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Die
Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
Projektionsobjektive sind aus der
US
6,201,634 bekannt. Dort ist offenbart, daß bei der
Herstellung von Fluorid-Kristall-Linsen idealerweise die Linsenachsen
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.
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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.
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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>-, <101>-, <101>-, <101>-<011>-, <011>-, <011>-, <011>-, <110>-, <110>-, und <110>-Kristallrichtung.
Gleiches gilt auch für Aussagen
zur Strahlausbreitung in <100>-Kristallrichtung, <010>-Kristallrichtung und <001>-Kristallrichtung,
beziehungsweise den Kristallrichtungen, bei denen der Index „1" negatives Vorzeichen
hat, also „1". 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 äquivalenten
Kristallrichtungen, die sich in der Regel nur durch Permutationen
der Ziffern „0", „1" und „1" ergeben, werden deshalb nicht explizit
aufgeführt,
sondern sollten implizit mitgelesen werden, wenn zu einer dieser
Kristallrichtungen, beziehungsweise Kristallebene Feststellungen
getroffen werden.
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Projektionsobjektive
und Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen sind beispielsweise
aus der Patentanmeldung PCT/EP00/13148 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.
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Die
Drehung von Linsenelementen zur Kompensation von Doppelbrechungseffekten
ist auch in der Patentanmeldung „Projektionsbelichtungsanlage
der Mikrolithographie, Optisches System und Herstellverfahren" mit dem Aktenzeichen
des Anmelders 01055P und dem Einreichungstag 15.05.2001 beschrieben.
Der Inhalt dieser Anmeldung soll auch Teil der vorliegenden Anmeldung
sein.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Projektionsobjektive für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
anzugeben, bei denen der Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung
minimiert ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit einem Projektionsobjektiv gemäß Anspruch 1, 17, 26 und 49,
einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage gemäß Anspruch
35, einem Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gemäß Anspruch
36 und einem Verfahren zur Reduzierung der Doppelbrechung gemäß Anspruch
37, 38 und 39.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
abhängigen
Ansprüche.
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Um
den Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung zu minimieren, schlägt Anspruch
1 vor, bei Linsen aus Fluorid-Kristall die Linsenachsen so auszurichten,
daß sie
mit der <100>-Kristallrichtung bis auf eine maximale
Abweichung von 5° zusammenfallen.
Dabei müssen
nicht alle Fluorid-Kristall-Linsen des Projektionsobjektives eine
derartige Ausrichtung der Kristallebenen aufweisen. Diejenigen Linsen,
bei denen die Linsenachsen senkrecht auf den {100}-Kristallebenen
stehen, werden im Folgenden auch als (100)-Linsen bezeichnet. Die
Ausrichtung der Linsenachse in <100>-Kristallrichtung hat
den Vorteil, dass sich der störende
Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung, der sich bei Lichtausbreitung
in <110>-Kristallrichtung ergibt,
erst bei höheren Öffnungswinkeln
der Lichtstrahlen bemerkbar als für eine Ausrichtung der Linsenachse
in <111>-Kristallrichtung.
Unter Öffnungswinkel
versteht man in diesem Zusammenhang den Winkel zwischen einem Lichtstrahl
und der optischen Achse außerhalb
einer Linse und zwischen dem Lichtstrahl und der Linsenachse innerhalb
einer Linse. 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 Linsenachse
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.
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Wird
die Winkelabhängigkeit
der Doppelbrechung beispielsweise durch das Herstellverfahren des
Fluorid-Kristalls oder die mechanische Beanspruchung des Linse hervorgerufen,
so können
die offenbarten Lösungsansätze selbstverständlich ebenfalls
zur Reduzierung des störenden
Einflusses der Doppelbrechung angewendet werden.
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Die
Linsenachse ist dabei beispielsweise durch eine Symmetrieachse einer
rotationssymmetrischen Linse gegeben. Weist die Linse keine Symmetrieachse
auf, so kann die Linsenachse durch die Mitte eines einfallenden
Strahlbündels
oder durch eine Gerade gegeben sein, bezüglich der die Strahlwinkel
aller Lichtstrahlen innerhalb der Linse minimal sind. Als Linsen
kommen beispielsweise refraktive oder diffraktive Linsen sowie Korrekturplatten
mit Freiformkorrekturflächen
in Frage. Auch Planplatten werden als Linsen angesehen, sofern sie
im Strahlengang des Projektionsobjektives angeordnet sind. Die Linsenachse
einer Planplatte steht dabei senkrecht auf den planen Linsenoberflächen.
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Vorzugsweise
handelt es sich jedoch bei den Linsen um rotationssymmetrische Linsen.
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Projektionsobjektive
weisen eine optische Achse auf, welche von der Objektebene zur Bildebene
verläuft.
Vorzugsweise sind die (100)-Linsen zentriert um diese optische Achse
aufgebaut, so dass auch die Linsenachsen mit der optischen Achse
zusammenfallen.
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Bei
Projektionsobjektiven mit großen
bildseitigen numerischen Aperturen, inbesondere größer 0.7,
treten innerhalb der (100)-Linsen Öffnungswinkel auf, die größer als
25°, insbesondere
größer als
30° sind.
Gerade bei diesen großen Öffnungswinkeln
kommt die Erfindung zum Tragen, die Linsenachsen in <100>-Kristallrichtung zu
orientieren. Wären
die Linsenachsen in <111>-Kristallrichtung orientiert,
so würden
die Lichtstrahlen mit Öffnungswinkeln
größer als
25°, insbesondere
größer als
30° deutlicher
den störenden
Einfluß der Doppelbrechung
spüren,
welche in diesem Fall für Öffnungswinkel
von 35° maximal
ist.
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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. Der Ausdruck
gibt dabei den Öffnungswinkel
an, welcher der bildseitigen numerischen Apertur innerhalb einer
Fluorid-Kristall-Linse
entspricht, wenn an der Grenzfläche
keine Brechung stattfindet. Dies wird erreicht, indem die Linsen, die
nahe an der Bildebene angeordnet sind, sammelnde Linsenflächen, plane
Linsenflächen
oder höchstens leicht
zerstreuende Linsenflächen
aufweisen, wenn in Lichtrichtung nach der zerstreuenden Linsenfläche eine stärker sammelnde
Linsenfläche
folgt.
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Große Öffnungswinkel
treten hauptsächlich
bei Linsen in der Nähe
von Feldebenen, insbesondere der Bildebene auf. Die (100)-Linsen
sollten deshalb vorzugsweise im Bereich der Feldebenen eingesetzt
werden. Der Bereich, in dem die (100)-Linsen eingesetzt werden sollten,
lässt sich über das
Verhältnis
der Linsendurchmessers zum Durchmesser der Blende bestimmen. So
beträgt
der Linsendurchmesser der (100)-Linsen vorzugsweise maximal 85%,
insbesondere maximal 80% des Blendendurchmessers.
