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WO2016012425A2 - Abbildende optik für ein metrologiesystem zur untersuchung einer lithographiemaske - Google Patents

Abbildende optik für ein metrologiesystem zur untersuchung einer lithographiemaske Download PDF

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WO2016012425A2
WO2016012425A2 PCT/EP2015/066604 EP2015066604W WO2016012425A2 WO 2016012425 A2 WO2016012425 A2 WO 2016012425A2 EP 2015066604 W EP2015066604 W EP 2015066604W WO 2016012425 A2 WO2016012425 A2 WO 2016012425A2
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WO
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imaging
object field
imaging optics
mirror
optics
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/066604
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English (en)
French (fr)
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WO2016012425A3 (de
WO2016012425A9 (de
Inventor
Johannes Ruoff
Ralf MÜLLER
Susanne Beder
Ulrich Matejka
Hans-Jürgen Mann
Jens Timo Neumann
Original Assignee
Carl Zeiss Smt Gmbh
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Publication date
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Priority claimed from DE102014217229.2A external-priority patent/DE102014217229B4/de
Application filed by Carl Zeiss Smt Gmbh filed Critical Carl Zeiss Smt Gmbh
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Publication of WO2016012425A9 publication Critical patent/WO2016012425A9/de
Publication of WO2016012425A3 publication Critical patent/WO2016012425A3/de
Priority to US15/410,904 priority Critical patent/US10606048B2/en

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Definitions

  • the invention relates to an imaging optics for a metrology system for examining a lithographic mask. Furthermore, the invention relates to a metrology system with such imaging optics.
  • EP 2 506 061 A1 discloses a projection optics for a projection exposure apparatus for the production of semiconductor components, which uses an aperture stop in which the aperture diameter differs by more than 10% in two mutually perpendicular directions.
  • DE 10 2010 040 81 1 AI describes an anamorphic projection optics.
  • US 2008/0036986 A1 describes a projection exposure apparatus.
  • an imaging optics with the features specified in claim 1.
  • the imaging optics is a magnifying projection optics in the manner of a microscope.
  • a magnification can be at least 100 and can be for example 350 or even 850.
  • the aperture diaphragm may be arranged in a pupil plane of the imaging optics.
  • the imaging optics are suitable for examining lithographic masks which are designed for projection exposure with anamorphic projection optical systems, ie have different typical structure sizes along different coordinates.
  • the imaging optics can also be used to examine substrates that are used for a subsequent exposure or structuring in connection with a projection exposure for the production of integrated semiconductor components. Such substrates are also referred to as blanks.
  • An isomorphic design of the imaging optics according to claim 2 is relatively easy to produce.
  • a magnification in the direction of one of the two object field coordinates may be at least 200 and may be in the range between 200 and 800 and may be 350, for example.
  • a magnification in the direction of the other of the two object field coordinates may be in the range between 100 and 400 and may be 175, for example.
  • a ratio of the imaging scales of the imaging optics for the metrology system in the direction of the two object field coordinates can be exactly the reciprocal of the corresponding magnification ratio of a projection optical system of a projection exposure apparatus be used with such lithographic masks in the manufacture of semiconductor devices.
  • At least one free-form surface mirror according to claim 4 has proven to be particularly suitable for compliance with demanding boundary conditions with regard to, for example, the space requirements or the imaging properties.
  • the mirrors of such an embodiment can have different basic curvatures, ie they can have fundamental curvature values whose absolute values are at least a factor of 1.1, at least a factor of 1, 2, at least a factor of 1.5, at least a factor of 2, at least a factor of 3, by at least a factor of 5, by at least a factor of 10, or by an even greater factor.
  • At least one of the free-form surface mirrors may have base curves with different signs, that is, have the basic shape of a saddle surface.
  • An object field dimension according to claim 5 has been found to be particularly suitable for use for an imaging optics of a metrology system. Typical structure defects of the lithography mask can be reliably detected.
  • the object field can be rectangular and have dimensions of, for example, 200 ⁇ m x 200 ⁇ m or 200 ⁇ m x 400 ⁇ m.
  • the object field size can be selected depending on the magnification factor of the imaging optics. As a result, a size adaptation to a photosensitive surface of a detector arranged in an image field of the imaging optics can take place.
  • Dimensions of the object field with a typical size of 200 ⁇ can be used, for example, in an imaging optics with a magnifying magnification of, for example, of 350 used.
  • a magnifying image stab in the range of 850 leads to a typical object field dimension, which is smaller than 100 ⁇ .
  • An elliptical aperture stop according to claim 6 has been found to be particularly suitable for achieving a metrology mapping.
  • An x / y half-axis ratio of the elliptical aperture stop may differ by at least 10%.
  • the x / y half-axis ratio can be 2.
  • a ratio of the aperture diameters in the direction of the two half-axes may be in the range between 10: 1 and 1.1: 1.
  • the aperture diaphragm can also be designed oval or rectangular.
  • An arrangement of the aperture stop according to claim 7 leads to a particularly simple embodiment of the imaging optics.
  • An anamorphic version of the imaging optics may also have an aperture stop.
  • the aperture stop may be disposed on the first mirror in the imaging light beam path of the imaging optics between the object field and the image field.
  • An arrangement of the aperture stop according to claim 8 has been found to be particularly suitable.
  • An embodiment of the imaging optics according to claim 9 has been found to be particularly suitable.
  • a sequence of fundamental curvatures of the mirrors in the beam path between the object field and the image field can be concave-concave-convex.
  • a wavefront error according to claim 10 results in a sufficient for metrology imaging accuracy.
  • the wavefront error can be 55 ⁇ and can also be less than 40 ⁇ .
  • a main beam angle according to claim 1 1 leads to a good separation between an incident on a reflective lithographic mask illumination light beam and a reflected image light beam.
  • the main beam angle can also be smaller than 8 ° and can be, for example, 5 °.
  • the imaging optics may comprise at least one intermediate image, e.g. exactly two intermediate pictures.
  • An imaging optical system with two mirror groups according to claim 13 can be used to distribute the optical effects, namely the distribution of an anamorphic effect on the one hand and a magnifying effect on the other hand on the two mirror groups.
  • the anamorphic imaging effect of such imaging optics can be generated by means of a mirror group having a corresponding anamorphic imaging effect.
  • Another mirror group of the imaging optics can then have an isomorphic imaging effect.
  • Such an anamorphic mirror group may have an absolute magnification deviating only slightly from 1, for example, in the direction of one of the two object image coordinates in the range of 1 and in the direction of the other of the two object field coordinates in the range of 2.
  • the imaging optics can have exactly one mirror group, which can be displaced overall relative to another mirror group of the imaging optics.
  • This displaceability can be used in particular in a metrology system for recording a focus stack, that is to say a layered image recording.
  • Such a shift between mirror groups can be done by means of a motor displacement drive.
  • a displacement of a relative displacement between two mirror groups of the imaging optics may be in the range of some ⁇ or in the range of some 10 ⁇ .
  • An aperture stop arrangement enables a separation between incident illumination light beam and outgoing imaging light beam in the region of the reflective lithographic mask, even with large numerical apertures.
  • the imaging aperture may have a different xy aspect ratio than that of 1.
  • the imaging optics may have an odd number of mirrors, for example, three mirrors or five mirrors.
  • the imaging optics can be optimized for use with EUV imaging light.
  • the optical components of the imaging optics may have correspondingly executed coatings, in particular highly reflective multilayer coatings.
  • the imaging light may have a wavelength in the range between 5 nm and 30 nm.
  • FIG. 1 shows a very schematic view in a plan view.
  • a metrology system for the examination of an object in the form of a lithography mask with EUV illumination and imaging light with an illumination optics and an imaging optics, which are each shown very strongly schematically;
  • FIG. 2 shows an illumination setting, that is to say an intensity distribution of illuminating light in a pupil plane of the illumination optics, for illuminating the object;
  • 3 shows a plan view of the object to be imaged
  • FIG. 4 shows a plan view of an imaging aperture diaphragm for limiting the edge of an imaging light bundle in the imaging optics; less schematic than in FIG. 1 is a side view of an arrangement of a lithographic projection optics between the object to be imaged and a wafer, wherein the Object is that which has been examined in advance with the metrology system of Fig. 1; schematically in a section in a plane of incidence reflection of the illumination and imaging light on the object in the projection exposure; a section through the incident illumination light beam and the outgoing imaging light beam according to line VII-VII in Fig.
  • FIG. 6 a flowchart of a method for three-dimensionally measuring a 3D aerial image in the area around an image plane in the imaging of the lithographic mask; in a meridional section, an embodiment of an imaging optics or projection optics for use in the metrology system according to FIG. 1; a view from the viewing direction X in Fig. 9; a plan view of a Parent Formation a first mirror in an imaging light beam path of the imaging optical system of Figure 9, wherein a used for the reflection of the imaging light and the edge side of an imaging Aperturbrende limited reflection surface is highlighted.
  • Figures 12 and 13 are similar to Figures 9 and 10 representations of another embodiment of the imaging optics.
  • FIGS. 20 to 22 show a further embodiment of the imaging optics in a representation similar to FIGS. 9 to 11.
  • a Cartesian xyz coordinate system is used below.
  • the x-axis extends in the figure 1 perpendicular to the plane in this.
  • the y-axis extends in the figure 1 upwards.
  • the z-axis runs in the figure 1 to the right.
  • FIG. 1 shows, in a view corresponding to a meridional section, a beam path of EUV illumination light or imaging light 1 in a metrology system 2 for examining an object 5 arranged in an object field 3 in an object plane 4 in the form of a label or a lithography mask with the EUV Illumination Light 1.
  • the Metrology System 2 is used to analyze a three-dimensional (3D) aerial image (Aerial Image Metrology System) and is used to simulate and analyze the effects of properties of lithographic masks called reticles, which in turn are used in projection imaging to fabricate semiconductor devices be used on the optical imaging by projection optics in- within a projection exposure system.
  • 3D Three-dimensional
  • magnification of 350 is actinic patterned mask inspection, which captures a low-resolution image of the mask and exposes different areas of the mask Mask, which have identical structures, compared and checked for differences.
  • the illumination light 1 is reflected on the object 5.
  • An incident plane of the illumination light 1 is parallel to the y-z plane.
  • the EUV illumination light 1 is generated by an EUV light source 6.
  • the light source 6 may be a laser plasma source (LPP) or a discharge-produced plasma (DPP).
  • LPP laser plasma source
  • DPP discharge-produced plasma
  • a useful wavelength of the EUV light source may be in the range between 5 nm and 30 nm.
  • a light source for another useful light wavelength can also be used instead of the light source 6, for example a light source for a useful wavelength of 193 nm.
  • an illumination optics 7 of the metrology system 2 is arranged between the light source 6 and the object 5.
  • the illumination optics 7 serves to illuminate the object 5 to be examined with a defined illumination intensity distribution over the object field 3 and simultaneously with a defined illumination angle distribution with which the field points of the object field 3 are illuminated.
  • FIG. 2 shows a corresponding illumination setting which is adjustable for the illumination optics 7. 2 shows an intensity distribution of the illumination light 1 in a pupil plane 8 (cf., FIG. 1) or in a plane of the illumination optics 7 conjugate thereto.
  • the illumination setting is configured, for example, as a hexapole setting with six illumination poles 9.
  • the six illumination poles 9 are within an elliptical outer edge contour 10, which is indicated by dashed lines in Figure 2.
