DE10229818A1

DE10229818A1 - Verfahren zur Fokusdetektion und Abbildungssystem mit Fokusdetektionssystem

Info

Publication number: DE10229818A1
Application number: DE10229818A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Schuster
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-15
Also published as: JP2004040067A; US20050178944A1; US20040000627A1; US6878916B2; US7442908B2

Abstract

Eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage (1) hat ein Fokusdetektionssystem (20) zur optischen Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene (12) eines Projektionsobjektivs (5) und einer im Bereich der Bildebene anzuordnenden Substratoberfläche (11) eines Substrats (10). Das Fokusdetektionssystem hat ein Einkoppelsystem zur schrägen Einstrahlung mindestens eines zur Reflexion an der Substratoberfläche vorgesehenen Messstrahls in einen Zwischenbereich zwischen der letzten optischen Fläche des Abbildungssystems und der Substratoberfläche und ein Auskoppelsystem zur Erfassung des Messstrahls nach Reflexion an der Substratoberfläche. Das Einkoppelsystem und das Auskoppelsystem sind so ausgebildet, dass der Messstrahl vor Eintritt in das Auskoppelsystem mindestens einmal an der Substratoberfläche (11) und mindestens einmal an einer für das Messlicht reflektierenden Reflexionsfläche (15) des Abbildungssystems reflektiert wird. Dadurch wird das bildseitige Ende des Abbildungssystems als Teil des Fokusdetektionssystems genutzt. Das Fokusdetektionssystem arbeitet auch bei höchstaperturigen Objektiven mit entsprechend kleinen Arbeitsabständen zuverlässig.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene eines optischen Abbildungssystems und einer im Bereich der Bildebene anzuordnenden Substratoberfläche eines Substrats sowie auf eine Abbildungseinrichtung, insbesondere eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, mit einem optischen Abbildungssystem und einem Fokusdetektionssystem zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie werden seit mehreren Jahrzehnten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen verwendet. Sie dienen dazu, mit Hilfe eines optischen Abbildungssystems, dem Projektionsobjektiv, Muster von Masken bzw. Retikeln in verkleinerndem Maßstab auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichtetem Substrat mit höchster Auflösung abzubilden. Die Substratoberfläche muss dabei möglichst genau mit der Bildebene des Abbildungssystems zusammenfallen, um im gesamten Bildfeld eine gleichmäßig scharfe Abbildung zu erzielen.

Zur Erzeugung immer feinerer Strukturen in der Größenordnung von 100 nm oder darunter werden mit Ultraviolettlicht arbeitende Projektionsobjektive mit hohen bildseitigen numerischen Aperturen (z.B. bis NA = 0,8 oder darüber) und entsprechend geringer Schärfentiefe verwendet. Dies stellt besondere Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung der zu belichtenden Substrate in Bezug auf die Bildebene.

Zur Positionierung in Richtungen senkrecht zur optischen Achse (x- und y-Richtungen) werden sogenannte Alignment-Systeme eingesetzt. Für die optische Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene und der Substratoberfläche parallel zur optischen Achse (z-Richtung) sowie eventuelle Verkippungen werden Fokusdetektionssysteme eingesetzt, die auch als Fokussensoren bezeichnet werden. Einige dieser Systeme haben ein optisches Einkoppelsystem zum schrägen Einstrahlen mindestens eines zur Reflexion an der Substratoberfläche vorgesehenen Messstrahls in einen spaltförmigen Zwischenraum zwischen einer letzten optischen Fläche eines Abbildungssystems und der Substratoberfläche sowie ein Auskoppelsystem zur Erfassung des Messstrahles nach Reflexion an der Substratoberfläche. Der Messstrahl fällt bei derartigen Systemen unter einem flachen Einfallswinkel auf die Substratoberfläche und wird reflektiert. Je nach Höhe der Substratoberfläche in z-Richtung und gegebenenfalls Kippung der Substratoberfläche findet eine Strahlversetzung des Messstrahles statt, die erfasst und zur Bestimmung von Position und gegebenenfalls Orientierung der Substratfläche genutzt werden kann.

In der US 5,783,833 wird ein derartiger Fokussensor mit streifendem Einfall des Messlichts beschrieben. Es wird auf das Problem hingewiesen, dass bei Abbildungssystemen mit hoher numerischer Apertur und entsprechend geringem Arbeitsabstand zwischen der Austrittsfläche des Objektivs und der Substratoberfläche nur wenig Platz zur Verfügung steht, so dass ein Fokussierstrahl nicht mit ausreichend großem Einfallwinkel auf die Substratoberfläche gerichtet werden kann. Dies legt nahe, dass Fokusdetektionssysteme mit schrägem Lichteinfall nur bei Projektionsobjektiven mit mäßiger numerischer Apertur und entsprechend großem Arbeitsabstand eingesetzt werden können.

In der US 5,191,200 sind andere mikrolithographische Projektionsobjektive mit Fokus- und Kippsensoren beschrieben. Neben Ausführungsformen, bei denen streifend einfallendes Licht nur auf der Substratoberfläche reflektiert wird, gibt es auch Ausführungsformen, bei denen unterhalb des letzten Linsenelementes des Projektionsobjektivs eine transparente Referenzplatte angeordnet ist, deren Austrittsfläche von dem Fokussensorsystem als reflektierende Fläche für schräg von unten auftreffendes Messlicht genutzt wird. Auch diese Fokusdetektionssysteme setzen einen relativ großen Arbeitsabstand zwischen der letzten optischen Fläche des Abbildungssystems und der zu positionierenden Substratoberfläche voraus.

Weiterhin gibt es Fokussensoren, bei denen die Wellenatur des Lichts genutzt wird. Messstrahlen fallen senkrecht außerhalb des zu belichten den Bereichs auf das Substrat, dessen Position in z-Richtung mittels Interferenz ermittelt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur optischen Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene eines optischen Abbildungssystems und einer im Bereich der Bildebene anzuordnenden Substratoberfläche sowie ein entsprechendes Fokusdetektionssystem bereitzustellen, die für den Einsatz mit mikrolithographischen Projektionsobjektiven hoher bildseitiger numerischer Aperturen und entsprechend kleiner Arbeitsabstände und im Bereich des zu belichtenden Substrats geeignet sind.

Zur Lösung dieser und anderer Probleme stellt die Erfindung gemäß einer Formulierung ein Verfahren zur optischen Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene eines optischen Abbildungssystems und einer im Bereich der Bildebene anzuordnenden Substratoberfläche eines Substrats bereit, das folgende Schritte umfasst:
Erzeugung mindestens eines Messstrahls mit Messlicht einer Messwellenlänge;
schräge Einstrahlung des Messstrahls in einen Zwischenraum zwischen einer letzten optischen Fläche des Abbildungssystems und der Substratoberfläche;
Erfassung des Messstrahls nach Reflexion an der Substratoberfläche; wobei die Einstrahlung derart durchgeführt wird, dass der Messstrahl vor der Erfassung mindestens einmal an der Substratoberfläche und mindestens einmal an einer für das Messlicht reflektierenden Reflexionsfläche des Abbildungssystems reflektiert wird.

