DE60319462T2

DE60319462T2 - Lithographischer Apparat und Verfahren zur Herstellung eines Artikels

Info

Publication number: DE60319462T2
Application number: DE60319462T
Authority: DE
Inventors: Arie Jeffrey Den Boef; Maarten Hoogerland; Boguslaw Princeton Gajdeczko
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: CN1477448A; US7319506B2; JP2005268237A; KR20030095331A; JP4091486B2; DE60319462D1; US7564534B2; KR100547437B1; US6961116B2; SG131761A1; JP4604069B2; TWI298824B; US20080088956A1; US20060007446A1; CN1296774C; JP2008022015A; US20040033426A1; TW200403541A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine lithographische Projektionsvorrichtung, mit:

• einem Strahlungssystem zum Bereitstellen eines Projektionsstrahls aus Strahlung;
• einer Haltekonstruktion zum Tragen von Musteraufbringungseinrichtungen, wobei die Musteraufbringungseinrichtungen dazu dienen, den Projektionsstrahl gemäß einem gewünschten Muster zu mustern;
• einem Substrattisch zum Halten eines Substrats;
• einem Projektionssystem zum Projizieren des gemusterten Strahls auf einen Zielbereich des Substrats; und
• einem Ausrichtungssystem mit einem selbst-referenzierenden Interferometer zum Projizieren zweier überlappender und relativ um 180° gedrehter Abbildungen einer Ausrichtungsmarkierung.

Der hier verwendete Begriff „Musteraufbringungseinrichtung" sollte so weit interpretiert werden, dass er sich auf Einrichtungen bezieht, die dafür verwendet werden können, einem eingehenden Strahlungsstrahl einen gemusterten Querschnitt gemäß einem Muster aufzuprägen, das in einem Zielabschnitt des Substrats erzeugt werden soll; der Begriff „Lichtventil" kann in diesem Kontext ebenfalls verwendet werden. Im Allgemeinen entspricht dieses Muster einer besonderen Funktionsschicht in einem im Zielabschnitt erzeugten Bauelement, wie einer integrierten Schaltung oder einem anderen Bauelement (siehe unten). Beispiele derartiger Musteraufbringungseinrichtungen umfassen:

– Eine Maske. Das Konzept einer Maske ist in der Lithographie allgemein bekannt und umfasst binäre, wechselnde Phasenverschiebungs- und reduzierte Phasenverschiebungsmaskenarten sowie verschiedene Arten von Hybridmasken. Die Anordnung einer derartigen Maske in einem Strahlungsstrahl bewirkt selektive Durchlässigkeit (im Falle einer durchlässigen Maske) bzw. Reflexion (im Falle einer reflektierenden Maske) der auf die Maske auf treffenden Strahlung gemäß dem Muster auf der Maske. Im Falle einer Maske ist die Haltekonstruktion im Allgemeinen ein Maskentisch, wodurch sichergestellt ist, dass die Maske in einer gewünschten Position im eingehenden Strahlungsstrahl gehalten werden kann und dass sie auf Wunsch relativ zum Strahl bewegt werden kann.
– Ein programmierbares Spiegelfeld. Ein Beispiel eines derartigen Bauelements ist eine matrixadressierbare Oberfläche, die eine viskoelastische Steuerschicht und eine reflektierende Oberfläche aufweist. Das Grundprinzip hinter einer derartigen Vorrichtung besteht darin, dass (zum Beispiel) adressierte Bereiche der reflektierenden Oberfläche auftreffendes Licht als gebeugtes Licht reflektieren, wohingegen unadressierte Bereiche auftreffendes Licht als ungebeugtes Licht reflektieren. Wird ein geeigneter Filter verwendet, kann das besagte ungebeugte Licht aus dem reflektierten Strahl herausgefiltert werden, wobei nur das gebeugte Licht zurückgelassen wird; auf diese Weise wird der Strahl gemäß dem Adressierungsmuster der matrixadressierbaren Oberfläche gemustert. Eine alternative Ausführungsform eines programmierbaren Spiegelfeldes verwendet eine Matrixanordnung aus winzigen Spiegeln, von denen jeder einzeln um eine Achse geneigt werden kann, indem ein geeignetes lokalisiertes elektrisches Feld angelegt wird oder indem piezoelektrische Betätigungseinrichtungen verwendet werden. Noch einmal, die Spiegel sind derart matrixadressierbar, dass die adressierten Spiegel einen eingehenden Strahlungsstrahl in eine unterschiedliche Richtung zu unadressierten Spiegeln reflektieren; auf diese Weise wird der reflektierte Strahl gemäß dem Adressierungsmuster der matrixadressierbaren Spiegel gemustert. Die erforderliche Matrixadressierung kann unter Verwendung geeigneter elektronischer Einrichtungen durchgeführt werden. Weitere Informationen über derartige Spiegelfelder können beispielsweise den US-Patenten 5,296,891 und US 5,523,193 und den PCT-Patentanmeldungen WO 98/38597 und WO 98/33096 entnommen werden. Im Falle eines programmierbaren Spiegelfeldes kann diese Haltekonstruktion beispielsweise als Rahmen oder Tisch ausgebildet sein, der auf Wunsch fixiert oder bewegbar sein kann.
– Ein programmierbares LCD-Feld. Ein Beispiel für eine derartige Konstruktion ist im US-Patent 5,229,872 gegeben. Wie oben kann die Haltekonstruktion in diesem Falle beispielsweise als Rahmen oder Tisch ausgebildet sein, der auf Wunsch fixiert oder bewegbar sein kann.

Zum Zwecke der Vereinfachung kann sich der Rest dieses Textes an bestimmten Stellen selbst direkt auf Beispiele beziehen, die eine Maske und einen Maskentisch mit einschließen; jedoch sollten die in diesen Fällen erörterten allgemeinen Prinzipien im weiteren Kontext der Musteraufbringungseinrichtung gesehen werden, als vorstehend festgestellt.
Lithographische Projektionsvorrichtungen können beispielsweise für die Herstellung von integrierten Schaltungen (ICs) verwendet werden. In so einem Fall kann die Musteraufbringungseinrichtung ein Schaltungsmuster entsprechend einer einzelnen Schicht der integrierten Schaltung erzeugen, und dieses Muster kann auf einen Zielabschnitt (der z. B. einen oder mehrere Dies enthält) auf einem Substrat (Silizium-Wafer), das mit einer Schicht aus strahlungssensitivem Material (Resist) überzogen worden ist, abgebildet werden. Im Allgemeinen enthält ein einzelner Wafer ein ganzes Netzwerk benachbarter Zielabschnitte, die sukzessive einer nach dem anderen durch das Projektionssystem bestrahlt werden. Bei den momentan üblichen Vorrichtungen, bei denen die Musteraufbringung über eine Maske auf einem Maskentisch erfolgt, kann zwischen zwei unterschiedlichen Maschinentypen unterschieden werden. Bei einer Art von lithographischer Projektionsvorrichtung wird jeder Zielabschnitt bestrahlt, indem das gesamte Maskenmuster in einem Schritt auf den Zielabschnitt aufgebracht wird; eine derartige Vorrichtung wird im Allgemeinen als Wafer-Stepper bezeichnet. Bei einer anderen Vorrichtung – die im Allgemeinen als Step-and-Scan-Vorrichtung bezeichnet wird – wird jeder Zielabschnitt bestrahlt, indem das Maskenmuster unter dem Projektionsstrahl in einer vorbestimmten Referenzrichtung (der „abtastenden" Richtung) fortschreitend abgetastet wird, während der Substrattisch parallel oder antiparallel zu dieser Richtung synchron abgetastet wird; da das Projektionssystem im Allgemeinen einen Vergrößerungsfaktor M (im Allgemeinen < 1) aufweist, ist die Geschwindigkeit V, bei welcher der Substrattisch abgetastet wird, um einen Faktor M mal so groß wie diejenige, bei welcher der Maskentisch abgetastet wird. Weitere Informationen hinsichtlich lithographischer Vorrichtungen, wie sie hier beschrieben sind, können beispielsweise der US 6,046,792 entnommen werden.
Bei einem Herstellungsverfahren unter Verwendung einer lithographischen Projektionsvorrichtung wird ein Muster (z. B. in einer Maske) auf ein Substrat abgebildet, das zumindest teilweise von einer Schicht aus strahlungssensitivem Material (Resist) bedeckt ist. Vor diesem Abbildungsschritt kann das Substrat mehreren Verfahrensschritten unterzogen werden, wie z. B. Grundieren, Schutzlackbeschichtung und ein Softbake. Nach der Belichtung kann das Substrat weiteren Verfahrensschritten ausgesetzt werden, wie z. B. Post-Exposurebake (PEB), Entwicklung, Hardbake und Messen/Inspizieren der abgebildeten Strukturen. Diese Folge von Verfahrensschritten wird als Basis verwendet, um eine individuelle Schicht eines Bauelements, z. B. einer integrierten Schaltung; mit einem Muster zu versehen. Eine derart gemusterte Schicht kann dann mehreren Verfahrensschritten wie z. B. Ätzen, Ionenimplantation (Doping), Metallisierung, Oxydation, chemo-mechanisches Polieren etc. ausgesetzt werden, die alle dazu dienen, eine individuelle Schicht fertig zu stellen. Sind mehrere Schichten erforderlich, muss die gesamte Prozedur, oder eine Variante davon, für jede neue Schicht wiederholt werden. Schließlich befindet sich eine Gruppe von Bauelementen auf dem Substrat (Wafer). Diese Bauelemente werden dann durch ein Verfahren wie z. B. Teilen (Dicing) oder Sägen voneinander getrennt, wonach die einzelnen Elemente auf einen Träger montiert, an Pins angeschlossen werden können, etc.. Weitere Informationen hinsichtlich derartiger Verfahrensschritte können zum Beispiel dem Buch „Microchip Fabrication: A Practical Guide to Semiconductor Processing", 3. Ausgabe, von Peter van Zant, McGraw Hill Publishing Co., 1997, ISBN 0-07-067250-4 entnommen werden.
Der Einfachheit halber kann das Projektionssystem im Folgenden als „Linse" bezeichnet werden; jedoch sollte dieser Begriff so weit interpretiert werden, dass er verschiedene Arten von Projektionssystemen umfasst, die beispielsweise brechende Optiken, reflektierende Optiken, und katadioptrische Systeme enthalten. Das Strahlungssystem kann auch Komponenten umfassen, die gemäß jeder dieser Konstruktionstypen zum Leiten, Formen oder Steuern des Projektionsstrahls aus Strahlung arbeiten, und derartige Komponenten können nachstehend auch zusammen oder einzeln als eine „Linse" bezeichnet werden. Darüber hinaus kann die lithographische Vorrichtung der Art sein, dass sie zwei oder mehr Substrattische (und/oder zwei oder mehr Maskentische) aufweist. Bei derartigen „mehrstufigen" Geräten können die zusätzlichen Tische parallel verwendet werden, oder es können an einem oder an mehreren Tischen vorbereitende Schritte durchgeführt werden, während ein oder mehrere weitere Tische für Belichtungen verwendet werden. Zweistufige lithographische Vorrichtungen sind beispielsweise in der US 5,969,441 und der WO 98/40791 beschrieben.
Ein wesentlicher Schritt in einem lithographischen Prozess ist die Ausrichtung des Substrats auf die lithographische Vorrichtung, so dass sich das projizierte Bild des Maskenmusters auf dem Substrat an der richtigen Stelle befindet. Halbleiterbauteile sowie andere Bauteile, die durch lithographische Verfahren hergestellt werden, erfordern Mehrfachbelichtungen, damit mehrere Schichten im Bauteil gebildet werden können, und es ist essentiell, dass sich diese korrekt anordnen. Da immer kleinere Strukturen abgebildet werden, werden Überlap pungsanforderungen, und damit die erforderliche Genauigkeit des Ausrichtungsprozesses, strenger.
Bei einem bekannten Ausrichtungssystem, das in der EP-A-0 906 590 beschrieben ist, umfassen Markierungen auf dem Substrat zwei Paar Referenzgitter, ein X und ein Y, wobei die beiden Gitter des Paares leicht unterschiedliche Perioden aufweisen. Die Gitter werden mit räumlich kohärentem Licht beleuchtet, und das gebeugte Licht wird gesammelt und auf eine Detektorgruppe abgebildet, wobei die unterschiedlichen Beugungsordnungen getrennt worden sind, so dass entsprechende positive und negative Ordnungen interferieren. Jeder Detektor der Gruppe umfasst ein Referenzgitter und einen Photodetektor. Während das Substrat abgetastet wird, variiert der Ausgang des Detektors sinusförmig. Wenn die Signale von beiden Gittern eines Paares gleichzeitig Höchstwerte erreichen, ist die Markierung ausgerichtet. Dieser Systemtyp schafft einen großen dynamischen Bereich und ist, durch Anwenden hoher Beugungsordnungen, gegen Markierungsasymmetrie unempfindlich. Allerdings wird durch die Anforderung, zwei Gitter mit unterschiedlichen Perioden zu versehen, das für die Ausrichtungsmarkierungen auf dem Substrat erforderliche Raummaß erhöht. Es ist wünschenswert, die Größe eines derartigen „Silizium-Grundeigentums", das Ausrichtungsmarkierungen zugeteilt ist und daher für die Produktion von Bauteilen nicht zur Verfügung steht, zu minimieren.
Ein weiteres bekanntes Ausrichtungssystem, das in der EP-A-1,148,390 beschrieben ist, verwendet ein kompaktes selbst-referenzierendes Interferometer, um zwei überlappende, über +90° und –90° gedrehte Abbildungen zu erzeugen, die dann dazu gebracht werden, in einer Pupillenebene zu interferieren. Ein optisches System und räumlicher Filter wählt und trennt die Strahlen erster Ordnung und bildet sie auf einem Detektor erneut ab. Dieses System weist eine Reihe von Vorteilen auf, erfordert jedoch eine 180°-Symmetrie in den Ausrichtungsmarkierungen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Ausrichtungssystem zu schaffen, das vorzugsweise in der Lage ist, eine Ausrichtungsposition unter Verwendung einer einzelnen Ausrichtungsmarkierung zu erfassen und/oder asymmetrische Ausrichtungsmarkierungen unterzubringen.
Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß in einer lithographischen Vorrichtung, wie sie in der Einleitung spezifiziert ist, erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtungssystem ferner ein Detektorsystem umfasst zum Detektieren von Lichtintensitäten bei einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen in einer Pupillenebene des selbst-referenzierenden Interferometers.
Durch das Detektieren der Intensität in der Pupillenebene nutzt das Ausrichtungssystem die verfügbaren Informationen in höchstem Maße. Indem zum Beispiel Intensitätsvariationen bei den Positionen einer Vielzahl von Beugungsordnungen in der Pupillenebene detektiert werden, können äußerst genaue Positionsinformationen erhalten werden. Diese Informationen werden von den relativen Phasen in den Intensitätsvariationen erhalten werden, während die Markierung abgetastet wird; die verschiedenen Beugungsordnungen variieren in der Intensität mit verschiedenen räumlichen Frequenzen. Eine zentrale Ausrichtungsposition kann bestimmt werden, wenn mehrere Intensitätsspitzen übereinstimmen. Alternativ oder zusätzlich kann durch Messen der Intensität an zwei Positionen, die an gegenüberliegenden Seiten einer Beugungsordnung dicht beabstandet sind, eine Grobposition bzw. Erfassung erhalten werden, indem Schlagfrequenzen zwischen den beiden Intensitätssignalen detektiert werden. Die Größe des Erfassungsbereichs ist durch die Beabstandung der Detektoren bestimmt – je näher sich die Detektoren einander befinden, umso größer ist der Erfassungsbereich. Darüber hinaus können durch Detektieren von Phasenschwankungen in dunklen Bereichen der Pupillenebene Asymmetrien in der Markierung detektiert und zum Kompensieren von durch derartige Asymmetrien hervorgerufenen Fehlern in der Ausrichtungsposition verwendet werden.
Das Ausrichtungssystem der vorliegenden Erfindung weist dahingehend besondere Vorteile auf, dass es mit mehreren verschiedenes Markierungsformen verwendet werden kann, einschließlich derjenigen, die im Stand der Technik bekannt sind, wodurch wertvolle Rückwärtskompatibilität geschaffen worden ist. Das Ausrichtungssystem der vorliegenden Erfindung kann auch direkt zu Ausrichtungssystemen gemäß dem Stand der Technik kompatibel gemacht werden, wodurch es dem Endnutzer ermöglicht wird, Markierungsanordnungen und Prozesse früherer Systeme ohne Änderung zu benutzen. Ferner kann das Ausrichtungssystem zusätzliche Merkmale und eine genauere Ausrichtung bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung kann auch neue Ausrichtungsmarkierungen verwenden, die höhere räumliche Frequenzen als beim Stand der Technik aufweisen, wodurch eine verbesserte Robustheit und Genauigkeit der Ausrichtung gegeben ist. Zusätzlich kann ein Einzelfrequenz-Kurzgitter verwendet werden, wodurch die Größe des Ritzlinien-Bereichs, der den Ausrichtungsmarkierungen zugeordnet ist, reduziert werden kann.
Für Ausführungsformen der Erfindung kann ein ungefiltertes Kamerabild der Markierung bereitgestellt werden. Dieses Bild ist schärfer und kann für zusätzliche Funktionen wie das Erfassen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann auch in eine Modularform eingebaut sein, wobei der vordere Teil strikte Stabilitätsanforderungen und ein hinterer Teil weniger strikte Stabilitätsanforderungen aufweist. Der hintere Teil kann modifiziert und aufgerüstet werden, ohne dass eine Änderung des vorderen Endes erforderlich ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils geschaffen worden, das folgende Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Substrats, das zumindest teilweise von einer Schicht aus strahlungssensitivem. Material bedeckt ist;
– Bereitstellen eines Projektionsstrahls aus Strahlung unter Verwendung eines Strahlungssystems;
– Verwenden einer Musteraufbringungseinrichtung, um den Querschnitt des Projektionsstrahls mit einem Muster zu versehen;
– Projizieren des gemusterten Strahls aus Strahlung auf einen Zielabschnitt der Schicht aus strahlungssensitivem Material; und
– Ausrichten einer Ausrichtungsmarkierung auf dem Substrat, vor und nach dem Schritt des Projizierens, unter Verwendung eines selbst-referenzierenden Interferometers, das zwei überlappende und relativ um 180° gedrehte Abbildungen der Ausrichtungsmarkierung projiziert;

