DE10123727A1 - Optisches Element, Projektionsobjektiv und Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit Fluoridkristall-Linsen - Google Patents

Abstract

Optisches Element (1) aus einem Fluorid-Kristall, insbesondere für ein Projektionsobjektiv einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, wobei das optische Element eine Elementachse (EA) aufweist, welches annähernd senkrecht auf den (100)-Kristallebenen oder auf den (010)-Kristallebenen oder auf den (001)-Kristallebenen des Fluorid-Kristalls steht. Derartige optische Elemente kommen in Projektionsobjektiven für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zum Einsatz. Um den störenden Einfluß der Doppelbrechung weiter zu reduzieren, werden die optischen Elemente aus Fluorid-Kristall gegeneinander um die optische Achse verdreht angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige optische Elemente sind aus der US 6,201,634 bekannt. Dort ist offenbart, daß bei der Herstellung der optischen Elemente idealerweise die Elementachsen der optischen Elemente senkrecht zu den (111)-Kristallebenen der Fluorid-Kristalle ausgerichtet werden, um die Spannungsdoppelbrechung zu minimieren. Die US 6,201,634 geht dabei davon aus, daß Fluorid-Kristalle keine intrinsische Doppelbrechung aufweisen.

Aus der Internet-Publikation "Preliminary Determination of an Intrinsic Birefringence in CaF2" von John H. Burnett, Eric L. Shirley, and Zachary H. Levine, NIST Gaithersburg MD 20899 USA (verbreitet am 07.05.01) ist jedoch bekannt, daß Kalzium-Fluorid- Einkristalle auch nicht spannungsinduzierte, also intrinsische Doppelbrechung aufweisen. Die dort präsentierten Messungen zeigen, dass bei Strahlausbreitung in der (110)- Kristallrichtung eine Doppelbrechung von (6.5 ± 0.4)nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 156.1 nm, von (3.6 ± 0.2)nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 193.09 nm und von (1.2 ± 0.1)nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 253.65 nm für Kalzium-Fluorid auftritt. Bei einer Strahlausbreitung in der (100)-Kristallrichtung und in der (111)-Kristallrichtung weist Kalzium-Fluorid dagegen keine intrinsische Doppelbrechung auf, wie dies auch von der Theorie vorhergesagt wird. Die intrinsische Doppelbrechung ist somit stark richtungsabhängig und nimmt mit kleiner werdender Wellenlänge deutlich zu.

Auf Grund der Symmetrieeigenschaften der kubischen Kristalle gelten in den folgenden Ausführungen Aussagen zur Strahlausbreitung in (110)-Kristallrichtung auch immer für die Strahlausbreitung in (101)-Kristallrichtung, bzw. in (011)-Kristallrichtung. Gleiches gilt auch für Aussagen zur Strahlausbreitung in (100)-Kristallrichtung, (010)-Kristallrichtung und (001)-Kristallrichtung. Die Kristallrichtung gibt dabei immer die Richtung der Flächennormalen auf die entsprechende Kristallebene an. So zeigt die Kristallrichtung (100) in Richtung der Flächennormalen der Kristallebene (100). Aussagen zu den auf Grund der Kristallsymmetrie entsprechenden Kristallrichtungen, beziehungsweise den Kristallebenen, die sich nur durch Permutationen der Ziffern "0" und "1" ergeben, werden deshalb nicht explizit aufgeführt, sondern sollten implizit mitgelesen werden, wenn zu einer dieser Kristallrichtungen, beziehungsweise Kristallebene Feststellungen getroffen werden.

Projektionsobjektive und Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen sind beispielsweise aus der Patentanmeldung PCT/EP00/13184 der Anmelderin und den darin zitierten Schriften bekannt. Die Ausführungsbeispiele dieser Anmeldung zeigen geeignete rein refraktive und katadioptrische Projektionsobjektive mit numerischen Aperturen von 0,8 und 0,9, bei einer Betriebswellenlänge von 193 nm sowie 157 nm.