Eine entsprechende Abbildungseinrichtung hat ein optisches Abbildungssystem sowie ein Fokusdetektionssystem, welches folgende Merkmale umfasst:
ein Einkoppelsystem zur schrägen Einstrahlung mindestens eines zur Reflexion an der Substratoberfläche vorgesehenen Messstrahles in einen Zwischenraum zwischen der letzten optischen Fläche des Abbildungssystems und der Substratoberfläche; und
ein Auskoppelsystem zur Erfassung des Messstrahles nach Reflexion an der Substratoberfläche;
wobei das Einkoppelsystem und das Auskoppelsystem derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Messstrahl vor Eintritt in das Auskoppelsystem mindestens einmal an der Substratoberfäche und mindestens einmal an einer für das Messlicht reflektierenden Reflexionsfläche des Abbildungssystems reflektiert wird.

Gemäß der Erfindung ist somit vorgesehen, dass ein Messstrahl zwischen Einkoppelsystem und Auskoppelsystem auf einem Zick-Zack-Weg zwischen der Substratoberfläche, beispielsweise einer auf einem Wafer aufgebrachten Resistschicht, und dem der Bildebene zugewandten Endbereich des optischen Abbildungssystems hin- und herreflektiert wird. Dadurch kann auch bei geringem Abstand zwischen dem Abbildungssystem und der Substratoberfäche der Messstrahl mit relativ großem Einstrahlwinkel auf die reflektierende Substratoberfläche gerichtet werden. Als Einstrahlwinkel wird hier der Winkel zwischen der Einfallsrichtung des Messstrahls auf den Reflexionsort der Substratoberfläche und der Substratoberfläche bezeichnet. Die Erfindung ermöglicht somit die Nutzung von Fokusdetektionssystemen mit streifendem Lichteinfall auch bei Projektionsobjektiven mit sehr geringem Arbeitsabstand, insbesondere bei Projektionsobjektiven mit höchsten numerischen Aperturen von beispielsweise mehr als NA = 0,8 oder 0,9. Anders als im Stand der Technik sind insbesondere auch Einstrahlwinkel möglich, die größer sind als der Arcustangens des Verhältnisses aus Arbeitsabstand und Radius der Berandung der Austrittsfläche des Abbildungssystems.

Obwohl es möglich ist, dass ein Messstrahl an mehreren mit Abstand zu einander liegenden Orten auf die Substratoberfläche trifft, wird der Messstrahl bevorzugt so geführt, dass er nur ein einziges Mal an der Substratoberfläche reflektiert wird. Für den einen Reflexionsort, der zentrisch oder außeraxial zur optischen Achse liegen kann, können dann z-Position und gegebenenfalls Orientierung der Substratoberfläche besonders zuverlässig bestimmt werden. Die Anzahl von Reflexionen an einer oder mehreren geeigneten Reflexionsflächen des Abbildungssystems kann abhängig von der Anwendungen gewählt werden und beispielsweise eins oder zwei betragen.

Bei vielen Messkonfigurationen wird die Führung des Messstrahls besonders günstig, wenn mit Abstand vor der Substratoberfläche mindestens ein Hilfsreflektor mit mindestens eine Hilfsreflexionsfläche zur Reflexion eines schräg in Richtung Substratoberfläche laufenden Messstrahls in eine schräg von der Substratoberfläche wegweisende Reflexionsrichtung vorgesehen ist. Die Hilfsreflexionsfläche kann beispielsweise an einem Spiegel oder an einem Prisma ausgebildet sein, welches ortsfest an geeigneter Stelle des Abbildungssystems angebracht oder gegebenenfalls beweglich als Teil der optischen Einrichtung des Fokusdetektionssystems vorgesehen sein kann. Die Hilfsreflexionsfläche kann beispielsweise zwischen der durch die Austrittsfläche des Abbildungssystems definierten Ebene und der Ebene der Substratoberfläche angeordnet sein. Dadurch kann ein auf die Hilfsreflexionsfläche gerichteter Messstrahl von dieser zunächst zur Reflexionsfläche des Abbildungssystems reflektiert und von dieser dann auf den gewünschten Reflexionsort der Substratoberfläche gelenkt werden, von wo er dann direkt oder über weitere Umlenkungen und/oder Reflexionen in die Auskoppeloptik gelangen kann. Es können ein oder mehrere derartiger Hilfsreflexionsflächen vorgesehen sein. Bei Ausführungsformen, welche eine Einkoppelung von Messlicht in die letzte optische Komponente des Abbildungssystems vorsehen, kann die Hilfsreflexionsfläche auch an der letzten optischen Fläche des optischen Abbildungssystems vorgesehen sein.

Da die erfindungemäße Erfassung von Lage und/oder Orientierung der Substratoberfläche auch den bildseitigen Austrittsbereich des optischen Abbildungssystems zur Messstrahlumlenkung nutzt, ist es bevorzugt, wenn eine letzte optische Komponente des Abbildungssystems eine Austrittsfläche hat, die in mindestens einem Bereich eine für das Messlicht reflektierende Beschichtung aufweist. Dadurch werden Intensitätsverluste des Messlichts bei der Reflexion am Abbildungssystem minimiert, so dass starke Nutzsignale erhältlich sind. Vorzugsweise ist die Beschichtung für das Nutzlicht, d.h. für die Arbeitswellenlänge des optischen Abbildungssystems transparent, um die Abbildung durch das Fokusdetektionssystem nicht zu beeinträchtigen. Besonders günstig ist es, wenn die Beschichtung für die Arbeits- oder Nutzwellenlänge reflexmindernd bzw. entspiegelnd wirkt, so dass Abbildung und Fokusdetektion mit hohem Wirkungsgrad ohne gegenseitige Beeinträchtigung optimierbar sind. Die Nutzwellenlänge liegt vorzugsweise im UV-Bereich, beispielsweise bei weniger als ca. 260 nm, insbesondere bei 193 nm oder 157 nm. Die Messwellenlänge kann im sichtbaren Bereich liegen, z.B. bei 633 nm.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ergibt sich eine Steigerung der Messempfindlichkeit dadurch, dass der Messstrahl so geführt wird, dass er einen Messstrahlengang, welcher mindestens eine Reflexion an der Substratoberfläche und mindestens eine Reflexion an einer Reflexionsfläche des optischen Abbildungssystem umfasst, vor der Erfassung mehrfach durchläuft, beispielsweise zweifach oder vierfach. Hierzu um fasst eine Ausführungsform des Fokusdetektionssystems mindestens einen Retroreflektor zur Reflexion des Messstrahles in sich selbst. Hierdurch kann die Messempfindlichkeit weiter gesteigert werden.

