DE102005057909A1

DE102005057909A1 - Optisches Element mit doppelbrechender Beschichtung

Info

Publication number: DE102005057909A1
Application number: DE200510057909
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Schuster
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft den Einsatz doppelbrechender Teilschichten in Beschichtungen auf optischen Elementen, insbesondere für Mikrolithograpieobjektive. Dabei finden Zwischenschichten zur Verbesserung des Kristallwachstums Anwendung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element mit einer Beschichtung mit Doppelbrechungseigenschaften, ein Herstellungsverfahren dazu sowie ein mit einem solchen optischen Element ausgestattetes Mikrolithographieobjektiv.

Stand der Technik

In verschiedenen optischen Gebieten, beispielsweise in der Projektionslithographie, bei Interferometern oder bei Kamerafiltern, sind optische Elemente mit doppelbrechenden Eigenschaften von Interesse. Dies betrifft sowohl die Korrektur von störenden doppelbrechenden Eigenschaften anderer Teile eines optischen Systems und im Einzelfall auch des hier angesprochenen optischen Elements selbst, als auch den Fall des bewussten Einbringens doppelbrechender Eigenschaften wie bei λ/4- oder λ/2-Platten, Polfiltern und dgl. Speziell im Bereich der Mikrolithographie können bei verschiedenen Materialien, etwa dem bei Arbeitswellenlängen von unter 250 nm eingesetzten CaF₂, Doppelbrechungseffekte auftreten, im Fall des CaF₂ die sog. intrinsische Doppelbrechung, die bei hohen Auflösungen zu Kontrastverlusten führt. Es kann aber auch durch mechanische Spannungen zu Doppelbrechungsphänomenen kommen. Ferner können doppelbrechende optische Materialien in bestimmten Teilen eines optischen Systems wegen oder trotz ihrer doppelbrechenden Eigenschaften Einsatz finden, so dass eine Korrektur oder Feinabstimmung erforderlich sein kann. In all diesen Fällen sind Beschichtungen mit doppelbrechenden Eigenschaften auf optischen Elementen, also Linsen, Spiegeln, planparallelen Platten und dgl., von Interesse.

Der Begriff der kristallinen Beschichtung mit Doppelbrechungseigenschaften bezieht sich hier auf die verschiedensten denkbaren doppelbrechenden Schichten mit kristalliner Struktur einschl. polykristalliner und mikrokristalliner Schichten. Im Besonderen sind aber doppelbrechende kristalline Schichten bekannt, die in Folge einer besonderen Wahl der Abscheidungsbedingungen, etwa beim schrägen Aufdampfen, in Säulenstrukturen aufwachsen und in Folge der Säulenstruktur bestimmte und für die technische Anwendung interessante doppelbrechende Eigenschaften zeigen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die technischen Einsatzmöglichkeiten doppelbrechender Beschichtungen in der Optik zu verbessern.

Die Erfindung bezieht sich hierzu auf ein optisches Element mit einer im Wesentlichen unter einem schrägen Winkel auf einer Oberfläche des optischen Elements aufgebrachten kristallinen Beschichtung, die Doppelbrechungseigenschaften hat und bei der eine optische Achse unter einem nahezu einheitlichen schrägen Winkel zur Oberflächennormalen steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mindestens zwei übereinander aufgebrachte Teilschichten aufweist und die Teilschichten voneinander durch eine Zwischenschicht getrennt sind, die das kristalline Wachstum der oberen auf der unteren Teilschicht mit zueinander gewinkelten optischen Achsen der Teilschichten erleichtert.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf verschiedene Aspekte eines Herstellungsverfahrens für ein solches optisches Element und schließlich auf ein mit einem solchen optischen Element ausgestattetes Mikrolithographieobjektiv. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in der folgenden Beschreibung einschl. der Beschreibung der Ausführungsbeispiele offenbarten Merkmale können grundsätzlich auch unabhängig voneinander und in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein und beziehen sich implizit grundsätzlich sowohl auf die Vorrichtungskategorie als auch auf die Verfahrenskategorie der Erfindung.

Die Erfindung geht von einem mit einer doppelbrechenden Beschichtung versehenen optischen Element aus. Daraus ergibt sich zunächst der Vorteil, auch in sog. nullter Ordnung arbeiten zu können, die Doppelbrechungseigenschaften also nicht nur bei selbsttragenden doppelbrechenden Kristallplatten ausnutzen zu können, in deren Plattenstärke eine große Zahl von Wellenlängen passt, sondern mit entsprechend angepassten geringen Schichtdicken arbeiten zu können. Die Erfindung ist dabei aber nicht auf die nullte Ordnung eingeschränkt, sondern erlaubt durch die Beschichtung eines tragenden optischen Elements zunächst nur einen entsprechend größeren Spielraum.

