DE69224514T2

DE69224514T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildes

Info

Publication number: DE69224514T2
Application number: DE69224514T
Authority: DE
Inventors: Erland Torbjoern Moelnlycke Sandstroem
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-23
Filing date: 1992-03-23
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2012-03-24
Also published as: KR100299420B1; EP0562133A1; US5440426A; JPH0643393A; JP3429802B2; DE69224514D1; KR930020570A; EP0562133B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes eines Gegenstandes durch optische Projektion mit einem fokussierenden System.
Die WO-A-9203842 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belichtung mit einem optischen Beleuchtungssystem zum Beleuchten einer mindestens teilweise mit einem feinen Muster ausgebildeten Maske mit einem beleuchtenden Licht und einem optischen Projektionssystem zum Projizieren eines Bildes des beleuchteten feinen Musters auf ein Substrat, so daß das feine Muster der Maske auf das Substrat übertragen wird. Das beleuchtende Licht wird von mindestens zwei Stellen aus, unter vorgegebenen Einfallswinkeln und schräg entgegengesetzt, zum Einfall auf die Maske gerichtet, so daß der gebeugte Strahl der 0. Ordnung und der eine oder der andere der gebeugten Strahlen der ±1. Ordnung, die von jedem der schräg beleuchtenden Strahlen an dem feinen Muster erzeugt werden, jeweils über optische Wege geführt werden, die sich im wesentlichen in gleichen Abständen von der optischen Achse des optischen Projektionssystems an oder in der Nähe der Ebene der Fouriertransformierten innerhalb des optischen Projektionssystems bezüglich des feinen Musters auf der Maske befinden. Dadurch wird ein projiziertes Bild des feinen Musters hauptsächlich durch den einen oder den anderen der gebeugten Strahlen der ±1. Ordnung und dem gebeugten Strahl der 0. Ordnung auf dem Substrat erzeugt. Die anderen, nicht erwünschten Strahlen, die den einen oder den anderen der gebeugten Strahlen der ±1. Ordnung und den gebeugten Strahl der 0. Ordnung nicht umfassen, erreichen im wesentlichen nicht das Substrat. Als optisches Mittel ist für diesen Zweck hauptsächlich eine Raum- oder Ortsfiltereinrichtung in dem optischen Beleuchtungssystem und/oder dem optischen Projektionssystem angeordnet.
Das Journal of Vacuum Science and Technology, Teil B, Band 9, Nr. 6, November 1991, New York, USA, Seiten 3113-6, xp 268527, H. Fukuda et al "Spatial filtering for depth of focus and resolution enhancement in optical lithography" offenbart ein Verfahren, welches sich einer Amplitudenüberlagerung von Bildern mit verschiedenen Fokalebenen und auch mit gesteuerten Phasendifferenzen gegeneinander durch den Einsatz eines optischen Filters an der Linsenpupille bedient.
Insbesondere für die Herstellung von integrierten Schaltungen durch Projektionslithographie wird eine lichtdurchlässsige Maske von einer Lichtquelle beleuchtet und das von der Maske durchgelassene Licht von einem Linsensystem projiziert, um eine Abbildung auf einem Wafer zu erzeugen. Das Auflösungsvermögen des Systems hängt von der Wellenlänge und der numerischen Apertur der Linse ab. Die derzeitige Herstellung von 16-Megabyte-dynamischen-RAM-Speichern bedient sich einer i- Linienbeleuchtung (365 nm) und einer Projektionslinse mit einer NA von 0,4-0,5.
Für die nächste Generation, die der 64MB-DRAM, besteht eine Anzahl von Auswahlmöglichkeiten zur Erhöhung des Auflösungsvermögens: kürzere Wellenlänge, höhere NA und sogenannte Phasenschiebermasken. Diese sind alle schwierig zu verwirklichen.
Eine kürzere Wellenlänge bedeutet eine Exzimerlaserlichtquelle mit erhöhten Betriebskosten, eine ungewisse Zuverlässigkeit und neue Resistverfahren. Eine höhere NA erfordert ebenere Wafer, eine neue Resisttechnologie (die der sogenannten Resists für die Oberflächenbilderzeugung "top surface imaging resists") und Projektionslinsen mit planerem Feld. Phasenverschiebende Masken bereiten neue Probleme: sie sind schwierig herzustellen und noch schwieriger zu Inspizieren und Reparieren. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes eines Gegenstandes durch optische Projektion mit einem fokussierenden System vorzusehen, die einen vierten Weg zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bieten.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und/oder die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 13 gelöst.
Die Unteransprüche beschreiben einzelne Ausführungsformen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist die Optik des Projektionssystems modifiziert, um das gleiche Auflösungsvermögen wie mit Phasenschiebermasken, jedoch mit normalen, Nur-Chrom-Masken zu erzielen. Die Modifikationen der Optik sind einfach, und die Kosten zu deren Ausführung sind gering. Die Anwendung der Erfindung wird von wirtschaftlichem Nutzen für die Elektronikindustrie und die Gesellschaft im allgemeinen sein.
Die Erfindung betrifft auch die Mikroskopie, bei der die Erfindung das Auflösungsvermögen jedes Mikroskopes wirksam verdoppelt. Dies ist bei jeder Art Mikroskopie wichtig, jedoch insbesondere für Meßmikroskope, die für die optische Messung von Strichweiten eingesetzt werden.