  • This edge contour 10 follows an ellipse with a ratio between a large semiaxis parallel to the x-axis and a smaller semiaxis parallel to the y-axis of 2: 1.
  • Other axial ratios of the elliptical edge contour 10 are in the range of 10: 1 and 1.1: 1 possible, for example, 1.5: 1, 1.6: 1, 2.5: 1, 3: 1, 4: 1, 5: 1 or 8: 1.
  • the elliptical edge contour 10 is generated by an illumination aperture stop 1 1 of the illumination optical system 7, which limits an incident on the illumination aperture diaphragm 1 1 bundle of the illumination light 1 edge.
  • the illumination aperture stop 11 has an aperture plane extending parallel to the xy plane in the two mutually perpendicular directions x and y two mutually different from one another. at least 10%, in the present case by 100% differing aperture diameter, whose correspondences in Figure 2 with Bx and By are designated.
  • the larger aperture diameter Bx has the illumination aperture diaphragm 1 1 perpendicular to the plane of incidence yz of the illumination light 1 on the object 5.
  • the metrology system 2 is designed for examination on anamorphic masks having different structure scale factors in x and y. Such masks are suitable for the production of semiconductor elements by means of anamorphic projection systems.
  • a numerical aperture of the illumination and imaging light 1 in the xz plane may be at 0.125 on the reticle side and 0.0625 on the reticle side in the yz plane.
  • FIG. 3 shows a plan view of the object 5. Structures on the particle 5 are stretched by a factor of 2 in the y-direction. This means that a partial structure, for example the rectangular structure 12 in the lower right-hand corner of the object 5 according to FIG. 3, which is to be projected into a 1: 1 structure, has an x / y aspect ratio of 1: 2 ,
  • the illumination or imaging light 1 enters an imaging optics or projection optics 13 of the metrology system 2, which is also indicated schematically in FIG. 1 by a dashed boundary.
  • the imaging optical system 13 is used to image the object 5 toward a spatially resolving detection device 14 of the metrology system 2.
  • the detection device 14 is designed, for example, as a CCD detector.
  • the imaging optical system 13 comprises an imaging aperture diaphragm 15 (see also FIG. 4) arranged in the beam path after the object 5 for bordering an imaging light beam.
  • the imaging aperture diaphragm 15 is arranged in a pupil plane 8a of the imaging optics 13.
  • the pupil planes 8 and 8a may coincide; however, this is not mandatory.
  • the imaging aperture diaphragm 15 has an elliptical edge contour 16 with an x / y half-axis ratio of 2: 1.
  • the imaging aperture diaphragm 15 thus has two mutually perpendicular directions x, y two in an aperture plane extending parallel to the xy plane Aperture diameters differing by at least 10%, which in turn are designated Bx, By in FIG.
  • Bx By in the range between 10: 1 and 1.1: 1, what was stated above for the corresponding diameter ratio of the illumination aperture stop 1 1 applies.
  • the imaging aperture diaphragm 15 also has the larger diaphragm diameter Bx perpendicular to the plane of incidence yz of the illumination or imaging light 1 on the object 5. Also in the case of the imaging aperture diaphragm 15, the diameter Bx is twice as large as the diameter By.
  • the detection device 14 is in signal connection with a digital image processing device 17.
  • the object 5 is supported by an object holder 18. This can be displaced via a displacement drive 19 on the one hand parallel to the xy plane and on the other hand perpendicular to this plane, ie in the z direction. Of the Displacement drive 19, as well as the entire operation of the metrology system 2 is controlled by a central control device 20, which is in signal communication with the components to be controlled in a manner not shown.
  • the optical structure of the metrology system 2 is used for the most exact possible emulation of illumination and for imaging in the context of a projection exposure of the object 5 in the projection lithographic production of semiconductor components.
  • FIG. 5 shows the imaging relationships of a lithographic projection optics 21 used in such a lithographic projection exposure.
  • FIG. 5 shows a transmissive illumination of the object 5 instead of the actual reflective illumination. Is indicated in a lighting light beam 22 of the illumination and imaging light 1, a structuring of this illumination light beam 22 due to a defined lighting settings with discrete lighting poles.
  • the projection optics 21, which are part of an otherwise not shown projection exposure apparatus, are designed anamorphic, ie have a different magnification in the xz plane than in the yz plane.
  • An object-side numerical aperture of the projection optics 21 is 0.125 in the xz plane and 0.0625 in the yz plane.
  • Aperture of projection optics 21 is 0.5 for both the xz plane and the yz plane.
  • a magnification of 4x results in the xz-plane and a magnification of 8x in the yz-plane, that is, a reduction factor on the one hand of 4 and on the other hand of 8.
  • the projection optical system 21 images the object field 3 into an image field 23 in an image plane 24, in which a wafer 25 is arranged.
  • the projection optics 13 of the metrology system 2 is not anamorphic, but has the same magnifying magnification ⁇ M s of more than 100, for example 500 or 850, both in the xz plane and in the yz plane
  • the metrology system projection optics 13 is therefore isomorphic.
  • 6 and 7 illustrate the reflection conditions when using a lighting with elliptical edge contour, which can then be used in reflection of an appropriately adapted anamorphic projection optics such as the projection optics 21 or an optic with elliptical imaging aperture as in the projection optics 13.
  • the 3D aerial image measurement data are generated with the aid of which an imaging behavior of the structure of the object 5 illuminated in the object field 3 can be deduced by the projection optics 21 in the region of the image plane 24.
  • the metrology system 2 is used, wherein the magnification ratio of 2: 1 of the projection optics 21 in the two mutually perpendicular directions y and x, ie in the two mutually perpendicular planes yz and xz, using a metrology system projection optics 13, not is anamorphic, is taken into account. This can be done by calculation.
  • the method for 3D aerial image measurement will be explained below with reference to FIGS. 8 and 9.
  • the object 5 to be measured that is to say the lithography mask to be measured
  • a step 27 the object 5 to be measured
  • an intensity distribution of the imaging light 1 in the region of an image plane 14a in an image field 14b is measured, in which the detection device 14 of the metrology system 1 is arranged.
  • the detection device 14 detects in the measuring step 28 within a detection field in which the object field 3 is imaged by the metrology system projection optics 13, a 2D imaging light intensity distribution.
  • the measuring intensity distribution is then stored in each case and forwarded to the digital image processing device 17.
  • the lithography mask 5 is now displaced by the displacement drive 19 perpendicular to the object plane 4 by a predetermined displacement s away ⁇ .
  • a displacement step 29 This takes place in a displacement step 29.
  • the measuring step 28 and the displacement step 29 are then repeated by carrying out a repetition step 30 until a sufficient number of 2D imaging light intensity distributions to reproduce a 3D aerial image has been measured by means of the detection device 14.
  • the 2D imaging light intensity distribution is thus measured, for example, at five, seven, nine or eleven z positions apart by ⁇ , where the object 5 is at a z middle displacement step 29 is located exactly in the object plane 4.
  • dash-dotted corresponding displacement z positions of the object 5 are indicated. Shown is the case in which five z positions which are in each case separated by ⁇ are measured, the z position shown in FIG. 1, in which the object 5 lies in the object plane 4, being the middle of the five z positions to be measured. Represents positions.
  • the third dimension of the 3D aerial image namely the z dimension, is made accessible to the measurement by z displacement of the object 5 in this measurement method.
  • steps 28 to 30 therefore, a stack of 2D imaging light intensity distributions differing in each case by a ⁇ displacement s away from the test structure in the region of the plane 14a is measured with the detection device 14. This takes place with inserted imaging aperture 15 according to FIG. 4.
  • output step 31 resulting 3D aerial image is output.
  • the object field 3 is thus increased by a factor 350 40 displayed in the image plane 14a in the image field of the projection lens 14b.
  • the projection optics 40 are designed as mirror optics and have exactly three mirrors M1, M2 and M3 in the beam path of the imaging light 1. Illustrated in FIGS.
  • 9 and 10 is the example of the course of some individual beams 41 of the imaging light 1 between the object field 3 and the image field 14b. Shown are, inter alia, marginal rays or Komastrahlen RS and a main beam CR of a central field point.
  • the main beam CR object-side has a main beam angle CRA to a normal N on the object plane 4, which is 8 °.
  • the following table shows the optical design of the projection optics 40 again.
  • the surface or mirror of the projection optics are indicated in the "Surface” column.
  • the column “radius” reflects the radius of curvature R of the respective surface.
  • the column “Distance” indicates the distance between the respective surface and the following surface in the z-direction.
  • the mirror M1 is, for example, approximately 724 mm apart in the positive z-direction from the object plane 4.
  • the column “operating mode” indicates that the mirrors M1 to M3 are operated in a reflective manner.
  • the coefficients K and A are to be used in the above aspheric equation (1) for calculating the reflection surface shape of the mirrors Ml to M3.
  • the mirror Ml is concave.
  • the mirror M2 is concave.
  • the mirror M3 is convex.
  • the dimensions of the used reflection surfaces of the mirrors M2 and M3 are very small.
  • the reflection surfaces of the mirrors M2 and M3 are significantly smaller than one tenth of the reflection surface of the mirror Ml.
  • an imaging aperture 42 is arranged, which is used instead of the imaging aperture 15 of the projection optics 13 of FIG.
  • a circular parental surface 43 of the mirror M1 is shown together with the imaging aperture 42 in FIG. 11.
  • the mirror Ml for reflection of the imaging light 1 is used exclusively within an edge contour 44 of the imaging aperture 42.
  • This edge contour 44 is elliptical.
  • a ratio of half axes HA x / HA y of the edge contour 44 is exactly 2.
  • the projection optics 40 has an intermediate image ZB.
  • the intermediate image ZB is arranged close to the reflection of the imaging light 1 on the mirror M2.
  • the imaging aperture 42 is decentered with respect to the optical axis oA, which centrally passes through the parent surface 43 and which represents a rotational symmetry axis of the parent surface 43.
  • a distance E y of the edge contour 44 to the optical axis oA is greater than that small semi-axis HA y .
  • the distance E y of the edge contour 44 to the optical axis oA is smaller than the large semi-axis HA X.
  • a maximum wavefront error rms across the image field 14b is approximately 55 ⁇ in the projection optics 40.
  • the object field 3 is square and has an extension of 200 ⁇ x 200 ⁇ .
  • the larger aperture diameter 2HA X Bx of the imaging
  • Aperture aperture 42 is perpendicular to the plane of incidence yz of the imaging light 1 on the reflective object or reticle 5 in the object field 3.
  • a projection optics 45 is explained below, which can be used instead of the projection optics 40 in the metrology system 2 , Components which have already been explained above with reference to FIGS. 1 to 11 and in particular with reference to FIGS. 9 to 11 bear the same reference numerals and will not be discussed again in detail.
  • a wavefront error rms of the projection optics 45 over the image field 14b is less than 40 ⁇ .
  • the optical design data of the projection optics 45 result from the following Table 2, the structure of which corresponds to Table 1 above.
  • FIGS. 14 to 16 A further embodiment of a projection optics 46 which can be used instead of the projection optics 40 in the metrology system 2 will be explained below with reference to FIGS. 14 to 16. Components which have already been explained above with reference to FIGS. 1 to 13 and in particular with reference to FIGS. 9 to 13 bear the same reference numerals and will not be discussed again in detail.
  • An object-side main beam angle CRA is 5 ° in the projection optics 46, ie it is 3 ° smaller than in the projection optics 40 and 45 explained above.