Aufgabe der Erfindung ist es, optische Elemente für ein Projektionsobjektiv sowie Projektionsobjektive für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage anzugeben, bei denen der Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung minimiert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem optischen Element gemäß Anspruch 1, einen Projektionsobjektiv gemäß Anspruch 4 und Anspruch 19, einer Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage gemäß Anspruch 20 und einem Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gemäß Anspruch 21. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Um den Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung zu minimieren, schlägt Anspruch 1 vor, bei optischen Elementen aus einem Fluorid-Kristall die Elementachsen so auszurichten, daß sie mit der (100)-Kristallrichtung bis auf eine maximale Abweichung von 5° zusammenfallen. Die Elementachse ist dabei beispielsweise durch eine Symmetrieachse des optischen Elements, oder bei Bestrahlung des optischen Elements durch die Mitte des einfallenden Strahlbündels oder durch eine Gerade gegeben, bezüglich der die Strahlwinkel aller Lichtstrahlen innerhalb des optischen Elements minimal sind. Als optische Elemente kommen beispielsweise refraktive oder diffraktive Linsen sowie Korrekturplatten mit Freiformkorrekturflächen in Frage. Die Ausrichtung der Elementachse in (100)- Kristallrichtung hat den Vorteil, dass sich der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung, der sich bei Lichtausbreitung in (110)-Kristallrichtung ergibt, erst bei sehr hohen Öffnungswinkeln der Lichtstrahlen bemerkbar macht. Unter Öffnungswinkel versteht man in diesem Zusammenhang den Winkel zwischen einem Lichtstrahl und der Elementachse innerhalb des optischen Elements. Erst wenn die Öffnungswinkel in den Bereich des Winkels zwischen der (100)-Kristallrichtung und der (110)-Kristallrichtung kommen, spüren die entsprechenden Lichtstrahlen den Einfluss der Doppelbrechung. Der Winkel zwischen der (110)-Kristallrichtung und der (100)-Kristallrichtung beträgt dabei 45°. Wäre die Elementachse dagegen in (111)-Kristallrichtung ausgerichtet, so würde sich der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung schon bei kleineren Öffnungswinkeln bemerkbar machen, da der Winkel zwischen der (110)-Kristallrichtung und der (111)-Kristallrichtung nur 35° beträgt.

Wird diese Winkelabhängigkeit der Doppelbrechung beispielsweise durch das Herstellverfahren des Fluorid-Kristalls oder die mechanische Beanspruchung des optischen Elements hervorgerufen, so können die offenbarten Lösungsansätze selbstverständlich zur Reduzierung des störenden Einflusses der Doppelbrechung angewendet werden.

Vorzugsweise handelt es sich bei den optischen Elementen um rotationssymmetrische Linsen. In diesem Fall fällt die Symmetrieachse der Linsen mit der Elementachse der optischen Elemente zusammen.

Als Material für die optischen Elemente wird in Projektionsobjektiven vorzugsweise Kalzium-Fluorid eingesetzt, da Kalzium-Fluorid bei gemeinsamem Einsatz mit Quarz bei einer Arbeitswellenlängen von 193 nm sich zur Farbkorrektur besonders eignet, beziehungsweise bei einer Arbeitswellenlänge von 157 nm eine ausreichende Transmission bereitstellt. Aber auch für die Fluorid-Kristalle Strontium-Fluorid oder Barium-Fluorid gelten die hier getroffenen Aussagen, da es sich um Kristalle vom gleichen kubischen Kristall-Typ handelt.

Gemäß Anspruch 4 werden die optischen Elemente, bei denen die Elementachsen annähernd senkrecht auf den (100)-Kristallebenen stehen, vorzugsweise in Projektionsobjektiven einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage eingesetzt. Dabei müssen nicht alle optischen Elemente des Projektionsobjektives eine derartige Ausrichtung der Kristallebenen aufweisen. Diejenigen optischen Elemente, bei denen die Elementachsen senkrecht auf den (100)-Kristallebenen stehen, werden im Folgenden auch als ausgezeichnete optische Elemente bezeichnet.

Projektionsobjektive weisen eine optische Achse auf, welche von der Objektebene zur Bildebene verläuft. Vorzugsweise sind die optischen Elemente zentriert um diese optische Achse aufgebaut, so dass auch die Elementachsen mit der optischen Achse zusammenfallen.

Der störende Einfluss der intrinsische Doppelbrechung macht sich besonders dann bemerkbar, wenn die Lichtstrahlen innerhalb der optischen Elemente große Öffnungswinkel aufweisen. Dies ist für Projektionsobjektive der Fall, die eine bildseitige numerische Apertur aufweisen, die größer als 0.75, insbesondere größer 0.85 ist.

