DE102012216286A1

DE102012216286A1 - Projektionsbelichtungsanlage mit optimiertem Messsystem

Info

Publication number: DE102012216286A1
Application number: DE201210216286
Authority: DE
Inventors: Peter Vogt
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-04-04

Abstract

Messsystem zur Bestimmung einer Positionsänderung eines optischen Elements beinhaltend einen Sensorkopf, und einen ersten Lichtleiter zur Hinführung von Messlicht einer Messlichtquelle zu dem Sensorkopf sowie einen zweiten Lichtleiter zur Rückführung von Beugungsordnungen des Messlichtes von dem Sensorkopf zu einer elektronische Auswerteeinheit, der Sensorkopf beinhaltend ein erstes und ein zweites optisches System, wobei das erste optische System zur Hinführung des Messlichtes aus dem ersten Lichtleiter zu einem mit dem optischen Element in fester räumlicher Beziehung stehenden Gitter konfiguriert ist und das zweite optische System zur Rückführung einer, an dem Gitter gebeugten ersten und einer an dem Gitter gebeugten zweiten Beugungsordnung des Messlichtes in den zweiten Lichtleiter konfiguriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optimiertes Messsystem für die Bestimmung einer Lageveränderung eines optischen Elements einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem solchen optimierten Messsystem.
Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie bestehen in der Regel aus einer Lichtquelle, einem, die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen verarbeitendem Beleuchtungssystem, einem zu projizierenden Objekt, im Allgemeinen Retikel oder Maske genannt, einem Projektionsobjektiv, im Weiteren kurz Objektiv genannt, welches ein Objektfeld auf ein Bildfeld abbildet und einem weiteren Objekt, auf welches projiziert wird, im Allgemeinen Wafer genannt. Das Retikel oder zumindest ein Teil des Retikels befindet sich in dem Objektfeld und der Wafer oder zumindest ein Teil des Wafers befindet sich in dem Bildfeld. Das Objektiv definiert im Allgemeinen eine optische Achse bzgl. derer die optischen Elemente, welche dem Objektiv angehören, angeordnet sind. In der Regel sind diese optischen Elemente rotationssymmetrisch bzgl. dieser optischen Achse und die optische Achse ist eine Normale zu Objektfeld und Bildfeld. Man nennt in diesem Fall das Design des Objektivs rotationssymmetrisch.
Befindet sich das Retikel vollständig in dem Bereich des Objektfeldes, und der Wafer wird ohne eine Relativbewegung von Wafer und Bildfeld belichtet, so wird die Projektionsbelichtungsanlage im Allgemeinen als Wafer-Stepper bezeichnet. Befindet sich nur ein Teil des Retikels im Bereich des Objektfeldes, und der Wafer wird während einer relativen Bewegung von Wafer und Bildfeld belichtet, so wird die Projektionsbelichtungsanlage im Allgemeinen als Wafer-Scanner bezeichnet.
Während der Belichtung des Wafers wird die Projektionsbelichtungsanlage mit einer vorgegebenen numerischen Apertur und einem durch das Beleuchtungssystem vorgegebenen Setting, beispielsweise einem vollständig kohärentem, teilweise kohärentem, speziell Dipol- oder Quadrupolsetting, betrieben. Die numerische Apertur wird im Allgemeinen durch eine Aperturblende des Objektivs definiert. Geläufige, bildseitige numerische Aperturen für Objektive für die Mikrolithographie sind Werte zwischen 0.5 und 0.6, oder 0.6 und 0.7, oder 0.7 und 0.8, oder 0.8 und 0.9 oder auch darüber. Dies gilt für Objektive, welche als letztes optisches Medium ein Gas haben, dessen Brechungsindex etwa bei 1.0 liegt.
Ist der Bereich zwischen dem letzten optischen Element des Objektivs und dem Wafer mit einer Flüssigkeit als Medium gefüllt, so spricht man von einem Immersionsobjektiv. Eine mögliche Immersionsflüssigkeit ist Wasser, welches einen Brechungsindex von etwa 1.43 hat. Damit müssen die oben angegebenen, numerischen Aperturen um den Faktor 1.43 erhöht werden, um die zugeordneten, bildseitigen numerischen Aperturen für Immersionsobjektive zu bestimmen. Es ergeben sich somit bildseitige numerische Aperturen für Immersionsobjektive von etwa 0.75 bis 0.9 oder 0.9 bis 1.05 oder 1.05 bis 1.2 oder 1.2 bis 1.35 oder auch darüber.
Das Setting wird im Allgemeinen durch optische Elemente des Beleuchtungssystems vorgegeben wie z. B. ein Axikon, eine Blende oder ein Mikrospiegelarray oder ein oder mehrere wechselbare DOE (diffraktive optische Elemente). Bei der Belichtung gelangt von jedem dem Objektfeld angehörenden Feldpunkt ein durch die Aperturblende beschnittenes, maximales Lichtbündel vom Objektfeld zum Bildfeld. In einem ideal gefertigten Objektiv, dessen Abbildungsfehler nur durch das Design des Objektivs bestimmt sind, entspricht die durch dieses maximale Lichtbündel definierte Wellenfront in der Nähe des zu dem Feldpunkt gehörenden Bildpunkts annähernd einer Kugelwelle mit dem Bildpunkt als Mittelpunkt. Die mögliche Auflösung eines solchen Objektivs wird daher von den Beugungsordnungen bestimmt, welche noch innerhalb der Apertur liegen. Man nennt daher derartige Objektive auch beugungsbegrenzt.
Die mögliche Auflösung R, die mit einem solchen Objektiv für die Mikrolithographie erreicht werden kann, ist umgekehrt proportional zur numerischen Apertur NA und proportional zur Arbeitswellenlänge λ des Objektivs und einem Prozeßparameter k₁ R = k₁ λ / NA.
Die Arbeitswellenlänge beträgt in der Regel 365 nm, 248 nm, 193 nm oder 13 nm. Im Falle von 13 nm handelt es sich bei den Objektiven um rein katoptrische, also nur aus Spiegeln bestehende Objektive. Diese werden im Vakuum mit numerischen Aperturen von 0.2 bis 0.25 oder 0.25 bis 0.3 oder 0.3 bis 0.4 oder 0.4 bis 0.45 oder darüber unter einem Vakuum als umgebendes Medium betrieben.
Weitere Typen von Objektiven für die Mikrolithographie sind dioptrische, also nur aus Linsen bestehende Objektive sowie katadioptrische, also aus Linsen und Spiegeln bestehende Objektive.
Beim Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage mit Licht der Arbeitswellenlänge ergeben sich Veränderungen in den zu dem Objektiv der Projektionsbelichtungsanlage gehörenden optischen Elementen, die zu, teilweise nicht reversiblen, Änderungen der optischen Eigenschaften des Objektivs führen. Hier seien exemplarisch compaction, rarefaction und chemisch bedingte Veränderungen etwaiger Beschichtungen der optischen Elemente aufgeführt. Weitere, nicht reversible Veränderungen werden durch sich mit zunehmender Zeit einstellende Drifts von optischen Elementen in deren Fassungen erzeugt. Andere Veränderungen sind reversibler Natur wie z. B. Linsenerwärmungen mit der dadurch implizierten Formveränderung und der Veränderung der Verteilung des Brechungsindex der Linse. Diese führen zu zeit- und ortsabhängigen Veränderungen der optischen Eigenschaften des Objektivs.
Daher sind Objektive für die Mikrolithographie im Laufe ihrer Entwicklung mit einer zunehmenden Anzahl von Manipulationsmöglichkeiten ergänzt worden. Mit denen kann den Änderungen der optischen Eigenschaften des Objektivs entgegengesteuert werden. Es werden Manipulatoren eingesetzt, welche eines oder mehrere, dem Objektiv zugehörende optische Elemente, wie Linsen, Spiegel oder diffraktive optische Elemente verlagern, drehen, austauschen, verformen, heizen oder kühlen. Als Austauschelemente sind insbesondere asphärisierte Planplatten im Objektiv vorgesehen. Austauschelemente können auch mit Manipulatoren versehene optische Elemente eines Objektivs sein. Diese sind vorzugsweise einige der in Lichtausbreitungsrichtung gesehen ersten und letzten optischen Elemente des Objektivs, oder einige der sich in der Nähe eines Zwischenbildes des Objektivs befindenden optischen Elemente, oder einige der in der Nähe einer Pupillenebene des Objektivs sich befindenden optischen Elemente. Der Begriff der Nähe wird hier mit Hilfe des sogenannten Subaperturverhältnisses definiert. Man vergleiche hierzu beispielsweise WO 2008034636 A2 , welche hiermit vollumfänglich in diese Anmeldung inkorporiert wird. Insbesondere die dortigen Seiten 41 und 42 seien vollumfänglich in diese Anmeldung inkorporiert.