Wenn bei der Auslegung des Fokusdetektionssystems die Polarisationseigenschaften von Licht geeignet berücksichtigt werden, sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen möglich. Ausführungsformen, deren Einkoppelsystem zur Abgabe von polarisiertem Messlicht ausgebildet ist, ermöglichen es beispielsweise, Messlicht mit einer Polarisationsvorzugsrichtung zu verwenden, die im wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene des Messstrahls auf die reflektierenden Flächen ausgerichtet ist. Durch die überwiegende Nutzung von s-polarisierten Komponenten des elektrischen Feldes können die Reflexionsflächen mit besonders hoher Reflektivität genutzt werden, wodurch Messgenauigkeit und Messempfindlichkeit verbessert werden können. Insbesondere bei Ausführungsformen mit mehrfachem Durchlauf eines Messstrahlenganges ist es auch möglich, den Messstrahlengang abwechselnd nacheinander mit s- und p-polarisierten Licht zu durchlaufen. Um dies zu ermöglichen, ist bei einer Ausführungsform eine Polarisationsdreheinrichtung zur Drehung der Polarisationsvorzugsrichtung des Messlichts zwischen einem ersten Durchlauf eines Messweges und einem nachfolgenden gegenläufigen zweiten Durchlauf des Messweges vorgesehen. Hierdurch ist es unter Nutzung polarisationsselektiv wirksamer optischer Komponenten auch möglich, einen Messstrahlengang mehr als doppelt, beispielsweise viermal mit Licht unterschiedlicher Polarisationsvorzugsrichtung zu durchlaufen, was zur Steigerung der Messempfindlichkeit genutzt werden kann.

Besonders günstige Strahlführungsgeometrien können sich dann ergeben, wenn das bildseitige Ende des optischen Abbildungssystems als strahlführender Teil des Fokussensorsystems genutzt wird. Bei solchen Ausführungsformen umfasst das Einkoppelsystem und/oder das Auskoppelsystem die letzte, der Bildebene nächste, optische Komponente des Abbildungssystems, welche ebene Grenzflächen aufweist. Dabei wird eine schräge Einkopplung eines Messstrahls in diese optische Komponente so durchgeführt, dass der Messstrahl vor Austritt aus der optischen Komponente an mindestens einer ebenen Grenzfläche der optischen Komponente reflektiert wird. Vorzugsweise sind mindestens zwei Reflexionen, insbesondere an gegenüberliegenden ebenen Grenzflächen, vorgesehen, so dass innerhalb der letzten optischen Komponente eine zick-zack-förmige Strahlführung vorliegen kann. Um die Einkopplung zu erleichtern, hat die letzte optische Komponente vorzugsweise einen Randbereich, an dem an mindestens einer Stelle eine schräg zur optischen Achse ausgerichtete, ebene Einkoppelfläche für den Messstrahl ausgebildet ist, deren Flächennormale vorzugsweise parallel zur gewünschten Einkoppelrichtung ausgerichtet ist. Der Messstrahl kann dann zwischen einer im wesentlichen ebenen Eintrittsfläche dieser optischen Komponente und ebenen Bereichen der gegenüberliegenden Austrittsfläche reflektiert, an geeigneter Stelle aus der Eintrittsfläche ausgekoppelt und nach Reflexion an der Substratfläche wieder eingekoppelt und, gegebenenfalls nach weiteren Reflexionen an den Grenzflächen der optischen Komponente, aus dieser ausgekoppelt werden. Für die Auskopplung kann eine von der Einkoppelfläche gesonderte, schräge Auskoppelfläche vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann an einer geeignet präparierten Stelle der letzten optischen Komponente auch eine Rückreflexion des Messstrahls in sich selbst erfolgen, so dass eine gesonderte Auskoppelfläche gegebenenfalls entfallen und die Einkoppelfläche auch als Auskoppelfläche dienen kann. Günstig ist eine Ausbildung der letzten optischen Komponente als planparallele Platte, die an die Austrittsseite eines letzten Linsenelementes angesprengt sein kann.

Weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Messempfindlichkeit können sich bei Auswahl geeigneter Abbildungsobjekte ergeben. Solange mit Hilfe der Einkoppeloptik nur ein Spalt oder ein anderes Objekt mit im wesentlichen nur einer Ausdehnungsrichtung auf einen Reflexionsort an der Substratoberfläche abgebildet wird, sind kleine Auftreffwinkel auf die Substratoberfläche gut beherrschbar. Insbesondere für die Erfassung von Verkippungen kann es dagegen günstiger sein, wenn zweidimensional ausgedehnte Objekte auf die Substratoberfläche abgebildet und deren Reflexionen erfasst werden. Hier kann beispielsweise durch Nutzung von Moiré-Technik und flächenhafter Auswertung die Auswertegenauigkeit erheblich gesteigert werden.

Hierzu ist bei einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Einkoppelsystem ein mit Hilfe einer Abbildungsoptik auf die Substratoberfläche abbildbares Objektgitter umfasst und dass das Auskoppelsystem ein Analysegitter sowie eine Abbildungsoptik zur Abbildung des auf das Substrat abgebildeten Gitters auf das Analysegitter umfasst. Die Gitter sind so aneinander angepasst, dass bei Abbildung des Bildes des Objektgitters auf das Analysegitter ein Moirémuster erzeugbar ist. Besonders günstig und an den schrägen Lichteinfall angepasst sind Ausführungsformen, bei denen Objektgitter mit einer perspektivischen Verzerrung verwendet werden und entsprechende Analysegitter, die ebenfalls eine perspektivische Verzerrung aufweisen, wobei die Verzerrungen von Objektgitter und Analysegitter so aufeinander abgestimmt sind, dass wiederum Moirémuster erzeugbar sind. Beispielsweise kann mit Hilfe eines trapezförmigen Objektgitters bei schrägem Lichteinfall auf der Substratoberfläche ein Gitter mit parallelen Linien oder mit orthogonal zueinander ausgerichteten Periodizitätsrichtungen erzeugt werden. Bei gleichen Brennweiten der Abbildungsoptiken von Einkoppeloptik und Auskoppeloptik kann das Analysegitter in Größe und Aufbau dem Objektgitter entsprechen, wodurch solche Systeme besonders kostengünstig herstellbar werden. Soll bei der Moirévermessung eine Phasenschiebung durchgeführt werden, so sind entsprechende Verschiebungseinrichtungen zur Relativverschiebung zwischen Analysegitter und Objekt gitter zur Erzeugung von periodisch wechselnden Signalintensitäten des Überlagerungsmusters vorzusehen.

Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei Ausführungsformen der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt schematisch eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokusdetektionssystems;

2 ist eine vergrößerte, schematische Darstellung eines Teils des in 1 gezeigten Fokusdetektionssystems;

3 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokusdetektionssystems;

4 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokusdetektionssystems;

5 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokusdetektionssystems;

6 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokusdetektionssystems;

7 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokusdetektionssystems;

8 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform zur Vermessung mit Hilfe von Moiré-Mustern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In 1 ist schematisch eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage in Form eines Wafer-Steppers 1 gezeigt, der zur Herstellung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen vorgesehen ist. Die Anlage 1 umfasst als Lichtquelle einen Excimer-Laser 2 mit einer Arbeitsellenlänge von 157 nm, wobei auch andere Arbeitswellenlängen, beispielsweise 193 nm oder 248 nm möglich sind. Ein nachgeschaltetes Beleuchtungssystem 3 erzeugt in seiner Bildebene 4 ein großes, schart begrenztes, sehr homogen beleuchtetes und an die Telezentriererfordernisse des nachgeschalteten Projektionsobjektivs 5 angepasstes Bildfeld. Das Beleuchtungssystem 3 hat Einrichtungen zur Auswahl des Beleuchtungsmodus und ist im Beispiel zwischen konventioneller Beleuchtung mit variablem Kohärenzgrad, Ringfeldbeleuchtung und Dipol- oder Quadrupolbeleuchtung umschaltbar. Hinter dem Beleuchtungssystem ist eine Einrichtung 5 zum Halten und Manipulieren einer Maske 6 so angeordnet, dass diese in der Objektebene 4 des Projektionsobjektivs 5 liegt und in dieser Ebene zum Scanbetrieb in einer Abfahrrichtung 7 bewegbar ist.

Hinter der auch als Maskenebene bezeichneten Bildebene 4 folgt das Reduktionsobjektiv 5, das ein Bild der Maske mit reduziertem Maßstab, beispielsweise im Maßstab 4 : 1 oder 5 : 1 auf einen mit einer Photoresistschicht belegten Wafer 10 abbildet. Der als Substrat dienende Wafer 10 ist so angeordnet, dass die ebene Substratoberfläche 11 mit der Photoresistschicht im wesentlichen mit der Bildebene 12 des Projektionsobjektivs 5 zusammenfällt. Der Wafer wird durch eine Einrichtung 8 gehalten, die einen Scannerantrieb umfasst, um den Wafer synchron mit der Maske 6 parallel zu dieser zu bewegen. Die Einrichtung 8 umfasst auch Manipulatoren, um den Wafer sowohl in z-Richtung parallel zur optischen Achse 13 des Projektionsobjektivs, als auch in x- und y-Richtung senkrecht zu dieser Achse zu verfahren.

Das Projektionsobjektiv 5 hat als letzte, der Bildebene 12 nächste, transparente optische Komponente eine planparallele Platte 14, deren ebene Austrittsfläche 15 die letzte optische Fläche des Projektionsobjektivs 5 ist und in einem Arbeitsabstand 16 oberhalb der Substratoberfläche 11 angeordnet ist (2). Aufgrund der hohen bildseitigen numerischen Apertur des Projektionsobjektivs 5 von mehr als 0,80 ist der gasgefüllte Zwischenraum 17 zwischen Austrittsfläche 15 und Substratoberfläche 11 sehr schmal und kann in der Größenordnung von 1 mm oder darunter liegen.

Die Projektionsbelichtungsanlage umfasst ein nicht näher erläutertes Alignment-System, um den Wafer 10 durch Einstellbewegungen in x- und y-Richtung exakt in Bezug auf das Maskenbild in der Bildebene auszurichten. Weiterhin umfasst die Projektionsbelichtungsanlage ein Fokusdetektionssystem 20 zur optischen Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene 12 des durch das Projektionsobjektiv 5 gebildeten optischen Abbildungssystems und der im Bereich der Bildebene anzuordnenden Oberfläche 11 des Wafers 10. Auf Grundlage des Messergebnisses des Fokusdetektionssystems 20 kann die relative Lage zwi schen Projektionsobjektiv 5 und Wafer 10 beispielsweise durch geeignetes Verfahren des Wafers in z-Richtung oder durch Bewegung des Projektionsobjektivs im Bezug auf den Waferhalter 8 entlang der optischen Achse 13 korrigiert werden.

Das Fokusdetektionssystem 20 umfasst eine Lichtquelle 21, eine Einkoppeloptik 22 zur schrägen Einstrahlung mindestens eines Messstrahls 23 in den Zwischenbereich 17 zwischen Projektionsobjektiv 5 und dem Wafer 10, eine Auskoppeloptik 24 zur Erfassung des Messstrahls nach Reflexion an der Substratoberfläche 11 sowie eine Detektoreinheit 25 zur ortsauflösenden Erfassung des Messstrahls nach Wechselwirkung mit der Waferoberfläche 11. Weiterhin ist ein Hilfsspiegel 26 vorgesehen, der eine parallel zur Bildebene 12 ausgerichtete und zwischen Waferoberfläche 11 und Objektivaustrittsseite 15 angeordnete Hilfsreflexionsfläche 27 bereitstellt. Der Hilfsspiegel 26 kann mit einer Komponente des Fokusdetektionssystems, beispielsweise der Auskoppeloptik 24, oder mit dem Projektionsobjektiv 5 mechanisch verbunden sein. Eine gesonderte Halterung ist ebenfalls möglich.

Die Komponenten der Einkoppeloptik 22 sind derart ausgerichtet, dass der austretende Messstrahl 23 zunächst unter einem Einfallswinkel a, welcher zwischen Substratoberfläche 11 und Messstrahl 23 gemessen wird, schräg auf einen exzentrisch zur optischen Achse 13 liegenden Reflexionsort 28 der Substratoberfläche 11 trifft. Von dieser wird der Messstrahl in Richtung Austrittsfläche 15 reflektiert, an der er an einem exzentrisch zur optischen Achse 13 liegenden Reflexionsort 29 reflektiert wird. Die Austrittsfläche 15 ist mit einer Beschichtung belegt, die für die im tiefen Ultraviolettbereich liegende Arbeitswellenlänge des Projektionsobjektivs entspiegelnd wirkt und für die im sichtbaren Bereich, beispielsweise bei 633 nm, liegende Messwellenlänge des Messstrahls 23 reflektierend wirkt. Somit wird der Messstrahl schräg in Richtung Substratoberfläche 11 reflektiert und trifft auf die mit Abstand oberhalb der Substratoberfläche angeordnete Reflexionsfläche 27 des Hilfsspiegels 26, welcher den Messstrahl in die Einkoppeloptik 24 umlenkt. Es findet somit eine einzige Reflexion am Ort 28 der Waferoberfläche 11 und eine Hilfsreflexion an der ebenen Abschlussfläche 15 des Lithographieobjektives statt, und zwar für denselben Messstrahl. Der Hilfsspiegel 26 verhindert, dass der Strahl unerwünscht ein zweites Mal auf der Wafer 10 fällt.

Dadurch, dass das Austrittsende des Projektionsobjektivs als reflektierendes Element in das Fokusdetektionssystem einbezogen wird, kann der Messstrahl 23 mit einem Einfallswinkel α eingestrahlt werden, der größer ist als der Randwinkel β, der den maximal möglichen Einstrahlwinkel herkömmlicher Fokusdetektionssysteme mit streifendem Lichteinfall repräsentiert und der sich aus dem Arkustangens des Verhältnisses aus Arbeitsabstand 16 und Radius 18 der Berandung der Austrittsfläche 15 ergibt.

