Projektionsobjektiv eines Lithographiesystems und Verfahren zur Überwachung eines Projektionsobjektivs eines Lithographiesystems

Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv eines Lithographiesystems und ein Verfahren zu dessen Überwachung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Beleuchtungssystem eines Lithographiesystems, ein Lithographiesystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Projektionsobjektivs eines Lithographiesystems sowie ein Verfahren zur vorausschauenden Kompensation von Abbildungsfehlern eines Projektionsobjektivs eines Lithographiesystems und ein Verfahren zum Betreiben eines Lithographiesystems.

Ein Lithographiesystem weist in der Regel ein Beleuchtungssystem und ein Projektionsobjektiv auf. Das Beleuchtungssystem erzeugt aus dem Licht einer Lichtquelle eine gewünschte Lichtverteilung zur Beleuchtung einer Maske. Mit dem Projektionsobjektiv wird die Maske auf ein lichtempfindliches Material abgebildet, das beispielsweise auf einen Wafer oder ein anderes Substrat aufgebracht ist. Auf diese Weise wird das lichtempfindliche Material mit einem durch die Maske vorgegebenen Muster strukturiert belichtet. Da die Maske winzige Strukturelemente aufweist und der Belichtungsvorgang Bestandteil eines Produktionsprozesses ist und fortwährend wiederholt wird, ist es von großer Bedeutung, dass das Projektionsobjektiv über einen langen Zeitraum eine absolut präzise Abbildung gewährleistet.

Das Projektionsobjektiv ist jedoch einer Vielzahl von Einflüssen ausgesetzt, die sich negativ auf die Abbildungsqualität auswirken können. Insbesondere durch mechanische oder thermische Einwirkungen kann die räumliche Anordnung oder die Form der optischen Elemente des Projektionsobjektivs beeinflusst werden, was wiederum die Entstehung von Bildfehlern zur Folge haben kann. Selbst bei einer perfekten Abschirmung vor äußeren Einflüssen können durch den Wärmeeintrag des für die Belichtung des lichtempfindlichen Materials benötigten Lichts Bildfehler verursacht werden. Dieser Effekt wird als Lensheating bezeichnet.

Erwartete Lensheating-Effekte werden bereits bei der Konstruktion und der Herstellung des Projektionsobjektivs berücksichtigt. Außerdem können Manipulatoren vorgesehen werden, welche die Auswirkungen der Lensheating-Effekte auf die Abbildung wenigstens zum Teil kompensieren. Eine wirkungsvolle Kompensation setzt voraus, dass die Lensheating-Effekte bekannt sind. Eine Ermittlung von Lensheating-Effekten mittels Simulationsmodellen und die messtechnische Erfassung von Lensheating-Effekten sind allerdings vergleichsweise schwierig, insbesondere dann, wenn auch schnelle Lensheating-Effekte berücksichtigt werden sollen, d. h. Lensheating-Effekte, die beispielsweise auf einer Zeitskala von weniger als 10 Sekunden signifikant variieren.

Aus der DE 103 21 806 Al sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Fremdgaserkennung im Strahlengang optischer Abbildungs- oder Strahlführungssysteme bekannt, die mit einem Schutzgas gefüllt und/oder durchspült werden. Das Schutzgas wird einer Nachweiskammer zugeführt und dort einem elektromagnetischen Analysewellenfeld ausgesetzt, um mit Hilfe des photoakustischen Effekts etwaige Fremdgasanteile zu ermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lithographiesystem die messtechnische Erfassung von schnellen Effekten zu ermöglichen, die Einfluss auf die Funktion des Lithographiesystems haben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der nebengeordneten Ansprüche gelöst.

Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv eines Lithographiesystems weist ein Gehäuse und optische Elemente auf, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und eine Maske auf ein Substrat abbilden. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv wenigstens einen Sensor auf, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und photoakustische Signale erfasst.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass damit schnelle Effekte erfasst werden können, die Einfluss auf die Funktion des Projektionsobjektivs und damit des Lithographiesystems haben.

Die optischen Elemente können beispielsweise eine oder mehrere Linsen und/oder einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere diffraktive optische Elemente umfassen. Es können insbesondere auch mehrere Sensoren zur Erfassung photoakustischer Signale innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Dadurch können mehr Informationen über das Projektionsobjektiv erlangt werden als mit einem Sensor. Der Sensor kann als ein Körperschall sensor oder als ein Mikrophon ausgebildet sein. Mit dem Körperschall sensor können photoakustische Signale erfasst werden, die sich in einem Festkörper ausbreiten. Mit dem Mikrophon können photoakustische Signale erfasst werden, die sich in einem Gas ausbreiten. Über die Ausbildung des Sensors besteht somit die Möglichkeit auszuwählen, welche Art von photoakustischen Signalen detektiert werden.

Der Sensor kann an einem der optischen Elemente oder an einer Halterung eines der optischen Elemente angeordnet sein. Ersteres führt zu einer besonders guten Ankoppelung des Sensors an die photoakustischen Signale. Letzteres reduziert das Risiko, das optische Element durch Anbringen des Sensors zu schädigen.

Das Gehäuse kann wenigstens einen Hohlraum aufweisen, der mit einem Gas gefüllt ist und der Sensor kann innerhalb des Hohlraums angeordnet sein. Dies ermöglicht die Erfassung von photoakustischen Signalen, die im Gas erzeugt wurden und/oder die sich im Gas ausbreiten. Der Hohlraum kann als akustischer Resonator zur Verstärkung der photoakustischen Signale dienen. Das führt zu einer besseren Signalstärke und somit zu einer leichteren Detektierbarkeit.

Das Gehäuse kann durch die Halterungen der optischen Elemente gebildet werden. Dies ermöglicht einen effizienten und stabilen Aufbau des Projektionsobjektivs.

Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Beleuchtungssystem eines Lithographiesystems. Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem weist ein Gehäuse und optische Elemente auf, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und ein Beleuchtungssetting erzeugen. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem wenigstens einen Sensor auf, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und photoakustische Signale erfasst.

Da das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem ebenfalls ein Bestandteil des Lithographiesystems ist, ist es vorteilhaft, auch beim Beleuchtungssystem die messtechnische Erfassung von schnellen Effekten zu ermöglichen, da diese ebenfalls die Funktion des Lithographiesystems beeinflussen können. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Lithographiesystem mit einem erfmdungsgemäßen Projektionsobjektiv und/oder einem erfmdungsgemäßen Beleuchtungssystem.

Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Überwachung eines Projektionsobjektivs eines Lithographiesystems. Beim erfmdungsgemäßen Verfahren werden innerhalb des Projektionsobjektivs durch Lichteinstrahlung photoakustische Signale erzeugt und diese photoakustischen Signale werden von einem Sensor erfasst.

Die photoakustischen Signale können durch Bestrahlen eines Bereichs eines optischen Elements oder eines mit Gas gefüllten Hohlraums innerhalb des Projektionsobjektivs erzeugt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, das optische Element und/oder den mit Gas gefüllten Hohlraum zu überwachen. Der bestrahlte Bereich kann einen Durchmesser unterhalb eines Maximalwerts aufweisen. Die Konzentration des Lichts ermöglicht eine gute Signalausbeute an photoakustischen Signalen. Der Maximalwert kann 20 mm, vorzugsweise 10 mm betragen. Das optische Element oder der mit Gas gefüllte Hohlraum kann in geringerer Entfernung zu einer Pupillenebene als zu einer Feldebene des Projektionsobjektivs angeordnet sein.

Die Position des bestrahlten Bereichs des optischen Elements oder des mit Gas gefüllten Hohlraums kann variiert werden. Dies ermöglicht eine örtlich selektive Erzeugung von photoakustischen Signalen und somit auch das Ermitteln von ortsaufgelösten Informationen. Insbesondere können die Größe und/oder die Position des bestrahlten Bereichs über ein von einem Beleuchtungssystem erzeugtes Beleuchtungssetting eingestellt werden. Hierzu kann ein Beleuchtungssystem mit einem diffraktiven optischen Element oder mit einer Mikrospiegelanordnung eingesetzt werden. Letzteres ist besonders vorteilhaft, da es eine hohe Flexibilität bietet.

Die photoakustischen Signale können durch Anregung mit Licht der Arbeitswellenlänge des Projektionsobjektivs erzeugt werden. Dadurch ist es möglich die im Lithographiesystem ohnehin vorhandene Lichtquelle zu nutzen und es ist kein Aufwand für eine zusätzliche Lichtquelle erforderlich. Insbesondere können die photoakustischen Signale während des Belichtungsvorgangs erzeugt werden. Das hat den Vorteil, dass eine permanente Überwachung des Projektionsobjektivs auch während des Belichtungsvorgangs möglich ist und dadurch Fehler schnellstmöglich erkannt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für etwaige Messungen mit Hilfe der photoakustischen Signale keine Belichtungspausen erforderlich sind und somit der Belichtungsbetrieb durch die Messungen nicht beeinträchtigt wird.

Die photoakustischen Signale können mit dem Licht erzeugt werden, das zur Belichtung verwendet wird. Insbesondere kann das Licht nach Erzeugung der photoakustischen Signale auf die Maske gelenkt werden. Demgemäß kann das Licht zuerst auf das optische Element oder in den gasgeführten Hohlraum zur Erzeugung der photoakustischen Signale gelenkt werden und dann zur Maske weitergeleitet werden, um die Maske zu belichten. Dadurch ist eine nahtlose Integration von Messungen mit Hilfe der photoakustischen Signale in den Belichtungsbetrieb möglich und die Messungen können in Echtzeit unter Betriebsbedingungen durchgeführt werden.

Die erfassten photoakustischen Signale können mit Referenzsignalen verglichen werden, die während eines ordnungsgemäßen Funktionszustandes des Projektionsobjektivs ermittelt wurden. Dies ermöglicht eine sehr zuverlässige Auswertung der photoakustischen Signale auch bei vergleichsweise geringer Signalstärke.

Aus den erfassten photoakustischen Signalen können Informationen bezüglich des optischen Absorptionsverhaltens eines der optischen Elemente des Projektionsobjektivs ermittelt werden. Insbesondere kann mit den erfassten photoakustischen Signalen geprüft werden, ob eine unzulässig starke Degradation des optischen Elements vorliegt. Es können auch Informationen bezüglich des optischen Absorptionsverhaltens mehrerer optischer Elemente des Projektionsobjektivs ermittelt werden.

