CN103562797A - 光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体光刻的投射曝光设备的光学元件，包括光学作用表面(9)和用于冷却光学元件的至少一个冷却部件，其中，所述冷却部件连接到至少两个分离的冷却回路，并实施为使得所述光学作用表面(9)可以在至少一个部分区域中比在另一部分区域中以更大的程度被冷却。本发明还涉及一种包括根据本发明的光学元件的投射曝光设备。

Description

光学元件

技术领域

本发明涉及具有至少一个光学作用表面(optically active surface)的光学元件。在该情况下，该光学元件尤其可以是用于半导体光刻的EUV照明系统中的光学单独部件，例如偏转镜。同样地，光学元件还可以由一个或多个光学单独部件构成。举例来说，在下文中，由反射镜承载体(mirror carryingbody)和许多单独反射镜分面组成的分面反射镜同样地称为光学元件。

背景技术

提到的光学元件通常安装在较大单元中，例如EUV照明系统。在该情况下，光学元件是三维几何体，其通常由多个表面定界，并用于实现一个或多个光学功能，比如电磁辐射的偏转或其它操控。根据光束路径，电磁辐射至少照到光学元件的一个表面，其中，所述表面在此称为光学作用表面。光学作用表面可以细分为多个部分表面，其部分剖面(section)可以为凸面或凹面弯曲，并且还可包含如在衍射光学结构中常见的形貌突变(topographyjump)。光学作用表面可总是存在于光学元件的表面上，其中，光学作用表面尤其还可由多层组成，及/或可包括其它涂层，比如还有吸收层。单独光学元件可由不同材料构成，及/或通常还具有不同部件几何形状。此外，在照明系统操作期间，可设定不同照明设定，比如环形设定、双极、四极或一些其它多极设定，或者还有类星体(quasar)或Cquad设定。这样的结果是，取决于照明设定，电磁辐射以局部不同的强度照到在光学元件上。此外，在此在所关注的一些光学元件中施加局部不同的吸收层。所述吸收层用于在EUV辐射在这些光学元件上反射之后，获得反射辐射的清晰的空间解析强度分布(defined spatially resolved intensity distribution)。取决于吸收的EUV辐射的数量，在光学元件处的能量输入可以局部地不同。在照明系统操作期间，来自其它光学元件或来自机械部件的IR辐射另外还可照到在所关注的光学元件上，并在此可被全部或部分地吸收。例如，IR辐射还可源自先前已吸收EUV辐射的加热部件，比如所谓的∑光阑(sigma diaphragm)。因此，大体来说，在光学元件的光学作用表面上可出现局部不同的热分布。特别地，即使在均匀或对称能量输入的情况下，当例如电磁辐射的吸收特性在部件上的空间解析方式不同时，也会发生非对称局部热分布。在照明系统操作期间，在未冷却情况下的一些实例中，在光学元件上可出现自100℃至200℃或更高的温度。空间解析热分布可导致光学元件的非期望的变形。特别地，当照明设定改变时以及在热负载维持恒定超过特定时间周期的情况下，在相对于周围温度下的热卸载基本状态(thermally unloaded basic state)或先前设定的一些其它稳态或半稳态条件的时间性考量下，可发生光学元件的变形。

发明内容

本发明基于以下目的：明确说明一种光学元件和一种投射曝光设备，其中，在操作期间减小了所提到的热致变形(thermally indced deformation)。

该目的通过包含独立权利要求中所提特征的光学元件和投射曝光设备来实现。从属权利要求涉及本发明的有利变型和实施例。

为了冷却具有光学作用表面的光学元件，使用连接到至少两个分离的冷却回路的至少一个冷却部件。因此，所述冷却部件实施为使得在至少一个部分区域中比在另一部分区域中以更高的程度冷却光学作用表面。因此，所述冷却抵消局部不同的由辐射导致的能量输入，使得在光学作用表面上的变形尽可能不形成或者至少减少。冷却所带来的好处是避免在电磁辐射照到所关注光学元件后的进一步路线上产生干扰效应。例如在照明设定改变时，部件中的热负载尤其是热分布还可随时间改变。除了局部适配，在此使用的冷却现在还可以时间上适配的方式(temporally adaptive fashion)实施。