Anhand 3 wird eine zweite Ausführungsform erläutert, bei der das Fokusdetektionssystem eine einzige Reflexion an der Substratoberfläche und zwei Reflexionen an der Austrittsfläche eines Projektionsobjektivs nutzt. Der Aufbau von Lichtquelle, Einkoppelsystem, Auskoppelsystem und Detektor kann ähnlich oder identisch mit dem Aufbau in 1 sein. Das System umfasst zwei symmetrisch zur optischen Achse 113 angeordnete Prismen 126'und 126'', deren für das Messlicht reflektierende Basisflächen 127'', 127'' im Bereich zwischen der Substratoberfläche 111 und einer die Objektivabschlussfläche 115 einschließenden Ebene außerhalb des Bereichs der Abschlussfläche 115 angeordnet sind und als Hilfsreflexionsflächen dienen. Die Prismen 126'und 126'' sind fest an der Fassung des Objektivs 105 angebracht und schweben im geringem Abstand oberhalb der Waferoberfläche 111. Das System ermöglicht einen symmetrischen Strahlengang des Messstrahls 123 mit einer einzigen Reflexion an der Substratoberfläche 111, die an einem mit der optischen Achse 113 zusammenfallenden Reflexionsort 128 und somit zentrisch stattfindet. Hierzu wird der Messstrahl von der Einkoppeloptik schräg in das erste Prisma 126 eingestrahlt, von dessen Basisfläche 127 der Strahl zur Austrittsfläche 115 reflektiert wird, welche mit einer für die Nutzwellenlänge entspiegelnden und für die Messwellenlänge reflektierenden Beschichtung belegt ist. Der reflektierte Strahl trifft nach Reflexion am Ort 128 des Wafers erneut auf die Abschlussfläche 115, von der er in das Prisma 126 und von dort in Richtung Detektoreinheit 125 reflektiert wird.

Bei den Systemen gemäß 1 bis 3 wird der Messstrahlengang vom Messlicht nur einfach durchlaufen. Anhand 4 wird eine dritte Ausführungsform mit doppelt durchlaufenden Messstrahlengang erläutert. Das Fokusdetektionssystem umfasst ein Optiksystem 224, welches sowohl der Einkopplung des Messstrahles 223 als auch der Auskopplung des Messstrahles dient. Zwischen der Ebene der planen Austrittsfläche 215 des Projektionsobjektivs 205 und der Substratoberfläche 211 ist auf Seiten der Einkoppel-/Auskoppeloptik 224 ein Prisma 226 angeordnet, dessen Basisfläche parallel zur Bildebene liegt und als Hilfsreflexionsfläche das schräg in Richtung der Substratoberfläche einfallende Messlicht in Richtung zur Austrittsfläche 215 umlenkt. Dieses trifft nach insgesamt zwei Reflexionen an der Austrittsfläche 215 und einer Reflexion im achsnahen Bereich der Substratoberfläche 211 auf einen hohlen Endspiegel 227, der das einfallende Licht im wesentlichen in sich selbst reflektiert, so dass das Messlicht nach zwei weiteren Reflexionen an der Austrittsfläche 215 und einer zentrischen Reflexion 228 auf der Waferoberfläche zurück in die Einkoppel-/Auskoppeloptik fällt.

Das System wird mit polarisiertem Messlicht betrieben, wobei die Polarisationsvorzugsrichtung des Lichtes senkrecht zur Einfallsebene des Messlichtes auf die Reflexionsorte ausgerichtet ist (s-Polarisation). Der doppelte Durchlauf des Messstrahlenganges erhöht die Empfindlichkeit des Messsystems. Durch Auswahl von s-Polarisation können die reflektierenden Flächen im Messstrahlengang mit hoher Reflektivität genutzt werden, so dass Intensitätsverluste minimiert und die Messgenauigkeit in z-Richtung erhöht wird. Außerdem wird das Messergebnis nicht mehr durch Phasendifferenzbeiträge zwischen s- und p-Polarisation beeinflusst, die sich bei Verwendung von unpolarisierten Licht bei den Reflexionen an den einzelnen Bauteilen des Fokusdetektionssystems und an der Waferoberfläche ergeben können.

Bei Verwendung geeigneten Eingangslichtes kann die Messung auch ausschließlich mit p-polarisierten Licht durchgeführt werden, wobei in diesem Fall darauf zu achten ist, dass die entsprechenden Brewster-Winkel an den Reflexionsorten ausreichend deutlich überschritten oder unterschritten werden, um Reflexionsverluste zu minimieren.

Anhand 5 wird eine Ausführungsform erläutert, die durch Verwendung von polarisiertem Licht in Verbindung mit einem Retroreflektor ein viermaliges Durchlaufen des Messstrahlenganges, bei einer einzigen, zentralen Reflexion an der Substratoberfläche ermöglicht. Das Fokusdetektionssystem umfasst eine kombinierte, polarisationsselektiv arbeitende Einkoppel-/Auskoppeloptik 324, ein Umlenkprisma 330 mit einer als Hilfsreflexionsfläche dienenden reflektierenden Basisfläche 331, die oberhalb der Substratoberfläche 311 zwischen dieser und einer die Objektivaustrittsfläche 315 umfassenden Ebene angeordnet ist, sowie einen Retroreflektor 332, der mit einer Polarisationsdreheinrichtung 333 in Form einer λ/4-Platte kombiniert ist. Die Einkoppel-/Auskoppeloptik 324 umfasst einen ersten Spiegel 340, einem Polarisationsstrahlteiler mit einer polarisationsselektiven Strahlteilerfläche 341, einen polarisationsselektiven Intensitätsteiler 342, einen Kollimationsoptik 343, einen zweiten Spiegel 344, einen dritten Spiegel 345, einen Polarisationsfilter 346 und eine Kollimationsoptik 347.