So wird beispielsweise in der WO 2008037496 A2 ein Objektiv für die Mikrolithographie gezeigt, welches ein optisches Element enthält, welches durch einen Manipulator mit einer Vielzahl von Kräften und/oder Momenten beaufschlagt wird, so dass dieses eine hohe lokale Variabilität bzgl. seiner Form erreicht.
Manipulatoren, welche ein optisches Element verformen, zeichnen sich durch ihr besonders schnelles Ansprechverhalten aus. In R. K. Tyson: Principles of Adaptive Optics, Academic Press, Inc., ISBN 0.12.705900-8 wird eine allgemeine Einführung zu schnell ansprechenden Manipulatoren aus dem Bereich der Teleskopie gegeben.
So wird beispielsweise in der WO 2008034636 A2 eine Planplatte in einem Objektiv für die Mikrolithographie gezeigt. In oder auf dieser Planplatte befinden sich Leiterbahnen, die mit Strom beaufschlagt werden können. Bei der dadurch hervorgerufenen Temperaturänderung kann der Brechungsindex der Planplatte lokal beeinflusst werden, so dass die Planplatte eine hohe lokale Variabilität bezüglich ihres Brechungsindex aufweist.
So wird beispielsweise in der WO 2009026970 A1 die Planplatte aus der WO 2008034636 A2 mit einer thermischen Senke versehen, welche eine zeitliche Konstanz der räumlich gemittelten Temperatur der Platte ermöglicht.
So wird beispielsweise in der EP 851305 B1 ein Paar von Planplatten, sogenannte Alvarez-Platten, in einem Objektiv für die Mikrolithographie gezeigt. Dieses Paar von Alvarez-Platten hat auf den sich zugewandten Oberflächen der Platten jeweils eine Asphäre, welche sich in einer relativen Nullstellung der Platten zueinander in ihrer optischen Wirkung kompensieren. Wird eine oder werden beide der Platten senkrecht zur optischen Achse des Objektivs ausgelenkt, so stellt sich die Wirkung dieser Alvarez-Platten ein.
So wird beispielsweise in der EP 1670041 A1 eine Vorrichtung gezeigt, die zur Kompensation von Bildfehlern dient, welche speziell durch die Absorption von Dipolbeleuchtung in das Objektiv für die Mikrolithographie eingebracht werden. Ein optisches Element, welches sich in einer Pupillenebene des Objektivs befindet, erfährt bei einer Dipolbeleuchtung eine nicht-rotationssymmetrische Erwärmung. Das optische Element wird mit Zusatzlicht einer zweiten Lichtquelle, welches Licht einer vorzugsweise anderen Wellenlänge als die der Arbeitswellenlänge emittiert, zumindest annähernd komplementär zu dieser Erwärmung beaufschlagt. Hierdurch werden unerwünschte Bildfehler kompensiert, oder zumindest reduziert, oder in andere, zu den ersteren qualitativ verschiedene Bildfehler umgewandelt. Hierbei ist ein erster Bildfehler zu einem zweiten Bildfehler als qualitativ verschieden zu verstehen, falls die Indizes der signifikant von Null verschiedenen Koeffizienten der Entwicklungen dieser Bildfehler in Zernikepolynome paarweise verschieden sind. Für die Entwicklung eines Bildfehlers in Zernikepolynome vergleiche man mit DE 10 2008 042 356 A1 und DE 10 2004 035 595 A1 .
So wird beispielsweise in der DE 19827602 A1 ein optisches Element über dessen Umfang durch Peltier-Elemente mit Kälte oder Wärme beaufschlagt.
Ein solches, mit einer Manipulationsmöglichkeit ausgestattetes Objektiv für die Mikrolithografie, in dem ein Manipulator auf ein optisches Element des Objektives in der oben beispielhaft aufgelisteten Art und Weise wirkt, kann während seines Betriebes derart manipuliert werden, dass den oben genannten Veränderungen entgegen gewirkt werden kann.
Hierbei stellt sich das Problem, dass, bedingt durch die Manipulation des optischen Elementes, dieses sich relativ zu anderen optischen Elementen des Objektivs bewegt. Diese Bewegung kann gewollter Natur sein, wie dies bei Manipulatoren der Fall ist, welche das optische Element in einem der sechs Bewegungsfreiheitsgrade positionieren. Die Bewegung kann aber auch parasitärer Natur sein. Eine solche parasitäre Bewegung entsteht beispielsweise dadurch, dass eine durch einen thermischen Manipulator wie in der oben dargestellten Art hervorgerufene Erwärmung des optischen Elementes, insbesondere eine örtlich unterschiedliche Erwärmung, dazu führt, dass das optische Element seine Lage relativ zu seiner Fassung und damit auch zu anderen optischen Elementen des Objektives verändert. Entsprechendes gilt für einen Manipulator, welcher ein optisches Element verformt.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung gewollte als auch parasitäre Bewegungen eines optischen Elementes hochgenau zu bestimmen, und seine zu anderen optischen Elementen relative Positionsveränderung zu erfassen.
Hierzu wird erfindungsgemäß ein relativ messendes, inkrementelles Messsystem, wie es aus der US 20090284724 A1 bekannt ist, weiter entwickelt, so dass dieses die hochgenaue Bestimmung der relativen Positionierung ermöglicht.
Das Messsystem aus der US 20090284724 A1 bestimmt eine relative Positionierung eines Wafer-Tisches mittels einer Zweistrahlinterferenz, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Strahl, wobei lediglich der erste Strahl an einer Strichplatte reflektiert wird. In der US 20090284724 A1 wird hierzu ein Sensorkopf mittels zweier Lichtleiter mit einer Auswerteeinheit verbunden. Der erste Lichtleiter dient zur Zuführung von Messlicht an den Sensorkopf, und der zweite Lichtleiter dient zur Rückführung des interferierten Messsignals zur Auswerteeinheit. Weitere Ausführungsformen der US 20090284724 A1 beinhalten weitere Sensoren, welche einen relativen Kipp des oben genannten Sensorkopfs bestimmen, so dass hier ein durch die starke Beschleunigung des Wafer-Tisches hervorgerufene Kipp des Sensorkopfes in Form eines Fehlerkorrekturtermes bestimmt werden kann. Für jeden dieser weiteren Messköpfe wird jeweils ein weiterer Lichtleiter zur Rückführung des von diesem generierten Messlichtes vorgesehen.
Nachteilig an den in der US 20090284724 A1 vorgestellten Messanordnungen ist zum einen, dass für jeden Korrekturterm zur Korrektur der Messung der relativen Positionierung durch den ersten Sensorkopf ein weiterer Sensorkopf notwendig ist, welcher auch einen weiteren Lichtleiter zur Rückführung seines Signals erfordert. Zum anderen ergibt sich der Nachteil, dass durch die weiteren Messkanäle zwar Korrekturterme bestimmt werden können, welche einen etwaigen Fehler der Messung des ersten Sensorkopfes bestimmen können, aber dies nicht mit einer Erhöhung der Messgenauigkeit bzw. einer Erhöhung der Auflösung der Messung verbunden ist.
In den nachfolgenden Sätzen, welche der Übersichtlichkeit halber nummeriert sind, wird die hier vorliegende Erfindung vorgestellt. Das Encoder-System aus der US 20090284724 A1 wird durch ein alternatives Encodersystem ersetzt, welches zur Rückführung des Messsignals lediglich einen Lichtleiter benötig, und welches andererseits eine Variabilität in der Messgenauigkeit bzw. Auflösung der relativen Positionierung erlaubt.
Satz 1. Messsystem zur Bestimmung einer Positionsänderung eines optischen Elements, beinhaltend