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Bei
Projektionsobjektiven treten die größten Öffnungswinkel in der Regel
in dem der Bildebene am nächsten
gelegenen Linse auf. Deshalb wird vorzugsweise bei dieser Linse
die Linsenachse in Richtung der <100>-Kristallrichtung ausgerichtet.
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Die
intrinsische Doppelbrechung ist dabei nicht nur vom Öffnungswinkel
eines Lichtstrahls, sondern auch vom Azimuthwinkel des Lichtstrahls
abhängig.
Der Azimuthwinkel eines Lichtstrahls wird dabei folgendermaßen bestimmt:
Ist die Linsenachse 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 <110>-Kristallrichtung bestimmt. Die entsprechenden
Definitionen gelten natürlich
auch für
die Fälle,
bei denen die Linsenachse in der <010>-Kristallrichtung oder
in der <001>- Kristallrichtung orientiert ist. Die
intrinsische Doppelbrechung einer einzelnen Linse weist eine vierzählige Azimuthal-Symmetrie
auf, wenn die Linsenachse 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.
Die Winkelabhängigkeit
der intrinsischen Doppelbrechung läßt sich durch die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) darstellen,
die sich für
ein Strahlenbüschel
ergibt, das von einem Objektpunkt in der Objektebene ausgeht. Jeder
Strahl des Strahlenbüschels
weist dabei bezüglich
der optischen Achse des Projektionsobjektives den Öffnungswinkel θ und bezüglich einer
Bezugsrichtung in der Objektebene den Azimuthwinkel α auf. Die
Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) wird dabei
in der Bildebene bestimmt, nachdem das Strahlbüschel durch das gesamte Projektionsobjektiv
propagiert wurde. Dabei werden für
jeden Strahl des Strahlbüschels
die optischen Wegunterschiede von zwei zueinander orthogonalen linearen
Polarisationszuständen
in jeder Linse bestimmt und addiert. Die Summe der optischen Wegunterschiede
wird anschließend
durch die Summe der Strahlwege innerhalb der Linsen für den jeweiligen
Strahl dividiert. Die daraus resultierenden Werte ergeben die Doppelbrechungsverteilung.
Die Doppelbrechungsverteilung kann dabei aber auch für den Einfluß einzelner
Linsen angegeben werden, indem die optischen Wegunterschiede für die einzelnen
Linsen ausgewertet werden. Werden in einem Projektionsobjektiv mehrere
(100)-Linsen eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn die (100)-Linsen
gegeneinander um die optische Achse verdreht angeordnet sind. Dadurch
lässt sich vermeiden,
dass sich der störende
Einfluss durch die intrinsische Doppelbrechung additiv überlagert,
wenn die (100)-Linsen gleich orientiert eingebaut werden. Durch
die verdrehte Anordnung der (100)-Linsen kann die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) betragsmäßig wesentlich
reduziert werden. So kann der maximale Doppelbrechungswert um bis
zu 20%, insbesondere um bis zu 25% im Vergleich zu einem gleich
orientierten Einbau der (100)-Linsen reduziert werden.
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Durch
den verdrehten Einbau der (100)-Linsen kann insbesondere die Abhängigkeit
vom Azimuthwinkel α deutlich
reduziert werden, so dass sich eine nahezu rotationssymmetrische
Doppelbrechungsverteilung ergibt.
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Die
gegenseitige Orientierung der (100)-Linsen wird über die Drehwinkel β definiert,
die den Winkel zwischen zwei Bezugsrichtungen angeben. Die Bezugsrichtung
einer (100)-Linse
steht dabei senkrecht auf der Linsenachse und weist in eine Hauptkristallrichtung.
Die Hauptkristallrichtungen für
die (100)-Linsen sind die <010>-Kristallrichtung,
die <001>-Kristallrichtung,
die <0
10>-Kristallrichtung
oder die <00
1>-Kristallrichtung. Zur Reduzierung der
Doppelbrechung werden vorteilhafterweise eine Gruppe von (100)-Linsen
betrachtet, wobei die (100)-Linsen gegeneinander derart verdreht
sind, daß sich
für je
zwei (100)-Linsen einer Gruppe der Drehwinkel folgendermaßen ergibt:
wobei n die Anzahl der (100)-Linsen
einer Gruppe und m eine natürliche
Zahl darstellt. Umfasst die Gruppe zwei (100)-Linsen, so beträgt der Drehwinkel
zwischen diesen beiden Linsen idealerweise 45°, beziehungsweise 135°, 225° ... Da die
(100)-Linsen eine vierzählige
Azimuthal-Symmetrie aufweisen, ist die Korrektur der Doppelbrechung
invariant gegenüber
Drehungen der (100)-Linsen um 90°.
Dieser Freiheitsgrad sowie die Toleranzangabe von ±5° lässt sich
zur klassischen Justage des Projektionsobjektives einsetzen, um
beispielsweise nicht rotationssymmetrische Störungen zu korrigieren.
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Die
Linsen einer Gruppe werden beispielsweise dadurch bestimmt, dass
ein äußerster
Aperturstrahl eines Strahlenbüschels
innerhalb dieser Linsen jeweils ähnliche Öffnungswinkel
aufweist, wobei vorteilhafterweise die Öffnungswinkel des äußersten
Aperturstrahls innerhalb dieser Linsen größer 15°, insbesondere größer 20° sind. Als äußerster
Aperturstrahl wird ein Strahl bezeichnet, der von einem Objektpunkt
ausgeht, dessen Strahlhöhe
in der Blendenebene dem Radius der Blende entspricht und der somit
in der Bildebene einen Winkel gemäß der bildseitigen numerischen
Apertur aufweist. Die äußersten
Aperturstrahlen werden deshalb zur Definition der Gruppen herangezogen,
weil sie üblicherweise
innerhalb der Linsen die größten Öffnungswinkel
aufweisen und damit die größte Störung durch
die Doppelbrechung erfahren. Die Bestimmung der optischen Wegdifferenz
für zwei
zueinander orthogonalen linearen Polarisationszuständen für die äußersten Aperturstrahlen
ermöglicht
somit Aussagen über
die maximale Störung
einer Wellenfront durch die Doppelbrechung.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der äußerste Aperturstrahl
in diesen Linsen jeweils einen gleichen Strahlweg zurückgelegt.
Durch diese Maßnahmen
ergeben sich eine gute Kompensation der Doppelbrechungsbeiträge, die
von den einzelnen Linsen einer Gruppe hervorgerufen werden.
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Vorteilhaft
für eine
optimale Kompensation der Linsen einer Gruppe ist es, wenn der äußerste Aperturstrahl
in jeder dieser Linsen ähnlich
große
optische Wegunterschiede zwischen zwei zueinander orthogonalen linearen
Polarisationszuständen
erfährt.
Die elektromagnetischen Feldkomponenten definieren dabei den Polarisationszustand
des Strahls.
