DE102022208009A1 - Method for determining a change in an optical property and/or an absorption property of an optical sample - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer durch Absorption von elektromagnetischer Heizstrahlung (3) bedingten Veränderung (dn) mindestens einer optischen Eigenschaft (n) einer optischen Probe (5) und/oder mindestens einer Absorptionseigenschaft (k) der optischen Probe (5) für die Absorption von elektromagnetischer Nutzstrahlung (73). Das Verfahren umfasst die Schritte: Einbringen der optischen Probe (5) in einen optischen Resonator (7), der zwei Spiegel (9,9') aufweist, Einstrahlen der elektromagnetischen Heizstrahlung (3) in Form eines elektromagnetischen Heizstrahls (19) in die optische Probe (5), Einstrahlen eines elektromagnetischen Messstrahls (23) in den optischen Resonator (7), wobei durch vielfache Reflexion an den Spiegeln (9,9') der elektromagnetische Messstrahl (23) vielfach durch die optische Probe (5) hindurchtritt und/oder vielfach von der optischen Probe (5) reflektiert wird, ortsaufgelöstes Messen einer Intensitätsverteilung (I) des aus dem optischen Resonator (7) austretenden elektromagnetischen Messstrahls (23'), Bestimmen einer Phasenverschiebungs-Verteilung (φ) aus der Intensitätsverteilung (I) des aus dem optischen Resonator (5) austretenden elektromagnetischen Messstrahls (23'), Bestimmen einer Veränderung (dφ) der Phasenverschiebungs-Verteilung (φ) durch Vergleichen der Phasenverschiebungs-Verteilung (φ) mit einer Referenz (φR), sowie Bestimmen der Veränderung (dn) der mindestens einen optischen Eigenschaft (n) der optischen Probe (5) und/oder der mindestens einen Absorptionseigenschaft (k) der optischen Probe (5) aus der Veränderung (dφ) der Phasenverschiebungs-Verteilung (φ). Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens sowie ein optisches System.The invention relates to a method for determining a change (dn) caused by absorption of electromagnetic heating radiation (3) in at least one optical property (n) of an optical sample (5) and/or at least one absorption property (k) of the optical sample (5). the absorption of useful electromagnetic radiation (73). The method comprises the steps: introducing the optical sample (5) into an optical resonator (7) which has two mirrors (9,9'), irradiating the electromagnetic heating radiation (3) in the form of an electromagnetic heating beam (19) into the optical Sample (5), irradiation of an electromagnetic measuring beam (23) into the optical resonator (7), the electromagnetic measuring beam (23) passing through the optical sample (5) many times as a result of multiple reflections on the mirrors (9,9') and/ or reflected multiple times by the optical sample (5), spatially resolved measurement of an intensity distribution (I) of the electromagnetic measuring beam (23') emerging from the optical resonator (7), determination of a phase shift distribution (φ) from the intensity distribution (I) of the electromagnetic measuring beam (23') emerging from the optical resonator (5), determining a change (dφ) in the phase shift distribution (φ) by comparing the phase shift distribution (φ) with a reference (φR), and determining the change (dn ) the at least one optical property (s) of the optical sample (5) and/or the at least one absorption property (k) of the optical sample (5) from the change (dφ) in the phase shift distribution (φ). The invention also relates to a device (1) for carrying out the method and an optical system.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer durch Absorption von elektromagnetischer Heizstrahlung bedingten Veränderung mindestens einer optischen Eigenschaft einer optischen Probe und/oder mindestens einer Absorptionseigenschaft der optischen Probe für die Absorption von elektromagnetischer Nutzstrahlung. Die Erfindung betrifft ferner ein optisches System, insbesondere ein Lithographiesystem.The invention relates to a method for determining a change caused by the absorption of electromagnetic heating radiation in at least one optical property of an optical sample and/or at least one absorption property of the optical sample for the absorption of useful electromagnetic radiation. The invention also relates to an optical system, in particular a lithography system.
Die in Lithographiesystemen, insbesondere in Projektionsbelichtungsanlagen bzw. Projektionsobjektiven, genutzte elektromagnetische Strahlung, die typischerweise eine Wellenlänge im UV-Bereich (kleiner 400 nm) aufweist, wird im Betrieb zum Teil an den Oberflächen und im Volumen der optischen Elemente der Lithographiesysteme absorbiert. In der Folge werden die optischen Elemente von der absorbierten Strahlung zunächst lokal aufgeheizt. Aufgrund dieser lokalen Aufheizung kommt es zu einer Deformation der Oberflächen der optischen Elemente und einer ortsabhängigen Veränderung des Brechungsindex. Damit geht eine Veränderung der Abbildungseigenschaften der optischen Elemente einher, die auch als „Lensheating“ oder „Mirrorheating“ bezeichnet wird, je nachdem, ob es sich bei dem betroffenen optischen Element um ein transmissives optisches Element, beispielweise eine Linse, oder ein reflektives optisches Element, beispielsweise einen Spiegel, handelt. Diese Veränderung der Abbildungseigenschaften ist typischerweise unerwünscht; es kommt durch die Absorption der elektromagnetischen Strahlung also zu Abbildungsfehlern und die vorgesehene Auflösung wird ggfs. nicht mehr erreicht.The electromagnetic radiation used in lithography systems, in particular in projection exposure systems or projection lenses, which typically has a wavelength in the UV range (less than 400 nm), is partially absorbed during operation on the surfaces and in the volume of the optical elements of the lithography systems. As a result, the optical elements are initially heated locally by the absorbed radiation. Due to this local heating, there is a deformation of the surfaces of the optical elements and a location-dependent change in the refractive index. This is accompanied by a change in the imaging properties of the optical elements, which is also referred to as "lens heating" or "mirror heating", depending on whether the optical element concerned is a transmissive optical element, for example a lens, or a reflective optical element , for example a mirror. This change in imaging properties is typically undesirable; the absorption of the electromagnetic radiation therefore leads to imaging errors and the intended resolution may no longer be achieved.
Dieses Problem ist bei Lithographiesystemen besonders ausgeprägt, da hier typischerweise besonders hohe Intensitäten eingesetzt werden, um einen hohen Durchsatz, also die Prozessierung möglichst vieler Wafer pro Zeiteinheit, zu ermöglichen.This problem is particularly pronounced in lithography systems, since particularly high intensities are typically used here in order to enable a high throughput, ie the processing of as many wafers as possible per unit of time.
In Folge der hohen Intensitäten ist die Absorption typischerweise nichtlinear, also abhängig von der Intensität beziehungsweise der Fluenz der genutzten elektromagnetischen Strahlung. Berücksichtigt man lediglich die Ein-Photonen-Absorption und die Zwei-Photonen-Absorption, so können die Absorptionseigenschaften der optischen Elemente über einen Ein-Photonen-Absorptionskoeffizienten und einen Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizienten quantifiziert werden, die im Allgemeinen ortsabhängig sind. Ferner unterscheidet man für die Absorption im Volumen und an der Oberfläche der optischen Elemente zwischen Volumen-Absorptionskoeffizienten und Oberflächen-Absorptionskoeffizienten.As a result of the high intensities, the absorption is typically non-linear, i.e. dependent on the intensity or the fluence of the electromagnetic radiation used. If only one-photon absorption and two-photon absorption are taken into account, the absorption properties of the optical elements can be quantified via a one-photon absorption coefficient and a two-photon absorption coefficient, which are generally location-dependent. Furthermore, a distinction is made between volume absorption coefficients and surface absorption coefficients for absorption in the volume and on the surface of the optical elements.
Um den Abbildungsfehler, also die Effekte des Lens- bzw. Mirrorheatings zu minimieren, können die Materialien, Schichten und Bearbeitungsprozesse bei der Herstellung von optischen Elementen optimiert werden. Eine solche Optimierung verlangt eine Charakterisierung der Absorptionseigenschaften der optischen Elemente beziehungsweise der Veränderung ihrer Abbildungseigenschaften in Folge der Absorption, also der Lens- bzw. Mirrorheatingeffekte. Alternativ oder zusätzlich kann der Abbildungsfehler in Lithographiesystemen aktiv (über entsprechende Korrekturoptiken und Manipulatoren) kompensiert werden. Auch in diesem Fall bedarf es einer Charakterisierung der Absorption bzw. des Abbildungsfehlers.In order to minimize aberrations, i.e. the effects of lens or mirror heating, the materials, layers and processing processes used in the manufacture of optical elements can be optimized. Such an optimization requires a characterization of the absorption properties of the optical elements or the change in their imaging properties as a result of the absorption, ie the lens or mirror heating effects. Alternatively or additionally, the aberrations in lithography systems can be actively compensated (via appropriate correction optics and manipulators). In this case, too, the absorption or the aberration must be characterized.
Verfahren zur Bestimmung der Absorption einer optischen Probe, beispielsweise in Form eines Rohlings für die Herstellung eines optischen Elements, sind im Stand der Technik verschiedentlich beschrieben.Methods for determining the absorption of an optical sample, for example in the form of a blank for the production of an optical element, are variously described in the prior art.
Zum einen sind sogenannte LID („laser-induced deflection)-Verfahren bekannt. Eine entsprechende Anordnung zur optischen Bestimmung der Absorption, die ein Lichtbündel beim Passieren eines transparenten Mediums in Folge der Umwandlung eines Teils seiner Energie in Wärme erfährt, ist beispielsweise in der
Zum anderen gibt es Verfahren, die auf der Bestimmung der Veränderung der Wellenfront eines Messlichtstrahls basieren. Beispielweise ist ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung aus dem Artikel „A novel photo-thermal setup for determination of absorptance losses and wavefront deformations in DUV optics“ von K. Mann et al. Proc. SPIE 6924, Optical Microlithography XXI, 69242P (2008) bekannt geworden. Dort wird die Messung an zylindrischen Proben aus Quarzglas von ca. 25 mm Durchmesser und ca. 45 mm Länge beschrieben. Diese werden in Längsrichtung von einem dünnen Heizlichtstrahl in Form eines Excimer-Laserstrahls (Wellenlänge ca. 193 nm) durchstrahlt und hierbei erwärmt. Ein unter einem kleinen Winkel zum Heizlichtstrahl verlaufender, aufgeweiteter Messlichtstrahl eines Diodenlasers (Wellenlänge ca. 639 nm) durchstrahlt den gesamten Querschnitt der Probe. Durch die Erwärmung kommt es zu einer thermischen Ausdehnung und einer Veränderung des Brechungsindex, welche wiederum die Wellenfront des durch die Probe hindurchgetretenen Messlichtstrahls beeinflussen. Diese Wellenfront wird mittels eines Hartmann-Shack-Sensors gemessen. Durch Kalibrierung mittels einer analytischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung können schließlich aus der Veränderung der Wellenfront die Absorptionseigenschaften der Probe bestimmt werden.On the other hand, there are methods that are based on determining the change in the wavefront of a measuring light beam. For example, such a method and a corresponding device from the article "A novel photo-thermal setup for determination of absorptance losses and wavefront deformations in DUV optics" by K. Mann et al. proc. SPIE 6924, Optical Microlithography XXI, 69242P (2008). There, the measurement on cylindrical samples made of quartz glass with a diameter of approx. 25 mm and a length of approx. 45 mm is described. A thin heating light beam in the form of an excimer laser beam (wavelength approx. 193 nm) penetrates these in the longitudinal direction and is heated in the process. An expanded measuring light beam from a diode laser (wavelength approx. 639 nm), which runs at a small angle to the heating light beam, radiates through the entire cross-section of the sample. The heating causes thermal expansion and a change in the refractive index, which in turn changes the wavefront of the measurement that has passed through the sample affect the light beam. This wavefront is measured using a Hartmann-Shack sensor. Finally, the absorption properties of the sample can be determined from the change in the wavefront by calibrating using an analytical solution of the heat conduction equation.
Ein ähnliches Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung sind in dem Artikel „Photo-thermal measurement of absorptance losses, temperature induced wavefront deformation and compaction in DUV-optics“ von
Schließlich sind aus dem Artikel „Absolute measurement of surface and bulk absorption in DUV optics from temperature induced wavefront deformation“, von
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Verfahren, die auf einer Messung der Wellenfront mittels eines Hartmann-Shack-Sensors basieren, liegt in ihrer begrenzten Auflösung. Insbesondere in der Lithographie sind durch die fortgeschrittene Optimierung von Materialien, Schichten und Oberflächen die zu messenden Absorptionswerte mittlerweile so klein geworden, dass diese mit den bekannten Verfahren nicht zuverlässig bestimmt werden können.A major disadvantage of the known methods, which are based on measuring the wavefront using a Hartmann-Shack sensor, is their limited resolution. In lithography in particular, due to the advanced optimization of materials, layers and surfaces, the absorption values to be measured have meanwhile become so small that they cannot be reliably determined with the known methods.
Ferner ist bei den bekannten Verfahren die Messung insbesondere gegenüber Änderungen in der Wellenfront des Messlichtstrahls vor und nach der Probe anfällig.Furthermore, with the known methods, the measurement is particularly susceptible to changes in the wave front of the measuring light beam before and after the sample.
