das in wenigstens einer Richtung mindestens zwei unterschiedliche Periodizitätslängen auf weist und/oder wenigstens ein zweidimensionales Hauptmuster mit periodisch angeordneten Strukturfeldern und mindestens ein Submuster umfasst, das in Strukturfeldern des Hauptmusters gebildet ist. Die Vorrichtung kann beispielsweise zur hochgenauen, ortsaufgelösten Vermessung von Projektionsobjektiven in Mikrolithografieanlagen zur Halbleiterbauelementstrukturierung eingesetzt werden.

Auch in der DE 102 60 985 A1 ist eine Vorrichtung zur interferometrischen Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems beschrieben, bei der die Vermessung eines optischen Abbildungssystems durch Wellenfronterfassung mittels Shearing-Interferometrie erfolgt. Die Lösung sieht die Verwendung eines objektseitig vor dem Abbildungssystem anzuordnenden Beleuchtungsteil, einem nach dem Abbildungssystem vor dessen Bildebene anzuordnenden Beugungsgitter, einer in der Bildebene des Abbildungssystems anzuordnenden Filtermaske und einer der Filtermaske nachgeschalteten Detektoreinheit vor, wobei das Beleuchtungsteil eine Kohärenzmaske mit einer Mehröffnungs-Maskenstruktur beinhaltet, die auf eine Unterdrückung unerwünschter Beugungsordnungen ausgelegt ist. Außerdem ist die Filtermaske in der Bildebene des Abbildungssystems beweglich angeordnet. Die Vorrichtung kann beispielsweise zur ortsaufgelösten Vermessung hochaperturiger Projektionsobjekte von Mikrolithographieanlagen hinsichtlich eventueller Bildfehler verwendet werden.

Eine weitere Lösung, die eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Wellenfronten elektromagnetischer Strahlung, insbesondere sichtbaren und ultravioletten Lichts sowie weicher Röntgenstrahlung beansprucht, wird in der DE 101 09 929 A1 beschrieben. Dabei kann durch die zweidimensionale Struktur der Wellenfrontquelle die räumliche Kohärenz der Strahlung so angepasst werden, dass die von dem optischen System umgeformten Wellenfronten hochgenau gemessen werden können. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist sowohl für kohärente als auch für inkohärente Strahlung vom Infrarot- bis in den Röntgenbereich geeignet. Bereits bei Verwendung konventioneller CCD- Kameratechnik für den ortsauflösenden Detektor ist ein großer Spektralbereich zugänglich. Bei extrem kurzen Wellenlängen kann z. B. aber auch ein Photoemissions-Elektronenmikroskop (PEEM) als ortsauflösender Detektor eingesetzt werden. Der ortsauflösende Detektor kann auch einen in CMOS-Technik aufgebauten Sensor aufweisen, der sich durch geringe Leistungsaufnahme auszeichnet und die Integration eines Digital-Analog-Wandlers am Detektor ermöglicht. Auch ein Sensor mit CID (Charge Injection Device)-Technik ist möglich.

In der US 6,573,997 B1 wird ein hybrides Shearing- und Phasen-Shift-Point-Diffraction-Interferometer beschrieben, welches die Stärken von zwei vorhandenen Interferometrie-Methoden kombiniert, die Messgenauigkeit erhöht und die Dynamik beider Systeme verbessert. Auf der verwendeten Blende, die nahe der Bildebene eines optischen Systems angeordnet ist, sind Muster für beide Interferometrie-Methoden enthalten. Die beschriebene Lösung ist für die Prüfung von Projektionsoptiken photolithographischer Systeme vorgesehen. In einer Ausgestaltung der Lösung kann insbesondere auch ein einzelnes optisches Element geprüft werden. Dazu wird dieses optische Element von einer elektromagnetischen Energiequelle bestrahlt und nacheinander, durch Verschiebung der hybriden Maske in den optischen Strahlengang, interferometrisch, mittels Shearing- und Phasen-Shift-Point-Diffraction-Interferometrie untersucht. Mit dem beschriebenen hybriden Interferometer-System können verschiedene Abbildungsfehler bestimmt und charakterisiert werden, um zu verhindern, dass von der Projektionsoptik verwaschene, unscharfe Bilder auf den Wafer projiziert wurden. Aus der Analyse des Interferogrammes und der resultierenden Wellenfront kann auf das Vorhandensein von Abweichungen geschlossen werden.

Weiterhin sind im Stand der Technik Lösungen bekannt, mit denen Strukturen unter Verwendung interferometrischer Anordnungen untersucht werden können.

Auf einer „Lateral-Shearing-Interferometer"-Anordnung (LSI) basierende Verfahren werden von Fütterer in [1] bzw. von Schwider in [3] beschrieben. Bei dieser Messanordnung, die als Beleuchtungsquelle ein Pinhole besitzt, wird das Beugungsgitter außerhalb des Fokus im parallelen Strahlengang positioniert.

Im Fokus des ersten Abbildungssystems ist eine Blende angeordnet, die bestimmte Beugungsordnungen herausfiltert.