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Im
Fall zweier planparalleler benachbarter Linsen erhält man eine
nahezu rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung durch Drehung
der beiden Linsen. Auch bei Linsen mit gekrümmten Oberflächen läßt sich
durch geschickte Auswahl der Linsen oder durch eine entsprechende
Wahl der Dicken und der Radien der Linsen bereits durch Drehen von
zwei (100)-Linsen eine näherungsweise
rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung.
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Besonders
effektiv wird die Drehung der einzelnen (100)-Linsen gegeneinander
dann, wenn die (100)-Linsen benachbart angeordnet sind. Besonders
vorteilhaft ist es, eine Linse in zwei Teile aufzuteilen und die
Linsenhälften
gegeneinander verdreht anzusprengen. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
sieht die Herstellung einer Linse aus einem Materialblock vor, der
zuvor durch das Ansprengen von zwei um 60° verdrehten (111)-Platten und von zwei
um 45° verdrehten
(100)-Platten hergestellt wurde.
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Bei
einem Projektionsobjektiv mit einer Vielzahl von Linsen ist es günstig, mehrere
Gruppen von (100)-Linsen zu bilden. Dabei sind die (100)-Linsen
einer Gruppe derart gedreht, daß die
Doppelbrechungsverteilung der Gruppe einen vom Azimuthwinkel nahezu
unabhängigen
Verlauf aufweist.
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Das
Prinzip der Reduzierung der Doppelbrechung durch das gegenseitige
Verdrehen von (100)-Linsen lässt
sich auch vorteilhaft bei Fluorid-Kristall Linsen einsetzen, deren
Linsenachsen bis auf eine Abweichung von 5° senkrecht auf den {111}-Kristallebenen
oder dazu äquivalenten
Kristalleebenen, also beispielsweise den {111}-Kristallebenen oder den {111}-Kristallebenen,
stehen. Diese Linsen werden im Folgenden als (111)-Linsen bezeichnet.
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Die
intrinsische Doppelbrechung einer einzelnen Linse weist eine dreizählige Azimuthal-Symmetrie auf, wenn
die Linsenachse in <111>-Kristallrichtung orientiert
ist. Eine maximale intrinsische Doppelbrechung ergibt sich dabei
für Azimuthwinkel
von 0°,
120° und
240°, während sie
für Winkel
von 60°,
180° und
300° verschwindet.
Für das
Verdrehen von (111)-Linsen gelten die entsprechenden Aussagen, welche
für das
Verdrehen von (100)-Linsen getroffen wurden, bis auf die Vorgabe
von idealen Drehwinkeln γ,
wenn mit einer Gruppe von (111)-Linsen die Doppelbrechung reduziert
werden soll. Für
je zwei (111)-Linsen dieser Gruppe ist der Drehwinkel folgendermaßen gegeben:
wobei k die Anzahl der (111)-Linsen
einer Gruppe und 1 eine natürliche
Zahl darstellt. Umfasst die Gruppe zwei (111)-Linsen, so beträgt der Drehwinkel
zwischen diesen beiden Linsen idealerweise 60°, beziehungsweise 180°, 300° ...
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Während nun
die Doppelbrechungsverteilung durch das gegenseitige Verdrehen von
(100)-Linsen, beziehungsweise
das gegenseitige Verdrehen von (111)-Linsen nahezu unabhängig vom
Azimuthwinkel ist, kann der absolute Wert der Doppelbrechungsverteilung
dadurch deutlich reduziert werden, dass das Projektionsobjektiv
sowohl eine Gruppe von (100)-Linsen
als auch eine Gruppe von (111)-Linsen aufweist. Dies ist möglich, weil
die Doppelbrechung nicht nur einen absoluten Wert, sondern auch
eine Richtung aufweist. Betrachtet man nun die (100)-Doppelbrechung,
welche durch eine Gruppe von (100)-Linsen mit optimiertem Drehwinkel hervorgerufen
wird, und die (111)-Doppelbrechung, welche durch eine Gruppe von
(111)-Linsen mit optimiertem Drehwinkel hervorgerufen wird, so ist
die Richtung der (100)-Doppelbrechung nahezu um 90° verdreht
zur Richtung der (111)-Doppelbrechung. Sind die Absolutwerte der
(100)-Doppelbrechung ähnlich
groß wie
die Absolutwerte der (111)-Doppelbrechung, so kompensieren sich
die beiden Doppelbrechungsverteilungen nahezu vollständig. Durch
den gleichzeitigen Einsatz einer Gruppe mit (100)-Linsen und einer
Gruppe mit (111)-Linsen ist es deshalb möglich, den Maximalwert der
Doppelbrechung derart zu reduzieren, dass er nur noch 20% des Maximalwertes
der Doppelbrechung beträgt,
der sich ergeben würde,
wenn nur (111)-Linsen oder
nur (100)-Linsen insbesondere für
Linsen mit hohen Öffnungswinkeln
eingesetzt werden würden.
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Als
Material für
die Linsen 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.
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Der
störende
Einfluss der intrinsische Doppelbrechung macht sich besonders dann
bemerkbar, wenn die Lichtstrahlen innerhalb der (100)-Linsen oder
(111)-Linsen große Öffnungswinkel
aufweisen. Dies ist für Projektionsobjektive
der Fall, die eine bildseitige numerische Apertur aufweisen, die
größer als
0.7, insbesondere größer 0.8
ist.
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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.
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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.
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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,
und/oder bei Gruppen von (100)- oder (111)-Fluorid-Kristall-Linsen
die Linsen gegeneinander verdreht angeordnet sind.
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Derartige
Projektionsobjektive lassen sich vorteilhaft in Mikrolithographie-Projektionsbelichtunganlagen
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.
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Mit
dieser Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage lassen sich
mikrostrukturierte Halbleiter-Bauelemente herstellen.
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Die
Erfindung stellt auch geeignete Verfahren bereit, um die Doppelbrechung
deutlich zu reduzieren. Das Verfahren wird dabei bei einem Projektionsobjektiv
angewandt, das mindestens zwei Fluorid-Kristall-Linsen in <100>-Orientierung oder
in <111>-Orientierung umfasst. Von diesen Linsen
ist dabei weiterhin die Lage der Bezugsrichtungen bekannt, die durch
die auf die <100>-Kristallrichtung,
beziehungsweise die <111>-Kristallrichtung senkrecht
stehenden Hauptkristallrichtungen gegeben sind. Das Verfahren nutzt
dabei die erfinderische Erkenntnis aus, dass sich durch Drehen der
Fluorid-Kristall-Linsen um die optische Achse die Maximalwerte der
Doppelbrechnungsverteilung wesentlich reduzieren lassen. Durch geeignete
Simulationsmethoden wird dabei ein von einem Objektpunkt ausgehendes
Strahlenbüschel
durch ein Projektionsobjektiv propagiert und auf Grund der bekannten
optischen Eigenschaften der Fluorid-Kristall-Linsen die Doppelbrechungsverteilung
in der Bildebene bestimmt. In einem Optimierungsschrit werden nun
die Fluorid-Kristall-Linsen so lange gedreht, bis die Doppelbrechung
tolerierbare Werte aufweist. Der Optimierungsschritt kann dabei
auch weitere Randbedingungen wie beispielsweise die Kompensation
von nicht rotationssymmetrischen Linsenfehler durch Linsendrehen
berücksichtigen,
welche die Abbildungsleistung des Objektives insgesamt verbessern.