Es kann eine Aktion veranlasst werden, falls eine unzulässig starke Degradation des optischen Elements vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass schnell und adäquat auf die Degradation reagiert werden kann.

Die Aktion kann darin bestehen, wenigstens einen Manipulator wenigstens eines optischen Elements anzusteuem. Das bietet sich insbesondere dann an, wenn die Degradation noch nicht zu weit fortgeschritten ist und hat den Vorteil, dass die Ansteuerung des Manipulators schnell und mit wenig Aufwand durchführbar ist. Weiterhin kann die Aktion darin bestehen, das optische Element auszutauschen. Ein Austausch des optischen Elements bietet sich insbesondere dann an, wenn eine Kompensation der durch die Degradation hervorgerufenen Effekte mit Hilfe eines Manipulators nicht möglich ist.

Die photoakustischen Signale können zu verschiedenen Zeitpunkten oder nach verschiedenen Bestrahlungen des optischen Elements erfasst werden und aus dem Verlauf der erfassten photoakustischen Signale oder einer damit zusammenhängenden Größe kann ermittelt werden, zu welchem zukünftigen Zeitpunkt oder nach welcher weiteren Bestrahlung ein Austausch des optischen Elements erforderlich sein wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass ein erforderlicher Austausch des optischen Elements rechtzeitig eingeplant werden kann und die benötigten Ersatzteile bereitgestellt werden können, so dass der Austausch zügig durchführbar ist.

Der Austausch des optischen Elements kann im Rahmen einer ohnehin vorgesehenen Systemwartung vor der Überschreitung des ermittelten zukünftigen Zeitpunkts oder der ermittelten weiteren Bestrahlung vorgenommen werden. Das hat den Vorteil, dass für den Austausch des optischen Elements keine zusätzliche Außerbetriebnahme des Lithographiesystems erforderlich ist.

Mit den erfassten photoakustischen Signalen kann ortsaufgelöst geprüft werden, ob eine unzulässig starke Degradation des optischen Elements vorliegt. Das ermöglicht eine sehr zuverlässige Beurteilung, ob das optische Element weiterhin genutzt werden kann oder ausgetauscht werden muss.

Im Falle einer unzulässig starken Degradation in einem Bereich des optischen Elements kann auf ein Beleuchtungssetting umgestellt werden, bei dem in diesem Bereich des optischen Elements eine geringere Lichtintensität auftritt als beim bisherigen Beleuchtungssetting. Dies eröffnet die Möglichkeit einer weiteren Nutzung des optischen Elements bei einer lokal begrenzten oder örtlich variierenden Degradation.

Aus den erfassten photoakustischen Signalen kann ermittelt werden, ob es primär im Bereich der Oberfläche des optischen Elements zu einer optischen Absorption kommt. Weiterhin kann aus den erfassten photoakustischen Signalen ermittelt werden, ob eine Reinigung der Oberfläche des optischen Elements erforderlich ist und/oder ob eine Reinigung der Oberfläche des optischen Elements ein gewünschtes Ergebnis geliefert hat. Dies hat den Vorteil, dass eine bedarfsgerechte Reinigung des optischen Elements vorgenommen werden kann und dadurch eine unnötig frühe und eine zu späte Reinigung vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass man Gewissheit über das tatsächliche Reinigungsergebnis erlangen kann. Außerdem kann sichergestellt werden, dass die Reinigung nur so lange durchgeführt wird, wie dies zur Erzielung eines gewünschten Reinigungsergebnisses erforderlich ist. Dadurch kann die durch die Reinigung hervorgerufene Belastung anderer Bauteile auf ein notwendiges Minimum beschränkt werden und es kann die für die Reinigung benötigte Zeit gering gehalten werden.

Weiterhin ist es möglich, aus den erfassten photoakustischen Signalen Informationen bezüglich des optischen Absorptionsverhaltens des mit Gas gefüllten Hohlraums zu ermitteln. Es können auch Informationen bezüglich des optischen Absorptionsverhaltens mehrerer mit Gas gefüllter Hohlräume ermittelt werden. Zudem ist es möglich, aus den erfassten photoakustischen Signalen Informationen bezüglich des optischen Absorptionsverhaltens eines Subsystems bestehend aus wenigstens einem optischen Element und wenigstens einem mit Gas gefüllten Hohlraum zu ermitteln. Dies hat den Vorteil, dass das optische Element, der mit Gas gefüllte Hohlraum oder das Subsystem während des Belichtungsbetriebs permanent überwacht werden kann.

Über die Signallaufzeiten der photoakustischen Signale kann ermittelt werden, ob die Signale primär dem optischen Element oder dem mit Gas gefüllten Hohlraum zuzuordnen sind. Dadurch ist es möglich mit einem einzigen Sensor Informationen sowohl bzgl. des optischen Elements als auch bzgl. des mit Gas gefüllten Hohlraums zu erhalten.

Aus den erfassten photoakustischen Signalen können Informationen zum Zustand des Projektionsobjektivs auf einer Zeitskala von weniger als 10 Sekunden ermittelt werden. Das Projektionsobjektiv kann mit Laserpulsen betrieben werden und aus den photoakustischen Signalen können Informationen zum Zustand des Projektionsobjektivs auf einer der Wiederholfrequenz der Laserpulse entsprechenden Zeitskala ermittelt werden. Vom Sensor können Signale an einen Lock-In- Verstärker ausgegeben werden. Der Einsatz des Lock-In -Verstärkers ermöglicht die Auswertung sehr schwacher Signale. Der Lock-In- Verstärker kann mit einer Frequenz abgemischt werden, die einer Hohlraumresonanz des mit Gas gefüllten Hohlraums oder einer Strukturresonanz des optischen Elements entspricht. Dadurch kann die signalverstärkende Wirkung von Resonanzeffekten genutzt werden, so dass auch ursprünglich sehr schwache Signale detektiert werden können.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung eines Projektionsobjektivs eines Lithographiesystems. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden innerhalb des Projektionsobjektivs durch Lichteinstrahlung photoakustische Signale erzeugt und auf Basis dieser photoakustischen Signale wird geprüft, ob eine vorgegebene Spezifikation erfüllt wird.

Auf diese Weise ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle möglich inklusive einer genauen Lokalisierung eines etwaigen Fehlers. Die im Rahmen der Herstellung des Projektionsobjektivs erfassten Signale können als Referenzwerte gespeichert werden. Dies hat den Vorteil, dass zukünftige Messungen relativ zu dem so dokumentierten Anfangszustand vorgenommen werden können und auf diese Weise auch geringfügige Änderungen gegenüber dem Anfangszustand zuverlässig erkannt werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur vorausschauenden Kompensation von Abbildungsfehlern eines Projektionsobjektivs eines Lithographiesystems, die durch Erwärmung von Teilen des Projektionsobjektives durch Belichtungslicht erzeugt werden, mit dem das Projektionsobjektiv eine Maske auf ein Substrat abbildet. Dabei werden mittels photoakustischer Messung Daten über eine lokale optische Absorption im Projektionsobjektiv oder Teilen davon erhoben. Aus den Daten über die lokale optische Absorption und weiteren Daten über die Beleuchtung der Maske und/oder auf der Maske vorhandene Strukturen werden eine bei der Belichtung erwartete zeitabhängige Erwärmung und daraus resultierende Abbildungsfehler numerisch berechnet. Die berechneten Abbildungsfehler werden durch zeitabhängiges Ansteuern wenigstens eines Manipulators eines optischen Elements des Lithographiesystems zumindest teilweise kompensiert.

Auf diese Weise können erwärmungsbedingte Abbildungsfehler in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Die Manipulation des optischen Elements kann durch eine Starrkörperbewegung des optischen Elements und/oder durch Deformation der Oberfläche des optischen Elements erfolgen.

Die Abbildungsfehler des Projektionsobjektivs können wenigstens einmal bei jeder Belichtung eines Substrats mit dem Projektionsobjektiv durch vorausschauende Kompensation korrigiert werden. Dadurch kann erreicht werden, dass jedes Substrat unter Einhaltung definierter Abbildungseigenschaften belichtet wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Lithographiesystems, wobei durch photoakustische Messungen Informationen ermittelt werden und auf Basis dieser Informationen die Abbildungseigenschaften des Lithographiesystems durch Manipulation wenigstens eines optischen Elements des Lithographiesystems korrigiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Lithographiesystems in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Auswerteeinrichtung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung,

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer schematischen Darstellung, Fig. 8 ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale,

Fig. 9 ein weiteres Diagramm für den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale,

Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der durch die Laserpulse erzeugten Temperaturerhöhung von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements,

Fig. 11 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des durch die Laserpulse erzeugten Schalldruckpegels von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements,

Fig. 12 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des SignaL/Rausch-Verhältnisses der vom Sensor detektierten Signale von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements,

Fig. 13 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der durch die Laserpulse erzeugten Temperaturerhöhung von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements,

Fig. 14 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des durch die Laserpulse erzeugten Schalldruckpegels von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements und

Fig. 15 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des SignaL/Rausch-Verhältnisses der vom Sensor detektierten Signale von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäß ausgebildeten Lithographiesystems in einer schematischen Darstellung. Das Lithographie System weist ein Beleuchtungssystem 1 und ein Projektionsobjektiv 2 auf. Das für den Betrieb des Lithographiesystems benötigte Licht wird von einer Lichtquelle 3 erzeugt. Zwischen dem Beleuchtungssystem 1 und dem Projektionsobjektiv 2 ist eine Reticlestage 4 angeordnet, auf der eine Maske 5, auch als Reticle bezeichnet, fixiert ist. Die Reticlestage 4 verfügt über einen Antrieb 6. In Lichtrichtung gesehen nach dem Projektionsobjektiv 2 ist eine Substratstage 7 angeordnet, die ein Substrat 8 wie beispielsweise einen Wafer trägt und einen Antrieb 9 aufweist. Weiterhin ist in Figur 1 noch eine Steuereinrichtung 10 dargestellt, die mit der Lichtquelle 3, dem Beleuchtungssystem 1, der Reticlestage 4, dem Projektionsobjektiv 2 und der Substratstage 7 verbunden ist. Zudem ist die Steuereinrichtung 10 mit einem Manipulator 20 verbunden, der ein Bestandteil des Projektionsobjektivs 2 ist.

Bei der Lichtquelle 3 kann es sich insbesondere um einen Laser, beispielsweise um einen Excimer-Laser handeln, der Licht der Wellenlänge 193 nm erzeugt. Die Lichtquelle 3 kann beispielsweise kurze Laserpulse erzeugen, die 100 ns lang sind und eine Wiederholfrequenz von 6 kHz aufweisen.