– einen Sensorkopf, und
– einen ersten Lichtleiter zur Hinführung von Messlicht einer Messlichtquelle zu dem Sensorkopf
– einen zweiten Lichtleiter zur Rückführung von Beugungsordnungen des Messlichtes von dem Sensorkopf zu einer elektronische Auswerteeinheit,
– der Sensorkopf beinhaltend ein erstes und ein zweites optisches System, wobei
– das erste optische System zur Hinführung des Messlichtes aus dem ersten Lichtleiter zu einem mit dem optischen Element in fester räumlicher Beziehung stehenden Gitter konfiguriert ist,
– das zweite optische System zur Rückführung einer, an dem Gitter gebeugten ersten und einer an dem Gitter gebeugten zweiten Beugungsordnung des Messlichtes in den zweiten Lichtleiter konfiguriert ist.

Ein Messsystem gemäß Satz 1 kann in der elektronischen Auswerteeinheit die erste und zusätzlich die zweite oder dritte Beugungsordnung des Messlichtes verarbeiten. Da die zweite bzw. dritte Beugungsordnung stärker als die erste Beugungsordnung gebeugt wird, führt eine Auswertung dieser zweiten Beugungsordnung zu einer höheren Auflösung der relativen Ortsbestimmung von optischem Element und Sensorkopf als die entsprechende Auswertung der ersten Beugungsordnung.
Diese Ortsbestimmung kann daher mit einer hohen Auflösung oder mit einer niedrigen Auflösung vorgenommen werden, je nachdem, ob die erste oder die zweite bzw. dritte Beugungsordnung in der nachfolgenden elektronischen Auswerteeinheit ausgewertet wird.
Die Begriffe „niedrig” und „hoch” sollen hierbei nur die Relation dieser beiden Auflösungen zueinander festlegen.
Hierbei kann, je nach Bedarf, zwischen der hohen oder der niederen Auflösung innerhalb der elektronischen Auswerteeinheit umgeschaltet werden. Ein solcher Umschaltvorgang kann vorzugsweise zeitlich überlappend geschehen, d. h. zwischen je zwei Zeitspannen mit hoher bzw. niedriger Auflösung existiert eine Zeitspanne, in welcher mit hoher und gleichzeitig mit niedriger Auflösung gemessen wird.
Im Fall einer räumlichen Verlagerung des optischen Elements durch einen hierfür vorgesehenen Manipulator, ist durch die Steuerung des Manipulators die Geschwindigkeit der örtlichen Verlagerung des optischen Elementes im Wesentlichen bekannt. Es kann daher durch die Manipulatorsteuerung vorab bestimmt werden, zu welchem Zeitpunkt eine Umschaltung von einer hohen Auflösung auf eine niedrige Auflösung, oder umgekehrt, erforderlich ist.
Ebenso gilt dies im Fall einer, wie oben dargestellten, parasitären Verlagerung des optischen Elements, welche eine thermische oder durch Verformung bedingte Verlagerung des optischen Elements begleitet. Auch hier kann durch Simulation vorher bestimmt werden, in welchem Rahmen sich grundsätzlich die zu erwartende Verlagerung des optischen Elementes abspielt.
Daher kann das Umschalten zwischen hoher und niedriger Auflösung ohne aufwendige Regelungstechnik mittels einer lookup-table und einer Steuerung vorgenommen werden.
Satz 2. Messsystem nach Satz 1, wobei das das zweite optische System aus einem dritten und einem vierten optischen Teilsystem besteht und

– das dritte optische Teilsystem zur Rückführung der an dem Gitter gebeugten ersten Beugungsordnung des Messlichtes in den zweiten Lichtleiter konfiguriert ist,
– das vierte optische Teilsystem zur Rückführung der an dem Gitter gebeugten zweiten Beugungsordnung Messlichtes in den zweiten Lichtleiter konfiguriert ist.

Ein Messsystem gemäß Satz 2 hat durch die Aufspaltung in zwei optische Teilsysteme eine höhere Ausfallsicherheit in dem Sinne, dass bei dem Ausfall des dritten optischen Teilsystems weiterhin mit einer ausschließlich hohen Auflösung gemessen werden kann und bei Ausfall des vierten optischen Teilsystems weiterhin mit einer ausschliesslich niedrigen Auflösung gemessen werden kann.
Satz 3. Messsystem nach Satz 2, wobei

– der zweite Lichtleiter sich in einen dritten Lichtleiter und einen vierten Lichtleiter unterteilt,
– der dritte Lichtleiter zur Rückführung der ersten Beugungsordnung von dem Sensorkopf konfiguriert ist,
– der vierte Lichtleiter zur Rückführung der zweiten Beugungsordnung von dem Sensorkopf konfiguriert ist.

Ein Messsystem nach Satz 3 beinhaltet anstelle zweier Lichtleiter drei Lichtleiter. Dies hat den Vorteil, dass die erste und die zweite Beugungsordnung in getrennten Lichtleitern der Auswerteeinheit zugeführt werden. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die optischen Informationen, welche letztendlich Grundlage zur Bestimmung der relativen Positionsänderung dienen, bereits als ein erster Kanal für eine hohe Auflösung und ein zweiter Kanal für eine niedrige Auflösung vorselektiert sind.
Satz 4. Messsystem nach einem der obigen Sätze 1 oder 2, wobei

– zwischen zweiten Lichtleiter und der elektronischen Auswerteeinheit ein aus mehreren Gittern und/oder mehreren Polarisatoren bestehender Analysator angeordnet ist.

In einem Messsystem nach Satz 4 befindet sich an dem nicht dem Sensor zugewandten Ende des Lichtleiters ein aus mehreren Gittern und/oder mehreren Polarisatoren bestehender Analysator. In diesem wird das vom Sensor durch den Lichtleiter zurückgeführte Messlicht in ein Drehfeldsignal umgewandelt, welches anschließend in der elektronischen Auswerteeinheit ausgewertet werden kann.
Durch das Drehfeldsignal wird das zurückgeführte Messlicht in verschiedene Kanäle zerlegt, welche die hinsichtlich der zu bestimmenden relativen Positionsänderung verschiedenen, notwendigen Informationen beinhalten.
Satz 5. Messsystem nach Satz 4, wobei

– der Analysator drei Gitter und einen Polarisator oder vier Polarisatoren enthält.