  • a distance E y of the edge contour 44 of the aperture 42 of the mirror Ml of the projection optics 46 is smaller in the projection optics 46 than the smaller half-axis HA y . Due to the smaller main beam angle CRA of 5 °, smaller imaging light folding angles can be realized, in particular, on the mirrors M1 and M2 of the projection optics 46. This leads to smaller angles of incidence of the imaging light 1 on the mirrors M1 to M3 and correspondingly to lower reflection losses or reflection inhomogeneities.
  • the optical design data of the projection optics 46 are shown in the following Table 3, the structure of which corresponds to Tables 1 and 2 above.
  • a wavefront error rms of the projection optics 46 via the image field 14b is less than 35 ⁇ .
  • a further embodiment of a projection optical system 47 which can be used instead of the projection optical system 40 in the metrology system 2, is explained below with reference to FIGS. 17 to 19.
  • the magnification ⁇ x in the direction of the object field coordinate x thus differs from the magnification ⁇ y in the direction of the object field coordinate y.
  • the mirrors Ml, M2 and M3 of the projection optics 47 have reflection surfaces for the imaging light 1, the The following free-form surface equation (2) applies:
  • Q, C 2 , C 3 denote the coefficients of the free-form surface series expansion in the powers of x and y.
  • Equation (2) thus describes a biconical freeform surface.
  • freeform surfaces can also be described using two-dimensional spline surfaces.
  • examples include Bezier curves or non-uniform rational base splines (NURBS).
  • NURBS non-uniform rational base splines
  • two-dimensional spline surfaces may be described by a mesh of points in an xy plane and associated z-values or by these points and their associated slopes.
  • the complete surface is obtained by interpolation between the mesh points using, for example, polynomials or functions that have certain continuity and differentiability properties. Examples of this are analytical func- tions.
  • Table 4 corresponds in terms of their structure to the tables 1 to 3 explained above.
  • Table 4 therefore specifies the design data of a rotationally symmetrical basic shape of the respective free-form surface.
  • Table 5 shows the Bending values ADE, BDE and CDE for the respective surfaces.
  • the Bending value ADE indicates a rotation angle of the participating coordinate system after passing through the respective surface.
  • the coordinate system is rotated by an angle equal to twice the ADE value.
  • the coordinate system thus follows the course of a main ray of a central field point.
  • the ADE value for the object plane is, for example, the amount after half the object-side main beam angle CRA.
  • Table 6 indicates the coefficients to be used in the above free-form surface equation (2), so that the respective free-form reflecting surface of the mirror Ml, M2 and M3 results.
  • the free-form surfaces of the mirrors M1 to M3 are mirror-symmetrical.
  • the object field 3 of the projection optics 47 is rectangular and has dimensions along the x and along the y dimension of 200 ⁇ m x 400 ⁇ m. Together with the anamorphic magnification scales ß x, y ß results in a square image field 14b.
  • a maximum wavefront error rms across the image field 14b is approximately 45 ⁇ in the projection optics 47.
  • the main beam angle CRA in the projection optics 47 is 8 °.
  • the imaging aperture 42 is located on a reference axis RA of the parent surface 43 of FIG Mirror Ml.
  • the reference axis RA passes through an (x, y) -coordinate origin of the mathematical free-form surface representation of the free-form parent surface 43.
  • the reference axis RA marks an impact point of a main ray of a central field point of the imaging light 1 on the mirror M1 with the aperture diaphragm 42nd
  • a large aperture diameter Bx of the aperture 42 of the projection optics 47 along the half-axis HA X is the same size as the diameter 2R of the parent area 43.
  • the ratio HA x / HA y 2 also applies to the projection optics 47.
  • a further embodiment of a projection optical system 48 which can be used instead of the projection optics 40 in the metrology system 2, will be explained below with reference to FIGS. 20 to 22.
  • the projection optics 48 In contrast to the three-mirror embodiments of the projection optics 40, 45, 46 and 47, the projection optics 48 a total of five mirrors Ml to M5, which are numbered in the order of their appearance in the image light beam path between the object field 3 and the image field 14b. In the projection optics 48, a two-stage imaging process takes place.
  • a first mirror group of the projection optics 48 comprises the mirrors M1 and M2 and has an anamorphic imaging effect.
  • the magnification ⁇ x is 2.
  • the magnification ⁇ y is 1.
  • this first mirror group 49 produces an equalized image in which the structures in the y-direction are just as large as those in the x-direction.
  • the aperture stop 42 (see Fig. 22) lies on the mirror Ml. In an alternative design, an aperture stop is not on the
  • the aperture can be made virtually circular.
  • the reticle 5 is not displaced when the projection optical system 48 is used, but the second mirror group 50 is displaced in the z direction, whereby a correspondingly defocused image of the intermediate image ZB 1 is obtained.
  • a z-displacement path for the second mirror group 50 is in the range of a few to a few ten ⁇ , since the first mirror group 49 has no significant magnification, but only the image of the object 5, as already explained above, equalized.
  • the two mirrors M1 and M2 of the first mirror group 49 are designed as free-form surfaces and the mirrors M3 to M5 of the second mirror group 50 as rotationally symmetrical surfaces whose reflection surfaces correspond to the above aspheric equation (1). can be described.
  • the optical design data of the free-form reflecting surfaces of the mirrors Ml to M5 of the projection optics 48 can be found in the following tables 7 et seq., Whose structure corresponds to the above tables 4 to 6 for projection optics 47.
  • Table 9 ( Figures 20 to 22) The position and shape of the imaging aperture stop 42 on the mirror M1 corresponds to that of the projection aperture stop 42 of the projection optics 47 in the projection optics 48.
  • the main ray angle CRA in the projection optics 48 is 8 °.
  • the displacement can take place with the aid of a motor displacement drive 52, which is shown schematically in FIG.
  • the displacement drive 52 may be a linear motor.
  • the displacement drive 52 is mechanically connected to the three mirrors M3, M4 and M5 of the second mirror group 50, which is not shown in FIG.
  • An image with the metrology system 2 can be made with an elliptical imaging aperture diaphragm 15, but alternatively also with an oval or, especially in the case of the actinic examination of a structured mask, with a rectangular diaphragm. If no phase reconstruction is carried out, the use of an imaging aperture diaphragm with an x / y aspect ratio is required, which corresponds to the ratio of the magnification in the x and y directions of an imaging optics to be emulated or reconstructed, ie, for example, an aspect ratio or diameter ratio in the range between 10: 1 and 1.1: 1.
  • an aspect ratio Bx / By of the aperture stop 42 differs in the direction of the two object field coordinates x and y from 1. As already explained above in connection with the imaging aperture stop 15, this aspect ratio Bx / By are in the range between 10: 1 and 1.1: 1.

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Abstract

Eine abbildende Optik (40) dient innerhalb eines Metrologiesystems zur Untersuchung einer Lithographiemaske. Die Lithographiemaske ist in einem Objektfeld (3) der abbildenden Optik anordenbar. Das Objektfeld (3) ist durch zwei aufeinander senkrecht stehende Objektfeld-Koordinaten (x, y) aufgespannt. Die abbildende Optik (40) hat eine Aperturblende (42), deren Aspektverhältnis in Richtung der beiden Objektfeld-Koordinaten sich von 1 unterscheidet. Es resultiert eine abbildende Optik, die für die Untersuchung von Lithographiemasken, die für die Projektionsbelichtung mit anamorphotischer Projektionsoptik ausgelegt sind, genutzt werden kann.

Description

Abbildende Optik für ein Metrologiesystem zur Untersuchung einer Lithographiemaske
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Prioritäten der deutschen Pa- tentanmeldungen DE 10 2014 214 257.1 und DE 10 2014 217 229.2 in Anspruch, deren Inhalte durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden.
Die Erfindung betrifft eine abbildende Optik für ein Metrologiesystem zur Untersuchung einer Lithographiemaske. Ferner betrifft die Erfindung ein Metrologiesystem mit einer derartigen abbildenden Optik.
Metrologiesysteme der eingangs genannten Art sind bekannt aus der
US 2013/0063716 AI, der DE 102 20 815 AI, der DE 102 20 816 AI und aus der US 2013/0083321 AI . Aus der EP 2 506 061 AI ist eine Projekti- onsoptik für eine Projektionsbelichtungsanlage zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bekannt, die eine Aperturblende einsetzt, bei der der Blendendurchmesser in zwei zueinander senkrechten Richtungen sich um mehr als 10 % unterscheidet. Die DE 10 2010 040 81 1 AI beschreibt eine anamorphotische Projektionsoptik. Die US 2008/0036986 AI beschreibt eine Projektionsbelichtungsanlage.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine abbildende Optik der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sie für die Untersuchung von Lithographiemasken, die für die Projektionsbelichtung mit ana- morphotischer Projektionsoptik ausgelegt sind, genutzt werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine abbildende Optik mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Bei der abbildenden Optik handelt es sich um eine vergrößernde Projektionsoptik nach Art eines Mikroskops. Ein Abbildungsmaßstab kann mindestens 100 betragen und kann beispielsweise 350 oder auch 850 betragen. Die Aperturblende kann in einer Pupillenebene der abbildenden Optik an- geordnet sein. Die abbildende Optik ist geeignet zur Untersuchung von Lithographiemasken, die für die Projektionsbelichtung mit anamorpho tischen Projektionsoptiken ausgebildet sind, also längs unterschiedlicher Koordinaten unterschiedliche typische Strukturgrößen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die abbildende Optik auch zur Untersuchung von Substraten genutzt werden, die für eine nachfolgende Belichtung beziehungsweise Strukturierung im Zusammenhang mit einer Projektionsbelichtung zur Herstellung integrierter Halbleiter-Bauelemente genutzt werden. Derartige Substrate werden auch als Blanks bezeichnet. Eine isomorphe Ausbildung der abbildenden Optik nach Anspruch 2 ist vergleichsweise einfach herstellbar.
Die eingangs genannte Aufgabe ist ebenfalls gelöst durch eine abbildende Optik mit den im Anspruch 3 angegebenen Merkmalen.
Ein Abbildungsmaßstab in Richtung einer der beiden Objektfeld- Koordinaten kann mindestens 200 betragen und kann im Bereich zwischen 200 und 800 liegen und kann beispielsweise 350 betragen. Ein Abbildungsmaßstab in Richtung der anderen der beiden Objektfeld-Koordinaten kann im Bereich zwischen 100 und 400 liegen und kann beispielsweise 175 betragen. Ein Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe der abbildenden Optik für das Metrologiesystem in Richtung der beiden Objektfeldkoordinaten kann genau der Kehrwert des entsprechenden Abbildungsmaßstab- Verhältnisses einer Projektionsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage sein, mit der derartige Lithographiemasken bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen genutzt werden.
Mindestens ein Freiformflächen-Spiegel nach Anspruch 4 hat sich zur Ein- haltung anspruchsvoller Randbedingungen in Bezug beispielsweise auf die Bauraumerfordernisse oder auf die Abbildungseigenschaften als besonders geeignet herausgestellt. Die Spiegel einer solchen Ausführung können unterschiedliche Grundkrümmungen aufweisen, können also Grundkrümmungswerte haben, deren Absolutwerte sich um mindestens einen Faktor 1,1, um mindestens einen Faktor 1 ,2, um mindestens einen Faktor 1,5, um mindestens einen Faktor 2, um mindestens einen Faktor 3, um mindestens einen Faktor 5, um mindestens einen Faktor 10 oder um einen noch größeren Faktor unterscheiden. Mindestens einer der Freiformflächen- Spiegel kann Grundkrümmungen mit unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen, also die Grundform einer Sattelfläche haben.