Das Beleuchtungssystem 1 formt das von der Lichtquelle 3 erzeugte Licht mittels einer Reihe von optischen Komponenten in genau definierter Weise um und lenkt es auf die Maske 5. Je nach Ausführungsform kann das Beleuchtungssystem 1 so ausgebildet sein, dass es die gesamte Maske 5 oder lediglich einen Teilbereich der Maske 5 beleuchtet. Das Beleuchtungssystem 1 ist in der Lage, die Maske 5 so zu beleuchten, dass an jedem beleuchteten Punkt der Maske 5 nahezu identische Lichtverhältnisse herrschen. Insbesondere sind die Lichtintensität und die Winkelverteilung des auftreffenden Lichts für jeden beleuchteten Punkt der Maske 5 nahezu identisch.

Das Beleuchtungssystem 1 ist in der Lage, eine Vielzahl verschiedener Winkelverteilungen zu erzeugen, die im Folgenden auch als Beleuchtungssettings bezeichnet werden. Das gewünschte Beleuchtungssetting wird in der Regel in Abhängigkeit von den auf der Maske 5 ausgebildeten Strukturelementen ausgewählt. Relativ häufig werden beispielsweise Dipol oder Quadrupol-Beleuchtungssettings verwendet, bei denen das Licht aus zwei bzw. aus vier verschiedenen Richtungen auf jeden beleuchteten Punkt trifft. Je nach Ausbildung des Beleuchtungssystems 1 kann die Erzeugung der verschiedenen Beleuchtungssettings beispielsweise mittels verschiedener diffraktiver optischer Elemente in Verbindung mit einer Zoom-Axikon-Optik oder mittels Spiegel-Arrays erfolgen, die jeweils eine Vielzahl nebeneinander angeordneter kleiner Spiegel aufweisen.

Die Maske 5 kann beispielsweise als eine Glasplatte ausgebildet sein, die für das vom Beleuchtungssystem 1 zugeführte Licht transparent ist und auf der opake Strukturen, beispielsweise in Form einer Chrom-Beschichtung, aufgebracht sind. Falls lediglich ein Teilbereich der Maske 5 zur gleichen Zeit vom Beleuchtungssystem 1 beleuchtet wird, wird der Antrieb 6 der Reticlestage 4 von der Steuereinrichtung 10 so angesteuert, dass die Maske 5 während der Belichtung des Substrats 8 relativ zum Beleuchtungssystem 1 bewegt wird und dadurch der beleuchtete Teilbereich über die gesamte Maske 5 wandert. Das Substrat 8 wird durch eine darauf abgestimmte Ansteuerung des Antriebs 9 der Substratstage 7, bei der auch die Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs 2 berücksichtigt werden, synchron bewegt. Dies wird im Folgenden auch als Scannen bezeichnet.

Das Projektionsobjektiv 2 bildet die beleuchtete Maske 5 bzw. den beleuchteten Teilbereich der Maske 5 auf das Substrat 8 ab. Um das so entstehende latente Bild auf das Substrat 8 in eine physikalische Struktur überführen zu können, ist auf das Substrat 8 eine lichtempfindliche Schicht aufgebracht. In diese lichtempfindliche Schicht wird das Bild der Maske 5 einbelichtet und mit Hilfe sich anschließender chemischer Prozesse kann daraus eine permanente Struktur auf dem Substrat 8 erzeugt werden. Der Antrieb 9 der Substratstage 7 wird von der Steuereinrichtung 10 so angesteuert, dass die Maske 5 der Reihe nach auf verschiedene Bereiche des Substrats 8 abgebildet wird. Dabei kann die Abbildung der Maske 5 jeweils als Ganzes oder sequentiell durch Scannen erfolgen.

Das Projektionsobjektiv 2 weist eine Vielzahl optischer Elemente, insbesondere Linsen und/oder Spiegel auf. Durch eine Einwirkung wenigstens eines Manipulators 20 auf wenigstens eines der optischen Elemente können die Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs 2 beeinflusst werden und insbesondere Abbildungsfehler reduziert werden. Da Lithographiesysteme insbesondere bei der Herstellung von Halbleitern eingesetzt werden, die winzig kleine Strukturen aufweisen, handelt es sich beim Projektionsobjektiv 2 um ein absolutes Präzisionsinstrument und es ist ein immenser Aufwand erforderlich, um negative Einwirkungen auf die Abbildungsqualität vom Projektionsobjektiv 2 fernzuhalten oder diese beispielsweise mit Hilfe der Manipulatoren 20 zu kompensieren.

Mit zunehmender Miniaturisierung in der Halbleiterfertigung müssen immer mehr Einflussfaktoren berücksichtigt werden und die einzelnen Einflussfaktoren müssen mit immer höherer Präzision kompensiert werden. Einer der Einflussfaktoren, die zunehmend Probleme verursachen ist das Lensheating, d. h. die Erwärmung der optischen Elemente des Projektionsobjektivs 2 durch das für die Abbildung verwendete Licht und die damit verbundene Beeinflussung der Abbildungseigenschaften. Beispielsweise ändern sich durch thermische Ausdehnung die Abbildungseigenschaften von Linsen und Spiegeln und verursachen dadurch Abbildungsfehler.

Quasi-statische Lensheating-Effekte, die nach einer gewissen Einschwingzeit ein konstantes Verhalten zeigen, sind relativ gut beherrschbar, da diese im Vorfeld genau analysiert werden können und geeignete Gegenmaßnahmen vorgesehen werden können. Auch nicht statische aber vergleichsweise langsame variierende Lensheating-Effekte sind noch bis zu einem gewissen Maß beherrschbar, da in der Regel Zeit für Messungen verfügbar ist, beispielsweise beim Substrat-Wechsel. Je kürzer die Zeitskala wird, desto schwieriger wird es, die Lensheating-Effekte messtechnisch zu erfassen oder zu simulieren. Eine Kompensation scheidet dann mangels Kenntnis dessen, was zu kompensieren ist, aus. So sind für Lensheating-Effekte, die sich auf einer Zeitskala kleiner als 10 Sekunden abspielen, derzeit keine in einem Lithographiesystem praktikablen Messmöglichkeiten vorhanden.

Mit Hilfe der Erfindung ist es nun möglich, auch schnelle Lensheating-Effekte messtechnisch zu erfassen, beispielsweise solche, die sich auf einer Zeitskala von unter 10 Sekunden abspielen. Die dafür verwendete Hardware und die Vorgehensweise werden anhand der folgenden Figuren näher beschrieben.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Dargestellt ist ein Ausschnitt eines erfmdungsgemäß ausgebildeten Projektionsobjektivs 2.

Das Projektionsobjektiv 2 weist ein Gehäuse 11 auf, das beispielsweise hohlzylindrisch ausgebildet sein kann. Innerhalb des Gehäuses 11 sind optische Elemente 12 angeordnet, beispielsweise Linsen und/oder Spiegel. Im dargestellten Ausschnitt ist lediglich ein einziges optisches Element 12 vorhanden, das als eine Linse ausgebildet ist. Das optische Element 12 kann auf seiner Oberfläche eine Beschichtung aufweisen, beispielsweise eine Anti-Reflex- Beschichtung. Das optische Element 12 ist an einer Halterung 13 befestigt, die das optische Element 12 mit hoher Präzision in einer gewünschten Position fixiert und beim dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Linsenfassung ausgebildet ist. Die Befestigung kann beispielsweise in Form einer Klebe- oder Klemmverbindung realisiert sein. Die Halterung 13 ist am Gehäuse 11 befestigt. Allernativ dazu kann das Gehäuse 11 auch durch mehrere Halterungen 13 gebildet werden. In diesem Fall können die Halterungen 13 beispielsweise ringförmig ausgebildet und übereinander gestapelt sein.

Am optischen Element 12 ist ein Sensor 14 befestigt, beispielsweise durch Kleben. Die Klebung ist sehr sorgfältig herzustellen, damit dadurch keine unzulässig starken Deformationen des optischen Elements 12 erzeugt werden oder mechanische Spannungen im optischen Element 12 ausgebildet werden, die dessen optische Eigenschaften in nicht tolerierbarer Weise beeinflussen. Bei dem Sensor 14 kann es sich um einen Körperschall sensor handeln, der beispielsweise als ein Beschleunigungssensor oder als ein Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist. Der Sensor 14 ist außerhalb eines Bereichs des optischen Elements 12 befestigt, in dem während der Belichtung des Substrats 8 Licht auf das optische Element 12 trifft. Dieser bestrahlte Bereich ist in Figur 2 nicht explizit dargestellt. Es ist lediglich durch einen gestrichelten Pfeil schematisch angedeutet, dass Licht auf das optische Element 12 trifft. Der Sensor 14 ist mit einer Auswerteeinrichtung 15 verbunden.

Die Auswerteeinrichtung 15 kann als ein integraler Bestandteil der Steuereinrichtung 10 oder als eine separate Einheit ausgebildet sein. Der Aufbau und die Funktionsweise der Auswerteeinrichtung 15 werden weiter unten anhand von Fig. 3 erläutert.

Dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt folgendes Funktionsprinzip zugrunde:

Das durch das optische Element 12 hindurchtretende Licht besteht aus sehr kurzen Laserpulsen hoher Energie. Ein Teil der Energie wird vom optischen Element 12 (inklusive dessen Beschichtung) absorbiert und in thermische Energie umgewandelt. Infolge der sehr kurzen Pulsdauer der Laserpulse wird die thermische Energie schlagartig im optischen Element 12 deponiert und führt zu einer schnellen lokalen Expansion des Materials des optischen Elements 12. Dadurch werden durch die Geometrie und das Material des optischen Elements 12 vorgegebene Schwingungsmoden diskreter Frequenzen angeregt und auf diese Weise Körperschallwellen erzeugt, die in Fig. 2 durch konzentrisch angeordnete Kreislinien veranschaulicht sind. Bei den diskreten Frequenzen handelt es sich um die Resonanzfrequenzen des optischen Elements 12. Die Körperschallwellen breiten sich im optischen Element 12 aus und werden schließlich vom Sensor 14 detektiert. Ein derartiges Messverfahren wird auch als photoakustische Spektroskopie bezeichnet. Da die im optischen Element 12 durch die Laserpulse deponierte thermische Energie vom optischen Absorptionsverhalten des optischen Elements 12 abhängt, kann aus den Körperschallwellen, die mit Hilfe dieser thermischen Energie erzeugt werden, auf das optische Absorptionsverhalten zurückgeschlossen werden. Das optische Absorptionsverhalten hat wiederum erheblichen Einfluss auf Lensheating-Effekte, so dass die Lensheating-Effekte auf Basis des ermittelten optischen Absorptionsverhaltens abschätzt werden können. Da die Laserpulse mit einer Wiederholfrequenz im Kiloherzbereich auf das optische Element 12 treffen, können die Lensheating-Effekte mit einer hohen Zeitauflösung ermittelt werden. Außerdem kann die Ermittlung in-situ während der Belichtung des Substrats 8 erfolgen, da für die Erzeugung der Körperschallwellen das Belichtungslicht verwendet werden kann. Das bedeutet, dass mit dieser Vorgehensweise eine Überwachung von Lensheating-Effekten auf einer sehr kurzen Zeitskala deutlich unterhalb von 10 Sekunden möglich ist und dass diese Überwachung während der Belichtung des Substrats 8 möglich ist.

