Objektiv mit mehreren in einem Gehäuse angeordneten optischen Elementen

Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit mehreren in einem Gehäuse angeordneten optischen Elementen. Die Erfindung betrifft e- benfalls ein Verfahren zur relativen Positionsbestimmung zwischen einem fest mit einem Objektivgehäuse verbundenen ersten optischen Element und einem austauschbaren Abschlusselement so- wie ein Verfahren zur Positionierung eines austauschbaren Abschlusselements in einem derartigen Objektiv.

Bei Projektionsobjektiven, insbesondere für die Mikrolithogra- phie ist es vorteilhaft das Abschlusselement, insbesondere eine Abschlusslinse oder dergleichen, aufgrund von mit der Zeit auftretenden Verschlechterungen dessen optischer Eigenschaften austauschbar zu gestalten.

Bei der beispielsweise in der WO 99/49504 beschriebenen Immersi- onslithographie, also der Lithographie, bei der sich zwischen dem Abschlusselement des Objektivs und dem zu belichtenden Wafer ein Immersionsmedium befindet, wird die Notwendigkeit eines austauschbaren Abschlusselements noch verstärkt.

Das Abschlusselement ist, insbesondere wenn es beispielsweise aus Kalziumfluorid besteht, sehr empfindlich gegenüber dem teilweise aggressiven Immersionsmedium, sodass ein Schutz desselben erforderlich ist. Dennoch kann es, beispielsweise durch das Zusammenspiel mit weiteren chemischen Zusätzen in dem Immersions- medium, zur Kontamination des Abschlusselements kommen, so dass dieses nicht mehr in der Lage ist, seine volle optische Leistung zu bringen und nach einiger Zeit ausgetauscht werden muss. Auch die Kontaminationen aus den Resists auf dem Wafer sowie Kontaminationen aus dem System zum kontinuierlichen Austausch des Im- mersionsmediums können Ursachen für die Notwendigkeit eines Aus- tauschs sein.

An das Abschlusselement eines Immersionslithographie-Objektivs werden sehr hohe Anforderungen bezüglich der Genauigkeit und der möglichen Toleranzen gestellt, wodurch ein Austausch des Abschlusselements erschwert wird.

Da die genaue Position des Abschlusselements, vor allem auch bei Projektionsobjektiven mit hoher numerischer Apertur, einen großen Einfluss auf die Bildqualität des optischen Gesamtsystems hat, erfordert ein derartiger Austauschprozess insbesondere in der Einsatzumgebung eine hohe Positionierungsgenauigkeit (Sub- μm-Bereich) in bis zu sechs Freiheitsgraden.

Ein bekannter Ansatz, um derart hohe Genauigkeiten bei der Positionierung zu erreichen, ist beispielsweise die Fassung des Ab- Schlusselements mit einem Aktuatorsystem zur Manipulation des Abschlusselements in bis zu sechs Freiheitsgraden zu versehen, wobei das Abschlusselement erst mit grober Genauigkeit vorjustiert wird und anschließend die Abweichungen mit Hilfe eines Bildqualitätsmesssystems gemessen und korrigiert werden. Ein derartiges Aktuatorsystem bringt jedoch Nachteile hinsichtlich Komplexität und Kosten und vor allem hinsichtlich der Leistung des optischen Systems durch eine verringerte axiale Steifigkeit der Fassung des Abschlusselements, was die Bildqualität negativ beeinflusst, mit sich.

Es ist daher wünschenswert, die Anzahl der aktuierten Freiheitsgrade, beispielsweise auf die z-, die rx- und die ry-Richtung, zu beschränken, falls das Abschlusselement mit einer ausreichend hohen Genauigkeit während des Austauschs in der Horizontalebene (x- und y-Richtung, d. h. senkrecht zur Strahlrichtung bzw. zur optischen Achse z) positioniert bzw. angebracht werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv und Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchen eine sehr hohe Genauigkeit bei der Positionierung eines optischen Elements bzw. eines austauschbaren Abschlusselements, insbesondere in x- und y-Richtung senkrecht zur Strahl-