Bei Projektionsobjektiven mit derart großen numerischen Aperturen treten innerhalb der ausgezeichneten optischen Elemente Öffnungswinkel auf, die größer als 25°, insbesondere größer als 30° sind. Gerade bei diesen großen Öffnungswinkeln kommt die Erfindung zum Tragen, die Elementachsen in (100)-Kristallrichtung zu orientieren. Wären die Elementachsen in (111)-Kristallrichtung orientiert, so würden die Lichtstrahlen mit Öffnungswinkeln größer als 25°, insbesondere größer als 30° deutlich den störenden Einfluß der Doppelbrechung spüren, welche für Öffnungswinkel von 34° maximal ist.

Da andererseits der störende Einfluß der intrinsischen Doppelbrechung bei einem Öffnungswinkel von 45° maximal werden kann, ist es vorteilhaft, das Projektionsobjektiv so auszulegen, dass alle Öffnungswinkel der Lichtstrahlen kleiner 45° sind, insbesondere kleiner gleich

sind, wobei NA die bildseitige numerische Apertur bezeichnet und n_FK die Brechzahl des Fluorid-Kristalls. Dies wird erreicht, indem die Linsen, die nahe an der Bildebene angeordnet sind, sammelnde Linsenflächen oder höchstens leicht zerstreuende Linsenflächen aufweisen.

Große Öffnungswinkel treten hauptsächlich bei optischen Elementen in der Nähe von Feldebenen, insbesondere der Bildebene auf. Die ausgezeichneten optischen Elemente sollten deshalb vorzugsweise im Bereich der Feldebenen eingesetzt werden. Der Bereich, indem die ausgezeichneten optischen Elemente eingesetzt werden sollten, lässt sich über das Verhältnis des Elementdurchmessers zum Durchmesser der Blende bestimmen. So beträgt der Elementdurchmesser des ausgezeichneten optischen Elements vorzugsweise maximal 85%, insbesondere maximal 80% des Blendendurchmessers.

Bei Projektionsobjektiven mit einer bildseitig numerischen Apertur von größer als 0.75 treten die größten Öffnungswinkel in der Regel in dem der Bildebene am nächsten gelegenen optischen Element auf. Deshalb wird vorzugsweise bei diesem optischen Element die Elementachse in Richtung der (100)-Kristallrichtung ausgerichtet.

Die intrinsische Doppelbrechung ist dabei nicht nur vom Öffnungswinkel eines Lichtstrahls, sondern auch vom Azimuthwinkel des Lichtstrahls um die Elementachse abhängig. Der Azimuthwinkel eines Lichtstrahls wird dabei folgendermaßen bestimmt: Ist die Elementachse beispielsweise in (100)-Kristallrichtung orientiert, so wird der Lichtstrahl in die (100)-Kristallebene projiziert. Ebenso werden die Richtungsvektoren der (101)-, (110)-, (101)- und (110)-Kristallrichtungen mit maximaler intrinsischer Doppelbrechung in die (100)-Kristallebene projiziert. Der Azimuthwinkel wird nun zwischen dem projizierten Lichtstrahl und dem projizierten Richtungsvektor der (101)-Kristallrichtung bestimmt. Die entsprechenden Definitionen gelten natürlich auch für die Fälle, bei denen die Elementachse in der (010)-Kristallrichtung oder in der (001)-Kristallrichtung orientiert ist. Die intrinsische Doppelbrechung weist somit eine vierzählige Symmetrie auf, wenn die Elementachse in (100)-Kristallrichtung orientiert ist. Eine maximale intrinsische Doppelbrechung ergibt sich dabei für Azimuthwinkel von 0°, 90°, 180° und 270°, während sie für Winkel von 45°, 135°, 225° und 315° nahezu verschwindet. Werden in einem Projektionsobjektiv mehrere ausgezeichnete optische Elemente eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn die ausgezeichneten optischen Elemente gegeneinander um die optische Achse verdreht angeordnet sind. Dadurch lässt sich vermeiden, dass sich der störende Einfluss durch die intrinsische Doppelbrechung additiv überlagert.

Werden beispielsweise zwei ausgezeichnete optische Elemente eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn der Drehwinkel zwischen den optischen Elementen annähernd 45° beträgt.

Besonders effektiv wird die Drehung der einzelnen ausgezeichneten optischen Elemente gegeneinander dann, wenn die ausgezeichneten optischen Elemente benachbart angeordnet sind.