Außerdem weisen diese Verfahren eine nahezu lineare Dynamik auf. Kleine Änderungen in der Wellenfront entsprechen einer kleinen geometrischen Abweichung der Position der Fokuspunkte im Hartmann-Shack-Sensor. Der gesamte dynamische Bereich, der mit dem Hartmann-Shack-Sensor gemessen werden kann, ist typischerweise wesentlich größer als das Messsignal selbst. Dies ist notwendig, da die Wellenfront des Messlichtstrahls typischerweise nicht eben ist und im Fall einer nicht ebenen Passe der Probe gegebenenfalls weiter gekrümmt wird. Der Sensor muss einen großen dynamischen Bereich vorhalten, um sowohl diese Unebenheit in der Wellenfront als auch nach Bestrahlung mit dem Heizlichtstrahl kleine Änderungen in der Wellenfront messen zu können.In addition, these methods have an almost linear dynamic. Small changes in the wavefront correspond to a small geometric deviation in the position of the focus points in the Hartmann-Shack sensor. The total dynamic range that can be measured with the Hartmann-Shack sensor is typically much larger than the measurement signal itself. This is necessary because the wavefront of the measurement light beam is typically not flat and may be wider in the case of a non-flat yoke of the sample is curved. The sensor must have a large dynamic range in order to be able to measure both this unevenness in the wavefront and small changes in the wavefront after exposure to the heating light beam.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Charakterisierung von optischen Eigenschaften, insbesondere Lensheatingbeziehungsweise Mirrorheatingeffekten, in einer optischen Probe und/oder zur Bestimmung mindestens einer Absorptionseigenschaft der optischen Probe für die Absorption von elektromagnetischer Nutzstrahlung bereitzustellen, das sich durch eine hohe Auflösung bei der Bestimmung der Eigenschaft(en) der Probe auszeichnet.In contrast, the object of the invention is to provide a method for characterizing optical properties, in particular lens heating or mirror heating effects, in an optical sample and/or for determining at least one absorption property of the optical sample for the absorption of useful electromagnetic radiation, which is characterized by a high resolution in the Determination of the property (s) of the sample distinguished.
Gegenstand der Erfindungsubject of the invention
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen einer durch Absorption von elektromagnetischer Heizstrahlung bedingten Veränderung mindestens einer optischen Eigenschaft einer optischen Probe und/oder mindestens einer Absorptionseigenschaft der optischen Probe für die Absorption von elektromagnetischer Nutzstrahlung, umfassend die Schritte: Einbringen der optischen Probe in einen optischen Resonator, der zwei Spiegel aufweist, wobei bevorzugt mindestens einer der beiden Spiegel teildurchlässig ist, Einstrahlen der elektromagnetischen Heizstrahlung in Form eines elektromagnetischen Heizstrahls in die optische Probe, Einstrahlen eines elektromagnetischen Messstrahls in den optischen Resonator, wobei durch vielfache Reflexion an den Spiegeln der elektromagnetische Messstrahl vielfach durch die optische Probe hindurchtritt und/oder vielfach von der optischen Probe reflektiert wird, ortsaufgelöstes Messen einer Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls, Bestimmen einer Phasenverschiebungs-Verteilung aus der Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls, Bestimmen einer Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung durch Vergleichen der Phasenverschiebungs-Verteilung mit einer Referenz, sowie Bestimmen der Veränderung der mindestens einen optischen Eigenschaft der optischen Probe und/oder der mindestens einen Absorptionseigenschaft der optischen Probe aus der Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung.According to a first aspect, this object is achieved by a method for determining a change caused by the absorption of electromagnetic heating radiation in at least one optical property of an optical sample and/or at least one absorption property of the optical sample for the absorption of useful electromagnetic radiation, comprising the steps of: introducing the optical sample in an optical resonator, which has two mirrors, with preferably at least one of the two mirrors being partially transparent, irradiating the electromagnetic heating radiation in the form of an electromagnetic heating beam into the optical sample, irradiating an electromagnetic measuring beam into the optical resonator, whereby multiple reflections the mirrors, the electromagnetic measuring beam passes through the optical sample multiple times and/or is reflected multiple times by the optical sample, spatially resolved measurement of an intensity distribution of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator, determining a phase shift distribution from the intensity distribution of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator measuring beam, determining a change in the phase shift distribution by comparing the phase shift distribution with a reference, and determining the change in the at least one optical property of the optical sample and/or the at least one absorption property of the optical sample from the change in the phase shift distribution.
Bei der optischen Probe handelt es sich bevorzugt um eine optische Probe für den Einsatz in der Lithographie, insbesondere in der Lithographie mit Wellenlängen der zum Einsatz kommenden elektromagnetischen Nutzstrahlung im DUV-Bereich oder EUV-Bereich. Der DUV-Bereich bezeichnet dabei den Wellenlängenbereich zwischen ca. 190 nm und 250 nm, der EUV-Bereich den Wellenlängenbereich zwischen ca. 5 nm und ca. 30 nm. Insbesondere kann die optische Probe für den Einsatz in Projektionsbelichtungsanlagen, in welchen Wafer mittels der elektromagnetischen Nutzstrahlung belichtet werden, wobei Strukturen von Masken (auch Retikel genannt) mit einer Auflösung von typischerweise wenigen Nanometern auf die Wafer abgebildet werden, oder in Maskeninspektionssystemen vorgesehen sein.The optical sample is preferably an optical sample for use in lithography, in particular in lithography with wavelengths of the used electromagnetic radiation in the DUV range or EUV range. The DUV range refers to the wavelength range between about 190 nm and 250 nm, the EUV range the wavelength range between about 5 nm and about 30 nm exposed to useful electromagnetic radiation, with structures of masks (also called reticles) being imaged onto the wafer with a resolution of typically a few nanometers, or be provided in mask inspection systems.
Bei der optischen Eigenschaft der optischen Probe kann es sich beispielsweise um den Brechungsindex oder eine Form einer Oberfläche der optischen Probe handeln. Alternativ kann es sich auch um mindestens eine optische Weglänge der optischen Probe für eine bestimmte Einstrahlungsrichtung handeln. Durch die Erwärmung der optischen Probe in Folge der Absorption der elektromagnetischen Heizstrahlung kommt es zu einer Veränderung der mindestens einen optischen Eigenschaft. Diese Veränderung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden kann, ist dabei insbesondere ein Maß für auftretende beziehungsweise zu erwartende Lensheatingeffekte bzw. Mirrorheatingeffekte. Unter Umständen kann die optische Eigenschaft innerhalb der optischen Probe räumlich variieren. Dies kann insbesondere beim Brechungsindex der Fall sein. In solchen Fällen entspricht der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Wert der optischen Eigenschaft typischerweise einer räumlichen Mittelung entlang des Propagationspfades des optischen Messstrahls durch die optische Probe. Senkrecht dazu kann der räumliche Verlauf der optischen Eigenschaft hingegen bestimmt werden, beispielsweise wenn die optische Probe mit dem elektromagnetischen Messstrahl abgerastert wird (s.u.).The optical property of the optical sample can be, for example, the refractive index or a shape of a surface of the optical sample. Alternatively, it can also be at least one optical path length of the optical sample for a specific irradiation direction. The heating of the optical sample as a result of the absorption of the electromagnetic heating radiation results in a change in the at least one optical property. This change, which can be determined using the method according to the invention, is in particular a measure of lens heating effects or mirror heating effects that occur or are to be expected. Under certain circumstances, the optical property can vary spatially within the optical sample. This can be the case in particular with the refractive index. In such cases, the value of the optical property determined using the method according to the invention typically corresponds to a spatial averaging along the propagation path of the optical measurement beam through the optical sample. Perpendicular to this, however, the spatial progression of the optical property can be determined, for example if the optical sample is scanned with the electromagnetic measuring beam (see below).
Bei der mindestens einen Absorptionseigenschaft der optischen Probe kann es sich beispielsweise um mindestens einen Absorptionskoeffizienten, zum Beispiel um einen Ein-Photonen-Absorptionskoeffizienten und/oder einen Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizienten handeln. Der mindestens eine Absorptionskoeffizient kann ein Volumen-Absorptionskoeffizient und/oder ein Oberflächen-Absorptionskoeffizient sein. Auch die Absorptionskoeffizienten können im Allgemeinen ortsabhängig sein, also innerhalb der optischen Probe beziehungsweise entlang der Oberfläche der optischen Probe variieren. In diesem Fall entspricht der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Absorptionskoeffizient einer räumlichen Mittelung entlang des Propagationspfades des optischen Messstrahls durch die optische Probe. Senkrecht dazu kann der Verlauf des Absorptionskoeffizienten hingegen bestimmt werden, beispielsweise wenn die optische Probe mit dem elektromagnetischen Messstrahl abgerastert wird (s.u.).The at least one absorption property of the optical sample can be, for example, at least one absorption coefficient, for example a one-photon absorption coefficient and/or a two-photon absorption coefficient. The at least one absorption coefficient can be a volume absorption coefficient and/or a surface absorption coefficient. The absorption coefficients can also generally be location-dependent, ie they can vary within the optical sample or along the surface of the optical sample. In this case, the absorption coefficient determined using the method according to the invention corresponds to a spatial averaging along the propagation path of the optical measuring beam through the optical sample. On the other hand, the course of the absorption coefficient can be determined perpendicular to this, for example if the optical sample is scanned with the electromagnetic measuring beam (see below).
Um aus der Intensitätsverteilung, die beim Einstrahlen der elektromagnetischen Heizstrahlung gemessen wurde, die mindestens eine Absorptionseigenschaft der optischen Probe für die Absorption der elektromagnetischen Nutzstrahlung zuverlässig bestimmen zu können, sollte die elektromagnetische Heizstrahlung der elektromagnetischen Nutzstrahlung hinreichend ähnlich sein. Insbesondere sollte die Wellenlänge der elektromagnetischen Heizstrahlung nicht wesentlich, insbesondere um nicht mehr als 20 % oder nicht mehr als 10 %, bevorzugt um nicht mehr als 1 %, von der Wellenlänge der elektromagnetischen Nutzstrahlung (z.B. des Lithographiesystems) abweichen. Besonders bevorzugt entspricht die Wellenlänge der elektromagnetischen Heizstrahlung der Wellenlänge der elektromagnetischen Nutzstrahlung. Beispielsweise kann sowohl die Wellenlänge der elektromagnetischen Heizstrahlung als auch die Wellenlänge der elektromagnetischen Nutzstrahlung bei 193 nm und damit im DUV-Bereich liegen. Dies gilt analog für die Übertragung der Veränderung der optischen Eigenschaft durch die Absorption der elektromagnetischen Heizstrahlung auf eine entsprechende Veränderung der optischen Eigenschaft durch die Absorption der elektromagnetischen Nutzstrahlung. Bei dem elektromagnetischen Heizstrahl handelt es sich bevorzugt um einen Laserstrahl, insbesondere einen Laserstrahl eines Excimerlasers. Die elektromagnetische Heizstrahlung muss aber nicht notwendigerweise kohärent sein.In order to be able to reliably determine the at least one absorption property of the optical sample for the absorption of the useful electromagnetic radiation from the intensity distribution, which was measured when the electromagnetic heating radiation was radiated in, the electromagnetic heating radiation should be sufficiently similar to the useful electromagnetic radiation. In particular, the wavelength of the electromagnetic heating radiation should not deviate significantly, in particular by no more than 20% or no more than 10%, preferably by no more than 1%, from the wavelength of the useful electromagnetic radiation (e.g. of the lithography system). The wavelength of the electromagnetic heating radiation particularly preferably corresponds to the wavelength of the useful electromagnetic radiation. For example, both the wavelength of the electromagnetic heating radiation and the wavelength of the useful electromagnetic radiation can be 193 nm and thus in the DUV range. This applies analogously to the transfer of the change in the optical property through the absorption of the electromagnetic heating radiation to a corresponding change in the optical property through the absorption of the useful electromagnetic radiation. The electromagnetic heating beam is preferably a laser beam, in particular a laser beam of an excimer laser. However, the electromagnetic heating radiation does not necessarily have to be coherent.
Der elektromagnetische Messstrahl weist innerhalb der optischen Probe typischerweise eine geringere, bevorzugt eine um mehr als drei Größenordnungen geringere Leistungsdichte als der elektromagnetische Heizstrahl auf. Bei dem elektromagnetischen Messstrahl kann es sich beispielsweise um einen Laserstrahl handeln. Bevorzugt weist der elektromagnetische Messstrahl eine Wellenlänge auf, bei welcher der elektromagnetische Messstrahl einfach zu erzeugen und detektieren ist. Zum Beispiel kann der elektromagnetische Messstrahl eine Wellenlänge um die 632 nm aufweisen. Geeignete Strahlquellen sind unter anderem Helium-Neon-Laser und Diodenlaser.Within the optical sample, the electromagnetic measuring beam typically has a lower power density, preferably a power density lower by more than three orders of magnitude, than the electromagnetic heating beam. The electromagnetic measuring beam can be a laser beam, for example. The electromagnetic measuring beam preferably has a wavelength at which the electromagnetic measuring beam can be easily generated and detected. For example, the electromagnetic measuring beam can have a wavelength of around 632 nm. Suitable beam sources include helium-neon lasers and diode lasers.