richtung bzw. zur optischen Achse ermöglicht wird, wobei auf aufwändige und kostenintensive eingebaute Aktuatorsysteme verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Objektiv mit mehreren in einem Objektivgehäuse angeordneten optischen Elementen gelöst, wobei zur relativen Positionsbestimmung zwischen einem ersten optischen Element und einem zweiten optischen Element o- der zwischen einem lasttragenden Strukturelement des Objektivs und einem zweiten optischen Element wenigstens eine Sensoranordnung mit wenigstens einer kapazitiven Sensoreinheit und/oder wenigstens einer induktiven Sensoreinheit vorgesehen ist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in einfacher und vor- teilhafter sowie kostengünstiger Weise ein Objektiv geschaffen, bei welchem zur relativen Positionsbestimmung zwischen einem ersten optischen Element und einem zweiten optischen Element o- der zwischen einem Strukturelement des Objektivs und einem zweiten optischen Element kapazitive und/oder induktive Sensoren vorgesehen sind. Dieses stationäre und kontaktlose Messsystem ist kostengünstig und sehr genau. Ein aufwändiges eingebautes Aktuatorsystem in fünf Freiheitsgraden wird nicht benötigt, da die Konzentrizität bzw. die Ausrichtung in x- und y-Richtung in der Horizontalebene, d. h. senkrecht zur optischen Achse oder der Strahlrichtung (z-Achse) über zwei zylindrische Referenzflächen ermittelt werden kann. Des weiteren kann mittels der kapazitiven und/oder induktiven Sensoreinheiten auch eine relative Positionsbestimmung zwischen einem Strukturelement des Objektivs und dem zweiten optischen Element erfolgen. Bei einem Austausch bzw. bei einer Positionierung des zweiten optischen Elements, insbesondere eines austauschbaren Abschlusselements, kann dies nun im Feld, d.h. in der Einsatzumgebung des Objektivs sehr präzise durchgeführt werden, so dass Genauigkeiten von 1 μm bis 10 nm in x- bzw. y-Richtung erreichbar sind. Eine derartige Genau- igkeit mittels optischer Sensoren zu erhalten, ist relativ aufwändig und schwierig, da hierzu eine Vermessung entlang des gesamten Umfangs erforderlich wäre.

Die relative Positionsbestimmung kann in x- und y-Richtung in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Strahlrichtung, insbesondere senkrecht zur optischen Achse (z-Achse) des Objektivs er- folgen. Ferner ist es möglich die relative Positionsbestimmung in z-Richtung sowie in rx- und ry-Richtung (d. h. Drehung um die x-Achse und y-Achse) vorzunehmen.

Vorteilhaft ist es, wenn das lasttragende Strukturelement des Objektivs das Objektivgehäuse ist.

Dadurch kann auch eine relative Positionsbestimmung direkt zwischen dem Objektivgehäuse und dem zweiten optischen Element durchgeführt werden. Insbesondere kann hierzu das Objektivgehäu- se mit Bezugs- oder Referenzflächen versehen sein.

Das Objektiv kann als Projektionsobjektiv für die Mikrolithogra- phie ausgebildet sein.

Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Sensoranordnung wenigstens drei kapazitive Sensoreinheiten aufweist .

In einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung kann vorgese- hen sein, dass die wenigstens drei kapazitiven Sensoreinheiten in gleichmäßigen Abständen um das erste und/oder das zweite optische Element angeordnet sind.

Das zweite optische Element kann austauschbar ausgebildet sein. Insbesondere kann das zweite optische Element ein austauschbares Abschlusselement des Objektivs sein. Ferner kann das erste optische Element ein dem austauschbaren Abschlusselement in Richtung der optischen Achse des Objektivs nachfolgendes optisches Element sein.

Das erste optische Element kann fest mit dem Objektivgehäuse verbunden sein.

Vorteilhaft ist, wenn eine erste Sensoranordnung und eine zweite Sensoranordnung vorgesehen sind.

Die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung können jeweils vier kapazitive Sensoreinheiten aufweisen.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn die erste Sensoranordnung relativ zu dem Objektiv ausgerichtet ist, wobei die zweite Sensoran- Ordnung relativ zu der ersten Sensoranordnung in einer fest vorgegebenen oder genau bekannten Position angeordnet ist.

Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Sensoranordnung auf einem elektrisch isolierenden Substrat- ring aus einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten angeordnet ist.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Material Glas, Keramik, Quarz oder Glaskeramik, insbesondere Ze- rodur oder dergleichen ist.