Obwohl in diesem Text speziell auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Herstellung von integrierten Schaltungen hingewiesen werden kann, sollte eindeutig klar sein, dass eine derartige Vorrichtung viele weitere Anwendungsmöglichkeiten hat. Sie kann zum Beispiel bei der Herstellung von integrierten optischen Systemen, Leit- und Erfassungsmustern für Magnetblasenspeicher, Flüssigkristall-Anzeigetafeln, Dünnschicht-Magnetköpfen und dergleichen verwendet werden. Der Fachmann wird erkennen, dass im Kontext mit derartigen alternativen Anwendungsmöglichkeiten jede Benutzung der Begriffe „Reticle", „Wafer" oder „Die" in diesem Text jeweils durch die allgemeineren Begriffe „Maske", „Substrat" und „Zielabschnitt bzw. „Zielbereich" ersetzt worden sind.
Im vorliegenden Dokument werden die Begriffe „Strahlung" und „Strahl" verwendet, um alle Arten elektromagnetischer Strahlung einschließlich ultravioletter Strahlung (z. B. mit einer Wellenlänge von 365, 248, 193, 157 bzw. 126 nm) und EUV (extrem ultraviolette Strahlung, z. B. mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–20 nm) sowie Teilchenstrahlen wie Ionenstrahlen oder Elektronenstrahlen und Röntgenstrahlen mit einzuschließen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun rein beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden schematischen Zeichnungen beschrieben, wobei entsprechende Bezugszeichen entsprechende Teile anzeigen und wobei:
1 eine lithographische Projektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ausgewählte Teile des Ausrichtungssystems der ersten Ausführungsform zeigt, um das Konzept seiner Arbeitsweise zu erläutern;
3 die unterschiedlichen Module des Ausrichtungssystems von 2 zeigt;
4 eine vereinfachte Seitenansicht des selbst-referenzierenden Interferometers ist, das bei dem Ausrichtungssystem der 2 und 3 verwendet wird;
5 ein Diagramm ist, auf das bei der Erklärung der Interferenz in der Pupillenebene des selbst-referenzierenden Interferometers von 4 verwendet wird;
6 eine Ansicht ist, die bei der Erklärung der Funktion des selbst-referenzierenden Interferometers von 4 verwendet wird;
7 eine Zeichnung der Eingangs- und der Ausgangsebene des Interferometers ist, die den invarianten Punkt zeigt;
8 eine Zeichnung der Eingangs- und der Ausgangsebene des Interferometers ist, die die Rotation von Beugungsordnungen im Ausgang zeigt;
9 eine Zeichnung der optischen Komponente des Ausrichtungssystems ist, die verwendet wird, um die Verwendung einer Öffnungsblende zum Eliminieren von Crosstalk von Produktstrukturen zu erklären;
10 eine Zeichnung von Markierungs- und Produktstrukturen ist, die die Kontur der Öffnungsblende zu zeigen;
11 die Detektionsanordnung des Ausrichtungssystems der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 eine mögliche Anordnung zur Farbtrennung im Ausrichtungssystem der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
13, 14 und 15 Vektordiagramme sind, auf die bei der Erklärung der Detektion von asymmetrischen Markierungen Bezug genommen wird;
16 ein Graph des Intensitätsprofils ist, das für die Illuminierung einer eindimensionalen Markierung bei einem Funktionsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
17 ein Diagramm einer eindimensionalen Markierung bei einem Beispiel der Erfindung ist;
18 ein Graph der Intensitätsverteilung im Fernfeld bei dem Beispiel der Erfindung ist;
19 ein Graph der gemessenen Phase als eine Funktion des Fernfeldwinkels bei dem Beispiel der Erfindung ist;
20 ein Diagramm einer asymmetrischen Markierung bei einem zweiten Funktionsbeispiel der Erfindung ist;
21 ein Diagramm der Intensität im Fernfeld bei dem zweiten Beispiel der Erfindung ist;
22 ein Graph der gemessenen Phase als eine Funktion des Fernfeldwinkels bei dem zweiten Beispiel ist;
23 ein Graph des Kontrasts des Interferenzsignals als eine Winkelfunktion im Fernfeld bei dem zweiten Beispiel ist;
24 ein Graph der Phasenschwankung bei einem dritten Funktionsbeispiel der Erfindung ist;
25 ein Graph der Intensität im Fernfeld bei einem vierten Beispiel der Erfindung ist;
26 ein Graph der gemessenen Phase als eine Funktion des Fernfeldwinkels bei dem vierten Beispiel ist;
27A und 27B Graphen sind, die den Effekt der Änderung der Breite des Beleuchtungsstrahls zeigen;
28 ein Graph der gemessenen Phase als eine Winkelfunktion bei einem fünften Beispiel der Erfindung ist;
29 die Detektionsanordnung des Ausrichtungssystems einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
30 ein Diagramm ist, auf das bei der Erklärung der Funktion einer Kamera zum Erfassen bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen wird;
31 die Detektionsanordnung des Ausrichtungssystems einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
32 eine Explosionsansicht eines ordnungskombinierenden Prismas ist, das bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und
33 eine Ansicht des ordnungskombinierenden Prismas von 32 in zusammengesetzter Form ist, die die Kombination entgegengesetzter Ordnungen zeigt.
In den Figuren zeigen entsprechende Bezugszeichen entsprechende Teile an.
Ausführungsform 1
1 ist eine schematische Darstellung einer lithographischen Projektionsvorrichtung gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst:

• ein Strahlungssystem Ex, IL zum Bereitstellen eines aus Strahlung (z. B. DUV-Strahlung) bestehenden Projektionsstrahls PB, der in diesem speziellen Fall auch eine Strahlungsquelle LA umfasst;
• einen ersten Objekttisch (Maskentisch) MT, der einen Maskenhalter zum Halten einer Maske MA (z. B. ein Reticle) aufweist und mit ersten Positionierungsmitteln zur genauen Positionierung der Maske im Hinblick auf den Gegenstand PL verbunden ist;
• einen zweiten Objekttisch (Substrattisch) WT, der einen Substrathalter zum Halten eines Substrats W (z. B. ein mit einer Schutzschicht beschichteten Silizium-Wafer) aufweist und mit zweiten Positionierungsmitteln zur genauen Positionierung des Substrats im Hinblick auf den Gegenstand PL verbunden ist;
• ein Projektionssystem („Linse") PL (z. B. ein brechendes Linsensystem) zum Abbilden eines bestrahlten Bereichs der Maske MA auf einen Zielabschnitt C (der z. B. einen oder mehrere Dies aufweist) des Substrats W.

Wie hier gezeigt, ist die Vorrichtung durchlässiger Art (d. h. sie weist eine durchlässige Maske auf). Im Allgemeinen kann sie jedoch zum Beispiel auch reflektierender Art sein (mit einer reflektierenden Maske). Alternativ kann die Vorrichtung eine weitere Art von Musteraufbringungseinrichtung aufweisen, wie ein programmierbares Spiegelfeld einer Art wie vorstehend genannt.
Die Queue LA (z. B. ein Excimer-Laser) erzeugt einen Strahl aus Strahlung. Dieser Strahl wird zu einem Beleuchtungssystem IL (Illuminator) geführt, entweder direkt oder nachdem er Konditionierungseinrichtungen wie zum Beispiel einen Strahlexpander Ex durchlaufen hat. Der Illuminator IL kann Anpassungsmittel AM zum Einstellen der äußeren und/oder inneren radialen Erstreckung (im Allgemeinen mit jeweils σ-innen und σ-außen bezeichnet) der Intensitätsverteilung im Strahl umfassen. Darüber hinaus umfasst er im Allgemeinen verschiedene andere Komponenten wie einen Integrator IN und einen Kondensor CO. Auf diese Weise erhält der auf die Maske MA auftreffende Strahl PB in seinem Querschnitt eine gewünschte Gleichmäßigkeit und Intensitätsverteilung.
Mit Bezug auf 1 ist festzustellen, dass die Quelle LA innerhalb des Gehäuses der lithographischen Projektionsvorrichtung angeordnet sein kann (wie es oft der Fall ist, wenn die Quelle LA beispielsweise eine Quecksilberlampe ist), sie kann sich jedoch auch entfernt von der lithographischen Projektionsvorrichtung befinden, wobei der durch sie erzeugte Strahlungsstrahl in die Vorrichtung geleitet wird (z. B. mit Hilfe geeigneter Leitungsspiegel); dieses letztgenannte Szenario ist oft gegeben, wenn die Quelle LA ein Excimer-Laser ist. Die vorliegende Erfindung und ihre Ansprüche beinhalten beide Szenarien.
Danach tritt der Strahl PB in die Maske MA ein, die auf einem Maskentisch MT gehalten wird. Nachdem er die Maske MA durchquert hat, läuft der Strahl PB durch die Linse PL, die den Strahl PB auf einen Zielabschnitt C des Substrats W fokussiert. Mit Hilfe des zweiten Positioniermittels. (und interferometrischen Messmittels IF) kann der Substrattisch WT genau bewegt werden, zum Beispiel um unterschiedliche Zielabschnitte C im Weg des. Strahls PB zu positionieren. Auf gleiche Weise kann das erste Positioniermittel verwendet werden, um: die Maske MA im Hinblick auf den Weg des Strahls PB genau zu positionieren, zum Beispiel nachdem die Maske MA mechanisch von einer Maskenbibliothek geholt worden ist oder während einer Abtastung. Im Allgemeinen wird die Bewegung der Objekttische MT, WT mit Hilfe eines langhubigen Moduls (Grobpositionierung) und eines kurzhubigen Moduls (Feinpositionierung) durchgeführt, die in 1 nicht explizit dargestellt sind. Allerdings kann im Falle eines Wafer-Steppers (im Gegensatz zu einer Step-and-scan-Vorrichtung) der Maskentisch MT nur mit einem kurzhubigen Betätigungselement verbunden werden, oder er kann fixiert sein.
Die gezeigte Vorrichtung kann auf zwei unterschiedliche Arten eingesetzt werden:

1) Im Step-Modus wird der Maskentisch MT im Wesentlichen stationär gehalten, und ein ganzes Maskenbild wird in einem Schritt (d. h. einem einzelnen „Flash") auf einen Zielabschnitt C projiziert. Der Substrattisch WT wird dann in x- und/oder y-Richtung verschoben, so dass ein anderer Zielabschnitt C durch den Strahl PB bestrahlt werden kann.
2) Im Scan-Modus geschieht im wesentlichen das Gleiche, mit der Ausnahme, dass ein bestimmter Zielabschnitt C nicht in einem einzigen „Flash" belichtet wird. Stattdessen ist der Maskentisch MT in einer vorgegebenen Richtung (der sogenannten „Abtastrichtung", z. B. der y-Richtung) mit einer Geschwindigkeit v bewegbar, um zu veranlassen, dass der Projektionsstrahl PB ein Maskenbild abtastet; gleichzeitig wird der Substrattisch WT simultan in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung mit einer Geschwindigkeit V = Mν bewegt, wobei M die Vergrößerung der Linse PL ist (gewöhnlich ist M = ¼ oder 1/5). Auf diese Weise kann ein relativ großer Zielabschnitt C belichtet werden, ohne dass hinsichtlich der Auflösung Kompromisse eingegangen werden müssen.