Eine Objektfeld- Abmessung nach Anspruch 5 hat sich zum Einsatz für eine abbildende Optik eines Metrologiesystems als besonders geeignet herausgestellt. Typische Strukturdefekte der Lithographiemaske können sicher erfasst werden. Das Objektfeld kann rechteckig sein und Abmessungen beispielsweise von 200 μηι x 200 μηι oder von 200 μηι x 400 μηι haben. Die Objektfeldgröße kann abhängig vom Vergrößerungsfaktor der abbildenden Optik gewählt werden. Hierdurch kann eine Größenanpassung an eine lichtempfindliche Fläche eines in einem Bildfeld der abbildenden Op- tik angeordneten Detektors erfolgen. Abmessungen des Objektfeldes mit einer typischen Größe von 200 μηι können beispielsweise bei einer abbildenden Optik mit einem vergrößernden Abbildungsmaßstab von beispielsweise von 350 zum Einsatz kommen. Ein vergrößernder Abbildungsmaß- stab im Bereich von 850 führt zu einer typischen Objektfelddimension, die kleiner ist als 100 μηι.
Eine elliptische Aperturblende nach Anspruch 6 hat sich zum Erreichen einer Metrologie-Abbildung als besonders geeignet herausgestellt. Ein x/y- Halbachsenverhältnis der elliptischen Aperturblende kann sich um mindestens 10 % unterscheiden. Das x/y-Halbachsenverhältnis kann 2 betragen. Ein Verhältnis der Blendendurchmesser in Richtung der beiden Halbachsen kann im Bereich zwischen 10: 1 und 1,1 : 1 liegen. Alternativ zu einer ellipti- sehen Aperturblendenform kann die Aperturblende auch oval oder rechteckig gestaltet sein.
Eine Anordnung der Aperturblende nach Anspruch 7 führt zu einer besonders einfachen Ausführung der abbildenden Optik.
Auch eine anamorphotische Ausführung der abbildenden Optik kann eine Aperturblende aufweisen.
Die Aperturblende kann auf dem ersten Spiegel im Abbildungslicht- Strahlengang der abbildenden Optik zwischen dem Objektfeld und dem Bildfeld angeordnet sein.
Eine Anordnung der Aperturblende nach Anspruch 8 hat sich als besonders geeignet herausgestellt.
Eine Ausführung der abbildenden Optik nach Anspruch 9 hat sich als besonders geeignet herausgestellt. Eine Abfolge von Grundkrümmungen der Spiegel im Strahlengang zwischen dem Objektfeld und dem Bildfeld kann konkav-konkav-konvex sein. Ein Wellenfrontfehler nach Anspruch 10 führt zu einer für die Metrologie ausreichenden Abbildungsgenauigkeit. Der Wellenfrontfehler kann 55 ηιλ betragen und kann auch kleiner sein als 40 ηιλ.
Ein Hauptstrahlwinkel nach Anspruch 1 1 führt zu einer guten Trennung zwischen einem auf eine reflektierende Lithographiemaske einfallenden Beleuchtungslichtbündel und einem reflektierten Abbildungslichtbündel. Der Hauptstrahlwinkel kann auch kleiner sein als 8° und kann beispiels- weise 5° betragen.
Eine Ausführung der abbildenden Optik mit mindestens vier Spiegeln nach Anspruch 12 erhöht eine Designflexibilität der abbildenden Optik. Die abbildende Optik kann mindestens ein Zwischenbild, z.B. genau zwei Zwi- schenbilder, aufweisen.
Eine abbildende Optik mit zwei Spiegelgruppen nach Anspruch 13 kann zur Verteilung der optischen Wirkungen, nämlich zur Verteilung einer anamorphotischen Wirkung einerseits und einer vergrößernden Wirkung andererseits auf die beiden Spiegelgruppen genutzt werden. Die ana- morphotische Abbildungswirkung einer derartigen abbildenden Optik kann mit Hilfe einer eine entsprechende anamorphotische Abbildungswirkung aufweisenden Spiegelgruppe erzeugt werden. Eine weitere Spiegelgruppe der abbildenden Optik kann dann eine isomorphe Abbildungswirkung ha- ben. Eine derartige anamorphotische Spiegelgruppe kann einen nur gering von 1 abweichenden absoluten Abbildungsmaßstab haben, der beispielsweise in Richtung einer der beiden Objektbild- Koordinaten im Bereich von 1 und in Richtung der anderen der beiden Objektfeld-Koordinaten im Bereich von 2 liegt.
Die abbildende Optik kann genau eine Spiegelgruppe aufweisen, die insge- samt relativ zu einer anderen Spiegelgruppe der abbildenden Optik verlagerbar ist. Diese Verlagerbarkeit kann insbesondere in einem Metrologiesystem zur Aufnahme eines Fokusstapels, also einer schichtweisen Bildaufnahme, genutzt werden. Eine derartige Verlagerung zwischen Spiegelgruppen kann mit Hilfe eines motorischen Verlagerungsantriebs erfolgen. Ein Verlagerungsweg einer Relativverlagerung zwischen zwei Spiegelgruppen der abbildenden Optik kann im Bereich einiger μηι oder auch im Bereich einiger 10 μηι liegen.
Die Vorteile eines Metrologiesystems nach Anspruch 14 entsprechen de- nen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die erfindungsgemäße abbildende Optik bereits erläutert wurden.
Eine Aperturblendenanordnung nach Anspruch 15 ermöglicht eine Trennung zwischen einfallendem Beleuchtungslicht-Bündel und ausfallendem Abbildungslicht-Bündel im Bereich der reflektierenden Lithographiemaske auch bei großen numerischen Aperturen.
Die Abbildungs-Aperturblende kann ein deutlich von 1 abweichendes xy- Aspektverhältnis haben.
Die abbildende Optik kann eine ungeradzahlige Spiegelanzahl aufweisen, beispielsweise drei Spiegel oder fünf Spiegel. Die abbildende Optik kann zum Einsatz mit EUV- Abbildungslicht optimiert sein. Hierfür können die optischen Komponenten der abbildenden Optik entsprechend ausgeführte Beschichtungen, insbesondere hochreflektierende Mehrlagen-Beschichtungen aufweisen. Das Abbildungslicht kann eine Wellenlänge im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen: Fig. 1 stark schematisch in einer Aufsicht mit Blickrichtung
senkrecht zu einer Einfallsebene ein Metrologiesystem für die Untersuchung eines Objekts in Form einer Lithographiemaske mit EUV-Beleuchtungs- und Abbildungslicht mit einer Beleuchtungsoptik und einer abbildenden Optik, die jeweils sehr stark schematisch dargestellt sind;
Fig. 2 ein Beleuchtungssetting, also eine Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht in einer Pupillenebene der Beleuchtungsoptik, für eine Beleuchtung des Objekts;
Fig. 3 eine Aufsicht auf das abzubildende Objekt;
Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Abbildungs-Aperturblende zur randseitigen Begrenzung eines Abbildungs-Lichtbündels in der abbildenden Optik; weniger schematisch als in Fig. 1 eine Seitenansicht einer Anordnung einer Lithographie-Projektionsoptik zwischen dem abzubildenden Objekt und einem Wafer, wobei das Objekt dasjenige ist, welches im Vorfeld mit dem Metrologiesystem nach Fig. 1 untersucht wurde; schematisch in einem Schnitt in einer Einfallseinebene eine Reflexion des Beleuchtungs- und Abbildungslichts am Objekt bei der Projektionsbelichtung; einen Schnitt durch das einfallende Beleuchtungs- Lichtbündel und das ausfallende Abbildungs-Lichtbündel gemäß Linie VII- VII in Fig. 6; ein Ablaufschema eines Verfahrens zum dreidimensionalen Vermessen eines 3D-Luftbildes im Bereich um eine Bildebene bei der Abbildung der Lithographiemaske; in einem Meridionalschnitt eine Ausführung einer abbildenden Optik beziehungsweise Projektionsoptik zum Einsatz im Metrologiesystem nach Fig. 1 ; eine Ansicht aus Blickrichtung X in Fig. 9; eine Aufsicht auf eine Parentfläche eines ersten Spiegels in einem Abbildungslicht- Strahlengang der abbildenden Optik nach Fig. 9, wobei eine für die Reflexion des Abbildungslichts genutzte und randseitig von einer Abbildungs- Aperturblende begrenzte Reflexionsfläche hervorgehoben ist; Fig. 12 und 13 zu den Fig. 9 und 10 ähnliche Darstellungen einer weiteren Ausführung der abbildenden Optik;
Fig. 14 bis 16 zu den Fig. 9 bis 1 1 ähnliche Darstellungen einer weiteren
Ausführung der abbildenden Optik;
Fig. 17 bis 19 in einer zu den Fig. 9 bis 1 1 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung der abbildenden Optik; und Fig. 20 bis 22 in einer zu den Fig. 9 bis 1 1 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung der abbildenden Optik.
Zur Erleichterung der Darstellung von Lagebeziehungen wird nachfolgend ein kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse verläuft in der Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein. Die y- Achse verläuft in der Figur 1 nach oben. Die z- Achse verläuft in der Figur 1 nach rechts.
Figur 1 zeigt in einer einem Meridionalschnitt entsprechenden Ansicht ei- nen Strahlengang von EUV-Beleuchtungslicht beziehungsweise Abbildungslicht 1 in einem Metrologiesystem 2 für die Untersuchung eines in einem Objektfeld 3 in einer Objektebene 4 angeordneten Objekts 5 in Form eines etikels beziehungsweise einer Lithographiemaske mit dem EUV- Beleuchtungslicht 1. Das Metrologiesystem 2 wird zur Analyse eines drei- dimensionalen (3D-) Luftbildes (Aerial Image Metrology System) eingesetzt und dient zur Simulation und Analyse der Auswirkungen von Eigenschaften von Lithographiemasken, sogenannten Retikels, die wiederum bei der Projektionsbelichtung zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zum Einsatz kommen, auf die optische Abbildung durch Projektionsoptiken in- nerhalb einer Projektionsbelichtungsanlage. Derartige Systeme sind aus der US 2013/0063716 AI (vgl. dort Figur 3), aus der DE 102 20 815 AI (vgl. dort Figur 9) und aus der DE 102 20 816 AI (vgl. dort Figur 2) und aus der US 2013/0083321 AI bekannt.
Eine weitere Metrologie-Anwendung, bei der ein Vergrößerungsmaßstab von 350 relevant sein kann, ist die Actinic Patterned Mask Inspection (ak- tinische Untersuchung einer strukturierten Maske), bei der ein nur gering aufgelöstes Bild der Maske aufgenommen wird, und bei der verschiedene Bereiche der Maske, die identische Strukturen aufweisen, miteinander verglichen und auf Unterschiede geprüft werden.
Das Beleuchtungslicht 1 wird am Objekt 5 reflektiert. Eine Einfallsebene des Beleuchtungslichts 1 liegt parallel zur y-z-Ebene.