Ein Shearing-Interferenzmikroskop wird von Kusunose u. a. in [2] beschrieben. Dieses Interferometer ist jedoch durch die Vielzahl der verwendeten optischen Elemente sehr platzintensiv und stellt eine wenig kompakte Messanordnung dar.

Literatur:

[1] Fütterer G. et al; Lateral Shearing Interferometer for Phase Shift Mask Measurement at 193 nm; (2002) SPIE vol. 4691; 541-551
[2] Kusuonese H. et al; Phase Measurement System with Transmitted Light UV Light for Phase-Shifting Mask Inspection; (1994); SPIE vol. 2254; 294-301
[3] Schwider J. et al; Diffractive Lateral Interferometer for Phase Shift Mask Measurement Using an Excimer Laser Source; (2005), SPIE vol. 5776; 270-277
[4] Petit R.; Electromagnetic Theory of Gratings; Springer Verlag; Berlin; 1980;
[5] Haidner H., Kipfer P., Streibl N.; Optimization and Reconstruction of High Frequency Surface Relief Gratings; Optik 90 (1992) 92

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein schnelles, quantitatives Messverfahren zu entwickeln, mit dem es im Rahmen einer Maskeninspektion möglich, ist Phasenmasken mit minimalen Strukturgrößen im Bereich von ca. 200 nm hinsichtlich Transmission und Phase zu charakterisieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung zur interferometrischen Messung von Phasenmasken wird eine inkohärent ausgeleuchtete Kohärenzmaske über eine erste Abbildungsoptik auf ein Beugungsgitter abgebildet wird, wobei in oder nahe der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik eine Phasenmaske vorhanden ist, die in der x-y-Ebene exakt positionierbar ist, um beispielsweise Phasenmasken mit unterschiedlichen Scherabständen und -richtungen vermessen werden können. Von dieser Phasenmaske werden durch translatorische Verschiebung der Kohärenzmaske oder des Pinholes bzw. des Beugungsgitters in x-y-Richtung phasengeschobene Interferogramme erzeugt und über eine zweite Abbildungsoptik auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet. Aus diesen Interferogrammen wird von der Auswerteeinheit die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt, wobei die Abbildung der Interferogramme auf den ortsauflösenden Detektor vergrößert erfolgt.