Durch diesen Optimierungsschritt kann der Maximalwert der Doppelberechnung
um bis zu 30%, insbesondere bis zu 50% reduziert werden im Vergleich
zu einem Projektionsobjektiv, bei dem die Fluorid-Kristall-Linsen
gleich orientiert angeordnet sind. Das Optimierungsverfahren kann
auch einen Zwischenschritt aufweisen. In diesem Zwischenschritt
werden aus den Fluorid-Kristall-Linsen Gruppen gebildet mit Linsen,
die jeweils für
einen äußersten
Aperturstrahl einen ähnlichen
optischen Wegunterschied zwischen zwei zueinander orthogonalen linearen
Polarisationszuständen
erzeugen. In dem nachfolgenden Optimierungsschritt werden dann die
Linsen nur innerhalb der Gruppen gedreht, um die Doppelbrechung
zu reduzieren.
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Das
beschriebene Verfahren lässt
sich besonders dann vorteilhaft einsetzen, wenn neben einer oder mehrerer
Gruppen von (100)-Linsen eine oder mehrere Gruppen von (111)-Linsen in dem Projektionsobjektiv eingesetzt
wird, beziehungsweise werden. Der Optimierungsschritt sieht dann
vor, dass zunächst
die (100)-Linsen derart gedreht werden, dass die durch diese Linsen
hervorgerufene (100)-Doppelberechnung reduziert wird, und dann die
(111)-Linsen derart gedreht werden, dass die durch diese Linsen
hervorgerufene (111)-Doppelberechnung reduziert wird. Die Verteilung
der Fluorid-Kristall-Linsen auf Linsen mit (100)-Orientierung und
(111)-Orientierung muß bei
der Optimierung so erfolgen, daß sich
die resultierende (100)-Doppelbrechung und die resultierende (111)-Doppelbrechung weitgehend
kompensieren.
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Näher erläutert wird
die Erfindung anhand der Zeichnungen.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Fluorid-Kristall-Block senkrecht zu den
{100}-Kristallebenen
zusammen mit einer Linse eines Projektionsobjektives in schematischer
Darstellung;
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2A–B zeigen
je eine planparallele Linse in (100)- und in (111)-Orientierung
in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung;
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3 zeigt
ein Koordinatensystem zur Definition des Öffnungswinkels und des Azimuthalwinkels;
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4A–D zeigen
die Doppelbrechungsverteilung für
(100)-Linsen in verschiedenen Darstellungen;
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5A–D zeigen
die Doppelbrechungsverteilung für
(111)-Linsen in verschiedenen Darstellungen;
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6 zeigt
den Linsenschnitt eines refraktiven Projektionsobjektivs;
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7 zeigt
den Linsenschnitt eines katadioptrischen Projektionsobjektivs; und
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8 zeigt
eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage in schematischer
Darstellung.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen Fluorid-Kristall-Block 3.
Der Schnitt ist so gewählt, dass
die {100}-Kristallebenen 5 als einzelne Linien zu sehen
sind, so dass die {100}-Kristallebenen 5 sich senkrecht
zur Papierebene befinden. Der Fluorid-Kristall-Block 3 dient als Ausgangsmaterial
für die
(100)-Linse 1. In diesem Beispiel ist die (100)-Linse 1 eine
Bikonvex-Linse mit der Linsenachse EA, die zugleich Symmetrieachse
der Linse ist. Die Linse 1 wird nun so aus dem Fluorid-Kristall-Block
herausgearbeitet, daß die
Linsenachse EA senkrecht auf den {100}-Kristallebenen steht.
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In 2A wird
mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, wie die
intrinische Doppelbrechung mit den Kristallrichtungen zusammenhängt, wenn
die Linsenachse EA in <100>-Kristallrichtung weist. Dargestellt
ist eine kreisrunde planparallele Platte 201 aus Kalzium-Fluorid.
Die Linsenachse 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" 203 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° ergeben sich
jeweils minimale Werte der intrinsischen Doppelbrechung. Für einen Öffnungswinkel
von 0° verschwindet die
intrinsische Doppelbrechung.
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In 2B wird
mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, wie die
intrinische Doppelbrechung mit den Kristallrichtungen zusammenhängt, wenn
die Linsenachse EA in <111>-Kristallrichtung weist. Dargestellt
ist eine kreisrunde planparallele Platte 205 aus Kalzium-Fluorid.
Die Linsenachse EA zeigt dabei in <111>-Kristallrichtung. Neben der <111>-Kristallrichtung sind
auch die <011>-, <101>-
und <110>-Kristallrichtungen
als Pfeile dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist schematisch
durch drei "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 <011>-, <101>-
und <110>-Kristallrichtungen,
also für
Lichtstrahlen mit einem Öffnungswinkel
von 35° und
einem Azimuthwinkel von 0°,
120° und
240°. Für Azimuthwinkel
von 60°,
180° und
300° ergeben
sich jeweils minimale Werte der intrinsischen Doppelbrechung. Für einen Öffnungswinkel
von 0° verschwindet
die intrinsische Doppelbrechung.
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Die
Definition von Öffnungswinkel θ und Azimuthwinkel α ist in 3 dargestellt.
Für das
Beispiel von 2 zeigt dabei die z-Achse
in <100>-Kristallrichtung,
die x-Achse in (010)-Kristallrichtung.
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Aus
der zitierten Internetpublikation ist bekannt, dass Messungen 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
ergeben haben. Mit diesem Messwert als Normierungsgröße kann
die Doppelbrechungsverteilungen Δn(θ, α) in Abhängigkeit
der Kristallstruktur theoretisch abgeleitet werden. Dazu werden
die aus der Kristalloptik bekannten Formalismen zur Berechnung der
Indexellipsoide in Abhängigkeit
der Strahlrichtung herangezogen. Die theoretischen Grundlagen sind
beispielsweise im „Lexikon
der Optik", Spektrum
Akademischer Verlag Heidelberg Berlin, 1999 unter dem Stichwort „Kristalloptik" zu finden.
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In 4A ist
die intrinsische Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimuthwinkel α = 0° für eine (100)-Linse
dargestellt. Der Wert für
die intrinsische Doppelbrechung von 6.5 nm/cm bei dem Öffnungswinkels θ = 45° entspricht
dem Messwert. Der Kurvenverlauf wurde gemäß den aus der Kristalloptik
bekannten Formeln bestimmt.