Damit Belichtungen korrekt auf dem Substrat positioniert werden können, enthält die lithographische Vorrichtung einen Ausrichtungssensor 10, der die Position einer auf dem Substrat W bereitgestellten Ausrichtungsmarkierung WM akkurat messen kann. In der Praxis ist der Ausrichtungssensor fixiert und das auf dem Substrattisch WT gehaltene Substrat W wird unten so lange abgetastet, bis die Ausrichtungsmarkierung WM vom Ausrichtungssensor erfasst wird. Dann wird die Position des Substrattisches festgestellt, wenn sich die Ausrichtungsmarkierung auf dem Substrat in korrekter Ausrichtung mit dem Ausrichtungssensor befindet. Der Ausrichtungssensor 10 ist ein Sensor neben der Achse, was bedeutet, dass er die Ausrichtungsmarkierung beleuchtet und das reflektierte Licht direkt detektiert, eher als durch das Projektionssystem PL. Der Ausrichtungssensor 10 kann bei der Belichtungsstation oder bei einer separaten Messstation oder bei beiden vorgesehen sein. Im letzteren Fall kann der Ausrichtungssensor zum Messen der Position von Ausrichtungsmarkierungen auf dem Substrat bezüglich einer am Substrattisch WT fixierten Referenzmarkierung (vergleichend) verwendet werden. Die Position der Referenzmarkierung des Substrattisches bezüglich des Projektionssystems PL wird dann gemessen, sobald sich der Substrattisch zur Belichtungsstation weiterbewegt hat, und von hier wird die Position der Substratmarkierungen bezüglich der Projektionslinse abgeleitet. Diese Methodologie kann auch verwendet werden, wenn der Ausrichtungssensor bei einer Belichtungsstation vorgesehen ist, alternativ kann die Position einer Referenz im Ausrichtungssensor bezüglich der Projektionslinse genau bekannt sein, so dass die Position der Ausrichtungsmarkierung auf dem Substrat direkt bestimmt werden kann. Im Allgemeinen werden die Positionen von wenigstens zwei Ausrichtungsmarkierungen auf dem Substrat gemessen, um die exakte Position und Ausrichtung des Substrats zu bestimmen. Das Ausrichtungssystem kann auch am Anfang und am Ende von Abtastbelichtungen verwendet werden, um zu verifizieren, dass die Abtastung bei der korrekten Position durchgeführt worden ist.
2 ist eine schematische Gesamtansicht des Ausrichtungssystems 10. Eine Lichtquelle 11 sendet einen räumlich kohärenten Strahl aus Strahlung aus, der die Markierung WM beleuchtet, die die Strahlung in positive und negative Beugungsordnungen +n, –n reflektiert. Diese werden durch die Objektivlinse 12 parallel gerichtet und treten in das selbst-referenzierende Interferometer 13 ein. Die Objektivlinse 12 kann eine hochgeöffnete numerische Apertur, z. B. = 0,6, aufweisen, was eine Detektion von Markierungen mit einem geringen Abstand von 1,5 μm unter Verwendung einer Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 850 nm erlaubt. Das selbst-referenzierende Interferometer gibt zwei Abbildungen des Eingangs mit einer relativen Drehung von 180° aus, die sich überlappen und daher dazu gebracht werden können zu interferieren. In einer Pupillenebene 14 können die überlappenden Fourier-Transformationen dieser Abbildungen, wobei die unterschiedlichen Beugungsordnungen getrennt sind, gesehen und dazu gebracht werden zu interferieren. Detektoren 15 in der Pupillenebene detektieren die interferierten Beugungsordnungen, um Positionsin formationen bereitzustellen, wie weiter unten erläutert. Der rechte Teil von 2 zeigt die Formation der überlappenden Abbildungen – eine Abbildung +n', –n' ist um +90° relativ zu den Eingangsordnungen +n, –n gedreht, und die zweite Abbildung +n'', –n'' ist um –90° gedreht.
Der Bildrotator und Interferometer 13 bildet das Herz des Ausrichtungssystems und ist in 2 als ein schwarzer Kasten (black box) dargestellt. Eine detaillierte Erklärung dieses Teils ist nachstehend gegeben. Das Ausrichtungssystem 10 weist den Vorteil auf, dass die Phaseninformationen in der gesamten Pupillenebene 14 verfügbar sind und mittels einer geeigneten Detektorgruppe 15 gemessen werden können. Eine Folge davon ist, dass Freiheit in der Markierungsauswahl besteht- das Ausrichtungssystem kann auf jede Markierung ausrichten, die im Wesentlichen eine 180°-Rotationssymmetrie aufweist. Wie nachstehend erörtert, kann ein gewisses Asymmetriemaß aufgenommen und detektiert werden.
Ein weiteres attraktives Merkmal des Ausrichtungssystems 10 ist dessen Modularität, die in 3 gezeigt ist. Das selbst-referenzierende Interferometer 13 und die Objektivlinse 12 bilden eine kompakte Einheit (das vordere Ende 10a), die stabil sein muss. Dieses vordere Ende 10a erzeugt die beiden überlappenden Wellenfronten, die die Positionsinformationen enthalten. Die tatsächliche Messung der Phasendifferenz in der Pupillenebene 14 erfolgt im hinteren Ende 10b des Sensors. Dieses hintere Ende 10b weist weniger enge Spezifikationen hinsichtlich Stabilität auf, da die Positionsinformationen bereits im vorderen Ende 10a codiert sind. Das unkritische hintere Ende 10b enthält die Detektorkonfiguration 15, den Lichtquellenmultiplexer 11 und einen Wellenlängen-Demultiplexer 16, um eine Benutzung mehrerer Wellenlängen zu ermöglichen. Diese Konfiguration bestimmt die Funktionalität, die dem Endnutzer zur Verfügung stehen wird.
Ein wichtiger Vorteil besteht in der Tatsache, dass Designänderungen im hinteren Ende 10b keine Auswirkungen auf das kritische vordere Ende 10a haben. Das vordere Ende 10a braucht nur einmal entwickelt zu werden und bedarf keiner erneuten Entwicklung, wenn beispielsweise eine unterschiedliche Wellenlänge oder eine unterschiedliche Gitterperiode benötigt wird.
Das vordere Ende 10a enthält das Interferometer 13, einen Strahlteiler 17 für den Beleuchtungsstrahl, ein Viertelwellenlängenplättchen 18 und die Objektivlinse 12. Anstelle des Strahlteilers kann auch eine gewinkelte ebene Platte mit einem kleinen zentralen Silberbereich verwendet werden, um den Beleuchtungsstrahl auf die Ausrichtungsmarkierung zu reflektieren. Das hintere Ende 10b kann in mehreren unterschiedlichen Formen ausgebildet sein, enthält jedoch im Wesentlichen Komponenten zur Durchführung folgender Funktionen: einen Polarisator 19 zum Erzeugen des Interferenzmusters (die überlappenden Strahlen sind orthogonal polarisiert); eine Öffnungsblende 20 zum Verhindern von Produkt-Crosstalk; einen Wellenlängen-Demultiplexer 16 zum Aufteilen der mehreren Wellenlängen an der Detektorseite; und eine Detektorgruppe 15a–15b. Wie nachstehend erläutert, kann die Form der Öffnungsblende auch gewählt werden, um Crosstalk zwischen Ordnungen zu vermeiden.
Die Verfügbarkeit der gesamten Pupillenebene und die Modularität des hinteren Endes erlauben den Aufbau eines flexiblen Ausrichtungssensors. Neue Funktionen können mit relativgeringem Designaufwand hinzugefügt werden, und der Sensor kann mit anderen Ausrichtungssensoren auf dem Anwendungslevel kompatibel gemacht werden, wodurch es den Nutzern ermöglicht wird, Prozesse weiterhin zu benutzen, einschließlich Masken und Maschineneinstellungen, die für Vorrichtungen entwickelt worden sind, die andere Ausrichtungssensoren verwenden.
Das selbst-referenzierende Interferometer 13 erreicht Interferenzen von entgegengesetzten überlappenden Beugungsordnungen. Dieses Interferometer ist ein kritischer Teil des Detektionsprinzips, da Drift bzw. Instabilität dieses Interferometers die Ausrichtungsgenauigkeit mindert. Das Interferometer 13 ist in 4, einer Seitenansicht, gezeigt und besteht aus drei Hauptteilen: einem polarisierenden Strahlteiler (PBS) 131 zum Aufteilen und erneuten Zusammensetzen einer eingehenden Wellenfront; und zwei Prismen 132, 133, die eine eingehende Wellenfront über 90° reflektieren und drehen. Die reflektierten und gedrehten Wellenfronten sind auch seitlich verschoben. Darüber hinaus ist die Polarisation über 90° gedreht. Zur Minimierung von Drift besteht das Interferometer 13 aus Vollglas und die separaten Teile 131, 132, 133 sind miteinander verklebt. In der Praxis kann das Interferometer 13 aus zwei Vollglasteilen bestehen, von denen jeder eines der Prismen 132, 133 und die Hälfte des Strahlteilers 131 umfasst, die entlang der reflektierenden Ebene 131a des Strahlteilers 131 miteinander verklebt sind.
Die Vollkopfpfeile in 4 zeigen die Strahlspur eines Einzelstrahls der auftreffenden Wellenfront, während die Leerkopfpfeile die Ausrichtung einer auftreffenden Wellenfront und nicht die Polarisationsebene zeigen. Folgt man der Strahlspur und der Ausrichtung der Wellenfront, sieht man, dass beide Prismen die Wellenfront im Uhrzeigersinn über 90° drehen. Die beiden erneut zusammengesetzten Wellenfronten haben eine Nettorotation um 180° relativ zueinander erhalten und sind orthogonal linearpolarisiert.
Weitere Details der Betriebsweise des Rotationsprismas sind in der EP-A-1,148 390 zu finden, auf die vorstehend Bezug genommen wurde. Es kann gezeigt werden, dass die Prismen als optische Elemente ausgebildet werden können, die jeden eingehenden Strahl spiegeln und drehen.
Zur Erläuterung der Betriebsweise des Interferometers zeigt 6 eine rechtwinklige Eingangsebene mit einem pfeilförmigen Objekt 134, das in das Interferometer 13 eintritt. Das Eingangsobjekt 134 wird durch den Strahlteiler 131 aufgeteilt und tritt in die beiden Rotationsprismen 132, 133 ein. Zweckdienlicher weise ist das zweite Rotationsprisma 133 ebenfalls in der Ebene des Strahlteilers phantomartig 133' gespiegelt dargestellt. Dies vereinfacht die Erläuterung, da nun zwei überlappende Interferometerzweige gegeben sind: ein ,realer' mit dem ersten Prisma und ein ,virtueller' Zweig mit dem zweiten Prisma.
Aufgrund der Symmetrie des Interferometers 13 stimmen die virtuellen Spiegelebenen 135 der beiden Prismen 132, 133 überein. Die Rotationsachsen 136, 137 der beiden Prismen befinden sich jedoch an gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie 138 des Interferometers 13. Die virtuelle Spiegelebene 135 erzeugt eine virtuelle Abbildung 134' des Eingangsobjekts 134. Die gespiegelte Abbildung 134' ist in der Figur als ein Leerpfeil dargestellt. Diese Abbildung ist hier jedoch nur zweckdienlicherweise dargestellt und ist in Wirklichkeit wegen der zusätzlichen Rotation der beiden Prismen nicht vorhanden.
Die beiden Rotationsachsen 136, 137 sind an gegenüberliegenden Seiten der Mitte der Interferometerzweige angeordnet. Folglich ist die Abbildung in entgegengesetzte Richtungen gedreht. Die +90°-Rotation und die –90°-Rotation führen jeweils zu kreuzweise schraffierten und diagonal schraffierten Pfeilen 139a, 139b. Die beiden Pfeile zeigen in entgegengesetzte Richtungen (so dass die Nettorotation tatsächlich 180° beträgt), und die Fußpunkte der Pfeile sind miteinander verbunden, wodurch gezeigt ist, dass die Stelle der Fußpunkte ein invarianter Punkt des Interferometers ist.
7 zeigt einen graphischen Aufbau des unveränderlichen Punkts. Das Interferometer weist eine rechtwinklige Eingangs- und Ausgangsebene einer Breite a und einer Höhe 2a auf. Das in das Interferometer eintretende Feld besetzt die obere Hälfte des Interferometers (Eingangsbereich) und wird über den Symmetriemittelpunkt nach unten gespiegelt und durch die beiden Prismen über +90° und –90° gedreht. Diese überlappenden Felder sind im Ausgangsbereich vorhanden. Die Rotationsachsen sind, wie in der Figur gezeigt, durch ei nen Abstand a getrennt. Es kann ohne weiteres verifiziert werden, dass der invariante Punkt IP der exakte Mittelpunkt des Eingangsbereichs ist.
Konzentrische Kreise um den invarianten Punkt IP herum sind mit einer relativen Drehung von 180° auf sich selbst abgebildet, wie durch die kreuzweise und diagonal schraffierten Ausschnitte gezeigt. Der Nutzen der seitlichen Verschiebung über eine Entfernung a des Eingangs und des Ausgangs besteht in der Tatsache, dass eine optische Gegenkopplung (Feedback) in die Ausrichtungsstrahlquelle (z. B. einen Laser) verhindert wird.
Es ist nun leicht zu erkennen, wie überlappende Beugungsordnungen bei diesem Interferometer erzeugt werden. Die nullte Ordnung wird auf den invarianten Drehpunkt projiziert und die geraden und ungeraden Beugungsordnungen drehen um diesen Punkt, wie in 8 gezeigt.
Das Ausrichtungssystem 10 erfordert eine räumlich kohärente Lichtquelle, vorzugsweise einen Laser, da thermische und Gasentladungs-Lichtquellen nur dann räumlich kohärent werden können, indem eine Menge Licht weggeworfen wird. Um gewisse Interferenzprobleme vermeiden zu können, ist die Verwendung von Licht mit einer kurzen temporären Kohärenz vorzuziehen.
Folglich ist die bevorzugte Lichtquelle 11 eine Laserdiode, da derartige Dioden räumlich kohärent sind, und ihre Kohärenzlänge kann leicht beschädigt werden, indem eine HF-Modulation an den Injektionsstrom angelegt wird. Es ist wünschenswert, eine Illumination mehrerer eindeutiger Frequenzen zu verwenden, z. B. ca. 532 nm, 635 nm, 780 nm und 850 nm. Da Dioden ebenfalls bei diesen Frequenzen senden, können frequenzverdoppelte Quellen verwendet werden, wie z. B. ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit einem Phasenmodulator (siehe EP-A-1 026 550 , die hier durch Hinweis eingefügt ist), oder Faserlaser.
Das Design der Beleuchtungsoptik wird durch zwei kollidierende Anforderungen gelenkt. Um die Signalstärke maximieren und Produkt-Crosstalk minimieren zu können, ist ein kleiner Spot erforderlich, der nur die Markierung beleuchtet. Andererseits verkompliziert ein kleiner Spot den Erfassungsprozess. Darüber hinaus wird die Ausrichtungsgenauigkeit durch Positionsschwankungen des Spots stärker beeinflusst.
Produkt-Crosstalk kann mittels Öffnungsblenden effektiv unterdrückt werden, und mit der Verfügbarkeit von Hochleistungslasern wird die Ausrichtungsleistung durch die Signalstärke kaum begrenzt. Aus diesem Grund ist die Größe des Beleuchtungsspots zumindest größer als die Größe der Markierung. Angenommen, es sei eine Markierungsgröße der Ordnung 50 × 50 μm² und ein. erforderlicher Erfassungsbereich der gleichen Ordnung gegeben, dann ist ein Spot-Durchmesser der Ordnung von 100 μm geeignet.