Obwohl die vorgeschlagene Vorrichtung und das entsprechende Verfahren insbesondere zur interferometrischen Messung von photolithografischen Phasenmasken vorgesehen ist, kann die Lösung natürlich allgemein auf planare Phasenobjekte, wie beispielsweise biologische Strukturen angewendet werden, wobei sich hierbei Anknüpfungspunkte zu einem Interferenzmikroskop ergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
1: eine differenzierte LSI-Messanordnung,
2: eine PDI-Messanordnung,
3: eine differenzierte LSI-Messanordnung mit zweistufiger erster Abbildungsoptik,
4a: die Struktur einer Phasenmaske mit unterschiedlichen Scherrichtungen und
4b: die gemessenen Schnitte der Phasenfunktion für die unterschiedlichen Scherrichtungen.
Unter einer differenzierten LSI-Messanordnung wird im folgenden eine LSI-Messanordnung verstanden, bei der statt des üblichen Pinholes eine Kohärenzmaske verwendet wird und das Beugungsgitter im Fokus des Abbildungssystems angeordnet ist. Die Kohärenzmaske im Retikel bewirkt, dass nur einige Beugungsordnungen, hier insbesondere die –1., 0. Und +1. Beugungsordnung zum Interferieren gebracht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Phasenmasken besteht aus einer interferometrischen Messanordnung, mit einer Strahlungsquelle, einem Beugungsgitter, zwei Abbildungsoptiken, einem ortsauflösenden Detektor und einer Auswerteeinheit. Die durch eine Kohärenzmaske oder das Pinhole durchtretende Strahlung wird durch ein Beugungsgitter zur Interferenz gebracht, wobei in oder nahe der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik eine Phasenmaske angeordnet wird, die in x-y-Richtung exakt positionierbar ist. Von dieser Phasenmaske werden durch translatorische Verschiebung der Kohärenzmaske oder des Beugungsgitters in x-y-Richtung phasengeschobene Interferogramme erzeugt und über eine zweite Abbildungsoptik auf den ortsauflösenden Detektor abgebildet. Von der Auswerteeinheit werden aus den phasengeschobenen Interferogrammen die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt, wobei die Abbildung der Interferogramme auf den ortsauflösenden Detektor dabei vergrößert erfolgt. Dadurch ist es möglich, einen kleinen Teilbereich der Phasenmaske, von bei spielsweise 10 μm × 10 μm zu vermessen und die erzeugten phasengeschobenen Interferogramme vergrößert auf den ortsauflösenden Detektor abzubilden.
In vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Strahlungsquelle Strahlung verschiedener Wellenlängen abstrahlen, für die die Abbildungsoptiken entsprechend korrigiert sind. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die inkohärente Strahlung durch zusätzliche Polarisationsfilter unterschiedlich polarisierte Strahlung abstrahlen kann. Dazu werden die Polarisationsfilter in der Nähe einer zur Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik konjugierten Ebene angeordnet. Die auf einem Retikel angeordnete Kohärenzmaske, sowie das als Amplitudengitter auf einem Substrat angeordnete Beugungsgitter sind vorzugsweise beweglich und wechselbar ausgebildet. Die in der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik angeordnete Phasenmaske ist bezüglich der optischen Achse der interferometrischen Messanordnung definiert neigbar. Die vergrößerte Abbildung der phasengeschobenen Interferogramme wird dabei durch die erste, die zweite oder beide Abbildungsoptiken realisiert, wobei vorzugsweise die zweite Abbildungsoptik zur Realisierung verschiedener Vergrößerungsstufen wechselbar ausgeführt ist.
Bei Verwendung einer Strahlungsquelle, die vorzugsweise Strahlung verschiedener Wellenlängen abstrahlt, lassen sich aus den spektralabhängigen Messdaten, d. h. aus den spektralabhängigen Amplituden- und Phasenverteilungen, zusätzliche Informationen gewinnen, die Rückschlüsse auf die Art der lokalen Störungen, wie beispielsweise Störungen der Materialeigenschaften durch Kontamination zulassen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Phasenmaske bezüglich der optischen Achse der interferometrischen Messanordnung definiert neigbar ist. Dadurch können insbesondere die Flanken der Phasenstufen mit verbesserter lateraler Auflösung abgebildet und gemessen werden. Außerdem lassen sich damit Reflexionsartefakte vermeiden.
Durch Anwendung dieser beiden vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messgenauigkeit wesentlich verbessert werden, da für die Auswertung eine größere Anzahl von verschiedenen Messdaten zur Verfügung steht.
Damit die Messergebnisse nicht durch Abbildungsfehler der interferometrischen Messanordnung verfälscht werden, ist es zweckmäßig, die Messanordnung zu kalibrieren. Während die Kalibrierung der Phasenfunktion durch eine Planplatte bekannter Dicke erfolgt, die in der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik angeordnet wird, erfolgt die Kalibrierung der Transmissionsfunktion durch eine Planplatte bekannter Transmission, die ebenfalls in die Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik angeordnet wird. Dadurch können sowohl die Aberrationen des Abbildungssystems als auch die Inhomogenitäten der Ausleuchtung bedingt durch die Beleuchtung und das Abbildungssystem herauskalibriert werden.
In einer ersten Ausgestaltungsvariante kann die interferometrische Messanordnung als „differenziertes Lateral-Shearing-Interferometer" (LSI) ausgebildet sein, bei dem das Beugungsgitter in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik angeordnet ist.
Bei der in 1 dargestellten differenzierte LSI-Messanordnung (dLSI) wird eine inkohärent ausgeleuchtete Kohärenzmaske 1 dabei über eine erste Abbildungsoptik 2 auf das Beugungsgitter 3 abgebildet. In oder nahe der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik 2 wird die zu messende Phasenmaske 4 angeordnet, die in x-y-Richtung exakt positionierbar ist. Die Phasenmaske 4 kann hierbei μm-genau in die gewünschte x-y-Position bewegt werden, so dass die gewünschten, vorher bestimmten Bereiche der Phasenmaske 4 untersucht werden können. Durch translatorische Verschiebung der Kohärenzmaske 1 oder des Beugungsgitters 3 in x-y-Richtung werden phasengeschobene Interferogramme der Phasenmaske 4 erzeugt und über die zweite Abbildungsoptik 5 auf den ortsauflösenden Detektor 6 abgebildet. Von der (nicht dargestellten) Auswerteeinheit werden aus den phasengeschobenen Interferogrammen die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske 4 bestimmt, wobei die Abbildung der Interferogramme auf den ortsauflösenden Detektor 6 dabei vergrößert erfolgt. Die einzelnen Elemente der LSI-Messanordnung können hierbei die bereits genannten vorteilhaften Ausgestaltungen aufweisen.

Eine beispielhafte Ausgestaltung einer differenzierten LSI-Messanordnung (dLSI) kann durch folgende Parameter beschrieben werden:

Maskenperiode	5,79 mm
Periode des Beugungsgitters:	5,79 mm
NA der ersten Abbildungsoptik:	1, 2, 3 : 0,9
Vergrößerung der zweiten Abbildungsoptik	1 : 360
betrachteter Ausschnitt der Phasenmaske:	10 μm × 10 μm
Detektor:	800 Pixel mit 9 μm Pixelgröße
Shearing im unvergrößerten Bild:	100 nm
Shearing im vergrößerten Bild:	36 μm