Des weiteren ist ein Verfahren zur relativen Positionsbestimmung zwischen einem fest mit einem Objektivgehäuse verbundenen ersten optischen Element und einem austauschbaren Abschlusselement oder zwischen dem Objektivgehäuse und dem austauschbaren Abschlusselement in einem Objektiv angegeben, wobei in einem ersten Schritt die erste Sensoranordnung die Position der ersten und der zweiten Sensoranordnung relativ zu dem ersten optischen Element oder zu dem Objektivgehäu- se vermisst, wonach in einem zweiten Schritt die zweite Sensoranordnung die Position des Abschlusselements relativ zu der zweiten Sensoranordnung vermisst und wonach in einem dritten Schritt aus den Messergebnissen die Posi- tion des Abschlusselements relativ zu dem ersten optischen Element oder zu dem Objektivgehäuse bestimmt wird.

Darüber hinaus ist ein Verfahren zur Positionierung eines austauschbaren Abschlusselements in einem Objektiv angegeben, wobei das Abschlusselement mittels einer Positionierungseinrichtung, welche kraftgesteuerte Manipulatoren aufweist, in sechs Frei- heitsgraden unter Verwendung einer durch das vorstehend genannte Verfahren ermittelten relativen Position des Abschlusselements zu dem fest mit dem Objektivgehäuse verbundenen ersten optischen Element oder zu dem Objektivgehäuse positioniert wird.

Eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem und mit einem erfindungsgemäßen Objektiv zur Herstellung von Halbleiterbauelementen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer solchen Projektionsbelichtungsanlage sind in den Ansprüchen 19 und 20 angegeben.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Objektivs für die Immersionslithographie;

Figur 2 eine prinzipmäßige Schnittansicht mit einer Sensoran- Ordnung, einem Abschlusselement und einem in Strahlrichtung vorletzten optischen Element eines Objektivs für die Immersionslithographie;

Figur 3 eine prinzipmäßige Draufsicht auf die Sensoranordnung aus Fig. 2;

Figur 4 eine Prinzipdarstellung einer Sensoranordnung;

Figur 5 eine weitere Prinzipdarstellung einer alternativen Aus- führungsform einer Sensoranordnung mit drei Sensoreinheiten;

Figur 6 eine prinzipmäßige Schnittansicht mit einer alternativen Sensoranordnung, einem Abschlusselement und einem in Strahlrichtung vorletzten optischen Element eines Objektivs für die Immersionslithographie; und

Figur 7 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Teils der Sensoranordnung aus Fig. 6.

Figur 1 zeigt ein als Lithographieobjektiv 1 ausgebildetes Ob- jektiv, welches insbesondere für die Immersionsmikrolithographie geeignet ist, jedoch auch für andere Arten der Lithographie und auch für sonstige Zwecke eingesetzt werden kann. Das Objektiv 1 kann in einer Projektionsbelichtungsanlage zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit einem Beleuchtungssystem als Projek- tionsobjektiv eingesetzt werden. Da die Immersionslithographie an sich bekannt ist, wird hierin nicht näher auf dieses Verfahren eingegangen. Das Lithographieobjektiv 1 weist ein äußerst schematisch angedeutetes Objektivgehäuse 2 als lasttragendes Strukturelement auf, innerhalb welchem in an sich bekannter Wei- se mehrere optische Elemente angeordnet sind. In Figur 1 ist lediglich ein erstes, in Strahlrichtung vorletztes optisches Element 3a und ein Abschlusselement 3b als zweites optisches Element dargestellt. Die optischen Elemente 3a, 3b sind jeweils in einer Halterung bzw. Fassung 4a, 4b angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Abschlusselement 3b austauschbar ausgebildet (nicht näher dargestellt) und das in Strahlrichtung vorletzte optische Element 3a, welches dem Abschlusselement 3b in Richtung der optischen Achse (z-Achse) nachfolgt, fest mit dem Objektivgehäuse 2 verbunden.

Zur relativen Positionsbestimmung in x- und y-Richtung, d. h. senkrecht zur Strahlrichtung bzw. zur optischen Achse (z-Achse) zwischen dem in Strahlrichtung vorletzten optischen Element 3a und dem Abschlusselement 3b sind eine erste und eine zweite Sen- soranordnung 5a, 5b mit jeweils vier kapazitiven Sensoreinheiten βa, 6b (siehe Figuren 2 bis 4) vorgesehen. Die Sensoranordnungen 5a, 5b stellen ihre Messdaten weiteren, insbesondere externen

