DE102010061950A1

DE102010061950A1 - Verfahren sowie Anordnung zum Bestimmen des Erwärmungszustandes eines Spiegels in einem optischen System

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Publication number: DE102010061950A1
Application number: DE102010061950A
Authority: DE
Inventors: Peter Vogt; Martin Hermann; Oliver Dier; András G. Major
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-05-31
Also published as: US10161808B2; CN103250101A; WO2012069351A1; US20130230073A1; KR20140041386A; KR101931829B1; CN103250101B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Bestimmen des Erwärmungszustandes eines Spiegels (101, 201, 401, 601, 701, 801) in einem optischen System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage. Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist folgende Schritte auf: Lenken wenigstens eines Eingangs-Messstrahls auf den Spiegel (101, 201, 401, 601, 701, 801), Ermitteln wenigstens eines optischen Parameters wenigstens eines aus dem Eingangs-Messstrahl nach Wechselwirkung mit dem Spiegel (101, 201, 401, 601, 701, 801) hervorgegangenen Ausgangs-Messstrahls, und Bestimmen des Erwärmungszustandes des Spiegels (101, 201, 401, 601, 701, 801) auf Basis dieses Parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Bestimmen des Erwärmungszustandes eines Spiegels in einem optischen System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z. B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
In für den EUV-Bereich ausgelegten Projektionsobjektiven, d. h. bei Wellenlängen von z. B. etwa 13 nm oder etwa 7 nm, werden mangels Verfügbarkeit geeigneter lichtdurchlässiger refraktiver Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet. Ein in der Praxis auftretendes Problem ist, dass die EUV-Spiegel infolge Absorption der von der EUV-Lichtquelle emittierten Strahlung, aber auch z. B. aufgrund der Reinigung in Wasserstoffatmosphäre, eine Erwärmung und eine damit einhergehende thermische Ausdehnung bzw. Deformation erfahren, welche wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften des optischen Systems zur Folge haben kann. Um diese Effekte abschätzen und gegebenenfalls kompensieren zu können, besteht ein Bedarf, das Ausmaß dieser Spiegelerwärmung möglichst genau zu bestimmen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Bestimmen des Erwärmungszustandes eines Spiegels in einem optischen System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, bereitzustellen, welche ohne wesentliche Beeinträchtigung des Betriebs des optischen Systems eine zuverlässige Charakterisierung des Erwärmungszustandes ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die Anordnung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 16 gelöst.
Ein Verfahren zum Bestimmen des Erwärmungszustandes eines Spiegels in einem optischen System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, weist folgende Schritte auf:

– Lenken wenigstens eines Eingangs-Messstrahls auf den Spiegel;
– Ermitteln wenigstens eines optischen Parameters wenigstens eines aus dem Eingangs-Messstrahl nach Wechselwirkung mit dem Spiegel hervorgegangenen Ausgangs-Messstrahls; und
– Bestimmen des Erwärmungszustandes des Spiegels auf Basis dieses Parameters.

Die erfindungsgemäße, durch Analyse eines aus dem Eingangs-Messstrahl nach Wechselwirkung mit dem Spiegel hervorgegangenen Ausgangs-Messstrahls berührungslos erfolgende Bestimmung der Temperaturänderung kann unmittelbar im EUV-Projektionsobjektiv sowie auch während des Betriebs desselben erfolgen, wobei je nach konkreter Ausführungsform wie im Weiteren noch näher erläutert sowohl die Zu- als auch die Abführung der Messlichtes über Lichtleitfasern realisiert werden kann. Infolgedessen ist innerhalb des typischerweise evakuierten Gehäuses des Projektionsobjektivs keinerlei zusätzliche Elektronik erforderlich, und es wird kein Streulicht in das optische System eingeführt. Das Verfahren kann insbesondere mit einer Messanordnung durchgeführt werden, die als separates Modul an das Projektionsobjektiv angeschlossen wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln wenigstens einer von der Brechzahl des Spiegelmaterials abhängigen Größe. Dabei kann erfindungsgemäß ausgenutzt werden, dass die typischerweise im Spiegelmaterial von EUV-Spiegeln existierenden geringen Ausdehnungskoeffizienten mit einer vergleichsweise ausgeprägten Temperaturabhängigkeit der Brechzahl einhergehen, die es wiederum ermöglicht, aus einer Messung der Brechzahländerung mit (wie im Weiteren noch detaillierter erläutert) vergleichsweise großer Genauigkeit auf eine Temperaturänderung des Spiegels zu schließen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln einer optischen Weglängenänderung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln der Reflektivität bei einer vorbestimmten Wellenlänge.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln der Strahlablenkung des Ausgangs-Messstrahls relativ zum Eingangs-Messstrahl.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln der Wellenlänge des Ausgangs-Messstrahls.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Eingangs-Messstrahlen auf den Spiegel gelenkt. Diese Eingangs-Messstrahlen können insbesondere unter unterschiedlichen Azimutwinkeln bezogen auf eine optische Achse des optischen Systems auf den Spiegel gelenkt werden, um Aufschluss über die Temperaturverteilung des Spiegels sowie gegebenenfalls auch eine etwaige Symmetrie der Erwärmung in Verbindung mit bestimmten Beleuchtungssettings zu erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform geht der Ausgangs-Messstrahl aus dem Eingangsmessstrahl durch wenigstens einmaliges Durchlaufen des Spiegels hervor. Insbesondere kann der Ausgangs-Messstrahl aus dem Eingangsmessstrahl durch mehrmaliges Durchlaufen des Spiegels hervorgehen, wodurch eine Verlängerung der Messstrecke und damit eine Erhöhung der Messgenauigkeit erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform geht der Ausgangs-Messstrahl aus dem Eingangsmessstrahl durch Reflexion an einem am Spiegel angeordneten optischen Element hervor.