为了分析光学元件的局部热分布和局部变形，还可以使用FEM分析。特别地，FEM计算的结果可用于设计冷却系统，还可用于通过闭环控制(closed-loop controll)和开环控制(open-loop controll)来控制冷却系统。

例如，取决于设定的照明设定，可在光学元件上以局部和时间上适配的方式实现局部和时间上适配的冷却。此外，一模块的光学元件还可被冷却至不同程度。第三，还可将冷却体装配至光学元件，其中，冷却体具有单独或多个局部适配的冷却区(cooling zone)。

例如，光学元件还可以是用于EUV光刻的多层反射镜。在该情况下，多层反射镜可设有冷却体或具有实施为冷却体的反射镜载体。在此构成冷却部件的冷却体可分为不同的部分区域，并在不同的部分区域被冷却至不同的程度。除了将光学元件施加到分离的冷却体的选项之外，还可使用反射镜载体自身对光学作用表面进行空间解析冷却。在这些情况下，反射镜载体实施为冷却部件。

用于冷却光学元件的冷却体可具有布置在不同冷却区中的一个或多个冷却通道。光学作用表面由例如流过不同冷却区的冷却通道的冷却介质冷却。具有引入的冷却通道的冷却区在此对应于以不同程度冷却的部分区域。

不同的冷却区还可布置在关于z方向的不同平面中。z方向通常对应于法线方向，其整体上可被分配至光学作用表面上的光学元件。

冷却通道可连接到分离的冷却回路。这尤其带来的以下优点：通过限定冷却率(cooling rate)的参数的局部适配的选择，执行不同部分区域中的冷却。当使用分离的冷却回路时，可因此彼此独立地设定所述参数，比如流率(flowrate)，并针对每个冷却回路在时间上分开地改变所述参数。

可通过铸造方法、模制方法(moulding method)、侵蚀(eroding)、蚀刻或机加工制造方法形成冷却通道。

冷却通道还可另外实施为连接到冷却体的冷却线(cOOling line)。冷却线因此是装配到冷却体的分离部件。

冷却线可例如通过熔接(welding)、接合(bonding)或焊接(soldering)而连接到冷却体。

冷却通道可以曲折(meandering)方式实施，且针对不同的冷却区还可具有不同的几何形状。当光学元件中存在多个冷却区时，如果假想的体积单位中的冷却通道表面之和与另一个冷却区不同，则冷却区在冷却通道的频率方面是不同的。例如，如果一个冷却区内的冷却通道的几何剖面例如多重周期性地重复，其中重复数大于另一冷却区，则还会出现不同的频率。

光学元件还可通过以下事实利用冷却体来冷却：冷却体经由连接元件与光学元件热接触；通过以下事实在一个部分区域中实现更大的冷却：连接元件与光学元件之间的接触面积比另一部分区域中的大。形成适配于期望的局部冷却率的连接元件由此构成另一关于在不同部分区域中冷却光学元件的替代例。在该情况下，通过更换连接元件，可以简单的方式使系统的整体构造适合于新的条件。

光学元件可设有位于光学作用表面上的EUV吸收层，所述EUV吸收层在光学作用表面的不同区域中具有不同厚度。通过施加EUV吸收层，尤其可以获得照到在光学元件上的电磁辐射的位置适配的强度调制(1ocation-adapted intensity modulation)。在吸收层的具有高厚度的部分区域处，由于此处的能量输入比EUV吸收层的具有较小厚度的部分区域大，所以需要以不同的程度来冷却。

光学元件还可以是具有多个单独反射镜分面的分面反射镜。在该情况下，具有冷却通道的微型冷却器可以结合在至少一个单独反射镜分面中。在该情况下，通过以不同程度冷却的单独反射镜分面或若干组单独反射镜分面来实现期望的空间解析冷却。

