用于确定光学系统中光学元件的加热状态的方法和装置与流程

用于确定光学系统中光学元件的加热状态的方法和装置
1.本技术要求2021年1月19日提交的德国专利申请de 10 2021 100 995.2的优先权。该de申请的内容通过引用结合在本技术文本中
技术领域
2.本发明涉及一种用于确定光学系统中、特别是微光刻投射曝光设备中的光学元件的加热状态的方法和装置。


背景技术：

3.微光刻用于生产微结构部件，例如集成电路或液晶显示器。微光刻工艺在所谓的投射曝光设备中进行，该投射曝光设备具有照明装置和投射镜头。在这种情况下，通过照明装置照明的掩模(＝掩模母版)的图像通过投射镜头投射到衬底(例如硅晶片)上，该衬底涂覆有光敏层(光致抗蚀剂)并布置在投射镜头的像平面中，从而将掩模结构转印到衬底的光敏涂层上。
4.在设计用于euv范围的投射镜头中，也就是说在例如大约13nm或大约7nm的波长处，由于缺乏可用的适当透光折射材料，反射镜被用作成像过程的光学部件。实践中出现的一个问题是，除了其他原因之外，由于吸收了euv光源发射的辐射，euv反射镜变热并经历相关的热膨胀或变形，这又会对光学系统的成像特性产生负面影响。
5.考虑到这种效应的一种已知方法是使用具有超低热膨胀的材料(“超低膨胀材料”)作为反射镜衬底材料，例如由康宁公司(corning inc.)出售的名为ule
tm
的硅酸钛玻璃，并且在光学有效表面附近的区域中设定所谓的零交叉温度。例如对于ule
tm
来说，该零交叉温度位于大约θ＝30℃处，在该零交叉温度下，热膨胀系数在其温度依赖性中具有零交叉点，在该零交叉点附近，反射镜衬底材料不发生热膨胀或者仅发生可忽略的热膨胀。
6.然而，实践中，在此出现的问题是，在微光刻投射曝光设备的操作期间，euv反射镜暴露于入射电磁辐射的变化的强度，特别是局部地(因为例如使用了强度在各个euv反射镜的光学有效表面上变化的照明设置)并且暂时地变化的强度，其中，相关的euv反射镜通常特别是在微光刻曝光过程开始时、从相对较低的温度变热至光刻过程中达到的其操作温度。
7.在此并且在下文中，“照明设置”被理解为意指光学系统的光瞳平面中的强度分布。微光刻投射曝光设备中设定的典型照明设置例如是偶极照明设置或四极照明设置。
8.克服上述问题、特别是避免由输入到euv反射镜中的变化的热量引起的表面变形和与这种变形相关的光学像差的方法包括：例如，主动冷却或使用预热器(在euv使用辐射的相对较低的吸收阶段使用这种预热器能够实现主动反射镜加热，并且该加热能够随着euv使用辐射的吸收的增加而相应地减少)。
9.为了保持反射镜温度尽可能恒定(通常是上述零交叉温度)，对这种预热器的操作进行闭环控制，这需要知道在每种情况下入射到相关反射镜上的辐射功率，从而允许相应地调整预热功率。为此(除了红外相机之外，由于安装空间的原因，红外相机并不总是实用
的)，通常可以将温度传感器附接在距相应反射镜的光学有效表面适当距离处的反射镜的背面。
10.然而，实际上，在这种情况下会出现另一个问题，即：如果在反射镜的体积上设置的三维温度分布在空间上不均匀，则由这种温度传感器测量的温度值敏感地依赖于相应的传感器位置。
11.图5a-5d示出了说明该问题的示意图，其中，反射镜形式的光学元件的光学有效表面用“501”表示，温度传感器用“520”表示。此外，“ts”表示由温度传感器520测量的温度，而“t”是入射表面501处寻求的平均温度。在每种情况下，阴影线表示在光学元件内是假设均匀的温度分布还是不均匀的温度分布。
12.只有在根据图5a的均匀的温度分布的情况下，由温度传感器520测量的温度ts才对应于入射表面501处寻求的平均温度t，而与传感器位置无关。在光学元件内不均匀的温度分布的情况下，温度传感器520提供“不正确”的值，也就是偏离入射表面501处寻求的平均温度t的值ts，其中，特别地根据图5b将温度传感器520放置在不均匀的温度分布的最小值附近会导致测量温度ts与实际温度t相比过低，而根据图5c将温度传感器520放置在不均匀的温度分布的最大值附近会导致测量温度ts过高。
13.在这种情况下，图5a-5c仅显示了该问题的简化二维视图。如图5d所示，温度传感器位置实际上具有三个自由度，这使得在光学元件内不均匀的温度分布的情况下，更难得出关于入射表面501处寻求的平均温度t的结论。
14.例如在前述预热概念中使用的情况下，基于由一个或多个温度传感器测量的温度而不正确地确定加热状态会导致相应的闭环控制做出不适当的反应，因此无法对预热功率进行适当调节。这又会导致热致变形、由此产生的光学像差以及光学系统或投射曝光设备的成像特性的相关损害。