In einem Messsystem nach Satz 5 besteht der Analysator nach Satz 4 aus drei Gittern und einem Polarisator oder vier Polarisatoren, so dass ein vierphasiges Drehfeldsignal mit einem Phasenversatz von jeweils 90° erreicht wird.
Durch ein vierphasiges Drehfeldsignal können die relative Positionsänderung sowohl quantitativ als auch in ihrer Richtung für die hohe als auch für die niedrige Auflösung bestimmt werden.
Satz 6. Messsystem nach Satz 5, wobei

– ein Gitter senkrecht zu einem der anderen beiden Gitter angeordnet ist.

In einem Messsystem nach Satz 7 findet sich eine zu Satz 6 alternative Anordnung der Gitter, bei welcher zwei Gitter senkrecht zueinander stehen. Es wird ebenfalls ein vierphasiges Drehfeld erzeugt.
Satz 7. Messsystem nach Satz 4, wobei

– zwei Gitter gekreuzt sind.

In einem Messsystem nach Satz 7 sind zwei der Gitter nach Satz 4 gekreuzt, es wird ebenfalls ein vierphasiges Drehfeld erzeugt, wobei die einzelnen Phasen des Drehfeldes durch verschiedene Beugungsordnungen an dem gekreuzten Gitter entstehen. Ein vierphasiges Drehfeld hat den Vorteil eines verschwindenden Gleichstromanteiles.
Satz 8. Messsystem nach einem der obigen Sätze 1 oder 2, wobei

– zwischen dem zweiten Lichtleiter und einer elektronischer Auswerteeinheit ein aus einem einzelnen Gitter und drei Polarisatoren bestehender Analysator zwischengeschaltet ist.

In einem Messsystem nach Satz 8 wird ein dreiphasiges Drehfeld über ein einzelnes Gitter mittels dreier Beugungsordnungen erzeugt. Durch die anschließenden Polarisatoren wird erreicht, dass die Phasen des Drehfeldes um 60° versetzt sind.
Durch ein dreiphasiges Drehfeld kann gegenüber einem vierphasigen Drehfeld Bauraum gespart werden.
Satz 9. Messsystem nach einem der Sätze 4 bis 7, wobei

– jeweils einem Polarisator eine Fotodiode, oder
– jeweils zwei Polarisatoren eine Differenzdiode, oder
– vier Polarisatoren eine Quadrantendiode nachgeschaltet ist.