Ferner ist die erfindungsgemäße Beschichtung in zumindest zwei Teilschichten unterteilt, in denen die optische Achse der Doppelbrechung bzw. bei den hier ungebräuchlicheren zweiachsigen Systemen eine der optischen Achsen, zueinander gewinkelt liegt. Damit lassen sich insgesamt vielfältigere Abstimmungen der doppelbrechenden Eigenschaften des optischen Elements erzielen. Insbesondere können die zumindest zwei Teilschichten so ausgelegt werden, dass sich bestimmte ungewünschte Eigenschaften der Teilschichten gegenseitig zumindest teilweise kompensieren und evtl. weitere Eigenschaften gegenseitig zumindest teilweise verstärken. Insbesondere können polare und/oder azimutale Winkelabhängigkeiten der doppelbrechenden Eigenschaften und deren Unterschiede zwischen den beiden Teilschichten ausgenutzt werden, insbesondere zwischen den beiden Teilschichten zumindest teilweise ausgeglichen und abgeschwächt werden.

Um die beiden kristallinen Teilschichten in günstiger Weise kombinieren zu können, ist erfindungsgemäß ferner eine Zwischenschicht vorgesehen, die das kristalline Wachstum der oberen auf der unteren Teilschicht erleichtert. Hierbei ist zunächst festzustellen, dass der Begriff der kristallinen Beschichtung oder Teilschicht auch mikrokristalline und polykristalline Schichten mit umfasst, jedoch natürlich keine amorphen Schichten. Die Zwischenschicht soll dementsprechend eine Vermittlung zwischen den beiden Kristallstrukturen im Hinblick auf die zueinander gewinkelten optischen Achsen und die daher nicht identisch ausgerichteten Kristallstrukturen erlauben. Die Zwischenschicht soll folglich zu beiden gewünschten Kristallstrukturen günstige Oberflächen anbieten, also in gewisser Weise in Bezug auf die zu vermittelnden Kristallachsen symmetrisch sein.

Besonders bevorzugt ist dabei eine amorphe Zwischenschicht, auf der die obere Teilschicht im Wesentlichen ohne Einfluss der darunter liegenden unteren Teilschicht aufwachsen kann. Eine günstige Wahl ist eine amorphe Quarzschicht.

Eine technisch attraktive Möglichkeit für doppelbrechende Schichten sind solche mit einer ausgeprägten Säulenstruktur, die durch eine ausgezeichnete Richtung dieser Säulenstruktur eine zur Oberflächenormalen schräge optische Achse definieren. Solche Säulenstrukturen können der intrinsischen Kristallstruktur des betreffenden Mate rials entsprechen, aber auch unter ganz bestimmten Wachstumsbedingungen entstehen, worauf später noch eingegangen wird. Die optische Achse wird hierbei also durch die Hauptachse der doppelbrechenden Wirkung aus der anisotropen Säulenstruktur gebildet, wobei die Säulenstruktur und eventuelle entsprechend gerichtete Hohlräume hierbei lediglich den Hauptbeitrag zur doppelbrechenden Anisotropie ausmachen. Die (eventuelle) Doppelbrechung des Kristallmaterials selbst liefert einen vergleichsweise deutlich geringeren Beitrag.

Zur Kompensation der Winkelabhängigkeit doppelbrechender Eigenschaften und auch aus anderen Gründen kann es besonders günstig sein, die optischen Achsen hinsichtlich ihrer jeweiligen Projektion auf die Oberfläche unter etwa 180° zueinander zu orientieren, sie also hinsichtlich des azimutalen Winkels entgegengesetzt zueinander auszurichten. Die polare Orientierung kann günstiger Weise so gewählt werden, dass die optischen Achsen eine Winkel von zwischen 30° und 150°, bevorzugt zwischen 60° und 120° und besonders bevorzugt zwischen 75° und 105° zueinander bilden.

Wichtige Materialien für die erfindungsgemäßen Teilschichten sind MgF₂ und LaF₃, wobei MgF₂ ein eher niedrigbrechendes Material und LaF₃ ein eher hochbrechendes Material ist, wobei MgF₂ positiv doppelbrechend und LaF₃ negativ doppelbrechend ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind auch mehr als zwei, etwa vier, Teilschichten vorgesehen.