技术实现要素：

15.本发明的一个目的是提供一种用于确定光学系统中、特别是微光刻投射曝光设备中的光学元件的加热状态的方法和装置，其允许对加热状态进行更可靠的、基于温度传感器的表征。
16.这个目的通过根据独立专利权利要求1的特征的方法和根据替代的独立专利权利要求16的特征的装置来实现。
17.本发明涉及一种用于确定光学系统中、特别是微光刻投射曝光设备中的光学元件的加热状态的方法，其中，在光学系统的操作期间，电磁辐射入射到光学元件的入射表面上。
18.其中，使用校准参数、基于使用至少一个温度传感器执行的温度测量来估计入射表面处存在的平均温度，该至少一个温度传感器被布置在距入射表面一定距离处；并且
19.其中，根据光学系统中设定的照明设置来不同地选择该校准参数。
20.本发明特别基于如下概念，例如基于在光学元件的不同位置处测量的温度值，但不仅仅基于所寻求的表面温度与基于传感器的测量温度之间的单一关系(该关系对于所有可能的应用场景都是相同的，并且在这种意义上是固定的)，而是通过选择不同的校准参数来估计诸如反射镜的光学元件的所寻求的表面温度，该校准参数用于基于相应的应用场
景、特别是基于光学系统中设定的照明设置来转换在温度测量期间确定的测量值。
21.根据本发明，为了避免开头描述的问题以及与加热状态的不正确确定相关联的问题(特别是基于加热状态的确定而控制的预热功率的潜在不适当调节)，有意地接受了可能伴随更复杂的校准的更大努力。
22.根据本发明的校准的具体实施方式可以以不同的方式进行，如在下文中更详细描述的，尤其可以使用关于光学系统或光学元件的热行为的现有知识，以用于预定的参考照明设置。
23.根据一个实施例，因此基于先前为参考照明设置而确定的参考校准参数来确定用于光学系统中当前设定的照明设置的校准参数。
24.根据一个实施例，基于光学系统中当前设定的照明设置的变量的至少一次测量或模拟来确定校准参数，所述变量取决于光学元件的热状态。
25.根据一个实施例，取决于光学元件的热状态的该变量是在光学系统的操作期间、在相对于光路位于光学元件下游的平面中生成的强度分布。在这种情况下，本发明可以特别利用如下事实，例如在投射曝光设备中，在操作期间，晶片平面区域中的强度设置通常在任何情况下都是使用存在于那里的强度传感器来测量的，并且因此该信息通常已经是可获得的并且可以用于根据本发明的校准。
26.根据另一实施例，取决于光学元件的热状态的该变量是在光学系统的操作期间、在相对于光路位于光学元件下游的平面中生成的波前。在这种情况下，本发明可以特别利用如下事实，基于光学设计知识和本身已知的层析成像方法的应用，该波前确定可以用于得出关于光学元件变化(特别是其热致变形)的结论。在这种情况下，例如可参考de 10 2019 213 233 a1。
27.根据一个实施例，还考虑温度传感器距入射表面的距离来确定校准参数。
28.换句话说，与传感器距入射表面的距离相关的几何信息在此被用作根据本发明的校准的附加信息。如下文所述，这又可以与时间分辨的温度测量结合使用，特别是在光学系统已经投入运行之后立即实现光学元件或反射镜的加热状态的相对可靠的表征，并且例如当用于上述预热概念时，可靠地保护光学元件免于已经在启动阶段的热致变形。
29.根据一个实施例，因此使用温度传感器重复执行温度测量，从而确定时间曲线。
30.根据一个实施例，温度传感器布置在从光学元件背离入射表面的一侧延伸到光学元件中的接入通道中。
31.根据一个实施例，所估计的平均温度被用作输入信号，该输入信号用于对表征光学元件和/或光学系统的至少一个参数进行闭环控制。
32.根据一个实施例，基于所估计的平均温度来控制光学元件的预热，从而至少部分地补偿光学元件的加热状态在光学系统的操作期间随时间发生的变化。
33.根据一个实施例，光学元件是反射镜。
34.根据一个实施例，光学元件被设计用于小于30nm、特别是小于15nm的工作波长。
35.根据一个实施例，光学系统是微光刻投射曝光设备。
36.根据一个实施例，根据投射曝光设备中使用的掩模母版来不同地选择校准参数。
37.根据一个实施例，在微光刻投射曝光设备的操作期间执行上述步骤。
38.本发明还涉及一种用于确定光学系统中、特别是微光刻投射曝光设备中的反射镜
的加热状态的装置，其中，该装置被配置成执行具有上述特征的方法。关于该装置的优点和优选配置，可参考与根据本发明的方法相关的上述解释。