In einem Messsystem nach Satz 9 werden die von den Polarisatoren der Sätze 4–7 erzeugten polarisierten Teile des Messlichtes durch eine Fotodiode, eine Differenzdiode, oder durch eine Quantendrantendiode in elektrische Signale umgewandelt, welche einer weiteren Analyse durch die elektronische Auswerteeinheit zugeführt wird.
Satz 10. Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Messsystem nach einem der obigen Sätze.
Gemäß Satz 10 wird eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithografie mit einem der oben dargestellten hochgenauen Messsysteme nach einem der Sätze 1–9 ausgestattet.
In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung weiter erläutert. Es versteht sich, dass die nachfolgenden, beispielhaften Ausführungen die anschließend formulierten Ansprüchen in keiner Weise in deren Allgemeinhit einschränken sollen.
1 zeigt ein Messsystem nach Satz 1.
1a zeigt eine erste Variante eines zweiten optischen Systems nach Satz 1.
1b zeigt eine zweite Variante eines zweiten optischen Systems nach Satz 1.
1c zeigt zwei Varianten eines Gitters.
2 zeigt ein Messsystem nach Satz 2.
3a–d zeigen Messsysteme nach den Sätzen 4–8.
4 zeigt eine Projektionsbelichtungsanlage nach Satz 10.
1 zeigt ein Messsystem 100 nach Satz 1, welches zur Messung einer relativen Positionsänderung eines optischen Elements 101, welches beispielsweise ein Linse, ein Spiegel, oder ein diffraktives optisches Element sein kann, zu einem weiteren, hier nicht dargestellten optischen Element dient. Messlicht 102 wird durch einen ersten Lichtleiter 110 zu einem Sensorkopf 104 geführt. Das Messlicht 102 wird durch ein erstes optisches System 105, welches in dem Sensorkopf 104 beinhaltet ist, zu einem Gitter 106 unter einem vorgegebenen Einfallswinkel geführt und an diesem in zumindest zwei und im Allgemeinen mehrere Beugungsordnungen gebeugt. In 1 sind zwei solcher Beugungsordnungen 107, 108 dargestellt, welche unter verschiedenen Winkeln an dem Gitter 106 gebeugt werden. Diese zwei Beugungsordnungen 107, 108, werden durch das zweite optische System 109 in einen zweiten Lichtleiter 103 rückgeführt.
Das erste optische System 105 enthält in der Regel einen Spiegel, welcher das Messlicht 102 unter dem fest vorgegebenen Einfallswinkel auf das Gitter 106 führt. Dies wird hier nicht weiter ausgeführt.
Das zweite optische System 109 kann verschiedene Ausführungsformen haben.
In 1a wird eine erste Variante des zweiten optischen Systems 109 dargestellt. das Messlicht 102 wird an dem Gitter 106, welches in der dargestellten Ausführungsform eine Gitterperiode von 10 Mikrometern hat, gebeugt, wobei die Beugungsordnungen –2, –1, +1, +2 dargestellt sind. Diese vier Beugungsordnungen sind durch ihre Winkel bezüglich der Gitterrichtung des Gitters 106 eindeutig bestimmt. Die Beugungsordnung –1 wird an einem Spiegel 111 in die Richtung eines zweiten Gitters 115 gespiegelt. Die Beugungsordnung +1 wird an einem Spiegel 112 ebenfalls in die Richtung dieses Gitters 115 gespiegelt. Die Spiegel 111 und 112 sind so angeordnet, dass die Beugungsordnungen –1 und +1 an dem Ort des zweiten Gitters erneut gebeugt werden. Das zweite Gitter hat in der dargestellten Ausführungsform eine Gitterperiode von 5 Mikrometern.
Eine analoge Anordnung gilt für die Beugungsordnungen –2 und +2 sowie Spiegel 113 und 114 sowie ein drittes Gitter mit einer Gitterperiode von 2,5 Mikrometern.
Die an dem Gitter 115 erneut gebeugten –1-ten und +1-ten Beugungsordnungen werden als jeweilige 0-te Beugungsordnung mittels einer Linse 117 in den zweiten Lichtleiter 103 entsprechend 1 rückgeführt.
Entsprechendes gilt für die –2 und +2 Beugungsordnung und das dritte Gitter 116.
Damit die Bewegung des Gitters 106 in Vorwärts- als auch in Rückwertsrichtung jeweils mit einer niedrigen Auflösung als auch mit einer hohen Auflösung ermittelt werden kann, dürfen die den vier Beugungsordnungen +1, –1, +2, –2 entsprechenden Wellen im Lichtleiter 103 nicht interferieren. Hierzu wird in den Strahlengang der –2-ten Beugungsordnung zwischen Gitter 106 und Linse 116 eine λ/2-Platte 118 eingebracht, welche sich in 1a zwischen dem Spiegel 113 und dem Gitter 116 befindet. Eine ensprechende λ/2-Platte 119 befindet sich zwischen dem Spiegel 111 und dem Gitter 115 im Strahlengang des Gitters 115. Alternativ kann eine oder beide der λ/2-Platten auch vor den Spiegeln 113 bzw. 111 angeordnet werden. Ebenfalls alternativ kann eine oder beide der λ/2-Platten in dem Strahlengang der +2-ten oder +1-ten Beugungsordnung an entsprechender Stelle angeordnet werden. Wird nun das Messlicht 102 linear polarisiert, beispielsweise p- oder s-polarisiert in Bezug auf die Ebene des Gitters 106, so kann die Beugungsordnung +2 nicht mehr mit der Beugungsordnung –2 und die Beugungsordnung +1 nicht mehr mit der Beugungsordnung –1 interferieren. Um auch die Interferenz zwischen Beugungsordnungen verschiedenen Betrages, wie beispielsweise die Interferenz der –2-ten Beugungsordnung mit der –1-ten Beugungsordnung, im Lichtleiter 103 zu unterbinden, werden deren Signale zeitlich getrennt. Hierzu werden nach den Gittern 115 bzw. 116 die oben beschriebenen 0-ten Ordnungen abwechselnd abgeblendet. Dies geschieht mit einer hinreichend hohen Taktrate, dass sich letztendlich keine Einbußen bei der Messgenauigkeit ergeben. In 1a wird dies bei durch eine rotierende Lochblende 119 ausgeführt, deren Loch relativ zu der Rotationsachse seitlich versetzt ist. Entsprechende Alternativen zur Kanaltrennung wie rotierende oder vibrierende Spiegel, oder akustooptische Modulatoren sind ebenfalls denkbar.