Dabei können beispielsweise Materialien mit positiven und negativen doppelbrechenden Eigenschaften kombiniert werden. Insbesondere können Teilschichtenpaare mit jeweils einheitlichen doppelbrechenden Eigenschaften, jedoch zueinander gewinkelten optischen Achsen vorliegen, wobei die Projektionen der optischen Achsen, wie oben bereits erläutert, vorzugsweise paarweise unter 180° zueinander stehen und im Übrigen betragsidentische Winkel zur Oberflächennormalen auftreten.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform mit vier Teilschichten stehen die Projektionen der optischen Achsen auf die Oberfläche ebenfalls paarweise unter 180° zueinander, in anderer Paarkombination jedoch unter 90° zueinander, und haben paarweise (und zwar in den um 180° verdrehten Paaren) betragsidentische Winkel der optischen Achse zur Oberflächennormalen. Dabei sind die doppelbrechenden Eigenschaften aller Teilschichten vorzeichengleich. Es können sogar gleiche doppelbrechende Eigenschaften und insbesondere gleiche Materialien überhaupt in allen Teilschichten vorliegen und alle vier Winkel der optischen Achse zur Oberflächennormalen betragsidentisch sein.

Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen mit vier Teilschichten werden unterschiedliche Brechungsindices der Teilschichten verwendet, insbesondere jeweils paarweise verschiedene Brechungsindices. Vorzugsweise sind dabei wieder die Projektionen der optischen Achsen auf die Oberfläche innerhalb der Paare mit gleichem Brechungsindex um 180° zueinander verdreht.

Im Übrigen wird zur Veranschaulichung auf die Ausführungsbeispiele verwiesen. Vorsorglich wird darauf hingewiesen, dass der Erfindungsaspekt einer Kombination von mindestens drei doppelbrechenden Teilschichten einschl. der im Folgenden noch erläuterten optionalen Ausgestaltungen auch unabhängig von dem Vorhandensein einer Zwischenschicht zwischen den Teilschichten, etwa einer amorphen Quarzzwischenschicht, offenbart sein soll. Die Anmelderin behält sich die Aufstellung entsprechender Ansprüche vor.

Eine bevorzugte Oberfläche eines optischen Elements für eine solche Beschichtung ist plan. Es vereinfacht die Herstellung von Beschichtungen mit, innerhalb einer Teilschicht, im Wesentlichen konstanter Orientierung der optischen Achse relativ zur Oberfläche, wenn die Oberfläche plan ist. Allerdings richtet sich die Erfindung auch auf gewölbte Oberflächen, wobei der Winkel der optischen Achsen im Wesentlichen konstant zur jeweiligen Oberflächenorientierung sein kann, aber nicht notwendigerweise sein muss. Die doppelbrechenden Eigenschaften können dann also auch abhängig von der jeweiligen Orientierung der Oberfläche (bezogen auf jeweils gleiche Einfallswinkel der Lichtstrahlen) variieren. Als plane Oberflächen kommen sowohl Oberflächen plankonvexer oder plankonkaver Linsen als auch Oberflächen planparalleler Platten und Wechselplatten in Betracht.

Eine typische Anwendung für die Erfindung liegt bei sog. λ/4- oder λ/2-Platten, wobei sich der Begriff "Platte" dabei auf die optische Wirkung der Beschichtung und nicht notwendigerweise auf das optische Element insgesamt bezieht. Es kann also auch eine doppelbrechende "Platte" als Beschichtung auf einer Linse aufgebracht sein.

Weiterhin richtet sich die Erfindung bevorzugt auf Mikrolithographieobjektive, vor allem im Wellenlängenbereich von 193 nm, 248 nm und 157 nm. Ein beispielhafter Anwendungsfall dabei sind letzte Linsen von Immersionslithographieobjektiven, wie bei den Ausführungsbeispielen veranschaulicht.

Es wurde bereits erwähnt, dass bestimmte Herstellungsbedingungen für die doppelbrechenden Eigenschaften erfindungsgemäßer Beschichtungen wesentlich sein können. Vorzugweise werden erfindungsgemäße Beschichtungen aus der Gasphase abgeschieden. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung solcher Schichten durch Aufdampfen unter einem schrägen Winkel zur Oberflächenormalen. Unter solchen Bedingungen können sich besondere Kristallstrukturen der Beschichtungen und Orientierung dieser Kristallstrukturen relativ zur Oberfläche ausbilden. Insbesondere können sich Schichten mit optischen Achsen bilden, die im Wesentlichen parallel zur Aufdampfrichtung liegen. Das kann durch Säulenwachstum in dieser Richtung geschehen.