39.根据说明书和从属权利要求，本发明的其他实施例是显而易见的。
40.下面基于附图中示出的示例性实施例更详细地解释本发明。
附图说明
41.在附图中:
42.图1示出了被设计用于在euv中操作的微光刻投射曝光设备的可能结构的示意图；
43.图2示出了通过举例的方式示出由不同照明设置引起、并且在根据本发明的方法中被确定和使用的校准参数的不同时间曲线的图表；
44.图3示出了与光学元件表面处的实际平均温度相比、不同传感器位置的相应测量信号的时间曲线的示意图；
45.图4示出了用于解释反射镜的可能结构的示意图，利用该反射镜可以以示例性方式实现根据本发明的方法；和
46.图5a-5d示出了用于解释在用于确定反射镜的热状态的传统方法中遭遇的问题的示意图。
具体实施方式
47.图1示出了投射曝光设备1的示意图，该投射曝光设备1被设计用于在euv中操作，并且在该投射曝光设备1中，本发明可以通过示例的方式实现。投射曝光设备1的基本结构及其部件的描述不应被解释为限制于此。
48.投射曝光设备1的照明系统2的一个实施例除了光源或辐射源3外还具有照明光学单元4，用于照明物平面6中的物场5。在替代实施例中，光源3也可以作为与照明系统的其余部分分离的模块来提供。在这种情况下，照明系统不包括光源3。
49.在此，布置在物场5中的掩模母版7被曝光。掩模母版7由掩模母版支架8保持。掩模母版支架8可以通过掩模母版位移驱动器9而移位，特别是在扫描方向上移位。为了说明的目的，在图1中示出了笛卡尔xyz坐标系。x方向垂直于图纸平面延伸。y方向水平延伸，z方向垂直延伸。扫描方向沿图1中的y方向延伸。z方向垂直于物平面6延伸。
50.投射镜头10用于将物场5成像到像平面12中的像场11中。掩模母版7上的结构被成像到晶片13的光敏层上，晶片13被布置在像平面12中的像场11的区域中。晶片13由晶片支架14保持。晶片支架14可通过晶片位移驱动器15而移位，特别是相对于y方向纵向地移位。掩模母版7通过掩模母版位移驱动器9的移位和晶片13通过晶片位移驱动器15的移位可以实现为相互同步。
51.辐射源3是euv辐射源。辐射源3尤其发射euv辐射，其在下文中也称为使用辐射或照明辐射。特别地，使用辐射具有在5nm和30nm之间的范围内的波长。辐射源3可以是例如等离子体源、基于同步加速器的辐射源或自由电子激光器(fel)。从辐射源3发出的照明辐射16被集光器17聚焦，并且通过中间焦平面18中的中间焦点传播到照明光学单元4中。照明光学单元4包括偏转镜19，以及设置在光路中偏转镜19下游的第一分面镜20(具有示意性示出的分面21)和第二分面镜22(具有示意性示出的分面23)。
52.投射镜头10包括多个反射镜mi(i＝1，2，
…
)，这些反射镜根据它们在投射曝光设备1的光路中的布置而顺序编号。在图1所示的例子中，投射镜头10包括六个反射镜m1至m6。具有四个、八个、十个、十二个或任何其他数量的反射镜mi的替代方案同样是可能的。倒数第二个反射镜m5和最后一个反射镜m6分别具有用于照明辐射16的通孔。投射镜头10是双重遮蔽的光学单元。投射镜头10的像侧数值孔径大于0.5，也可以大于0.6，例如可以是0.7或0.75。
53.在微光刻投射曝光设备1的操作期间，入射到反射镜的光学有效表面上的电磁辐射被部分地吸收，并且如引言中所解释的，导致了加热和相关的热膨胀或变形，这又会导致光学系统的成像特性的损害。现在可以通过合适的校正装置(例如预热器)来适当地控制反射镜的温度。
54.参照图2至图4，下面将描述根据本发明的方法的实施例，该方法用于相应地估计所讨论的反射镜的加热状态，并可能用于相应地控制合适的校正装置，例如预加热器。根据本发明的用于确定加热状态的概念在这里可以特别有利地应用于图1中微光刻投射曝光设备1的任何期望的反射镜。
55.图4以纯粹的示意图示出了温度传感器420在反射镜形式的光学元件400处的可能布置。根据图4(然而，本发明不限于此)，温度传感器420位于钻孔中，该钻孔作为接入通道411而从反射镜的背面引入到反射镜的衬底410中。“405”表示反射层系统，“401”表示用于电磁辐射的反射镜的光学有效表面或入射表面。
56.下面描述的实施例的共同点在于，对于光学系统中的所有使用场景或操作状态，用于根据基于传感器的温度测量来估计光学元件或反射镜的入射表面上存在的平均温度的校准参数并不被选择为是常数并且固定的，而是根据光学系统中当前设定的照明设置(可能还取决于在每种情况下使用的掩模母版)来不同地选择。如果所述校准参数用“q”表示，光学元件或反射镜的入射表面处寻求的平均温度用“t”表示，并且借助于传感器测量的温度用“ts”表示，则适用以下公式:
57.t＝q
·
tsꢀꢀꢀꢀ(i)58.根据第一实施例，可以基于先前为参考照明设置确定的参考校准参数来确定光学系统中当前设定的照明设置的校准参数。在这种情况下，如果最初将单个时间点发生的单次温度测量作为起始点，并且如果假设在入射表面处寻求的平均温度t和相关的基于传感器的测量温度ts对于所述参考照明设置是已知的，则该参考照明设置(对应于预先已知的使用场景)和光学系统中当前设定的照明设置(对应于未知的使用场景)可以彼此相关，如下文所述，其中，例如，可以针对两种使用场景使用掩模母版后方的合成功率。
59.如果用于参考照明设置或预先已知的使用场景的该功率由表示，并且用于当前设定的照明设置或未知的使用场景的该功率由表示，则在线性关系的假设前提下出现以下情况:
[0060][0061]
这导致当前设定的照明设置或未知的使用场景的校准参数如下:
[0062][0063]
因此，根据当前设定的照明设置或使用场景，会出现不同的校准参数qu。
[0064]
就此而言，图2仅示出了针对三种不同使用场景(分别由uc1、uc2和uc3表示)的校准参数qu的示例性可能时间曲线。对于使用场景uc1，校准参数的值始终为qu《1。对于使用场景uc2，校准参数qu的值仅在光学系统已经投入运行之后的相对短的时间段内偏离值1。在使用场景uc3中，qu《1适用于相对较短的时间，qu》1适用于相对较长的时间，并且校准参数qu(对应于“过冲”)在中等时间尺度上暂时相对猛烈地增加。
[0065]
在本发明的实施例中，也可以用至少一个温度传感器420执行温度测量，以确定时间曲线。由此，可以考虑以下事实：根据温度传感器的位置，在光学元件或反射镜的入射表面上发生的温度变化在温度传感器上以不同的快速度变得“可见”，也就是说，相应的温度传感器延迟地“看到”所述温度变化。
[0066]
为此，图3示出了与光学元件的入射表面处的实际平均温度相比、针对两个不同的传感器位置绘制的相应测量信号的时间曲线的图表。根据图3，例如在光学系统开启之后，入射表面处寻求的平均温度t立即上升，而位于距入射表面不同距离处的传感器传递相应延迟的测量信号。使用如下的热传导方程：
[0067][0068]
利用热导率和源例如，在简化的边界条件下(例如，假设具有平行于xy平面的表面的无限大的光学元件，并且假设光负载是均匀的)，可以指定相应的基于传感器的测量温度ts与温度传感器距入射表面的距离rz的以下相关性(仅作为分析关系的示例，本发明不限于此):
[0069][0070]
其结果是，由温度传感器根据其位置测量的温度ts因此可以被确定为是时间的函数并用于确定校准参数，从而用于光学元件或反射镜的加热状态的可靠表征，并且在开启光学系统之后立即用于上述启动阶段。
[0071]
在进一步的实施例中，可以执行校准参数qu的数值确定，在这种情况下，除了知晓当前使用的照明设置和掩模母版外，还使用尽可能真实的光学系统模型作为基础。在此基础上，可以预测光学元件中的温度分布设置，并且可以计算温度传感器将在其相应位置测量的温度ts。基于此，可以使用公式(1)来确定校准参数qu。
[0072]
如果当前使用的照明设置不是具体已知的，也可以从先前创建的照明设置库(查找表)中选择最接近期望设置或当前使用的照明设置的照明设置。
[0073]
在进一步的实施例中，温度测量或温度模拟可以由波前测量或波前模拟代替，从而使用波前(例如，在晶片平面的区域中确定的波前)来得出关于光学元件或反射镜中的热
变化的结论。在这种情况下，也可以通过将基于测量的波前确定的变形与预先计算的照明设置的变形进行比较来对当前使用的照明设置进行分类，从而以这种方式确定校准参数qu。
[0074]
尽管已经基于具体实施例描述本发明，但是对于本领域技术人员来说，许多变化和替代实施例将是显而易见的，例如通过各个实施例的特征的组合和/或交换。因此，对于本领域技术人员来说，不言而喻的是，这种变化和替代实施例同时包含在本发明中，并且本发明的范围仅限制在所附专利权利要求及其等同物的含义内。

技术特征：