Ein akustooptischer Modulator kann auch zu einer Frequenzmodulation der Messlichtes 102 vor dem Gitter 106 angeordnet werden. Ebenso können generell zwei Lichtquellen mit Licht verschiedener Wellenlängen zur Erzeugung von Messlicht 102 verwendet werden. Messlicht 102 mit zwei Wellenlängen bewirkt sowohl eine Änderung der Beugungswinkel als auch in einer Aufspaltung des Messlichtes in zwei Frequenzen, wobei letzteres in natürlicher Weise zu einer Kanaltrennung der beiden oben genannten 0-ten Ordnungen führt. Eine Blende 119 wird dadurch obsolet. Die Rolle der +2-ten und –2-ten Beugungsordnungen übernehmen hierbei die +1-te bzw. die –1-te Beugungsordnung des Messlichtanteiles mit der längeren Wellenlänge.
Die Intensitätsverläufe der –1 und +1 sowie der –2 und +2 oder –3 und +3 Beugungsordnungen werden am Ende des Lichtleiters 103 mittels eines oder mehrerer Encoder ausgewertet.
In 1b wird eine zweite Variante des optischen Systems 109 dargestellt. Die Linse 117 übernimmt hier die Rolle der Linse 117 aus 1a als Einkoppeloptik als auch die Rolle der Spiegel 111, 112, 113, und 114 als Umlenkungen der Beugungsordnungen. Die optischen Elemente 116, 117, 118 und 119 können sowohl vor als auch nach der Linse 117 angeordnet werden. Die Linse 117 ist derart mit einer Asphäre versehen, dass die betragsmässig ersten und die betragsmässig zweiten Beugungsordnungen in verschiedenen Ebenen an den Gittern 116 bzw. 115 gebeugt werden. Damit stehen sich diese Gitter nicht im Wege. Führt man die Linse 117 derart aus, dass die betragsmässig ersten und betragsmässig zweiten Beugungsordnungen bzgl. ihres Winkels nach der Linse 117 paarweise disjunkt sind und ihr Winkel jeweils unter dem Akzeptanzwinkel der Lichtleiters 103 liegt, so können die optischen Elemente 116, 117, 118 und 119 sogar nach dem Lichtleiter 102 angeordnet werden.
In 1c werden zwei Ausführungsformen A und B des Gitters 106 dargestellt. Die Ausführungsform A ist leicht herzustellen hat aber den Nachteil, dass betragsmäßig höhere Beugungsordnungen relativ zu den betragsmäßig niedrigeren Beugungsordnungen eine geringere Intensität aufweisen, was die gemeinsame Auswertung aller Beugungsordnungen störanfälliger macht. Bei der Ausführungsform B werden zwei Gitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten überlagert. Die unterschiedlichen Konstanten führen zu unterschiedlichen Winkeln der Beugung der betragsmäßig jeweils ersten Beugungsordnungen bei gleicher Intensität. Die Rolle der betragsmäßig größeren Beugungsordnungen bei der Ausführungsform A übernimmt dann bei der Ausführungsform B die betragsmäßig erste Beugungsordnung des gittern mit der kleineren Gitterkonstante.
2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung nach Satz 2, bei der das Messlicht 102 in einen ersten Teil 201 sowie einen zweiten Teil 202 aufgeteilt wird. Dies kann beispielsweise durch einen Strahlteiler, ein Gitter, oder ein polarisationsoptisches Element geschehen, welches in 2 lediglich symbolisch 203 dargestellt ist. Der erste Teil des Messlichtes 201 wird durch einen ersten Spiegel 204 auf das Gitter 106 gelenkt. Der zweite Teil des Messlichtes 205 wird durch einen zweiten Spiegel 206 auf das Gitter 106 gelenkt. Die von dem ersten Teil des Messlichtes 201 am Gitter reflektierte erste Beugungsordnung 107 wird durch ein drittes optisches Teilsystem 207, welches dem zweiten optischen System angehört, und in 2 in Form einer Linse 207 dargestellt ist, in den Lichtleiter 103 rückgeführt. Die an dem Gitter 106 gebeugte zweite Beugungsordnung 108 wird durch ein viertes optisches Teilsystem 208, welches in 2 als Linse 208 dargestellt ist, ebenfalls in den Lichtleiter 103 rückgeführt.
Alternativ zu der Darstellung von 2 kann hierbei der Ort der Beugung an dem Gitter 106, welcher zu der ersten Beugungsordnung 107 führt, von den Ort der Beugung an dem Gitter 106, welcher zu der zweiten Beugungsordnung 108 führt, beabstandet sein.
Der Lichtleiter 103 ist in 2 in der Ausführungsform von Satz 3 gezeigt, in welcher dieser aus einem ersten Lichtleiter 210, einem zweiten Lichtleiter 211 und einem dritten Lichtleiter 212 besteht.
Die 3a–d zeigen Messsysteme nach den Sätzen 4–8. Das Messsystem nach Satz 4 zeigt den Lichtleiter 301, aus welchem mittels einer Linse 302, Messlicht ausgekoppelt wird, welches auf ein erstes Gitter 303 fällt. An diesem ersten Gitter 303 werden zwei Beugungsordnungen 304 und 305 gebeugt, welche an zwei weiteren Gittern 306 und 307 in jeweils zwei Beugungsordnungen 308 und 309, sowie 310 und 311 gebeugt werden. Diese Beugungsordnungen werden durch Polarisatoren 312 in polarisiertes Licht, deren Polarisationsrichtung um jeweils paarweise ein vielfaches von 45° versetzt sind, umgewandelt und nachfolgend mit Photodioden 313 in Spannungen umgewandelt. Diese Spannungen werden von einer hier nicht dargestellten Auswerteelektronik ausgewertet.