Geräten, wie beispielsweise Steuergeräten oder dergleichen zur Verfügung (nicht dargestellt) . Bei der Messung können aus der kapazitiven Messtechnik bekannte Mittelungsverfahren zur Eliminierung bzw. Filterung des elektronischen Rauschens verwendet werden. In weiteren Ausführungsbeispielen könnten auch induktive Sensoreinheiten vorgesehen sein. Es können sowohl statische e- lektrische / magnetische Felder als auch Wechselfelder eingesetzt werden. Des weiteren könnte in anderen Ausführungsbeispielen auch eine relative Positionsbestimmung zwischen dem Objek- tivgehäuse 2 als lasttragendem Strukturelement und dem Abschlusselement 3b mit entsprechenden Sensoranordnungen durchgeführt werden (nicht dargestellt). Dazu könnte das Objektivgehäuse 2 mit entsprechenden Referenz- oder Bezugsflächen versehen sein.

Die erste Sensoranordnung 5a ist relativ zu dem Objektiv 1 bzw. dessen Objektivgehäuse 2 oder dem ersten mit dem Objektivgehäuse 2 fest verbundenen optischen Element 3a ausgerichtet, wobei die zweite Sensoranordnung 5b relativ zu der ersten Sensoranordnung 5a in einer fest vorgegebenen oder genau bekannten Position angeordnet ist.

Zur relativen Positionsbestimmung zwischen dem fest mit dem Objektivgehäuse 2 verbundenen ersten optischen Element 3a und dem austauschbaren Abschlusselement 3b oder zwischen dem Objektivgehäuse 2 als Strukturelement und dem austauschbaren Abschlusselement 3b in dem Objektiv 1 vermisst nun in einem ersten Schritt die erste Sensoranordnung 5a die Position der ersten Sensoranordnung 5a und der zweiten Sensoranordnung 5b relativ zu dem ersten optischen Element 3a oder in einem weiteren Ausführungsbeispiel zu dem Objektivgehäuse 2, wonach in einem zweiten Schritt die zweite Sensoranordnung 5b die Position des Abschlusselements 3b relativ zu der zweiten Sensoranordnung 5b vermisst und wonach in einem dritten Schritt aus den Messergeb- nissen die Position des Abschlusselements 3b in x- und y- Richtung relativ zu dem ersten optischen Element 3a bzw. zu dem Objektivgehäuse 2 bestimmt wird.

Zur genauen Positionierung des austauschbaren Abschlusselements 3b in dem Objektiv 1 bei einem Austausch werden nun die Messergebnisse, welche laufend über die Sensoranordnung 5b ermittelt werden, verwendet. Unter Zuhilfenahme einer schwingungsentkop- pelten Positioniereinrichtung, welche kraftgesteuerte Manipulatoren (z. B. Lorentz-Aktuatoren oder dergleichen) aufweist, wird das austauschbare Abschlusselement 3b in sechs Freiheitsgraden nach einer vorherigen GrobJustierung positioniert (nicht darge- stellt) . Die Messergebnisse können der Positionierungsregelung auch direkt zur Verfügung gestellt werden.

Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich, vermessen die Sensoranordnungen 5a, 5b die optischen Elemente 3a, 3b anhand der Fassungen bzw. Halterungen 4a, 4b. In weiteren Ausführungsbeispielen können die optischen Elemente 3a, 3b auch direkt vermessen werden. Die Fassungen bzw. Halterungen 4a, 4b und die Sensoranordnungen 5a, 5b sind in Figur 1 nur äußerst schematisch angedeutet.

Figur 2 zeigt eine weitere stark vereinfacht dargestellte Ausführungsform einer ersten Sensoranordnung 5a und einer zweiten Sensoranordnung 5b, welche eine relative Position in x- und y- Richtung zwischen dem ersten optischen Element 3a und dem Abschlusselement 3b bestimmen. Dazu sind kapazitive Sensoreinhei- ten 6a und 6b auf einem elektrisch isolierenden Substratring 7 aus einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten ^' aufgebracht. Durch die kapazitive (bzw. induktive) Messung erfolgt in vorteilhafter Weise bereits eine Mittelwertbildung aufgrund der flächigen Sensoreinheiten 6a, 6b. Im vorliegenden Aus- führungsbeispiel ist das Material des Substratrings 7 Zerodur. In weiteren Ausführungsbeispielen könnte als Material auch Glas, Keramik, Quarz oder weitere Glaskeramiken vorgesehen sein. Die Sensoreinheiten 6a, 6b sind vorzugsweise als Goldelektroden auf dem elektrisch isolierenden Substratring 7 durch Aufdampfen auf- gebracht .