In einer weiteren Ausführungsform können zur Steigerung der Strukturauflösung die Abbildungsoptiken 2 und 5 auch als Immersionsoptiken ausgeführt sein, so dass numerische Aperturen größer 1 möglich sind.
Für die interferometrischen Messung von Phasenmasken werden Interferogramme erzeugt, die durch die Überlagerung der –1., 0. und +1 Beugungsordnung entstehen, wobei jeweils zwei oder auch alle drei überlagert sein können. Die Periode der Kohärenzmaske hat hierbei, wenn man den Abbildungsmaßstab einbezieht, die gleiche Periode, wie das Beugungsgitter. Wählt man hingegen die Periode der Kohärenzmaske doppelt so groß wie die Periode des Beugungsgitters (wiederum bezogen auf den Abbildungsmaßstab), so hat die Kohärenzfunktion beim Scherabstand 1 (Abstand zwischen 0-ter und 1-ter bzw. 0-ter und –1-ter Beugungsordnung des Gitters) eine Nullstelle und für den Scherabstand 2 (Abstand zwischen –1-er und +1-ter Beugungsordnung des Gitters) einen endlichen Wert, so dass das Interferogramm bei Überlagerung der –1. und +1. Beugungsordnung einen Kontrast aufweist und dabei die Überlagerung mit der 0-ten Beugungsordnung unterdrückt wird.
Im Fall von drei überlagerten Beugungsordnungen hat man einen Mittelungseffekt, bei dem der gemessene Gradient aus zwei Ableitungen (Interferogramm aus –1. und 0. und Interferogramm aus 0. und +1. Beugungsordnung) gemittelt wird. 3-Strahl-Kohärenzmasken führen im Gegensatz zu 2-Strahl-Kohärenzmasken bei Phasenmasken mit nichttransparenten Bereichen, zu keinen Bereichen ohne Information über die Phase und die Transmission.
Andererseits erweist sich die Auswertung von Interferogrammen mit 3-Strahlinterferenz als schwieriger. Insbesondere an den Übergängen zwischen transparenten und nichttransparenten Bereichen muss man zwischen Bereichen mit 2-Strahl und 3 Strahl Interferenz unterscheiden. Da der Mittelungseffekt numerisch korrigiert werden muss, kann es deshalb vorteilhaft sein, in manchen Bereichen mit 2-Strahl-Kohärenzmasken und in anderen Bereichen mit 3-Strahl-Kohärenzmasken zu arbeiten.
In einer zweiten Ausgestaltungsvariante kann die interferometrische Messanordnung als „Point-Diffraction-Interferometer" (PDI) ausgebildet sein. Im Unterschied zur differenzierten LSI-Anordnung wird hierbei statt der Kohärenzmaske ein Pinhole verwendet. Außerdem wird das Beugungsgitter außerhalb und eine zusätzliches Pinhole in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik angeordnet.
Bei der in 2 dargestellten PDI-Messanordnung wird die über ein Pinhole verfügende Maske 1' über eine erste Abbildungsoptik 2 auf die Blendenstruktur 7 abgebildet. Hierbei wird vom Pinhole durch Beugung eine kohärente Kugelwelle erzeugt, wobei der Durchmesser des Pinholes typischerweise kleiner ist als die Wellenlänge. Das Beugungsgitter 3' ist bei dieser Variante außerhalb und eine zusätzliche Blendenstruktur 7 in der Fokusebene der ersten Abbil dungsoptik 2 angeordnet. Die zusätzliche Blendenstruktur 7 ist dabei ebenfalls als Pinhole ausgeführt. In der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik 2 wird die zu messende Phasenmaske 4 angeordnet, die auch hier in x-y-Richtung exakt positionierbar ist. Die Phasenmaske 4 kann dabei μm-genau in die gewünschte x-y-Position bewegt werden, so dass die vorher bestimmten Bereiche der Phasenmaske 4 untersucht werden können. Durch translatorische Verschiebung der Maske 1' oder des Beugungsgitters 3' in x-y-Richtung werden phasengeschobene Interferogramme der Phasenmaske 4 erzeugt und über die zweite Abbildungsoptik 5 auf den ortsauflösenden Detektor 6 abgebildet. Von der (nicht dargestellten) Auswerteeinheit werden aus den phasengeschobenen Interferogrammen die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske 4 bestimmt, wobei die Abbildung der Interferogramme auf den ortsauflösenden Detektor 6 dabei vergrößert erfolgt. Die einzelnen Elemente der PDI-Messanordnung können hierbei die bereits genannten vorteilhaften Ausgestaltungen aufweisen.
In einer dritten Ausgestaltungsvariante sind die Kohärenzmaske, das Beugungsgitter und die Blendenstruktur wechselbar ausgebildet, so dass die interferometrische Messanordnung wahlweise als LSI oder PDI verwendet werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur interferometrischen Messung von Phasenmasken wird die durch eine Kohärenzmaske oder das Pinhole durchtretende Strahlung durch ein Beugungsgitter zur Interferenz gebracht, wobei in oder nahe der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik eine Phasenmaske angeordnet wird, die in x-y-Richtung exakt positionierbar ist. Durch translatorische Verschiebung des Pinholes oder des Beugungsgitters in x-y-Richtung werden phasengeschobene Interferogramme erzeugt und über eine zweite Abbildungsoptik auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet. Aus diesen phasengeschobenen Interferogrammen werden von der Auswerteeinheit die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt, wobei die Abbildung der Interferogramme auf den ortsauflösenden Detektor vergrößert erfolgt.
In vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Strahlungsquelle Strahlung verschiedener Wellenlängen abstrahlen, für die die Abbildungsoptiken entsprechend korrigiert sind. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die inkohärente Strahlung durch zusätzliche Polarisationsfilter unterschiedlich polarisierte Strahlung abstrahlen kann. Dazu werden die Polarisationsfilter in der Nähe einer zur Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik konjugierten Ebene angeordnet. Das auf einem Retikel angeordnete Pinhole, sowie das als Amplitudengitter auf einem Substrat angeordnete Beugungsgitter sind vorzugsweise beweglich und wechselbar ausgebildet. Die in der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik angeordnete Phasenmaske ist bezüglich der optischen Achse der interferometrischen Messanordnung definiert neigbar. Die vergrößerte Abbildung kann dabei durch die erste, die zweite oder beide Abbildungsoptiken realisiert werden, wobei vorzugsweise die zweite Abbildungsoptik zur Realisierung verschiedener Vergrößerungsstufen wechselbar ausgeführt ist. Erfolgt die vergrößerte Abbildung durch die erste Abbildungsoptik, so ist diese als zweistufiges Abbildungssystem auszuführen, wobei die notwendige Vergrößerung zwischen beiden Stufen erfolgen muss.
In vorteilhaften Ausgestaltungen kann die dargestellten PDI-Messanordnung als hybdride PDI/LSI-Messanordnung ausgeführt sein.
3 zeigt dazu eine differenzierte LSI-Messanordnung mit zweistufiger erster Abbildungsoptik, bei der die vergrößerte Abbildung zwischen den Teiloptiken 2 und 2' erzeugt wird.
Damit die Messergebnisse nicht durch Abbildungsfehler der interferometrischen Messanordnung verfälscht werden, ist es zweckmäßig, die Messanordnung zu kalibrieren. Während die Kalibrierung der Phasenfunktion durch eine Planplatte bekannter Dicke erfolgt, die in der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik angeordnet wird, erfolgt die Kalibrierung der Transmissionsfunktion durch eine Planplatte bekannter Transmission, die ebenfalls in die Pupillenebene der ers ten Abbildungsoptik angeordnet wird. Dadurch können sowohl die Aberrationen des Abbildungssystems als auch die Inhomogenitäten der Ausleuchtung bedingt durch die Beleuchtung und das Abbildungssystem herauskalibriert werden.
Die interferometrische Messung kann hierbei sowohl mit einem differenzierten „Lateral-Shearing-Interterometer" (dLSI), als auch mit einem „Point-Diffraction-Interferomerter" (PDI) erfolgen. Während bei einer dLSI-Messanordnung das Beugungsgitter in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik angeordnet ist, wird bei einer PDI-Messanordnung das Beugungsgitter außerhalb und eine zusätzliche Blendenstruktur in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik angeordnet. Während die PDI-Messanordnung zur Beleuchtung ein Pinhole verwendet, verfügt die dLSI-Messanordnung im Gegensatz zur LSI-Messanordnung über eine Kohärenzmaske statt eines Pinholes.
Eine äußerst vorteilhafte Ausgestaltungsvariante ergibt sich, wenn die Kohärenzmaske, das Pinhole, das Beugungsgitter und die Blendenstruktur wechselbar ausgebildet sind, so dass die interferometrische Messanordnung wahlweise als dLSI oder PDI verwendet werden kann.
Unabhängig von der genutzten interferometrischen Messanordnung wird von der Auswerteeinheit aus den phasengeschobenen Interferogrammen die Phasenfunktion und die Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt. Bei der Bestimmung der Transmissionsfunktion sind die auf die Interferometeroptik zurück zu führenden reflektierten und/oder absorbierten Strahlungsanteile zu berücksichtigen. Die Berücksichtigung muss dabei ortsaufgelöst erfolgen, da die Transmission des Systems vom Durchtrittsort durch die Interferometeroptik abhängt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich sowohl die Phasen- als auch die Transmissionsfunktion einer Phasenmaske mit kleinen Strukturgrößen ab solut zu bestimmen. Allerdings ist dazu, wie bereits beschrieben eine Kalibrierung der interferometrischen Messanordnung erforderlich.
Bei der Verwendung der beschriebenen interferometrischen Messanordnungen hat sich gezeigt, dass an die Vermessung von kleinen Strukturgrößen besondere Anforderungen zu stellen sind.
So wurden beispielsweise Interferogramme eines als Phasenmaske dienenden Ronchigitter mit einer Phasentiefe von n ausgewertet, wobei unter anderem die numerische Apertur (NA) der Abbildungsoptiken und die Periode des Ronchigitters variiert wurden.
Es zeigte sich, dass die gemessenen Phasen- und somit auch Transmissionsfunktionen bei Phasenmasken mit kleinen Strukturen eine Funktion folgender Parameter ist:

– NA der Abbildungsoptiken,
– Polarisationszustandes der verwendeten Lichtquelle,
– Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle,
– Pixelgröße des ortsauflösenden Detektors,
– Scherabstand und -richtung, sowie
– Oberflächenprofils und Materialzusammensetzung der Phasenmaske.

Dadurch wird auch die Interpretation der gemessenen Phasenfunktion erschwert, da sich die gemessene Phasenfunktion in der Detektorebene nicht 1:1 in die Phasenfunktion, d. h. das Oberflächenprofil der Phasenmaske übersetzt.
Zur Verdeutlichung der Abhängigkeit der Phasen- und Transmissionsfunktionen einer Phasenmaske von der Scherrichtung zeigt 4a die Strukturen 8 einer Phasenmaske mit, für die interferometrische Messung unterschiedlichen Scherrichtungen A, B und C. Die gemessenen Schnitte der Phasenfunktion für diese unterschiedlichen Scherrichtungen A, B und C sind in 4b dargestellt. Es ist zu erkennen, dass durch unterschiedliche Scherrichtungen, eine Steigerung der Auflösung möglich ist. Hierbei ist zu beachten, dass durch Wahl einer geeigneten Scherrichtung A, B und C die örtliche Auflösung erhöht werden kann, was insbesondere für kleine Strukturen wichtig ist. Durch Messung der Phasenmaske in unterschiedlichen Scherrichtungen und/oder Scherabständen, sowie verschiedenen Neigungswinkeln kann auch hier die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messgenauigkeit wesentlich verbessert werden, da für die Auswertung eine größere Anzahl von verschiedenen Messdaten zur Verfügung steht.
Die Variation von Scherabständen und -richtungen erfolgt in Abhängigkeit von der verwendeten interferometrischen Messanordnung auf unterschiedliche Art und Weise.
Während die Messungen mit unterschiedlichen Scherabständen und -richtungen bei interferometrischen Messanordnung in Form eines „Lateral-Shearing-Interferometer" (LSI) oder „Point-Diffraction-Interferomerter" (PDI) durch die Kombination hinsichtlich Gitterperiode und -richtung verschiedener Beugungsgsgitter mit Blendenstrukturen in unterschiedlichen Abständen erfolgen, werden bei interferometrischen Messanordnung in Form eines differenzierten „Lateral-Shearing-Interferometer" (dLSI) hinsichtlich Gitterperiode und -richtung verschiedene Kohärenzmasken und Beugungsgsgitter kombiniert.
Außerdem ist bei der interferometrischen Messung von Phasenmasken mit kleinen Strukturen mit dem Auftreten verschiedener, die Messergebnisse beeinflussender optischer Effekte zu rechnen. So werden beispielsweise bei kleinen Strukturgrößen nicht mehr alle Ortsfrequenzen durch die Abbildungsoptik übertragen. Es zeigt sich an den Übergangsstellen der dargestellten Phasenbereiche ein sogenanntes „Überschiessen" der Welligkeiten (Gibbsches Phänomen).
Liegen die Strukturgrößen der Phasenmaske bereits im Bereich der Wellenlänge, so kann man die Wirkung der Phasenmaske nicht mehr einfach durch eine Transmissionsfunktion beschreiben, deren Realteil die Transmission und deren Imaginärteil die Phasenverzögerung beschreibt. Die Wirkung solcher Strukturgrößen wird durch vektorielle Beugungstheorien beschrieben [4]. Da die ermittelten Messergebnisse in Abhängigkeit von der verwendeten Polarisationsrichtung der Beleuchtungsstrahlung variieren, ist der Einsatz von Polarisationsfiltern zu empfehlen.
Durch die Verwendung von Polarisationsfiltern zur definierten Einstellung der Polarisationsrichtung der Strahlungsquelle, sowie die Verwendung von Mehrfrequenz-Beugungsgittern in Kombination mit unterschiedlichen Kohärenzmasken, zur Anpassung des Scherabstandes an die Strukturgröße der untersuchten Stelle der Phasenmaske, kann eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet werden.
Die Bestimmung der Phasenfunktion und/oder Transmissionsfunktion erfolgt unter Verwendung eines Messmodells, welches die genannten Parameter der interferometrischen Messanordnung berücksichtigt. Mit Hilfe des Messmodells kann aus der gemessenen Phasenfunktion und der Transmissionsfunktion auf das Oberflächenprofil der Phasenmaske zurückgerechnet werden.
Das Messmodell kann hierbei auf der inversen Beugungstheorie beruhen, der a-priori-Information über das Oberflächenprofil der Phasenmaske und Informationen über die Messparameter zu Grunde liegen.
Bei dem Messmodell wird beispielsweise aus der, durch das Messverfahren ermittelten Phasen- und Transmissionsfunktion auf die reale Phasenmaske vor der Abbildung zurückgerechnet. Die inverse Rückrechnung ist nur für einfache Strukturen möglich. Im realen Fall wird man die einfachere Vorwärtsrechnung [4] im Verbund mit iterativen Optimierungsverfahren einsetzen [5], um die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske zu erhalten. Um eine schnellere Berechnung zu ermöglichen, wird auf „Look-up Tables" zurück gegriffen, in denen für bestimmte Oberflächenparameter, wie beispielsweise Höhe und Breite der Struktur, die Berechnung durchgeführt wurde. Das Messmodell berücksichtigt die oben angegebenen Messbedingungen, wie übertragene NA, Wellenlänge, Polarisationszustand, Pixelgröße des Detektors, Scherabstand, Scherrichtung usw.. Liegen die Strukturgrößen der Phasenmaske im Bereich der Wellenlänge, so ist die rigorose Beugungstheorie für die Vorwärtsrechnung zu verwenden. Diese berücksichtigt auch die Polarisationseigenschaften des Lichts. Die Wirkung der Phasenmaske kann nicht mehr einfach durch eine Transmissionsfunktion beschrieben werden, deren Realteil die Transmission und deren Imaginärteil die Phasenverzögerung durch die Phasenmaske beschreibt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren zur interferometrischen Messung von Phasenmasken wird eine Lösung zur Verfügung gestellt, mit der sowohl die Phasen- als auch die Transmissionsfunktion einer Phasenmaske mit kleinen Strukturgrößen absolut bestimmt werden kann.
Die vorgeschlagene Lösung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mit den gleichen inkohärenten Laserstrahlquellen arbeitet, wie beispielsweise Scanner-/Steppersysteme.
Durch die Möglichkeit variabler Shearabstände und -richtungen, einer geneigten Anordnung der Phasenmaske im Strahlengang, sowie einer, verschiedene Wellenlängen abstrahlenden, inkohärenten Strahlungsquelle kann die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messgenauigkeit wesentlich verbessert werden.
Die vorgeschlagenen interferometrischen Messanordnungen zeichnen sich durch Kompaktheit und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aus.