Der Winkel zwischen dem elektromagnetischen Messstrahl und dem elektromagnetischen Heizstrahl kann grundsätzlich beliebig sein. Ein Vorteil eines kleinen Winkels, insbesondere eines Winkels von 30° oder weniger, ist ein sehr kompakter Aufbau. Zu berücksichtigen ist in diesem Fall, dass sich die beiden Spiegel des optischen Resonators durch den elektromagnetischen Heizstrahl nicht erwärmen sollen. Um dies zu gewährleisten können die beiden Spiegel beispielsweise Öffnungen aufweisen, durch welche der elektromagnetische Heizstrahl hindurchtritt. Allerdings verkleinert sich hierbei der Messbereich. Schneiden sich der elektromagnetische Messstrahl und der elektromagnetische Heizstrahl in einem größeren Winkel, insbesondere in einem rechten Winkel, so vermeidet man dieses Problem. Allerdings ist in diesem Fall der Aufbau in der Regel weniger kompakt.In principle, the angle between the electromagnetic measuring beam and the electromagnetic heating beam can be arbitrary. An advantage of a small angle, especially an angle of 30° or less, is a very compact design. In this case, it must be taken into account that the two mirrors of the optical resonator are not affected by the electromagnetic heating beam should heat up. In order to ensure this, the two mirrors can have openings, for example, through which the electromagnetic heating beam passes. However, the measuring range is reduced in this case. If the electromagnetic measuring beam and the electromagnetic heating beam intersect at a larger angle, in particular at a right angle, this problem is avoided. However, in this case the structure is usually less compact.
Besonders bevorzugt sind beide Spiegel des optischen Resonators teildurchlässig. Jeder der teildurchlässigen Spiegel kann beispielweise ein Substrat aufweisen, auf welches auf einer Seitenfläche eine dünne Metallschicht oder ein Schichtstapel aus mehreren Schichten, insbesondere aus mehreren dielektrischen Schichten, aufgebracht ist. Über die Wahl des Metalls und der Dicke der Metallschicht beziehungsweise über die Wahl der Materialien und Parameter des Schichtstapels kann ein gewünschter Reflexionsgrad gezielt für die Wellenlänge des elektromagnetischen Messstrahls eingestellt werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es dabei grundsätzlich günstig, wenn der Reflexionsgrad nahe an eins liegt. Beispielsweise kann der Reflexionsgrad der Spiegel bei 0,94 oder darüber liegen. Der Transmissionsgrad der Spiegel liegt in diesem Fall bei beziehungsweise unterhalb von 0,06.Both mirrors of the optical resonator are particularly preferably partially transparent. Each of the partially transparent mirrors can have, for example, a substrate on which a thin metal layer or a layer stack made up of a number of layers, in particular a number of dielectric layers, is applied to a side surface. A desired degree of reflection can be set in a targeted manner for the wavelength of the electromagnetic measuring beam via the selection of the metal and the thickness of the metal layer or via the selection of the materials and parameters of the layer stack. In principle, it is favorable for the method according to the invention if the degree of reflection is close to one. For example, the reflectivity of the mirrors can be 0.94 or higher. In this case, the transmittance of the mirror is around or below 0.06.
Bevorzugt sind die verspiegelten Seitenflächen der teildurchlässigen Spiegel einander zugewandt. Sind die verspiegelten Seitenflächen ferner plan, so sind diese bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Die voneinander abgewandten Seitenflächen der teildurchlässigen Spiegel weisen hingegen bevorzugt einen Keilwinkel von beispielsweise einigen Bogenminuten zu den verspiegelten Seitenflächen auf.The mirrored side surfaces of the partially transparent mirrors preferably face one another. If the mirrored side faces are also flat, they are preferably aligned parallel to one another. On the other hand, the side surfaces of the partially transparent mirrors that face away from one another preferably have a wedge angle of, for example, a few arc minutes to the mirrored side surfaces.
Sind die verspiegelten Seitenflächen der beiden teildurchlässigen Spiegel plan und parallel zueinander, so handelt es sich bei dem optischen Resonator um ein Fabry-Perot-Interferometer. Eine zentrale Größe bei der Beschreibung eines Fabry-Perot-Interferometers ist die sogenannte Finesse. Die Finesse entspricht dem Verhältnis aus dem freien Spektralbereich (dem Abstand der Transmissionsmaxima) und der Halbwertsbreite eines einzelnen Maximums und ergibt sich aus dem Reflexionsgrad der Spiegel. Je größer der Reflexionsgrad desto größer ist die Finesse und damit die Auflösung.If the mirrored side surfaces of the two partially transparent mirrors are flat and parallel to one another, then the optical resonator is a Fabry-Perot interferometer. A central variable in the description of a Fabry-Perot interferometer is the so-called finesse. The finesse corresponds to the ratio of the free spectral range (the distance between the transmission maxima) and the half-width of a single maximum and results from the degree of reflection of the mirror. The greater the degree of reflection, the greater the finesse and thus the resolution.
Der elektromagnetische Messstrahl kann beispielsweise durch einen ersten der beiden teildurchlässigen Spiegel in den optischen Resonator eingestrahlt werden. Dabei tritt nur ein Anteil des elektromagnetischen Messstrahls entsprechend des Transmissionsgrades des teildurchlässigen Spiegels durch diesen hindurch. Innerhalb des optischen Resonators wird der elektromagnetische Messstrahl nun vielfach zwischen den beiden Spiegeln hin und her reflektiert. Am zweiten teildurchlässigen Spiegel treten dabei jeweils entsprechend seines Transmissionsgrades Teilstrahlen aus, die zueinander eine Phasendifferenz aufweisen, die sich aus dem optischen Weg ergibt, welchen der elektromagnetische Messstrahl zwischen der Reflexion am zweiten Spiegel bei der Propagation durch den optischen Resonator, der Reflexion am ersten Spiegel und der erneuten Propagation durch den optischen Resonator zurücklegt. Die austretenden Teilstrahlen interferieren und bilden gemeinsam den aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahl. Durch Einstellung des Abstands zwischen den beiden teildurchlässigen Spiegeln (beispielsweise indem einer der beiden Spiegel verschoben wird) kann der optische Weg des elektromagnetischen Messstrahls beispielsweise so eingestellt werden, dass die Teilstrahlen konstruktiv interferieren, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.The electromagnetic measuring beam can be radiated into the optical resonator, for example, through a first of the two partially transparent mirrors. In this case, only a portion of the electromagnetic measuring beam corresponding to the transmittance of the partially transparent mirror passes through the latter. Within the optical resonator, the electromagnetic measuring beam is reflected back and forth between the two mirrors many times. Depending on its transmittance, partial beams emerge from the second partially transparent mirror, which have a phase difference to one another that results from the optical path that the electromagnetic measuring beam follows between the reflection on the second mirror during propagation through the optical resonator and the reflection on the first mirror and re-propagation through the optical resonator. The emerging partial beams interfere and together form the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator. By adjusting the distance between the two partially transparent mirrors (for example by moving one of the two mirrors), the optical path of the electromagnetic measuring beam can be adjusted, for example, so that the partial beams interfere constructively, but this is not absolutely necessary.
Abweichend von der eben erläuterten Konfiguration kann erfindungsgemäß auch nur einer der beiden Spiegel teildurchlässig sein, was ggfs. die Kosten reduzieren kann. Weitere Details zur Mehrstrahlinterferenz im Allgemeinen und zu Fabry-Perot-Interferometern finden sich in dem Buch „Optik“ von E. Hecht, 4. Auflage, Oldenbourg Verlag, in Kapitel 9.6.Deviating from the configuration just explained, according to the invention only one of the two mirrors can also be partially transparent, which can possibly reduce the costs. Further details on multi-beam interference in general and on Fabry-Perot interferometers can be found in the book “Optik” by E. Hecht, 4th edition, Oldenbourg Verlag, in Chapter 9.6.
Der aus dem optischen Resonator austretende elektromagnetische Messstrahl weist eine Intensitätsverteilung auf, die ortsaufgelöst gemessen wird. Das Messen der Intensitätsverteilung kann dabei eindimensional oder bevorzugt zweidimensional ortsaufgelöst erfolgen. Hierzu kann eine geeignete Detektoreinrichtung, beispielsweise auf Basis eines CCD-Sensors oder CMOS-Sensors, eingesetzt werden.The electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator has an intensity distribution that is measured in a spatially resolved manner. The intensity distribution can be measured in one dimension or preferably in two dimensions with spatial resolution. A suitable detector device, for example based on a CCD sensor or CMOS sensor, can be used for this purpose.
Bei der Phasenverschiebungs-Verteilung handelt es sich entsprechend der Intensitätsverteilung typischerweise um eine Verteilung entlang einer oder zweier Raumachsen. Die Phasenverschiebungen sind diejenigen, die der elektromagnetische Messstrahl bei einer Propagation durch den optischen Resonator entlang beider Richtungen, einschließlich zweier Reflexionen an der optischen Probe und/oder zweifachen Hindurchtretens durch die optische Probe, erfährt. Jede Phasenverschiebung der Phasenverschiebungs-Verteilung entspricht also dem lokalen Phasenunterschied je zweier aufeinanderfolgender aus dem optischen Resonator austretender Teilstrahlen. Die lokale Intensität ist das Ergebnis der Vielstrahl-Interferenz von allen austretenden Teilstrahlen.In accordance with the intensity distribution, the phase shift distribution is typically a distribution along one or two spatial axes. The phase shifts are those which the electromagnetic measuring beam experiences during propagation through the optical resonator along both directions, including two reflections at the optical sample and/or passing through the optical sample twice. Each phase shift of the phase shift distribution thus corresponds to the local phase difference between two successive partial beams emerging from the optical resonator. The local intensity is the result of the multi-beam interference of all exiting sub-beams.
Grundsätzlich kann aus der Verteilung der Phasenverschiebungs-Verteilung auch die Wellenfront des elektromagnetischen Messstrahls bestimmt werden. Gegebenenfalls sind hierfür allerdings mehrere Messungen bei unterschiedlichen Abständen der beiden Spiegel notwendig.In principle, from the distribution of the phase shift distribution, the waves front of the electromagnetic measuring beam can be determined. However, this may require several measurements at different distances between the two mirrors.
Bei der Referenz handelt es sich um die Phasenverschiebungs-Verteilung, die ohne den Einfluss der elektromagnetischen Heizstrahlung vorliegt. Zur Bestimmung der Referenz kann daher eine Messung der Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls vor dem Einstrahlen oder ausreichend lange nach dem Einstrahlen (typischerweise mehr als 10 s, bevorzugt mehr als 30 s) des elektromagnetischen Heizstrahls erfolgen. Alternativ kann die Referenz auch analytisch oder numerisch bestimmt werden. Der Vergleich der Phasenverschiebungs-Verteilung mit der Referenz erfolgt bevorzugt durch Differenzbildung.The reference is the phase shift distribution that is present without the influence of the electromagnetic heating radiation. To determine the reference, the intensity distribution of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator can therefore be measured before the electromagnetic heating beam is irradiated or long enough after it is irradiated (typically more than 10 s, preferably more than 30 s). Alternatively, the reference can also be determined analytically or numerically. The phase shift distribution is preferably compared with the reference by forming the difference.
Um aus der Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung die Veränderung der mindestens einen optischen Eigenschaft und/oder die mindestens eine Absorptionseigenschaft bestimmen zu können, kann eine Kalibrierung notwendig sein. In Frage kommen beispielsweise analytische Rechnungen oder numerische Simulationen, mit welchen Beziehungen zwischen der Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung und der Veränderung der mindestens einen optischen Eigenschaft und/oder der mindestens einen Absorptionseigenschaft hergeleitet werden können. Dazu müssen typischerweise weitere Größen, beispielsweise die Geometrie der optischen Probe und die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Temperatur bekannt sein.Calibration may be necessary in order to be able to determine the change in the at least one optical property and/or the at least one absorption property from the change in the phase shift distribution. For example, analytical calculations or numerical simulations come into question, with which relationships between the change in the phase shift distribution and the change in the at least one optical property and/or the at least one absorption property can be derived. For this purpose, other parameters typically have to be known, for example the geometry of the optical sample and the dependence of the refractive index on the temperature.
Auch kann die Kalibrierung mittels einer Kalibrierprobe erfolgen. Beispielsweise kann die Kalibrierprobe einen vergleichsweise hohen Absorptionskoeffizienten aufweisen, der mittels eines anderen Verfahrens bestimmt wird. Anschließend wird für die Kalibrierprobe die Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung bestimmt. Der damit bestimmte Zusammenhang zwischen der Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung und dem Absorptionskoeffizienten kann nun zu kleineren Absorptionskoeffizienten hin extrapoliert werden, beispielsweise unter der Annahme einer linearen Abhängigkeit.The calibration can also be carried out using a calibration sample. For example, the calibration sample can have a comparatively high absorption coefficient, which is determined using a different method. The change in the phase shift distribution is then determined for the calibration sample. The relationship thus determined between the change in the phase shift distribution and the absorption coefficient can now be extrapolated towards smaller absorption coefficients, for example assuming a linear dependency.