微型冷却器可结合在单独反射镜分面的镜面(mirroring surface)下方，并通常具有在起始位置尽可能多地抵消热能量输入的功能。

单独反射镜分面的反射镜载体，即单独反射镜分面的承载镜面的部分可包含用于冷却剂的供给(feed)线和排放(discharge)线。

例如，供给线可在单独反射镜分面的中央区域敞开(open)，排放线可连接到循环实施的边缘通道。

可通过蚀刻或微铣削(micro milling)来制造冷却通道。

分面反射镜的反射镜承载体，即结合单独反射镜分面的主体还可连接到另外的冷却部件。

在该情况下，反射镜承载体的冷却部件同样可构造成使得可在至少一个部分区域中比在另一部分区域中以更大的程度冷却反射镜承载体。通过该措施可进一步改进空间解析冷却。

另外，温度传感器还可结合在光学元件中，结果，例如可在光学元件上实现温度分布的开环/闭环控制(open-loop/closed-loop contro1)。

在与照明设定中的改变相关联的计划热负载改变的情况下，还可通过冷却流防止在该情况下发生预期的变形。例如，对于相对缓慢的冷却回路的开环和闭环控制，这可通过选择适合的时间性参数来实现。

附图说明

下面参考附图更详细地说明本发明的示例性实施例。

图1示出具有环形热负载的第一冷却区的冷却体。

图2示出具有双极型热负载的第二冷却区的所述冷却体。

图3a示出其中结合有微型冷却器的光学单独反射镜分面。

图3b示出具有三个冷却区和六个实施的单独反射镜分面的分面反射镜的反射镜承载体。

图4示出具有局部不同的EUV吸收率和三个冷却区的光学多层反射镜，其中，可调节单独部分冷却回路的参数。

图5示出具有局部不同的EUV吸收率和三个冷却区的光学多层反射镜，其中，关于光学多层反射镜的接触面积被局部地不同制成。

图6示出具有局部不同的EUV吸收率和三个冷却区的光学多层反射镜，其中，冷却通道的几何形状被局部地不同制成。

具体实施方式

为了空间解析冷却光学元件的这些热分布，在此使用冷却体1、23(图1、2和5)。所示冷却体1可例如装配到分面反射镜或偏转镜，或者实施为EUV偏转镜的反射镜载体(图4和6)。图3a示出将微型冷却器10结合进单独反射镜分面8中的可能性。

图1和图2示出具有引入两个冷却区2和3中的冷却通道4的冷却体1，其中，第一冷却区2设计用于环形热负载，而第二冷却区3设计用于双极型热负载。图1没有示出光学元件的光学作用表面，在所示示例中，所述光学作用表面位于由箭头7指示的区域中。冷却区3沿所示z方向位于比冷却区2更深的平面中。在冷却体1中，另外还可实施比如根据现有技术而使用的冷却通道，其用于均匀冷却，而不用于局部适配的冷却。图1示出冷却体1，其中，仅示出提供用于局部适配的冷却的冷却通道4。冷却体1的有利材料可以是例如钢、铝、陶瓷和铜。在此所示冷却通道4实质上以曲折方式实施，但还可具有例如直的或圆形的剖面。可使用机加工制造方法以及侵蚀和/或蚀刻方法制造冷却通道4，还可使用铸造和模制方法制造冷却通道4。例如，另一个可能性(在此未示出)在与相关光学元件的光学非作用表面区域中包括冷却线到冷却体1的连接，该冷却线因而对应于冷却通道4。例如可通过熔接、焊接、接合或另外通过其它连接技术实现冷却线(在此未示出)到冷却体1的连接。可能的实施例是利用以下方式执行冷却的实施例：利用专门实施于冷却体1中的冷却线、利用专门实施于冷却体1中的冷却通道4、或者利用实施的冷却线和冷却通道4的结合。图1和图2所示冷却通道4或者还有冷却线(未示出)在各情况下均经由入口5和出口6连接到冷却回路(图中未示出)，使得冷却介质可经由冷却通道4从入口5流到出口6。冷却介质可以是例如水、乙二醇或液体金属。例如，管直径可以处于约5mm至9mm的范围内，冷却介质的体积流率(volumetric flow rate)可以是每分钟3升。预计各冷却回路的压力损失不超过约1巴(bar)的值。