Hinsichtlich der Form des Beleuchtungsspots bestehen wiederum kollidierende Anforderungen bezüglich des Winkelmaßes des Beleuchtungsstrahls in der Pupillenebene. Die Winkelgröße des Strahls muss so klein wie möglich gehalten werden, um die Verwendung von groben Gittern als Markierung zu erlauben. Ein kleines Winkelmaß führt jedoch zu einem übermäßig großen Beleuchtungsspot, so dass ein optimaler Kompromiss zwischen Winkelmaß und Spot-Form gefunden werden muss. Die 1. Ordnung eines 16 μm-Gitters wird mit einem Winkel von 40 Radianten für λ = 633 nm gebeugt. Um eine derart niedrige räumliche Frequenz messen zu können, muss die Winkelgröße des Beleuchtungsstrahls auf einen Durchmesser von ca. 40 mrad begrenzt sein.
Bei dem Ausrichtungssystem 10 ist der Beleuchtungsspot zirkular polarisiert, um eine Trennung von Beleuchtungs- und Detektionslicht mit Hilfe des polarisierenden Strahlteilers 17 und eines Viertelwellenplattchens 18 nullter Ordnung wie in 3 gezeigt zu ermöglichen.
Für grobe Gitter, deren Abstand wesentlich größer ist als die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls, ist die Polarisationsauswahl nicht sehr wichtig. Dort jedoch, wo der Markierungsabstand die gleiche Ordnung wie die Wellenlänge aufweist, hängt die Beugungseffizienz von der Polarisation ab, und im Extremfall kann die Ausrichtungsmarkierung als ein Polarisator wirken, der nur Polarisationskomponenten beugt. Für derartige Markierungen ist zirkular polarisiertes Licht vorteilhaft. Bei linear polarisiertem Licht besteht immer die Möglichkeit, dass die Effizienz eines Gitters für eine spezielle Ausrichtung sehr gering ist. Zirkular polarisiertes Licht enthält zwei orthogonal polarisierte Komponenten (mit einer Phasenverschiebung um 90°), so dass immer eine Komponente vorhanden ist, die das Licht effizient beugt.
Um Fehlreflexionen unterdrücken zu können, ist es möglich, den polarisierenden Strahlteiler 17 und das Viertelwellenplättchen 18 leicht zu neigen. Der Neigungswinkel muss sorgfältig ausgewählt werden, damit durch diese Neigung eingeführte Aberrationen minimiert werden können. Selbstverständlich ist es auch möglich, derartige Aberrationen im Design der Objektivlinse zu korrigieren.
Das Interferometer erzeugt zwei orthogonal polarisierte (virtuelle) Abbildungen der Pupille E(k), wobei k eine räumliche Frequenz ist. Das gesamte optische Feld in der Pupillenebene 14 ist das ursprüngliche Feld plus eine um 180° gedrehte Kopie dieses Feldes. Die Intensität in der Pupillenebene beträgt: 1(k(x0) = |Ep(k,x0) + Ep(–k,x0)|2 (1)
Wenn zwei Detektoren 15 mit einer Breite von 2Δk bei Positionen k = k₀ und k = –k₀ in der Pupillenebene 14 angeordnet sind, sind die durch diese Detektoren erfassten optischen Leistungen P₁ und P₂ gegeben durch:
5 zeigt die Signalformation graphisch. Wegen der Spiegelung überlappen die horizontal schraffierten Bereiche und interferieren und die diagonal schraffierten Bereiche überlappen und interferieren. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Feldern enthält die Positionsinformationen.
Die beiden Abbildungen der Pupille sind orthogonal und linear polarisiert und eine Interferenz zwischen ihnen ist daher in Form von Intensitätsschwankungen (Interferenzstreifen – Fringes) nicht sichtbar. Um Phasenschwankungen in Intensitätsschwankungen übersetzen zu können, müssen die beiden Abbildungen der Pupille die gleiche Polarisation aufweisen, was mittels eines polarisierenden optischen Elements realisiert wird, das ein dichroitischer Schichtpolarisator, ein regulärer polarisierender Strahlteiler basierend auf einer mehrschichtigen Beschichtung, oder ein doppelbrechender Strahlteiler wie ein Sauart-Plättchen, ein Wollaston-Prisma, ein Glan-Taylor-Strahlteiler oder ein „Drahtgitter"-Polarisator sein kann.
Dichroitische Schichtpolarisatoren werden wegen ihrer eingeschränkten optischen Qualität nicht bevorzugt und sind im IR-Bereich oft wenig effektiv. Darüber hinaus werfen diese Schichtpolarisatoren 50% der Photonen weg. Ein Mehrschicht-Strahlteiler ist viel besser, jedoch kann der Wellenlängenbereich, über den ein gutes Extinktionsverhältnis erreicht wird, eingeschränkt sein. Doppelbrechende Strahlteiler weisen über einen großen Wellenlängenbereich ausgezeichnete Extinktionsverhältnisse auf, jedoch kann die Doppelbrechung zu Temperaturdrift führen, da die Doppelbrechung temperaturabhängig ist.
Wenn ein Strahlteiler als Polarisator 19 verwendet wird, hat das darauf auftreffende Feld folgenden Jones-Vektor:
Der polarisierende Strahlteiler ist mit 45° relativ zur Ausrichtung von E(k) und E(-k) ausgerichtet, so dass die vom Strahlteiler übertragenen I₁(k) und ausgekoppelten I₂(k) Intensitäten folgende sind:
Wie ersichtlich, variieren die beiden Intensitäten in der Antiphase, und die Gesamtintensität gleicht der Intensität, die auf den Strahlteiler auftrifft. Folglich enthalten beide Zweige Positionsinformationen und können zur Ausrichtung verwendet werden. Dies bedeutet, dass es möglich ist, einen Zweig zur Detektion der x-Position und den anderen zur Detektion der y-Position zu verwenden, wobei die Verwendung rechtwinkliger Öffnungsblenden zur Vermeidung von Produkt-Crosstalk erlaubt ist. Alternativ kann ein Zweig mit einer kleinen Öff nungsblende zur Feinausrichtung und der andere Zweig mit einer großen Öffnungsblende zur Erfassung verwendet werden. Eine weitere Alternative besteht darin, einen Zweig für einen Satz Wellenlängen und den anderen Zweig für einen anderen Satz Wellenlängen zu verwenden.
Ausrichtungsmarkierungen sind oft in der Ritzlinie sehr nahe an Produktstrukturen angeordnet, was zu Produkt-Crosstalk führen kann: durch das Produkt zerstreutes Licht beeinflusst das Ausrichtungssignal. Produkt-Crosstalk kann stark gedämpft werden, indem ein ausreichend kleiner Beleuchtungsstrahl verwendet wird. Jedoch wird ein kleiner Beleuchtungsstrahl aus mehreren Gründen nicht bevorzugt. Mit einem kleinen Beleuchtungsstrahl wird die Stabilität der Position des Beleuchtungsspots kritischer. Zum Beispiel führt im Extremfall eines abtastenden Spots der Drift im Beleuchtungsspot direkt zu Drift der Ausrichtungsposition. Ferner wird die Erfassung kritischer, da die Möglichkeit größer ist, dass die Markierung sehr schlecht beleuchtet wird, nachdem das Substrat W auf den Substrattisch WT aufgebracht worden ist. Schließlich ist eine größere numerische Beleuchtungsapertur erforderlich, wodurch die Detektion von groben Gittern schwieriger wird.
Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, einen großen Beleuchtungsspot zu verwenden, zum Beispiel mit einer λ/e²-Breite von ungefähr dem dreifachem Höchstdurchmesser der Markierung. Die Konsequenzen eines derart großen Spots sind, dass Produktstrukturen beleuchtet werden und dass die optische Leistung auf der Markierung abnimmt. Letztgenanntes ist jedoch kein ernsthaftes Problem, da eine ausreichend starke Lichtquelle bereitgestellt werden kann.
Das Problem von Produkt-Crosstalk kann mittels Öffnungsblenden gelöst werden, die bei einer Zwischenabbildung der Markierung angeordnet sind, wie in 9 gezeigt. Da das Ausrichtungssystem 10 keine räumliche Filterung erfordert und die große numerische Apertur der Objektivlinse 12 eine scharfe Abbil dung der Markierung gewährleistet, kann die Öffnungsblende 20 Produkt-Crosstalk sehr effektiv unterdrücken.
Da das Interferometer die Drehprismen aufweist, werden zwei Markierungsabbildungen auf die Öffnungsblende 20 projiziert: eine normale Abbildung MI-1 und eine invertierte Abbildung MI-2. Diese Abbildungen bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, wenn die Markierung abgetastet wird. In der Abtastrichtung muss die Öffnungsblende 20 ausreichend lang sein, um die gesamte Markierung aufnehmen zu können. In Nichtabtastrichtung (d. h. senkrecht zur Ritzlinie) kann die Öffnungsblende 20 willkürlich eng sein. Die tatsächliche Breite der Apertur ist ein Kompromiss zwischen Produkt-Crosstalk und Signalstärke.
Während einer Abtastung einer Markierung können Beugungseffekte auftreten, wenn die Markierungsabbildung den Rand der Öffnungsblende (Feld) überlappt. Tritt dies auf, ist das detektierte Signal die Faltung des Luftbildes (aerial image) der Markierung und die Fensterfunktion der Feldblende. Wenn die Feldblende scharfe Ränder aufweist, tritt ein Teil einer Beugungsordnung in die benachbarte Beugungsordnung ein, wodurch Crosstalk hervorgerufen wird. Dieser Crosstalk kann unterdrückt werden durch Apodisation der Feldblende in der Abtastrichtung, d. h. durch Bereitstellen von „weichen" Rändern für die Feldblende. Mögliche Verfahren zur Bereitstellung von weichen bzw. glatten Rändern für die Feldblende sind: ein Transmissionsgradient an den Feldrändern, ein scharfes Zahnprofil an den Feldrändern, schräge Ränder oder abgerundete Ränder. Wenn ein scharfes Zahnprofil verwendet wird, muss die räumliche Frequenz ausreichend hoch sein, um Beugungseffekte in der Nichtabtastrichtung zu vermeiden. Schräge oder runde Ränder machen es erforderlich, dass die Markierung breiter ist als die Feldblende in der Nichtabtastrichtung, dies wird jedoch gewöhnlich der Fall sein, da die Feldblende auch zur Vermeidung von Produkt-Crosstalk dient. Schräge oder runde Ränder werden vorgezogen, da jede ge wünschte Fensterfunktion durch geeignete Auswahl der Form der Feldblende realisiert werden kann.
Sobald ein Substrat W auf den Substrattisch WT aufgebracht ist, ist zur Erfassung eine Grobausrichtung erforderlich. Während einer y-Grobausrichtung kann ein großer x-Offset, Δx, vorhanden sein, was zu der in 10 gezeigten Situation führt. Die tatsächliche Position der Markierung WM und der Produktstrukturen PS, die als Strichzeichnung gezeigt sind, kann sich durch den Offset Δx von der erwarteten Position unterscheiden, was kreuzweise schraffiert dargestellt ist. Wenn die Weite der Öffnungsblende 20 zu der Ritzlinienbreite, SL-W, gleich wäre, könnte Licht von den Produktstrukturen PS durch die Öffnungsblende 20 austreten. Aus diesem Grund ist die Öffnungsblende 20 kleiner als die Ritzlinienbreite.
In der Praxis sind rechtwinklige Öffnungsblenden für die x- und y-Richtungen wünschenswert. Die beiden Ausgänge des polarisierenden Strahlteilers 19 können für diese beiden Richtungen, wie vorstehend erwähnt, verwendet werden. Alternativ kann ein Modulator für räumliches Licht (SLM – Spatial Light Modulator), beispielsweise eine LCD-Gruppe, als programmierbare Öffnungsblende verwendet werden. Die optische Qualität eines SLM ist nicht kritisch, da die Positionsinformationen bereits im Interferometer codiert sind.
Erfindungsgemäß ist die Detektionsgruppe 15 in einer Pupillenebene angeordnet, vorzugsweise der Pupillenebene 22 nach der Öffnungsblende 20. Die einfachste Detektorkonfiguration ist in 11 gezeigt. Zur Vereinfachung sind nur die untersten 3 Ordnungen und eine Wellenlänge gezeigt. Darüber hinaus ist die Null-Ordnung auch nicht gezeigt. Zwei Multimode-Detektionsfasem 23 sammeln das Licht von jeder Ordnung. Das diese beiden Fasern verlassende Licht kann in eine Multimodefaser 24 eingekoppelt und zu entfernten Photodetektoren 25 geschickt werden.
Diese Vorgehensweise ist einfach und schafft eine Funktionalität, die mit einem bekannten Sensor kompatibel ist. Jedoch kann eine zusätzliche Funktionalität leicht hinzugefügt werden, indem ein zusätzlicher Wellenlängenausgang bzw. zusätzliche Ordnungen geschaffen werden, da die numerische Apertur der Objektivlinse 12 hochöffnend sein kann.
Um hinsichtlich Markierungsabständen flexibler sein zu können oder um die Messung nicht-periodischer Markierungen wie Kästen oder Frames erlauben zu können, kann eine Detektorgruppe verwendet werden. Diese Detektorgruppe erlaubt auch die Möglichkeit genauer Symmetriedetektion, wie nachstehend erörtert. Als Detektorgruppe sind eine Reihe von Optionen möglich: ein Bündel von Multimodefasern, diskrete Pin-Detektoren pro Kanal, oder CCD- oder CMOS-(lineare)Gruppen.
Die Verwendung eines Bündels von Multimodefasern ermöglicht es allen ableitenden Elementen, aus Stabilitätsgründen entfernt angeordnet zu werden. Diskrete Pin-Detektoren bieten einen großen dynamischen Bereich, jedoch benötigen alle separate Vorverstärkungen. Daher ist die Anzahl von Elementen begrenzt. Lineare CCD-Gruppen bieten viele Elemente, die mit hoher Geschwindigkeit ausgelesen werden können und von besonderem Interesse sind, wenn die Phasenstufendetektion eingesetzt wird.
Wenn für maximale Flexibilität zweidimensionale Datenerfassung benötigt wird, dann ist massiver Parallelismus erforderlich, einschließlich der Komplexität der Elektronik. Gute Flexibilität ist möglich, wenn die Datenerfassung auf zwei orthogonale Richtungen eingeschränkt ist, so dass lineare Detektorgruppen verwendet werden können.
Wie vorstehend erwähnt, wird die Markierung vorzugsweise durch mehrere unterschiedliche Wellenlängen beleuchtet, die separat detektiert werden müssen. Zum Trennen der verschiedenen Farben kann dichroitische Optik eingesetzt werden. Alternativ kann als Dispersionselement ein Blazegitter verwendet werden, das Flexibilität bietet, indem es zusätzliche Wellenlängen hinzufügt. Blazegitter weisen Sägezahn-Gitterform und die Eigenschaft auf, den größten Teil des Lichts in nur einer Ordnung zu beugen. Eine ein Blazegitter 26 verwendende Anordnung ist in 12 gezeigt. Wiederum sind die Detektoren 15 in der Pupillenebene 22 angeordnet. Als Eingang für eine Kamera 27 ist eine schwache Null-Ordnung verfügbar. Wenn das Blazegitter für die 1. Ordnung optimiert ist und einen Abstand P_b aufweist, dann beträgt der Beugungswinkel der 1. Ordnung:
Die Wahl des Gitterabstands ist bestimmt durch die erforderliche Trennung der Wellenlänge. Wenn die Wellenlängentrennung Δλ beträgt, dann beträgt die entsprechende Winkeldispersion der Wellenlänge:
Die Endweite w der Öffnung 20 erzielt eine Winkeldivergenz von:
Die Verwendung der Anforderung, dass die Wellenlängendispersion größer sein muss als die Winkeldivergenz aufgrund der Beugung (Δθ_d > Δθ_w) erbringt:
Die kürzeste Wellenlänge erbringt die höchste Anforderung an die Wellenlängentrennung. Ist zum Beispiel w = 20 μm, sind die Wellenlängentrennungen für mehrere unterschiedliche Wellenlängen in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle 1