Grundsätzlich kann die Kalibrierung weitgehend analog zum dem Vorgehen erfolgen, das in dem Artikel „Photo-thermal measurement of absorptance losses, temperature induced wavefront deformation and compaction in DUV-optics“ von
Wie die Photothermie, die Laserdeflektometrie und die Laserkalorimetrie nutzt das erfindungsgemäße Verfahren die Umwandlung von absorbierter Strahlung in thermische Energie, das heißt anders als bei Transflexmethoden wird die Absorption im Material für die Messung genutzt. Das Verfahren ist damit systemnah für die Messung von Lens- und Mirrorheatingeffekten.Like photothermia, laser deflectometry and laser calorimetry, the method according to the invention uses the conversion of absorbed radiation into thermal energy, ie, unlike transflex methods, the absorption in the material is used for the measurement. The method is therefore system-related for the measurement of lens and mirror heating effects.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, die auf einer Bestimmung der Veränderung einer Wellenfront mittels eines Hartmann-Shack-Sensors basieren, tritt der elektromagnetische Messstrahl durch die vielfache Reflexion an den beiden Spiegeln vielfach durch die optische Probe hindurch oder wird vielfach von der optischen Probe reflektiert. In der Folge schlagen sich auch kleine Veränderungen der optischen Eigenschaften deutlich in der gemessenen Intensitätsverteilung nieder. Die Auflösung des Verfahrens ist damit wesentlich höher, typischerweise um mehrere Größenordnungen höher, als die der Photothermie und ähnlicher laserdeflektometrischer Methoden und noch höher im Vergleich zu Transflexmethoden und laserkalorimetrischen Verfahren. Der Messbereich wird daher zu wesentlich kleineren Absorptionskoeffizienten hin erweitert.In contrast to the known methods, which are based on determining the change in a wavefront using a Hartmann-Shack sensor, the electromagnetic measuring beam passes through the optical sample many times due to the multiple reflection at the two mirrors or is reflected many times by the optical sample . As a result, even small changes in the optical properties are clearly reflected in the measured intensity distribution. The resolution of the method is therefore significantly higher, typically several orders of magnitude higher, than that of photothermia and similar laser deflectometric methods and even higher in comparison to transflex methods and laser calorimetric methods. The measuring range is therefore extended to significantly smaller absorption coefficients.
Mit der höheren Auflösung geht auch die Messfähigkeit bei geringeren Leistungsdichten des elektromagnetischen Heizstrahls einher. Die erforderlichen Energiedichten des Heizstrahls sind typischerweise um einen Faktor 100 geringer als bei photothermischen Verfahren. Geeignete Strahlquellen zur Emission des elektromagnetischen Heizstrahls sind damit deutlich kompakter sowie günstiger in der Anschaffung und im Unterhalt. Ferner kann die Messung bei Fluenzen erfolgen, wie sie im optischen System verwendet werden, in dem die optische Probe eingesetzt wird oder eingesetzt werden soll.The higher resolution is also accompanied by the ability to measure at lower power densities of the electromagnetic heating beam. The required energy densities of the heating beam are typically lower by a factor of 100 than with photothermal processes. Suitable radiation sources for emitting the electromagnetic heating beam are therefore significantly more compact and cheaper to purchase and maintain. Furthermore, the measurement can take place at fluences as used in the optical system in which the optical sample is used or is intended to be used.
Die mindestens eine Absorptionseigenschaft der optischen Probe, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt wird, kann auch eine bearbeitete Oberfläche der optischen Probe charakterisieren. Somit können unterschiedliche Oberflächenbearbeitungsmethoden (z.B. Politur oder Bearbeitung mit einem Ionenstrahl) bezüglich der resultierenden Absorption der Oberfläche miteinander verglichen werden. Zum Beispiel kann man damit die Auswirkung der Wahl des Poliermittels für eine Politur der Oberfläche ermitteln.The at least one absorption property of the optical sample, which is determined using the method according to the invention, can also characterize a processed surface of the optical sample. Thus, different surface treatment methods (e.g. polishing or treatment with an ion beam) can be compared with each other with regard to the resulting absorption of the surface. For example, one can use it to determine the effect of the choice of polishing agent for polishing the surface.
In einer Variante des Verfahrens ist eine Kohärenzlänge des elektromagnetischen Messstrahls mindestens drei Mal, bevorzugt mindestens fünf Mal, besonders bevorzugt mindestens zehn Mal, insbesondere mindestens fünfzig Mal so groß ist wie eine optische Weglänge des elektromagnetischen Messstrahls im optischen Resonator. Bei der Kohärenzlänge handelt es sich um den maximalen Weglängenunterschied, bei dem noch ein stabiles Interferenzmuster vorliegt. Die optische Weglänge entspricht hier einem einfachen Durchgang des elektromagnetischen Messstrahls durch den optischen Resonator und ergibt sich durch Integration über den Brechungsindex, dopt = ∫n(s) ds . Eine größere Kohärenzlänge führt zu schärferen Maxima und damit einer höheren Auflösung. Auch kann die optische Probe umso größer sein, je größer die Kohärenzlänge ist.In a variant of the method, a coherence length of the electromagnetic measuring beam is at least three times, preferably at least five times, particularly preferably at least ten times, in particular at least fifty times as large as an optical path length of the electromagnetic measuring beam in the optical resonator. At the The coherence length is the maximum path length difference at which there is still a stable interference pattern. The optical path length here corresponds to a simple passage of the electromagnetic measuring beam through the optical resonator and results from integration over the refractive index, d opt =∫n(s) ds . A larger coherence length leads to sharper maxima and thus a higher resolution. Also, the larger the coherence length, the larger the optical sample can be.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens handelt es sich bei der optischen Probe um eine Materialprobe oder um einen Rohling für die Herstellung eines optischen Elements, wobei bevorzugt der elektromagnetische Heizstrahl senkrecht oder kollinear zum elektromagnetischen Messstrahl in die optische Probe eingestrahlt wird. Die Bestimmung mindestens einer Absorptionseigenschaft einer Materialprobe kann beispielsweise zur iterativen Optimierung des Materials, beispielsweise im Hinblick auf eine möglichst niedrige Absorption, dienen. Eine Messung an einem Rohling, beispielsweise unter Bestimmung einer Absorptionseigenschaft des Rohlings, kann unter anderem dazu eingesetzt werden, um zu entscheiden, ob dieser zur Weiterbearbeitung zur Herstellung eines optischen Elements geeignet ist.In a further variant of this method, the optical sample is a material sample or a blank for the production of an optical element, with the electromagnetic heating beam preferably being radiated into the optical sample perpendicularly or collinearly to the electromagnetic measuring beam. The determination of at least one absorption property of a material sample can be used, for example, for iterative optimization of the material, for example with regard to the lowest possible absorption. A measurement on a blank, for example by determining an absorption property of the blank, can be used, among other things, to decide whether it is suitable for further processing to produce an optical element.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens weist die optische Probe mindestens eine Oberfläche und mindestens eine Schicht, insbesondere einen Schichtstapel, auf der Oberfläche auf, wobei bevorzugt ein Winkel zwischen dem elektromagnetischen Messstrahl und dem elektromagnetischen Heizstrahl zwischen 0° und 20° liegt. Der Schichtstapel kann beispielsweise dazu dienen, bei einer bestimmten Wellenlänge einen möglichst hohen Reflexionsgrad zu erzielen. Mit dem Verfahren kann die mindestens eine Schicht beziehungsweise der Schichtstapel charakterisiert werden. Insbesondere kann damit mindestens eine Absorptionseigenschaft der mindestens einen Schicht beziehungsweise des Schichtstapels bestimmt werden. Folglich ermöglicht das Verfahren unter anderem eine iterative Optimierung der Parameter der Schicht oder des Schichtstapels, einschließlich der Materialien des Schichtstapels und ihrer Schichtdicken.In a further variant of this method, the optical sample has at least one surface and at least one layer, in particular a layer stack, on the surface, with an angle between the electromagnetic measuring beam and the electromagnetic heating beam preferably being between 0° and 20°. The layer stack can be used, for example, to achieve the highest possible degree of reflection at a specific wavelength. The method can be used to characterize the at least one layer or the layer stack. In particular, at least one absorption property of the at least one layer or of the layer stack can be determined in this way. Consequently, the method enables, among other things, an iterative optimization of the parameters of the layer or the layer stack, including the materials of the layer stack and their layer thicknesses.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens handelt es sich bei der optischen Probe um ein optisches Element oder um eine optische Anordnung mit einer Mehrzahl von optischen Elementen, wobei bevorzugt der elektromagnetische Heizstrahl kollinear zu einer vorgesehenen Propagationsrichtung von elektromagnetischer Nutzstrahlung durch die optische Probe hindurchtritt und wobei bevorzugt der elektromagnetische Messstrahl senkrecht oder kollinear zu der vorgesehenen Propagationsrichtung der elektromagnetischen Nutzstrahlung durch die optische Probe hindurchtritt. Im Fall einer optischen Anordnung mit einer Mehrzahl von optischen Elementen können beim kollinearen Hindurchtreten des elektromagnetischen Heizstrahls und des elektromagnetischen Messstrahls zur vorgesehenen Propagationsrichtung der elektromagnetischen Nutzstrahlung sämtliche optischen Flächen der optischen Anordnung in einem einzigen Schritt charakterisiert werden. Da eine optische Anordnung im Vergleich zu einem einzelnen optischen Element typischerweise verhältnismäßig groß ist, ist eine große Kohärenzlänge des elektromagnetischen Messstrahls hier besonders wichtig. Bevorzugt können Korrekturoptiken eingesetzt werden, um ein Hindurchtreten des elektromagnetischen Heizstrahls kollinear zur vorgesehenen Propagationsrichtung der elektromagnetischen Nutzstrahlung zu erzielen. Korrekturoptiken können auch zur Anpassung der Wellenfronten des elektromagnetischen Messstrahls dienen, beispielsweise um zu erreichen, dass dieser mit ebenen oder näherungsweise ebenen Wellenfronten auf die beiden Spiegel des Resonators trifft.In a further variant of this method, the optical sample is an optical element or an optical arrangement with a plurality of optical elements, with the electromagnetic heating beam preferably passing through the optical sample collinear to an intended propagation direction of useful electromagnetic radiation and with preference the electromagnetic measuring beam passes through the optical sample perpendicularly or collinearly to the intended propagation direction of the useful electromagnetic radiation. In the case of an optical arrangement with a plurality of optical elements, all optical surfaces of the optical arrangement can be characterized in a single step when the electromagnetic heating beam and the electromagnetic measuring beam pass through collinearly to the intended propagation direction of the useful electromagnetic radiation. Since an optical arrangement is typically relatively large compared to a single optical element, a large coherence length of the electromagnetic measurement beam is particularly important here. Corrective optics can preferably be used in order to achieve passage of the electromagnetic heating beam collinear to the intended propagation direction of the useful electromagnetic radiation. Correction optics can also be used to adjust the wavefronts of the electromagnetic measuring beam, for example to ensure that it impinges on the two mirrors of the resonator with flat or approximately flat wavefronts.
Insbesondere bei optischen Proben in Form von optischen Elementen oder optischen Anordnungen ergibt sich aufgrund der hohen Auflösung des Verfahrens der Vorteil, dass die Messung bei einer Energie des elektromagnetischen Heizstrahls erfolgen kann, die der Systemenergie der elektromagnetischen Nutzstrahlung im Einsatz des optischen Elements beziehungsweise der optischen Anordnung in einem optischen System entspricht.In the case of optical samples in the form of optical elements or optical arrangements in particular, the high resolution of the method has the advantage that the measurement can be carried out with an energy of the electromagnetic heating beam that is equal to the system energy of the useful electromagnetic radiation when the optical element or optical arrangement is used in an optical system.