Grundsätzlich gilt, dass je flacher die Oberflächen sind, umso leichter auch eine einheitliche Orientierung der Säulenstruktur gelingt. Daher kommen vorzugsweise auch gekrümmte, aber relativ flache Oberflächen, etwa im Eingangsbereich oder im Aperturbereich eines Objektivs, in Betracht. Allerdings kann bei deutlich gekrümmten Linsen- oder Spiegeloberflächen die sich dadurch ergebende Richtungsänderung beim Bedampfen auch miteinbezogen und näherungsweise kompensiert werden, etwa indem mit Blenden und variabler Geometrie bedampft wird.

Nach der Herstellung einer solchen kristallinen Beschichtung sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens vor, einen Teil der Beschichtung wieder abzutragen, insbesondere die Materialstärke der Beschichtung durch ein abtragendes Verfahren fein zu justieren. In Betracht kommt hier das für optische Beschichtungen bei Anwendungen in der Mikrolithographie bereits eingeführte IBF- Verfahren (Ion Beam Figuring), das hier vorzugsweise verweilzeitgesteuert verwendet wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es zu keinem mechanischen Kontakt mit der empfindlichen Schicht kommt.

Hier wird wiederum vorsorglich festgestellt, dass der Erfindungsaspekt einer nachträglichen Feinjustierung der Materialstärke einer doppelbrechenden Schicht auf einem optischen Element ebenfalls unabhängig von dem Vorhandensein von Zwischenschichten zwischen den Teilschichten oder überhaupt von dem Vorhandensein einer Mehrzahl Teilschichten wesentlich sein kann. Die Anmelderin behält sich auch hier die Aufstellung entsprechender Ansprüche vor.

Vorzugsweise wird vor dem materialabtragenden Feinjustieren eine optische Vermessung durchgeführt, und zwar wiederum vorzugsweise unter Lichtdurchtritt durch die Beschichtung. Hier kommen insbesondere interferometrische Verfahren in Betracht.

Es kann ferner günstig sein, das optische Element azimutal zu markieren, um bei der weiteren Bearbeitung oder Vermessung oder auch beim Einbau leicht und schnell auf die Orientierung der optischen Achsen schließen zu können.

Ein weiterer Erfindungsaspekt besteht darin, eine Schichtdickenmodulation nicht oder nicht nur der optisch doppelbrechenden Beschichtung, sondern einer anderen optisch isotropen Schicht des optischen Elements vorzusehen. Diese Schichtdickenmodulation ist dabei so ausgelegt, dass sie eine optische Weglängenmodulation der doppelbrechenden Beschichtung (zumindest teilweise) kompensiert. Es kann abhängig vom Durchtrittswinkel und/oder abhängig von Schichtdickenschwankungen doppelbrechender Beschichtungen zu unerwünschten Weglängenmodulationen durchtretender Lichtstrahlen kommen. Diese lassen sich durch die hier angesprochene kompensierende Weglängenmodulation in einem optisch isotropen Medium abschwächen oder aufheben, ohne auf die doppelbrechenden Eigenschaften direkt Einfluss zu nehmen. Auch für diesen Erfindungsaspekt behält sich die Anmelderin die Aufstellung unabhängiger Ansprüche vor; er kann also auch unabhängig von dem Vorhandensein einer Zwischenschicht zwischen Teilschichten, dem Vorhandensein von Teilschichten überhaupt, oder der materialabtragenden Feinjustage doppelbre chender Beschichtungen wesentlich sein, eignet sich aber besonders gut für eine Kombination damit.

Diese optisch isotrope Schicht kann auch in dem optischen Element selbst liegen, also beispielsweise der Linsenkörper sein. Dabei kann insbesondere die Substratoberfläche materialabhebend bearbeitet werden, um die entsprechende Schichtdickenmodulation zu erzielen. Dies betrifft insbesondere diejenige Oberfläche, auf der danach die doppelbrechende Beschichtung aufgebracht wird. Bevorzugt ist jedoch eine separate Schicht, insbesondere eine Quarzschicht. Dabei kann es sich auch um die bereits erwähnte Zwischenschicht zwischen den Teilschichten handeln.

Die optisch isotrope Zwischenschicht oder eine andere eigens aufgebrachte optisch isotrope Schicht zur Weglängenmodulation kann im Prinzip schon bei der Abscheidung schichtdickenmoduliert werden. Bevorzugt ist jedoch, die eigentliche Schichtdickenmodulation durch eine nachträgliche materialabtragende Bearbeitung herzustellen, etwa durch IBF, vorzugsweise verweilzeitgesteuert.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zunächst eine doppelbrechende Beschichtung in der bereits erwähnten Weise fein justiert und dann die durch den entsprechenden Materialabtrag oberflächenmodulierte Oberfläche mit der optisch isotropen Schicht aufgefüllt. Diese optisch isotrope Schicht kann dann wiederum materialabtragend moduliert werden, um die erwähnte Weglängenmodulation zu erzielen. Auf dieser Schicht kann dann bei Bedarf auch eine weitere doppelbrechende Teilschicht abgeschieden werden.