举例来说，在图1中，冷却体1受到环形热负载(在图1中由弯曲的箭头7指示)的影响。为了冷却目的，在此尤其可以使用第一冷却区2，其中，冷却介质流过所述冷却区2的冷却通道4。为了冷却由具有多个环状照明区域的不同环形照明设定引起的热分布，还可将另外的冷却区引入冷却体1中，除了环状冷却区2之外，另外的冷却区还沿具有较小或较大直径的环延伸。仅举例来说，在图1中的冷却体1中提供了一个环状冷却区2。

图1中的剖面图I-I以平面图示出位于环状冷却区2中的冷却通道4的曲折路线。

有益的是同时以不同构造的冷却区设计冷却体1。这在光学元件的热负载随时间改变时特别有利。

如剖面II-II，图2示出图1所示冷却体1在沿所示z方向的更深层级处的平面中具有第二冷却区3。所述冷却区3包括部分冷却区3.1和3.2，这些部分冷却区一起形成双极型布置。在双极型热负载的情况下，冷却区3可用于以位置适配的方式补偿冷却体中的非对称热分布。类似地，冷却区3同样具有入口5和出口6，冷却介质可分别从入口流入及从出口流出。所述冷却区3的冷却通道4连接到冷却回路(图中未示出)。

为了冷却局部不同热分布的目的，除了分离地使用不同的冷却区2和3，特别地还可结合使用所述冷却区2和3中的冷却通道4，以便还能对其它照明设定做出反应。单独的冷却区2和3以及单独的冷却通道4被设计用于快速转换。换言之，在该实施例的情况下，可在短时间内将单独的冷却通道4以及冷却区2和3的冷却线(如果需要的话)从冷却回路断开或连接到冷却回路。由冷却体1和冷却回路建立的冷却系统通常在时间上是缓慢的。因此，当施行照明设定中的计划改变时，在该情况下，在关于第一冷却区2的时间上受限的冷却流期间，再补充连接第二冷却区3。

为了确定单独的冷却区2和3中的温度，还可另外实施温度传感器，温度传感器还可由冷却系统的开环和闭环控制系统使用。

冷却通道4中的流动可以是层流的或湍流的，或者呈现中间状态。在该情况下，湍流相对于层流具有更有效冷却的优点。然而，必须小心确保冷却介质的流动不会引发任何机械振动，机械振动在光学曝光过程中是不想要的。为了均匀冷却冷却体1的表面区域(areal region)的目的，尤其还可实施根据逆流原理操作的冷却通道4。

单独光学元件中的热分布通常还取决于其材料及其部件几何形状。经验值、实验测量及还有FEM计算的使用有利于确定空间解析热分布及发生的局部变形，并且有利于设计具有冷却通道4的冷却体1及设计开环和闭环控制。

图3a示出本发明的变型，其中，根据本发明的原理应用于分面反射镜的单独反射镜分面。这种分面反射镜(例如可包含在EUV照明系统中)可包括500至600个单独反射镜分面8，并通常在反射镜承载体(图中未示出)的孔中实施。在相关投射曝光设备操作期间，入射EUV辐射加热单独反射镜分面8和反射镜承载体，其中，特别地，单独反射镜分面8的光学作用表面9的变形还被证实对光学照明过程不利。此外，包括反射镜承载体和许多单独反射镜分面的整个模块还可因热负载而变形。