Das von einer Laserlichtquelle kommende, in Bezug auf die Einfallsebene zum ersten Spiegel 340 s-polarisierte Licht wird vom ersten Spiegel Richtung Polarisationsteilerfläche 341 umgelenkt und von dieser durch den Intensitätsteiler 342 und die Kollimationsoptik 343 hindurch in das Umlenkprisma 330 gelenkt. Das schräg zur Substratoberfläche laufende Licht wird von der Basisfläche 331 des Prismas in Richtung der Austrittsfläche 315 des Projektionsobjektivs so umgelenkt, das es nach Reflexion an dieser im Bereich der optischen Achse 313 auf die Substratoberfläche 311 trifft, bezüglich der das Licht ebenfalls s-polarisiert ist. Nach Reflexion an der Waferoberfläche 311 und einer zweiten Reflexion an der Austrittsfläche 315 läuft der Messstrahl durch die λ/4-Platte 333 und wird dort in zirkularpolarisiertes Licht umgewandelt. Dieses wird nach mehrfacher Umlenkung in dem als Hohlspiegel ausgebildeten Reflektor 332 in gegenläufiger Richtung erneut durch die λ/4-Platte 333 gestrahlt, die das zirkularpolarisierte Licht in Licht umwandelt, das bezüglich der Durchlaufebene des Messstrahls nun p-polarisiert ist. Das p-polarisierte Licht durchläuft bis zum Intensitätsteiler 342 den gleichen Messweg, welcher zwei Reflexionen an der Austrittsfläche 315 und eine zentrale Reflexion an der Waferoberfläche 311 umfasst. Der polarisationsselektive Intensitätsteiler 342 ist für p-Polarisation durchlässig und transmittiert den Messstrahl Richtung Strahlteilerfläche 341, die p-Polarisation zum zweiten Spiegel 344 transmittiert, der den Strahl in sich selbst reflektiert. Danach wird der Strahlweg bis zum Retroreflektor 344 mit p-Polarisation durchlaufen, bevor der Rückweg nach zweifacher λ/4-Verzögerung mit s-Polarisation bis zum Intensitätsteiler 342 durchlaufen wird. Dieser reflektiert nun das s-polarisierte Licht zum dritten Spiegel 345, der es in Richtung Polarisationsfilter 346 und nachgeschalteter Kollimationsoptik 347 zum nicht gezeigten, ortauflösenden Detektor umlenkt. Der Polarisationsfilter 346 entfernt Restanteile mit p-Polarisation aus dem Messstrahl, so dass nur s-polarisiertes Licht in den Detektor gelangt. Günstigerweise ist die Anordnung so auszulegen, dass das an den Reflexionsorten der Brewster-Winkel ausreichend überschritten o der unterschritten wird, um Intensitätsverluste bei Reflexion von ppolarisierten Licht zu begrenzen. Bei dieser Ausführungsform finden somit an der Substratoberfläche 311 mehr als zwei, nämlich vier Reflexionen statt, wobei abwechselnd s- und p-polarisiertes Licht nacheinander reflektiert wird.

Anhand der 6 und 7 werden weitere Möglichkeiten erläutert, die Kopplung zwischen der Objektivapertur und dem damit verbundenen geringen Arbeitsabstand einerseits und der Winkelbelastung des Fokusdetektionssystems andererseits aufzuheben. Bei den dort gezeigten Ausführungsformen wird das bildseitige Ende des Lithographieobjektivs zum durchstrahlten, messstrahlführenden Bestandteil des Fokusdetektionssystems. Das bildseitige Objektivende in 6 hat als vorletztes optisches Element eine Positiv-Meniskuslinse 401 mit bildseitiger Konkavfläche und als letztes optisches Element eine planparallele Platte 402 mit einer ebenen Eintrittsfläche 403 und einer ebenen Austrittsfläche 404, die mit geringem Abstand von der Substratoberfläche 411 anzuordnen ist. Im Randbereich der Platte 402 sind an gegenüberliegenden Seiten eine schräge ebene Einkoppelfläche 405 und eine schräge, ebene Auskoppelfläche 406 vorgesehen, deren Flächennormalen parallel zur Einstrahlrichtung bzw. Ausstrahlrichtung des Messstrahls 423 ausgerichtet sind. Dieser wird über die Einkoppeloptik 422 senkrecht zur Einkoppelfläche 405 in die Platte 402 eingestrahlt, trifft dort auf eine an deren Austrittsseite 404 angebrachte, für die Messwellenlänge reflektierte Spiegelschicht 407 und wird von dieser Richtung Eintrittsfläche 403 reflektiert. Nach Reflexion an der Eintrittsfläche läuft der Messstrahl Richtung Waferoberfläche 411, koppelt an der Austrittsfläche 404 aus der Platte 402 aus und trifft im Bereich der optischen Achse 413 zentrisch auf die Substratoberfläche 411. Der weitere Strahlengang ist symmetrisch zu dieser Achse und führt nach Einkopplung in die Platte 402 zur Eintrittsseite 403, von der der Messstrahl zu einer weiteren Spiegel schicht 407 in eine senkrecht zur Auskoppelfläche 406 stehende Austrittsrichtung in die Auskoppeloptik 424 reflektiert wird. Die Objektive von Einkoppeloptik 422 und Auskoppeloptik 424 sind so ausgelegt, dass sie den entstehenden Astigmatismus kompensieren. Es ist ersichtlich, dass durch diese Zick-Zack-Strahlführung innerhalb der Platte 402 trotz geringem Arbeitsabstand ein steiler Auftreffwinkel auf die Substratoberfläche 411 erzielbar ist.

Bei dieser Ausführungsform dient die mit den Spiegelschichten 407 versehene Austrittsfläche 404 der Platte 402 als Hilfsreflexionsfläche zur Reflexion eines schräg Richtung Substratoberfläche laufenden Messstrahls in eine von der Substratoberfläche wegweisende Reflexionsrichtung, um auf diese Weise einen zick-zack-förmigen Messstrahlengang zu erzielen. Solche Systeme sind besonders nützlich im Zusammenhang mit Projektionsobjektiven höchster Apertur, beispielsweise mit Aperturen nahe eins oder darüber.

7 zeigt eine Ausführungsform, die besonders für die Anwendung bei der Immersions-Lithographie und/oder der Lithographie im optischen Nahfeld angepasst ist. Hier können typische Arbeitsabstände im Bereich der Arbeitswellenlänge oder darunter liegen. Das Objektiv hat als vorletzte optische Komponente eine Plankonvexlinse 501 mit einer sphärischen Eintrittsfläche großen Durchmessers. An die ebene Austrittsseite ist eine Planparallelplatte 502 angesprengt. Die Kontaktfläche 503 ist im angesprengtem Zustand für das Nutzlicht, beispielsweise mit 193 nm oder 157 nm Wellenlänge, durchlässig, wirkt aber für die Messwellenlänge. z.B. 633 nm, als Spiegel. Dadurch wird es möglich, die Winkelbelastung im Messstrahlengang kleiner als im Nutzstrahlengang zu halten. Die Planplatte 402 hat an gegenüberliegenden Seiten eine schräge Einkoppelfläche 505 und eine schräge Auskoppelfläche 506 sowie eine gestufte Austrittsfläche 504, die im Zentralbereich nahe der optischen Achse 513 näher an der Substratoberfläche 511 liegt als im Außenbereich.

Wie schon erläutert, entstehen durch die schräge Anordnung der Einkoppelfläche 505 Aberrationen, da das Objekt normalerweise in Luft oder einem Gas und das Bild im optischen Material, beispielsweise in synthetischem Quarzglas liegt. Diese Probleme können vermindert werden, wenn der überwiegende Teil des Messstrahlengangs innerhalb eines optisch dichten Mediums liegt, wobei beispielsweise 80% oder mehr des Messstrahlengangs im Medium verlaufen können. Im Beispielsfall hat die Einkoppeloptik 522 einen aus glasigem Siliziumdioxid bestehenden Glaskörper 530, an dessen Austritt eine Kollimationsoptik 531 angebracht ist. Die telezentrische Kollimationsoptik 531 hat Linsen, welche aus einem im Vergleich zu Quarzglas höher brechenden Material bestehen, beispielsweise aus LaFSF oder SF. Alle optischen Komponenten sind zu einem integralen Stück verkittet. Da in diesem Fall nur der Brechzahlquotient zwischen dem Material der Kollimationsoptik und dem Material des Glaskörpers wirkt, kann die Aberrationswirkung der prismenförmigen Platte 502 weitgehend beseitigt werden. Die Auskoppeloptik 524 kann einen entsprechenden Aufbau haben.