Wichtige Anwendungsgebiete für die Erfindung sind die Mikrolithographie im Allgemeinen, speziell Projektionsobjektive in diesem Bereich, und besonders bevorzugter Weise letzte Linsen, also dem Target zugewandte Endlinsen, eines Projektionsobjektivs.

Im Übrigen wird zur Veranschaulichung auf die folgenden Ausführungsbeispiele verwiesen, deren Einzelmerkmale, wie eingangs bereits festgestellt, auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sind und sich sowohl auf die Vorrichtungs- als auch auf die Verfahrenskategorie der Erfindung beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch zwei seitliche Aufrissdarstellungen einer Aufdampfanlage zur Herstellung erfindungsgemäßer optischer Elemente.
2 zeigt eine entsprechend 1 hergestellte Beschichtung eines optischen Elements.
3 zeigt in zwei Diagrammen die Abhängigkeit der relativen Phasenverzögerung vom Winkel im Material in Schichten gemäß 2.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Doppelschichtstruktur mit einer Quarzzwischenschicht zwischen den beiden Teilschichten.
5 zeigt eine Beschichtung mit vier Teilschichten.
6 zeigt eine weitere Beschichtung mit vier Teilschichten.
7 zeigt noch ein weiteres Beispiel mit vier Teilschichten.
8 zeigt eine letzte Linse eines Immersionslithographieobjektivs mit sechs Teilschichten.
9 zeigt eine einzelne doppelbrechende Teilschicht mit einem Dickenprofil.
10 zeigt die Teilschicht aus 9 mit einer zusätzlichen Zwischenschicht.
11 zeigt eine weitere Teilschicht und eine weitere Zwischenschicht auf dem Schichtpaket aus 10.
12 zeigt eine planparallele Platte mit beidseitig doppelbrechenden Teilschichten und einer jeweiligen Zwischenschicht.
13 zeigt ein Beispiel mit einem Substrat mit Dickenprofil sowie vier doppelbrechenden Teilschichten.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Bei den im Folgenden im Einzelnen dargestellten Ausführungsbeispielen wird von den an sich im Stand der Technik bereits bekannten doppelbrechenden Beschichtungen ausgegangen, die durch schräges Aufdampfen typischer Materialien, insbesondere LaF₃ und Mg₂ hergestellt werden. Weitere Beispiele sind CeF₃, PrF₃ und NdF₃.
Ferner wird von Anwendungen in der Projektionslithographie ausgegangen, bei denen immer wieder Phasenverzögerungen gebraucht werden. Diese werden oftmals durch dünne doppelbrechende Kristallplatten realisiert, die jedoch aufwendig herzustellen sind und als Kristallplatten höherer Ordnung mit einer Dicke von Größenordnungsmäßig 100 μm eine außerordentlich große Winkelempfindlichkeit in ihren optischen Eigenschaften aufweisen. Eine Platte nullter Ordnung wiederum ist vergleichsweise wenig winkelempfindlich, kann aber aus mechanischen Gründen nur in Verbindung mit einem Träger größere Dimensionen erreichen.
Im Rahmen dieser Erfindung werden nun schräg aufgedampfte doppelbrechende Schichten auf Substraten für die genannten Zwecke eingesetzt. Diese Schichten haben aber wegen der schräg zur Oberfläche normal stehenden optischen Achsen, die typischerweise parallel zur Aufdampfrichtung liegen, den Nachteil eines gewissermaßen nur einseitig belastbaren Winkelbereichs. Die erzielbaren Phasenverzögerungen erreichen also unter bestimmten Winkeln den Wert 0 bzw. sehr kleine Werte, und zwar dann, wenn das Licht im Wesentlichen nach Brechung im Medium parallel zur optischen Achse einfällt.
Erfindungsgemäß wird daher eine erste Teilschicht mit einer bestimmten Aufdampfrichtung und einer bestimmten Lage der optischen Achse kombiniert mit einer weiteren Teilschicht mit bei einem ersten Ausführungsbeispiel dazu um 180° verdrehter Aufdampfrichtung.