Die optischen Proben können auch beschichtet sein, also beispielsweise eine Oberfläche mit einem Schichtstapel aufweisen. In solchen Fällen kann die Charakterisierung der Beschichtung und des Grundkörpers der optischen Probe gemeinsam erfolgen.The optical samples can also be coated, ie for example have a surface with a layer stack. In such cases, the characterization of the coating and the base body of the optical sample can be carried out together.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens tritt der elektromagnetische Messstrahl vielfach durch die optische Probe hindurch und ein Abstand zwischen den zwei teildurchlässigen Spiegeln wird vorgegeben oder eingestellt, bei dem eine Wegstrecke, die der elektromagnetische Messstrahl im optischen Resonator außerhalb der optischen Probe zurücklegt, höchstens 100 %, bevorzugt weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 25 % der Wegstrecke beträgt, die der elektromagnetische Messstrahl in der optischen Probe zurücklegt. Die Reduzierung der Wegstrecke des elektromagnetischen Messstrahls innerhalb des optischen Resonators, die außerhalb der optischen Probe liegt, führt zu einer Reduktion von Schlieren, die sich beispielsweise durch Aufheizung von Luft oder eines anderen Gases im optischen Resonator bilden. Anders als bei den Verfahren aus dem Stand der Technik, bei welchen solche Störeinflüsse auf den gesamten Weg des Messstrahls einwirken, ist hier nur die Wegstrecke des elektromagnetischen Messstrahls im optischen Resonator und außerhalb der optischen Probe betroffen, welche so klein wie möglich gehalten werden kann.In a further variant of this method, the electromagnetic measuring beam passes through the optical sample multiple times and a distance between the two partially transparent mirrors is specified or set, in which a distance covered by the electromagnetic measuring beam in the optical resonator outside the optical sample is at most 100% , preferably less than 50%, particularly preferably less than 25% of the path covered by the electromagnetic measuring beam in the optical sample. Reducing the path length of the electromagnetic measuring beam within the optical resonator, which is outside the optical sample, leads to a reduction in streaks that form, for example, due to the heating of air or another gas in the optical resonator. Unlike the methods from the prior art, in which such interference on the entire path of the measuring beam, only the distance of the electromagnetic measuring beam in the optical resonator and outside the optical sample is affected, which can be kept as small as possible.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens wird das Einstrahlen des elektromagnetischen Heizstrahls und des elektromagnetischen Messstrahls in einer Gasatmosphäre durchgeführt, die ein Inertgas, bevorzugt Stickstoff, und/oder ein Edelgas, bevorzugt Argon, enthält, und/oder das Einstrahlen des elektromagnetischen Heizstrahls und des elektromagnetischen Messstrahls erfolgt bei einem elektromagnetischen Heizstrahl im UV-Bereich oder im DUV-Bereich bei einem Druck kleiner als 0,1 mbar und bei einem elektromagnetischen Heizstrahl im EUV-Bereich bei einem Druck kleiner als 10-4 mbar. Bevorzugt sollte die Gasatmosphäre den elektromagnetischen Heizstrahl nicht oder nur geringfügig absorbieren. Bei einer Wellenlänge des elektromagnetischen Heizstrahls von 193 nm ist das bei Stickstoff der Fall. Die geringere Absorption führt zu einer geringeren Erwärmung und damit einer Reduktion der Schlierenbildung, die einen wesentlichen Rauscheinfluss darstellt. Aus dem gleichen Grund ist ferner die Wahl einer Gasatmosphäre vorteilhaft, die eine geringe Abhängigkeit des Brechungsindex von Dichte und Temperatur aufweist. Auch die Vermeidung eines Wärmeübergangs in die Gasatmosphäre ist vorteilhaft. Hierzu eignen sich insbesondere Argon und noch schwerere Gase aufgrund der kleinen Wärmeübergangskoeffizienten. Dichtefluktuationen und damit einhergehende Schlierenbildung können außerdem durch die Durchführung der Messung in den angegebenen Druckbereichen reduziert werden.In a further variant of this method, the irradiation of the electromagnetic heating beam and the electromagnetic measuring beam is carried out in a gas atmosphere containing an inert gas, preferably nitrogen, and/or a noble gas, preferably argon, and/or the irradiation of the electromagnetic heating beam and the electromagnetic Measuring beam takes place with an electromagnetic heating beam in the UV range or in the DUV range at a pressure of less than 0.1 mbar and with an electromagnetic heating beam in the EUV range at a pressure of less than 10 -4 mbar. The gas atmosphere should preferably not absorb the electromagnetic heating beam, or absorb it only slightly. This is the case with nitrogen at a wavelength of 193 nm for the electromagnetic heating beam. The lower absorption leads to less heating and thus a reduction in the formation of streaks, which is a significant influence of noise. For the same reason, it is also advantageous to choose a gas atmosphere which has a low dependence of the refractive index on density and temperature. Avoiding heat transfer into the gas atmosphere is also advantageous. Argon and even heavier gases are particularly suitable for this due to the small heat transfer coefficients. Density fluctuations and the associated formation of streaks can also be reduced by carrying out the measurement in the specified pressure ranges.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens handelt es sich bei mindestens einem der zwei Spiegel um einen gekrümmten Spiegel, insbesondere um einen sphärischen Spiegel. Die Krümmung beziehungsweise die Krümmungen werden bevorzugt so gewählt, dass der optische Resonator optisch stabil ist. Der Einsatz von mindestens einem gekrümmten Spiegel ist dabei grundsätzlich bei optischen Proben jeder Art möglich, einschließlich Materialproben, Rohlingen, beschichteten Proben, optischen Elementen und optischen Anordnungen mit einer Mehrzahl von optischen Elementen. Die Krümmung der Spiegel und die optische Weglänge im optischen Resonator sind dabei bevorzugt aufeinander abgestimmt. Da sich die optische Weglänge im optischen Resonator durch das Einbringen der optischen Probe verändert, muss gegebenenfalls die optische Weglänge vor dem Einbringen der optischen Probe entsprechend angepasst sein. Bevorzugt sind ferner beide Spiegel gekrümmt und auf die Resonanz eines Gauß-Strahls hin optimiert. Durch den mindestens einen gekrümmten Spiegel ergibt sich eine Erhöhung der Finesse und damit ein höheres Auflösungsvermögen durch schärfere Maxima im Transmissionsspektrum. Außerdem ist damit die Konstruktion größerer beziehungsweise längerer optischer Resonatoren möglich. Des Weiteren ist die Messfläche für das zweidimensional ortsaufgelöste Messen der Intensitätsverteilung größer.In a further variant of this method, at least one of the two mirrors is a curved mirror, in particular a spherical mirror. The curvature or the curvatures are preferably selected in such a way that the optical resonator is optically stable. In principle, at least one curved mirror can be used for optical samples of any type, including material samples, blanks, coated samples, optical elements and optical arrangements with a plurality of optical elements. The curvature of the mirrors and the optical path length in the optical resonator are preferably matched to one another. Since the optical path length in the optical resonator changes when the optical sample is introduced, the optical path length may have to be adjusted accordingly before the optical sample is introduced. Furthermore, both mirrors are preferably curved and optimized for the resonance of a Gaussian beam. The at least one curved mirror results in an increase in finesse and thus a higher resolution capacity due to sharper maxima in the transmission spectrum. In addition, this makes it possible to construct larger or longer optical resonators. Furthermore, the measurement area for the two-dimensional spatially resolved measurement of the intensity distribution is larger.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens ist in der optischen Probe eine Ausdehnung des elektromagnetischen Messstrahls senkrecht zur Strahlrichtung mindestens drei Mal so groß ist wie eine Ausdehnung des elektromagnetischen Heizstrahls senkrecht zur Strahlrichtung. Ist der elektromagnetische Messstrahl wie angegeben aufgeweitet, so hat dies den Vorteil, dass das ortsaufgelöste Messen der Intensitätsverteilung (und damit die Bestimmung der Phasenverschiebungs-Verteilung) unter Verwendung einer ortsauflösenden Detektoreinrichtung in einem einzigen Schritt, also gleichzeitig, erfolgen kann.In a further variant of this method, an expansion of the electromagnetic measuring beam perpendicular to the beam direction in the optical sample is at least three times greater than an expansion of the electromagnetic heating beam perpendicular to the beam direction. If the electromagnetic measuring beam is expanded as stated, this has the advantage that the spatially resolved measurement of the intensity distribution (and thus the determination of the phase shift distribution) can be carried out in a single step, i.e. simultaneously, using a spatially resolving detector device.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens wird die optische Probe mit dem elektromagnetischen Messstrahl abgerastert. Bevorzugt ist dabei die Ausdehnung des elektromagnetischen Messstrahls senkrecht zur Strahlrichtung kleiner als die Ausdehnung des elektromagnetischen Heizstrahls senkrecht zur Strahlrichtung. Eine derartige Vorgehensweise hat den Vorteil, dass das ortsaufgelöste Messen mittels einer Detektoreinrichtung erfolgen kann, die nicht ortsauflösend ist. Die Ortsauflösung ergibt sich hier vielmehr durch das Abrastern der optischen Probe. Bei der Messung der Intensitätsverteilung werden die lokalen Intensitäten für jede Position also nacheinander gemessen.In a further variant of this method, the optical sample is scanned with the electromagnetic measuring beam. The extent of the electromagnetic measuring beam perpendicular to the beam direction is preferably smaller than the extent of the electromagnetic heating beam perpendicular to the beam direction. Such a procedure has the advantage that the spatially resolved measurement can be carried out using a detector device that is not spatially resolving. Instead, the spatial resolution results here from the scanning of the optical sample. When measuring the intensity distribution, the local intensities for each position are measured one after the other.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer durch Absorption von elektromagnetischer Heizstrahlung bedingten Veränderung mindestens einer optischen Eigenschaft einer optischen Probe und/oder mindestens einer Absorptionseigenschaft der optischen Probe für die Absorption von elektromagnetischer Nutzstrahlung, umfassend: einen optischen Resonator, in den die optische Probe einbringbar ist und der zwei Spiegel umfasst, wobei bevorzugt mindestens einer der beiden Spiegel teildurchlässig ist, eine Heizstrahlquelle zur Emission von elektromagnetischer Heizstrahlung in Form eines elektromagnetischen Heizstrahls, die ausgebildet ist, den elektromagnetischen Heizstrahl in die optische Probe einzustrahlen, eine Messstrahlquelle zur Emission eines elektromagnetischen Messstrahls, die ausgebildet ist, den elektromagnetischen Messstrahl in den optischen Resonator einzustrahlen, wobei durch vielfache Reflexion an den Spiegeln der elektromagnetische Messstrahl vielfach durch das optische Element hindurchtritt und/oder vielfach von der optischen Probe reflektiert wird, eine Detektoreinrichtung zur ortsaufgelösten Messung einer Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls und eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung einer Phasenverschiebungs-Verteilung aus der Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls, zur Bestimmung einer Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung durch Vergleichen der Phasenverschiebungs-Verteilung mit einer Referenz, sowie zur Bestimmung der Veränderung der mindestens einen optischen Eigenschaft der optischen Probe und/oder der mindestens einen Absorptionseigenschaft der optischen Probe aus der Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung.Another aspect of the invention relates to a device for determining a change caused by the absorption of electromagnetic heating radiation in at least one optical property of an optical sample and/or at least one absorption property of the optical sample for the absorption of useful electromagnetic radiation, comprising: an optical resonator in which the optical sample can be introduced and which comprises two mirrors, with at least one of the two mirrors preferably being partially transparent, a heating beam source for emitting electromagnetic heating radiation in the form of an electromagnetic heating beam, which is designed to radiate the electromagnetic heating beam into the optical sample, a measuring beam source for emission an electromagnetic measuring beam, which is designed to radiate the electromagnetic measuring beam into the optical resonator, with multiple reflections on the mirrors causing the electromagnetic measuring beam to pass through the optical element multiple times and/or to be reflected multiple times by the optical sample, a detector device for spatially resolved measurement of an intensity distribution of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator and an evaluation device for determining a phase shift distribution from the intensity distribution of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator, for determining a change in the phase shift distribution by comparing the phase shift distribution with a reference, and for determining the change in the at least one optical property of the optical sample and/or the at least one absorption property of the optical sample from the change in the phase shift distribution.
Die Vorrichtung dient zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur Durchführung der Varianten des Verfahrens kann eine entsprechend angepasste Vorrichtung eingesetzt werden. Bezüglich weiterer Details und der mit der Vorrichtung erzielten Vorteile sei auf die obigen Ausführungen zum Verfahren und seiner Varianten verwiesen.The device is used to carry out the method according to the invention. A correspondingly adapted device can be used to carry out the variants of the method. With regard to further details and the advantages achieved with the device, reference is made to the above statements on the method and its variants.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere ein Lithographiesystem, umfassend eine Mehrzahl von optischen Elementen, sowie mindestens einen optischen Resonator, in dem mindestens eines der optischen Elemente angeordnet ist, wobei der optische Resonator zwei Spiegel aufweist, wobei bevorzugt mindestens einer der zwei Spiegel teildurchlässig ist, mindestens eine Messstrahlquelle zur Emission eines elektromagnetischen Messstrahls, die ausgebildet ist, den elektromagnetischen Messstrahl in den optischen Resonator einzustrahlen, wobei durch vielfache Reflexion an den Spiegeln der elektromagnetische Messstrahl vielfach durch das optische Element hindurchtritt und/oder vielfach von dem optischen Element reflektiert wird, mindestens eine Detektoreinrichtung zur ortsaufgelösten Messung einer Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls und mindestens eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung einer Phasenverschiebungs-Verteilung aus der Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls.Another aspect of the invention relates to an optical system, in particular a lithography system, comprising a plurality of optical elements and at least one optical resonator in which at least one of the optical elements is arranged, the optical resonator having two mirrors, with preferably at least one of two mirrors is partially transparent, at least one measuring beam source for emitting an electromagnetic measuring beam, which is designed to radiate the electromagnetic measuring beam into the optical resonator, with multiple reflections on the mirrors causing the electromagnetic measuring beam to pass through the optical element multiple times and/or multiple times from the optical element element is reflected, at least one detector device for spatially resolved measurement of an intensity distribution of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator and at least one evaluation device for determining a phase shift distribution from the intensity distribution of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator.
Bei dem Lithographiesystem kann es sich insbesondere um eine Projektionsbelichtungsanlage oder ein Maskeninspektionssystem handeln. Die optischen Elemente können beispielsweise transmissive optische Elemente, zum Beispiel Linsen, und/oder reflektive optische Elemente, zum Beispiel Spiegel, sein. Bezüglich des optischen Resonators, der zwei Spiegel, der Messstrahlquelle zur Emission des elektromagnetischen Messstrahls, der Detektoreinrichtung zur ortsaufgelösten Messung der Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls und der Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Phasenverschiebungs-Verteilung aus der Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls sei auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren bzw. zur erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.The lithography system can in particular be a projection exposure system or a mask inspection system. The optical elements can be, for example, transmissive optical elements, for example lenses, and/or reflective optical elements, for example mirrors. With regard to the optical resonator, the two mirrors, the measuring beam source for emitting the electromagnetic measuring beam, the detector device for spatially resolved measurement of the intensity distribution of the electromagnetic measuring beam exiting the optical resonator and the evaluation device for determining the phase shift distribution from the intensity distribution of the electromagnetic measuring beam exiting the optical resonator electromagnetic measuring beam, reference is made to the above statements on the method according to the invention and the device according to the invention.