In einer Abwandlung des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels wird auf einen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem Sensor 14 und dem optischen Element 12 verzichtet und die Oberfläche des optischen Elements 12 beispielsweise mit einem Lichtstrahl abgetastet, um die Körperschallwellen zu erfassen. Insbesondere kann auf diese Weise eine Geschwindigkeitsmessung über den Dopplereffekt erfolgen, aus der wiederum Informationen über die Schallwellen ermittelt werden.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Auswerteeinrichtung 15. Die Auswerteeinrichtung 15 weist einen Lock-In- Verstärker 16 auf, in den das vom Sensor 14 ausgegebene Signal eingespeist wird. Der Lock-In- Verstärker 16 wird mit einer der Resonanzfrequenzen des optischen Elements 12 abgemischt. Die Resonanzfrequenz kann in einem Speicher des Lock-In- Verstärkers 16 abgelegt sein oder von außen eingegeben werden. Durch den Lock-In -Verstärker 16 kann ein gutes Signal -/Rausch-Verhältnis erzielt werden und es können auch sehr kleine Signalamplituden zuverlässig erfasst werden. Außerdem ist der Signalpegel bei den Resonanzfrequenzen durch die Resonanzwirkung deutlich erhöht, was sich positiv auf die Signalstärke auswirkt. Da die in der Lithographie für transmissive Anwendungen eingesetzten optischen Elemente 12 in der Regel eine extrem geringe optische Absorption aufweisen, und somit die Anregung der Körperschallwellen vergleichsweise schwach ausfällt, kommt der Ausnutzung des Resonanzeffekts eine hohe Bedeutung zu. Das Ausgangssignal des Lock- In- Verstärkers 16 wird einem Tiefpassfilter 17 zugeführt, um das elektronische Rauschen zu reduzieren. Das gefilterte Signal ist ein Maß für die optische Absorption des optischen Elements 12 (inklusive Beschichtung). Das gefilterte Signal wird einer Bewertungseinheit 18 zugeführt. Die Bewertungseinheit 18 vergleicht das gefilterte Signal mit einem Referenzwert für die anfängliche optische Absorption des optischen Elements 12, der unmittelbar nach der Herstellung des Projektionsobjektivs 2 ermittelt wurde. Da dem Hersteller des Projektionsobjektivs 2 die später für die Belichtung verwendeten Masken 5 in der Regel nicht zur Verfügung stehen, kann der Referenzwert mit Hilfe einer Referenzmaske ermittelt werden, die z. B. ohnehin für Kalibrieraufgaben verwendet wird. Es ist auch möglich, mehrere Referenzwerte mit mehreren Referenzmasken zu ermitteln. Insbesondere ist es auch möglich, den Referenzwert bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Lithographiesystems in der Halbleiterfabrik unter Verwendung genau der Maske 5 zu ermitteln, die für den Belichtungsbetrieb vorgesehen ist. Dabei können auch Referenzwerte für mehrere Masken 5 ermittelten werden. Die so ermittelten Referenzwerte sind immer dann verwendbar, wenn die Belichtung mit einer dieser Masken 5 durchgeführt wird. Alternativ kann auch ein Vergleich mit einem durch Simulation oder auf andere Weise ermittelten Referenzwert erfolgen. Der Referenzwert kann in einem Speicher der Bewertungseinheit 18 gespeichert sein oder von außen eingegeben werden.

Ergibt der Vergleich eine Abweichung unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, wird davon ausgegangen, dass die optische Absorption des optischen Elements 12 in einem zulässigen Bereich liegt. In diesem Fall kann der Belichtungsbetrieb ohne zusätzliche Maßnahmen fortgesetzt werden. Andernfalls wird gefolgert, dass die optische Absorption des optischen Elements 12 einen unzulässigen Wert aufweist und es können eine Warnmeldung ausgegeben und/oder Maßnahmen zur wenigstens teilweisen Kompensation der damit einhergehenden optischen Auswirkungen angestoßen werden. Diese Maßnahmen können in der Ansteuerung von Manipulatoren 20 bestehen (siehe Fig. 1), mit denen beispielsweise die Lage eines oder mehrerer der optischen Elemente 12 beeinflusst werden kann. Es kann aber auch erforderlich sein, das optische Element 12, dessen optische Absorption einen unzulässigen Wert aufweist, auszutauschen. Zur Umsetzung der Maßnahmen kann von der Bewertungseinheit 18 ein Signal ausgegeben und in der Steuereinrichtung 10 weiterverarbeitet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Abweichung über lange Zeiträume, beispielsweise über Jahre wiederholt zu ermitteln und auf diese Weise die allmähliche Degradation des optischen Elements 12 zu erfassen. Dabei kann die Ermittlung der Abweichung in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise vierteljährlich oder halbjährlich erfolgen. Es kann auch eine Ermittlung nach einer jeweils vorgegebenen Bestrahlung des optischen Elements 12 erfolgen. Aus den ermittelten Werten kann ein Verlauf der Abweichung skizziert werden. Aus einer Extrapolation des Verlaufs in die Zukunft kann ermittelt werden, zu welchem zukünftigen Zeitpunkt bzw. bei welcher Bestrahlung mit einer Überschreitung des Schwellwerts der Abweichung in einer Weise zu rechnen ist, die nicht mehr durch eine Ansteuerung der Manipulatoren 20 zu kompensieren ist, sondern einen Austausch des optischen Elements 12 erforderlich macht. Diese Information kann in die Planung von Wartungsarbeiten einbezogen werden, so dass der Austausch des optischen Elements 12 im Rahmen einer ohnehin vorgesehenen Wartung erfolgt, bevor eine nicht mehr kompensierbare Überschreitung des Schwellwerts der Abweichung eintritt. Auf diese Weise kann einerseits eine Nutzung des optischen Elements 12 bis nahe an das Ende seiner Lebensdauer erfolgen und andererseits eine außerplanmäßige Außerbetriebnahme des Projektionsobjektivs 2 zum Austausch des optischen Elements 12 vermieden werden.

Zur Vorhersage des zukünftigen Verlaufs der Abweichung kann beispielsweise eine lineare Extrapolation durchgeführt werden. Eine solche Vorgehensweise eignet sich bei einer linearen Zunahme der optischen Absorption, beispielsweise bei einem optischen Element 12 aus Calciumfluorid.

Es existieren auch Materialien wie beispielsweise Quarzglas, bei denen die optische Absorption ab einem bestimmten Zeitpunkt massiv ansteigt und das optische Element 12 danach unbrauchbar wird. Dieser Zeitpunkt ist erreicht, wenn der im Quarzglas vorhandene Wasserstoff ausdiffundiert ist. In diesem Fall wird keine lineare Extrapolation der Abweichung durchgeführt, sondern es wird aus den ermittelten Abweichungen abgeschätzt, wann der Anstieg der Abweichung zu erwarten ist.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Abweichung für unterschiedliche Beleuchtungssettings zu ermitteln. Beispielsweise können mehrere anulare Beleuchtungssettings mit verschiedenen Radien zum Einsatz kommen. Ebenso ist es auch möglich Dipol- oder Quadrupol-Settings zu verwenden, die relativ zueinander um verschiedene Winkel um die optische Achse rotiert sind. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Bereiche des optischen Elements 12 abzutasten und eine örtliche Verteilung der Degradation zu ermitteln. Das eröffnet die Möglichkeit bei einer fortschreitenden Degradation des optischen Elements 12 auf eine Nutzung nicht oder nur wenig degradierter Bereiche umzustellen, falls derartige Bereiche vorhanden sind. Hierzu wird auf Beleuchtungssettings umgestellt, bei denen hohe Lichtintensitäten in den wenig degradierten Bereichen auftreten. Diese Umstellung kann beispielsweise auch dazu dienen, die noch verbleibende Zeit bis zur nächsten vorgesehenen Systemwartung zu überbrücken.

Über die bei der Anregung der Körperschallwellen verwendeten Parameter und die Positionierung des Sensors 14 oder der Sensoren 14 kann beeinflusst werden, ob primär die optische Absorption im Bereich der Oberfläche des optischen Elements 12 oder im Bereich des Volumens des optischen Elements 12 erfasst wird. Da eine Kontamination des optischen Elements 12 in der Regel primär die Oberflächenabsorption beeinflusst, deutet eine hohe Oberflächenabsorption auf eine Kontamination hin. Man kann eine derartige Messung somit zum Triggern eines Reinigungszyklus beispielsweise mit Hilfe eines Gases verwenden und auch das Ergebnis der Reinigung überwachen, d. h. mit Hilfe der Messung prüfen, ob die Reinigung erfolgreich war. Ebenso ist es auch möglich mit Hilfe einer derartigen Messung sicherzustellen, dass die Reinigung nur so lange durchgeführt wird, wie dies zur Erzielung eines gewünschten Reinigungsergebnisses erforderlich ist. Dadurch kann die durch die Reinigung hervorgerufene Belastung anderer Bauteile auf ein notwendiges Minimum beschränkt werden. Außerdem kann die für die Reinigung benötigte Zeit gering gehalten werden. Für die Reinigung kann insbesondere ein oxidierendes Gas verwendet werden.