Da es sich bei dem ausgekoppelten Messlicht um interferiertes Messlicht des nichtgebeugten Messlichtes und der ersten bzw. zweiten Beugungsordnung des gebeugten Messlichtes handelt, kann durch die Aufspaltung dieses Messlichtes in vier phasenversetzte Anteile ein vierphasiges Drehfeld erzeugt werden, aus welchem sowohl die relative Positionierung von Gitter und Sensorkopf quantitativ erfasst werden kann, als auch die Richtung dieser relativen Positionsänderung.
3b zeigt die Anordnung der Gitter gemäß Satz 5, wobei zwei der bereits in 3a dargestellten Gitter wie bei 3a parallel in ihrer Gitterrichtung sind und das dritte 314 dieser Gitter senkrecht zu diesen in seiner Gitterrichtung angeordnet ist. Hierbei handelt es sich um eine alternative Ausführungsform gemäß Satz 5, welche gegenüber einer Ausführungsform gemäß 3a eine andere Geometrie des notwendigen Bauraumes ergibt, da die Polarisatoren und Photodioden anders als bei 3a angeordnet sind.
Bei der Ausführungsform gemäß 3c werden die Beugungsordnungen nicht seriell, wie bei den 3a und 3b, erzeugt, sondern die Beugungsordnungen entstehen an einem Kreuzgitter 315 in der Form, dass die polarisierenden Elemente und die nachfolgend angeordneten Photodioden nicht mehr in einer Ebene angeordnet werden können, wie dies bei den 3a und 3b der Fall ist, sondern einen dreidimensionalen, aber dafür weniger ausgedehnten Bauraum beanspruchen.
In der Ausführungsform gemäß 3d wird durch drei Beugungsordnungen an einem einzelnen Gitter 316 ein um jeweils 60° versetztes dreiphasiges Drehfeld erzeugt. Diese Ausführungsform ist besonders Bauraum sparend.
4 zeigt ein Ausführungsbeipiel einer Projektionsbelichtungsanlage 400 für die Mikrolithographie zur Abbildung eines Objektfeldes 401 auf ein Bildfeld 402. Die Projektionsbelichtungsanlage 400 enthält ein Projektionsobjektiv 410, im Weiteren Objektiv genannt. Exemplarisch sind zwei im Objektfeld befindende Feldpunkte 403 und 404 dargestellt, welche von dem Objektiv in die Bildebene 402 abgebildet werden.
Das Objektiv enthält optische Elemente wie Linsen 411, Spiegel 412 und Planplatten 413. Auf eine der Linsen wirkt ein Manipulator 421 ein, welcher die Linse verschieben oder verbiegen, kann. Ein solcher Manipulator kann im Rahmen seiner vorgesehenen, maximalen Auslenkungen als linear und vergessend angesehen werden. Ein zweiter Manipulator 422 wirkt in der gleichen Art auf den Spiegel 422 ein. Ein dritter Manipulator 423 beaufschlagt eine zweite Linse mit Wärme. Dies kann durch ohmsche Wärme, oder Infrarotlicht, oder Wärme bedingt durch ein Peltier-Element, oder Wärme bedingt durch einen Fluidstrom, insbesondere durch einen Gasstrom, beruhen. Hierdurch verändert sich lokal der Brechungsindex und die Form der Linse und damit lokal ihre optische Wirkung.
Von den zwei Feldpunkten 403 und 404 gehen bei einer vorgegebenen Apertur maximale, von der Apertur begrenzte Lichtbündel aus. Deren äußerste Strahlen sind hier gestrichelt dargestellt. Diese äußersten Strahlen begrenzen die jeweils zu den Feldpunkten 403 und 404 gehörenden Wellenfronten. Zum Zwecke der Darstellung der Erfindung sind diese Wellenfronten als sphärisch angenommen. Ein Wellenfrontsensor und/oder weitere Sensoren und/oder ein Vorhersagemodell bildet eine Bestimmungseinheit 450, welche Informationen über Bildfehler oder Wellenfronten nach deren Durchtritt durch das Objektiv liefert. Diese weiteren Sensoren sind beispielsweise Luftdrucksensoren, Sensoren zur Messung der Temperatur im Objektiv oder Sensoren, welche die Temperatur auf Linsen oder auf der Rückseite von Spiegeln Messen.
Die Manipulatoren 421, 422, 423 werden durch eine Regelungseinheit 430 gesteuert, welche Daten von dem Wellenfrontsensor 450 als auch von dem Temperatursensors 451 bekommen.
Die nach einem der Sätze 1–9 erfindungsgemäßen Sensorköpfe 451, 454 bestimmen die relative Position der Linse 413 bzw. des Spiegels 412. Die jeweiligen Gitter und das jeweilige Messlicht sind in 4 ohne Bezeichner dargestellt. Die Lichtleiter 452 bzw. 455 führen das Messlicht von den Sensorköpfen 451 bzw. 454 zu den Auswerteeinheiten 453 bzw. 456. In diesen Auswerteeinheiten 453 bzw. 456 werden die analogen Messlichtsignale in elektrische Signale umgewandelt und ausgewertet. Im Falle der Auswerteeinheit 453 wird diese Auswertung direkt an die Regelungseinheit 430 weitergeleitet welche etwaig notwendige Einstellung des Manipulators 423 berechnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008034636 A2 [0012, 0015, 0016]
WO 2008037496 A2 [0013]
WO 2009026970 A1 [0016]
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EP 1670041 A1 [0018]
DE 102008042356 A1 [0018]
DE 102004035595 A1 [0018]
DE 19827602 A1 [0019]
US 20090284724 A1 [0023, 0024, 0024, 0024, 0025, 0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. K. Tyson: Principles of Adaptive Optics, Academic Press, Inc., ISBN 0.12.705900-8 [0014]