Das EUV-Beleuchtungslicht 1 wird von einer EUV-Lichtquelle 6 erzeugt. Bei der Lichtquelle 6 kann es sich um eine Laser-Plasma-Quelle (LPP; la- ser produced plasma) oder um eine Entladungsquelle (DPP; discharge pro- duced plasma) handeln. Grundsätzlich kann auch eine Synchrotron- basierende Lichtquelle zum Einsatz kommen, zum Beispiel ein Freie- Elektronen-Laser (FEL). Eine Nutzwellenlänge der EUV-Lichtquelle kann im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm liegen. Grundsätzlich kann bei einer Variante des Metrologiesystems 2 auch eine Lichtquelle für eine andere Nutzlichtwellenlänge anstelle der Lichtquelle 6 zum Einsatz kommen, bei- spielsweise eine Lichtquelle für eine Nutzwellenlänge von 193 nm.
Je nach Ausführung des Metrologiesystems 2 kann dieses für ein reflektierendes oder auch für ein transmittierendes Objekt 5 zum Einsatz kommen. Ein Beispiel für ein transmittierendes Objekt ist eine Phasenmaske. Zwischen der Lichtquelle 6 und dem Objekt 5 ist eine Beleuchtungsoptik 7 des Metrologiesystems 2 angeordnet. Die Beleuchtungsoptik 7 dient zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts 5 mit einer definierten Be- leuchtungsintensitätsverteilung über das Objektfeld 3 und gleichzeitig mit einer definierten Beleuchtungswinkelverteilung, mit der die Feldpunkte des Objektfeldes 3 beleuchtet werden.
Figur 2 zeigt ein entsprechendes Beleuchtungssetting, welches für die Be- leuchtungsoptik 7 einstellbar ist. Dargestellt ist in der Figur 2 eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts 1 in einer Pupillenebene 8 (vgl. Figur 1) beziehungsweise in einer hierzu konjugierten Ebene der Beleuchtungsoptik 7. Das Beleuchtungssetting ist beispielhaft als Hexapol-Setting mit sechs Beleuchtungspolen 9 ausgestaltet.
Die sechs Beleuchtungspole 9 liegen innerhalb einer elliptischen äußeren Randkontur 10, die in der Figur 2 gestrichelt angedeutet ist. Diese Randkontur 10 folgt einer Ellipse mit einem Verhältnis zwischen großer Halbachse parallel zur x- Achse und kleiner Halbachse parallel zur y- Achse von 2: 1. Auch andere Achsenverhältnisse der elliptischen Randkontur 10 im Bereich von 10: 1 und 1,1 : 1 sind möglich, beispielsweise von 1,5: 1, 1,6: 1, 2,5: 1, 3: 1, 4: 1, 5: 1 oder 8: 1.
Die elliptische Randkontur 10 wird von einer Beleuchtungs-Aperturblende 1 1 der Beleuchtungsoptik 7 erzeugt, die ein auf die Beleuchtungs-Aperturblende 1 1 einfallendes Bündel des Beleuchtungslichts 1 randseitig begrenzt. Entsprechend weist die Beleuchtungs-Aperturblende 1 1 in einer sich parallel zur xy-Ebene erstreckenden Blendenebene in den zwei zueinander senkrechten Richtungen x und y zwei sich voneinander um mindes- tens 10 %, im vorliegenden Fall um 100 % unterscheidende Blendendurchmesser auf, deren Entsprechungen in der Figur 2 mit Bx und By bezeichnet sind. Den größeren Blendendurchmesser Bx hat die Beleuchtungs- Aperturblende 1 1 senkrecht zur Einfallsebene yz des Beleuchtungslichts 1 auf dem Objekt 5.
Das Metrologiesystem 2 ist zur Untersuchung an anamorphotischen Masken mit unterschiedlichen Struktur- Skalierungsfaktoren in x und y ausgelegt. Derartige Masken sind zur Herstellung von Halbleiterelementen mit- tels anamorpho tischer Projektionsanlagen geeignet.
Eine numerische Apertur des Beleuchtungs- und Abbildungslichts 1 in der xz-Ebene kann retikelseitig bei 0,125 und in der yz-Ebene retikelseitig bei 0,0625 liegen.
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf das Objekt 5. Strukturen auf dem etikel 5 sind in der y-Richtung um einen Faktor 2 gestreckt. Dies bedeutet, dass eine Teilstruktur, beispielsweise die Rechteck- Struktur 12 in der rechten unteren Ecke des Objekts 5 nach Figur 3, die in eine l : l-Struktur abgebil- det werden soll, ein x/y-Aspektverhältnis von 1 :2 aufweist.
Nach Reflexion am Objekt 5 tritt das Beleuchtungs- beziehungsweise Abbildungslicht 1 in eine abbildende Optik beziehungsweise Projektionsoptik 13 des Metrologiesystems 2 ein, die in der Figur 1 ebenfalls schematisch durch eine gestrichelte Berandung angedeutet ist. Die abbildende Optik 13 dient zur Abbildung des Objekts 5 hin zu einer ortsauflösenden Detektionsemrichtung 14 des Metrologiesystems 2. Die Detektionsemrichtung 14 ist zum Beispiel als CCD-Detektor ausgebildet. Die abbildende Optik 13 umfasst eine im Strahlengang nach dem Objekt 5 angeordnete Abbildungs-Aperturblende 15 (vgl. auch Figur 4) zur randsei- tigen Begrenzung eines Abbildungslicht-Bündels. Die Abbildungs-Aperturblende 15 ist in einer Pupillenebene 8a der abbildenden Optik 13 ange- ordnet. Die Pupillenebenen 8 und 8a können zusammenfallen; dies ist allerdings nicht zwingend.
Die Abbildungs-Aperturblende 15 hat eine elliptische Randkontur 16 mit einem x/y-Halbachsenverhältnis von 2: 1. Die Abbildungs-Aperturblende 15 hat also in einer sich parallel zur xy-Ebene erstreckenden Blendenebene in zwei zueinander senkrechten Richtungen x, y zwei sich voneinander um mindestens 10 % unterscheidende Blendendurchmesser, die in der Figur 4 wiederum mit Bx, By bezeichnet sind. Für das Durchmesserverhältnis Bx:By im Bereich zwischen 10: 1 und 1,1 : 1 gilt, was vorstehend zum ent- sprechenden Durchmesserverhältnis der Beleuchtungs-Aperturblende 1 1 ausgeführt wurde.
Auch die Abbildungs-Aperturblende 15 hat den größeren Blendendurchmesser Bx senkrecht zur Einfallsebene yz des Beleuchtungs- beziehungs- weise Abbildungslichts 1 auf dem Objekt 5. Auch bei der Abbildungs- Aperturblende 15 ist der Durchmesser Bx doppelt so groß wie der Durchmesser By.
Die Detektionseinrichtung 14 steht in Signalverbindung mit einer digitalen Bildverarbeitungseinrichtung 17.
Das Objekt 5 wird von einem Objekthalter 18 getragen. Dieser kann über einen Verlagerungsantrieb 19 einerseits parallel zur xy-Ebene und andererseits senkrecht zu dieser Ebene, also in z-Richtung, verlagert werden. Der Verlagerungsantrieb 19 wird, wie auch der gesamte Betrieb des Metrologiesystems 2 von einer zentralen Steuereinrichtung 20 gesteuert, die mit den zu steuernden Komponenten in nicht näher dargestellter Weise in Signalverbindung steht.
Der optische Aufbau des Metrologiesystems 2 dient beim Einsatz als Aeri- al Image Metrology System zur möglichst exakten Emulation einer Beleuchtung sowie einer Abbildung im Rahmen einer Projektionsbelichtung des Objekts 5 bei der projektionslithografischen Herstellung von Halblei- terbauelementen.
Fig. 5 zeigt die Abbildungsverhältnisse einer lithografischen Projektionsoptik 21, die bei einer derartigen lithografischen Projektionsbelichtung zum Einsatz kommt. Im Unterschied zur Fig. 1 zeigt die Fig. 5 eine transmittie- rende Beleuchtung des Objekts 5 anstelle der tatsächlich vorliegenden reflektierenden Beleuchtung. Angedeutet ist in einem Beleuchtungs- Lichtbündel 22 des Beleuchtungs- und Abbildungslichts 1 eine Strukturierung dieses Beleuchtungs-Lichtbündels 22 aufgrund eines definierten Beleuchtungs settings mit diskreten Beleuchtungspolen.
Die Projektionsoptik 21, die Teil einer ansonsten nicht dargestellten Pro- jektionsbelichtungsanlage ist, ist anamorphotisch ausgeführt, hat also in der xz-Ebene einen anderen Abbildungsmaßstab als in der yz-Ebene. Eine ob- jektseitige numerische Apertur der Projektionsoptik 21 beträgt in der xz- Ebene 0,125 und in der yz-Ebene 0,0625. Eine bildseitige numerische
Apertur der Projektionsoptik 21 beträgt sowohl für die xz-Ebene als auch für die yz-Ebene jeweils 0,5. Es ergibt sich in der xz-Ebene ein Abbildungsmaßstab von 4x und in der yz-Ebene ein Abbildungsmaßstab von 8x, also ein Verkleinerungsfaktor einerseits von 4 und andererseits von 8. Für die Vergrößerungsfaktoren ßx, ßy gilt also: ßx= 1/4 und ßy = 1/8.
Bei der Projektionsbelichtung bildet die Projektionsoptik 21 das Objekt- feld 3 in ein Bildfeld 23 in einer Bildebene 24 ab, in der ein Wafer 25 angeordnet ist.
Im Unterschied zur Projektionsoptik 21 der Projektionsbelichtungsanlage ist die Projektionsoptik 13 des Metrologiesystems 2 nicht anamorphotisch, sondern hat sowohl in der xz-Ebene als auch in der yz-Ebene den gleichen vergrößernden Abbildungsmaßstab ßMs von mehr als 100, beispielsweise von 500 oder von 850. Die Metrologiesystem-Projektionsoptik 13 ist also isomorph. Die Fig. 6 und 7 verdeutlichen die Reflexionsverhältnisse bei der Nutzung einer Beleuchtung mit elliptischer Randkontur, die dann in Reflexion von einer hieran entsprechend angepassten anamorphotischen Projektionsoptik wie der Projektionsoptik 21 beziehungsweise einer Optik mit elliptischer Abbildungs- Aperturblende wie bei der Projektionsoptik 13 genutzt werden kann. Aufgrund des elliptischen Querschnitts einerseits des Beleuchtungs- Lichtbündels 22 und andererseits eines vom Objekt 5 reflektierten Abbil- dungs-Lichtbündels 26 kann ein kleiner Hauptstrahl-Einfallswinkel CRA von 6° oder weniger realisiert sein, da die Lichtbündel 22, 26 in der yz- Ebene jeweils die kleinere numerische Apertur von 0,0625 haben. In der hierzu senkrechten xz-Ebene haben die Lichtbündel 22 und 26 die größere numerische Apertur von 0,125, was dort nicht stört. Eine zentrale Achse, von der aus der Hauptstrahlwinkel CRA gemessen wird und die senkrecht auf der Objektebene 4 steht, ist in den Fig. 6 und 7 mit A bezeichnet. Bei der 3D-Luftbildmessung werden Daten erzeugt, mit deren Hilfe auf ein Abbildungs-Verhalten der im Objektfeld 3 beleuchteten Struktur des Objekts 5 durch die Projektionsoptik 21 im Bereich der Bildebene 24 rückgeschlossen werden kann. Hierzu wird das Metrologiesystem 2 eingesetzt, wobei das Abbildungsmaßstab-Verhältnis von 2: 1 der Projektionsoptik 21 in den zwei zueinander senkrechten Richtungen y und x, also in den beiden zueinander senkrechten Ebenen yz und xz, unter Verwendung einer Metrologiesystem-Projektionsoptik 13, die nicht anamorphotisch ist, berücksichtigt wird. Dies kann rechnerisch geschehen. Das Verfahren zur 3D-Luftbildmessung wird nachfolgend anhand der Fig. 8 und 9 erläutert.