Das optische Element kann wenigstens einen DBR (DBR = „Distributed Bragg Reflektor”) aufweisen. Des Weiteren kann das optische Element ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL) sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Bestimmung des Erwärmungszustandes eines Spiegels in einem optischen System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit:

– einer Messlichtquellen-Einheit zur Erzeugung wenigstens eines Eingangs-Messstrahls;
– einer Detektoreinheit zur Ermittelung eines optischen Parameters wenigstens eines aus dem Eingangs-Messstrahl nach Wechselwirkung mit dem Spiegel hervorgegangenen Ausgangs-Messstrahls; und
– einer Auswerteeinheit zur Bestimmung des Erwärmungszustandes des Spiegels auf Basis dieses Parameters.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Messlichtquellen-Einheit eine Mehrzahl von Messlichtquellen auf. Des Weiteren kann die Detektoreinheit eine Mehrzahl von Detektoren aufweisen. Insbesondere können mehrere Messlichtquellen und/oder mehrere Detektoren um den Spiegel herum unter unterschiedlichen Azimutwinkeln bezogen auf eine optische Achse des optischen Systems angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform sind mehrere Messlichtquellen und/oder mehrere Detektoren matrixartig angeordnet.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Messanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform einer Messanordnung gemäß der Erfindung;
3a–g schematische Darstellung möglicher Ausführungsformen einer im Rahmen der Erfindung bei einen Spiegel erfolgenden Temperatureinstellung bzw. -regelung; und
4–7 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsformen einer Messanordnung gemäß der Erfindung.
Im Weiteren werden unter Bezugnahme auf 1 bis 3 Ausführungsform der Erfindung erläutert, bei denen eine berührungslose Messung der temperaturbedingten Brechzahländerung als relative sowie integrale Messung interferometrisch erfolgt.
Eine beispielhafte Messanordnung 100 zur Temperaturmessung an einem Spiegel 101 ist in 1 gezeigt.
Gemäß 1 wird ein durch eine (nicht gezeigte) Laserlichtquelle erzeugter, linear polarisierter Laserstrahl 105 in die Messanordnung 100 eingekoppelt und trifft zunächst auf einen polarisationsneutralen bzw. polarisationsunabhängigen Strahlteiler 110. Ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre, kann als Messlichtquelle z. B. ein Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von wenigen Mikrometern (μm) verwendet werden. Die Einkopplung des Laserstrahls 105 in die Messanordnung 100 erfolgt so, dass die Polarisationsrichtung des auf den Strahlteiler 110 auftreffenden Lichtes unter einem Winkel von 45° relativ zu der durch den einfallenden Strahl, den transmittierten Strahl und den reflektierten Strahl aufgespannten Ebene verläuft, so dass im Ergebnis der reflektierte und der transmittierte Strahl in ihrem Anteil an der Gesamtintensität des eingekoppelten Lichtes übereinstimmen.
Das durch den Strahlteiler 110 transmittierte Licht durchläuft den zu vermessenden Spiegel 101, wird an einem Umlenkprisma 120 reflektiert und durchläuft nach erneutem Durchqueren des Spiegels 101 eine Lambda/4-Platte 125, welche das (infolge der vernachlässigbaren Polarisationseinflusses des Umlenkprismas 120) im Wesentlichen linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandelt.
Polarisationsstrahlteiler 130 und 140 dienen zur Messung der anschließend durch den Strahlteiler 110 transmittierten bzw. reflektierten Komponente. Für die durch den Strahlteiler 110 transmittierte Komponente ergeben sich nach dem zweiten Polarisationsstrahlteiler 140 Winkel der Polarisationsrichtung von 0° und 90°, wobei die zugehörigen Lichtanteile über Photodioden 150 bzw. 170 gemessen werden. Für die im Strahlteiler 110 reflektierte Komponente ergeben sich nach dem ersten Polarisationsstrahlteiler 130 Winkel der Polarisationsrichtung von 180° und 270°, wobei die zugehörigen Lichtanteile über Photodioden 180 bzw. 160 gemessen werden.