1.一种用于确定光学系统中、特别是微光刻投射曝光设备中的光学元件的加热状态的方法，其中，在所述光学系统的操作期间，电磁辐射入射到所述光学元件(400)的入射表面(401)上，-其中，使用校准参数、基于使用至少一个温度传感器(420)执行的温度测量来估计所述入射表面(401)处存在的平均温度，所述至少一个温度传感器(420)被布置在距所述入射表面(401)一定距离处；并且-其中，根据所述光学系统中设定的照明设置来不同地选择所述校准参数。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校准参数是基于先前为参考照明设置确定的参考校准参数来确定的。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述校准参数是基于所述光学系统中当前设定的所述照明设置的变量的至少一次测量或模拟来确定的，所述变量取决于所述光学元件(400)的热状态。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，取决于所述光学元件(400)的热状态的所述变量是在所述光学系统的操作期间、在相对于光路位于所述光学元件(400)下游的平面中生成的强度分布。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，取决于所述光学元件(400)的热状态的所述变量是在所述光学系统的操作期间、在相对于光路位于所述光学元件(400)下游的平面中生成的波前。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还考虑所述温度传感器(420)距所述入射表面(401)的距离来确定所述校准参数。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用所述温度传感器(420)重复执行温度测量，以便确定时间曲线。8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述温度传感器(420)被布置在从所述光学元件(400)背离所述入射表面(401)的一侧延伸到所述光学元件(400)中的接入通道(411)中。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所估计的平均温度被用作输入信号，所述输入信号用于对表征所述光学元件(400)和/或所述光学系统的至少一个参数进行闭环控制。10.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，基于所估计的平均温度来控制所述光学元件(400)的预热，从而至少部分地补偿所述光学元件(400)的加热状态在所述光学系统的操作期间随时间发生的变化。11.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述光学元件(400)是反射镜。12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述光学元件(400)被设计用于小于30nm、特别是小于15nm的工作波长。13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述光学系统是微光刻投射曝光设备。14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据投射曝光设备中使用的掩模母版来不同地选择所述校准参数。15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在所述微光刻投射曝光设备的操作期
间估计所述平均温度。16.一种用于确定光学系统中、特别是微光刻投射曝光设备中的反射镜的加热状态的装置，其特征在于，所述装置被配置成执行如前述权利要求中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种用于确定光学系统中、更具体地说是微光刻投射曝光系统中的光学元件的加热状态的方法和装置，其中，在光学系统的操作期间，电磁辐射撞击光学元件(400)的入射表面(401)，其中，通过使用校准参数，基于通过位于距入射表面(401)一定距离处的至少一个温度传感器(420)执行的温度测量来估计入射表面处的平均温度，并且其中，根据光学系统中设定的照明设置来不同地选择所述校准参数。照明设置来不同地选择所述校准参数。照明设置来不同地选择所述校准参数。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：卡尔蔡司SMT有限责任公司
技术研发日：2021.10.22
技术公布日：2023/8/31