Die intrinsische Doppelbrechung nimmt mit abnehmender Arbeitswellenlänge deutlich zu. So ist die intrinsische Doppelbrechung bei einer Wellenlänge von 193 nm mehr als doppelt so groß, bei einer Wellenlänge von 157 nm mehr als fünfmal so groß wie bei einer Wellenlänge von 248 nm. Die Erfindung lässt sich deshalb besonders dann vorteilhaft einsetzen, wenn die Lichtstrahlen Wellenlängen kleiner 200 nm, insbesondere kleiner 160 nm aufweisen.

Bei dem Projektionsobjektiv kann es sich dabei um ein rein refraktives Objektiv handeln, das aus einer Vielzahl von rotationssymmetrisch um die optische Achse angeordneten Linsen besteht.

Aber auch bei Projektionsobjektiven vom katadioptrischen Objektivtyp verbessert sich die Abbildungsleistung, wenn die Linsen mit großen Öffnungswinkeln der Lichtstrahlen derart orientiert sind, dass die Symmetrieachsen der Linsen in (100)-Kristallrichtung weisen.

Da der Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung abhängig vom Azimuthwinkel eines Lichtstrahls ist, kann die Abbildungsleistung eines Projektionsobjektives dadurch gesteigert werden, dass die optischen Elemente gegeneinander um die optische Achse verdreht angeordnet werden. Die Drehung bezieht sich dabei jeweils auf die Kristallstruktur der einzelnen optischen Elemente. So sollte ein Lichtstrahl auf seinem Weg von der Objektebene zur Bildebene nur begrenzt mit den azimuthalen Winkelbereichen mit erhöhter intrinsischer Doppelbrechung in Berührung kommen. Die azimuthalen Winkelbereiche mit erhöhter intrinsische Doppelbrechung werden dabei durch die (110)- Kristallrichtung, bzw. die Kristallrichtungen, bei denen die Ziffern "1", "1" und "0" permutiert werden, vorgegeben.

Derartige Projektionsobjektive lassen sich vorteilhaft in Mikrolithographie- Projektionsbelichtungaxilagen einsetzen, die ausgehend von der Lichtquelle ein Beleuchtungssystem, ein Masken-Positioniersystem, eine Struktur tragende Maske, ein Projektionsobjektiv, ein Objekt-Positionierungssystem und ein Licht empfindliches Substrat umfassen.

Mit dieser Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage lassen sich mikrostrukturierte Halbleiter-Bauelemente herstellen.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Fluorid-Kristall-Block senkrecht zu den (100)- Kristallebenen zusammen mit einem erfindungsgemäßen optischen Element in schematischer Darstellung;

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Element in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung;

Fig. 3 zeigt ein Koordinatensystem zur Definition des Öffnungswinkels und des Azimuthalwinkels;

Fig. 4 zeigt den Verlauf der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ;

Fig. 5 zeigt den Verlauf der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimuthalwinkels α;

Fig. 6 zeigt den Linsenschnitt eines refraktiven Projektionsobjektivs;

Fig. 7 zeigt den Linsenschnitt eines katadioptrischen Projektionsobjektivs; und

Fig. 8 zeigt eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage in schematischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Fluorid-Kristall-Block 3. Der Schnitt ist so gewählt, dass die (100)-Kristallebenen 5 als einzelne Linien zusehen sind, so dass die (100)-Kristallebenen 5 sich senkrecht zur Papierebene befinden. Der Fluorid-Kristall-Block 3 dient als Ausgangsmaterial für das optische Element 1. In diesem Beispiel ist das optische Element 1 eine Bikonvex-Linse mit der Elementachse EA, die zugleich Symmetrieachse der Linse ist. Das optische Element 1 wird nun so aus dem Fluorid- Kristall-Block herausgearbeitet, daß die Elementachse EA senkrecht auf den (100)- Kristallebenen steht.

In Fig. 2 wird nochmals mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, weshalb es besonders günstig ist, die Elementachse EA der optischen Elemente in (100)- Kristallrichtung zu orientieren. Dargestellt ist eine kreisrunde planparallele Platte 201 aus Kalzium-Fluorid als optisches Element. Die Elementachse EA zeigt dabei in (100)- Kristallrichtung. Neben der (100)-Kristallrichtung sind auch die (101)-, (110)-, (101)- und (110)-Kristallrichtungen als Pfeile dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist schematisch durch vier "Keulen" 207 dargestellt, deren Oberflächen den Betrag der intrinsischen Doppelbrechung für die jeweilige Strahlrichtung eines Lichtstrahls angeben.