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In 4B ist
die intrinsische Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimuthwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 45° für eine (100)-Linse
dargestellt. Die vierzählige
Symmetrie ist offensichtlich.
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In 4C ist
die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) für einzelne
Strahlrichtungen im (θ, α)-Winkelraum
für eine
(100)-Linse dargestellt. Jede Linie repräsentiert Betrag und Richtung
für eine
durch den Öffnungswinkel θ und den
Azimuthwinkel α definierte
Strahlrichtung. Die Länge
der Linien ist proportional zum Betrag der Doppelbrechung, beziehungsweise
der Differenz der Hauptachsenlängen
der Schnittellipse, während
die Richtung der Linien die Orientierung der längeren Hauptachse der Schnittellipse
angibt.
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Die
Schnittellipse erhält
man, indem man das Indexellipsoid für den Strahl der Richtung (θ, α) mit einer Ebene
schneidet, die senkrecht auf der Strahlrichtung steht und durch
die Mitte des Indexellipsoids geht. Sowohl die Richtungen als auch
die Längen
der Linien zeigen die Vierzähligkeit
der Verteilung. Die Länge
der Linien und damit die Doppelbrechung ist bei den Azimuthwinkeln
0°, 90°, 180° und 270° maximal.
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4D zeigt
nun die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α), die sich ergibt, wenn zwei
benachbarte planparallele (100)-Linsen gleicher Dicke um 45° gedreht
angeordnet werden. Die resulierende Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) ist offensichtlich
unabhängig
vom Azimuthwinkel α.
Die längeren
Hauptachsen der Schnittellipsen verlaufen tangential. Die resultierenden
optischen Wegunterschiede zweier zueinander orthogonaler Polarisationszustände erhält man,
indem man die Doppelbrechungswerte mit der Weglänge innerhalb des Materials
verknüpft.
Ebenfalls rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilungen erhält man,
wenn man n planparallele (100)-Linsen gleicher Dicke derart anordnet,
daß für die Drehwinkel
zwischen je zwei Linsen gilt:
![Figure 00160001](https://patentimages.storage.googleapis.com/88/89/32/19e7b9277595ce/00160001.png)
wobei n die Anzahl der planparallelen
(100)-Linsen angibt und m eine ganze Zahl ist. Im Vergleich zu einer gleichorientierten
Anordnung der Linsen kann der maximale Wert der Doppelbrechung für den Öffnungswinkel θ = 30° um 30% reduziert
werden. Eine rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung ergibt
sich auch für beliebige
Linsen, wenn alle Strahlen eines Strahlbüschels in den Linsen jeweils
gleiche Öffnungswinkel
und gleiche Weglängen
innerhalb der Linsen zurücklegen.
Die Linsen sollten deshalb so zu Gruppen zusammengefaßt werden,
daß die
Strahlen die zuvor angegebene Bedingung so gut wie möglich erfüllen.
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In 5A ist
die intrinsische Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimuthwinkel α = 0° für eine (111)-Linse
dargestellt. Der Wert für
die intrinsische Doppelbrechung von 6.5 nm/cm bei dem Öffnungswinkels θ = 35° entspricht
dem Messwert. Der Kurvenverlauf wurde gemäß den aus der Kristalloptik
bekannten Formeln bestimmt.
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In 5B ist
die intrinsische Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimuthwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 35° für eine (111)-Linse
dargestellt. Die dreizählige
Symmetrie ist offensichtlich.
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5C zeigt
die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) für einzelne
Strahlrichtungen im (θ, α)-Winkelraum
für eine
(111)-Linse in der bereits mit 4C eingeführten Darstellung.
Sowohl die Richtungen als auch die Längen der Linien zeigen die
Dreizähligkeit
der Verteilung. Die Länge
der Linien und damit die Doppelbrechung ist bei den Azimuthwinkeln
0°, 120° und 240° maximal.
Im Gegensatz zu einer (100)-Linse dreht sich die Orientierung der
Doppelbrechung um 90°,
wenn ein Strahl anstatt mit einem Azimuthwinkel von 0° mit einem
Azimuthwinkel von 180° durch
eine Linse läuft.
Somit kann beispielsweise durch zwei gleich orientierte (111)-Linsen
die Doppelbrechung kompensiert werden, wenn die Strahlwinkel eines
Strahlbüschels
zwischen den beiden Linsen ihr Vorzeichen tauschen.
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5D zeigt
nun die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α), die sich ergibt, wenn zwei
benachbarte planparallele (111)-Linsen gleicher Dicke um 60° gedreht
angeordnet werden. Die resulierende Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) ist offensichtlich
unabhängig
vom Azimuthwinkel α.
Die längeren
Hauptachsen der Schnittellipsen verlaufen jedoch im Gegensatz zu
4C radial.
Die resultierenden optischen Wegunterschiede zweier zueinander orthogonaler
Polarisationszustände
erhält
man, indem man die Doppelbrechungswerte mit der Weglänge innerhalb
des Materials verknüpft.
Ebenfalls rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilungen erhält man,
wenn man n planparallele (111)-Linsen gleicher Dicke derart anordnet,
daß für die Drehwinkel
zwischen je zwei Linsen gilt:
wobei k die Anzahl der planparallelen
(111)-Linsen angibt und 1 eine ganze Zahl ist. Im Verleich zu einer
gleichorientierten Anordnung der Linsen kann der Wert der Doppelbrechung
für den Öffnungswinkel θ = 30° um 68% reduziert
werden. Eine rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung ergibt
sich auch für
beliebige Linsen, wenn alle Strahlen eines Strahlbüschels in
den Linsen jeweils gleiche Winkel und gleiche Weglängen innerhalb
der Linsen zurücklegen.
Die Linsen sollten deshalb so zu Gruppen zusammengefaßt werden,
daß die
Strahlen die zuvor angegebene Bedingung so gut wie möglich erfüllen.
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Kombiniert
man nun innerhalb eines Projektionsobjektives Gruppen mit (100)-Linsen
und Gruppen mit (111)-Linsen, so kann die von diesen Linsen eingebrachte
intrinsische Doppelbrechung weitgehend kompensiert werden. Dazu
ist es erforderlich, daß zunächst innerhalb
dieser Gruppen durch Drehung der Linsen eine nahezu rotationssymmetrische
Doppelbrechungsverteilung erzielt wird und dann durch Kombination
einer Gruppe mit (100)-Linsen und einer Gruppe mit (111)-Linsen
sich die beiden Doppelbrechungsverteilungen kompensieren. Dazu nutzt
man aus, daß die
Orientierungen der längeren
Hauptachsen der Schnittellipsen für die Doppelbrechungsverteilung
einer Gruppe mit gedrehten (100)-Linsen senkrecht auf den Orientierungen der
längeren
Hauptachsen der Schnittellipsen für die Doppelbrechungsverteilung
einer Gruppe mit gedrehten (111)-Linsen steht, wie dies den 4D und 5D zu
entnehmen ist. Entscheidend ist dabei, daß zum einen von den einzelnen
Gruppen eine nahezu rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung
erzeugt wird und zum anderen die Summe der Beiträge der Gruppen mit (100)-Linsen
nahezu gleich groß ist
zur Summe der Beiträge
der Gruppen mit (111)-Linsen.