Δλ [nm], @ w = 20 μm

λ[nm] P_b = 1.5 μm P_b = 1.2 μm P_b = 1.0 μm

532 37 29 23

633 43 32 25

780 50 36 24

850 53 36 22
Blazegitter sind gewöhnlich um eine zentrale Wellenlänge optimiert. In diesem Fall betrüge die zentrale Wellenlänge (532 + 850)/2 = 691 nm. Bei den extremen Werten des Wellenlängenbereichs (532 und 850 nm) wird die Effizienz des Gitters gemindert. Dies ist jedoch akzeptabel, da die verfügbare Laserleistung bei diesen Wellenlängen sehr hoch ist. Darüber hinaus kann die Null-Ordnungsbeugung, die bei diesen Wellenlängen auftritt, für das Kamerabild verwendet werden.
Gewöhnlich wird die Markierung während der Phasengitterausrichtung abgetas tet. Diese Abtastbewegung legt die Phasendifferenz auf einen Träger mit der temporären Frequenz von 2 k_kv_x: I(k,t) = I0 + I1cos(φk – φ-k + 2 kvxt) (11)
Eine Demodulation dieses Signals erbringt die Markierungsposition gemäß:
Wenn die Markierung abgetastet wird, bewegt sie sich entlang der Apertur.
Folglich bewegen sich Strukturen innerhalb der Ritzlinie und neben der Markierung in die Detektionsöffnung und dadurch kann das Ausrichtungssignal ver zerrt werden. Diese Verzerrung ähnelt Produkt-Crosstalk und kann durch eine geeignete Trennung zwischen (Metrologie-)Markierungen in der Ritzlinie vermieden werden.
Jedoch ist eine Abtastung nur erforderlich, um die Trägerfrequenz einzuführen, die für eine genaue Phasenmessung benötigt wird. Indem ein variabler Verzögerer eingesetzt wird, kann zum Extrahieren der Phaseninformation φ_k-φ_-k die phasenmodulierte Interferenzmethode verwendet werden. Bei diesem Verfahren bleibt die Markierung stationär und der Verzögerer wird verwendet, um eine gut bekannte Phasenschwankung ψ(t) an das Interferenzmuster in der Pupillenebene anzulegen: I(k,t) = I0 + I1cos(φk – φ-k + ψ(t)) (13)
In der Praxis können zwei Phasenmodulationsarten verwendet werden: Äquidistantenphasenabstufung, die zur Fourier-Transformationsinterferenzmethode führt, und harmonische Phasenmodulation ψ(t) = ψψ ^ccos(Ωt).
Die Verwendung der phasenmodulierten Interferenzmethode kann eine dichtere Packung der Metrologiestrukturen (wie Ausrichtungsmarkierungen) in der Ritzlinie ermöglichen. Festzustellen ist, dass die phasenmodulierte Interferenzmethode auch bei anderen Ausrichtungssensorformen verwendet werden kann.
Wie im Folgenden beschrieben, ist es auch möglich, die Markierungsasymmetrie der Phase des Lichts in der Pupillenebene zu messen. Zunächst wird der theoretische Hintergrund und dann werden einige Beispielergebnisse und praktische Arbeitsweisen beschrieben.
Das von der Markierung reflektierte komplexe Nahfeld ist: Enf(x,x0) = Eill(x)r(x–x0) (14)
E_ill(x) ist das komplexe optische Feld des fixierten Beleuchtungsstrahls und r(x-x₀) ist die komplexe Amplitudenreflexionsfähigkeit der Markierung, die einen Offset x₀ aufweist. Dieser Offset ist die unbekannte Markierungsposition, die mit dem Ausrichtungssensor gemessen werden muss.
Das komplexe reflektierte Nahfeld kann immer in symmetrische (=gerade) und antisymmetrische (=ungerade) Funktionen mit einem Offset x₀ zerlegt werden. Somit kann man ohne Verlust der Allgemeingültigkeit schreiben: Enf(x,x0) = ae(x-x0) + ao(x-x0) + j[be(x-x0) + bo(x-x0)] = ae(x-x0) + jbe(x-x0) + ao(x-x0) + jbo(x-x0) (15)
Die tiefgestellten Indizes ,e' und ,o' werden jeweils für die Anzeige von geraden und ungeraden Funktionen verwendet. Per definitionem weisen diese Funktionen die Eigenschaft f_e(x) = f_e(–x) und f_o(x) = –f_o(–x) auf.
Zu beachten ist, dass dieser Ausdruck des Nahfelds vollkommen generisch und auf keine Weise eingeschränkt ist. In anderen Worten, die vorstehende Beschreibung des Nahfelds deckt sämtliche Verarbeitungseffekte und Unvollkommenheiten der Beleuchtung ab.
Das Feld E_p(k,x₀) in der Pupille ist die Fourier-Transformation (FT) von E_nf(x,x₀):
Die FT einer geraden Funktion ist gerade und reell, und die FT einer ungeraden Funktion ist ungerade und imaginär. Diese grundlegenden Eigenschaften ergeben den folgenden Ausdruck für das Feld in der Pupille:
Die reellwertigen Funktionen A_e(k), A_o(k), B_e(k) und B_o(k) sind die Fourier-Transformationen der Funktionen a_e(k), a_o(k), b_e(k) und b_o(k). Diese Gleichung ist in dieser generischen Fassung völlig bedeutungslos. Es ist jedoch möglich, einige nützliche Eigenschaften von E_p(k,x₀) abzuleiten, indem eine Reihe spezieller Fälle betrachtet wird, wie ein symmetrisches Amplitudenobjekt (alle Terms sind Null außer a_e(x) ≠ 0), ein symmetrisches Komplexobjekt oder ein asymmetrisches Komplexobjekt (alle Terms ≠ 0).
Das Feld in der Pupille einer symmetrischen Amplitudenmarkierung ist:
Die Phase φ in der Pupillenebene variiert linear mit k und ist eine Funktion von nur der Markierungsposition x₀: φ(k) = kx0 (19)
Die Amplitude A_e(k) ist eine gerade Funktion von k und unabhängig von der Markierungsposition. Für diese besonders einfache Markierungsart kann die Position eindeutig bestimmt werden, indem die Phasenflanke von E_p(k,x₀) gemessen wird:
Für eine symmetrische Markierung mit einem komplexen Reflexionskoeffizienten wird das Feld in der Pupille zu:
Die Intensität l_e(k) und die Phase ψ_e(k) sind beide gerade Funktion, gegeben durch: Ie(k) = A2 e(k) + B2 e(k) (22) ψe(k) = arg(Ae(k) + jBe(k)) (23).
Die Phase in der Pupille ist keine gerade Linie mehr, so dass eine Phasenmessung zwischen zwei willkürlichen Punkten in der Pupillenebene nicht unbedingt zu einer korrekten Positionsmessung führt. Allerdings kann leicht gezeigt wer den, dass die Phasendifferenz zwischen zwei konjugierten Punkten in der Pupille k und –k unabhängig ist von der Markierungsform und nur durch die Markierungsposition bestimmt ist. Daher beträgt die Intensität in der Pupillenebene des Ausrichtungssystems 10:
Festzustellen ist, dass diese Gleichung die Idealsituation beschreibt, bei der die Punkte mit entgegengesetzten räumlichen Frequenzen sich exakt überlappen. Bei dem Ausrichtungssystem 10 bewegen sich die überlappenden Felder in der Pupille in entgegengesetzte Richtungen, wenn die Markierung geneigt wird. Daher ergibt sich bei einer geringen Neigung der Markierung (oder einer fehlerhaften Sensoranpassung) für die Intensität in der Pupille folgendes:
Die Ableitung einer geraden Funktion ist immer eine ungerade Funktion, und wir können sehen, dass eine zusätzliche lineare Phasenschwankung eingeführt wird, wenn die gerade Phasenschwankung eine parabolische Komponente aufweist. Diese lineare Phasenschwankung erhöht Ausrichtungs-Offsets. Diese Beobachtung ist im Grunde eine alternative Beschreibung des Brennweitenabhängigkeitseffekts. Wenn die Markierung defokussiert ist, erhält das Feld in der Pupillenebene eine parabolische Phasenschwankung, und wenn die Markierung geneigt wird, entsteht ein Ausrichtungs-Offset.
Für eine asymmetrische Markierung mit einem komplexen Reflexionskoeffizienten wird das Feld in der Pupille zu:
Die Amplitude des asymmetrischen Teils ist gegeben durch:
Diese Gleichung zeigt, dass die Amplitude eine gerade Funktion sein muss, folglich ist |Z_oe(k)| = |Z_oe(–k)|.
Die Phase ψ_i ist gegeben durch: ψi(k) = arg(jAo(k) – Bo(k)) (18)
Aufgrund der ungeraden Eigenschaften von Ao(k) und B_o(k), weist die Phase ψ_i die Eigenschaft auf: ψi(k) = ψi(–k) + π (29).
Aufgrund der Asymmetrie ändert sich die Amplitude des Feldes in der Pupille und es wird ein zusätzlicher Phasenterm φ(k) eingeführt:
13 klärt, wie Z aufgebaut ist. Diese Figur zeigt auch, wie der zusätzliche Phasenterm φ(k) durch die asymmetrische Komponente Z_o(k) eingeführt wird. 13 zeigt, das der Phasenterm φ(k) die Eigenschaft φ(k)φ(–k) ≤ 0 aufweist, daher enthält φ(k) immer eine ungerade Komponente und möglicherweise eine kleine (jedoch irrelevante) gerade Komponente.
Ohne irgendwelche Einschränkungen hinsichtlich der Asymmetrieart anzulegen, kann für den Phasenterm φ(k) und die Amplitude Z(k) geschrieben werden:
Diese Gleichungen sind recht komplex, da noch keine Vermutungen über die Natur der Asymmetrie angestellt worden sind. Es gibt zwei spezielle Situationen, die die Anwendung dieser Gleichungen klären. Im ersten Fall ist Z_e(k) senkrecht zu Z_oe(k). In diesem Fall haben wir
was führt zu:
Für diese Situation kann für die Phase und die Amplitude geschrieben werden: φ(k) = –φ(–k) (36) |Z(k)| = |Z(–k)| (37)
Daher ist die Phase eine rein ungerade Funktion, was zu einem Ausrichtungsfehler führt, wenn eine Messung mit der räumlichen Frequenz k erfolgt. Dieser erste Fall ist in 14 gezeigt.
Im zweiten speziellen Fall ist Z_e(k) parallel zu Z_o(k), folglich ψi(k) – ψe(k) = 0(k > 0) ψi(k)-ψe(k)= π (k < 0) (38)
Was ergibt: φ(k) = 0 |Z(k)| = |Ze(k)| + |Zoe(k)| (k > 0) |Z(k)| = |Ze(k)| – |Zoe(k)| (k < 0) (39)
In dieser Situation führt die Asymmetrie keine antisymmetrischen Phasenterms (und somit keine Phasenfehler) ein, führt jedoch zu einer Asymmetrie der Amplitude. Dies ist in 15 gezeigt.
Der Ausdruck für φ(k) ist zu komplex, um ihn weiterhin zu verwenden. Wie jedoch vorstehend festgestellt, kann er in einen symmetrischen und einen antisymmetrischen Teil zerlegt werden:
Die gerade Phasenschwankung ist irrelevant, da nur ungerade Phasenschwankungen detektiert werden. Darüber hinaus sind, wie vorher erwähnt, die Positionsinformationen in der Flanke der Nettophase in der Pupillenebene enthalten, so dass nur Phasenterms betrachtet werden müssen, die mit k linear variieren.
Die gesamte Phasenschwankung ψ_d(k), wie sie vom Ausrichtungssystem 10 detektiert wird, ist:
Diese Gleichung stellt ein wichtiges und sehr fundamentales Problem der Markierungsasymmetrie bei der Ausrichtung fest: die Flanke der Phase in der Pupille wird nicht mehr eindeutig durch die Markierungsposition x₀, sondern auch durch eine unbekannte Asymmetrie über den Term c₁ bestimmt.
Glücklicherweise sind die höheren Ordnungsterms (c₃, c₅ etc.) der gemessenen Phase ψ_d(k) nur eine Funktion der unbekannten Asymmetrie, und hier liegt eine Lösung dieses Problems. Eine Messung der Terms höherer Ordnung erlaubt eine Bestimmung des linearen Asymmetrieterms c₁.
In vielen Fällen besteht das Feld in der Pupille aus hellen Bereichen (große Amplitude |Z|) und dunklen Bereichen (kleine Amplitude |Z|). Die hellen Bereiche entsprechen zum Beispiel den ungeraden Beugungsordnungen eines 50%-Duty-Cycle-Gitters. Die geraden Ordnungen eines derartigen Gitters sind die dunklen Bereiche. In den hellen Bereichen haben wir |Z_e| >> |Z_oe|, und die durch die Asymmetrie eingeführte Phasenschwankung ist klein und kann angenähert werden durch:
Normalerweise ist φ(k) sehr klein und variiert kaum mit kleinen Änderungen in der Asymmetrie, die durch Prozessänderungen hervorgerufen werden können. Im Prinzip können diese hellen Bereiche zum Messen der höheren Ordnungsterms verwendet werden, die Messgenauigkeit kann jedoch zu begrenzt sein.
Jedoch wird in den dunkleren Bereichen des Feldes in der Pupille die Situation eine völlig andere. In diesen Bereichen haben wir |Z_e| ≌ |Z_oe|, und große Änderungen in der Asymmetrie aufgrund von Prozessänderungen bewirken große Änderungen in der Phase, da:
Wie ersichtlich, variiert die Phase stark mit k, wenn Z_oe(k) im Vergleich zu Z_e(k) in der Größe vergleichbar ist.
Die Theorie der Asymmetriedetektion wird nun mit Bezug auf ein eindimensionales Beispiel weiter erläutert. Die Markierung wird mit einem Intensitätsprofil beleuchtet, das in 16 gezeigt ist. Die optische Leistung des auftreffenden Strahls beträgt 1 mW und die Gesamtbreite beträgt ungefähr 100 μm. Die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls beträgt 633 nm.
Die Markierung ist ein einzelner Stab von 2 μm Breite mit einer Tiefe von 40 nm, wie in 17 dargestellt. Seine Mitte liegt bei x-250 μm. Das Beispiel ist eindimensional, so dass sich der Stab unendlich in der y-Richtung erstreckt. Der Reflexionskoeffizient dieses Stabes ist Eins. Die Erstreckung dieser Markierung zu einer periodischen Struktur (d. h. einem Gitter) wird später erörtert.
Der Stab hat eine relativ geringe Phasentiefe und ist auch sehr klein, verglichen zu der Breite des Beleuchtungsspots (zu beachten ist die unterschiedliche Skalierung in den 16 und 17).
Daraus folgt, dass das reflektierte Licht eine sehr starke gerichtete Reflexion aufweist und nur eine sehr geringe Lichtmenge gebeugt wird. Dies ist klar demonstriert bei der Intensitätsverteilung im Fernfeld, wie in 18 gezeigt.