Die maximale intrinsische Doppelbrechung ergibt sich jeweils in den (101)-, (110)-, (101)- und (110)-Kristallrichtungen, also für Lichtstrahlen mit einem Öffnungswinkel von 45° und einem Azimuthwinkel von 0°, 90°, 180° und 270°. Für Azimuthwinkel von 45°, 135°, 225° und 315° sowie für einen Öffnungswinkel von 0° verschwindet die intrinsische Doppelbrechung.

Die Definition von Öffnungswinkel θ und Azimuthwinkel α ist in Fig. 3 dargestellt. Für das Beispiel von Fig. 2 zeigt dabei die z-Achse in (100)-Kristallrichtung, die x-Achse in (101)-Kristallrichtung.

Aus Messungen ist bekannt, dass bei Strahlausbreitung in der (110)-Kristallrichtung eine Doppelbrechung von (6.5 ± 0.4)nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 156.1 nm für Kalzium-Fluorid auftritt.

In Fig. 4 ist die intrinsische Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimuthwinkel α = 0° dargestellt. Der Wert für die intrinsische Doppelbrechung von 6.5 nm/cm bei dem Öffnungswinkels θ = 45° entspricht dem experimentellen Ergebnis. Der Kurvenverlauf geht von der Modellannahme aus, dass die intrinsische Doppelbrechung erst ab einem Öffnungswinkel von θ = 25° stark ansteigt.

In Fig. 5 ist die intrinsische Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimuthwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 45° dargestellt. Die vierzählige Symmetrie ist offensichtlich. Der Kurvenverlauf berücksichtigt die Tatsache, daß die intrinsische Doppelbrechung bei einem Azimuthwinkel von α = 45°, 135°, 225° und 315° verschwindet.

In Fig. 6 ist der Linsenschnitt eines refraktiven Projektionsobjektivs 611 für die Wellenlänge 157 nm dargestellt. Die optischen Daten für dieses Objektivs sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Das Ausführungsbeispiel ist der Patentanmeldung PCT/EP00/13184 der Anmelderin entnommen und entspricht dort Fig. 7 beziehungsweise Tabelle 6. Zur näheren Beschreibung der Funktionsweise des Objektivs wird auf die Patentanmeldung PCT/EP00/13184 verwiesen. Alle Linsen dieses Objektivs bestehen aus Kalzium-Fluorid- Kristall. Die bildseitige numerische Apertur des Objektivs beträgt 0.9. Die Abbildungsleistung dieses Objektivs ist so gut korrigiert, dass die Abweichung von der Wellenfront einer idealen Kugelwelle kleiner 1.8 mλ bezogen auf die Wellenlänge von 157 nm ist. Gerade bei diesen Hochleistungobjektiven ist es erforderlich, dass störende Einflüsse wie die der intrinsischen Doppelbrechung so weit wie möglich reduziert werden.

Für das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 wurden die Öffnungswinkel α des Randstrahls 609 für die einzelnen optischen Elemente L601 bis L630 berechnet. Der Randstrahl 609 geht dabei von dem Objektpunkt mit den Koordinaten x = 0 mm und y = 0 mm aus und weist in der Bildebene einen Winkel bezüglich der optischen Achse auf, welcher der bildseitigen numerischen Apertur entspricht. Der Randstrahl 609 wird deshalb herangezogen, da sich für ihn nahezu die maximalen Öffnungswinkel innerhalb der optischen Elemente ergeben. Die Öffnungswinkel α für den Randstrahl 609 sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass die Öffnungswinkel θ für die Linsen L608, L617, L618, L619, L627, L628, L629 und L630 größer als 25°, für die Linsen L618, L627, L628, L629 und L630 sogar größer als 30° sind. Mindestens bei diesen Linsen sollte deshalb die Elementachse in (100)-Kristallrichtung ausgerichtet sein. Besonders betroffen von hohen Öffnungswinkeln sind die der Bildebene am nächsten gelegenen Linsen L627 bis L630. Damit sich der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung dieser vier Linsen nicht additiv überlagert, sollten diese vier Linsen gegeneinander um die optische Achse gedreht angeordnet werden. Der Drehwinkel zwischen zwei benachbarten Linsen kann dabei beispielsweise 45° betragen, so dass ein Lichtstrahl beispielsweise bei der einen Linse durch einen azimuthalen Winkelbereich mit maximaler intrinsischer Doppelbrechung und bei der nächsten Linse durch einen azimuthalen Winkelbereich mit minimaler intrinsischer Doppelbrechung tritt. Es ist auch möglich, die Drehwinkel dieser vier im Strahlengang zuletzt angeordneten Linsen so einzustellen, dass die azimuthalen Winkelbereiche mit maximaler intrinsischer Doppelbrechung jeweils um 22.5 Grad gedreht sind. Auch beliebige Drehwinkel sind möglich. Wichtig ist nur, dass der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung auf die Gesamtwellenfront minimal ist.