Aus einer Auswertung des Degradationsverhaltens verschiedener optischer Elemente in einer Vielzahl von Lithographiesystemen können verbesserte Degradationsmodelle entwickelt werden und besonders anfällige optische Elemente 12 identifiziert und Verbesserungen vorgenommen werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Ein Unterschied besteht allerdings bzgl. der Anbringung des Sensors 14. Anders als beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 der Sensor 14 nicht am optischen Element 12, sondern an der Halterung 13 des optischen Elements 12 befestigt. Bei einer nicht explizit dargestellten Ausgestaltung der Halterung 13, die mittels dünner Federelemente am optischen Element 12 befestigt ist, kann der Sensor 14 insbesondere an einem Bereich der Halterung 13 angebracht sein, der den Federelementen auf der vom optischen Element 12 abgewandten Seite nachgelagert ist. Dadurch kann das Risiko mechanischer Spannungen oder Deformationen des optischen Elements 12 erheblich reduziert werden. Allerdings führt dies auch zu einer gewissen dynamischen Entkopplung des Sensors 14 vom optischen Element 12, so dass jeweils im Einzelfall ein geeigneter Kompromiss gefunden werden muss.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4. Allerdings weist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 nicht lediglich einen Sensor 14, sondern eine Vielzahl von Sensoren 14 auf. Jeder Sensor 14 ist analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 4 an der Halterung 13 eines optischen Elements 12 angebracht und mit einer Auswerteeinrichtung 15 verbunden. Die Auswerteeinrichtungen 15 sind jeweils wie in Fig. 3 dargestellt ausgebildet und weisen eine entsprechende Funktionsweise auf. Somit können beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 eine Vielzahl von optischen Elementen 12, im Extremfall alle optischen Elemente 12, bzgl. ihres Lensheating- Verhaltens überwacht werden. Abhängig von den ermittelten Ergebnissen könnte dann beispielsweise ein Austausch eines degradierten optischen Elements 12 oder eine Kompensation der optischen Auswirkungen durch Ansteuerung geeigneter Manipulatoren 20 veranlasst werden. Bei diesen Manipulatoren 20 kann es sich beispielsweise um für sich bekannte Einrichtungen zum Verschieben oder Verkippen eines oder mehrerer der optischen Elemente 12 handeln oder um sonstige für sich bekannte Einrichtungen, mit denen die Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs 2 beeinflusst werden können.

Eine analoge Abwandlung ist auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 möglich, bei dem der Sensor 14 nicht an der Halterung 13, sondern unmittelbar am optischen Element 12 angebracht ist.

Auf die vorstehend beschriebene Weise können nicht nur als Linsen ausgebildete optische Elemente 12 überwacht werden, sondern beispielsweise auch Spiegel usw. Hierzu werden die Sensoren 14 an diese optischen Elemente 12 oder an deren Halterungen 13 angebracht. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Es ist wiederum lediglich ein Ausschnitt des Projektionsobjektivs 2 dargestellt. Der dargestellte Ausschnitt umfasst einen Bereich mit zwei optischen Elementen 12, die als Linsen ausgebildet sind und von als Linsenfassungen ausgebildeten Halterungen 13 gehalten werden. Die optischen Elemente 12 können jeweils eine Beschichtung aufweisen und sind in einem Abstand zueinander im Gehäuse 11 angeordnet, so dass durch die optischen Elemente 12 und das Gehäuse 11 ein Hohlraum 19 eingeschlossen wird. Der Hohlraum 19 ist mit einem Gas gefüllt, beispielsweise mit Stickstoff. Innerhalb des Hohlraums 19 ist ein als ein Mikrofon ausgebildeter Sensor 14 am Gehäuse 11 angebracht. Der Sensor 14 ist an der Auswerteeinrichtung 15 angeschlossen, die gemäß Fig. 3 ausgebildet sein kann.

Wenn Licht, angedeutet durch den gestrichelten Pfeil, durch die optischen Elemente 12 und durch den Hohlraum 19 tritt, werden durch den photoakustischen Effekt im Gas, das den Hohlraum 19 füllt, Schallwellen anregt. In den optischen Elementen 12 inklusive Beschichtung werden zudem Körperschallwellen angeregt, auf die aber zunächst nicht näher eingegangen werden soll. Die Schallwellen breiten sich im Gas aus und werden an den angrenzenden Flächen des Gehäuses 11 und der optischen Elemente 12 reflektiert, so dass es zur Überlagerung von Schallwellen und in der Folge zur Ausbildung von Resonanzen kommt. Der Hohlraum 19 wirkt somit als Resonator. Bei den Resonanzfrequenzen des Hohlraums 19, die durch dessen Geometrie vorgegeben sind, werden die Schallwellen erheblich verstärkt und erzeugen somit beim Auftreffen auf den Sensor 14 ein deutlich stärkeres Signal als bei anderen Frequenzen. Durch eine geeignete Platzierung des Sensors 14 an einer Stelle des Hohlraums 19, an der durch die Schallwellen besonders hohe Druckschwankungen im Gas erzeugt werden, lässt sich die Signalstärke weiter optimieren.

Das Signal des Sensors 14 wird gemäß dem Blockschaltbild der Fig. 3 dem Lock-In- Verstärker 16 zugeführt. Um eine gute Signalausbeute zu erzielen wird der Lock-In- Verstärker 16 mit einer der Resonanzfrequenzen des Hohlraums 19 abgemischt. Das Signal des Lock-In- Verstärkers 16 wird über den Tiefpassfilter 17 der Bewertungseinheit 18 zugeführt. Die Bewertungseinheit 18 vergleicht das gefilterte Signal mit einem Referenzwert für das korrekte Gasgemisch in diesem Hohlraum 19. Der Referenzwert wurde zu einem früheren Zeitpunkt ermittelt. Ergibt der Vergleich eine Abweichung unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, wird davon ausgegangen, dass die optische Absorption des Gases im Hohlraum 19 in einem zulässigen Bereich liegt und der Belichtungsbetrieb kann ohne zusätzliche Maßnahmen fortgesetzt werden. Überschreitet die Abweichung den zulässigen Schwellwert, kann eine mögliche Ursache darin bestehen, dass die optische Absorption des Gases im Hohlraum 19 einen unzulässigen Wert aufweist und das Gas beispielsweise infolge eines Lecks verunreinigt ist oder nicht den vorgesehenen Druck aufweist. Es kann dann eine Warnmeldung ausgegeben werden und/oder es können Maßnahmen zur wenigstens teilweisen Kompensation der damit einhergehenden optischen Auswirkungen angestoßen werden. Diese Maßnahmen können beispielsweise in der Ansteuerung von Manipulatoren 20 bestehen oder in der Wiederherstellung der korrekten Gaszusammensetzung und/oder des korrekten Gasdrucks.

Zur Umsetzung der Maßnahmen kann von der Bewertungseinheit 18 ein Signal ausgegeben und in der Steuereinrichtung 10 weiterverarbeitet werden. Abhängig vom ausgegebenen Signal kann auch eine Lecksuche gestartet werden und nach Lokalisierung und Beseitigung des Lecks kann das ursprüngliche Gasgemisch beispielsweise durch eine geeignete Gaszufuhr wiederhergestellt werden.

In der Regel erfordert eine zuverlässige Ermittlung der Ursache für die Überschreitung des Schwellwerts jedoch weitere Maßnahmen, da es sich nicht vermeiden lässt, dass beim Durchgang des Lichts durch die optischen Elemente 12 infolge der pulsartigen Dehnung der optischen Elemente 12 zusätzlich Druckpulse und somit auch Schallwellen im angrenzenden Gas erzeugt werden. Diese zusätzlichen Schallwellen überlagern sich mit den originär im Gas erzeugten Schallwellen und werden ebenfalls vom Sensor 14 erfasst. Für die Interpretation der vom Sensor 14 erfassten Signale ist es hilfreich, wenn zusätzlich zu dem als Mikrofon ausgebildeten Sensor 14 ein als Körperschall sensor ausgebildeter Sensor 14 vorhanden ist, der gemäß einer der Figuren 2, 4 oder 5 angeordnet ist. Wenn die Signale beider Sensoren 14 in analoger Weise variieren, kann als Ursache für die Variation der Signale eine Variation der optischen Absorption wenigstens eines der optischen Elemente 12 angenommen werden. Wenn lediglich das Signal des als Mikrofon ausgebildeten Sensors 14, nicht aber das Signal des als Körperschall sensors ausgebildeten Sensors 14 variiert, kann als Ursache für die Variation des Signals eine Variation der optischen Absorption des Gases angenommen werden. Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6. Allerdings weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 mehrere als Mikrophon ausgebildete Sensoren 14 auf, die in mehreren Hohlräumen 19 angeordnet sind. Demgemäß sind in Fig. 7 auch weitere optische Elemente 12 dargestellt, welche die Hohlräume 19 abgrenzen. Die Sensoren 14 sind jeweils an eine Auswerteeinrichtung 15 angeschlossen. Die Auswerteeinrichtungen 15 können jeweils aufgebaut sein wie in Fig. 3 dargestellt und betrieben werden wie bei Fig. 6 beschrieben. Da die Resonanzfrequenzen von der Geometrie der Hohlräume 19 abhängen, die sich in der Regel voneinander unterscheiden, werden die Lock-In- Verstärker 16 in entsprechender Weise für verschiedene Resonanzfrequenzen abgemischt.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 werden somit mehrere Hohlräume 19 überwacht. Prinzipiell können auf diese Weise alle Hohlräume 19 zwischen aufeinanderfolgenden optischen Elementen 12 überwacht werden. Allerdings kann es Vorkommen, dass sich nicht alle Hohlräume 19 für eine derartige Überwachung gleichermaßen gut eignen, beispielsweise wegen ihrer Geometrie. Es bietet sich daher in der Regel an, lediglich eine geeignete Untermenge von Hohlräumen 19 zu überwachen.

Wie bereits bei Fig. 6 erwähnt werden zusätzlich zu den Schallwellen durch photoakustische Anregung des Gases im Hohlraum 19 auch Körperschallwellen durch photoakustische Anregung der optischen Elemente 12 inklusive ihrer Beschichtungen erzeugt. Die Körperschallwellen können mit zusätzlich vorhandenen Sensoren 14 detektiert werden, die als Körperschall sensoren ausgebildet sind. Wie bereits erläutert, sind durch einen Vergleich der von den einzelnen Sensoren 14 ausgegebenen Signale Rückschlüsse darauf möglich, inwieweit Änderungen der Signale, die von den als Mikrofone ausgebildete Sensoren 14 ausgegeben werden, durch Änderungen im Gas verursacht werden. Typische Signalverläufe werden anhand der Fig. 8 und 9 erläutert.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale. Aufgetragen ist jeweils die Signalstärke in beliebigen Einheiten über der Zeit in Millisekunden.