Das starke Spiegelungsmaximum ist klar zu erkennen und erreicht eine Maximalintensität von 1,5 × 10^–4 W/1,3 mrad. Die Gesamtbreite der Spiegelung beträgt 20 mrad und es kann durch Integration verifiziert werden, dass so gut wie die gesamte auftreffende Leistung gerichtet reflektiert wird. Das gebeugte Licht erreicht eine Maximalintensität von nur 1,5 × 10^–7 W/1,3 mrad, daher erfasst ein De tektor mit einer Apertur von 5 mrad die gesamte optische Leistung von nur 0,6 μW. Die Intensität ist Null für sin(θ) ≈ 0,32, was die Stelle der zweiten Beugungsordnung wäre, wenn dieser 2 μm breite Stab mit einer 4 μm-Periode wiederholt würde.
Die Markierung ist perfekt symmetrisch, daher sollte die Phasendifferenz, wie sie durch das Ausrichtungssystem 10 detektiert wird, eine perfekt gerade Linie mit einer Flanke erzielen, die proportional ist zur Markierungsposition. Dies ist eindeutig in 19 zu erkennen, die die gemessene Phase als eine Funktion des Fernfeldwinkels zeigt.
Die kleinen Zacken sind numerische Anomalien, die bei den Punkten der Nullintensität angeordnet sind. In der Praxis entsprechen diese Punkte Phasensingularitäten, die in Bereichen mit Nullintensität auftreten. Abgesehen von diesen numerischen Artefakten ist klar zu sehen, dass die Phase eine gerade Linie mit Nullflanke ist, wodurch gezeigt ist, dass die Markierung sich in der ausgerichteten Position befindet.
Jedoch wird nun eine kleine Asymmetriegröße eingeführt, indem eine klassische Dachfläche hinzugefügt wird. Als Beispiel nehmen wir eine Dachfläche von 4 nm, was zu der in 20 gezeigten Form der Markierung führt.
21 zeigt dann die Intensität des Lichts in der Pupillenebene. Im Vergleich zu dem symmetrischen Fall hat sich die Form kaum geändert. Jedoch hat sich die Intensität im dunklen Bereich erheblich verstärkt. Dies ist bereits ein Hinweis darauf, dass Variationen in den ,dunklen' Bereichen in der Pupillenebene ein guter Indikator für (Änderungen in) der Asymmetrie sind.
Die Intensität im dunklen Bereich erreicht ein Minimum von ca. 2 × 10^–11 W/1,3 mrad. Dies ist eine sehr geringe Intensität, und um in diesem Bereich eine Messung zu ermöglichen, ist es sinnvoll zu berechnen, wie viele Photonen tatsächlich während der Messung erfasst werden. Wird ein Detektionswinkel von 1 mrad und einer Erfassungszeit von 30 ms angenommen, wird eine Gesamtphotonenieistung von 4,6 × 10^–13 J erfasst. Die Energie von 1 Photon beträgt ca. 3,13 × 10^–19 J, so dass die Gesamtmenge an auf den Detektor auftreffenden Photonen ist:
Diese Berechnung zeigt, dass genaue Phasenmessungen in den dunklen Bereichen möglich sind. Die Phasenschwankungen, wie sie durch das Ausrichtungssystem gemessen werden, sind in 22 gezeigt.
Verglichen zum symmetrischen Fall hat sich die gemessene Phase dramatisch geändert. In den hellen Bereichen hat die Phase eine beinahe lineare Flanke erreicht, die für Offsets der Ausrichtung verantwortlich ist. Zum Beispiel erscheint bei sin(θ) = 0,16 ein kleiner Phasenfehler von 0,058 Radianten, wie im Graph dargestellt. Dieser Punkt in der Pupille entspricht der Stelle der 1. Ordnung, die vorhanden wäre, wenn die Markierung mit einer 4 μm-Periode wiederholt würde. Der Phasenfehler ist klein, erscheint unglücklicherweise jedoch als großer Ausrichtungsfehler Δx von:
Glücklicherweise kann die Asymmetrie, die für diesen Offset verantwortlich ist, im dunklen Bereich der Pupillenebene sehr eindeutig detektiert werden. Es ist sehr eindeutig zu sehen, dass die gemessene Phase eine äußerst große und nicht-lineare Schwankung in dem Bereich um sin(θ) = 0,32 zeigt. 23 zeigt den Kontrast des detektierten Interferenzsignals.
Die Kontrastkurve von 23 zeigt, dass der Kontrast ausreichend hoch ist, um genaue Phasenmessungen zu erlauben. Es ist jedoch hervorzuheben, dass andere Asymmetriearten existieren können, bei denen der Kontrast signifikant gemindert sein kann.
In der Praxis ist es eventuell sogar wichtiger, Asymmetrieänderungen (d. h. Prozessvariationen) erkennen zu können. 23 zeigt die Phasenschwankung für eine Dachflächenänderung von 1 nm. Dies entspricht einer Prozessänderung von 18 nm/4 = 4,5 nm. Die daraus resultierende Phasenschwankung ist von der Ordnung von 0,1 Radianten, was auf der Basis der Photonenstatistik gemessen werden kann.
In der Praxis wird die vorstehend erörterte isolierte Struktur periodisch wiederholt, um das Streulicht in diskreten Beugungsordnungen zu konzentrieren. Diese periodische Wiederholung ändert jedoch nicht das Konzept der Asymmetriemessung, da diese periodische Wiederholung nur die gerade Phasenverteilung ψ_e(k) und die Amplitude |Z(k)| des Feldes in der Pupille beeinflusst. Die durch die Asymmetrie eingeführte ungerade Phasenschwankung bleibt unverändert.
Der komplexe Reflexionskoeffizient der isolierten Struktur ist r(x) und diese Struktur führt zu einem Komplexfeld Z(k) in der Pupille. Eine periodische Wiederholung dieser Struktur N mal nach links und N mal nach rechts mit einer Periode X_p erzeugt ein Gitter von 2N+1 Kopien von r(x):
Eine Fourier-Transformation dieses Ausdrucks und die Verwendung des Fourier-Verschiebungstheorems führt zu dem Komplexfeld Z_g(k) in der Pupille:
Es ist zu sehen, dass Z_g(k) erzielt wird, indem Z(k) mit einer reellwertigen geraden Funktion f(k) multipliziert wird. Diese Funktion kann negativ werden, wodurch Phasensprünge in Z_g(k) verursacht werden. Diese Phasensprünge sind jedoch immer symmetrisch. Die Amplitude von Z_g(k) erreicht ihren Maximalwert, wenn kx_p = m2π, wobei m ein Integer ist. Dies ist nur eine mathematische Formulierung des Gittergesetzes, da die räumliche Frequenz k gegeben ist durch:
25 zeigt die Intensität im Fernfeld für die Markierung mit einer 4 nm-Dachfläche, die 5 mal wiederholt wird. Die 1. und 3. Beugungsordnungen sind im Graph eindeutig zu erkennen. Das Intensitätsverhältnis zwischen diesen Ordnungen ist geringfügig höher als das erwartete (1/3)²-Verhältnis, das durch Huygens' Neigungsfaktor [1 + cos(θ)]/2 im Beugungsfeld hervorgerufen wird. Die Intensität der schwachen ungeraden Ordnung hat ebenfalls erheblich zugenommen. Zwischen den Ordnungen zeigt die Intensität rapide Schwingungen. Die Maximalintensitäten entsprechen jedoch einer recht annehmbaren Photonenmenge.
Die ungerade Phasenschwankung in der Pupillenebene ist in 26 gezeigt. Dieser Graph zeigt erneut die gleichen großen Phasenexkursionen im dunklen Bereich. Allerdings gibt es, verglichen zu dem Fall des isolierten Objekts, einige wenige Unterschiede, die einer Erklärung bedürfen.
Eine extra kleine lineare Neigung, die einer Markierungsverschiebung von 15 nm entspricht, und die kleinen Zacken sind Artefakte, die in einer praktischen Ausführungsform nicht auftreten. Eine genaue Betrachtung von ψ_d zeigt eine leichte schrittweise Schwankung. Diese wird hervorgerufen durch die inhomogene Beleuchtung der Markierung. Eine Zunahme der Breite des Beleuchtungsstrahls auf 20 μm führt wiederum zu einer gleichmäßigen Schwankung von ψ_d, wie in 27 dargestellt.
Dieser Graph zeigt eindeutig die Bedeutung des Beleuchtungsprofils bei Asymmetriemessungen. Idealerweise wird ein homogenes Beleuchtungsprofil mit einer endlichen Breite vorgezogen. Allerdings steht diese Anforderung im Konflikt mit der Anforderung, dass die Winkelkonvergenz des Beleuchtungsstrahls klein sein muss.
Eine sehr grundlegende Begrenzung der Genauigkeit eines Asymmetriemessverfahrens ist die Oberflächenrauheit der Markierung. Dies ist nicht überraschend, da Oberflächenrauheit als eine Form zufälliger Asymmetrie betrachtet werden kann, die große und verrauschte Phasenschwankungen in den dunklen Bereichen des Interferenzmusters einführt. Dies ist im nachstehenden Beispiel für das gleiche Gitter demonstriert, wie es im vorherigen Abschnitt verwendet worden ist. Dieses mal wurde jedoch eine Oberflächenrauheit von 0,5 nm mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1 μm hinzugefügt. Der Beleuchtungsspot hat eine Breite von 200 μm.
28 zeigt die gemessene Phase im Fernfeld, und die Auswirkung von Oberflächenrauheit ist deutlich zu erkennen. Auf den ersten Blick erscheint es recht dramatisch. Glücklicherweise gibt es einige Gründe, weshalb das Rauschen in praktischen Fällen weniger dramatisch ist. Erstens entsprechen die großen Zacken Punkten von Nullintensität (die Singularitäten). Da der Detektor immer eine endliche räumliche Ausdehnung aufweist, werden diese Effekte bei der Detektion unterdrückt. Zweitens ist bei diesem speziellen Beispiel die Größe des Beleuchtungsspots verglichen zu der Gitterbreite groß, daher ,sieht' der Sensor viele Rauheitseffekte in Bereichen, die nicht interessant sind. Dieses Argument wiederum belastet die Bedeutung eines optimalen Beleuchtungsspots.
Der lineare Term der gemessenen Phase ψ_d enthält die Positionsinformationen. Allerdings wird diese Position durch die Anwesenheit von Asymmetrie beeinflusst. Um diesen Asymmetriebeitrag zu kennen, müssen wir die ,Form' der Asymmetrie so genau wie möglich kennen. Die nicht-lineare Schwankung der gemessenen Phase ψ_d ergibt Informationen über die Asymmetrie. Jede Asymmetrie hat ihren eigenen einmaligen Fingerabdruck.
Um eine Prozesskorrektur auf die gemessene Flanke ableiten zu können, können zwei unterschiedliche Wege eingesetzt werden: ein vorhersagender Rezept-ähnlicher Weg oder ein Scatterometrie-ähnlicher Weg. Ein Rezept-ähnlicher Weg bietet bei der vorliegenden Erfindung mehr Möglichkeiten, da mehr Daten verfügbar sein können, was die Verwendung statistischer Verfahren ermöglicht. Ein besonders sinnvoller Weg ist die Verwendung von Verfahren mit ,inversen Problemen', die auch bei Streustrahlungsmessungen verwendet werden.
Das Messen der Asymmetrie weist viele Ähnlichkeiten mit Streustrahlungsmessungen für Metrologieanwendungen kritischer Dimensionen auf. Im letztgenannten Fall werden ellipsometrische Daten gemessen, die in einer sehr komplexen Weise auf ein gewisses unbekanntes Resist-Profil in Bezug gesetzt werden. Inversproblemverfahren werden hier zum erneuten Bedecken des Resist-Musters angewendet. Diese Art von Messproblem ist exakt äquivalent zur Asymmetriemessung.
Ein Ausrichtungssensor sollte vorzugsweise ein lokalisiertes Signal erzeugen, das an der Stelle der Markierung eine sehr starke Spitze aufweist. Die Realisie rung eines derartigen Sensors würde jedoch eine Menge praktischer Probleme wie das Signal-Rausch-Verhältnis einführen, da eine schmale Spitze eine große Messbandbreite erfordert. Aus Gründen der Genauigkeit und des dynamischen Bereichs werden oft Phasengitter-Ausrichtungssensoren verwendet, da diese Sensoren ein zeitbegrenztes harmonisches Signal mit geringer Bandbreite erzeugen.
Leider enthält ein sinusförmiges Signal Mehrfachmaxima, so dass die Markierungsposition nicht eindeutig durch eine Einzelspitze definiert ist. Aus diesem Grund erfordern Phasengitter-Ausrichtungssensoren einen ,Erfassungs'-Mechanismus, der entscheidet, welche der Spitzen der Markierungsposition entspricht. Bei der vorliegenden Erfindung sind zwei Erfassungsmechanismen möglich. Der erste verwendet das Kamerabild, das, wie vorstehend erörtert, von der nullten Ordnung verfügbar ist. Der zweite verwendet die Signale, die in der Pupillenebene detektiert werden und erfordert eine Split-Photodiode. Beide Verfahren erfordern nur ein kurzes Gitter.
Mit dem Ausrichtungssensor 10 ist es recht einfach, eine scharfe Abbildung der Markierung unter Verwendung sämtlicher Wellenlängen gleichzeitig zu erzeugen. Die Verwendung multipler Wellenlängen garantiert, dass die Markierung immer sichtbar sein sollte, solange ihre Tiefe nicht zu gering ist. Die Objektivlinse 12 hat eine große numerische Apertur, z. B. von 0,6, und die Abwesenheit räumlicher Filterung erbringt ein ,scharfes' Abbild mit einer Auflösung der Ordnung von 1–2 μm, was mehr als genug ist, um mehrere kamerabasierte Erfassungsalgorithmen unter Verwendung moderner Verarbeitungsverfahren zu ermöglichen.