Beschreibung der Erfindung

Grundprinzip

Die Erfindung betrifft ein optisches Projektionssystem, Figur 1a, das eine Lichtquelle, ein Kondensorsystem zum Zuleiten des Lichtes 1 zum Gegenstand 2 (der Maske bei der Lithographie) und eine Projektionslinse 3 zum Projizieren des Bildes des Gegenstandes auf eine Bildebene 4 aufweist. Die Bildebene ist gegenüber der Lichtenergie empfindlich, weil sie entweder eine lichtempfindliche Oberfläche oder eine Detektoreinrichtung ist. Die Projektionslinse weist eine hintere Brennebene 5 mit einer Blendenöffnung 6 auf, welche die NA der Linse bestimmt. Figur 1 ist durch Weglassen der Lichtquelle, des Kondensors und der Feldlinsen vereinfacht worden, die normalerweise in einem Projektionssystem vorhanden sind. Sie zeigt ein verkleinerndes System, jedoch trifft die Beschreibung in gleicher Weise auf ein System zu, bei dem das Bild größer als der Gegenstand ist.
Es ist zweckmäßig, die Beleuchtung anhand der Lichtverteilung in der Ebene der Blendenöffnung zu beschreiben, weil jede Richtung des am Gegenstand oder an der Maske einfallenden Lichtes einem Punkt in dieser Ebene entspricht. Bei der Erfindung, Figur 1c, ist die Beleuchtung so angeordnet, daß das Licht nach dem Vorbeilaufen am Gegenstand auf die Blendenöffnung in der Nähe deren Randes 7 auftrifft. (Dies steht im Gegensatz zu einem üblichen System, bei dem das Licht eine kreisförmige Fläche ausfüllt, die an der Blendenöffnung mit einem Radius zentriert ist, der normalerweise im Bereich des 0,5-1,2fachen des Radius der Blendenöffnung liegt.) Bei der Erfindung befindet sich auch an der Blendenöffnung ein Raumfilter 8, d.h. eine Glasplatte mit verschiedener Phasen- und Amplitudendurchlässigkeit an verschiedenen Teilen der Blendenöffnung. Die Erfindung bedient sich eines Abschwächers 9 mit einer Amplitudendurchlässigkeit, die dort wo der Strahl auf die Blendenöffnung auftrifft, kleiner als eins und größer als null ist, wobei die Durchlässigkeit im restlichen Teil der Oberfläche 10 im wesentlichen eins ist. Die genaue Durchlässigkeit des Abschwächers hängt von den Wechselwirkungen zwischen den bilderzeugenden Eigenschaften für verschiedene Merkmalsgrößen ab und muß durch Versuche oder eingehende Berechnungen bestimmt werden, jedoch liegt sie im Bereich von 15 und 75 % und typischerweise zwischen 25 und 50 %.
Dies läßt sich wie folgt erklären: Ist ein feines Muster 11 auf der Maske vorhanden, wird der Strahl teilweise ungebeugt 12 (Beugungsordnung 0) durchgelassen und teilweise in andere Richtungen 13, 14 (Beugungsordnungen -1, +1, -2, +2, -3, ...) gebeugt. Die Information des Müsters ist in den gebeugten Ordnungen enthalten, und es wird ein Bild an der Bildebene erzeugt, an der die Projektionslinse die gebeugten Ordnungen kombiniert und diese miteinander zur Interferenz bringt. Wenn alle Ordnungen einschließlich der Ordnung 0 die Bildebene erreichen, ist das Bild eine perfekte Wiedergabe der Maske. Bei Musterelementgrößen, die in der Nähe der Grenze des Auflösungsvermögens des Systems liegen, werden einige der Ordnungen 14 von der Blendenöffnung blockiert, und es geht einiges an Information verloren. Das Bild 19 ist dann weniger scharf als das ideale Bild. Die gebeugten Ordnungen werden als symmetrische Paare gebeugt, so daß eine +1. Ordnung 15 einer -1. Ordnung 16 der gleichen Amplitude, jedoch allgemein einer anderen Phase, auf der entgegengesetzten Seite der nullten Ordnung 12 entspricht. Ein übliches System ist symmetrisch, so daß sowohl die Plus- wie auch die Minusordnungen zur Bildebene gebracht werden.
Mit schräger Beleuchtung, Figur 1b, wird die nullte Ordnung 16 dazu gebracht, in die Nähe des Randes der Blendenöffnung zu fallen. Das Legen der nullten Ordnung an den Rand zerstört jedoch die Bildqualität. Wenn eine Komponente 17 einer Plusordnung innerhalb der offenen Fläche der Blendenöffnung fällt, wird die Minusordnung 18 blockiert. Es ergibt sich eine unausgeglichene Wiederherstellung des Musters an der Bildebene, und es geht Kontrast verloren 20. Die Erfindung, Figur 1c, bedient sich eines teildurchlässigen Raumfilters 7, der die nullte Ordnung abschwächt, so daß deren Rest zu den durch die Blendenöffnung laufenden Beugungsordnungen im Verhältnis steht. Die Gesamtintensität ist verringert, jedoch ist der Kontrast wiederhergestellt 21.