1 zeigt schematisch zwei seitliche Aufrissdarstellungen einer typischen Aufdampfanlage, wobei das hier als plankonvexe Linse dargestellte Substrat gegenüber dem links dargestellten ersten Aufdampfschritt im rechts dargestellten zweiten Aufdampfschritt so verkippt ist, dass die Aufdampfrichtungen bezüglich der Oberflächen normalen spiegelsymmetrisch zueinander sind. Die Aufdampfanlage weist eine Vakuumkammer 1 mit einer Elektronenstrahlquelle 2 und mit einem MgF₂- oder auch LaF₃-Target 3 auf. Das dort verdampfende Material gelangt in einer durch die drei "Strahlen" angedeuteten Weise auf das mit 4 bezeichnete Substrat, eine plankonvexe Linse, und wächst dort mit einer im Wesentlichen durch die Aufdampfgeometrie bestimmten Säulenstruktur auf. Die Aufdampfanlage weist eine Vakuumkammer 1 mit einer Elektronenstrahlkelle 2 und mit einem MgF₂- oder auch LaF₃-Target 3 auf. Das dort verdampfende Material gelangt in einer durch die drei "Strahlen" angedeuteten Weise auf das mit 4 bezeichnete Substrat, eine plankonvexe Linse, und wächst dort mit einer im Wesentlichen durch die Aufdampfgeometrie bestimmten Säulenstruktur auf.
Analog könnte das Substrat bezüglich der Oberflächennormalen um 180° verdreht werden.
Es ist grundsätzlich von Vorteil, die Bauteile, hier die plankonvexe Linse, azimutal zu markieren, um auf die Orientierung der optischen Achsen eindeutig Bezug nehmen zu können. Hierfür kommen neben einer einfachen Kerbe auch eine Lasergravur, eine Sandstrahlmarkierung, ein Gitter usw. in Betracht.
2 zeigt die Beschichtung einschließlich der Säulenstruktur schematisch. Die beiden Schichten 5 und 6 sind abgesehen von der gespiegelten Säulenrichtung und optischen Achsenorientierung identisch. Die Linse ist mit 7 beziffert.
Wenn man sich schematisch die erzielbare Phasenverzögerung durch die doppelbrechenden Eigenschaften einer einzelnen Schicht abhängig vom Einfallswinkel relativ zur Oberflächennormalen gemäß 3 oben vorstellt, nämlich als eine Quadratsinusabhängigkeit vom Winkel, so wird deutlich, dass sich zwei im Übrigen identische, aber hinsichtlich der Oberflächennormalen spiegelsymmetrische Schichten näherungsweise kompensieren. Dies bedeutet insbesondere, dass die in 3 oben dargestellte Nullstelle in den beiden Schichten jeweils auf einer anderen Seite liegt und damit in der summierten Phasenverzögerung eine insgesamt ausgeglichenere Winkelabhängigkeit erzielt werden kann. Im Falle einer rechtwinkligen Orientierung der beiden optischen Achsen der Teilschichten zueinander würde sich rechnerisch sogar ein idealer Ausgleich ergeben, wie in 3 unten gezeigt.
Die beiden Schichten können gemeinsam damit eine weniger stark winkelabhängige Phasenverzögerung bieten und beispielsweise als λ/4- oder λ/2-Platte fungieren. Die Erfindung sieht weiterhin eine Zwischenschicht, hier eine amorphe Quarzzwischenschicht 8 zwischen den beiden Teilschichten, vor, wie dies in 4 angedeutet ist, die im Übrigen 2 entspricht. Damit werden die Wachstumsbedingungen für die obere Teilschicht 6 verbessert, weil diese ohne Vorprägung durch die Säulenstruktur der unteren Teilschicht 5 mit einer davon abweichenden Säulenorientierung wachsen kann.
Eine weitergehende Winkelkompensation kann dadurch erreicht werden, dass zwei oder mehr verschiedene Materialien miteinander kombiniert werden, insbesondere solche mit abweichenden Brechungsindices und/oder solche mit positivem oder negativem Charakter der Doppelbrechung. Damit können vor allem bei einer Teilschichtenzahl von drei oder mehr, weitergehende Winkelkompensationen und auch gewünschte optische Effekte erzielt werden. Ein Beispiel zeigt 5 mit einer Kombination von vier Teilschichten, die mit den Ziffern 10–13 bezeichnet sind. Dabei haben die Teilschichten 10 und 13 eine symmetrische Beziehung entsprechend den Teilschichten 5 und 6 aus 2. Gleiches gilt für die Teilschichten 11 und 12. Die Schichtdicken d1 der Teilschichten 10 und 13 weichen ab von den Schichtdicken d2 der Teilschichten 11 und 12. Ferner haben die Teilschichten 10 und 13 einen positiven Doppelbrechungseffekt mit einem Winkel α zur Oberflächennormalen, während die Teilschichten 11 und 12 einen negativen Doppelbrechungseffekt mit einem Winkel von β zur Oberflächennormalen zeigen.