Zunächst wird das zu vermessende Objekt 5, also die zu vermessende Lithographiemaske in einem Schritt 27 bereitgestellt. Anschließend wird eine Intensitätsverteilung des Abbildungslichts 1 im Bereich einer Bildebene 14a in einem Bildfeld 14b vermessen, in der die Detektionseinrichtung 14 des Metrologiesystems 1 angeordnet ist. Dies geschieht in einem Messschritt 28. Die Detektionseinrichtung 14 erfasst im Messschritt 28 innerhalb eines Detektionsfeldes, in welches durch die Metrologiesystem- Projektionsoptik 13 das Objektfeld 3 abgebildet ist, eine 2D-Abbildungs- licht-Intensitätsverteilung. Die vermessende Intensitätsverteilung wird dann jeweils abgespeichert und an die digitale Bildverarbeitungseinrichtung 17 weitergeleitet. Es wird nun die Lithographiemaske 5 mithilfe des Verlagerungsantriebs 19 senkrecht zur Objektebene 4 um einen vorgegebenen Verlagerung s weg Δζ verlagert. Dies geschieht in einem Verlagerungsschritt 29. Der Messschritt 28 und der Verlagerungsschritt 29 werden dann mittels Durchführung eines Wiederholungsschrittes 30 so oft wiederholt, bis eine zur Wiedergabe eines 3D-Luftbildes ausreichende Anzahl von 2D- Abbildungslicht- Intensitätsverteilungen mittels der Detektionseinrich- tung 14 vermessen ist. Durch Wiederholen des Messschritts 28 und des Verlagerungsschritts 29 bei verschiedenen z-Positionen des Objekts 5 wird die 2D-Abbildungslicht-Intensitätsverteilung also beispielsweise an fünf, sieben, neun oder elf jeweils um Δζ auseinander liegenden z-Positionen vermessen, wobei das Objekt 5 bei einem mittleren Verlagerungsschritt 29 exakt in der Objektebene 4 liegt. In der Fig. 1 sind strichpunktiert entspre- chende Verlagerungs-z-Positionen des Objekts 5 angedeutet. Dargestellt ist der Fall, bei dem fünf jeweils um Δζ auseinander liegende z-Positionen vermessen werden, wobei die in der Fig. 1 dargestellte z-Position, bei der das Objekt 5 in der Objektebene 4 liegt, die mittlere der fünf zu vermessenden z-Positionen darstellt.
Die dritte Dimension des 3D-Luftbildes, nämlich die z-Dimension wird bei diesem Messverfahren der Messung durch z- Verlagerung des Objekts 5 zugänglich gemacht. Durch Wiederholung der Schritte 28 bis 30 wird also ein Stapel von jeweils sich um einen Δζ- Verlagerung s weg der Teststruktur unterscheidenden 2D- Abbildungslicht- Intensitätsverteilungen im Bereich der Ebene 14a mit der Detektionseinrichtung 14 gemessen. Dies geschieht mit eingesetzter Abbil- dungs-Aperturblende 15 nach Fig. 4. In einem Ausgabeschritt 31 wird resultierende 3D-Luftbild ausgegeben.
Anhand der Fig. 9 bis 1 1 wird eine Ausführung einer Projektionsoptik 40 erläutert, die anstelle der Projektionsoptik 13 beim Metrologie System 2 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen erläutert. Die Projektionsoptik 40 ist isomorph und hat einen Vergrößerungsfaktor ßx = ßy = ßivis von 350. Das Objektfeld 3 wird also um einen Faktor 350 vergrößert in das Bildfeld 14b der Projektionsoptik 40 in der Bildebene 14a abgebildet. Die Projektionsoptik 40 ist als Spiegeloptik ausgeführt und weist genau drei Spiegel Ml, M2 und M3 im Strahlengang des Abbildungslichts 1 auf. Dargestellt ist in den Fig. 9 und 10 beispielhaft der Verlauf einiger Einzelstrahlen 41 des Abbildungslichts 1 zwischen dem Objektfeld 3 und dem Bildfeld 14b. Darstellt sind unter anderem Randstrahlen beziehungsweise Komastrahlen RS sowie ein Hauptstrahl CR eines zentralen Feldpunktes.
Der Hauptstrahl CR hat objektfeldseitig einen Hauptstrahlwinkel CRA zu einer Normalen N auf die Objektebene 4, der 8° beträgt. Die Spiegel Ml bis M3 haben Reflexionsflächen, die Abschnitte rotationssymmetrischer Parentilächen sind. Diese Parentilächen können mit der folgenden Asphärengleichung (1) beschrieben werden:
Figure imgf000021_0001
p ist hierbei die Krümmung der Spiegel-Reflexionsfläche (p = 1/R mit R: Krümmungsradius der Reflexionsfläche). Es gilt weiterhin h2 = x2+y2 (h: Abstand des betrachteten Reflexionsflächenpunktes von der optischen Achse, also der Rotationssymmetrieachse der Reflexions-Parentfläche). z ist die Pfeilhöhe der Reflexionsfläche am Ort h. K ist die konische Konstante. Die nachfolgende Tabelle gibt das optische Design der Projektionsoptik 40 wieder. In der Spalte "Oberfläche" sind die Flächen beziehungsweise Spiegel der Projektionsoptik angegeben. Die Spalte "Radius" gibt den Krümmungsradius R der jeweiligen Fläche wieder. Die Spalte "Abstand" gibt den Abstand der jeweiligen Fläche zur nachfolgenden Fläche in der z- Richtung an. Der Spiegel Ml ist beispielsweise etwa 724 mm in positiver z-Richtung von der Objektebene 4 beabstandet. Die Spalte "Betriebsmodus" deutet an, dass die Spiegel Ml bis M3 reflektiv betrieben werden. Die Koeffizienten K und A sind in die obige Asphärengleichung (1) zur Berechnung der Reflexionsflächenform der Spiegel Ml bis M3 einzusetzen.
Figure imgf000021_0002
Tabelle 1 (Fig. 9 bis 1 1) Der Spiegel Ml ist konkav. Der Spiegel M2 ist konkav. Der Spiegel M3 ist konvex.
Im Vergleich zu den Abmessung der benutzten Reflexionsfläche des Spie- gels Ml sind die Abmessungen der benutzten Reflexionsflächen der Spiegel M2 und M3 sehr klein. Die Reflexionsflächen der Spiegel M2 und M3 sind deutlich kleiner als ein Zehntel der Reflexionsfläche des Spiegel Ml .
Auf dem Spiegel Ml ist eine Abbildungs- Aperturblende 42 angeordnet, die anstelle der Abbildungs- Aperturblende 15 der Projektionsoptik 13 nach Fig. 1 zum Einsatz kommt. Eine kreisförmige Parentfläche 43 des Spiegels Ml ist zusammen mit der Abbildungs- Aperturblende 42 in der Fig. 1 1 dargestellt. Genutzt wird der Spiegel Ml zur Reflexion des Abbildungslichts 1 ausschließlich innerhalb einer Randkontur 44 der Abbildungs- Aperturblende 42. Diese Randkontur 44 ist elliptisch. Ein Verhältnis von Halbachsen HAx/HAy der Randkontur 44 beträgt exakt 2. Entsprechend ist eine objektseitige numerische Apertur NAy der Projektionsoptik 40 in der yz-Ebene (vergleiche Fig. 9) genau halb so groß wie eine objektseitige numerische Apertur NAX in der xz-Ebene (vergleiche Fig. 10). Es gilt: NAX = 0.12 und NAy = 0.06.
Im Abbildungslicht- Strahlengang zwischen den Spiegeln Ml und M2 hat die Projektionsoptik 40 ein Zwischenbild ZB. Das Zwischenbild ZB ist nahe der Reflexion des Abbildungslichts 1 am Spiegel M2 angeordnet.
Die Abbildungs-Aperturblende 42 ist in Bezug auf die optische Achse oA, die die Parentfläche 43 zentrisch durchtritt und die eine Rotations- Symmetrieachse der Parentfläche 43 darstellt, dezentriert angeordnet. Ein Abstand Ey der Randkontur 44 zur optischen Achse oA ist größer als die kleine Halbachse HAy. Der Abstand Ey der Randkontur 44 zur optischen Achse oA ist kleiner als die große Halbachse HAX.
Ein maximaler Wellenfrontfehler rms über das Bildfeld 14b beträgt bei der Projektionsoptik 40 etwa 55 ηιλ.
Das Objektfeld 3 ist quadratisch und hat eine Erstreckung von 200 μηι x 200 μιη. Der größere Blendendurchmesser 2HAX = Bx der Abbildungs-
Aperturblende 42 liegt senkrecht zur Einfallsebene yz des Abbildungslichts 1 auf dem reflektierenden Objekt beziehungsweise Retikel 5 im Objektfeld 3. Anhand der Fig. 12 und 13 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Projektionsoptik 45 erläutert, die anstelle der Projektionsoptik 40 beim Metrologiesystem 2 zum Einsatz kommen kann. Komponenten, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 1 1 und insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 1 1 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Anordnung der Abbildungs-Aperturblende 42 innerhalb der Parentflä- che 43 des Spiegels Ml ist bei der Projektionsoptik 45 genauso wie vorstehend im Zusammenhang mit der Fig. 1 1 und der Projektionsoptik 40 nach den Fig. 9 bis 1 1 erläutert.
Ein Wellenfrontfehler rms der Projektions optik 45 über das Bildfeld 14b ist kleiner als 40 ηιλ. Die optischen Designdaten der Projektionsoptik 45 ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle 2, deren Aufbau der obigen Tabelle 1 entspricht.
Figure imgf000024_0001
Anhand der Fig. 14 bis 16 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Projektionsoptik 46 erläutert, die anstelle der Projektionsoptik 40 beim Metrologiesystem 2 zum Einsatz kommen kann. Komponenten, die vorste- hend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 13 und insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 13 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Ein objektseitiger Hauptstrahlwinkel CRA beträgt bei der Projektionsoptik 46 5°, ist also um 3° geringer als bei den vorstehend erläuterten Projektionsoptiken 40 und 45.
Im Vergleich zum Radius R (vergleiche Fig. 16) der Parentfläche 43 des Spiegels Ml der Projektionsoptik 46 sind die Halbachsen HAX, HAy der Randkontur 44 der Abbildungs- Aperturblende 42 bei der Projektionsoptik 46 größer als bei der Projektionsoptik 40. Das Halbachsen- Verhältnis beträgt auch bei der Projektionsoptik 46 HAx/HAy = 2. Ein Abstand Ey der Randkontur 44 der Aperturblende 42 des Spiegels Ml der Projektionsoptik 46 ist bei der Projektionsoptik 46 kleiner als die kleinere Halbachse HAy. Aufgrund des kleineren Hauptstrahlwinkels CRA von 5° lassen sich insbesondere an den Spiegeln Ml und M2 der Projektionsoptik 46 kleinere Abbildungslicht-Faltwinkel realisieren. Dies führt zu kleineren Einfallswinkeln des Abbildungslichts 1 auf den Spiegeln Ml bis M3 und entsprechend zu geringeren Reflexionsverlusten beziehungsweise Reflexions- Inhomogenitäten.