Figur 1d zeigt den Nutzen. Das Auflösungsvermögen ist vergrößert, weil gebeugte Komponenten mit größerem Winkel gegenüber der nullten Ordnung durch die Blendenöffnung hindurchlaufen, wenn sich die nullte Ordnung nahe am Rand befindet. Der Winkel ist direkt proportional der Anzahl der Striche pro Millimeter auf der Maske. Das Auflösungsvermögen ist vergrößert, obwohl in beiden Fällen dieselbe Linse und die gleiche NA zur Anwendung kommen. Deshalb wird die Tiefenschärfe nicht beeinflußt. Das Auflösungsvermögen in Figur 1d ist genau doppelt so groß wie das in Figur 1a, jedoch weist in einem wirklichen System die Beleuchtung eine Winkelverteilung auf, und der Vergleich ist weniger direkt.
Ein sich ergebendes Problem besteht darin, daß die Beleuchtung an einem Rand 29 der Blendenöffnung 30, Fig. 2a, ein hoch asymmetrisches Bild ergibt. Insbesondere wird das Bild auf eine komplexe Weise verzerrt, wenn der Gegenstand geringfügig unscharf abgebildet wird. Um eine Symmetrie zu erzielen, müssen wir dem Bild ein weiteres Bild hinzufügen, das mit der Beleuchtung und dem Raumfilter an der entgegengesetzten Seite der Blendenöffnung 31 erzeugt worden ist. Dies läßt sich durch ein gleichzeitiges Beleuchten in den beiden Richtungen mit zwei inkohärenten Strahlen oder durch zwei aufeinanderfolgende Belichtungen durchführen.
Des weiteren ergibt die Anordnung in Figur 1c-d und Figur 2 eine vergrößerte Auflösung in nur einer Richtung. Um das Bild bezüglich x und y symmetrisch zu gestalten, werden mindestens vier Einfallsrichtungen oder Belichtungen benötigt. Das einfachste Vorgehen ist es, eine ringförmige Beleuchtung und ein ringförmiges, teildurchlässiges Filter zu einzusetzen, Figur 2b. Vorzugsweise sollte die Beleuchtung einen dünnen Lichtring 23 nahe am Rand der Blendenöffnung bilden und das Raumfilter aus einem Abschwächerring 34 bestehen. Die Funktion hängt davon ab, daß die Beleuchtungen an verschiedenen Punkten entlang des Ringes miteinander inkohärent sind, so daß die Funktion derjenigen mehrerer, keine Interferenz erzeugender Strahlen äquivalent ist, die an mehreren Punkten entlang des Umfangs des Ringes auftreffen.
Figur 2 c zeigt einen weiteren Weg zur Erzielung einer isotropen Bilderzeugung auf. Das Licht fällt an mehreren (typischerweise vier oder mehr) Stellen 35 nahe am Rand 30 ein, und es wird ein Raumfilter mit mehreren abschwächenden Flächen 36 eingesetzt, die an die Lichtquelle angepaßt sind. Mit vier Stellen ergibt sich eine Symmetrie in der x- sowie der y-Richtung, acht Stellen ergeben die gleiche Symmetrie auch bezüglich der diagonalen Achsen und ein hochisotropes Bild. Die Stellen sollten miteinander inkohärent sein, d.h. als Folge der Verwendung getrennter Lichtquellen oder einer einzigen Lichtquelle mit einer Wegdifferenz, die größer als die Kohärenzlänge ist, oder einer gemeinsamen kohärenten Quelle und einem Kohärenzzerhacker in jedem einfallenden Strahl. Der einfachste Weg zur Gewährleistung einer Inkohärenz ist es, bei verschiedenen Winkeln aufeinanderfolgend zu beleuchten.
Die Erfindung läßt sich mit optischen Begriffen beschreiben als eine inkohärente Überlagerung von zwei oder mehr Bildern, die bei schräger Beleuchtung erzeugt und mit einem Raumfilter mit einer Durchlässigkeit für die nullte Beugungsordnung von 15 % bis 75 % der Durchlässigkeit von Ordnungen, die zur optischen Achse hin gebeugt werden, gefiltert worden sind. Die Überlagerung kann momentan durch gleichzeitiges Belichten mit miteinander inkohärenten Lichtstrahlen, durch Integration von aufeinanderfolgenden Belichtungen in der lichtempfindlichen Einrichtung oder durch numerische Integration von getrennt festgehaltenen Bildern erfolgen.