Mittels des Ausrichtungssensors 10 ist es möglich, zwei unterschiedliche Abbildungsarten zu erzeugen: ein Kamerabild, nachdem der polarisierende Strahlteiler zwei überlappende und verschobene Abbildungen der Markierung enthält, wohingegen ein mittels eines separaten Polarisators erzeugtes Kamerabild zwei individuelle Abbildungen der Markierung zeigen kann. Die erste Abbildungsart erbringt zwei Abbildungen, die um 180° relativ zueinander gedreht sind, was ein Vorteil für das Erfassen von Algorithmen ist, da die Form des Umrisses der teilweise überlappenden Markierungsabbildungen über die Markierungsstelle genaue Informationen geben kann. Wenn jedoch der Vor-Ausrichtungsfehler die Ritzlinienbreite übersteigt, wird die Markierung in einer Abbildung in die Produktstruktur der anderen Abbildung projiziert und dies kann zu Robustheitsproblemen führen, da die Produktstruktur als eine Rauschquelle wirkt, die die Robustheit der Bildverarbeitungsalgorithmen mindert.
Die vorliegende Erfindung kann auch das bekannte Verfahren verwenden, bei dem zwei Gitter mit leicht unterschiedlichen Perioden zwei harmonische Ausrichtungssignale mit einer leicht unterschiedlichen Frequenz erzeugen. Die Stelle, bei der zwei Spitzen der beiden Signale übereinstimmen, ist als die Markierungsposition definiert: Dieser Weg hat sich als ein robustes Verfahren mit einem ausreichend großen Erfassungsbereich erwiesen.
Jedoch schafft, wie vorstehend erwähnt, die vorliegende Erfindung eine weitere Erfassungsalternative, die besonders geeignet ist für kurze Markierungen mit großen Beugungsordnungen. Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, dass die gesamte Pupillenebene zur Verfügung steht. Allerdings funktioniert es nur, wenn der Beleuchtungsspot größer ist als die Markierungslänge. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass nur ein Gitter anstelle von zwei separaten Gittern erforderlich ist. Das Verfahren wird nachstehend weiter erläutert.
Angenommen, ein Gitter weist eine Periode X_g und eine Breite W = N.X_g., wobei N die Linienanzahl ist. Die erste Beugungsordnung hat eine räumliche Frequenz k_l von:
Die Beugungsordnung hat eine sin(k)/k-Form, und die Gesamtbreite des Hauptlappens ist:
Das Ausrichtungssignal der 1. Beugungsordnung dieses Gitters wird mittels eines Split-Detektors gemessen. Jedes Detektorelement erfasst eine Hälfte des Hauptlappens. Die Mittellinie zwischen den beiden Elementen ist auf der Spitze der Beugungsordnung zentriert. Die von diesen Detektoren erfasste durchschnittliche räumliche Frequenz ist ungefähr:
Beide Detektoren messen ein Signal mit einer leichten Differenz in der räumlichen Frequenz. Die effektive Wellenlänge dieser beiden Signale beträgt:
Somit gleicht der Erfassungsbereich ±W.
Ausführungsform 2
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Fasergruppe zum Leiten von Licht von der Pupillenebene zu einer Detektorgruppe, gleicht aber ansonsten der ersten Ausführungsform und kann auf die gleichen Arten verwendet werden.
29 zeigt das Detektorteil des Ausrichtungssystems der zweiten Ausführungsform. Das Licht vom selbst-referenzierenden Interferometer (in 29 nicht dargestellt) wird durch den polarisierenden Strahlteiler 19 in zwei Zweige aufgeteilt, von denen einer zum Erfassen von Zielen (Grobausrichtung) auf eine Kamera gerichtet ist und der andere für die Messung der Feinausrichtung verwendet wird. Der Feinausrichtungszweig umfasst ein optisches System von Linsen 31, 33, welche die Pupillenebene des selbst-referenzierenden Interferometers auf eine Gruppe von optischen Fasern 35 erneut abbilden, die sie zu einer entfernten Detektorgruppe leiten, z. B. einer Gruppe von Photodioden oder einer CCD. Die Linse 31 erzeugt ferner eine Zwischenabbildung der Markierung bei der Position, von der ein Filter 32 der Abbildungsebene, der als Öffnungsblende wirkt, bereitgestellt wird.
Das Faserbündel 35 kann mit einer geeigneten Gruppe von Detektoren am Ende des Bündels so angeordnet sein, dass die Intensität in einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen in der Pupillenebene, bei der die beiden Abbildungen überlappen und interferieren, bestimmt werden kann. Die sich ergebenden. Daten können verarbeitet werden, um die erforderlichen Positionsinformationen abzuleiten. Insbesondere, um einige Fehler zu beseitigen werden die Signale von Faserpaaren an entgegengesetzten Seiten der optischen Achse des Detektionszweiges hinzugefügt. Dies kann geschehen durch Verbinden der Faserpaare, wobei beide Fasern eines Paares auf dem gleichen Photodetektor enden, oder elektronisch. Die Detektorgruppe kann eine Vielzahl diskreter Detektoren umfassen, die mit Einzelfasern oder Faserpaaren verbunden sind, oder einen positionssensitiven Detektor wie eine CCD-Gruppe. Selbstverständlich kann die Detektorgruppe selbst, eher als das Eingangsende des Faserbündels, in der Pupillenebene angeordnet sein, jedoch erlaubt es das Faserbündel, dass die Detektorgruppe und die zugeordnete Elektronik, z. B. Vorverstärker, entfernt von temperaturempfindlichen Teilen der Vorrichtung angeordnet ist. Ein weiterer räumlicher Filter 34 entfernt die nullte Ordnung.
Die Verwendung der Kamera zum Erfassen ist in 30 gezeigt. Diese Figur zeigt die beiden Abbildungen der Markierung, die beiden oberen Reihen, und das von der Kamera gesehene Summenbild, untere Reihe, für mehrere Positionen der Markierung. In Spalte A ist die Markierung grob ausgerichtet und das durch die Kamera gesehene Bild weist dunkle und helle Linien mit einem hohen Kontrast zwischen ihnen auf. Während sich die Markierung von der Ausrichtung wegbewegt, bewegen sich die Abbildungen in entgegengesetzte Richtungen, was zunächst zu einer gleichmäßig grauen Abbildung, in Spalte B gezeigt, dann zu einem Linienmuster, in Spalte C gezeigt, führt, jedoch mit einer zusätzlichen Linie und weniger Kontrast für die äußeren Linien. Weitere Bewegung führt wiederum zu einer grauen Abbildung, Spalte D, und einer Abbildung mit Linien, Spalte E, wiederum mit einer zusätzlichen Linie. Bilderkennungssoftware kann die Abbildung mit einer Mindestanzahl an Linien und maximalem Kontrast ohne Weiteres erkennen.
Ausführungsform 3
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist die gleiche wie die erste Ausführungsform, mit Ausnahmedes Aufbaus des Detektionszweigs, was in 31 gezeigt ist.
Der Detektionszweig der dritten Ausführungsform enthält einen (in 31 nicht dargestellten) Polarisator, ein optisches System 31, 33 und einen Bildebenenfilter 32, wie bei der zweiten Ausführungsform. Allerdings weist die dritte Ausführungsform anstelle der Fasergruppe und des Detektors einen Modulator 39 für räumliches Licht, z. B. eine LCD-Gruppe (Lichtventil) oder eine Mikrospiegelgruppe, auf, der so programmiert ist, dass er einen Teil der Pupillenebene auswählt, dessen Licht durch die Linse 40 auf die Faser 41, die zu einem Photodetektor 42 führt, gesammelt wird.
Der Modulator 39 für räumliches Licht ist so programmiert, dass er zwei Strahlen einer speziellen Ordnung aus den überlappten Fourier-Transformationen der Markierungsabbildungen auswählt, deren Intensität dann vom Detektor 42 gemessen werden kann, während die Markierung abgetastet wird, um die gewünschten Positionsinformationen abzuleiten. Dort, wo die Markierung mittels einer Multiwellenlängen-Lichtquelle beleuchtet wird, können die unterschiedlichen Wellenlängen getrennt und separat im Detektor 42 erfasst werden.
Die dritte Ausführungsform weist eine Vielzahl von Vorteilen auf, wovon. der wichtigste darin besteht, dass das Ausrichtungssystem mit jeder Markierung verwendet werden kann, die eine 180°-Rotationssymmetrie aufweist, ohne dass die Hardware modifiziert werden müsste. Das einzig Erforderliche besteht darin, dass der Modulator für räumliches Licht passend programmiert ist, was „on the Fly" erfolgen kann, sogar um auf unterschiedliche Markierungen auf dem gleichen Substrat auszugleichen. Das Ausrichtungssystem der dritten Ausführungsform kann somit kompatibel sein zu bekannten Markierungen wie Gittern, Schachbrettern, Boxen, Rahmen, Chevrons u. dgl. Ferner kann die gesamte Pupillenebene durch wiederholtes Abtasten (Scans) der Markierung mittels unterschiedlicher Einstellungen des Modulators 39 für räumliches Licht abgetastet und analysiert werden.
Wenn ein polarisierender Strahlteiler zum Erzeugen der erforderlichen Interferenz zwischen den überlappenden Abbildungen verwendet wird, werden, wie vorstehend erwähnt, zwei die Positionsinformationen enthaltende Strahlen erzeugt, und die in 31 gezeigten Komponenten können in einem separaten Zweig dupliziert werden, um eine gleichzeitige Detektion von zwei Ordnungen zu ermöglichen. Ferner kann ein Modulator für räumliches Licht, der Lichterneut in eine Vielzahl von unterschiedlichen Richtungen leiten kann, wie eine Mikrospiegelgruppe mit mehr als zwei Spiegelpositionen, mit einer entsprechenden Anzahl von Sammellinsen, Fasern und Detektoren verwendet werden, um die Detektion multipler Ordnungen in einem einzelnen Zweig zu erlauben. Wie bei der zweiten Ausführungsform ist es möglich, ohne die Faser 41 auszukommen und einen Detektor im Fokus der Sammellinse 40 zu positionieren, die Verwendung der Faser 41 ermöglicht jedoch, dass ein wärmeerzeugender oder voluminöser Detektor entfernt von wärmeempfindlichen Komponenten oder dort, wo mehr Raum zur Verfügung steht, angeordnet ist.
Ordnungskombinierendes Prisma
Ein ordnungskombinierendes Prisma, das bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in den 32 und 33 gezeigt, wobei das Prisma in 32 auseinandergezogener Form und in 33 in zusammengesetzter Form gezeigt ist.
In seiner zusammengesetzten Form ist die Grundform des ordnungskombinierenden Prismas 50 ein dreieckiges Prisma mit einer unteren Eingangsfläche 55 und einer seitlichen Ausgangsfläche 56. Das Prisma ist durch eine Diagonalverbindung 57 in zwei Hälften 51, 54 aufgeteilt. Wie in 32 deutlicher dargestellt, tritt eine positive Ordnung +n in die untere Fläche der ersten Hälfte 51 ein, wodurch eine innere Gesamtreflexion von einer Seitenfläche 58 zur Verbindung 57 gebildet wird. Die positive Ordnung wird von der Verbindung 57, die als eine Strahlteilerfläche wirkt, nach hinten zu einem Viertelwellenplättchen und Spiegel reflektiert, die an der hinteren Fläche des Prismas 50 befestigt sind. Diese dienen der Drehung der Polarisation der positiven Ordnung und bringen sie durch die Verbindungs-Strahlteilerfläche 57 zurück, damit sie aus der vorderen Fläche 56 des Prismas austreten kann.
Dann tritt eine negative Ordnung in den Boden der zweiten Hälfte 54 ein und wird von einer zweiten Seitenfläche 59 und der Verbindungs-Stahlteilerfläche 57 innen vollkommen reflektiert, um ebenfalls durch die vordere Fläche 56 auszutreten.
33 zeigt, dass dann, wenn das Prisma so angeordnet ist, dass es symmetrisch um seinen Mittelpunkt positive und negative Ordnungen empfängt, wobei Ordnungen von +1 bis +4 und von –1 bis –4 gezeigt sind, die entsprechenden + und – Ordnungen kombiniert, jedoch die erste, zweite, etc. Ordnung separat gehalten werden.
Das ordnungskombinierende Prisma kann in der Pupillenebene von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um die entgegengesetzten Ordnungen, die im Wesentlichen die gleichen Informationen tragen, für eine Detektion zu kombinieren. Die Verwendung des ordnungskombinierenden Prismas verdoppelt die Intensität des zu detektierenden Signals, wodurch die Verwendung einer Lichtquelle geringerer Leistung ermöglicht wird. Darüber hinaus ermittelt die sich ergebende symmetrische Anordnung den Durchschnitt der Asymmetrie-induzierten Differenzen zwischen positiven und negativen Beugungsordnungen. Das ordnungskombinierende Prisma der Erfindung ist sehr kompakt und besonders sinnvoll in Situationen, wo der verfügbare Raum begrenzt ist.
Festzustellen ist, dass das ordnungskombinierende Prisma weitere Verwendungszwecke als in der Pupillenebene eines Ausrichtungssystems, das um ein selbst-referenzierendes Interferometer angeordnet ist, haben kann und insbesondere in jeder Anordnung eingesetzt werden kann, wo es erwünscht ist, beugende Ordnungen, die in einer einzigen Ebene angeordnet sind, zu kombinieren. Das Prisma kann auch geändert werden, z. B. um eine gleiche optische Weglänge in seinen beiden Seiten bereitzustellen.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung vorstehend beschrieben worden sind, ist festzustellen, dass die Erfindung anders als beschrieben durchgeführt werden kann. Die Beschreibung soll die Erfindung nicht einschränken. Beispielsweise kann das vorstehend beschriebene Ausrichtungssystem zur Ausrichtung von Markierungen verwendet werden, die an einer Maske oder einem Tisch ebenso wie an einem Substrat vorgesehen sind.