图3a示出单独反射镜分面8，其中，具有冷却通道4′的微型冷却器10直接结合在光学作用表面9下方。因此，基本上十分接近由EUV辐射引起的能量输入来实现冷却，因此抵消了光学作用表面9的变形。所示单独反射镜分面8中的微型冷却器10以环状方式实施，并具有曲折的冷却通道4′。单独反射镜分面8的反射镜载体11包含供给线12和排放线13，其可例如通过蚀刻来制造。反射镜载体11在此实施为使得冷却介质流过充当供给线12的中央中间通道，到达反射镜的中央。从此处，冷却介质被径向地供给至单独反射镜分面的微型通道中，然后经由循环实施的边缘通道到达反射镜载体11的排放线13。冷却介质可由此经由入口5流过供给线12，到达冷却通道4′。经由同样结合进反射镜载体11中的排放线13，冷却介质从冷却通道4′通过到达两个出口6。入口5和两个出口6连接到冷却回路(在此未更明确地示出)。冷却通道4′可例如通过使用氢氟酸和使用光掩模蚀刻而成。然而，在该情况下，使用光掩模以应用于要蚀刻的结构并不构成必要的步骤。用于引入结构的其它可能性包括在预先施加到反射镜后侧的层中进行微铣削和浮凸压印(emboss)，所述层例如可由镍构成。然而，用于引入结构的优选方法是蚀刻和微铣削，这是因为可在没有附加的其它层的均匀材料中进行热传送。反射镜后侧14到反射镜载体11的连接可优选地利用扩散焊接(diffusionwelding)或激光接合(1aser bonding)来实现。

在图3b所示示例性实施例中，分面反射镜的基本冷却还可经由反射镜承载体1′来实行，其中，反射镜承载体因而可实施为例如具有用于空间解析冷却的三个单独冷却区16、17和18的冷却体。举例来说，反射镜承载体1′在此包含冷却剂在其中流动的不同冷却通道4″。因此，首先可以抵消整个模块的变形。相比之下，基本上利用结合的微型冷却器10来实现单独反射镜分面8的光学作用表面9的变形的避免和减少。

图4、图5和图6各以在三个冷却区16、17和18中进行空间解析冷却的不同可能性示出用于EUV光刻的多层反射镜15。位于真空中的多层反射镜15包括基板19、用于反射EUV辐射的MoSi层20和具有局部不同厚度的EUV吸收层21。EUV吸收层21例如可由钌、钼或硅组成，并在此所示的情况下具有例如线性厚度梯度，使得在操作期间，EUV辐射在EUV吸收层21处被局部吸收至不同程度。相对于入射辐射，反射的辐射尤其具有强度调制，该强度调制由在具有EUV吸收层21的多层反射镜15处的吸收所造成。由于EUV辐射而引起的热输入因此局部不同，使得在多层反射镜15中可出现温度梯度，该温度梯度视情况还导致多层反射镜15的应变和变形。因此，尤其由于多层反射镜15的光学作用表面9的变形，会发生成像像差和波前像差。

图4示出具有EUV吸收层21的多层反射镜15，EUV吸收层具有局部不同厚度，其中，利用对冷却回路参数的适当选择，来实现空间解析冷却。为此目的，冷却回路分为三个部分冷却回路，分离的冷却通道4”连接到各个部分冷却回路。因此，这在该示例中形成三个冷却区16、17和18。在操作期间，特别地，对于每个冷却区，可设定冷却介质、初始温度、通流率(throughflow rate)和不同流动状态的类型，并随着时间改变它们。流动状态可以是层流的或湍流的，或者呈现中间状态。举例来说，可经由可调节阀来影响流动状态。在操作期间，特别地，还可实现以下两个特殊状态：其中在第一情况下，维持恒定的输入温度，单独地使通流率适配于由吸收的EUV辐射产生的能量率(energy rate)。在第二特殊状态下，提供恒定的流速，但是可局部不同地调节冷却介质的输入温度。大体来说，冷却区中的冷却率必须抵消由EUV辐射引起的空间解析能量输入。在图4所示示例中，基板19同时实现冷却体的功能。

图5示出具有局部不同EUV吸收层21以及三个冷却区16、17和18的多层反射镜15。各设有不同大小的接触面积的三个连接元件22装配到基板19。接触面积触及多层反射镜15的基板19。在该示例中，基板19未设有冷却通道4，而有分离的冷却体23，冷却通道4′′′在冷却体中延伸。例如，利用基板19与冷却体23之间的接触面积的大小，可单独地设定三个冷却区16、17和18中的热传送系数，以便能够抵消因UV辐射引起的空间解析能量输入。