Rotation von Beleuchtung und Filter

Ein höherer Grad der Optimierung läßt sich erzielen, wenn die Beleuchtung und das Raumfilter um die Mitte der Blendenöffnung gedreht werden, Figur 3b. Typischerweise bildet das Licht einen Fleck am oder nahe zum Rand der Blendenöffnung, und es wird ein angepaßtes Filter eingesetzt. Der Lichtfleck und das Filter werden miteinander synchron in Drehung gesetzt. Das Raumfilter kann jetzt eine durchlässige Fläche besitzen, die nicht kreisförmig ist, sondern typischerweise einen Sektor von dem Beleuchtungsfleck bis zur gegenüberliegenden Seite der Blendenöffnung bildet. Der Fleck nullter Ordnung wird, wie vorstehend beschrieben, von einem Teil des Abschwächers abgeschwächt. Es gibt verschiedene Parameter, die experimentell bestimmbar sind: der Winkel des Sektors, die Abschwächung durch den Abschwächer, die Größe des Beleuchtungsflecks und die Größe des Abschwächers. Vorausberechnungen zeigen, daß ein Sektorwinkel von 90 Grad und eine Durchlässigkeit am Abschwächer von 25 % einen guten Kontrast aller Strichgrößen bis zur Grenze des Auflösungsvermögens ergeben. Es ist möglich, die Modulationsübertragungsfunktion zu ändern, um den Kontrast bei einer bestimmten Auflösung zu optimieren, oder eine gleichwertige Bilderzeugung bei allen Größen durch Ändern der Form der durchlässigen Fläche zu erzielen. Weiterhin ist es möglich, verschiedene auswechselbare Filter zum Drucken von mehreren Strichweiten mit demselben Schrittkopierer zu verwenden.
Das die verschiedenen Positionen entlang des Randes der Blendenöffnung beleuchtende Licht sollte nicht Interferenzerzeugend sein. Die Beleuchtung kann entweder nichtkohärent und simultan sein oder kohärent sein und jeweils nur eine Position auf einmal beleuchten. Letzteres eignet sich insbesondere bei Exzimerlaserquellen, die ihrer Art entsprechend pulsierend betrieben werden. Man kann dann den Beleuchtungspunkt und dazu entsprechend auch das Raumfilter mit einem Spiegelsystem in Drehung setzen, und es wird an vorbestimmten Positionen, z.B. in regelmäßigen 45-Grad-Abständen ein Impuls ausgelöst. Selbstverständlich kann die Beleuchtung auch nichtkohärent und aufeinanderfolgend sein, z.B. mit einer Blitzröhre oder Bogenlampe, die sich physikalisch in einem Kreis an der hinteren Fokalebene der Kondensorlinse bewegt.
Rotation ist in einem weit umfassenden Sinn zu verstehen, weil es möglich ist, eine Ausführungsform unter Verwendung von feststehenden Teilen wie Flüssigkristall-Lichtventile zu verwirklichen. Wichtig ist, daß die Geometrie des Filters und der Beleuchtung eine Reihenfolge von vorbestimmten oder zufälligen Formen oder Positionen durchläuft, die sich darin voneinander unterscheiden, daß die eine sich aus einer Drehung der anderen ergibt, Figur 3a-d.

Leistungsfähigkeit

Wafer-Schrittkopierer arbeiten bei einer Strichweite, die durch die Formel
s = kl * λ/NA
bestimmt wird. Der Faktor kl ist ein empirischer Faktor, in den das Auflösungsvermögen der Optik, jedoch auch viele schwer faßbare Faktoren wie die Waferebenheit und der Resistkontrast eingehen. Für eine übliche Produktion beträgt Kl 0,7-0,8. Bei Phasenschiebermasken ergibt sich kl = 0,35-0,50 in Abhängigkeit von der Form der Elemente des Musters. Die Erfindung dürfte nach Berechnungen kl = 0,35-0,45 ergeben und ist viel weniger formabhängig als Phasenschiebermasken. Es ist zu bemerken, daß es im allgemeinen nicht möglich ist, Phasenschiebermasken zusammen mit der Erfindung einzusetzen. Abstrakt gesehen, besitzt die übliche Bilderzeugung latent das Potential für eine Verdoppelung des normalerweise erhaltenen Auflösungsvermögens, und es stellen Phasenschiebermasken und die vorliegende Erfindung zwei verschiedene Wege dar, um dieses verdoppelte Auflösungsvermögen zu erhalten. Tabelle 1: Strichweite bei Anwendung üblicher und neuer Lithographie. Die Schätzungen sind vorsichtige.
Bei der Mikroskopie haben wir die Auflösungsformel
s = 0,61 * λ/NA
Schätzungsweise vergrößert die Erfindung das Auflösungsvermögen um 70 %. Dies ist sehr günstig im Vergleich mit konfokalen Mikroskopen, die eine Erhöhung des Auflösungsvermögens von 30 % bieten. Die folgende Tabelle zeigt die Auflösungsvermögen bei sichtbaren und bei HeNe- und HeCd-Laserwellenlängen. Tabelle 1: Auflösungsvermögen bei Anwendung üblicher, konfokaler und neuer Mikroskopie. Die Schätzungen sind vorsichtige.
Es gibt andere Wege, die Erfindung zu benutzen. Zur Erzielung eines vorbestimmten Auflösungsvermögens erlaubt die Erfindung die Anwendung einer kleineren NA. Dies ergibt mehr Tiefenschärfe, ein größeres Gesichtsfeld oder einen einfacheren optischen Aufbau mit weniger Elementen.
Die vorgeschlagene Erfindung hat einen Nachteil. Zwischen 50 und 75 % des einfallenden Lichtes gehen verloren, das entweder außerhalb der Blendenöffnung gebeugt oder im Abschwächer absorbiert wird. Dies wird im Vergleich mit dem Nutzen der Erfindung als ein relativ kleines Problem erachtet.

Optimierung

Die Winkelgeschwindigkeit jedes Strahles, die Größe und Abschwächung des Abschwächers und die Form der durchlässigen Fläche beeinflussen alle die Bildeigenschaften und müssen bei verschiedenen Anwendungen verschieden optimiert werden. Ein enge Striche druckender Wafer-Schrittkopierer kann bei schmalen Strichen für den höchsten Kontrast entlang den x- und y- Achsen optimiert werden. Dies ergibt weniger Kontrast bei größeren Merkmalen und schrägen Strichen, und ergibt auch Streifen entlang den Rändern von größeren Merkmalen. Figur 2d und 4b zeigen geeignete Beleuchtungen und Filter.
In einem Allgemeinzweck-Mikroskop ist es wichtiger, eine gleichmäßige Auflösung in allen Richtungen zu erhalten und die Streifen entlang den Rändern der Merkmale zu verringern. Letzteres erfolgt durch Verringern des Kontrastes an den ausgeprägtesten räumlichen Merkmalen, um eine allmähliche Abnahme des Kontrastes mit der räumlichen Frequenz zu erzielen, d.h. durch Vergrößern der Winkelausbreitung jedes Strahles und durch Andern der Form der durchlässigen Fläche. Figur 2b und Figur 2d mit einer viel größeren Ausbreitung der Beleuchtung und größerem Abschwächer sind geeignete Auswahlmöglichkeiten.
In einem System zur automatischen Strichweitenmessung sollte die Auflösung entlang jeweils einem Winkel optimiert werden. Figur 4b zeigt Filter und Beleuchtung für diesen Fall.