Die optischen Designdaten der Projektionsoptik 46 ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle 3, deren Aufbau der obigen Tabellen 1 und 2 entspricht.
Figure imgf000025_0001
Tabelle 3 (Fig. 14 bis 16)
Ein Wellenfrontfehler rms der Projektionsoptik 46 über das Bildfeld 14b ist kleiner als 35 ηιλ.
Anhand der Fig. 17 bis 19 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Projektionsoptik 47 erläutert, die anstelle der Projektionsoptik 40 beim Metrologiesystem 2 zum Einsatz kommen kann. Komponenten, die vorste- hend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 16 und insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 16 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert. Die Projektionsoptik 47 ist anamorphotisch ausgeführt. Es gilt: ßx = 350 und ßy = 175. Der Abbildungsmaßstab ßx in Richtung der Objektfeldkoordinate x unterscheidet sich also vom Abbildungsmaßstab ßy in Richtung der Objektfeldkoordinate y. Die Projektionsoptik der Projektionsbelich- tungsanlage, bei der das Retikel 5 zum Einsatz kommt, welches mit der abbildenden Optik 47 vermessen wird, hat, wie oben bereits ausgeführt, die Abbildungsmaßstäbe ßx = 1/4 und ßy = 1/8. Beim Vergleich des Abbildungsmaßstab-Verhältnisses ßx/ßy gilt allgemein: (ßx/ßy)Metrologiesystem = (ßx/ßy)"' Projektionsbelichtungsanlage- Die Spiegel Ml, M2 und M3 der Projektionsoptik 47 haben Reflexionsflä- chen für das Abbildungslicht 1 , die als Freiformflächen ausgeführt sind. Dabei gilt folgende Freiformflächengleichung (2):
2 , 2
ρχχ + pyy
\ + ^\ - (\ + kx )(pxxf - (\ + ky )(pyyf
Figure imgf000026_0001
+ C3x2 + C4xy + C5y2
+ C6x3 + ... + C9y3
+ C10x4 + ... + C12x2y2 + ... + C14y4
+ C15x5 + ... + C20y5
+ C21x6 + ... + C24x3y3 + - + C27y6
(2) Für die Parameter dieser Gleichung (2) gilt:
Z ist die Pfeilhöhe der Freiformfläche am Punkt x, y, wobei x 2 + y 2 =
Figure imgf000027_0001
h ist hierbei der Abstand zur Referenzachse der Freiformflächengleichung (x = 0; y = 0).
In der Freiformflächengleichung (2) bezeichnen Q, C2, C3... die Koeffizienten der Freiformflächen-Reihenentwicklung in den Potenzen von x und y-
Im Falle einer konischen Grundfläche ist px, py eine Konstante, die der Scheitelpunktkrümmung einer entsprechenden Asphäre entspricht. Es gilt also px = 1/RX und py = 1/Ry. kx und ky entsprechen jeweils einer konischen Konstante einer entsprechenden Asphäre. Die Gleichung (2) beschreibt also eine bikonische Freiformfläche.
Eine alternativ mögliche Freiformfläche kann aus einer rotations symmetrischen Referenzfläche erzeugt werden. Derartige Freiformflächen für Re- flexionsflächen der Spiegel von Projektionsoptiken von Projektionsbelich- tungsanlagen für die Mikrolithographie sind bekannt aus der
US 2007-0058269 AI .
Alternativ können Freiformflächen auch mit Hilfe zweidimensionaler Spli- ne-Oberflächen beschrieben werden. Beispiele hierfür sind Bezier-Kurven oder nicht-uniforme rationale Basis-Splines (non-uniform rational basis splines, NURBS). Zweidimensionale Spline-Oberflächen können beispielsweise durch ein Netz von Punkten in einer xy-Ebene und zugehörige z- Werte oder durch diese Punkte und ihnen zugehörige Steigungen beschrieben werden. Abhängig vom jeweiligen Typ der Spline-Oberfläche wird die vollständige Oberfläche durch Interpolation zwischen den Netzpunkten unter Verwendung zum Beispiel von Polynomen oder Funktionen, die bestimmte Eigenschaften hinsichtlich ihrer Kontinuität und Differen- zierbarkeit haben, gewonnen. Beispiele hierfür sind analytische Funktio- nen.
Die optischen Designdaten der Freiform- eflexionflächen der Spiegel Ml bis M3 der Projektionsoptik 47 können den nachfolgenden Tabellen 4 bis 6 entnommen werden. Die Tabelle 4 entspricht hinsichtlich ihres Aufbaus den vorstehend erläuterten Tabellen 1 bis 3.
Die Tabelle 4 gibt also die Designdaten einer rotationssymmetrischen Grundform der jeweiligen Freiformfläche vor. Die Tabelle 5 gibt Bending- Werte ADE, BDE und CDE für die jeweiligen Flächen an. Der Bending- Wert ADE gibt einen Drehwinkel des beteiligten Koordinatensystems nach Durchtritt durch die jeweilige Oberfläche an. Das Koordinatensystem wird dabei jeweils um einen Winkel gedreht, der dem doppelten ADE- Wert entspricht. Das Koordinatensystem folgt somit dem Verlauf eines Hauptstrahls eines zentralen Feldpunktes. Der ADE- Wert für die Objektebene ist beispielsweise dem Betrag nach der halbe ob- jektseitige Hauptstrahl- Winkel CRA.
Die Tabelle 6 gibt die Koeffizienten an, die in die obige Freiformflächen- gleichung (2) einzusetzen sind, damit die jeweilige Freiform- Reflexionsfläche des Spiegels Ml, M2 und M3 resultiert.
Oberfläche Radius (RY) Abstand Betriebsmodus
Objektebene unendlich 7,24716E+02 Ml -5,00484E+02 -4,57694E+02 REFL
M2 6,99426E+01 1.01615E+03 REFL
M3 -7,21895E+02 -1.17944E+03 REFL
Bildebene unendlich 0
Tabelle 4 (Fig. 17 bis 19)
Bending
Oberfläche ADE BDE CDE
Objektebene -4 0 0
Ml -5 0 0
M2 10 0 0
M3 -2 0 0
Bildebene 3,55733E+00 0 0
Tabelle 5 (Fig. 17 bis 19)
Koeffizienten Ml M2 M3
RX -4,67909E+02 -6,43558E+01 1.02790E+02
KY 1.83985E-01 -1.09933E+01 -1.46349E+03
KX 3,96033E-03 -1.08126E+01 -2,01422E+01
Cl 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C2 5,44550E-04 -7,17948E-03 -1.49574E-03
C3 1.32948E-04 4,19785E-04 -1.34925E-03
C4 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C5 6,90137E-05 5,21390E-04 2,30188E-03
C6 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C7 -4,35061E-08 -1.16468E-05 -3,00552E-06
C8 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C9 -4,32437E-08 -1.10257E-05 -1.44689E-06
CIO 4,69483E-10 4,96057E-06 1.95974E-06
Cl l 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C12 9,04087E-10 8,89473E-06 2,89533E-06
C13 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C14 4,32473E-10 3,99137E-06 -5,28255E-07
C15 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C16 -1.08523E-13 -1.97866E-09 -2,08598E-09
C17 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C18 -2,14905E-13 -3,69767E-09 -5,34575E-09
C19 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000E+00
C20 -1.07610E-13 -6,34883E-10 1.70751E-09
C21 1.70930E-15 -4,60986E-09 0,00000E+00 C22 0,00000E+00 0,00000E+00 0,00000Ε+00
C23 5,10424Ε-15 -1.23034E-08 0,00000Ε+00
C24 0,00000Ε+00 0,00000Ε+00 0,00000Ε+00
C25 5,07732Ε-15 -1.09856E-08 0,00000Ε+00
C26 0,00000Ε+00 0,00000Ε+00 0,00000Ε+00
C27 1.61794E-15 -3,49828Ε-09 0,00000Ε+00
Tabelle 6 (Fig. 17 bis 19)
In Bezug auf die Meridionalebene yz sind die Freiformflächen der Spiegel Ml bis M3 spiegelsymmetrisch.
Aus einem Vergleich der Werte„Radius" (= RY) in der obigen Tabelle 4 und„RX" in der obigen Tabelle 6 für die drei Spiegel Ml bis M3 geht hervor, dass die Reflexionsflächen dieser Spiegel Ml bis M3 zum Teil stark unterschiedliche Grundkrümmungen aufweisen. Die Grundkrümmungen RY und RX unterscheiden sich bei den Spiegeln M2 und M3 zudem im Vorzeichen, so dass hier jeweils sattelförmige Grundflächen vorliegen.
Das Objektfeld 3 der Projektionsoptik 47 ist rechteckig und hat Abmessungen längs der x- und längs der y-Dimension von 200 μηι x 400 μτη. Zu- sammen mit den anamorphotischen Vergrößerungs-Maßstäben ßx, ßy ergibt sich ein quadratisches Bildfeld 14b.
Ein maximaler Wellenfrontfehler rms über das Bildfeld 14b beträgt bei der Projektionsoptik 47 etwa 45 ητλ.
Der Hauptstrahl- Winkel CRA beträgt bei der Projektionsoptik 47 8°.
Bei der Projektionsoptik 47 (vergleiche Fig. 19) liegt die Abbildungs- Aperturblende 42 auf einer Referenzachse RA der Parentfläche 43 des Spiegels Ml . Die Referenzachse RA geht durch einen (x, y)-Koordinaten- ursprung der mathematischen Freiformflächendarstellung der Freiform- Parentfläche 43. Gleichzeitig markiert die Referenzachse RA einen Auf- treffpunkt eines Hauptstrahls eines zentralen Feldpunktes des Abbildungs- lichts 1 auf dem Spiegel Ml mit der Aperturblende 42.
Ein großer Blendendurchmesser Bx der Aperturblende 42 der Projektions- optik 47 längs der Halbachse HAX ist genauso groß wie der Durchmesser 2R der Parentfläche 43. Auch bei der Projektionsoptik 47 gilt das Verhält- nis HAx/HAy = 2.
Anhand der Fig. 20 bis 22 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Projektionsoptik 48 erläutert, die anstelle der Projektionsoptik 40 beim Metrologiesystem 2 zum Einsatz kommen kann. Komponenten, die vorste- hend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 19 und insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 19 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Im Unterschied zu den Drei- Spiegel- Ausführungen der Projektionsoptiken 40, 45, 46 und 47 weist die Projektionsoptik 48 insgesamt fünf Spiegel Ml bis M5 auf, die in der Reihenfolge ihres Auftretens im Abbildungslichtstrahlengang zwischen dem Objektfeld 3 und dem Bildfeld 14b durchnumeriert sind. Bei der Projektionsoptik 48 findet ein zweistufiger Abbildungsprozess statt. Eine erste Spiegelgruppe der Projektionsoptik 48 umfasst die Spiegel Ml und M2 und hat eine anamorphotische Abbildungswirkung. Der Abbildungsmaßstab ßx beträgt 2. Der Abbildungsmaßstab ßy beträgt 1. Soweit eine Maske beziehungsweise ein Retikel 5 zum Einsatz kommt, dessen Strukturen in der y-Richtung doppelt so groß sind wie in der x-Richtung, erzeugt diese erste Spiegelgruppe 49 ein entzerrtes Bild, bei dem die Strukturen in der y-Richtung genauso groß sind die in der x-Richtung. Eine zweite Spiegelgruppe 50 mit den Spiegeln M3 bis M5 ist als Mikroskopoptik mit einem isomorphen Abbildungsmaßstab ßx = ßy = 350 ausgelegt.