Mittels der Messanordnung von 1 erfolgt somit eine vergleichsweise störungsunempfindliche Auswertung von vier Gegentaktsignalen. Des Weiteren wird durch die gemäß 1 gewählte Anordnung eine Ein- und Auskopplung des Mess-(Laserstrahls) auf derselben Seite der Messanordnung 100 und somit ein zweifacher Lichtdurchtritt durch das Spiegelmaterial erreicht, was zu einer erhöhten Messgenauigkeit führt.
In der Praxis kann nach Inbetriebnahme bzw. Einschalten der Lichtquelle des optischen Systems die Starttemperatur bzw. Einschalttemperatur (z. B. T₀ = 22°C) mittels eines absoluten Temperatursensors bestimmt und als Referenztemperatur verwendet werden, indem ein Zähler zu diesem Startzeitpunkt auf Null gesetzt wird und dann die bei Erwärmung des vermessenen Spiegels 101 bei der interferometrischen Messung entstehenden Interferenzstreifen gezählt werden. Hierdurch kann anhand von Gleichung (1) die Temperaturänderung des Spiegels z. B. mit Genauigkeiten im Millikelvin (mK)-Bereich ermittelt werden, wobei eine beispielhafte, erfindungsgemäß erzielbare Auflösung bei 0.4 mK liegt. Der Zusammenhang zwischen der mittels der Messanordnung 100 interferometrisch bestimmten optischen Weglängendifferenz OPD und der diese Weglängendifferenz OPD bewirkenden Temperaturänderung ist gegeben durch OPD(δ) = dn/dδ·Δδ·L (1) wobei δ die Temperatur (in Einheiten von Kelvin, K), dn/dδ die temperaturabhängige Brechzahländerung (in Einheiten von 1/K) und L die Messstrecke bezeichnen. Der Wert von dn/dδ ist für das jeweilige verwendete Spiegelmaterial bekannt und liegt beispielsweise im Falle von Gläsern mit geringer thermischer Ausdehnung bei dn/dδ > 10·10^–6K^–1.
Die erfindungsgemäße Bestimmung der Temperaturänderung kann unmittelbar im EUV-Projektionsobjektiv sowie auch während des Betriebs desselben erfolgen, wozu z. B. sowohl die Zu- als auch die Abführung der Messlichtes über Lichtleitfasern erfolgen kann, wodurch die Messanordnung als separates Modul an das Projektionsobjektiv angeschlossen werden kann. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass innerhalb des typischerweise evakuierten Gehäuses des Projektionsobjektivs keinerlei zusätzliche Elektronik erforderlich ist und auch kein Streulicht in das optische System eingeführt wird.
Selbstverständlich ist die anhand von 1 beschriebene Messanordnung lediglich beispielhaft, und es kann auch eine andere geeignete Messanordnung verwendet werden. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Messanordnung sowohl nach dem sogenannten Homodyn-Verfahren (d. h. unter Überlagerung von Signalen gleicher Frequenz, wie vorstehend beschrieben) als auch nach dem sogenannten Heterodyn-Verfahren (d. h. unter Überlagerung von Signalen unterschiedlicher Frequenz) erfolgen. Als Beispiel für das letztgenannte Prinzip können auch zwei Lasermoden in unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden, indem in einem Resonator eine Zeeman-Aufspaltung durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes erfolgt, so dass zwei unterschiedliche Polarisationskomponenten (mit rechts- bzw. linkszirkularer Polarisation) erzeugt werden, die wiederum mittels eines Polarisationsteilers ausgewertet werden können.
Gemäß 2 kann die erfindungsgemäße Messung so erfolgen, dass eine Mehrzahl von Eingangs-Messstrahlen auf den Spiegel 201 gelenkt wird, wobei die Ein- bzw. Auskopplung des Messlichtes unter voneinander verschiedenen Azimutwinkeln erfolgt. Im dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind um einen in Draufsicht gezeigten Spiegel 201 herum vier Messanordnungen, wie sie anhand von 1 erläutert wurden, jeweils in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt angeordnet, wobei ausgehend von dem Aufbau von 1 für jede dieser Messanordnungen jeweils ein Paar aus einer Photodiode 250–253 und einem Umlenkprisma 220–223 angedeutet ist.
Die Anzahl und die azimutale Ausrichtung der Messanordnungen können jeweils den konkreten Anforderungen entsprechend variabel gewählt werden. Beispielsweise können in einer weiteren Ausführungsform auch acht Messanordnungen mit dem anhand von 1 erläuterten Aufbau in Umfangsrichtung um den zu vermessenden Spiegel 201 herum azimutal versetzt vorgesehen sein. Dabei kann im Wege der vorstehend beschriebenen Auswertung der unterschiedlichen azimutalen Weglängenänderungen auf eine entsprechende Temperaturänderung sowie auch auf eine mit dieser Temperaturänderung einhergehende Deformation in axialer Richtung (bezogen auf die optische Achse des Systems) geschlossen werden. Im Ergebnis kann so ermittelt werden, welche Abbildungsfehler durch die mit der z. B. durch ein bestimmtes Beleuchtungssetting bewirkten Temperaturänderung einhergehende Deformation des Spiegels erzeugt werden.