Claims

Messsystem zur Bestimmung einer Positionsänderung eines optischen Elements beinhaltend – einen Sensorkopf, und – einen ersten Lichtleiter zur Hinführung von Messlicht einer Messlichtquelle zu dem Sensorkopf – einen zweiten Lichtleiter zur Rückführung von Beugungsordnungen des Messlichtes von dem Sensorkopf zu einer elektronische Auswerteeinheit, – der Sensorkopf beinhaltend ein erstes und ein zweites optisches System, wobei – das erste optische System zur Hinführung des Messlichtes aus dem ersten Lichtleiter zu einem mit dem optischen Element in fester räumlicher Beziehung stehenden Gitter konfiguriert ist, – das zweite optische System zur Rückführung einer, an dem Gitter gebeugten ersten und einer an dem Gitter gebeugten zweiten Beugungsordnung des Messlichtes in den zweiten Lichtleiter konfiguriert ist.
Messsystem nach Anspruch 1, wobei das das zweite optische System aus einem dritten und einem vierten optischen Teilsystem besteht und – das dritte optische Teilsystem zur Rückführung der an dem Gitter gebeugten ersten Beugungsordnung des Messlichtes in den zweiten Lichtleiter konfiguriert ist, – das vierte optische Teilsystem zur Rückführung der an dem Gitter gebeugten zweiten Beugungsordnung des Messlichtes in den zweiten Lichtleiter konfiguriert ist.
Messsystem nach Anspruch 2, wobei – der zweite Lichtleiter sich in einen dritten Lichtleiter und einen vierten Lichtleiter unterteilt, – der dritte Lichtleiter zur Rückführung der ersten Beugungsordnung von dem Sensorkopf konfiguriert ist, – der vierte Lichtleiter zur Rückführung der zweiten Beugungsordnung von dem Sensorkopf konfiguriert ist.
Messsystem nach einem der obigen Ansprüche 1 oder 2, wobei – zwischen zweiten Lichtleiter und der elektronischen Auswerteeinheit ein aus mehreren Gittern und mehreren Polarisatoren bestehender Analysator angeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 4, wobei – der Analysator aus drei Gittern und vier Polarisatoren besteht.
Messsystem nach Anspruch 5, wobei – ein Gitter senkrecht zu einem der anderen beiden Gitter angeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 4, wobei – zwei Gitter gekreuzt sind.
Messsystem nach einem der obigen Ansprüche 1 oder 2, wobei – zwischen dem zweiten Lichtleiter und einer elektronischer Auswerteeinheit ein aus einem einzelnen Gitter und drei Polarisatoren bestehender Analysator zwischengeschaltet ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei – jeweils einem Polarisator eine Fotodiode, oder – jeweils zwei Polarisatoren eine Differenzdiode, oder – vier Polarisatoren eine Quadrantendiode nachgeschaltet ist.
Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Messsystem nach einem der obigen Ansprüche.