Erfindungsgemäße Fokusdetektionssysteme eignen sich für alle Arten und Formen abzubildender Objekte. Beispielsweise kann ein spaltförmiges Objekt, also ein Objekt, welches sich im wesentlichen nur in eine Richtung ausdehnt, genutzt werden. Besonders günstig ist es, wenn ein ganzes, sich in zwei Dimensionen erstreckendes Gitter auf die Substratoberfläche abgebildet wird. In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, über Moiré-Technik und flächenhafte Auswertung, d.h. Auswertung in zwei quer zueinander liegenden Richtungen, die Auswertegenauigkeit erheblich zu steigern. Dies wird anhand 8 beispielhaft erläutert. Diese zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Substratoberfläche 611 sowie eines Einkoppelsystems 622 und eines Auskoppelsystems 624. Das Einkoppelsystem umfasst ein Objektgitter 630, welches über ein Abbildungsobjektiv 631 unter schrägem Winkel auf die Substratoberfläche 611 abgebildet wird, so dass dort ein Bild 632 des Objektgitters 630 entsteht. Dieses wird über eine Abbildungsoptik 633 des Auskoppelsystems auf ein Analysegitter 634 abgebildet. Durch Überlagerung des an der Substratoberfläche 611 reflektierten Bildes des Objektgitters 630 mit dem Analysegitter 634 können Moirémuster erzeugt werden, deren Analyse eine Bestimmung der Lage der Substratoberfläche 611 ermöglichen.

Vorteilhafterweise sind die Objektive 631 und 633 mit ihren Hauptebenen parallel zur Waferebene angeordnet. Ohne weitere Betrachtung von Fehlern wie Wölbung oder Kippung ergibt sich hinter dem Analysegitter 634 ein Signal, welches streng sinusförmig der z-Position der Substratoberfläche 611 entspricht. Daher ist eine punktförmige Auswertung möglich. Günstiger ist es jedoch, wenn nicht nur ein integraler Helligkeitswert erfasst wird, sondern wenn das Überlagerungsmuster flächenhaft, d.h. zweidimensional und ortsauflösend erfasst wird. Hierzu kann der nicht gezeigte Detektor beispielsweise einen CCD-Chip haben. In dem zweidimensionalen Bild werden dann alle Informationen, wie Fokuslage, Kippung und/oder Wölbung des Wafers bzw. der Substratoberfläche 611 offenbar und können ausgewertet werden. Durch periodische Relativverschiebung zwischen Objektgitter und Analysegitter lässt sich eine Phasenschiebung durchführen, um Restfehler zu minimieren. Beispielsweise könnte hierzu das Objektgitter 630 mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktuators zu Schwingungen angeregt werden.

Für diese sehr genaue Auswertemethoden sind steilere Auftreffwinkel, wie sie durch die Erfindung ermöglicht werden, günstig. Die Abbildungssysteme von Einkoppelsystem und Auskoppelsystem sollten extrem hohe Feldwinkel erlauben und bezüglich Verzeichnung und sonstigen Abbildungsfehlern gut korrigiert sein. Hierfür ist es dann günstig, andere Konfigurationen zu nutzen, bei denen die Hauptebenen nicht parallel zur Waferebene liegen. Günstig sind beispielsweise Anordnungen, bei de nen die Objektive 631 und 633 von Einkoppelsystem und Auskoppelsystem streng telezentrisch sind und eine 1 : 1 Abbildung ermöglichen. Günstigerweise treffen sich die Ebenen von Objektgitter und Analysegitter, die Waferebene 611 und die Hauptebene der Optiken 621 und 633 in einem Punkt.

Aufgrund der schrägen Anordnung zur Substratoberfläche 611 bilden die Objektive 631 und 633 trapezförmig ab. Um ein rechteckiges Gitter auf der Substratoberfläche 611 zu bekommen, werden bevorzugt trapezförmige Gitter als Objektgitter 630 und Analysegitter 634 verwendet. Bei richtiger Anpassung der perspektivischen Verzerrung von Objektgitter und Analysegitter an den Einfallswinkel kann ein überall scharfes, rechteckiges Bild 632 des Gitters auf der Substratoberfläche 611 erzeugt werden. Dieses wird bei Abbildung auf das Analysegitter wieder trapezförmig. Wenn nun die Brennweiten der Objektive 631 und 633 gleich sind, kann das Analysegitter in Größe und Aufbau dem Objektgitter entsprechen, was unter anderem die Fertigung derartiger Gitter kostengünstig macht. Anstatt der beispielhaft gezeigten Lineargitter mit in einer Richtung konvergierenden bzw. divergierenden Gitterlinien sind auch Gitter mit mehreren Periodizitätsrichtungen möglich, um beispielsweise auf der Waferoberfläche 611 ein Kreuzgitter zu erzeugen.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Messempfindlichkeit besteht darin, interferometrische Techniken einzusetzen.

Hierzu ist bei einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Einkoppelsystem einen mit Hilfe einer Abbildungsoptik erzeugten kollimierten (Laser-)Strahl enthält. Dieser durchläuft den Messraum und erreicht nach mehreren Reflexionen schließlich das Auskoppelsystem. Ein- und Auskoppelsystem können identisch sein. An geeigneter Stelle wurde vorher vom einlaufenden Strahl ein Referenzstrahl gebildet. Der auslaufende Strahl wird mit dem Referenzstrahl zur Interferenz ge bracht. Anhand der Intensitätsmodulation kann die Phasenlage von Referenzstrahl und Messstrahl ermittelt werden. Beispielsweise durch hochfrequente Phasenschiebung kann das System extrem genau und gleichzeitig schnell den optischen Weg des Messstrahls im Messraum ermitteln. Da das Licht hier nicht Winkeländerungen, sondern optische Wegänderungen nützt, ist ein besonders flacher Einfall auf das Substrat weniger vorteilhaft. Durch das Führen des Messstrahls im Zick-Zack lässt sich ein steiles Auftreten erreichen. Eine weitere Verbesserung lässt sich bei extremen Aperturen und kleinsten Arbeitsabständen dadurch erreichen, dass eine dicke Planparallelplatte als ein letztes Element des Lithographieobjektivs für die Reflexion vorgesehen wird. Für die interferometrische Technik ist der Polarisationszustand senkrecht zur Einfallsebene besonders vorteilhaft.