Das Diagramm bezieht sich auf eine Situation, bei der rechteckige Laserpulse der Wellenlänge 193 nm, mit einer Pulslänge von 100 ns und einer Pulsrate von 6 kHz mittig auf das als eine Linse ausgebildete optische Element 12 bzw. auf das Gas im Hohlraum 19 treffen und durch den photoakustischen Effekt Körperschallwellen bzw. Schallwellen erzeugen, die von einem als Körperschall sensor bzw. als Mikrofon ausgebildeten Sensor 14 detektiert werden. Der als Körperschall sensor ausgebildete Sensor 14 ist am Rand des optischen Elements 12 angeordnet. Der als Mikrofon ausgebildete Sensor 14 ist unmittelbar daneben am Gehäuse 11 angeordnet, das den Hohlraum 19 begrenzt, so dass die Laufwege der Körperschallwellen bzw. der Schallwellen zum jeweiligen Sensor 14 ungefähr gleich sind.

Die Schallgeschwindigkeiten betragen im optischen Element 12 ca. 6000 m/s und im Gas ca. 340 m/s. Das optische Element 12 hat einen Durchmesser von 200 mm. Die Laserpulse weisen am Ort des Auftreffens auf das optische Element 12 bzw. auf das Gas einen Durchmesser von 10 mm auf, so dass jeweils ein ungefähr kreisförmiger bestrahlter Bereich mit einem Durchmesser von 10 mm vorliegt. Die Darstellung ist stark vereinfacht und zeigt keine realen Signale, sondern das berechnete zeitliche Verhalten der verschiedenen Signale, das jeweils als eine Aufeinanderfolge von Rechteckpulsen dargestellt wird.

Es sind drei Signalverläufe übereinander aufgetragen. Der obere Signalverlauf bezieht sich auf die von der Lichtquelle 3 erzeugten Laserpulse und zeigt die ersten sechs Pulse. Der mittlere Signalverlauf bezieht sich auf die im optischen Element 12 erzeugten Körperschallwellen und zeigt die ersten sechs Pulse. Der untere Signalverlauf bezieht sich auf die im Gas erzeugten Schallwellen und zeigt die ersten fünf Pulse.

Die Laserpulse sind sehr schmal und weisen die eingangs genannte zeitliche Breite von 100 ns auf. Der erste Laserpuls definiert dabei den Nullpunkt der Zeitskala. Wie sich aus der Pulsrate von 6 kHz ergibt folgen die Laserpulse in einem Zeitabstand von 167 ps aufeinander.

Die Pulse der Körperschallwellen sind immer noch sehr schmal aber bereits erheblich breiter als die Laserpulse. Ihre Pulsbreite beträgt typischer Weise ca. 1 bis 10 ps und ist insbesondere vom Durchmesser der Laserpulse beim Auftreffen auf das optische Element 12 abhängig, solange dieser Durchmesser kleiner ist als die Dicke des optischen Elements 12. Die Pulsbreite ergibt sich dadurch, dass die Körperschallwellen infolge der räumlichen Ausdehnung des Anregungsgebiets vom Ort ihrer Entstehung bis zum Ort der Detektion unterschiedliche Strecken zurücklegen und folglich zu unterschiedlichen Zeiten ankommen. Im vorliegenden Fall beträgt die Pulsbreite knapp 2 ps. Die Pulse der Körperschallwellen folgen im gleichen Abstand aufeinander (Pulsbeginn zu Pulsbeginn) wie die Laserpulse, da die Aufeinanderfolge durch die Laserpulse unmittelbar vorgegeben wird. Allerdings ist der erste Puls der Körperschallwellen zum ersten Laserpuls zeitlich verzögert, da die Körperschallwellen eine gewisse Zeit benötigen, um sich vom Ort ihrer Entstehung bis zum Ort ihrer Detektion auszubreiten. Die zeitliche Verzögerung zwischen dem ersten Puls der Körperschallwellen und dem ersten Laserpuls hängt somit vom Ort ab, an dem die Laserpulse auftreffen und vom Durchmesser des optischen Elements 12 und beträgt im vorliegenden Fall ca. 16 ps. Die gleiche zeitliche Verzögerung zum jeweils verursachenden Laserpuls ist auch bei allen folgenden Pulsen der Körperschallwellen zu beobachten.

Die Pulse der Schallwellen (unterer Signalverlauf) sind deutlich breiter als die Laserpulse und auch als die Pulse der Körperschallwellen und können Pulsdauem von ca. 10 bis 200 ps aufweisen. Im vorliegenden Fall beträgt die Pulsdauer ca. 29 ps. Dies beruht auf der deutlich niedrigeren Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen verglichen mit den Körperschallwellen bei einer vergleichbaren Größe des Anregungsgebiets. Aus dem gleichen Grund ist auch die zeitliche Verzögerung der Pulse der Schallwellen zu den jeweils zugehörigen Laserpulsen deutlich größer als bei den Körperschallwellen und beträgt im vorliegenden Fall ca. 280 ps.

Aus den Signalverläufen der Fig. 8 ist somit ersichtlich, dass sich die Signale, die von den als Körperschall sensoren ausgebildeten Sensoren 14 ausgegeben werden und die Signale, die von den als Mikrofone ausgebildeten Sensoren 14 ausgegeben werden, erheblich unterscheiden.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Diagramm für den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale. Die Darstellung entspricht der Darstellung der Fig. 8. Bei Fig. 9 wurden lediglich einige Parameter gegenüber Fig. 8 verändert. Bei den veränderten Parametern handelt es sich um den Durchmesser des mit den Laserpulsen bestrahlten Bereichs und um den Durchmesser des optischen Elements 12. Beim Diagramm der Figur 9 weisen der bestrahlte Bereich einen Durchmesser von 40 mm und das optische Element 12 einen Durchmesser von 400 mm auf. Die sonstigen Parameter sind identisch zur Fig. 8 gewählt, insbesondere ist auch die Anordnung der Sensoren 14 identisch gewählt.

Der zeitliche Verlauf der Laserpulse ist gegenüber Fig. 8 unverändert (oberer Signalverlauf). Der verglichen mit Fig. 8 größere Durchmesser des bestrahlten Bereichs führt allerdings zu einem größeren Anregungsgebiet sowohl im optischen Element 12 als auch im Gas. Folglich sind im Diagramm der Fig. 9 sowohl die durch optische Absorption im optischen Element 12 erzeugten Pulse der Körperschallwellen (mittlerer Signalverlauf) als auch die durch optische Absorption im Gas erzeugten Pulse der Schallwellen (unterer Signalverlauf) deutlich breiter als die korrespondierenden Pulse im Diagramm der Fig. 8 und weisen eine Breite von knapp 7 pm bzw. knapp 118 ps auf. Bei einer weiteren Vergrößerung des Durchmessers des bestrahlten Bereichs besteht sogar die Gefahr, dass sich die durch optische Absorption im Gas erzeugten Pulse überlagern.

Der verglichen mit Fig. 8 größere Durchmesser des optischen Elements 12 führt zu einer größeren Entfernung zwischen dem Ort der Anregung und dem Ort der Detektion und somit zu längeren Laufzeiten und demgemäß zu den in Fig. 9 ersichtlichen größeren zeitlichen Verzögerungen der im optischen Element 12 (mittlerer Signalverlauf) und im Gas (unterer Signalverlauf) erzeugten Pulse relativ zu den korrespondieren Laserpulsen (oberer Signalverlauf).

Ein Problem bei der Nutzung des photoakustischen Effekts in Lithographieoptiken stellt die in diesem Bereich extrem hohe Materialqualität der optischen Elemente 12 und damit deren geringe optische Absorption dar, durch die letztendlich die Körperschallwellen und Schallwellen angeregt werden. Dies führt zu vergleichsweise schwachen Signalen, die je nach den gewählten Parametern sogar unterhalb der Nachweisgrenze liegen können.

Eine Möglichkeit der Erhöhung der Signalstärken besteht darin, die Intensität der für die Anregung verwendeten Laserpulse zu erhöhen. Allerdings ist die Pulsenergie des Lasers in der Regel vorgegeben und kann nicht nennenswert erhöht werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, lediglich einen kleinen Bereich zu bestrahlen und dadurch die Energie der Laserpulse in einen kleinen Anregungsbereich zu konzentrieren und auf diese Weise stärkere Signale zu erzeugen. Dies wird anhand von Fig. 10 näher erläutert.

Fig. 10 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der durch die Laserpulse erzeugten Temperaturerhöhung von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements 12. Hierzu ist in Fig. 10 die durch die Laserpulse erzeugte Temperaturerhöhung DT des Materials des optischen Elements 12 über den Durchmesser Ds _pot des bestrahlten Bereichs aufgetragen. Dabei wurde eine logarithmische Darstellung gewählt. Das Diagramm bezieht sich auf ein optisches Element 12, das als eine Linse aus Quarz ausgebildet ist, die einen Linsendurchmesser von 300 mm, eine Linsendicke von 20 mm, eine optische Absorption von 2 x 10 ⁴ / cm und eine relative Wärmeausdehnung von 5 x 10 ⁷ aufweist. Die Laserpulse weisen eine Pulsenergie von 5 mJ auf.

Dem Diagramm ist entnehmbar, dass die Temperaturerhöhung des optischen Elements 12 mit zunehmendem Durchmesser des bestrahlten Bereichs sehr stark abnimmt. Diese Temperaturerhöhung erfolgt auf einer sehr kurzen Zeitskala in der Größenordnung der Pulsdauer des Laserpulses und bewirkt eine schlagartige Ausdehnung des Materials des optischen Elements 12. Bei einer horizontalen Anordnung des optischen Elements 12 wird die vertikale Ausdehnungsgeschwindigkeit in der Grenzfläche zum Gas innerhalb des vom Laserpuls bestrahlten Bereichs in eine Schallschnelle des Gases transformiert. Der dadurch im Gas erzeugte Schalldruck wird mittels des Sensors 14 detektiert. Für diesen Zweck eignet sich ein sehr rauscharmes Mikrofon als Sensor 14. Ob der Schalldruck messbar ist, hängt davon ab, ob er oberhalb der Nachweisgrenze des Sensors 14 liegt. Dies wird anhand der Fig. 11 und 12 näher erläutert.