Weitere Wege zur Verbesserung des Bildes

Ein Variieren der Phasen- und Amplitudentransformation radialmäßig über die Oberfläche der Blendenöffnung, die sogenannte Apodisation, wird zuweilen bei der üblichen Bilderzeugung eingesetzt, um die Punktausbreitungsfunktion oder Punktverwaschungsfunktion an der Bildebene zuzuschneidern. Insbesondere ist es möglich, das Auflösungsvermögen und/oder die Tiefenschärfe auf Kosten des Kontrastes zu verbessern. Das lithographische Verfahren erfordert viel weniger Kontrast als die photographischen Anwendungen der Bilderzeugung, und es kann möglich sein, einige Prozent an Auflösungsvermögen durch Variieren der Phase über den Teil des Filters zu gewinnen, der vorstehend als durchlässig beschrieben wird. Figur 2e zeigt einen Bereich 43 des Raumfilters mit einer Phasenverzögerung zur Erzielung einer Apodisation.
Es ist gut bekannt, daß bei der Fokussierung eines polarisierten Strahles mit einer Linse hoher NA das Auflösungsvermögen quer zum Polarisationsvektor größer ist als entlang diesem. Das vorstehende Rotationsschema erlaubt das Rotieren des Polarisatinsvektors zusammen mit der Beleuchtungseinrichtung, so daß die Polarisation der nullten Ordnung in der Blendenöffnung immer tangential ist. Für Linsen hoher NA ergibt dies eine um mehrere Prozent vergrößerte Auflösung.

Bevorzugte Ausführungsformen

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Wafer-Schrittkopierers weist eine Lichtquelle mit einer Kollimatorlinse auf, die das Licht im wesentlichen parallel richtet. Ein Spiegel richtet das Licht zum Gegenstand hin. Ein Mechanismus versetzt diesen Spiegel derartig in Drehung, daß der Richtungsstrahl einen Konus in der Gegenstandsebene beschreibt. An der Ebene der Blendenöffnung der Projektionslinse befindet sich eine rotierende Scheibe mit einem Raumfilter mit einer teilweise absorbierenden Fläche und einer durchlässigen Fläche. Die Rotation der Scheibe ist mit der Rotation des Spiegels synchronisiert, so daß der nicht gebeugte Strahl immer auf die absorbierende Fläche auftrifft. Während einer Belichtung führt der Spiegel und das Raumfilter eine volle Umdrehung aus.
Das einzige neue Element, das im Vergleich mit üblichen Techniken benötigt wird, ist das Raumfilter. Der Abschwächer kann mit einem dünnen Metallfilm wie Nichrom oder Chrom auf Glas gefertigt sein. Ein halbdurchlässiger Film weist gegenüber einer blanken Glasfläche eine Phasenverschiebung auf. Zum Beseitigen einer Phasendifferenz zwischen den abschwächenden und den nichtabschwächenden Flächen kann die eine oder die andere Fläche mit einem aufgetragenen Film versehen sein oder es kann Material von der Glasfläche abgeätzt werden. Am praktischten ist es, einen Film auf das Metall aufzutragen, damit die gesamte Phasenverzögerung gegenüber dem blanken Glas 360 Grad beträgt. Beide Filme werden dann dort entfernt, wo das Filter durchlässig sein soll. Vollkommen opake Flächen werden leicht durch Auftragen von Metall oder mit einer Maske aus Metallblech hergestellt. Die Durchlässigkeit wird leicht durch Messung von durchgelassenem Licht und die Phasenhomogenität mit einem Interferometer geprüft. Wir glauben, daß das Raumfilter mit geringeren Kosten herstellbar ist, als eine einzelne Phasenschiebermaske.
Das mit der Ausführung der Erfindung verbundene Hauptproblem ist es, einen erschütterungsfreien Mechanismus für die Drehung des einfallenden Lichtes und des Raumfilters herzustellen. Es gibt keine kritische Ausrichtung, so daß die Beleuchtungseinrichtung einschließlich eines Aufbaus für die Spiegelbewegung von dem Wafer-Schrittkopierer mechanisch isoliert werden kann. Das rotierende Raumfilter kann sich auf Luftlagern drehen und von einem kontaktlosen Induktionsmotor angetrieben werden, und es läßt sich eine Positionsrückmeldung mit einem optischen Transduktor erhalten.