图6示出具有局部不同EUV吸收层21的多层反射镜15，其中，在此所示三个冷却区16、17和18中的冷却通道4具有不同的几何形状。冷却通道4在此以曲折方式实施，并在EUV吸收层21的梯度范围内具有不同的频率。

作为图5和图6中的示图的替代例，对于冷却区，在各情况下或部分地使用分离的冷却回路来代替共同的冷却回路。

Claims (19)

1.一种用于半导体光刻的投射曝光设备的光学元件，包括光学作用表面(9)和用于冷却所述光学元件的至少一个冷却部件，其中，所述冷却部件连接到至少两个分离的冷却回路，并实施为使得所述光学作用表面(9)能够在至少一个部分区域中比在另一部分区域中以更大的程度被冷却，其特征在于：所述光学元件是具有多个单独反射镜分面(8)的分面反射镜；具有冷却通道(4′)的微型冷却器(10)结合进至少一个单独反射镜分面(8)中；以及所述单独反射镜分面(8)的反射镜载体(11)包含用于冷却剂的供给线(12)和排放线(13)。

2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述微型冷却器(10)结合在所述单独反射镜分面(8)的镜面下方。

3.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，供给线(12)在所述单独反射镜分面(8)的中央区域敞开，排放线(13)连接到循环实施的边缘通道。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其特征在于，所述冷却通道(4′)通过蚀刻或微铣削制成。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其特征在于，所述分面反射镜的反射镜承载体(1′)连接到另外的冷却部件。

6.如权利要求5所述的光学元件，其特征在于，所述反射镜承载体(1′)的冷却部件构造成使得所述反射镜承载体(1′)能够在至少一个部分区域中比在另一部分区域中以更大的程度被冷却。

7.一种用于半导体光刻的投射曝光设备的光学元件，包括光学作用表面(9)和用于冷却所述光学元件的至少一个冷却部件，其特征在于，所述冷却部件连接到至少两个分离的冷却回路，并实施为使得所述光学作用表面(9)能够在至少一个部分区域中比在另一部分区域中以更大的程度被冷却。

8.根据权利要求7所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件是用于EUV光刻的多层反射镜，其中，所述多层反射镜具有反射镜载体(11，19)，所述反射镜载体设有冷却体(1，23)或实施为冷却体(1，19)。

9.如权利要求8所述的光学元件，其特征在于，所述冷却体(1)具有布置在不同冷却区(2，3，16，17，18)中的冷却通道(4)，用于冷却单独部分区域。

10.如权利要求9所述的光学元件，其特征在于，所述不同冷却区(2，3)布置在关于z方向的不同平面中。

11.如权利要求9或10所述的光学元件，其特征在于，所述冷却通道(4)连接到分离的冷却回路。

12.如权利要求9至11中任一项所述的光学元件，其特征在于，所述冷却通道(4)通过铸造方法、模制方法、侵蚀、蚀刻或机加工制造方法而形成。

13.如权利要求9至11中任一项所述的光学元件，其特征在于，所述冷却通道(4)实施为连接到所述冷却体的冷却线。

14.如权利要求13所述的光学元件，其特征在于，所述冷却线通过熔接、接合或焊接而连接到所述冷却体。

15.如权利要求9所述的光学元件，其特征在于，所述冷却通道(4)以曲折方式实施，并具有用于不同冷却区(2，3，16，17，18)的不同几何形状。

16.如权利要求8所述的光学元件，其特征在于，所述冷却体(23)经由连接元件(22)与所述光学元件热接触，在一个部分区域中的较大冷却借助于连接元件(22)与光学元件之间的接触面积大于另一部分区域的事实来实现。

17.如以上权利要求中任一项所述的光学元件，其特征在于，EUV吸收层(21)布置在所述光学作用表面(9)上，所述EUV吸收层在所述光学作用表面(9)的不同区域中具有不同厚度。

18.如以上权利要求中任一项所述的光学元件，其特征在于，存在温度传感器。

19.一种用于半导体光刻，尤其是EUV光刻的投射曝光设备，包括如权利要求1至18中任一项所述的光学元件。

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