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In 6 ist
der Linsenschnitt eines refraktiven Projektionsobjektivs 611 für die Wellenlänge 157
nm dargestellt. Die optischen Daten für dieses Objektiv sind in Tabelle
1 zusammengestellt. Das Ausführungsbeispiel
ist der Patentanmeldung PCT/EP00/13148 der Anmelderin entnommen
und entspricht dort 7 beziehungsweise Tabelle 6.
Zur näheren
Beschreibung der Funktionsweise des Objektivs wird auf die Patentanmeldung PCT/EP00/13148
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.
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Für das Ausführungsbeispiel
der 6 wurden die Öffnungswinkel θ und Strahlwege
OPL des äußersten
Aperturstrahls 609 für
die einzelnen Linsen L601 bis L630 berechnet. Der äußerste Aperturstrahl 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 äußerste Aperturstrahl 609 wird
deshalb herangezogen, da sich für
ihn nahezu die maximalen Öffnungswinkel innerhalb
der Linsen ergeben.
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Neben
den Öffnungswinkeln θ und den
Weglängen
OPL für
den äußersten
Aperturstrahl sind in Tabelle 2 die optischen Wegunterschiede zwischen
zwei zueinander orthogonalen linearen Polarisatoinszuständen für verschiedene
Linsenorientierungen zusammengestellt. Die optischen Wegunterschiede
sind sowohl für (111)-Linsen
als auch für
(100)-Linsen dargestellt, wobei die Differenzen des Azimuthwinkels αAR des äußersten
Randstrahl zum Azimuthwinkel αL der Linse für eine (111)-Linse 0° und 60°, für eine (100)-Linse
0° und 45° betragen.
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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. Besonders betroffen von
hohen Öffnungswinkeln
sind die der Bildebene am nächsten
gelegenen Linsen L627 bis L630.
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Durch
das Design des Projektionsobjektives wurde erreicht, daß der maximale Öffnungswinkel
aller Lichtstrahlen kleiner 45° ist.
Der maximale Öffnungswinkel
für den äußersten
Aperturstrahl beträgt
39.4° bei der
Linse L628. Hilfreich war der Einsatz von zwei dicken Planlinsen
L629 und L630 unmittelbar vor der Bildebene.
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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.
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Tabelle
2 ist zu entnehmen, daß es
für einzelne
Linsen mit großen Öffnungswinkeln
günstig
ist, diese in (100)-Richtung zu orientieren, da die Doppelbrechungswerte
insgesamt niedriger sind. Dies liegt daran, daß bei (100)-Linsen der Einfluß der <110>-Kristallrichtungen erst bei größeren Winkeln
zu spüren
ist wie bei (111)-Linsen. Beispielsweise bei den Linsen L608, L609
und L617 sind die optischen Wegunterschiede um mehr als 30% niedriger.
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Anhand
der beiden planparallelen Linsen L629 und L630 läßt sich gut zeigen, wie durch
gegenseitige Drehung der Linsen die Doppelbrechung deutlich reduziert
werden kann.
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Beide
Linsen weisen gleiche Öffnungswinkel
für den äußersten
Aperturstrahl von 35.3° und ähnliche Strahlwege
von 27.3 mm, beziehungsweise 26.0 mm auf. Würden beide Linsen als (100)-Linsen
gleich orientiert eingebaut werden, so würde sich ein Optischer Wegunterschied
von 30.7 nm ergeben. Verdreht man die beiden (100)-Linsen jedoch
gegenseitig um 45°,
so reduziert sich der optische Wegunterschied auf 20.9 nm, also
um 32%. Würden
beide Linsen als (111)-Linsen gleich orientiert eingebaut werden,
so würde
sich ein Optischer Wegunterschied von 34.6 nm ergeben. Verdreht
man die beiden (111)-Linsen
jedoch gegenseitig um 60°,
so reduziert sich der optische Wegunterschied auf 13.6 nm, also
um 61%.
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Eine
nahezu vollständige
Kompensation der optischen Wegdifferenzen für zwei aufeinander orthogonale
lineare Polarisationszustände
auf Grund der intrinsischen Doppelbrechung, die durch die Linsen
L629 und L630 hervorgerufen wird, kann erreicht werden, wenn die
Linse L629 in die Linsen L6291 und L6292 und die Linse L630 in die
Linsen L6301 und L6302 aufgespalten wird, wobei die Linse L6291
eine (100)-Linse der Dicke 9.15 mm, die Linse L6292 eine (111)-Linse
der Dicke 13.11 mm, die Linse L6301 eine (100)-Linse der Dicke 8.33
mm und die Linse L6302 eine (111)-Linse der Dicke 12.9 nm ist. Die
Linse L6291 und L6301 werden gegeneinander um 45°, die Linsen L6292 und L6302
um 60° gedreht.
Der resultierende maximale optische Wegunterschied beträgt in diesem
Fall dann 0.2 nm. Die Linsen L6291 und L6292, ebenso wie die Linsen
L6301 und L6302 können
optisch nahtlos, beispielsweise durch Ansprengen, gefügt werden.
Dieses Prinzip ist auch anwendbar, wenn das Projektionsobjektiv
nur eine Kristall-Linse
enthält.
Diese wird dann mindestens in zwei Linsen zerlegt, die zueinander
gedreht angeordnet werden. Das Zusammenfügen ist durch Ansprengen möglich. Eine
weitere Möglich
besteht darin, zunächst
einzelne Platten der gewünschten
Kristallorientierung optisch nahtlos zu verbinden und in einem weiteren
Verfahrensschritt die Linse aus den aneinandergefügten Platten
zu fertigen.
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In 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/EP00/13148 der Anmelderin entnommen
und entspricht dort 9 beziehungsweise
Tabelle 8. Zur näheren
Beschreibung der Funktionsweise des Objektivs wird auf die Patentanmeldung
PCT/EP00/13148 verwiesen. Alle Linsen dieses Objektivs bestehen
aus Kalzium-Fluorid-Kristall.
Die bildseitige numerische Apertur des Objektivs beträgt 0.8.
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Für das Ausführungsbeispiel
der 7 wurden die Öffnungswinkel θ und Strahlwege
OPL des oberen äußersten Aperturstrahls 713 und
des unteren äußersten
Aperturstrahls 715 für
die einzelnen Linsen L801 bis L817 berechnet. Die äußersten
Aperturstrahlen 713 und 715 gehen dabei von dem
Objektpunkt mit den Koordinaten x = 0 mm und y = –82.15 mm
aus und weisen in der Bildebene Winkel bezüglich der optischen Achse auf,
welche der bildseitigen numerischen Apertur entsprechen. Der obere
und der untere äußerste Aperturstrahl
wurden berechnet, da es sich um ein achsfernes Objektfeld handelt
und somit die Aperturstrahlen nicht symmetrisch zur optischen Achse
verlaufen, wie dies für
den äußersten
Aperturstrahl des Ausführungsbeispiels
der 6 der Fall war.