Durch das Design des Projektionsobjektives wurde erreicht, daß der maximale Öffnungswinkel aller Lichtstrahlen kleiner 45° ist. Der maximale Öffnungswinkel für den Randstrahl beträgt 39.4° bei der Linse L628. Hilfreich war der Einsatz von zwei dicken Planlinsen L629 und L630 unmittelbar vor der Bildebene.

Der Durchmesser der Blende, welche sich zwischen den Linsen L621 und L622 befindet, beträgt 270 mm. Der Durchmesser der Linse L618 beträgt 207 mm und die Durchmesser der Linsen L627 bis L630 sind alle kleiner 190 mm. Somit sind die Durchmesser dieser Linsen, welche hohe Öffnungswinkel aufweisen, kleiner als 80% des Blendendurchmessers.

In Fig. 7 ist der Linsenschnitt eines katadioptrischen Projektionsobjektivs 711 für die Wellenlänge 157 nm dargestellt. Die optischen Daten für dieses Objektiv sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Das Ausführungsbeispiel ist der Patentanmeldung PCT/EP00/13184 der Anmelderin entnommen und entspricht dort Fig. 9 beziehungsweise Tabelle 8. Zur näheren Beschreibung der Funktionsweise des Objektivs wird auf die Patentanmeldung PCT/EP00/13184 verwiesen. Alle Linsen dieses Objektivs bestehen aus Kalzium-Fluorid- Kristall. Die bildseitige numerische Apertur des Objektivs beträgt 0.8.

Für das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 wurden die Öffnungswinkel α des Randstrahls für die einzelnen optischen Elemente L801 bis L817 berechnet. Der Randstrahl geht dabei von dem Objektpunkt mit den Koordinaten x = 0 mm und y = 0 mm aus und weist in der Bildebene einen Winkel bezüglich der optischen Achse auf, welcher der bildseitigen numerischen Apertur entspricht. Es ist durchaus üblich, diesen theoretischen Strahl durchzurechnen, auch wenn er keinem physikalischen Lichtstrahl entspricht, da Objektive dieses Typs ein außeraxiales Feld aufweisen. Die Öffnungswinkel α für den Randstrahl sind in Tabelle 4 zusammengestellt.

Tabelle 4

Tabelle 4 ist zu entnehmen, dass die Öffnungswinkel θ für die Linsen L815 bis L817 größer als 25° sind. Mindestens bei diesen Linsen sollte deshalb die Elementachse in (100)- Kristallrichtung ausgerichtet sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weisen die der Bildebene am nächsten gelegenen Linsen L815 bis L817 große Öffnungswinkel auf. Damit sich der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung dieser drei Linsen nicht additiv überlagert, sollten diese drei Linsen gegeneinander um die optische Achse gedreht angeordnet werden. Der Drehwinkel zwischen zwei benachbarten Linsen kann dabei beispielsweise 45° betragen, so dass ein Lichtstrahl beispielsweise bei der einen Linse durch einen azimuthalen Winkelbereich mit maximaler intrinsischer Doppelbrechung und bei der nächsten Linse durch einen azimuthalen Winkelbereich mit minimaler intrinsischer Doppelbrechung tritt. Es ist auch möglich, die Drehwinkel dieser drei im Strahlengang zuletzt angeordneten Linsen so einzustellen, dass die azimuthalen Winkelbereiche mit maximaler intrinsische Doppelbrechung jeweils um 30 Grad gedreht sind. Auch beliebige Drehwinkel sind möglich. Wichtig ist nur, dass der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung auf die Gesamtwellenfront minimal ist.

Durch das Design der Linsen L815 bis L817 wurde erreicht, daß der maximale Öffnungswinkel kleiner

ist. Der maximale Öffnungswinkel für den Randstrahl beträgt 30.2° für die Linse L817.