Ausführung bei einem Mikroskop

Ein Mikroskop kann entweder mit einer ringförmigen Beleuchtung und einem Filter, die stationär sind, oder mit der rotierenden Anordnung von Beleuchtung und Raumfilter aufgebaut werden. Im letzteren Fall kann entweder die Rotation eine echte mechanische Rotation sein oder der gleiche Effekt mit stationären Mitteln wie Flüssigkristall-Lichtventile erzielt werden. Mit Flüssigkristallventilen kann die Rotation so schnell erfolgen, daß das Auge kein Flimmern wahrnimmt, jedoch ein stationäres Bild erhalten wird. Es ist auch möglich, eine Anzahl von Blitzröhren in der hinteren Fokalebene des Kollimators zu einzubauen und diese nacheinander aufblitzen zu lassen, so daß jede Blitzröhre eine Belichtung bei einem bestimmten Einfallswinkel erzeugt.
Bei den in der Mikroskopie verwendeten hohen NA ist die Möglichkeit, immer den besten Polarisationszustand zu nutzen, der in Figur 4 mit einem Pfeil gezeigt ist, von großer Wichtigkeit. Eine weitere Anwendung, bei der die Möglichkeit besteht, nur einen Polarisationszustand zu nutzen, ist das Studium von Strukturen, die unter dielektrischen Filmen verborgen sind. Der Polarisationszustand, der an der Blendenöffnung radial ist, wird an der Filmoberfläche einer geringeren Reflexion unterzogen und erhöht somit die Sichtbarkeit der verborgenen Strukturen.
Die meisten, in normalen Mikroskopen eingesetzten bildverbessernden Techniken lassen sich zusammen mit der vergrößerten Auflösung benutzen, z.B. Phasenkontrast, Interferenz und Interferenzkontrast. Ein Zusammenwirken von Interferenz mit der Erfindung bedeutet, daß es möglich ist, eine sogenannte phasenverschiebende Linnik- oder Mireauinterferometeranordnung einzusetzen, um eine genaue Tiefeninformation innerhalb des hochaufgelösten Bildes zu erhalten. Eine Dunkelfeld-Bilderzeugung läßt sich nicht anwenden, weil die Erfindung sich einer vorbestimmten Mischung aus Hellfeld und Dunkelfeld bedient. Zur Zeit ist es unsicher, ob irgend eine Art konvokaler Abtastung mit der Erfindung kombinierbar ist.
In einem Mikroskop, bei dem das Bild mit einer Videokamera aufgenommen, digitalisiert und mit einem Computer analysiert wird, ist es möglich, entweder einmal unter Verwendung des gesamten Satzes der Rotationen zu belichten oder bei jeder Position einmal zu belichten und die Summierung mit einer Software durchzuführen. Das letztgenannte Schema umgeht gewisse Wechselbeziehungen, die bei der isotropen Bilderzeugung auftreten, und erlaubt es, die Daten in jedem Bild bei optimaler Auflösung in einer Richtung zu analysieren. Auf diese Weise läßt sich im Vergleich mit üblichen Bildern die Auflösung jeweils entlang einer Achse wirksam verdoppeln. Dies ist von großer Wichtigkeit für Messungen von Strichweiten, die definitionsgemäß eindimensional sind. Figur 4 zeigt ein für eine optimale Auflösung in einer Richtung geeignetes Raumfilter. Die Übertragungsfunktion liegt nahe an der theoretischen Funktion sinus (x)/x, und das Bild läßt sich durch eine digitale Dekonvolution verbessern, d.h. durch eine numerische Technik, bei der eine bekannte Übertragungsfunktion entfernt und das ideale Bild ohne Beugungsunschärfe berechnet wird.
Des weiteren ist es möglich, ein zweidimensionales Bild mit optimaler Auflösung in allen Richtungen zu berechnen, wenn mehrere Bilder, bei denen das Filter zwecks optimaler Auflösung in verschiedenen Richtungen gedreht worden ist, kombiniert werden. Es wird darauf hingewiesen, daß diese numerischen Verfahren zur Verbesserung des Bildes letztlich durch das Rauschen des Systems begrenzt werden, daß jedoch eine erhebliche Verbesserung möglich ist, insbesondere wenn einige Kenntnisse bezüglich des Gegenstandes vorhanden sind.
Eine interessante Erkenntnis besteht darin, daß ein Vergleich der Fourier-Transformierten der Intensitätsverteilungen von zwei Belichtungen, zwischen denen die Beleuchtung um 180 Grad gedreht worden ist, eine sehr empfindliche Information über Fokussierungsfehler ergibt. Das Auflösungsvermögen wird nur durch das Rauschen begrenzt und es sind Empfindlichkeiten unterhalb von 0,1 µm möglich.
Figur 4b zeigt ein stationäres Filter mit vier Beleuchtungswinkeln, die eine Auflösung ergeben, die entlang den x- und y-Achsen nahe an der optimalen liegt und in den diagonalen Richtungen besser als die bei der üblichen Bilderzeugung ist.
Einige der Filter sind in der hinteren Fokalebene der Linse in einem Auflichtmikroskop schwierig einzusetzen, weil das Licht zweimal durch die Blendenöffnung hindurchtreten muß. Die hintere Fokalebene kann auch innerhalb der Linse unzugänglich sein. Ein Bild der Blendenöffnung kann näher zum Okular oder zur Kamera gebildet und das Filtern bei diesem Bild ausgeführt werden. Dies ist auch ein geeigneter Weg zum nachträglichen Ausrüsten bestehender Mikroskope mit einem Aufsatz für ein rotierendes Raumfilter.