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In
Tabelle 4 sind die Daten für
den oberen äußersten
Aperturstrahl und in Tabelle 5 für
den unteren äußersten
Aperturstrahl zusammengestellt.
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Tabelle
4 und Tabelle 5 ist zu entnehmen, dass die Öffnungswinkel θ für die Linsen
L815 bis L817 größer als
25° sind.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel
weisen die der Bildebene am nächsten
gelegenen Linsen L815 bis L817 große Öffnungswinkel auf. Durch das
Design der Linsen L815 bis L817 wurde erreicht, daß der maximale Öffnungswinkel
kleiner gleich
ist. Der maximale Öffnungswinkel
für den äußersten
Aperturstrahl beträgt
30.8° für die Linse
L817.
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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.
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Tabelle
4 und Tabelle 5 ist zu entnehmen, daß es für Linsen mit großen Öffnungswinkeln
günstig
ist, diese in (100)-Richtung zu orientieren, da die Doppelbrechungswerte
insgesamt niedriger sind. Beispielsweise bei den Linsen L815 bis
L817 sind die optischen Wegunterschiede um mehr als 20% niedriger.
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Anhand
des Ausführungsbeispiels
der 7 soll im folgenden gezeigt werden, wie durch
den parallelen Einsatz von Gruppen mit gegeneinander verdrehten
(100)-Linsen und Gruppen mit gegeneinander verdrehten (111)-Linsen
die intrinsische Doppelbrechung weitgehend kompensiert werden kann.
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Zunächst werden
alle Kalzium-Fluorid in (111)-Orientierung ohne gegenseitiges Verdrehen
der (111)-Linsen eingebaut. In diesem Fall ergibt sich ein maximaler
optischer Wegunterschied für
zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände von
136 nm. Durch Drehen der (111)-Linsen kann der maximale optische
Wegunterschied auf ca. 38 nm reduziert werden. Dazu werden die Linsen
L801 und L804 zu einer Gruppe und die Linsen L802 und L803 zu einer
weiteren Gruppe zusammengefaßt,
wobei der Drehwinkel zwischen den Linsen jeweils 60° betragen.
Zu je einer Dreier-Gruppe werden die Linsen L808, L809 und L810,
sowie die Linsen L815, L816 und L817 zusammengefaßt, wobei
der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 40° beträgt. Die Linsen L811, L812,
L813 und L814 werden zu einer Vierer-Gruppe zusammengefaßt mit einem
Drehwinkel von 30°.
-
Werden
alle Kalzium-Fluorid in (100)-Orientierung ohne gegenseitiges Verdrehen
der (100)-Linsen eingebaut, so ergibt sich ein maximaler optischer
Wegunterschied für
zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände von
90.6 nm. Durch Drehen der (100)-Linsen kann der maximale optische
Wegunterschied auf ca. 40 nm reduziert werden. Dazu werden die Linsen
L801 und L804 zu einer Gruppe und die Linsen L802 und L803 zu einer
weiteren Gruppe zusammengefaßt,
wobei der Drehwinkel zwischen den Linsen jeweils 45° betragen.
Zu je einer Dreier-Gruppe werden die Linsen L808, L809 und L810,
sowie die Linsen L815, L816 und L817 zusammengefaßt, wobei
der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 30° beträgt. Die Linsen L811, L812,
L813 und L814 werden zu einer Vierer-Gruppe zusammengefaßt mit einem
Drehwinkel von 22.5°.
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Eine
maximalen optischen Wegunterschied für zwei zueinander orthogonale
lineare Polarisationszustände
von 7 nm erhält
man, wenn man nun Gruppen mit (100)-Linsen mit Gruppen mit (111)-Linsen
kombiniert. Dazu werden die Linsen L801 und L804 zu einer Gruppe
von (111)-Linsen zusammengefaßt,
wobei der Drehwinkel zwischen den Linsen 60° beträgt. Die Linsen L802 und L803
werden zu einer Gruppe von (100)-Linsen zusammengefaßt, wobei
der Drehwinkel zwischen den Linsen 45° beträgt. Zu einer Dreier-Gruppe von (100)-Linsen
werden die Linsen L808, L809 und L810 zusammengefaßt, wobei
der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 30° beträgt. Zu einer Dreier-Gruppe
von (111)-Linsen werden die Linsen L815, L816 und L817 zusammengefaßt, wobei
der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 40° beträgt. Die Linsen L811, L812,
L813 und L814 werden zu einer Vierer-Gruppe von (100)-Linsen zusammengefaßt mit einem Drehwinkel
von 22.5°.
Die Linsenachsen der nicht zu einer Gruppe zusammengefaßten Linsen
L805 und L807 sind in <111>-Kristallrichtung orientiert,
während
die Linsenachse der Linsen L806 in <100>-Kristallrichtung
orientiert ist.
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Um
Doppelbrechung von Kristallen im UV zu kompensieren, kann man, wie
oben beschrieben, Kristall-Elemente mit verschiedenen Orientierungen
der Kristallachsen hintereinander anordnen. Wenn man in einem optischen
System Linsen mit verschiedenen Kristallrichtungen hintereinander
anordnet, hat man das Problem, dass vielfach Linsen mit verschiedenen
Winkeln durchstrahlt werden, die Kompensation dann möglicherweise
nur eingeschränkt
möglich
ist. Bei Optiken, die nur eine Kristalllinse enthalten, ist diese
Art der Kompensation überhaupt
nicht möglich.
-
Ein
Lösungsmöglichkeit
ist es, eine Linse konstruktiv in zwei aufzuspalten, die verdreht
gegeneinander anzusprengen sind. Praktisch leidet dieses Verfahren
an Spannungen, die die Passe verformen und daran, dass die beiden
Hälfen
lateral mit einer Genauigkeit von Mikrometern positioniert werden
müssen.
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Vorgeschlagen
wird, Blanks aus aneinander angesprengten, hinsichtlich der Orientierung
der Kristallachsen gegeneinander verdrehten Einzelplatten herzustellen,
die dann zu einer Linse gefräst
und poliert werden. Alles obengesagte über die Orientierung gilt auch
hierfür.
Außer
dem klassischen Ansprengen (wringing) der Optik-Fertigung sind auch
alle anderen Fügetechniken
mit innigem Kontakt und geringstmöglichem Spannungseintrag möglich und
von der Erfindung umfaßt.
Das Ansprengen kann insbesondere durch Schichten, z. B. aus Quarzglas,
unterstützt
werden. Wichtig ist, daß an
der Fügestelle
keine Brechung oder Reflexion auftritt, die störend wäre.