Claims

Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Phasenmasken (4), bestehend aus einer interferometrischen Messanordnung, mit einer Strahlungsquelle, einem Beugungsgitter (3, 3'), zwei Abbildungsoptiken (2, 5), einem ortsauflösenden Detektor (6) und einer Auswerteeinheit, bei der die durch eine Kohärenzmaske (1) oder das Pinhole (1') durchtretende Strahlung durch ein Beugungsgitter (3, 3') zur Interferenz gebracht wird, wobei in oder nahe der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) eine Phasenmaske (4) angeordnet wird, die in x-y-Richtung exakt positionierbar ist, von der durch translatorische Verschiebung der Kohärenzmaske (1) oder des Pinholes (1') bzw. des Beugungsgitters (3, 3') in x-y-Richtung phasengeschobene Interferogramme erzeugt und über eine zweite Abbildungsoptik (5) auf den ortsauflösenden Detektor (6) abgebildet werden, aus denen von der Auswerteeinheit die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt wird, wobei die Abbildung der Interferogramme auf den ortsauflösenden Detektor (6) vergrößert erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die inkohärente Strahlungsquelle Strahlung verschiedener Wellenlängen abstrahlen kann, für die die Abbildungsoptiken (2, 5) entsprechend korrigiert sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die inkohärente Strahlung durch zusätzliche Polarisationsfilter unterschiedlich polarisiert wird, wobei die Polarisationsfilter in der Nähe einer zur Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) konjugierten Ebene angeordnet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kohärenzmaske (1) oder das Pinhole (1') vorzugsweise auf einem Retikel angeordnet, sowie beweglich und wechselbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, bei der die Kohärenzmaske (1) so ausgebildet ist, dass zwei oder drei Strahlen interferieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (3, 3') vorzugsweise als Amplitudengitter auf einem Substrat angeordnet, sowie beweglich und wechselbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die in der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnete Phasenmaske (4) bezüglich der optischen Achse der interferometrischen Messanordnung definiert neigbar ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der bei der die vergrößerte Abbildung der Interferogramme durch die erste (2), die zweite (5) oder beide Abbildungsoptiken (2, 5) realisiert wird.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die zweite Abbildungsoptik (5) zur Realisierung verschiedener Vergrößerungsstufen wechselbar ausgeführt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der zur Kalibrierung der Phasenfunktion in die Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) eine Planplatte bekannter Dicke angeordnet wird.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der zur Kalibrierung der Transmissionsfunktion in die Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) eine Planplatte bekannter Transmission angeordnet wird.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die interferometrische Messanordnung ein differenziertes „Lateral- Shearing-Interferometer" ist, wobei das Beugungsgitter (3) in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die interferometrische Messanordnung in Form eines „Lateral-Shearing-Interferometer" (LSI) über ein Pinhole (1') verfügt, das Beugungsgitter (3') außerhalb und eine zusätzliche Blendenstruktur (7) in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die interferometrische Messanordnung in Form eines „Point-Diffraction-Interferomerters" (PDI) über ein Pinhole (1') verfügt, das Beugungsgitter (3') außerhalb und eine zusätzliche Blendenstruktur (7) in Form eines Pinholes in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Kohärenzmaske (1) bzw. das Pinhole (1'), das Beugungsgitter (3, 3') und die Blendenstruktur (7) wechselbar ausgebildet sind, so dass als interferometrische Messanordnung wahlweise oder auch kombiniert ein differenziertes „Lateral-Shearing-Interferometer", ein „Lateral-Shearing-Interferometer" und/oder ein „Point-Diffraction-Interferomerter" beinhalten kann.
Verfahren zur interferometrischen Messung von Phasenmasken, bei dem die durch eine Kohärenzmaske (1) oder das Pinhole (1') durchtretende Strahlung durch ein Beugungsgitter (3, 3') zur Interferenz gebracht wird, wobei in oder nahe der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) eine Phasenmaske (4) angeordnet wird, die in x-y-Richtung exakt positionierbar ist, von der durch translatorische Verschiebung der Kohärenzmaske (1) oder des Pinholes (1') bzw. des Beugungsgitters (3, 3') in x-y-Richtung phasengeschobene Interferogramme erzeugt und über eine zweite Abbildungsoptik (5) auf einen ortsauflösenden Detektor (6) abgebildet werden, aus denen von der Auswerteeinheit die Phasen- und Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt wird, wobei die Abbildung der Interferogramme auf den ortsauflösenden Detektor (6) vergrößert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die inkohärente Strahlungsquelle Strahlung verschiedener Wellenlängen abstrahlen kann, für die die Abbildungsoptiken (2, 5) entsprechend korrigiert sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 und 17, bei dem die inkohärente Strahlung durch zusätzliche Polarisationsfilter unterschiedlich polarisiert wird, wobei die Polarisationsfilter in der Nähe einer zur Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) konjugierten Ebene angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Kohärenzmaske (1) oder das Pinhole (1') vorzugsweise auf einem Retikel angeordnet, sowie beweglich und wechselbar ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 16 und 19, bei der die Kohärenzmaske (1) so ausgebildet ist, dass zwei oder drei Strahlen interferieren.