Fig. 11 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des durch die Laserpulse erzeugten Schalldruckpegels von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements 12. Fig. 12 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Signal -/Rausch- Verhältnisses der vom Sensor 14 ausgegebenen Signale von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements 12.

In Fig. 11 ist der durch die Laserpulse erzeugte Schalldruckpegel Lp über den Durchmesser Dspot des bestrahlten Bereichs aufgetragen. Dieser Verlauf ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt. Wie aus dem in Fig. 10 dargestellten Temperaturverlauf zu erwarten, nimmt der Schalldruckpegel stark mit steigendem Durchmesser des bestrahlten Bereichs ab.

Im selben Diagramm ist durch eine horizontale gestrichelte Linie die Vollband- Nachweisgrenze des Sensors 14 dargestellt. Mit dem Sensor 14 können nur photoakustische Signale detektiert werden, deren Schalldruckpegel oberhalb dieser Linie liegt. Aus dem Diagramm lässt sich ablesen, dass diese Bedingung dann erfüllt ist, wenn der Durchmesser des bestrahlten Bereichs nicht größer als ca. 10 mm ist. In Fig. 12 ist das Signal -/Rausch-Verhältnisses S/R der vom Sensor 14 ausgegebenen Signale über den Durchmesser Ds _pot des bestrahlten Bereichs aufgetragen (durchgezogene Linie). Durch eine horizontale gestrichelte Linie ist wiederum die Vollband-Nachweisgrenze des Sensors 14 dargestellt. Der Verlauf des Signal -/Rausch- Verhältnisses entspricht dem in Fig.

11 dargestellten Verlauf des Schalldruckpegels. Demgemäß lässt sich auch aus dem Diagramm der Fig. 12 ablesen, dass mit dem Sensor 14 nur dann photoakustische Signale detektiert werden können, wenn der Durchmesser des bestrahlten Bereichs nicht größer als ca. 10 mm ist.

Durch geeignete Maßnahmen, insbesondere durch Verwendung des Lock-In-Verstärkers 16, lässt sich das SignaL/Rausch-Verhältnis der vom Sensor 14 ausgegebenen Signale verbessern. In Diagramm der Fig. 12 ist dies durch zwei zusätzliche Kurvenverläufe veranschaulicht. Eine gestrichelte Kurve repräsentiert ein um 10 dB erhöhtes SignaL/Rausch-Verhältnis. Eine strichpunktierte Kurve repräsentiert ein um 20 dB erhöhtes SignaL/Rausch-Verhältnis. Entsprechende Kurvenverläufe sind auch in das Diagramm der Fig. 11 eingetragen (gestrichelte und strichpunktierte Kurve). Hierzu wurden die erhöhten SignaL/Rausch- Verhältnisse in entsprechend erhöhte Schalldrücke umgerechnet, die ohne Lock-In- Verstärker 16 etc. Signale mit entsprechend erhöhten Signal -/Rausch-Verhältnissen liefern würden.

Aus den Diagrammen der Fig. 11 und 12 lässt sich ablesen, dass bei einem um 10 dB erhöhten SignaL/Rausch-Verhältnis eine Detektion noch bis zu einem Durchmesser des bestrahlten Bereichs von ca. 20 mm und bei einem um 20 dB erhöhten SignaL/Rausch- Verhältnis eine Detektion noch bis zu einem Durchmesser des bestrahlten Bereichs von knapp 40 mm möglich ist.

Die Diagramme der Fig. 10 bis 12 basieren auf einem optischen Element 12, das absolut betrachtet eine geringe optische Absorption aufweist. Bezogen auf den Einsatz bei Anwendungen in der Lithographie ist die optische Absorption aber vergleichsweise hoch. Wird stattdessen ein optisches Element 12 mit einer noch geringeren optischen Absorption eingesetzt, so ist die Detektion der photoakustisch erzeugten Schallwellen nochmals schwieriger. Dies wird im Folgenden anhand der Fig. 13 bis 15 erläutert. Mit Ausnahme der optischen Absorption liegt diesen Figuren der gleiche Parametersatz zugrunde wie den Fig. 10 bis 12. Die optische Absorption des optischen Elements 12, das wiederum aus Quarz besteht, weist bei den Fig. 13 bis 15 einen Wert von 5 x 10 ⁵ / cm auf.

Fig 13 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der durch die Laserpulse erzeugten Temperaturerhöhung von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements 12. Die Darstellung ist analog zu Fig. 10 gewählt. Die Temperaturerhöhung weist in Fig. 13 einen ähnlichen Verlauf wie in Fig. 10 auf. Allerdings sind die Werte der Temperaturerhöhung für einen gegebenen Durchmesser des bestrahlten Bereichs in Fig. 13 deutlich geringer als in Fig. 10. Dies ist auch so zu erwarten, da beim optischen Element 12 gemäß Fig. 13 infolge der geringeren optischen Absorption eine geringere Wärmeenergie erzeugt wird.

Fig. 14 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des durch die Laserpulse erzeugten Schalldruckpegels von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements 12 analog zu Fig. 11. Fig. 15 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Signal -/Rausch-Verhältnisses der vom Sensor 14 ausgegebenen Signale von der Größe des bestrahlten Bereichs des optischen Elements 12 analog zu Fig. 12. Die Vollband- Nachweisgrenze des Sensors 14 ist wiederum jeweils durch eine horizontale gestrichelte Linie dargestellt. Die durchgezogene Kurve zeigt den Verlauf des durch die Laserpulse erzeugten Schalldruckpegels (Fig. 14) bzw. des Signal-/Rausch-Verhältnisses S/R der vom Sensor 14 ausgegebenen Signale (Fig. 15). Die gestrichelte Kurve bzw. die strichpunktierte Kurve repräsentieren in Fig. 15 den Verlauf eines um 10 dB bzw. um 20 dB verbesserten Signal/Rauchverhältnisses und in Fig. 14 die daraus errechneten Schalldruckpegel.

Die Kurvenverläufe der Figuren 14 und 15 entsprechen qualitativ den Kurvenverläufen der Figuren der Fig. 11 und 12. Allerdings kommt es aufgrund der geringeren optischen Absorption bei den Kurven der Fig. 14 verglichen mit Fig. 11 zu einer Verschiebung zu niedrigeren Schalldruckpegeln und bei den Kurven der Fig. 15 verglichen mit Fig. 12 zu einer Verschiebung zu niedrigeren Signal-/Rausch-Verhältnissen. Dies hat letztendlich zur Folge, dass ohne Zusatzmaßnahmen für eine aussagekräftige Messung ein Durchmesser des bestrahlten Bereichs unterhalb von ca. 6 mm erforderlich ist. Beim Einsatz von Zusatzmaßnahmen, die eine Erhöhung des Signal -/Rausch-Verhältnisses von 10 dB bewirken sind Messungen unterhalb eines Durchmessers des bestrahlten Bereichs von ca. 10 mm möglich. Beim Einsatz von Zusatzmaßnahmen, die eine Erhöhung des Signal-/Rausch- Verhältnisses von 20 dB bewirken sind Messungen unterhalb eines Durchmessers des bestrahlten Bereichs von knapp 20 mm möglich. Somit halbieren sich die maximal möglichen Durchmesser des bestrahlten Bereichs ungefähr beim Übergang von einem Material des optischen Elements 12 mit einer optischen Absorption von 2 x 10 ⁴ / cm auf ein Material mit einer optischen Absorption von 5 x 10 ⁵ / cm.

Als zentrale Aussage lässt sich den vorstehenden Betrachtungen entnehmen, dass die Detektion der photoakustisch erzeugten Schallwellen bei gegebener Laserleistung mit abnehmendem Durchmesser des bestrahlten Bereichs erleichtert wird und unterhalb eines Maximaldurchmessers des bestrahlten Bereichs, der von der optischen Absorption des Materials des optischen Elements 12 und von der Messanordnung abhängt, überhaupt erst möglich ist. Für das optische Element 12 ein Material mit einer starken optischen Absorption zu verwenden, um die Detektion zu erleichtern, macht allenfalls in Spezialanwendungen Sinn, da in der Lithographie bevorzugt Materialien mit möglichst geringer optischer Absorption eingesetzt werden. Eine Optimierung der Messanordnung ist sicherlich sinnvoll. Allerdings sind die damit erreichbaren Verbesserungen begrenzt. Somit verbleibt nach der Optimierung der Messanordnung oder als Alternative zur Optimierung der Messanordnung als Mittel zur Verbesserung der Detektion der photoakustisch erzeugten Schallwellen die Reduktion des Durchmessers des bestrahlten Bereichs.

Bei einer Messung während des Belichtungsbetriebs ist der optische Strahlengang allerdings für einen möglichst effizienten Belichtungsbetrieb ausgelegt. Eine Abwandlung zur Optimierung der Messung ginge zu Lasten der Effizienz bei der Belichtung und scheidet daher in der Regel aus. Allerdings werden während des Belichtungsbetriebs unterschiedlich große Bereiche der einzelnen optischen Elemente 12 des Projektionsobjektivs 2 bestrahlt. Es besteht daher die Möglichkeit, für die Messung optische Elemente 12 auszuwählen, bei denen die bestrahlten Bereiche einen möglichst geringen Durchmesser aufweisen. Dies ist in der Regel bei feldnahen optischen Elementen 12 der Fall, d. h. bei optischen Elementen 12 in geringer Entfernung zur Objektebene, in der die Maske 5 angeordnet ist oder zur Bildebene, in der das Substrat 8 angeordnet ist oder zu ggf. vorhandenen Zwischenbildebenen. Bei den optischen Elementen 12 nahe der Objektebene ist der bestrahlte Bereich aber wenigstens so groß wie der zur gleichen Zeit abgebildete Bereich des Objekts. Für die optischen Elemente 12 nahe der Bildebene oder einer Zwischenbildebene gilt das sinngemäß ebenfalls, wobei jeweils noch der wirksame Abbildungsmaßstab zu berücksichtigen ist. Abhängig von der Beleuchtung der Maske 5 können weitere optische Elemente 12 vorhanden sein, bei denen der Durchmesser der bestrahlten Bereiche vergleichsmäßig gering ist. Bei diesen optischen Elementen 12 handelt es sich um pupillennahe optische Elemente 12, d. h. um optische Elemente 12 in geringer Entfernung zu einer Pupillenebene, in der in der Regel eine Aperturblende des Projektionsobjektivs 2 angeordnet ist. Dies triff jedenfalls dann zu, wenn ein Beleuchtungssetting verwendet wird, bei dem das Licht lediglich in eng begrenzten Einfallswinkelbereichen auf die Maske 5 trifft. Typische derartige Beleuchtungssettings sind beispielsweise Dipol- und Quadrupol-Settings.