Zwischen den beiden Spiegelgruppen 49 und 50 liegt im Strahlengang zwi- sehen den Spiegeln M2 und M3 ein erstes Zwischenbild ZB1. Zwischen M3 und M4 liegt ein weiteres Zwischenbild ZB2.
Die Aperturblende 42 (vgl. Fig. 22) liegt auf dem Spiegel Ml . Bei einer alternativen Gestaltung ist eine Aperturblende nicht auf dem
Spiegel Ml angeordnet, sondern auf dem Spiegel M3. In diesem Fall kann die Aperturblende praktisch kreisrund ausgeführt sein.
Zum Aufnehmen eines Fokusstapels (vgl. die oben beschriebenen Schritte 28 bis 30) wird beim Einsatz der Projektionsoptik 48 nicht das Retikel 5 verlagert, sondern die zweite Spiegelgruppe 50 in der z-Richtung, wodurch ein entsprechend defokussiertes Bild des Zwischenbildes ZB 1 erhalten wird. Ein z- Verlagerungsweg für die zweite Spiegelgruppe 50 liegt im Bereich einiger bis einiger zehn μηι, da die erste Spiegelgruppe 49 keine nennenswerte Vergrößerung besitzt, sondern lediglich das Bild des Objekts 5, wie vorstehend bereits erläutert, entzerrt. Bei einer hinsichtlich ihres optischen Designs nicht näher beschriebenen Ausführung sind die beiden Spiegel Ml und M2 der ersten Spiegelgruppe 49 als Freiformflächen und die Spiegel M3 bis M5 der zweiten Spiegelgruppe 50 als rotations symmetrische Flächen ausgeführt, deren Reflexions- flächen entsprechend der obigen Asphärengleichung (1) beschrieben werden können.
Nachfolgend werden die Designdaten einer Ausführung der Projektionsoptik 48 wiedergegeben, bei der alle fünf Spiegel Ml bis M5 als Freiformflächen ausgeführt sind.
Die optischen Designdaten der Freiform-Reflexionsflächen der Spiegel Ml bis M5 der Projektionsoptik 48 können den nachfolgenden Tabellen 7 ff. entnommen werden, deren Aufbau den obigen Tabellen 4 bis 6 zur Projek- tionsoptik 47 entspricht.
Oberfläche Radius (RY) Abstand Betriebsmc
Objektebene unendlich 7,24716E+02
Ml -4,87394E+02 -l,50000E+02 REFL
M2 5,02858E+02 2,50000E+02 REFL
M3 -2,55401E+02 -2,47331E+02 REFL
M4 4,63460E+01 5,17450E+02 REFL
M5 7,86836E+02 -5,82453E+02 REFL
Objektebene unendlich 0
Tabelle 7 (Fig. 20 bis 22)
Bending
Oberfläche ADE BDE CDE
Objektebene -4 0
Ml -5 0
M2 5 0
M3 -5 0
M4 8 0 M5 -2 0 0
Bildebene 2,54689E+00 0 0
Tabelle 8 (Fig. 20 bis 22)
Koeffizienten
Obiektebene Ml M2 M3 M4 M5
RY -4,87394E+02 5,02858E+02 -2,55401E+02 4,63460E+01 7,86836E+02
RX -2.71741E+02 -7,04992E+02 -2,31820E+02 40,9051161 74,9103609
KY -3.76E+00 -9,19E+00 -6.00E-01 -1.29E+01 8,44E+03
KX 1.10862E+00 7,39904E+01 -1.44081E+00 -1.72E+01 -2,70E+02
Cl 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C2 -3,98E-05 2,54E-04 9,17E-05 -2,23E-03 1.85E-02
C3 -3,50E-06 3,01E-05 3,44E-04 -1.01E-03 3,49E-03
C4 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C5 -3,06E-05 1.17E-05 2,06E-04 2,16E-03 8,40E-03
C6 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C7 3,28E-06 8,15E-06 1.91E-06 -3,78E-04 -5,84E-05
C8 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C9 -1.07E-06 -2,09E-06 1.88E-07 -2.11E-04 -4,32E-05
CIO 1.63E-09 -5,56E-08 -7.72E-09 3,29E-05 7,77E-05
Cl l 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C12 1.67E-08 1.14E-08 -2,49E-08 5,23E-05 -1.95E-05
C13 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C14 -1.07E-08 1.18E-09 -1.84E-09 2,08E-05 -3,90E-06
C15 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C16 1.43E-11 4,88E-10 -1.77E-12 -3.17E-08 -3,23E-08
C17 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C18 -5.30E-12 -2.99E-10 8.49E-11 -1.98E-07 3,53E-07
C19 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C20 1.96E-11 -4.20E-11 1.69E-12 -1.80E-07 -1.19E-07
C21 1.39E-13 -1.07E-12 -9.51E-14 -1.43E-07 -1.90E-06
C22 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C23 -2.11E-14 1.35E-12 -1.85E-13 -3.01E-07 8,77E-07
C24 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C25 -7.88E-13 -2.08E-13 -3.08E-13 -1.25E-07 -1.39E-07
C26 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00
C27 -2,4 IE- 13 -5.74E-13 0,00000E+00 -3.91E-08 3,74E-08
Tabelle 9 (Fig. 20 bis 22) Die Lage und Form der Abbildungs- Aperturblende 42 auf dem Spiegel Ml entspricht bei der Projektionsoptik 48 derjenigen der Abbildungs- Aperturblende 42 der Projektionsoptik 47. Der Hauptstrahl- Winkel CRA beträgt bei der Projektionsoptik 48 8°.
Die Verlagerung kann mit Hilfe eines motorischen Verlagerungsantriebs 52 erfolgen, der in der Fig. 20 schematisch dargestellt ist. Bei dem Verlagerungsantrieb 52 kann es sich um einen Linearmotor handeln. Der Verla- gerungsantrieb 52 ist mechanisch mit den drei Spiegeln M3, M4 und M5 der zweiten Spiegelgruppe 50 verbunden, was in der Fig. 20 nicht dargestellt ist.
Eine Abbildung mit dem Metrologie System 2 kann mit einer elliptischen Abbildungs- Aperturblende 15, alternativ aber auch mit einer ovalen oder, besonders im Fall der aktinischen Untersuchung einer strukturierten Maske, mit einer rechteckigen Blende durchgeführt werden. Soweit keine Phasenrekonstruktion durchgeführt wird, ist der Einsatz einer Abbildungs- Aperturblende mit einem x/y-Aspektverhältnis erforderlich, welches dem Verhältnis der Abbildungsmaßstabs in x- und y- Richtung einer zu emulierenden beziehungsweise zu rekonstruierenden Abbildungsoptik entspricht, also beispielsweise ein Aspekt- beziehungsweise Durchmesserverhältnis im Bereich zwischen 10: 1 und 1,1 : 1 hat. Aufgrund der unterschiedlichen Hauptachsen-Längen HAX, HAy unterscheidet sich ein Aspektverhältnis Bx/By der Aperturblende 42 in Richtung der beiden Objektfeld-Koordinaten x und y von 1. Wie vorstehend im Zusammenhang mit der Abbildungs-Aperturblende 15 bereits erläutert, kann dieses Aspektverhältnis Bx/By im Bereich zwischen 10: 1 und 1,1 : 1 liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Abbildende Optik (13; 40; 45; 46; 47) für ein Metrologiesystem (2) zur Untersuchung einer Lithographiemaske (5),
wobei die Lithographiemaske (5) in einem Objektfeld (3) der abbildenden Optik (13; 40; 45, 46; 47) anordenbar ist, welches durch zwei aufeinander senkrecht stehende Objektfeld-Koordinaten (x, y) aufgespannt ist,
gekennzeichnet durch eine Aperturblende (15; 42), deren Aspektverhältnis in Richtung der beiden Objektfeld-Koordinaten (x, y) sich von 1 unterscheidet.
2. Abbildende Optik nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine isomorphe Ausführung, bei der sich ein Abbildungsmaßstab (ßx) in Richtung einer der beiden Objektfeld-Koordinaten (x) nicht von einem Abbildungsmaßstab (ßy) in Richtung der anderen (y) der beiden Objektfeld-Koordinaten (x, y) unterscheidet.
3. Abbildende Optik (47) für ein Metrologiesystem (2) zur Untersuchung einer Lithographiemaske (5),
wobei die Lithographiemaske (5) in einem Objektfeld (3) der abbildenden Optik (47) anordenbar ist, welches durch zwei aufeinander senkrecht stehende Objektfeld- Koordinaten (x, y) aufgespannt ist,
gekennzeichnet durch eine anamorphotische Ausführung, bei der sich ein Abbildungsmaßstab (ßx) in Richtung einer (x) der beiden Objektfeld-Koordinaten (x, y) von einem Abbildungsmaßstab (ßy) in Richtung der anderen (y) der beiden Objektfeld-Koordinaten (x, y) unterscheidet.
4. Abbildende Optik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel (Ml bis M3) der abbildenden Optik (47) eine Reflexionsfläche für Abbildungslicht (1) aufweist, die als Freiformflä- che ausgebildet ist.
5. Abbildende Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektfeld (3) eine typische Abmessung von mindestens 200 μηι hat.
6. Abbildende Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine elliptische Aperturblende (15; 42).
7. Abbildende Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Aperturblende (42) auf einem Spiegel der abbildenden Optik (40; 45, 46, 47) angeordnet ist.
8. Abbildende Optik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zentrum der Aperturblende (42) auf einer Referenzachse (RA) ei- ner Spiegel-Reflexionsfläche (43) der abbildenden Optik (46) liegt. In welchem Ausführungsbeispiel ist dies erfüllt? Bei den rotationssymmetrischen Designs ist die Blende dezentriert, und beim Freiformflä- chensystem gibt es keine Rotationssymmetrieachse
9. Abbildende Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die abbildende Optik (40; 45; 46; 47) in einem Strahlengang von Abbildungslicht (1) zwischen dem Objektfeld (3) und dem Bildfeld (23) genau drei Spiegel (Ml, M2, M3) aufweist.
10. Abbildende Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Wellenfrontfehler (rms), der kleiner ist als 100 ηιλ.
1 1. Abbildende Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Hauptstrahlwinkel (C A) eines zentralen Objektfeldpunktes, der höchsten 8° beträgt.
12. Abbildende Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, gekennzeichnet durch mindestens vier Spiegel (Ml bis M5) die in einem Abbildungslicht-Strahlengang zwischen dem Objektfeld (3) und einem Bildfeld (14b) angeordnet sind.
13. Abbildende Optik nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch mindestens zwei Spiegelgruppen (49, 50), wobei eine (49) der Spiegelgruppen anamorpho tisch und die andere (50) der Spiegelgruppen isomorph ausgeführt ist.
14. Metrologiesystem (2) zur Untersuchung einer Lithographiemaske
mit einer Beleuchtungsoptik (7) zur Beleuchtung der zu untersuchenden Lithographiemaske (5),
mit einer abbildenden Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und
mit einer ortsauflösenden Detektionseinrichtung (14), angeordnet in einem Bildfeld (14b) der abbildenden Optik.
15. Metrologiesystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine
Ausführung für eine reflektierende Lithographiemaske (5), wobei die Aperturblende (15; 42) einen größeren Blendendurchmesser (Bx) senk- recht zur Einfallsebene (yz) von Beleuchtungslicht (1) auf der Lithographiemaske (5) hat.
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