Äquivalente Ausführungen

Die Erfindung ist bestimmt durch das optische Prinzip der inkohärenten Addition von mehreren Bildern, die bei schrägem Einfall und mit einer abgeschwächten nullten Ordnung gebildet werden. Jeweils dort wo sich die Beschreibung auf die Durchlässigkeit bezieht, kann diese durch eine Reflexion ersetzt werden, z.B. mit einem reflektierenden Gegenstand oder einem reflektierenden Raumfilter. Als Bildebene wird jede Ebene angesehen, an der ein Bild des Gegenstandes entsteht, und die Ebene der Blendenöffnung kann gegen andere Ebenen ausgetauscht werden, die auf die Blendenöffnungsebene wiederabgebildet werden oder an denen ein Bild der Blendenöffnungsebene erzeugt wird. Eine zweckdienliche Anordnung für eine gleichmäßige Bilderzeugung über ein ausgedehntes Feld erfordert jedoch, daß das Raumfilter an der Blendenöffnungsebene eingesetzt wird.
Es ist möglich, das Raumfilter in einer anderen Ebene einzusetzen, an der die nullte Beugungsordnung von anderen Beugungsordnungen getrennt wird. Dies wird auch von der Erfindung umfaßt, wie sie in den Ansprüchen festgelegt ist. Es ist bei einer Ausführung der Erfindung möglich, daß keine wirkliche Blendenöffnung vorhanden ist, sondern daß das Raumfilter selbst die Funktion der Blendenöffnung ausübt. Dann ist es möglich, die vorstehende Beschreibung und die Ansprüche auf eine virtuelle Blendenöffnung zu beziehen, die durch den kleinsten, auf der optischen Achse an der hinteren Fokalebene der Projektionslinse zentrierten Kreis dargestellt wird, der alle Lichtstrahlen einschließt, die das Bild erreichen. Diese äquivalente Blendenöffnung bestimmt die verwendete NA der Linse genauso wie eine physikalische Blendenöffnung.
Die optische Theorie gestattet es, einen Strahl, der aus einer inkohärenten Lichtquelle kommt und der über die Blendenöffnungsebene verteilt ist, als mehrere miteinander inkohärente Strahlen zu behandeln. Demgemäß zeigt Figur 2 eine größere Anzahl von inkohärenten Strahlen, obwohl diese zusammen eine kontinuierliche Lichtverteilung bilden. Ein etwaiger Mangel an Eindeutigkeiten läßt sich mit der optischen Theorie lösen, in der der Begriff der Kohärenz auf eindeutige Weise festgelegt ist.
Der Abschwächer wird als eine homogene, absorbierende Fläche beschrieben, jedoch wird eine durchlässige Blende mit opaken und durchsichtigen Flächen innerhalb einer Fläche, die durch die seitliche Kohärenzlänge in der Ebene des Raumfilters bestimmt ist, als eine äquivalente Ausführungform angesehen.
Eine Ausführung mit einer Mischung von Bilderzeugung gemäß der Erfindung und einer üblichen Bilderzeugung, so daß nur ein Teil der miteinander inkohärenten Lichtstrahlen einer Abschwächung der nullten Beugungsordnung mit einem Raumfilter unterliegt, wird als innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegend erachtet, falls der Lichtfluß der gefilterten Strahlen mehr als die Hälfte des Gesamtflusses beträgt, wenn die Flußmessungen in der Gegenstandsebene durchgeführt werden.

Beschreibung der Figuren

Figur 1: a. Übliches bilderzeugendes System mit kohärenter Beleuchtung entlang der optischen Achse und einem gitterartigen Gegenstand nahe an der Grenze des Auflösungsvermögens.
b. Gleich wie a., jedoch mit schräger Beleuchtung.
c. Gleich wie b. mit einem Raumfilter zum Abschwächen der nullten Beugungsordnung.
d. Gleich wie c. mit einem Gegenstand mit einem feineren Gittermuster.
Figur 2: a. Ansicht der Blendenöffnung mit zwei Strahlen, mit abgestimmten Abschwächern zur Erhöhung der Auflösung entlang einer Achse. Der Abschwächer ist die schraffierte Fläche und die Beleuchtung ist der darin befindliche Lichtfleck.
b. Ringförmige Beleuchtung und ein ringförmiger Abschwächer.
c. Sieben Strahlen mit angepaßten Abschwächern.
d. Rotierender Einzelstrahl mit einem mitdrehenden Raumfilter.
e. Gleich wie d. mit Apodisations-Phasenschieber in der durchlässigen Fläche des Raumfilters.
Figur 3: a. Eine Stellung der rotierenden Beleuchtung und des Raumfilters in Figur 2d.
b. Die Beleuchtung und das Filter in a. um 180º gedreht. Die inkohärente Addition der in a. und b. erzeugten Bilder ergibt ein Bild mit hoher Auflösung in der waagrechten Ebene.
c. Das Filter für eine hohe Auflösung in der senkrechten Richtung gedreht.
d. Das Filter für eine hohe Auflösung in der diagonalen Richtung gedreht.
Figur 4: a. Raumfilter für optimale Auflösung entlang nur einer Achse. Das durch Drehen dieser Konfiguration nur um 0 und 180º erzeugte Bild weist die höchstmögliche Auflösung in der waagrechten Richtung auf, während das Filter in 2d für eine nahezu optimale Auflösung in allen Richtungen vorgesehen ist.
b. Stationäres Filter, das eine nahezu optimale Auflösung für Striche entlang den x- und y- Achsen und ungefähr 70 % dieser Auflösung für diagonale Striche ergibt.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines Bildes eines Gegenstandes durch optische Projektion mit einem fokussierenden System (3), mit den Schritten

des Parallelrichtens eines Satzes aus mindestens zwei miteinander inkohärenten Lichtstrahlenbündeln aus der Lichtquelle, so daß diese auf den Gegenstand (11) aus Richtungen einfallen, bei denen die nichtgebeugten Komponenten zum Durchqueren einer Blendenöffnung (6) an einem Satz von Punkten gebracht werden, die mit einer n-fachen Rotationssymmetrie über die Oberfläche der Öffnung (6) verteilt sind, wobei n eine ganze Zahl zwischen 2 (einschließlich) und unendlich ist,