Sobald der Erwärmungszustand des Spiegels 101 bzw. 210 bestimmt worden ist, können geeignete Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden. Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf 3 erläutert, wie dies unter Verwendung einer externen Heiz- bzw.- Kühleinrichtung erfolgen kann, um die entstehenden Abbildungsfehler zu kompensieren bzw. zu homogenisieren. Herkömmlicherweise erfolgt dies z. B. durch zusätzliche Einbringung von gezielt deformierten optischen Elementen in den Strahlengang. Ein alternativer Ansatz (bei dem auf solche zusätzliche deformierte optische Elemente verzichtet werden kann) wird im Weiteren unter Bezugnahme auf 3 erläutert.
Dieser Ansatz beruht darauf, dass der für den Wärmetransport in der typischerweise verwendeten Atmosphäre (z. B. Krypton, Argon etc.) dominierende Effekt derjenige der Wärmeleitung ist. Der in 3 gezeigte Aufbau umfasst hierzu eine matrixartige Anordnung 310 von Peltierelementen 310a, ... auf einer (z. B. wasser-)gekühlten Grundplatte 320. Die Grundplatte 320 dient dazu, dem eingeschränkten Temperaturbereich der Peltierelemente 310a, ..., innerhalb dessen die Peltierelemente 310a, ... eine bestimmte Temperatur einstellen bzw. aufrechterhalten können, Rechnung zu tragen. Typischerweise liegt dieser Differenztemperaturbereich bei etwa 60–80°C. Durch die gekühlte Grundplatte 320 kann für diesen Temperaturbereich ein geeigneter Offset vorgegeben und somit eine Absenkung der Temperatur auf z. B. 10°C oder 20°C ermöglicht werden.
Den Peltierelementen 310a, ... ist ein Messfühler 330 zugeordnet, welcher im Ausführungsbeispiel auf einem keramischen Substrat 325 angeordnet ist und unmittelbar die Temperatur misst, mit welcher das jeweilige Peltierelement 310a, ... in den Spiegel 301 hineinstrahlt. Auf der Spiegelrückseite können geeignete Kühl- bzw. Heizbohrungen angeordnet sein, welche verhindern, dass sich die Peltierelemente 310a, ... gegenseitig berühren und ein unerwünschtes „Übersprechen” zwischen diesen eintritt.
Mittels des in 3 gezeigten Aufbaus kann eine Temperaturregelung erfolgen und etwa die aus einem bestimmten Beleuchtungssetting resultierende Temperaturänderung des Spiegels 301 kompensiert werden (so dass z. B. eine Einbringung von gezielt deformierten transmissiven Elementen in den Strahlengang entbehrlich wird).
Wenngleich der Aufbau von 3 in vorteilhafter Weise mit der zuvor anhand von 1 und 2 beschriebenen Charakterisierung der Temperaturänderung des Spiegels kombiniert werden kann, um so etwa eine Regelung der Temperatur auf Basis der ermittelten Temperaturänderung zu realisieren, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. So kann in weiteren Ausführungsformen der Aufbau von 3 auch unabhängig von einer Messung der Temperaturänderung bzw. als alleinstehende Einheit eingesetzt werden, um eine gezielte Beeinflussung der Temperatur des Spiegels 301 etwa in Abhängigkeit von dem jeweils eingestellten Beleuchtungssetting vorzunehmen und im Ergebnis eine Homogenisierung des Temperaturverlaufs im Spiegel 301 bzw. eine Optimierung des Abbildungsverhaltens des Spiegels 301 zu erreichen.
Wie in 3d (im Querschnitt) und 3e (in Draufsicht) dargestellt ist, kann die Anordnung und Anzahl der Kühl- bzw. Heizbohrungen bzw. der Peltierelemente 310a, ... je nach den konkreten Anforderungen zur Erzielung einer möglichst homogenen Temperaturverteilung variiert werden, wobei in 3f (im Schnitt) und 3g (in Draufsicht) beispielsweise eine konzentrische Anordnung der Kühl- bzw. Heizbohrungen bzw. der Peltierelemente auf der Spiegelrückseite dargestellt ist.
Im Weiteren werden unter Bezugnahme auf 4ff. Ausführungsform der Erfindung erläutert, bei denen eine sich über den zu vermessenden Spiegel kontinuierlich einstellende Brechzahländerung bzw. ein Brechzahlgradient ausgenutzt wird, um den Erwärmungszustand des Spiegels zu bestimmen.
4 zeigt zunächst zur Erläuterung des Messprinzips einen zu vermessenden Spiegel 401 in Form eines Konkavspiegels, auf welchen Licht 405 von einer EUV-Lichtquelle (nicht dargestellt) auftrifft, so dass sich der Spiegel 401 erwärmt. Der Spiegel 401 kann auf seiner Rückseite gekühlt sein. Im Ergebnis stellt sich ein Brechzahlgradient von der (am stärksten aufgeheizten) Lichteintrittsfläche 401a bis zur Spiegelrückseite 401b ein.