In einem weiteren Ausführungsbeispiel könnten die optischen EIe-

mente 3a, 3b auch mit vorzugsweise aufgedampften metallischen Flächen in ihren Umfangsbereichen versehen sein, welche den Sensoreinheiten 6a, βb zugewandt sind. Insbesondere bei induktiven Sensoren könnten Metallschichten aufgebracht sein, welche wie Spulen wirken.

In Figur 3 sind die Sensoranordnungen 5a, 5b nochmals in einer Draufsicht dargestellt.

Wie aus Figur 3 ersichtlich, weisen die erste Sensoranordnung 5a und die zweite Sensoranordnung 5b jeweils vier in gleichmäßigen Abständen um den Umfang des Substratrings 7 bzw. der optische Elemente 3a, 3b angeordnete Sensoreinheiten 6a, 6b auf. Dadurch können 360° abgedeckt werden. Die optischen Elemente 3a, 3b sind in Figur 3 nicht dargestellt. Die Lücke zwischen den Referenzflächen der optischen Elemente 3a, 3b und dem inneren Durchmesser des Substratrings 7 kann eingestellt werden, um entsprechende Messauflösungen zu erreichen. Um die Konzentrizitätsabwei- chungen zwischen Messflächen 6a und 6b des Substratrings 7 zu kalibrieren, kann in einfacher und vorteilhafter Weise ein Referenzobjekt in den Substratring 7 eingebracht werden, wonach mehrere Messvorgänge mit anschließenden Rotationen des Referenzobjekts um 180° durchgeführt werden. Die halbe Differenz zweier Messungen ergibt die Konzentrizität des Referenzobjekts. Die Hälfte der Summe zweier Messungen ergibt den Konzentrizitätsfeh- ler des Substratrings 7. Dies kann mehrmals wiederholt werden, um zufällige Messfehler zu eliminieren und einen Kalibrierungswert für zukünftige Messungen zu ermitteln.

In Figur 4 ist nochmals die Sensoranordnung 5b mit dem optischen Element 3b und den kapazitiven Sensoreinheiten 6b dargestellt. Bei der kapazitiven Messung werden Genauigkeiten in δx und δy von 1 μm bis 10 nm erreicht.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung 5b' mit nur drei kapazitiven Sensoreinheiten 6b' vereinfacht dargestellt. Alternativ könnten auch induktive Sensoreinheiten

vorgesehen sein (in Fig. 5 gestrichelt als Spulen 6b ^{1 1} dargestellt) . Durch die Messung der lediglich drei Kapazitäts- bzw. Induktivitätswerte kann beispielsweise mittels einer Look-up- Tabelle, geeigneter Kalibrationskurven oder dergleichen die Po- sition des optischen Elements bestimmt werden. Die Sensoreinheiten 6b ¹ , 6b ¹¹ sind vorzugsweise unter jeweils 120° um das optische Element 3b angeordnet, so dass das optische Element 3b in vorteilhafter Weise bei einer mittigen Positionierung im Wesentlichen im Schwerpunkt eines durch die Mittelpunkte der Sensor- einheiten 6b ¹ , 6b' ¹ definierten gleichseitigen Dreiecks angeordnet ist. Bei einer anderen Anordnung ergeben sich entsprechend abweichende Kalibrationskurven für die Positionsbestimmung.

Selbstverständlich kann die genaue Positionierung analog zu Fig. 2 auch in z-Richtung sowie in rx- und ry-Richtung (d. h. Drehung um die x-Achse und y-Achse) vorgenommen werden. Eine derartige Anordnung ist ebenfalls stark vereinfacht in Fig. 6 dargestellt. Dazu sind zwischen dem in Strahlrichtung vorletzten optischen Element 3a und dem Abschlusselement 3b eine erste und eine zwei- te Sensoranordnung 5c, 5d mit jeweils vier kapazitiven Sensoreinheiten 61c bis 64c und 61d bis 64d (für das Abschlusselement 3b siehe auch Figur 7) vorgesehen. Die Positionsbestimmung in z-

Richtung ergibt sich vereinfacht aus -^ — — — , wobei

C ₁ die Messwerte der zugehörigen Sensoreinheiten 61d bis 64d (beispielsweise in nm) darstellen. Die Positionsbestimmung in

C — C rx-Richtung ergibt sich dabei aus —— — und in ry-Richtung

_aus ⁵ S* ^" ^ .