6 zeigt ein weiteres Beispiel mit ebenfalls vier Teilschichten, und zwar beziffert mit 14–17. Hier sind wiederum die Teilschichten 14 und 15 zueinander symmetrisch und auch die Teilschichten 16 und 17. Sie weisen jeweils paarweise identische Dicken d1 bzw. d2 auf. Jedoch liegen die optischen Achsen hier im Gegensatz zu 5 nicht in einer Ebene. Vielmehr liegen die optischen Achsen der Teilschichten 16 und 17 in einer zu der Zeichenebene senkrechten Ebene. Hier treten also zwischen den Projektionen der optischen Achsen auf die Oberfläche insgesamt nicht nur Win kel von 180° sondern auch von 90° auf. Dabei könnten sämtliche Teilschichten 14–17 aus dem gleichen Material bestehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel soll jedoch für die Teilschichten 14 und 15 ein positiv doppelbrechendes Material mit einem Winkel der optischen Achsen zur Oberflächennormalen von α und für die Teilschichten 16 und 17 ein abweichendes positiv doppelbrechendes Material mit einem Winkel der optischen Achse von β zur Oberflächennormalen vorgesehen sein.
Dieses Beispiel kann natürlich auch mit negativ doppelbrechenden Schichten statt mit positiv doppelbrechenden Schichten ausgeführt werden.
Ferner gilt für die Beispiele aus den 5 und 6 und die folgenden Beispiele, dass zwischen den jeweiligen Teilschichten amorphe Quarzschichten vorgesehen sein können und vorteilhafterweise sind, aber nicht im Einzelnen zeichnerisch dargestellt sind.
Eine weitere beispielhafte Möglichkeit besteht in der Kombination verschieden hoher Brechungsindizes, wie in 7 veranschaulicht. Dort sind die unteren Teilschichten 18 und 19 aus dem vergleichsweise niedrigbrechendem MgF₂ und die oberen Teilschichten 20 und 21 aus dem vergleichsweise hochbrechendem LaF₃ aufgebaut. Die mittleren Brechungsindizes liegen bei 193 nm Wellenlänge für LaF₃ bei 1,71 und für MgF₂ bei etwa 1,43, je nach Packungsdichte auch darunter.
Hinsichtlich der Dicken und Winkel gilt wieder, dass die Teilschichten paarweise gleich sind, jedoch die Teilschichten aus dem einen Paar und die Teilschichten aus dem anderen Paar untereinander verschieden. Im Übrigen können natürlich auch materialalternierende Reihenfolgen gewählt werden, also beispielsweise die Teilschichten 19 und 20 in 7 miteinander vertauscht werden.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel zeigt 8, nämlich die letzte Linse 25 eines Immersionslithographieobjektivs. Diese plankonvexe Linse 25 mit unten liegender planer Abschlussfläche ist auf dieser Abschlussfläche mit einem hier aus sechs Teilschichten (nicht mehr einzeln beziffert) aufgebauten doppelbrechendem Schichtpaket beschichtet, an das sich die Immersionsflüssigkeit 26 und 27 auf einem Wafer 28 anschließen.
Das Schichtpaket besteht aus drei jeweils spiegelsymmetrischen Paaren, wobei die Ebenen, in denen die optischen Achsen der Paare liegen, unter 90° und unter 45° zueinander stehen. Diese Anwendung ist besonders interessant, weil hier die Winkelvariation wegen der hohen Apertur besonders groß ist.
Die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen doppelbrechenden Schichtpakete und Teilschichten können mit im Folgenden näher dargestellten Möglichkeiten verfeinert werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich eine einzelne Teilschicht hinsichtlich ihrer doppelbrechenden optischen Eigenschaften beispielsweise interferometrisch vermessen lässt. Dabei kann der Einfluss einer zwischen dieser Teilschicht und dem Substrat bereits vorhandenen weiteren Teilschicht rechnerisch berücksichtigt werden, wenn diese bereits zuvor vermessen wurde. Insgesamt lässt sich jedenfalls ein ortsabhängiges zweites Bild der doppelbrechenden Eigenschaften gewinnen.