des Abschwächens der nullten Beugungsordnung jedes Strahlenbündels in einem Raum- oder Ortsfilter (8) relativ zu den Beugungsordnungen, die in Richtungen zur Mitte der Blendenöffnung hin gebeugt werden, und

des Addierens der von den Lichtstrahlenbündeln erzeugten Bilder.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die nullte Ordnung mit einem Raumfilter (8) einer Transmission im Bereich von 15 bis 75 % der Transmission der Ordnungen, die in Richtungen zur Mitte der Blendenöffnung hin gebeugt werden, abgeschwächt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die abschwächenden Teile (31; 34; 36; 41) des Raumfilters (8) sich im wesentlichen bis zum Rand (30) der Blendenöffnung (6) erstrecken.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem die Strahlenbündel des Satzes in der Blendenebene außerhalb eines Kreises verteilt sind, dessen Radius die Hälfte des Radius der Blendenöffnung (6) beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Geometrie des Raumfilters um die Mitte der Blendenöffnung herum rotiert, und Aufriahmen bei zwei oder mehr Positionen erfolgen und zur Erzeugung des Bildes addiert werden (Fig. 3a-d).

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das beleuchtende Strahlenbündel und das Raumfilter miteinander synchron rotieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem das Bild auf einem lichtempfindlichen Film aufgezeichnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem das Bild von einem Bildsensor aufgezeichnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die zwei oder mehr Aufnahmen eines Satzes unter Verwendung von Strahlenbündeln mit verschiedenen Positionen in der Blendenöffnung festgehalten und als digitale Daten gespeichert werden, und der Satz gespeicherter Bilder mit einem digitalen Algorithmus analysiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem das Bild auf einem photographischen Film aufgezeichnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem das Bild durch ein Okular beobachtet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-11, bei dem das einfallende Licht polarisiert wird und der Polarisationsvektor zusammen mit dem Filter rotiert.

13. Vorrichtung zum Erzeugen von öptischen Bildern eines Gegenstandes, mit

einer Lichtquelle,

einer Gegenstandsebene,

einer Projektionslinse (3) mit einer hinteren Brennebene (5) und einer Bildebene (4),

einer Kondensoroptik zum Parallelrichten des Lichtes hin zum Gegenstand in einem Satz miteinander unkohärenter Strahlenbündel mit Richtungen, derart daß die nichtgebeugten Strahlenbündel eine Blendenöffnung (6) in einem Satz von Punkten (29; 33; 35; 40) durchqueren, die in der Blendenebene mit einer n-fachen Rotationsymmetrie verteilt sind, wobei n eine ganze Zahl von 2 bis unendlich ist, und

einem Raumfilter (8) in der hinteren Brennebene (5) oder einer optisch äquivalenten Ebene, mit abschwächenden Flächen (31; 34; 36; 41) für die nichtgebeugten Ordnungen und durchlässigen Flächen für Ordnungen, die in Richtungen zur Mitte der Blendenöffnung hin gebeugt werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Satz von Punkten außerhalb eines Kreises mit dem halben Radius der Blendenöffnung liegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der die abschwächenden Flächen (31; 34; 36) des Raumfilters sich im wesentlichen bis zum Rand (30) der Blendenöffnung (6) erstrecken.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die relativen Transmissionen der abschwächenden Flächen im Bereich von 15 bis 75 % liegen.

17. Vorrichtung nach einem Ansprüche 13 bis 16, bei der die Beleuchtung in der Blendenöffnung (6) einen Ring (33) bildet, und das Raumfilter einen dazu passenden, abschwächenden Ring (34) aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der das Raumfilter eine im wesentlichen quadratische, offene Fläche mit einer abschwächenden Fläche an jeder Ecke hat, und die Beleuchtung vier Strahlenbündel aufweist, die an die Abschwächer angepaßt sind (Fig. 4b).

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der die Geometrie des Raumfilters um die Mitte der Blendenöffnung herum rotiert, und die Geometrie des einfallenden Lichtes mit rotiert (Fig. 3a-d).

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der das Raumfilter eine durchlässige Fläche, die ein Sektor mit der Spitze nahe am Rand der Blendenöffnung ist, und einen Abschwächer an der Spitze aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der das Raumfilter ein Schlitz mit Abschwächern an einem oder beiden Enden ist (Fig. 4a).

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, bei der die Lichtquelle eine Gasentladungsröhre ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, bei der die Lichtquelle ein Laser ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, bei der die Lichtquelle ein Exzimerlaser ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, bei der die Bildebene (4) die Oberfläche eines Siliciumwafers und der Gegenstand (2) eine Maske ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, bei der die Bildebene (4) die empfindliche Oberfläche eines Bildsensors ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der zwei oder mehr Bilder mit verschiedenen Beleuchtungs- und Filterorientierungen digitalisiert und numerisch analysiert werden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der das Bild mit der Punktausbreitungsfunktion numerisch entfaltet wird.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 28 mit Polarisiereinrichtungen zum Polarisieren jedes Strahlenbündels in der gleichen Richtung relativ zur Richtung vom Punkt in der Blendenöffnung zur Mitte der Öffnung.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der die Polarisiereinrichtungen zusammen mit dem Filter rotieren.