Claims

Lithographische Projektionsvorrichtung, umfassend: – ein Strahlungssystem (IL) zum Bereitstellen eines Projektionsstrahls aus Strahlung; – einen Halteraufbau (MT) zum Halten einer Musteraufbringungseinrichtung (MA), wobei die Musteraufbringungseinrichtung dazu dient, den Projektionsstrahl gemäß einem erwünschten Muster zu mustern; – einen Substrattisch (WT) zum Halten eines Substrats (W); – ein Projektionssystem (PL) zum Projizieren des gemusterten Strahls auf einen Zielabschnitt des Substrats, und – ein Ausrichtungssystem (10) mit einem selbst-referenzierenden Interferometer (13) zum Projizieren zweier überlappender und relativ um 180° gedrehter Abbildungen einer Ausrichtungsmarkierung (WM); dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtungssystem ferner ein Detektorsystem (15) aufweist zum Detektieren von Lichtintensitäten an einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen in einer Pupillenebene (14) des selbst-referenzierenden Interferometers.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens zwei Positionen der Vielzahl von Positionen im Wesentlichen den Positionen unterschiedlicher Beugungsordnungen entsprechen, die durch die Ausrichtungsmarkierung (WM) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der mindestens zwei Positionen der Vielzahl von Positionen im Wesentlichen äquidistant zu und an gegenüberliegenden Seiten einer von der Ausrichtungsmarkierung erzeugten Beugungsordnung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Detektorsystem eine Vielzahl von detektierenden Elementen (15) aufweist, die im Wesentlichen in der Pupillenebene (14) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Detektorsystem eine Vielzahl von Lichtleitfasern (23) aufweist, die jeweils ein im Wesentlichen in der. Pupillenebene (22) angeordnetes Eingangsende sowie ein Ausgangsende umfassen, wobei das Ausgangsende das Licht, das durch die Faser geleitet wird, auf ein detektierendes Element einer Vielzahl detektierender Elemente lenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der jede Lichtleitfaser (23) derart angeordnet ist, dass es Licht auf ein entsprechendes Detektorelement lenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Lichtleitfasern (23) paarweise vorgesehen sind, und bei der die Eingangsenden der Fasern eines Paars symmetrisch in der Pupillenebene angeordnet sind, und bei der das Licht, das durch die Fasern eines Paares geleitet wird, auf das gleiche Detektionselement gelenkt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Detektionselemente (15) Photodioden aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Detektionselemente Elemente einer CCD-Anordnung (25) entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Detektionssystem einen in der Pupillenebene vorgesehenen räumlichen Lichtmodulator (39), der derart steuerbar ist, dass er Licht von ausgewählten Abschnitten der Pupillenebene hindurchlässt, sowie einen Kollektor (40) aufweist, der das von dem räumlichen Lichtmodulator hindurchgelassene Licht auf ein Detektionselement (42) bündelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ausrichtungssystem eine Einrichtung zum Beleuchten einer Ausrichtungsmarkierung mit Licht einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen aufweist, und bei der das Detektionssystem eine Wellenlängen-Demultiplexereinrichtung (26) aufweist, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen auf unterschiedliche Detektionselemente lenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Wellenlängen-Demultiplexereinrichtung ein Blazegitter (26) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ausrichtungssystem eine Öffnungsblende (20) in einer Bildebene aufweist, die zwischen dem selbst-referenzierenden Interferometer und der Pupillenebene angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Öffnungsblende (20) eine steuerbare Apertur besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ausrichtungssystem einen polarisierenden Stahlteiler (19) umfasst, der das von dem selbst- referenzierenden Interferometer ausgegebene Licht in zwei Strahlen aufteilt, und bei der zwei Detektorsysteme vorgesehen sind, die jeweils Licht von einem entsprechenden Strahl empfangen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ausrichtungssystem einen polarisierenden Strahlteiler umfasst, der das von dem selbstreferenzierenden Interferometer ausgegebene Licht in zwei Strahlen aufteilt, wobei einer der Strahlen von dem Detektorsystem und der andere Strahl von einer Kamera empfangen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Detektorsystem ein ordnungskombinierendes Prisma (50) aufweist, das eine Reihe positiver Ordnungen und eine entsprechende Reihe negativer Ordnungen durch eine Eingangsfläche (55) empfängt, und das eine kombinierte Reihe von Ordnungen durch eine senkrecht zur Eingangsfläche stehende Ausgangsfläche (56) ausgibt, wobei das Prisma umfasst: eine erste und eine zweite Hälfte (51, 54), die an einer senkrecht zur Eingangsfläche und um 45° zur Ausgangsfläche geneigten strahlteilenden Fläche (57) miteinander verbunden sind; und ein Viertelwellenlängenplättchen (52) und einen Spiegel (53), die benachbart einer weiteren Fläche der ersten Hälfte des Prismas und gegenüberliegend der Ausgangsfläche angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit den Schritten: – Bereitstellen eines Substrats (WT), das zumindest teilweise von einer Schicht aus strahlungsempfindlichen Material überzogen ist; – Bereitstellen eines Projektionsstrahls (PB) aus Strahlung unter Verwendung eines Strahlungssystems; – Verwenden einer Musteraufbringungseinrichtung (MA), um den Querschnitt des Projektionsstrahls mit einem Muster zu versehen; – Projizieren des gemusterten Strahls aus Strahlung auf einen Zielabschnitt (C) der Schicht aus strahlungsempfindlichen Material, und – Ausrichten einer Ausrichtungsmarkierung (WM) auf dem Substrat (W), vor und nach dem Schritt des Projizierens, unter Verwendung eines selbst-referenzierenden Interferometers (13), das zwei überlappende und relativ um 180° gedrehte Abbildungen der Ausrichtungsmarkierung projiziert; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausrichtens das Messen der Lichtintensitäten an einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen in einer Pupillenebene (14) umfasst, an denen Fourier-Transformationen der Abbildungen der Ausrichtungsmarkierung interferieren.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Vielzahl unterschiedlicher Positionen solche Positionen umfasst, die unterschiedlichen Beugungsordnungen in den Fourier-Transformationen entsprechen, und bei dem genaue Positionsinformationen aus den relativen Phasen der Intensitätsschwankungen der unterschiedlichen Ordnungen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei die Vielzahl unterschiedlicher Positionen zwei Positionen umfasst, die äquidistant zu gegenüberliegenden Seiten einer Beugungsordnung in der Pupillenebene beabstandet sind, und bei dem grobe Positionsinformationen aus den relativen Phasen der Intensitätsschwankungen an den zwei Positionen an gegenüberliegenden Seiten einer Beugungsordnung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, 19 oder 20, des Weiteren mit dem Schritt des Messens der Phasenschwankungen in dunklen Bereichen der Pupillenebene, um Asymmetrien der Ausrichtungsmarkierung zu erfassen.