Durch den Spiegel 401 hindurch wird nun gemäß 4 quer zur im Koordinatensystem in z-Richtung verlaufenden Lichtausbreitungsrichtung des EUV-Lichtes 405, d. h. in x-Richtung, ein Lichtstrahl 411 von einer Laserdiode 410 zu einem Positionsdetektor 420 (z. B. in Form einer CCD-Kamera oder eines CCD-Arrays) gelenkt. Anstelle der Laserdiode 410 kann auch eine beliebige andere geeignete Lichtquelle verwendet werden, wobei diese vorzugsweise monochromatisch ist, um den Einfluss der Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl zu vermeiden, und wobei die Auswahl der Wellenlänge so erfolgt, dass das Material des Spiegels 401 hinreichend durchlässig ist.
Der den Spiegel 401 senkrecht zu dem sich aufgrund des Erwärmungszustandes des Spiegels 401 ausbildenden Brechzahlgradienten durchquerender Lichtstrahl 411 „sieht” nun infolge des Brechzahlgradienten über den Strahlquerschnitt unterschiedliche Brechzahlen. Insbesondere erfährt anschaulich gesprochen der linke Rand des Lichtstrahls 411 (dessen Durchmesser lediglich beispielhaft und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre im Bereich von 1–5 mm liegen kann) eine höhere oder niedrigere Brechzahl als der rechte Rand des Lichtstrahls 411, was unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten über den Querschnitt des Lichtstrahls 411 und damit eine Umlenkung des Lichtstrahls 411 zur Folge hat. Im Ergebnis wird also der sich über den zu vermessenden Spiegel 401 kontinuierlich einstellende Brechzahlgradient in eine mittels des Positionsdetektors 420 messbare Positionsänderung des Lichtstrahls 411 übersetzt.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in 4 dargestellte Geometrie hinsichtlich des Verlaufs des Lichtstrahls 411 durch den Spiegel 410 beschränkt. Erforderlich für die Funktion des anhand von 4 beschriebenen Messprinzips ist lediglich, dass der Brechzahlgradient eine Komponente senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 411 besitzt, damit im Ergebnis eine Verbiegung der Wellenfront und damit eine Strahlumlenkung Lichtstrahls 411 erzielt wird.
In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere Lichtstrahlen durch den Spiegel 401 gelenkt werden, indem eine entsprechende (lineare, matrixförmige oder beliebige andere) Anordnung von Laserdioden (beispielsweise im Abstand von wenigen Millimetern voneinander) entlang des Spiegels 401 angeordnet wird und die Positionsänderung über eine geeignete Positionsdetektoranordnung (z. B. in Form einer Quadrantenphotodiode oder eine andere, insbesondere matrixförmige Detektoranordnung) ermittelt wird. In weiteren Ausführungsformen können somit auch mehrere Lichtstrahlen durch den Spiegel 401 unter unterschiedlichen Strahlwinkeln gelenkt werden, wodurch insbesondere auch dem (im Beispiel konkaven) Verlauf der gekrümmten optisch wirksamen Fläche des Spiegels 401 und der damit einhergehenden Variation der Temperaturänderung des Spiegels in x- bzw. y-Richtung Rechnung getragen werden kann.
Eine Mehrzahl von Lichtquellen bzw. Laserdioden 410 kann auch in Umfangsrichtung um den Spiegel 401 azimutal versetzt angeordnet sein, um Aufschluss über die Temperaturverteilung des Spiegels 401 sowie eine etwaige Symmetrie der Erwärmung in Verbindung mit bestimmten Beleuchtungssettings zu erzielen. Hiermit kann eine mit der Verwendung bestimmter Beleuchtungssettings einhergehende inhomogene Erwärmung des Spiegels 401 berücksichtigt bzw. vermessen werden. Der Durchtritt mehrerer Lichtstrahlen durch den Spiegel 401 unter unterschiedlichen Strahlwinkeln kann sowohl mittels Anordnung mehrerer Lichtquellen bzw. Laserdioden 410 unter unterschiedlichen Winkeln oder auch durch geeignete Ausgestaltung reflektierender Spiegelseitenflächen des Spiegels 401 erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Messtrecke auch dadurch verlängert werden, dass die jeweiligen Spiegelseitenflächen mittels einer geeigneten Beschichtung (z. B. aus Aluminium) reflektierend ausgestaltet sind, so dass eine Vergrößerung der resultierenden Strahlablenkung und damit auch eine Steigerung der Genauigkeit der Messung erzielt wird. Bei Verwendung von nur einer Messtrecke bzw. einer Laserdiode kann es vorteilhaft sein, diese wie in 4 gezeigt in unmittelbarer Nähe (z. B. in einem Abstand von weniger als 2 mm) zur Lichteintrittsfläche 401a bzw. tangential zu dieser anzuordnen, da in diesem Bereich je nach Ausgestaltung des Spiegels 401 (insbesondere, wenn dieser aus einem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist) der auszunutzende Brechzahlgradient besonders ausgeprägt sein kann.