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Die
Auswahl der Orientierungen erfolgt nach den oben beschriebenen Regeln.
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Anhand
von 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 6 und 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.
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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
6 und
7 gezeigten
Ausführungsbeispielen
lassen sich Auflösungen
kleiner 150 nm realisieren. Deshalb müssen auch Effekte wie die intrinsische
Doppelbrechung minimiert werden. 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
Wellenlänge und Brechzahl sind gegenüber Vakuum
angegeben. ASPHAERISCHE
KONSTANTEN Asphäre der Linse
L601
K | 0.0000 |
C1 | 1.28594437e-007 |
C2 | 8.50731836e-013 |
C3 | 1.16375620e-016 |
C4 | 2.28674275e-019 |
C5 | –1.23202729e-022 |
C6 | 3.32056239e-026 |
C7 | –4.28323389e-030 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L604
K | –1.3312 |
C1 | –4.03355456e-007 |
C2 | 2.25776586e-011 |
C3 | –2.19259878e-014 |
C4 | 4.32573397e-018 |
C5 | –7.92477159e-022 |
C6 | 7.57618874e-026 |
C7 | –7.14962797e-030 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L605
K | –1.1417 |
C1 | 1.33637337e-007 |
C2 | 1.56787758e-011 |
C3 | –1.64362484e-014 |
C4 | 3.59793786e-018 |
C5 | –5.11312568e-022 |
C6 | 1.70636633e-026 |
C7 | 1.82384731e-030 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L607
K | 0.0000 |
C1 | 1.34745120e-007 |
C2 | –2.19807543e-011 |
C3 | 1.20275881e-015 |
C4 | 4.39597377e-020 |
C5 | –2.37132819e-023 |
C6 | 2.87510939e-027 |
C7 | –1.42065162e-031 |
C8 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L609
K | 0.0000 |
C1 | 6.85760526e-009 |
C2 | –4.84524868e-013 |
C3 | –6.28751350e-018 |
C4 | –3.72607209e-022 |
C5 | 3.25276841e-026 |
C6 | –4.05509974e-033 |
C7 | –3.98843079e-035 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L613
K | 0.0000 |
C1 | 2.24737416e-008 |
C2 | –4.45043770e-013 |
C3 | –4.10272049e-017 |
C4 | 4.31632628e-021 |
C5 | –3.27538237e-025 |
C6 | 1.44053025e-029 |
C7 | –2.76858490e-034 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L616
K | 0.0000 |
C1 | –2.83553693e-008 |
C2 | –1.12122261e-011 |
C3 | –2.05192812e-016 |
C4 | –1.55525080e-020 |
C5 | –4.77093112e-024 |
C6 | 8.39331135e-028 |
C7 | –8.97313681e-032 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L622
K | 0.0421 |
C1 | 7.07310826e-010 |
C2 | –2.00157185e-014 |
C3 | –9.33825109e-020 |
C4 | 1.27125854e-024 |
C5 | 1.94008709e-027 |
C6 | –6.11989858e-032 |
C7 | 2.92367322e-036 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L624
K | 0.0000 |
C1 | 3.02835805e-010 |
C2 | –2.40489062e-014 |
C3 | –3.22339189e-019 |
C4 | 1.64516979e-022 |
C5 | –8.51268614e-027 |
C6 | 2.09276792e-031 |
C7 | –4.74605669e-036 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L625
K | 0.0000 |
C1 | –3.99248993e-010 |
C2 | 5.79276562e-014 |
C3 | 3.53241478e-018 |
C4 | –4.57872308e-023 |
C5 | –6.29695208e-027 |
C6 | 1.57844931e-031 |
C7 | –2.19266130e-036 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L628
K | 0.0000 |
C1 | 4.40737732e-008 |
C2 | 1.52385268e-012 |
C3 | –5.44510329e-016 |
C9 | 6.32549789e-020 |
C5 | –4.58358203e-024 |
C6 | 1.92230388e-028 |
C7 | –3.11311258e-033 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
TABELLE
3
ASPHAERISCHE
KONSTANTEN Asphäre der Linse
L801
K | 0.0000 |
C1 | 4.90231706e-009 |
C2 | 3.08634889e-014 |
C3 | –9.53005325e-019 |
C4 | –6.06316417e-024 |
C5 | 6.11462814e-028 |
C6 | –8.64346302e-032 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L803
K | 0.0000 |
C1 | –5.33460884e-009 |
C2 | 9.73867225e-014 |
C3 | –3.28422058e-018 |
C4 | 1.50550421e-022 |
C5 | 0.00000000e+000 |
C6 | 0.00000000e+000 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L803`
K | 0.0000 |
C1 | 5.33460884e-009 |
C2 | –9.73867225e-014 |
C3 | 3.28422058e-018 |
C4 | –1.50550421e-022 |
C5 | 0.00000000e+000 |
C6 | 0.00000000e+000 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L805
K | 0.0000 |
C1 | 2.42569449e-009 |
C2 | 3.96137865e-014 |
C3 | –2.47855149e-018 |
C4 | 7.95092779e-023 |
C5 | 0.00000000e+000 |
C6 | 0.00000000e+000 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L806
K | 0.0000 |
C1 | –6.74111232e-009 |
C2 | –2.57289693e-014 |
C3 | –2.81309020e-018 |
C4 | 6.70057831e-023 |
C5 | 5.06272344e-028 |
C6 | –4.81282974e-032 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L811
K | 0.0000 |
C1 | 2.28889624e-008 |
C2 | –1.88390559e-014 |
C3 | 2.86010656e-017 |
C4 | –3.18575336e-021 |
C5 | 1.45886017e-025 |
C6 | –1.08492931e-029 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L813
K | 0.0000 |
C1 | 3.40212872e-008 |
C2 | –1.08008877e-012 |
C3 | 4.33814531e-017 |
C4 | –7.40125614e-021 |
C5 | 5.66856812e-025 |
C6 | 0.00000000e+000 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L815
K | 0.0000 |
C1 | –3.15395039e-008 |
C2 | 4.30010133e-012 |
C3 | 3.11663337e-016 |
C4 | –3.64089769e-020 |
C5 | 1.06073268e-024 |
C6 | 0.00000000e+000 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L816
K | 0.0000 |
C1 | –2.16579623e-008 |
C2 | –6.67182801e-013 |
C3 | 4.46519932e-016 |
C4 | –3.71571535e-020 |
C5 | 0.00000000e+000 |
C6 | 0.00000000e+000 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |
Asphäre der Linse
L817
K | 0.0000 |
C1 | 2.15121397e-008 |
C2 | –1.65301726e-011 |
C3 | –5.03883747e-015 |
C4 | 1.03441815e-017 |
C5 | –6.29122773e-021 |
C6 | 1.44097714e-024 |
C7 | 0.00000000e+000 |
C8 | 0.00000000e+000 |
C9 | 0.00000000e+000 |