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Beugungsgitter (3, 3') vorzugsweise als Amplitudengitter auf einem Substrat angeordnet, sowie beweglich und wechselbar ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die in der Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnete Phasenmaske (4) bezüglich der optischen Achse der interferometrischen Messanordnung definiert neigbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 22, bei dem die vergrößerte Abbildung der Interferogramme durch die erste (2), die zweite (5) oder beide Abbildungsoptiken (2, 5) realisiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, bei dem die zweite Abbildungsoptik (5) zur Realisierung verschiedener Vergrößerungsstufen wechselbar ausgeführt ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 24, bei dem zur Kalibrierung der Phasenfunktion in die Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) eine Planplatte bekannter Dicke angeordnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 24, bei dem zur Kalibrierung der Transmissionsfunktion in die Pupillenebene der ersten Abbildungsoptik (2) eine Planplatte bekannter Transmission angeordnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 26, bei dem die interferometrische Messanordnung in Form eines differenziertes „Lateral-Shearing-Interferometer" (dLSI) über ein Beugungsgitter (3) verfügt, welches in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnet ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 27, bei dem die interferometrische Messanordnung in Form eines „Lateral-Shearing-Interferometer" (LSI) über ein Pinhole (1') verfügt und das Beugungsgitter (3') außerhalb und eine zusätzliche Blendenstruktur (7) in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnet ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 28, bei dem die interferometrische Messanordnung in Form eines „Point-Diffraction-Interferomerter" (PDI) über ein Pinhole (1') verfügt und das Beugungsgitter (3') außerhalb und eine zusätzliche Blendenstruktur (7) in Form eines Pinholes in der Fokusebene der ersten Abbildungsoptik (2) angeordnet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 29, bei dem die Kohärenzmaske (1), das Pinhole (1'), das Beugungsgitter (3, 3') und die Blendenstruktur (7) wechselbar ausgebildet sind, so dass die interferometrische Messanordnung wahlweise oder auch kombiniert ein differenziertes „Lateral-Shearing-Interferometer", ein „Lateral-Shearing-Interferometer" und/oder ein „Point-Diffraction-Interferomerter" beinhalten kann.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 30, bei dem von der Auswerteeinheit aus den phasengeschobenen Interferogrammen die Phasenfunktion und die Transmissionsfunktion der Phasenmaske bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 31, bei dem die Bestimmung der Phasenfunktion und/oder Transmissionsfunktion unter Verwendung eines Messmodells erfolgt, in dem die Parameter der interferometrischen Messanordnung berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem das Messmodell auf der inversen Beugungstheorie beruht.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem das Messmodell sogenannte „Look-up Tables" verwendet, die mit Hilfe der rigorosen Beugungstheorie berechnet wurden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 34, bei dem Messungen mit unterschiedlichen Scherabständen und -richtungen erfolgen, indem bei interferometrischen Messanordnung in Form eines differenzierten „Lateral-Shearing-Interferometer" (dLSI) hinsichtlich Gitterperiode und -richtung verschiedene Kohärenzmasken (1) und Beugungsgsgittern (3) kombiniert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 34, bei dem Messungen mit unterschiedlichen Scherabständen und -richtungen erfolgen, indem bei der interferometrischen Messanordnung in Form eines „Lateral- Shearing-Interferometer" (LSI) hinsichtlich Gitterperiode und -richtung verschiedene Beugungsgitter (3') mit Blendenstrukturen (7) in unterschiedlichen Abständen kombiniert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 34, bei dem Messungen mit unterschiedlichen Scherabständen und -richtungen erfolgen, indem bei der interferometrische Messanordnung in Form eines „Point-Diffraction-Interferomerter" (PDI) hinsichtlich Gitterperiode und -richtung verschiedene Beugungsgitter (3') mit Blendenstrukturen (7) in Form von Pinholes in unterschiedlichen Abständen kombiniert werden.