Die gemäß 4 erfolgende Bestimmung der Bestimmung der Brechzahländerung kann ebenfalls unmittelbar im EUV-Projektionsobjektiv sowie auch unmittelbar während des Betriebs desselben erfolgen, wozu z. B. sowohl die Zu- als auch die Abführung der Messlichtes über Lichtleitfasern erfolgen kann. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass innerhalb des typischerweise evakuierten Gehäuses des Projektionsobjektivs keinerlei zusätzliche Elektronik erforderlich ist und auch kein zusätzliches Streulicht in das optische System eingeführt wird.
Vor der vorstehend beschriebenen Messung kann eine Kalibrierung durchgeführt werden, im Rahmen derer der Zusammenhang zwischen der Positionsänderung des Lichtstrahls 411 und der Temperaturänderung des Spiegels 401 für vorbestimmte und gezielt eingestellte Werte der Temperaturänderung ermittelt wird.
Wenngleich das anhand von 4 beschriebene Messprinzip am Beispiel eines konkaven Spiegels 401 erläutert wurde, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. So kann der Spiegel z. B. auch konvex gekrümmt oder plan sein. Insbesondere bildet sich etwa dann, wenn auf der Spiegelrückseite eine aktive Kühlung erfolgt, innerhalb des gesamten Spiegelmaterials der für die Messung benötigte Brechzahlgradient aus, so dass der Lichtstrahl 410 auch in größerem Abstand von der optisch wirksamen Fläche 401a hindurch treten kann und die Krümmung dieser optisch wirksamen Fläche 401a keine signifikante Rolle mehr spielt. Aber auch für den Fall, dass sich der Brechzahlgradient im Wesentlichen auf eine Strecke von wenigen Millimetern innerhalb des Spiegelmaterials und somit nur in unmittelbarer Nähe der optisch wirksamen Fläche 401a ausbildet, kann wie vorstehend erläutert der Verlauf des Lichtstrahls 411 durch den Spiegel 401 unter unterschiedlichen Strahlwinkeln realisiert und damit an die Krümmung der optisch wirksamen Fläche 401a angepasst werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann zur Unterdrückung von störendem Messrauschen sowie zur Erhöhung der Messgenauigkeit mittels der Messanordnung von 4 eine Lock-in-Technik eingesetzt werden. Hierdurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass im Betrieb einer Projektionsbelichtungsanlage die Beleuchtung typischerweise gepulst erfolgt, wobei eine typische Frequenz bei einer für EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage im Bereich von 10 kHz liegen kann, so dass u. U. auch der Temperaturgradient mit einer entsprechenden Frequenz im Spiegelmaterial auf- und wieder abgebaut werden kann.
Im Weiteren werden unter Bezugnahme auf 5 bis 7 weitere Ausführungsformen der Erfindung erläutert, welche auf der Anderung der Brechzahl von Halbleiterschichten mit der Temperatur basieren. Diese Halbleiterschichten können als sogenannte DBR (= „Distributed Bragg Reflektoren”) ausgeführt sein. DBR weisen eine alternierende Anordnung aus hoch- und niedrigbrechenden Materialien (z. B. AlGaAs- und GaAs-Halbleiter) auf, welche dazu führt, dass bei Bestrahlung mit Licht z. B. von 1 μm Wellenlänge an jeder zweiten Grenzfläche ein Anteil des Lichtes zurückreflektiert wird.
Gemäß 5 wird ein solcher DBR 610 auf einen zu messenden Spiegel 601 aufgebracht, was in der Praxis im optisch ungenutzten Bereich des Spiegels 601 erfolgt. Die Kontaktierung kann beispielsweise über einen Silberleitkleber oder Indium erfolgen, um einen möglichst geringen Widerstand am Übergang zwischen Spiegel 601 und DBR 610 zu erzielen. Infolge des Kontakts zu dem Spiegel 601 wird der DBR 610 auf der Temperatur des Spiegels 601 gehalten.
Eine Lichtquelle 620 (z. B. eine Laserdiode), deren Wellenlänge vorzugsweise im Infrarotbereich liegt (z. B. bei λ ≈ 1 μm) lenkt das Messlicht auf den DBR 610, und ein geeigneter Detektor 630 (z. B. eine CCD-Kamera) misst das an dem DBR 610 reflektierte Licht. Die Verwendung von Infrarotlicht ist deshalb besonders geeignet, weil der Einfluss der Temperatur auf die Reflektivitätskurve im Infrarotbereich wesentlich stärke ist als etwa bei EUV-Licht. Die Messanordnung 600 gemäß 5 hat wie schon die Messanordnungen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen den Vorteil, dass die Messung vollständig berührungslos erfolgt.
Infolge der Anbringung des DBR 610 gemäß 5 an dem zu vermessenden Spiegel 601 führt eine Temperaturänderung des Spiegels 601 zu einer Verschiebung im Reflexionsspektrum, da sich die Brechzahl, die Bandlücke sowie (infolge thermischer Ausdehnung) auch die Schichtdicke des DBR 610 infolge der Temperaturvariation ändern. Aus der mit einer Temperaturänderung des Spiegels 601 einhergehenden Änderung der Reflektivität des DBR 610 kann somit auf die Temperaturänderung des Spiegels 601 geschlossen werden.