Claims

Verfahren zur optischen Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene eines optischen Abbildungssystems und einer im Bereich der Bildebene anzuordnenden Substratoberfläche eines Substrats mit folgenden Schritten: Erzeugung mindestens eines Messstrahls mit Messlicht einer Messwellenlänge; schräge Einstrahlung des Messstrahls in einen Zwischenraum zwischen einer letzten optischen Fläche des Abbildungssystems und der Substratoberfläche; Erfassung des Messstrahls nach Reflexion an der Substratoberfläche; wobei die Einstrahlung derart durchgeführt wird, dass der Messstrahl vor der Erfassung mindestens einmal an der Substratoberfläche und mindestens einmal an einer für das Messlicht reflektierenden Reflexionsfläche des Abbildungssystems reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Messstrahl so geführt wird, dass er nur einmal an der Substratoberfläche reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Messstrahl mindestens einmal an einer mit Abstand vor der Substratoberfläche angeordneten Hilfsreflexionsfläche zur Reflexion eines schräg Richtung Substratoberfläche laufenden Messstrahles in eine von der Substratoberfläche weglaufenden Reflexionsrichtung reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Messstrahl mindestens einmal an einer als Hilfsreflexionsfläche dienenden Fläche einer letzten optischen Komponente des optischen Abbildungssystem reflektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgendem Schritt: Schräge Einkopplung des Messstrahls in eine ebene Grenzflächen aufweisende, transparente optische Komponente des optischen Abbildungssystems, wobei die Einkopplung derart erfolgt, dass das Messlicht vor Austritt aus der optischen Komponente an mindestens einer ebenen Grenzfläche der optischen Komponente reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem Einkopplung so erfolgt, dass das Messlicht vor Auskopplung aus der optischen Komponente an mindestens zwei ebenen Grenzflächen der optischen Komponente reflektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Messstrahl so geführt wird, dass ein Messstrahlengang mit mindestens einer Reflexion an der Substratoberfläche und mindestens einer Reflexion an einer Reflexionsfläche des optischen Abbildungssystems vor der Erfassung mehrfach durchlaufen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Messlicht mit einer Polarisationsvorzugsrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Messlicht mit einer Polarisationsvorzugsrichtung verwendet wird, die im wesentlichen senkrecht zu einer Einfallsebene des Messlichts auf die Substratoberfläche und die Reflexionsfläche ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Messlicht so geführt wird, dass mehr als 80% des Messstrahlengangs innerhalb eines optisch dichten Mediums verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit dem Messstrahl auf der Substratoberfläche ein zweidimensionales Bild eines Gitters erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem zur Erzeugung eines Bildes eines Objektgitters an einem Reflexionsort der Substratoberfläche ein Objektgitter mit einer an einen Einstrahlwinkel angepassten perspektivischen Verzerrung verwendet wird und bei dem zur Analyse des Bildes Objektgitters ein Analysegitter mit einer perspektivischen Verzerrung verwendet wird, wobei die perspektivischen Verzerrungen von Objektgitter und Analysegitter derart aufeinander abgestimmt sind, dass durch Überlagerung des Bildes des Objektgitters mit dem Analysegitter ein Moirémuster erzeugbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12 , bei dem ein trapezförmig verzerrtes Objektgitter und ein trapezförmig verzerrtes Analysegitter verwendet wird.
Abbildungseinrichtung, insbesondere Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, mit einem optischen Abbildungssystem und einem Fokusdetektionssystem zur optischen Erfassung von Abweichungen zwischen der Bildebene des optischen Abbildungssystem und einer im Bereich der Bildebene anzuordnenden Substratoberfläche eines Substrats, das Fokusdetektionssystem mit: einem Einkoppelsystem zur schrägen Einstrahlung mindestens eines zur Reflexion an der Substratoberfläche vorgesehenen Messstrahls in einen Zwischenraum zwischen der letzten optischen Fläche des Abbildungssystems und der Substratoberfläche; und einem Auskoppelsystem zur Erfassung des Messstrahls nach Reflexion an der Substratoberfläche; wobei das Einkoppelsystem und das Auskoppelsystem derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Messstrahl vor Eintritt in das Auskoppelsystem mindestens einmal an der Substratoberfläche und mindestens einmal an einer für das Messlicht reflektierende Reflexionsfläche des Abbildungssystems reflektiert wird.
Abbildungseinrichtung nach Anspruch 14, bei dem mit Abstand vor der Substratoberfläche mindestens eine Hilfsreflexionsfläche zur Reflexion eines schräg in Richtung Substratoberfläche laufenden Messstrahls in eine schräg von der Substratoberfläche wegweisende Reflexionsrichtung vorgesehen ist.
Abbildungseinrichtung nach Anspruch 15, bei der mindestens eine Hilfsreflexionsfläche zwischen einer durch die Austrittsfläche des Abbildungssystems definierten Ebene und der Bildebene des Abbildungssystems angeordnet ist.
Abbildungseinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der mindestens eine Hilfsreflexionsfläche an der letzten optischen Fläche des optischen Abbildungssystems vorgesehen ist.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der eine letzte optische Komponente des Abbildungssystems eine Austrittsfläche hat, die in mindestens einem Bereich eine für das Messlicht reflektierende Beschichtung aufweist.
Abbildungseinrichtung nach Anspruch 18, bei dem die Beschichtung für die Arbeitswellenlänge des optischen Abbildungssystems reflexmindernd wirkt.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der das Fokusdetektionssystem mindestens einen Retroreflektor zur Reflexion des Messstrahles in sich selbst aufweist.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei der das Einkoppelsystem zur Abgabe von polarisiertem Messlicht ausgebildet ist.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei der mindestens eine Polarisationsdreheinrichtung zur Drehung der Polarisationsvorzugsrichtung von Messlicht zwischen einem ersten Durchlauf eines Messweges und einem nachfolgenden, gegenläufigen zweiten Durchlauf des Messweges vorgesehen ist.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, bei der das Fokusdetektionssystem eine letzte optische Komponente des Abbildungssystems als durchstrahlbarer, strahlführender Teil umfasst.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, bei dem das Abbildungssystem eine letzte optische Komponente mit einem Randbereich hat, an dem an mindestens einer Stelle eine schräg zur optischen Achse ausgerichtete, ebene Einkoppelfläche für einen Messstrahl des Fokusdetektionssystems ausgebildet ist.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24, bei dem das Einkoppelsystem ein mit Hilfe einer Abbildungsoptik auf die Substratoberfläche abbildbares Objektgitter umfasst und bei der das Auskoppelsystem ein Analysegitter sowie ein optisches Abbildungssystem zur Abbildung des auf der Substratoberfläche abgebildeten Gitters auf das Analysegitter umfasst, wobei das Objektgitter und das Analysegitter derart an einander angepasst sind, dass durch Überlagerung des Bildes des Objektgitters mit dem Analysegitter ein Moirémuster erzeugbar ist.
Abbildungseinrichtung nach Anspruch 25, bei dem das Objektgitter und das Analysegitter trapezförmig verzerrt sind.
Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, bei der das Fokusdetektionssystem einen ortauflösenden Detektor mit einer zweidimensional ausgedehnten Sensorfläche aufweist.