Simulationen mit den in Fig. 4 und Fig. 5 gegebenen Modelldaten zur intrinsischen Doppelbrechung haben ergeben, daß für das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 die intrinsische Doppelbrechung 16 nm beträgt, wenn bei allen Linsen die Elementachsen in (100)-Kristallrichtung zeigen und alle Linsen gleich orientiert eingebaut sind, also nicht gegeneinander gedreht sind. Durch geeignetes Drehen der Linsen kann die Doppelbrechung auf 8 nm reduziert werden. Baut man dagegen alle Linsen so ein, dass die Elementachsen in (111)-Kristallrichtung weisen, so beträgt die intrinsische Doppelbrechung 49 nm, wenn alle Linsen gleich orientiert sind. Durch geeignetes Drehen der Linsen kann die intrinsische Doppelbrechung auf 25 Nanometer reduziert werden. Das Ausführungsbeispiel zeigt, daß bei Projektionsobjektiven mit einer bildseitigen numerischen Apertur von größer als 0.8 die intrinsische Doppelbrechung um mehr als den Faktor drei reduziert werden kann, wenn die Elementachsen der Linsen nicht in (111)-Kristallrichtung, sondern in (100)-Kristallrichtung weisen.

Der Durchmesser der Blende, welche sich zwischen den Linsen L811 und L812 befindet, beträgt 193 mm. Die Durchmesser der Linsen L815 bis L817 sind alle kleiner als 162 mm. Somit sind die Durchmesser dieser Linsen, welche hohe Öffnungswinkel aufweisen, kleiner als 85% des Blendendurchmessers.

Anhand von Fig. 8 wird der prinzipielle Aufbau einer Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage beschrieben. Die Projektionsbelichtungsanlage 81 weist eine Beleuchtungseinrichtung 83 und Projektionsobjektiv 85 auf. Das Projektionsobjektiv 85 umfaßt eine Linsenanordnung 819 mit einer Aperturblende AP, wobei durch die Linsenanordnung 89 eine optische Achse 87 definiert wird. Ausführungsbeispiele für die Linsenanordnung 89 sind in Fig. 6 und Fig. 7 gegeben. Zwischen der Beleuchtungseinrichtung 83 und dem Projektionsobjektiv 85 ist eine Maske 89 angeordnet, die mittels eines Maskenhalters 811 im Strahlengang gehalten wird. Solche in der Mikrolithographie verwendeten Masken 89 weisen eine Mikrometer-Nanometer Struktur auf, die mittels des Projektionsobjektives 85 beispielsweise um den Faktor 4 oder 5 verkleinert auf eine Bildebene 813 abgebildet wird. In der Bildebene 813 wird ein durch einen Substrathalter 817 positioniertes lichtempfindliches Substrat 815, beziehungsweise ein Wafer, gehalten.

Die noch auflösbaren minimalen Strukturen hängen von der Wellenlänge λ des für die Beleuchtung verwendeten Lichtes sowie von der bildseitigen numerischen Apertur des Projektionsobjektives 85 ab, wobei die maximal erreichbare Auflösung der Projektionsbelichtungsanlage 81 mit abnehmender Wellenlänge λ der Beleuchtungseinrichtung 83 und mit zunehmender bildseitiger numerischer Apertur des Projektionsobjektives 85 steigt. Mit den in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispielen lassen sich Auflösungen kleiner 150 nm realisieren. Deshalb müssen auch Effekte wie die intrinsische Doppelbrechung minimiert werden, auch wenn sie nur eine Verschlechterung der Wellenfront in der Größenordnung von 10 nm hervorrufen. Durch die Erfindung ist es gelungen, den störenden Einfluß der intrinsichen Doppelbrechung gerade bei Projektionsobjektiven mit großen bildseitigen numerischen Aperturen stark zu reduzieren.

TABELLE 1

Tabelle 3

Claims (21)

1. Optisches Element (1, 201, L627-L630, L815-L817) aus einem Fluorid-Kristall, insbesondere für ein Projektionsobjektiv einer Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage, wobei das optische Element eine Elementachse (EA) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementachse annähernd senkrecht auf den (100)-Kristallebenen oder auf den (010)-Kristallebenen oder auf den (001)- Kristallebenen des Fluorid-Kristalls steht.

2. Optisches Element (1, 201, L627-L630, L815-L817) nach Anspruch 1, wobei das optische Element eine rotationssymmetrische Linse mit einer Symmetrieachse ist und die Symmetrieachse mit der Elementachse des optischen Elements zusammenfällt.