Bei den vorstehenden Betrachtungen wurde jeweils von einer Detektion der photoakustisch erzeugten Schallwellen bzw. Körperschallwellen während des Belichtungsbetriebs ausgegangen. Es ist jedoch auch möglich, die Detektion in einem gesonderten Messbetrieb durchzuführen. Da das Licht im Messbetrieb nicht für die Abbildung der Maske 5 benötigt wird, entfallen die damit verbundenen Einschränkungen und es kann eine Optimierung auf eine möglichst gute Detektion vorgenommen werden. Hierzu kann insbesondere im Rahmen der maschinellen Möglichkeiten eine lokal stark konzentrierte Beleuchtung angestrebt werden. Bei gegebener Leistung der Lichtquelle 3 kann dies durch einen kleinen Durchmesser des bestrahlten Bereichs erreicht werden.

Weiterhin besteht im Messbetrieb die Möglichkeit, eine oder mehrere optische Elemente 12 abzurastem, d. h. die Position des bestrahlten Bereichs auf dem jeweiligen optischen Element 12 zu variieren, um eine ortsaufgelöste Information bzgl. des optischen Absorptionsverhaltens zu ermitteln.

Abhängig von der Ausbildung des Beleuchtungssystems 1 können Größe und Position des bestrahlten Bereichs auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden. Im Folgenden wird dies für zwei gängige Typen von Beleuchtungssystemen 1 näher erläutert:

Bei einem ersten Typ von Beleuchtungssystemen 1 wird das Beleuchtungssetting mittels eines diffraktiven optischen Elements (DOE) in Verbindung mit einem Zoom-Axikon eingestellt. Es sind DOEs erhältlich, die ein Beleuchtungssetting mit zwei oder mehr Polen erzeugen. Demgemäß können in der Umgebung der Pupillenebene des Projektionsobjektivs 2 zwei oder mehr bestrahlte Bereiche erzeugt werden. Hierzu wird die Maske 5 aus dem Strahlengang entfernt. Es ist prinzipiell auch möglich, ein DOE so auszubilden, dass ein Beleuchtungssetting mit lediglich einem Pol erzeugt wird. Demgemäß würde lediglich ein bestrahlter Bereich in der Umgebung der Pupillenebene erzeugt. Den Durchmesser des bestrahlten Bereiches kann man jeweils mit Hilfe des Zoom-Axikons variieren. Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, den bestrahlten Bereich über eine Blende in der Pupillenebene des Beleuchtungssystems 1 zu beeinflussen. Das ist aber mit einem Lichtverlust verbunden.

Eine Variation des bestrahlten Bereichs in der Umgebung der Objektebene und den dazu konjugierten Ebenen des Projektionsobjektivs 2 ist mit Hilfe einer Feldblende, d. h. einer Blende, die in einer dieser Ebenen angeordnet ist, möglich. Ebenso ist es auch möglich eine derartige Blende im Beleuchtungssystem 1 anzuordnen und in die Objektebene des Projektionsobjektivs 2 abzubilden. Eine derartige Blende im Beleuchtungssystem 1 wird auch als ReMa-Blende bezeichnet. Da die Blenden jeweils das Licht nicht konzentrieren, sondern lediglich teilweise ausblenden, ist die Blenden-Lösung primär für die Beeinflussung der Position der bestrahlten Bereiche sinnvoll.

Bei einem zweiten Typ von Beleuchtungssystemen 1 wird das Beleuchtungssetting mittels Spiegel-Arrays eingestellt. Dies erlaubt nahezu beliebige Beleuchtungssettings durch eine entsprechende Ansteuerung der Spiegel-Arrays einzustellen. Insbesondere können damit sehr kleine Pole erzeugt werden. Beim Betrieb des Projektionssystems 2 mit einem derartigen Beleuchtungssetting werden in der Umgebung der Pupillenebene des Projektionsobjektivs 2 demgemäß ein oder mehrere Pole erzeugt. Da mit diesem Beleuchtungssystem 1 nahezu beliebige Beleuchtungssettings erzeugt werden können, ist es auch möglich, damit Beleuchtungssettings zu erzeugen, die den gleichen Beleuchtungspol aufweisen, der allerdings jeweils an einer anderen Stelle angeordnet ist.

Somit kann ohne weitere Hilfsmittel der bestrahlte Bereich in der Pupillenebene des Projektionsobjektivs 2 und in deren Umgebung lateral gescannt werden. Da das Licht dabei lediglich jeweils etwas anders abgelenkt, aber nicht ausgeblendet wird, ist die Erzeugung des bestrahlten Bereichs und dessen Scan nahezu verlustlos möglich. Die Variation des beleuchteten Bereichs in der Umgebung der Objektebene oder einer dazu konjugierten Ebene des Projektionsobjektivs 2 ist bei diesem Beleuchtungssystem 1 aber ebenfalls nur mittels Blenden und somit verlustbehaftet möglich. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden jeweils ein oder mehrere als Linsen ausgebildete optische Elemente 12 und/oder ein oder mehrere gasgefüllte Hohlräume 19 des Projektionsobjektivs 2 mit Hilfe des photoakustischen Effekts überwacht. Das Projektionsobjektiv 2 kann darüber hinaus oder alternativ auch reflektive, diffraktive oder andere optische Elemente 12 mit oder ohne Brechkraft aufweisen. Außerdem besteht die Möglichkeit zusätzlich oder alternativ zu den als Linsen ausgebildeten optischen Elementen 12 und/oder den gasgefüllten Hohlräumen 19 reflektive, diffraktive oder andere optische Elemente 12 mit Hilfe des photoakustischen Effekts zu überwachen.

Ebenso ist es auch möglich, zusätzlich zum Projektionsobjektiv 2 oder anstelle des Projektionsobjektivs 2 das Beleuchtungssystem 1 mit einem oder mehreren Sensoren 14 auszustatten, die mittels des photoakustischen Effekts erzeugten Körperschall oder Schallwellen erfassen. Dies kann in analoger Weise erfolgen wie vorstehend für das Projektionsobjektiv 2 beschrieben.

Die in das Projektionsobjektiv 2 oder das Beleuchtungssystem 1 eingebauten Sensoren 14 können auch dazu verwendet werden, die Justage des Projektionsobjektivs 2 oder des Beleuchtungssystems 1 bei der Herstellung oder zu einem späteren Zeitpunkt zu unterstützen und/oder das Projektionsobjektiv 2 oder das Beleuchtungssystem 1 einer Qualitätsprüfung zu unterziehen. Die bei der Herstellung ermittelten Messwerte können als Referenzwerte für spätere Messungen oder für die Überwachung gespeichert werden.

Die vorstehend beschriebenen photoakustischen Messungen können beim Betrieb des Lithographiesystems derart eingesetzt werden, dass mit den Messungen Informationen ermittelt werden, auf deren Basis Abbildungsfehler des Lithographiesystems korrigiert werden. Die Korrektur kann durch Manipulation wenigstens eines optischen Elements 12 des Lithographiesystems mit den Manipulatoren 20 erfolgen.

Insbesondere ermöglichen die photoakustischen Messungen eine vorausschauende Kompensation von Abbildungsfehlern des Projektionsobjektivs 2. Diese Abbildungsfehler können durch Erwärmung von Teilen des Projektionsobjektives 2 durch das für die Belichtung des Substrats 8 verwendete Licht erzeugt werden. Wie bereits erläutert können mit den photoakustischen Messungen Daten über eine lokale optische Absorption im Projektionsobjektiv 2 oder Teilen davon, z. B. eines oder mehrerer optischer Elemente 12 ggf. inklusive eines oder mehrerer gasgefüllter Hohlräume 19, erhoben werden. Aus den Daten über die lokale optische Absorption können die während der Belichtung des Substrats 8 erwartete zeitabhängige Erwärmung und die daraus resultierenden Abbildungsfehler des Projektionsobjektivs 2 numerisch berechnet werden. Die Berechnungen können auf der Basis von Modellen für die Erwärmung der optischen Elemente 12, die auch als Lensheating- Modelle bezeichnet werden, durchgeführt werden.

In die Berechnungen können weitere Informationen einfließen. Insbesondere können Informationen über die Beleuchtung der Maske 5, wie beispielsweise das verwendete Beleuchtungssetting einfließen. Das Beleuchtungssetting hat Einfluss auf die Lichtverteilung in den einzelnen optischen Elementen 12 und damit auf deren Erwärmungsverhalten. Außerdem können Informationen über die Maske 5, insbesondere über die auf der Maske vorhandenen Strukturen einfließen. Diese Strukturen beeinflussen ebenfalls die Lichtverteilung in den optischen Elementen 12 und damit deren Erwärmungsverhalten.

Die berechneten Abbildungsfehler können durch zeitabhängiges Ansteuem eines Manipulators 20 oder mehrerer Manipulatoren 20 eines optischen Elements 12 zumindest teilweise kompensiert werden. Mit den Manipulatoren 20 kann die Lage des optischen Elements 12 durch eine Starrkörperbewegung beeinflusst werden. Beispielsweise kann das optische Element 12 verschoben oder verkippt werden. Ebenso ist es möglich, das optische Element 12 mit Hilfe von Manipulatoren 20 zu deformieren. All diese Einwirkungen auf das optische Element 12 dienen dazu, die Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs 2 in einer gewünschten Weise zu beeinflussen. Es können auch mehrere optische Elemente 12 manipuliert werden.

Die Kompensation von Abbildungsfehlern kann gemäß einem vorgegebenen Schema immer wieder durchgeführt werden, um eine möglichst gleichbleibende Abbildungsqualität zu erzielen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Kompensation wenigstens einmal bei jeder Belichtung eines Substrats 8 mit dem Projektionsobjektiv 2 durchzuführen. Bezugsziffem

1 Beleuchtungssystem

2 Projektionsobjektiv

3 Lichtquelle

4 Reticlestage

5 Maske

6 Antrieb

7 Substratstage

8 Substrat

9 Antrieb

10 Steuereinrichtung

11 Gehäuse

12 Optisches Element

13 Halterung

14 Sensor

15 Auswerteeinrichtung

16 Lock-In- V erstärker

17 Tiefpassfilter

18 Bewertungseinheit

19 Hohlraum

20 Manipulator