Gemäß einem weiteren, anhand von 6 und 7 beschriebenen Messprinzip kann an einem zu vermessenden Spiegel 701 auch ein optisches Element 710 angebracht werden, in welchem zwei DBR mit einer laseraktiven Zone zu einem oberflächenemittierenden Laser (VCSEL) kombiniert sind. Zur Anregung der laseraktiven Zone muss Licht zwischen den beiden DBR hin- und herreflektiert werden. Bei Temperaturänderung ändert sich nun das Reflexionsvermögen der DBR, wobei darüber hinaus auch eine thermische Ausdehnung der dazwischen befindlichen laseraktiven Zone erfolgt, so dass eine Temperaturänderung mit einer Änderung der Grundemissionsmode des oberflächenemittierenden Lasers (VCSEL) einhergeht, welche wiederum gemäß 6 mit einem Spektrometer 730 bestimmt wird. Mit anderen Worten führt die Temperaturänderung des Spiegels 701 letztlich zu einer Verschiebung der Wellenlänge des von dem oberflächenemittierenden Laser (VCSEL) ausgesandten Lichtes, wobei diese von der Temperatur des Spiegels 701 abhängige Verschiebung typischerweise im Bereich von 0.2–0.3 nm/K liegen kann. Hierbei wird ein erfindungsgemäß z. B. geeigneter oberflächenemittierender Laser (VCSEL) auf Basis AlGaAs- und GaAs-Halbleitern zugrundegelegt, welcher eine Emissionswellenlänge im Bereich von 800 nm bis 1100 nm aufweisen kann.
In weiteren Ausführungsformen kann an Stelle des VCSEL auch ein Quantenkaskadenlaser eingesetzt werden, welcher über Mikrowellen (durch Verwendung einer Mikrowellenquelle anstelle der Lichtquelle 720) angeregt werden kann.
Da die mit dem vorstehend anhand von 6 beschriebenen Messprinzip ausgenutzte Änderung der Emissionswellenlänge des oberflächenemittierenden Lasers auch bei geringen Temperaturänderungen des Spiegels (z. B. um nur 0.01 K) eintritt, ist der limitierende Faktor für die Temperaturauflösung letztlich das die Wellenlängenauflösung des Spektrometers 730. Hierbei lassen sich bereits mit standardmäßig verfügbaren Spektrometern Temperaturauflösungen im Bereich von 0.3–0.5 K erreichen. Höhere Temperaturauflösungen z. B. bis zu 0.05–0.1 K sind z. B. bei Verwendung eines fouriertransformierenden Spektrometers möglich, welches Wellenlängenauflösungen im Bereich unterhalb von 0.1 nm (typischerweise von 0.035 nm bis 1.5 μm) ermöglicht.
Was die in den Messanordnungen aus 5 bzw. 6 verwendete Arbeitswellenlänge der Messlichtquelle 620 bzw. 720 betrifft, so liegt diese bei dem anhand von 6 beschriebenen Ansatz vorzugsweise etwa in der Mitte der Reflexionskurve, damit ein möglichst ausgeprägter Effekt der laseraktiven Zone erzielt wird (in welcher die Temperaturänderung vor allem zur Änderung der Bandlücke und zur thermischen Ausdehnung in der laseraktiven Zone führt). Hingegen wird bei dem zuvor anhand von 5 beschriebenen Ansatz vorzugsweise eine Arbeitswellenlänge im Bereich der Kante des Reflexionsspektrums R(λ) gewählt, damit ein möglichst großer bzw. maximaler Einfluss der Temperaturänderung auf die Reflektivität des DBR 610 erzielt wird.
7 zeigt eine beispielhafte, konkrete Messanordnung, bei welcher ein am zu vermessenden Spiegel 801 angebrachtes optisches Element 810 in Form eines oberflächenemittierenden Lasern optisch gepumpt wird, wodurch elektrische Zuleitungen zum oberflächenemittierenden Laser vermieden und eine berührungslose Messung ermöglicht wird. Hierzu dient gemäß 7 eine handelsübliche Laserdiode 820 mit Glasfaseranschluss als Pumpquelle, wobei als Wellenlänge der Laserdiode 820 eine von der Wellenlänge des oberflächenemittierenden Lasers verschiedene Wellenlänge gewählt wird. Das Pumplicht sollte hierbei energetisch oberhalb der Laseremission sowie außerhalb des Stoppbandes des DBR liegen.