3. Optisches Element (1, 201, L627-L630, L815-L817) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Fluorid Kristall ein Kalzium-Fluorid-Kristall, ein Strontium-Fluorid oder ein Barium-Fluorid-Kristall ist.

4. Projektionsobjektiv (611, 711, 85) für eine Mikrolithografie- Projektionsbelichtungsanlage mit einer Mehrzahl von optischen Elementen (L601- L630, L801-L817), wobei mindestens ein ausgezeichnetes optisches Element (201, L627-L630, L815-L817) ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.

5. Projektionsobjektiv (611, 711, 85) nach Anspruch 4 mit einer optischen Achse (OA), wobei die Elementachse des ausgezeichneten optischen Elements mit der optischen Achse des Projektionsobjektivs zusammenfällt.

6. Projektionsobjektiv nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Projektionsobjektiv eine bildseitige numerische Apertur NA aufweist und die bildseitige numerische Apertur NA größer als 0.75, insbesondere größer als 0,85 ist.

7. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei innerhalb des Projektionsobjektives Lichtstrahlen von einer Objektebene (O) zu einer Bildebene (O') verlaufen und mindestens ein Lichtstrahl (609) innerhalb des ausgezeichneten optischen Elements einen Strahlwinkel bezüglich der Elementachse aufweist, der größer als 25°, insbesondere größer als 30° ist.

8. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei innerhalb des Projektionsobjektives Lichtstrahlen von einer Objektebene zu einer Bildebene verlaufen und alle Lichtstrahlen innerhalb des ausgezeichneten optischen Elements Strahlwinkel bezüglich der Elementachse aufweisen, die maximal 45°, insbesondere maximal
betragen, wobei NA die bildseitige numerische Apertur bezeichnet und n_FK die Brechzahl des Fluorid-Kristalls.

9. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 8 mit einer Blendenebene, wobei die Blendenebene einen Blendendurchmesser aufweist und wobei das ausgezeichnete optische Element einen Elementdurchmesser aufweist und wobei der Elementdurchmesser kleiner als 85%, insbesondere kleiner als 80% des Blendendurchmessers ist.

10. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das ausgezeichnete optische Element (L630, L817) das der Bildebene nächste optische Element ist.

11. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei das Projektionsobjektiv mindestens ein erstes ausgezeichnetes optisches Element (L629, L816) und ein zweites ausgezeichnetes optisches Element (L630, L817) umfaßt, und das erste ausgezeichnete optische Element gegenüber dem zweiten ausgezeichneten optischen Elements um die optische Achse mit einem Drehwinkel verdreht angeordnet ist, um den Einfluss der Doppelbrechung zu minimieren.

12. Projektionsobjektiv nach Anspruch 11, wobei der Drehwinkel zwischen dem ersten ausgezeichneten optischen Element und dem zweiten ausgezeichneten optischen Elements annähernd 45° beträgt.

13. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei das erste ausgezeichnete optische Element und das zweite ausgezeichnete optische Element benachbart angeordnet sind.

14. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei die Lichtstrahlen Wellenlängen kleiner 200 nm aufweisen.

15. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 14, wobei die Lichtstrahlen Wellenlängen kleiner 160 nm aufweisen.

16. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 15, wobei das Projektionsobjektiv (611) ein refraktives Objektiv mit Linsen ist.

17. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 15, wobei das Projektionsobjektiv ein katadioptrisches Objektiv (711) mit Linsen und mindestens einem Konkavspiegel (Sp2) ist.

18. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 17, wobei alle refraktiven optischen Elemente aus Kalzium-Fluorid sind.

19. Projektionsobjektiv für eine Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage mit einer optischen Achse, welches eine Mehrzahl von optischen Elementen aus einem Fluorid- Kristall umfasst, wobei die optischen Elemente Elementachsen aufweisen, welche zentriert zur optischen Achse angeordnet sind, und wobei die optischen Elemente abhängig von der Kristallstruktur azimuthale Winkelbereiche erhöhter Doppelbrechung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei optische Elemente gegeneinander um die optische Achse verdreht angeordnet sind, um den Einfluß der Doppelbrechung zu minimieren.

20. Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage (81), umfassend

• - ein Beleuchtungssystem (83),
• - ein Projektionsobjektiv 85) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, das eine Struktur tragende Maske (89) auf ein lichtempfindliches Substrat (815) abbildet.

21. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen mit einer Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage (81) nach Anspruch 20.