Die mittels der Auswerteeinrichtung bestimmte Phasenverschiebungs-Verteilung ermöglicht es, Aussagen über den Zustand des mindestens einen optischen Elements, das in dem mindestens einen optischen Resonator angeordnet ist, und/oder den Zustand des gesamten optischen Systems zu treffen. Abhängig von der Phasenverschiebungs-Verteilung können bestimmte Maßnahmen, wie der Austausch eines optischen Elements, erfolgen.The phase shift distribution determined by the evaluation device makes it possible to make statements about the state of the at least one optical element that is arranged in the at least one optical resonator and/or the state of the entire optical system. Depending on the phase shift distribution, certain measures, such as replacing an optical element, can be taken.
Bevorzugt ist in dem optischen Resonator beziehungsweise in jedem der optischen Resonatoren jeweils nur ein optisches Element angeordnet. Allerdings können in dem optischen Resonator beziehungsweise in jedem der optischen Resonatoren auch jeweils mehrere optische Elemente angeordnet sein.Only one optical element is preferably arranged in the optical resonator or in each of the optical resonators. However, a plurality of optical elements can also be arranged in the optical resonator or in each of the optical resonators.
Grundsätzlich, aber nicht notwendigerweise, kann jedes der optischen Elemente des optischen Systems in dem mindestens einen optischen Resonator angeordnet sein. Bevorzugt sind jedoch nur diejenigen optischen Elemente in dem mindestens einen optischen Resonator angeordnet, die von einem besonderen Interesse sind, beispielweise weil ihr Zustand für das Auflösungsvermögen des optischen Systems besonders wichtig ist.In principle, but not necessarily, each of the optical elements of the optical system can be arranged in the at least one optical resonator. However, preferably only those optical elements are arranged in the at least one optical resonator that are of particular interest, for example because their condition is particularly important for the resolution of the optical system.
In einer Ausführungsform ist die Messstrahlquelle ausgebildet, einen elektromagnetischen Messstrahl zu emittieren, der eine Kohärenzlänge aufweist, die mindestens drei Mal, bevorzugt mindestens fünf Mal, besonders bevorzugt mindestens zehn Mal, insbesondere mindestens fünfzig Mal so groß ist wie eine optische Weglänge des elektromagnetischen Messstrahls im optischen Resonator. Eine große Kohärenzlänge hat den Vorteil einer höheren Auflösung für die Bestimmung der Phasenverschiebungs-Verteilung aus der mittels der Detektoreinrichtung gemessenen Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls.In one embodiment, the measuring beam source is designed to emit an electromagnetic measuring beam that has a coherence length that is at least three times, preferably at least five times, particularly preferably at least ten times, in particular at least fifty times as large as an optical path length of the electromagnetic measuring beam im optical resonator. A large coherence length has the advantage of a higher resolution for determining the phase shift distribution from the intensity distribution, measured by the detector device, of the electromagnetic measuring beam emerging from the optical resonator.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische System eine Einrichtung zur Einstellung eines Abstands zwischen den zwei Spiegeln, die bevorzugt mindestens einen Piezoaktuator aufweist. Durch Veränderung des Abstands zwischen den zwei Spiegeln kann der Bereich, in dem die Phasenverschiebungs-Verteilung aus der Intensität des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls mit hoher Auflösung beziehungsweise überhaupt bestimmt werden kann, angepasst werden. Im Vergleich zu einem festen Spiegelabstand ermöglicht die Einrichtung zur Einstellung des Abstands zwischen den zwei Spiegeln folglich eine fast beliebige Erweiterung dieses Bereichs.In a further embodiment, the optical system comprises a device for setting a distance between the two mirrors, which preferably has at least one piezo actuator. By changing the distance between the two mirrors, the range in which the phase shift distribution from the intensity of the electromag netic measuring beam with high resolution or can be determined at all, are adjusted. Thus, compared to a fixed mirror spacing, the means for adjusting the spacing between the two mirrors allows this range to be extended almost at will.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische System eine Nutzstrahlungsquelle zur Emission von elektromagnetischer Nutzstrahlung, die entlang einer vorgegebenen Propagationsrichtung durch das mindestens eine optische Element hindurchtritt. Handelt es sich bei dem optischen System um eine Projektionsbelichtungsanlage, so kann die von der Nutzstrahlungsquelle emittierte elektromagnetische Nutzstrahlung beispielsweise zur Belichtung von Wafern dienen.In a further embodiment, the optical system comprises a useful radiation source for emitting useful electromagnetic radiation, which passes through the at least one optical element along a predetermined propagation direction. If the optical system is a projection exposure system, the useful electromagnetic radiation emitted by the useful radiation source can be used, for example, to expose wafers.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische System mindestens eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung des mindestens einen optischen Elements anhand mindestens eines aus der Phasenverschiebungs-Verteilung bestimmten Überwachungsparameters. Der Wert des mindestens einen Überwachungsparameters oder eine Veränderung des mindestens einen Überwachungsparameters über die Zeit kann zum Beispiel ein Maß für die Degradation des mindestens einen optischen Elements sein, einen Indikator für einen baldigen Ausfall des mindestens einen optischen Elements darstellen oder auf eine Fehlfunktion des optischen Systems hinweisen. Die Degradation des mindestens einen optischen Elements ist dabei typischerweise eine Folge der hohen Strahlungsintensitäten.In a further embodiment, the optical system comprises at least one monitoring device for monitoring the at least one optical element using at least one monitoring parameter determined from the phase shift distribution. The value of the at least one monitoring parameter or a change in the at least one monitoring parameter over time can, for example, be a measure of the degradation of the at least one optical element, an indicator of imminent failure of the at least one optical element, or a malfunction of the optical system Clues. The degradation of the at least one optical element is typically a consequence of the high radiation intensities.
Grundsätzlich kommen zwei Arten von Überwachungsparametern in Frage: zum einen solche, die ohne die elektromagnetische Nutzstrahlung bestimmbar sind, und zum anderen solche, die erst durch die elektromagnetische Nutzstrahlung bestimmbar werden, die in diesem Fall zusätzlich zu ihrem eigentlichen Zweck auch die Rolle einnimmt, die im oben beschriebenen Verfahren bzw. der oben beschriebenen Vorrichtung die elektromagnetische Heizstrahlung gespielt hat.In principle, two types of monitoring parameters are possible: on the one hand, those that can be determined without the useful electromagnetic radiation, and on the other hand, those that can only be determined through the useful electromagnetic radiation, which in this case, in addition to its actual purpose, also plays the role of played the electromagnetic heating radiation in the method described above or the device described above.
In die erste Kategorie fallen beispielsweise optische Weglängen, die direkt aus der Phasenverschiebungs-Verteilung bestimmbar sind. Zur zweiten Kategorie gehören beispielsweise eine Veränderung einer optischen Weglänge unter Einfluss der elektromagnetischen Nutzstrahlung im Vergleich zur entsprechenden optischen Weglänge ohne den Einfluss der elektromagnetischen Nutzstrahlung und Absorptionseigenschaften des mindestens einen optischen Elements. Eine Degradation des mindestens einen optischen Elements über die Zeit äußert sich typischerweise sowohl in einer Veränderung von Überwachungsparametern der ersten Kategorie als auch der zweiten Kategorie.For example, optical path lengths that can be determined directly from the phase shift distribution fall into the first category. The second category includes, for example, a change in an optical path length under the influence of the useful electromagnetic radiation compared to the corresponding optical path length without the influence of the useful electromagnetic radiation and absorption properties of the at least one optical element. Degradation of the at least one optical element over time is typically expressed both in a change in monitoring parameters of the first category and of the second category.
Handelt es sich bei dem Überwachungsparameter um einen der zweiten Kategorie, insbesondere um eine Absorptionseigenschaft, so ist die Überwachungseinrichtung bevorzugt ausgebildet, entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, eine Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung durch Vergleichen der Phasenverschiebungs-Verteilung mit einer Referenz zu bestimmen und aus der Veränderung der Phasenverschiebungs-Verteilung den mindestens einen Überwachungsparameter zu bestimmen.If the monitoring parameter is one of the second category, in particular an absorption property, the monitoring device is preferably designed, in accordance with the method according to the invention, to determine a change in the phase shift distribution by comparing the phase shift distribution with a reference and from the change to determine the at least one monitoring parameter from the phase shift distribution.
Die mittels des optischen Resonators erzielte hohe Auflösung ermöglicht dabei typischerweise erst die Bestimmung von Überwachungsparametern der zweiten Kategorie. In vielen Lithographiesystemen ist die elektromagnetische Nutzstrahlung gepulst. Es ergeben sich damit kurze Zeitintervalle, typischerweise in der Größenordnung von 1 ms, in denen zumindest ein bestimmter Bereich des mindestens einen optischen Elements nicht der elektromagnetischen Nutzstrahlung ausgesetzt ist. Innerhalb dieses Zeitraums kann nun eine Referenzmessung erfolgen. Aufgrund der hohen Auflösung ist auch der kurze zeitliche Abstand (innerhalb dessen sich kein Gleichgewicht einstellen kann) zwischen der eigentlichen Messung und der Referenzmessung hinreichend, um beispielsweise eine Absorptionseigenschaft zu bestimmen.The high resolution achieved by means of the optical resonator typically only allows the determination of monitoring parameters of the second category. In many lithography systems, the useful electromagnetic radiation is pulsed. This results in short time intervals, typically on the order of 1 ms, in which at least one specific area of the at least one optical element is not exposed to the useful electromagnetic radiation. A reference measurement can now be made within this period. Due to the high resolution, the short time interval (within which no equilibrium can be established) between the actual measurement and the reference measurement is sufficient to determine an absorption property, for example.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, den Überwachungsparameter mit mindestens einem Referenzwert, insbesondere mindestens einem Wert des Überwachungsparameters zu mindestens einem zurückliegenden Zeitpunkt, zu vergleichen und bevorzugt in Abhängigkeit einer Abweichung des Überwachungsparameters von dem mindestens einen Referenzwert über eine Ausgabeeinrichtung eine Benachrichtigung an einen Benutzer auszugeben. Der zurückliegende Zeitpunkt liegt dabei bevorzugt Wochen oder Monate zurück.In a further development of this embodiment, the monitoring device is designed to compare the monitoring parameter with at least one reference value, in particular at least one value of the monitoring parameter at at least one point in time in the past, and preferably to send a notification via an output device depending on a deviation of the monitoring parameter from the at least one reference value output a user. The past point in time is preferably weeks or months ago.
Der Vergleich des Überwachungsparameters mit dem mindestens einen Referenzwert kann beispielsweise dazu dienen, einen Ausfall des mindestens einen optischen Elements frühzeitig zu erkennen. Wird ein bevorstehender Ausfall rechtzeitig erkannt, so kann das mindestens eine optische Element beispielsweise noch vor seinem Ausfall ausgetauscht werden. Man vermeidet dadurch einen vollständigen Stillstand des optischen Systems und die damit einhergehenden hohen Kosten. Bevorzugt kann ein bevorstehender Ausfall auch aus einem Lebensdauermodell erkannt werden, das die erwartete Veränderung des mindestens einen Überwachungsparameters über die Zeit beschreibt. Typischerweise ist der Verlauf des mindestens einen Überwachungsparameters zunächst lange Zeit relativ flach und knickt dann abrupt ab.The comparison of the monitoring parameter with the at least one reference value can be used, for example, to detect a failure of the at least one optical element at an early stage. If an impending failure is detected in good time, the at least one optical element can be replaced before it fails, for example. This avoids a complete standstill of the optical system and the associated high costs. An imminent failure can preferably also be recognized from a service life model that describes the expected change in the at least one monitoring parameter over time. Typi Typically, the course of the at least one monitoring parameter is initially relatively flat for a long time and then breaks off abruptly.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische System mindestens eine Steuerungseinrichtung zur Beeinflussung einer Wellenfront der elektromagnetischen Nutzstrahlung in Abhängigkeit von der mittels der Auswerteeinrichtung bestimmten Phasenverschiebungs-Verteilung. Zu diesem Zweck umfasst die Steuerungseinrichtung bevorzugt mindestens ein aktives optisches Element. Mit einer solchen Steuerungseinrichtung ist es beispielsweise möglich, Effekte von alternden optischen Elementen zu kompensieren.In a further embodiment, the optical system comprises at least one control device for influencing a wave front of the useful electromagnetic radiation as a function of the phase shift distribution determined by means of the evaluation device. For this purpose, the control device preferably includes at least one active optical element. With such a control device it is possible, for example, to compensate for the effects of aging optical elements.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can each be realized individually or together in any combination in a variant of the invention.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung einer durch Absorption von elektromagnetischer Heizstrahlung bedingten Veränderung mindestens einer optischen Eigenschaft einer optischen Probe und/oder mindestens einer Absorptionseigenschaft der optischen Probe, wobei es sich bei der optischen Probe um eine Materialprobe handelt, -
2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der inder 1 gezeigten Vorrichtung, wobei die optische Probe eine Oberfläche mit einem Schichtstapel aufweist, -
3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der inder 1 gezeigten Vorrichtung, wobei es sich bei der optischen Probe um ein optisches Element handelt, -
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der inder 1 gezeigten Vorrichtung, wobei es sich bei der optischen Probe um eine optische Anordnung mit einer Mehrzahl von optischen Elementen handelt, -
5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der inder 1 gezeigten Vorrichtung, wobei die Messung an der optischen Probe in Reflexion erfolgt, -
6 eine schematische Darstellung eines optischen Systems in Form eines Lithographiesystems mit einer Mehrzahl von optischen Elementen, wobei zwei der optischen Elemente in jeweils einem optischen Resonator angeordnet sind und mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht werden, sowie -
7 einen Zusammenhang zwischen dem Transmissionsgrad eines optischen Resonators in Form eines Fabry-Perot-Interferometers, in dem eine optische Probe angeordnet ist, und einem Absorptionskoeffizienten der optischen Probe.