Das Licht der Laserdiode 820 wird über eine Glasfaser 805 und einen Stahlteiler 830 sowie eine UHV-kompatible Glasfaserdurchführung 840 in die Vakuumkammer des Projektionsobjektivs der Projektionsbelichtungsanlage geleitet. Dort kann das Licht weiter über UHV-kompatible Glasfasern zu den jeweiligen Messpunkten an einem oder mehreren Spiegeln 801 des Projektionsobjektivs geleitet werden. Eine entsprechende Kollimatoroptik (nicht dargestellt) am Ende der Glasfaser bündelt das Licht auf den am Spiegel 801 angebrachten oberflächenemittierenden Laser 810 und koppelt das vom oberflächenemittierenden Laser 810 emittierte Licht wieder in die Glasfaser 805 ein. Die Kollimatoroptik kann so ausgestaltet sein, dass der oberflächenemittierende Laser 810 bzw. VCSEL-Chip eine Größe von 0.5·0.5 mm² besitzt. Über die Glasfaser 805 wird das emittierte Licht zurück auf den Strahlteiler 830 geleitet und vor dort aus über einen Kantenfilter 850, welcher die Pumpwellenlänge ausblendet, in einen Detektor 860 gekoppelt.
Die im Aufbau von 7 gewählte Ein- und Auskopplung des Pumplichtes in den oberflächenemittierenden Laser 810 sowie auch die Einkopplung des vom oberflächenemittierenden Laser 810 emittierten Lichtes in die gleiche Glasfaser 805 hat den Vorteil, dass zusätzliche Glasfasern entbehrlich sind. Zum anderen wird auch im Vergleich etwa zu einem (grundsätzlich ebenfalls möglichen) optischen Pumpen in einer Richtung seitwärts bzw. parallel zur Spiegelfläche die unerwünschte Einbringung von Streulicht in das optische System verhindert.
In den anhand von 5–7 beschriebenen Ausführungsformen ist jeweils ein thermischer Kontakt des jeweils verwendeten Bauteils (DER bzw. VCSEL) zu dem zu vermessenden Spiegel notwendig, wobei übrigen jedoch das „Abfragen” des betreffenden Bauteils (DBR bzw. VCSEL) berührungslos erfolgt. Analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können auch mehrere der jeweils verwendeten Bauteile (DBR bzw. VCSEL) verwendet werden, was z. B. wiederum in einer matrixartigen Anordnung erfolgen kann.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z. B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Erwärmungszustandes eines Spiegels in einem optischen System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Lenken wenigstens eines Eingangs-Messstrahls auf den Spiegel (101, 201, 401, 601, 701, 801); b) Ermitteln wenigstens eines optischen Parameters wenigstens eines aus dem Eingangs-Messstrahl nach Wechselwirkung mit dem Spiegel (101, 201, 401, 601, 701, 801) hervorgegangenen Ausgangs-Messstrahls; und c) Bestimmen des Erwärmungszustandes des Spiegels (101, 201, 401, 601, 701, 801) auf Basis dieses optischen Parameters.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln wenigstens einer von der Brechzahl des Spiegelmaterials abhängigen Größe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln einer optischen Weglängenänderung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln der Reflektivität bei einer vorbestimmten Wellenlänge umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln der Strahlablenkung des Ausgangs-Messstrahls relativ zum Eingangs-Messstrahl umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Ermitteln des wenigstens eines optischen Parameters das Ermitteln der Wellenlänge des Ausgangs-Messstrahls umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) das Lenken einer Mehrzahl von Eingangs-Messstrahlen auf den Spiegel (101, 201, 401, 601, 701, 801) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese Eingangs-Messstrahlen unter unterschiedlichen Azimutwinkeln bezogen auf eine optische Achse des optischen Systems auf den Spiegel (101, 201, 401, 601, 701, 801) gelenkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangs-Messstrahl aus dem Eingangsmessstrahl durch wenigstens einmaliges Durchlaufen des Spiegels (101, 201, 401) hervorgeht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangs-Messstrahl aus dem Eingangsmessstrahl durch mehrmaliges Durchlaufen des Spiegels (101, 201, 401) hervorgeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangs-Messstrahl aus dem Eingangsmessstrahl durch Reflexion an einem am Spiegel (601, 701, 801) angeordneten optischen Element (610, 710, 810) hervorgeht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (610, 710, 810) wenigstens ein DBR aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (710, 810) ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Ermitteln des optischen Parameters interferometrisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a, b) und/oder c) während des Betriebs der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt werden.
Anordnung zur Bestimmung des Erwärmungszustandes eines Spiegels in einem optischen System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit: – einer Messlichtquellen-Einheit zur Erzeugung wenigstens eines Eingangs-Messstrahls; – einer Detektoreinheit zur Ermittelung eines optischen Parameters wenigstens eines aus dem Eingangs-Messstrahl nach Wechselwirkung mit dem Spiegel hervorgegangenen Ausgangs-Messstrahls; und – einer Auswerteeinheit zur Bestimmung des Erwärmungszustandes des Spiegels (101, 201, 401, 601, 701, 801) auf Basis dieses Parameters.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlichtquellen-Einheit eine Mehrzahl von Messlichtquellen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit eine Mehrzahl von Detektoren aufweist.
Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messlichtquellen und/oder mehrere Detektoren um den Spiegel herum unter unterschiedlichen Azimutwinkeln bezogen auf eine optische Achse des optischen Systems angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messlichtquellen und/oder mehrere Detektoren matrixartig angeordnet sind.