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1 a schematic representation of a device for carrying out a method for determining a change caused by the absorption of electromagnetic heating radiation in at least one optical property of an optical sample and/or at least one absorption property of the optical sample, the optical sample being a material sample, -
2 a schematic representation of an alternative embodiment in the1 shown device, wherein the optical sample has a surface with a layer stack, -
3 a schematic representation of an alternative embodiment in the1 device shown, wherein the optical sample is an optical element, -
4 a schematic representation of an alternative embodiment in the1 shown device, wherein the optical sample is an optical arrangement with a plurality of optical elements, -
5 a schematic representation of an alternative embodiment in the1 shown device, whereby the measurement on the optical sample takes place in reflection, -
6 a schematic representation of an optical system in the form of a lithography system with a plurality of optical elements, wherein two of the optical elements are each arranged in an optical resonator and are monitored by a monitoring device, and -
7 a relationship between the transmittance of an optical resonator in the form of a Fabry-Perot interferometer in which an optical sample is placed and an absorption coefficient of the optical sample.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawings, identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.
Die
Die Vorrichtung 1 umfasst einen optischen Resonator 7, in welchen die optische Probe 5 eingebracht ist. Der Resonator 7 umfasst zwei Spiegel 9,9', die hier beide beispielhaft, aber nicht notwendigerweise, teildurchlässig sind. Zur Erzielung der teildurchlässigen Verspiegelung ist auf die einander zugewandten Seitenflächen 11,11' der Grundkörper 13,13' der beiden Spiegel 9,9` eine Beschichtung 15,15` in Form einer Metallschicht aufgebracht. Die teildurchlässige Verspiegelung kann aber auch anders realisiert werden.The
Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Heizstrahlquelle 17 zur Emission von elektromagnetischer Heizstrahlung 3 in Form eines elektromagnetischen Heizstrahls 19, die ausgebildet ist, den elektromagnetischen Heizstrahl 19 in die optische Probe 5 einzustrahlen. Die Vorrichtung 1 umfasst auch eine Messstrahlquelle 21 zur Emission eines elektromagnetischen Messstrahls 23, die ausgebildet ist, den elektromagnetischen Messstrahl 23 in den optischen Resonator 7 einzustrahlen, wobei durch vielfache Reflexion an den Spiegeln 9,9` der elektromagnetische Messstrahl 23 vielfach durch die optische Probe 5 hindurchtritt, sowie eine Detektoreinrichtung 25 zur ortsaufgelösten Messung einer Intensitätsverteilung I des aus dem optischen Resonator 7 austretenden elektromagnetischen Messstrahls 23'.Furthermore, the
Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswerteeinrichtung 27 zur Bestimmung einer Phasenverschiebungs-Verteilung φ aus der Intensitätsverteilung I des aus dem optischen Resonator austretenden elektromagnetischen Messstrahls 23`, zur Bestimmung einer Veränderung dφ der Phasenverschiebungs-Verteilung φ durch Vergleichen der Phasenverschiebungs-Verteilung φ mit einer Referenz φR, sowie zur Bestimmung der Veränderung dn der mindestens einen optischen Eigenschaft n der optischen Probe 5 und/oder der mindestens einen Absorptionseigenschaft k der optischen Probe aus der Veränderung dφ der Phasenverschiebungs-Verteilung φ. Bei der Auswerteeinrichtung 27 handelt es sich um eine geeignet programmierte Hard- und/oder Software.The
Bei der Heizstrahlquelle 17 handelt es sich beispielhaft um einen Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm. Abweichend davon kann die Heizstrahlquelle 17 aber auch anders ausgebildet sein und eine andere Wellenlänge aufweisen, insbesondere zum Beispiel 248 nm oder 365 nm. The
Insbesondere muss es sich bei der Heizstrahlquelle 17 nicht um einen Laser handeln.In particular, the
Die Heizstrahlquelle 17 ist außerdem so angeordnet, dass der elektromagnetische Heizstrahl 19 senkrecht zum elektromagnetischen Messstrahl 23 in die optische Probe 5 eingestrahlt wird. Abweichend davon kann der elektromagnetische Heizstrahl 19 auch unter einem anderen Winkel eingestrahlt werden. Insbesondere kann der elektromagnetische Heizstrahl 19 auch kollinear zum elektromagnetischen Messstrahl 23 in die optische Probe 5 eingestrahlt werden.The
Zur Absorption des Anteils des elektromagnetischen Heizstrahls 19, der nicht in der optischen Probe 5 absorbiert wird, dient hier beispielhaft eine Strahlfalle 29.A
Bei der Messstrahlquelle 21 handelt es sich beispielhaft um einen Helium-Neon-Laser und der elektromagnetische Messstrahl 23 weist eine Wellenlänge von ca. 633 nm auf. Des Weiteren weist der elektromagnetische Messstrahl 23 eine Kohärenzlänge Ic auf, die ca. fünfzig Mal so groß ist wie die optische Weglänge dopt des elektromagnetischen Messstrahls 23 im optischen Resonator 7.The
Im Allgemeinen kann die Wellenlänge des elektromagnetischen Messstrahls 23 aber auch vom genannten Wert abweichen und die Messstrahlquelle 21 anders ausgebildet sein. Ferner kann der elektromagnetische Messstrahl 23 auch eine kürzere oder längere Kohärenzlänge aufweisen. Insbesondere kann die Kohärenzlänge Ic des elektromagnetischen Messstrahls 23 mindestens drei Mal, bevorzugt mindestens fünf Mal, besonders bevorzugt mindestens zehn Mal so groß sein wie die optische Weglänge dopt des elektromagnetischen Messstrahls 23 im optischen Resonator 7.In general, however, the wavelength of the
Außerdem ist hier beispielhaft, aber nicht notwendigerweise, eine Ausdehnung aM des elektromagnetischen Messstrahls 23 senkrecht zur Strahlrichtung mindestens drei Mal so groß wie eine Ausdehnung des elektromagnetischen Heizstrahls aH senkrecht zur Strahlrichtung.In addition, here, by way of example but not necessarily, an extent a M of the
Die dargestellte Detektoreinrichtung 25 umfasst einen CCD-Sensor mit einem zweidimensionalen Pixelarray und ermöglicht damit eine zweidimensional ortsaufgelöste Messung der Intensitätsverteilung I des aus dem optischen Resonator 7 austretenden elektromagnetischen Messstrahls 23'.The
Der Abstand d zwischen den zwei teildurchlässigen Spiegeln 9,9` kann anders als hier dargestellt auch so vorgegeben oder eingestellt werden, dass die Wegstrecke Ia, die der elektromagnetische Messstrahl 23 im optischen Resonator 7 außerhalb der optischen Probe 5 zurücklegt, höchstens 100 %, bevorzugt weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 25 % der Wegstrecke Ip beträgt, die der elektromagnetische Messstrahl 23 in der optischen Probe 5 zurücklegt.The distance d between the two partially
Zur Einstellung des Abstands d zwischen den beiden Spiegeln 9,9`, womit auch ein größerer Messbereich erzielt werden kann, kann eine geeignete, hier nicht dargestellte Einrichtung, beispielsweise auf Basis eines Piezoaktuators, eingesetzt werden, die ausgebildet ist, einen der beiden Spiegel 9,9` oder ggf. beide Spiegel 9,9` zu verschieben.To adjust the distance d between the two
In der
Im gezeigten Beispiel liegt ein Winkel α zwischen dem elektromagnetischen Messstrahl 23 und dem elektromagnetischen Heizstrahl 19 bei ca. 23°. Abweichend davon kann der Winkel α zwischen dem elektromagnetischen Messstrahl 23 und dem elektromagnetischen Heizstrahl 19 jedoch auch größer oder kleiner sein und insbesondere zwischen 0° und 20° liegen. Um ein Hindurchtreten des elektromagnetischen Heizstrahls 19 zu ermöglichen, weisen die beiden Spiegel 9,9` jeweils eine Öffnung 35,35' auf.In the example shown, an angle α between the
Das Einstrahlen des elektromagnetischen Heizstrahls 19 und des elektromagnetischen Messstrahls 23 wird in einer Gasatmosphäre G durchgeführt, die ein Inertgas IG und ein Edelgas EG enthält. Der optische Resonator 7 ist hierzu in einer gasdichten Kammer 37 angeordnet, die Öffnungen 39,39' bzw. Fenster für den elektromagnetischen Heizstrahl 19 und den elektromagnetischen Messstrahl 23,23` aufweist.The irradiation of the electromagnetic heating beam 19 and the
Bei dem Inertgas IG beziehungsweise dem Edelgas EG handelt es sich hier beispielhaft um Stickstoff beziehungsweise Argon, es kann sich dabei aber auch um andere Inertgase beziehungsweise Edelgase handeln. Es versteht sich, dass nicht zwingend ein Edelgas EG und ein Inertgas IG in der Gasatmosphäre G vorhanden sein müssen.The inert gas IG or the noble gas EG is here, for example, nitrogen or argon, but it can also be other inert gases or noble gases. It goes without saying that a noble gas EG and an inert gas IG do not necessarily have to be present in the gas atmosphere G.
Alternativ oder zusätzlich zum Vorhandensein eines Edelgases EG und/oder eines Inertgases in der Gasatmosphäre G kann das Einstrahlen des elektromagnetischen Heizstrahls 19 und des elektromagnetischen Messstrahls 23 bei einem elektromagnetischen Heizstrahl 19 im UV-Bereich oder DUV-Bereich bei einem Druck kleiner als 0,1 mbar und bei einem elektromagnetischen Heizstrahl 19 im EUV-Bereich bei einem Druck kleiner als 10-4 mbar erfolgen.Alternatively or in addition to the presence of a noble gas EG and/or an inert gas in the gas atmosphere G, the electromagnetic heating beam 19 and the
Schließlich ist hier anders als in der
Abweichend von der Darstellung kann auch im Fall einer optischen Probe 5 mit einem Schichtstapel 33 ein aufgeweiteter Messstrahl 23 eingesetzt werden.Deviating from the representation, an expanded
In der
Die zwei Seitenflächen 41,41' der optischen Probe 5 sind poliert. Ferner sind diese zwei Seitenflächen 41,41' parallel zueinander und senkrecht zum elektromagnetischen Messstrahl 23 ausgerichtet, was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muss.The two
Anders als in der
Auch in der
Der elektromagnetische Heizstrahl 19 und der elektromagnetische Messstrahl 23 treten kollinear zur vorgesehenen Propagationsrichtung 45 von in
Grundsätzlich müssen der elektromagnetische Heizstrahl 19 und der elektromagnetische Messstrahl 23 nicht kollinear zur vorgesehenen Propagationsrichtung 45 der elektromagnetischen Nutzstrahlung durch die optische Probe 5 hindurchtreten. Beispielsweise kann der elektromagnetische Messstrahl 23 auch senkrecht zur vorgesehenen Propagationsrichtung 45 der elektromagnetischen Nutzstrahlung durch die optische Probe hindurchtreten.Basically, the electromagnetic radiant heat 19 and the
Das Verfahren kann nun beispielsweise im Justageprozess der optischen Anordnung eingesetzt werden, um damit ermittelte Lensheatingeffekte zu korrigieren.The method can now be used, for example, in the adjustment process of the optical arrangement, in order to correct lens heating effects determined in this way.
Schließlich ist auch in der
In der
Das optische System 49 weist zwei optische Resonatoren 53,53' auf, in denen jeweils eines der optischen Elemente 51,51` angeordnet ist. Die in den optischen Resonatoren 53,53` angeordneten optischen Elemente 51,51' weisen polierte Seitenflächen 55,55' auf. Die optischen Resonatoren 53,53` weisen jeweils zwei Spiegel 57,57' auf, die hier beide beispielhaft, aber nicht notwendigerweise, teildurchlässig sind. Eines der optischen Elemente 51" ist hier beispielhaft nicht in einem optischen Resonator angeordnet.The
Das optische System 49 umfasst weiter zwei Messstrahlquellen 59,59`, zwei Detektoreinrichtungen 61,61' und zwei Auswerteeinrichtungen 63,63'.The
Die zwei Messstrahlquellen 59,59' dienen zur Emission jeweils eines elektromagnetischen Messstrahls 65,65' und sind ausgebildet, den jeweiligen elektromagnetischen Messstrahl 65,65' in jeweils einen der optischen Resonatoren 53,53' einzustrahlen, wobei durch vielfache Reflexion an den Spiegeln 57,57' der jeweilige elektromagnetische Messstrahl 65,65' vielfach durch das jeweilige optische Element 51,51' hindurchtritt.The two
Die zwei Detektoreinrichtungen 61,61' dienen zur ortsaufgelösten Messung der jeweiligen Intensitätsverteilung I des aus dem jeweiligen optischen Resonator 53,53' austretenden elektromagnetischen Messstrahls 67,67'.The two
Die zwei Auswerteeinrichtungen 63,63' dienen zur Bestimmung jeweils einer Phasenverschiebungs-Verteilung φ aus der jeweiligen Intensitätsverteilung I des aus dem jeweiligen optischen Resonator 53,53' austretenden elektromagnetischen Messstrahls 67,67'.The two
Anders als hier dargestellt können der optische Resonator 53,53`, die Messstrahlquelle 59,59`, die Detektoreinrichtung 61,61' und die Auswerteeinrichtung 63,63' oder Teile davon auch in Fassungen oder Halterungen des jeweiligen optischen Elements 51,51 ` integriert sein. Vorzugsweise bilden der optische Resonator 53,53`, die Messstrahlquelle 59,59`, die Detektoreinrichtung 61,61' und die Auswerteeinrichtung 63,63' oder Teile davon eine Vorrichtung 1 zur Verwendung mit dem optischen System 49, insbesondere dem Lithografiesystem. Auch können die zwei Spiegel 57 des optischen Resonators 53 direkt auf den polierten Seitenflächen 55 (also ohne Luftspalt) aufgebracht sein. Das optische System kann des Weiteren auch eine andere Zahl an optischen Elementen, optischen Resonatoren, Messstrahlquellen, Detektoreinrichtungen und Auswerteeinrichtungen aufweisen. Ferner kann durch vielfache Reflexion an den Spiegeln 57,57' der jeweilige elektromagnetische Messstrahl 65,65` an Stelle eines vielfachen Durchtritts vielfach von dem optischen Element 51,51' reflektiert werden. Auch können mehr als zwei optische Elemente 51,51' des optischen Systems 49 in jeweils einem optischen Resonator 53,53` angeordnet sein. In jedem der optischen Resonatoren 53,53` kann auch mehr als ein optisches Element 51,51' angeordnet sein. Bevorzugt sind gerade die optischen Elemente in einem optischen Resonator angeordnet, deren Zustand von besonderem Interesse ist. Das Messsystem kann beispielsweise hochgenau Absorptionsänderungen an strategischen Positionen im System über die Lebenszeit messen.In contrast to what is shown here, the
Die zwei Messstrahlquellen 59,59' des optischen Systems 49 sind ausgebildet, jeweils einen elektromagnetischen Messstrahl 65,65` zu emittieren, der eine Kohärenzlänge Ic aufweist, die fünfzig Mal so groß ist wie die optische Weglänge dopt des elektromagnetischen Messstrahls 65,65` im jeweiligen optischen Resonator 53,53'. Abweichend davon kann die Kohärenzlänge Ic der elektromagnetischen Messstrahlen 65,65' jedoch auch größer oder kleiner sein.The two
Weiter umfasst das optische System 49 beispielhaft, aber nicht notwendigerweise, eine Einrichtung 69 zur Einstellung des Abstands d zwischen den zwei Spiegeln 57 des ersten optischen Resonators 53, die einen hier nicht dargestellten Piezoaktuator aufweist und ausgebildet ist, einen der zwei Spiegel 57 zu verschieben. Abweichend davon kann die Einrichtung 69 zur Einstellung des Abstands d zwischen den zwei Spiegeln 57 auch anders ausgebildet sein. Ferner kann eine entsprechende Einrichtung auch für mehrere, alle oder keinen der optischen Resonatoren 53,53' vorgesehen sein. The
Das optische System umfasst weiter eine Nutzstrahlungsquelle 71 zur Emission von elektromagnetischer Nutzstrahlung 73, die entlang einer Propagationsrichtung 75 durch die optischen Elemente 51,51',51" hindurchtritt. Die elektromagnetische Nutzstrahlung 73 dient bei dem hier beschriebenen Beispiel, bei dem es sich bei dem optischen System um ein Lithographiesystem handelt, zur Belichtung eines Wafers 77, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.The optical system further includes a
Außerdem umfasst das optische System 49 eine Überwachungseinrichtung 79 zur Überwachung des im ersten optischen Resonator 53 angeordneten optischen Elements 51 anhand eines aus der Phasenverschiebungs-Verteilung φ abgeleiteten Überwachungsparameters U. Bei dem Überwachungsparameter U handelt es sich hier um einen Überwachungsparameter in Form einer Absorptionseigenschaft, genauer gesagt eines Volumenabsorptionskoeffizienten k des optischen Elements 51 für die Ein-Photonen-Absorption, es kann sich dabei jedoch grundsätzlich auch um einen anderen Überwachungsparameter, beispielsweise auch um eine optische Weglänge bzw. um deren Veränderung handeln. Die Bestimmung des Überwachungsparameters U erfolgt wie oben beschrieben über einen Vergleich der Phasenverschiebungs-Verteilung φ mit einer Referenz, genauer gesagt mit einer Referenz-Phasenverschiebungs-Verteilung φR.In addition, the
Die Überwachungseinrichtung 79 ist ausgebildet, den Überwachungsparameter U mit einem Referenzwert UR zu vergleichen. Bei dem Referenzwert UR handelt es sich hier um einen Schwellwert. Über eine Ausgabeeinrichtung 81 wird eine Benachrichtigung an einen Benutzer ausgegeben, wenn der Überwachungsparameter U den Referenzwert UR überschreitet. Dies dient hier beispielhaft dazu, den Benutzer frühzeitig vor einem bevorstehenden Ausfall des optischen Elements 51 zu warnen. Alternativ können auch andere Abweichungen des Überwachungsparameters U von dem Referenzwert UR zu einer Benachrichtigung des Benutzers führen.The
Außerdem kann die Überwachungseinrichtung 79 auch ausgebildet sein, den Überwachungsparameter U mit mehr als einem Referenzwert UR zu vergleichen. Bei dem mindestens einen Referenzwert UR kann es sich insbesondere auch um mindestens einen Wert des Überwachungsparameters U zu mindestens einem zurückliegenden Zeitpunkt handeln. Ferner kann die Überwachung durch die Überwachungseinrichtung 79 auch anhand mehrerer Überwachungsparameter U erfolgen. Die Überwachungseinrichtung 79 kann außerdem auch ausgebildet sein, mehr als ein optisches Element zu überwachen. Auch kann das optische System 49 mehr als eine Überwachungseinrichtung aufweisen.In addition, the
Alternativ oder zusätzlich kann das optische System 49 auch mindestens eine hier nicht dargestellte Steuerungseinrichtung zur Beeinflussung einer Wellenfront der elektromagnetischen Nutzstrahlung 73 in Abhängigkeit von der mittels der Auswerteeinrichtung 63,63' bestimmten Phasenverschiebungs-Verteilung φ aufweisen.Alternatively or additionally, the
In der
Mittels eines solchen Zusammenhangs kann aus der Intensitätsverteilung I des aus dem optischen Resonator 5 austretenden elektromagnetischen Messstrahls 23' der Absorptionskoeffizient k der optischen Probe 5 bestimmt werden. Such a relationship can be used to determine the absorption coefficient k of the
Wie z.B. in dem Buch „Optik“ von E. Hecht, 4. Auflage, Oldenbourg Verlag, Kapitel 9.6 beschrieben, das durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird, ergibt sich der Transmissionsgrad It/I0 eines optischen Resonators 7 in Form eines Fabry-Perot-Interferometers aus der Gleichung
Der Transmissionsgrad 1t/I0 durchläuft folglich Maxima, wenn der Phasenunterschied φ ein Vielfaches von 2π beträgt, d.h. wenn φ = 2π · m mit m = 1,2,3, .... gilt.The
Die Halbwertsbreite γ der Maxima ist gegeben durch
Die Halbwertsbreite y wird kleiner, je mehr sich der Reflexionsgrad, R, eins annähert. Dies bedeutet, dass die Maxima umso schärfer werden, je höher der Reflexionsgrad R der Spiegel ist.The FWHM, y, decreases as the reflectance, R, approaches unity. This means that the maxima become sharper the higher the reflectance R of the mirror.
Betrachtet man nun eine optische Probe 5 mit planparallelen Seitenflächen, die senkrecht zum elektromagnetischen Messstrahl 23 ausgerichtet und die in dem optischen Resonator 7 in Form eines Fabry-Perot-Interferometers angeordnet ist, wie dies beispielsweise in
Auch für diesen Zusammenhang kann eine Halbwertsbreite k1/2 der Maxima angegeben werden, die in der
Aus der Halbwertsbreite k1/2 kann auch das Auflösungsvermögen ermittelt werden. Unter der konservativen Annahme einer Messung der Intensität mit 10 Bit oder ca. 1000 Stufen erhält man für die Auflösung bei der Bestimmung der Absorption ca. Δk ≈ k1/2/500.The resolving power can also be determined from the half-width k 1/2 . Under the conservative assumption of measuring the intensity with 10 bits or approx. 1000 steps, the resolution when determining the absorption is approx. Δk ≈ k 1/2/500 .
Nachfolgend werden beispielhaft konkrete Zahlenwerte angegeben, die für eine optische Probe 5 aus Quarzglas gelten: Der Brechungsindex n der optischen Probe 5 wird mit n ≈ 1,46008 angenommen, für die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Temperatur gilt: dn/dT ≈ 1,02 · 10-5K-1, der Reflexionsgrad R jedes Spiegels 9, 9' liegt bei R = 0,98, der Abstand d zwischen den beiden Spiegeln 9,9` liegt bei d = 0,05 m und eine Abmessung der optischen Probe 5 senkrecht zum elektromagnetischen Messstrahl 23 liegt bei Ip =0,04 m. Der elektromagnetische Heizstrahl 19 wird mit einer Leistung von 1 W bei einer Wellenlänge von 193 nm eingestrahlt und eine Wellenlänge des elektromagnetischen Messstrahls 23 liegt bei 546,07 nm.In the following, specific numerical values are given as examples that apply to an
Mit den genannten Zahlenwerten erhält man: k1/2 ≈ 6 · 10-5cm-1; D ≈ 1,8 · 10-4cm-1 und Δk ≈ 1,2 · 10-7cm-1. In diesem Beispiel ist das Auflösungsvermögen damit mehr als einen Faktor 1000 besser als das typische Auflösungsvermögen photothermischer Verfahren (ca. 2 · 10-4cm-1).With the stated numerical values one obtains: k 1/2 ≈ 6 · 10 -5 cm -1 ; D ≈ 1.8 10 -4 cm -1 and Δk ≈ 1.2 10 -7 cm -1 . In this example, the resolving power is more than a factor of 1000 better than the typical resolving power of photothermal processes (approx. 2 · 10 -4 cm -1 ).
Der Absorptionskoeffizient k wird im weiter oben beschriebenen Beispiel für einen Ort x, y der Intensitätsverteilung I bestimmt. Die zugehörige Phasenverschiebung φ bezieht sich daher auf die Phasenverschiebungs-Verteilung φ(x,y) an dem zugehörigen Ort x,y der Intensitätsverteilung I(x,y). Zur Vereinfachung der Darstellung wurde in der obigen Beschreibung die Abhängigkeit der Phasenverschiebungs-Verteilung φ und der Intensitätsverteilung I vom jeweiligen Ort x,y nicht angegeben.The absorption coefficient k is determined for a location x, y of the intensity distribution I in the example described above. The associated phase shift φ therefore relates to the phase shift distribution φ(x,y) at the associated location x,y of the intensity distribution I(x,y). To simplify the presentation, the dependency of the phase difference was in the above description exercise distribution φ and the intensity distribution I from the respective location x,y not specified.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die optische Probe 5 mit dem elektromagnetischen Messstrahl 23 abgerastert werden, um die Intensitätsverteilung I und somit auch die Phasenverschiebungs-Verteilung φ an unterschiedlichen Orten x,y der Intensitätsverteilung I zu bestimmen. Auf diese Weise kann auch der Absorptionskoeffizient k an unterschiedlichen Orten der Intensitätsverteilung I und somit an unterschiedlichen Positionen bestimmt werden, an denen der elektromagnetische Messstrahl 23 die optische Probe 5 durchläuft.As described above, the
Wie weiter oben beschrieben wurde, wird die Phasenverschiebungs-Verteilung φ an einem jeweiligen Ort mit einer Referenz-Phasenverschiebung φR ohne den Einfluss des elektromagnetischen Messstrahls 23 verglichen, um eine zeitliche Veränderung, im gezeigten Beispiel eine Differenz dφ = φ - φR der Phasenverschiebungs-Verteilung φ beim Einstrahlen des elektromagnetischen Messstrahls 23 zu bestimmen. Die zeitliche Veränderung dn des Brechungsindex n des optischen Probe 5 kann analog zur weiter oben beschriebenen zeitlichen Veränderung des Absorptionskoeffizienten k erfolgen.As described above, the phase shift distribution φ at a respective location is compared with a reference phase shift φ R without the influence of the
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent Literature Cited
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B. Schäfer et al., Opt. Express 17, 23025 [0009, 0033]B. Schäfer et al., Opt.
Express 17 , 23025 [0009, 0033] - B.Schäfer et al., Opt. Express 18, 21534 [0010]B. Schäfer et al., Opt. Express 18, 21534 [0010]
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