Beispielsweise kann ein gemessenes Phasendifferenzprotokoll mit einer geplanten Phasendifferenz verglichen werden und eine Differenz festgestellt werden. Diese Differenz kann nun über eine materialabtragende Korrektur der jeweils freiliegenden Teilschicht korrigiert werden, in dem diese mit dem an sich bekannten IBF-Verfahren (Ion Beam Figuring) verweilzeitgesteuert bearbeitet wird. Hierbei handelt es sich um einen sehr genau arbeitenden und eingeführten Prozess, mit dem sich ortsabhängig mit hoher Genauigkeiten in der dritten Dimension Material abtragen lässt, so dass insgesamt eine gewünschte Ortsabhängigkeit der doppelbrechenden Eigenschaften realisiert werden kann. Natürlich kann dabei ein iterativer Prozess verwendet werden, der also nach einer weiteren Messung eine erneute Korrektur vorsieht und/oder nach dem Aufbringen jeder weiteren Teilschicht eine neue Messung und Korrektur vorsieht.
9 zeigt beispielhaft ein in dieser Weise erzeugtes Dickenprofil einer doppelbrechenden einzelnen Teilschicht 30.
Dann wird eine in 10 zusätzlich zu 9 dargestellte amorphe Quarzschicht 31 aufgedampft, und zwar mit einer Stärke, die zum Auffüllen der "Täler" in der dop pelbrechenden Teilschicht 30 ausreicht. Nun kann mit einem materialabtragenden Verfahren, etwa wiederum IBF oder bei geringeren Ansprüchen auch MRF (magnetorheological-finishing) oder Roboterpolieren ortsaufgelöst von der amorphen Quarzschicht 31 soviel Material abgetragen werden, dass der optische Durchgang, d.h. die optische Weglänge, über den gesamten Flächenbereich des optischen Elements trotz der Oberflächenmodulation der doppelbrechenden Teilschicht 30 einheitlich oder einem gewünschten Verlauf entsprechend wird.
Ist der (mittlere) Brechungsindex des Materials der doppelbrechenden Teilschicht 30 größer als der der Quarzschicht 31, so beschreibt die Oberfläche der Quarzschicht eine Gegenbewegung, ist der (gemittelte) Brechungsindex der doppelbrechenden Teilschicht 30 niedriger, so folgt die Oberfläche der Quarzschicht 31 qualitativ der ursprünglichen Kontur der Grenzfläche zur doppelbrechenden Schicht 30.
Auf die Oberfläche der Quarzschicht 31 kann nun eine neue doppelbrechende Teilschicht 32 aufgedampft werden, wie 11 zeigt. Diese Teilschicht kann entsprechend den Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen bis 8 eine gegenüber der doppelbrechenden Teilschicht 30 gedrehte oder spiegelsymmetrische Orientierung der optischen Achse haben, so dass also die Quarzschicht 31 neben der Funktion als Ausgleichsschicht für die optische Weglänge auch eine wachstumsfördernde Zwischenschicht bildet.
Von dieser doppelbrechenden Teilschicht 32 ausgehend wird wieder eine Vermessung und eine materialabtragende Schichtdickenkorrektur vorgenommen, wie anhand 9 erläutert. Es kann dann ferner eine weitere ausgleichende Quarzschicht 33 aufgedampft werden, wie ebenfalls in 11 angedeutet. In dieser Form können komplexe Schichtpakete gebildet werden, bei denen also im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen bis 8 die doppelbrechenden Teilschichten in ihrer Schichtdicke gezielt korrigiert oder an ein gewünschtes Profil angepasst werden und die Quarzzwischenschichten zum Ausgleich der dadurch variierenden optischen Weglängen eingesetzt werden.
Bei solchen Schichtsystemen mit einer Mehrzahl doppelbrechender Teilschichten können, wie bereits anhand von Beispielen veranschaulicht, unterschiedliche Winkel zwischen den Lagen der optischen Achsen (genauer deren Projektionen auf die Oberfläche) verwendet werden. Beispielsweise wird auch an Ausführungsformen mit zwei doppelbrechenden Teilschichten mit zueinander um 90° gedrehten Projektionen der optischen Achsen und zwei in der beschriebenen Weise vorgesehenen Ausgleichsquarzschichten gedacht. Zusätzlich kann dabei eine dritte Teilschicht mit einer dritten Ausgleichsschicht unter 45° (oder auch –45°) vorgesehen sein, so dass es bereits sechs Einzelschichten gibt. Schließlich wären bei sechs Einzelschichten auch Winkel von jeweils 60° zwischen den Projektionen der optischen Achsen der drei doppelbrechenden Teilschichten denkbar. Darüber hinaus könnte bei einer Ausführungsform mit acht Einzelschichten und davon vier doppelbrechenden Teilschichten und vier Ausgleichslagen eine Kombination von Winkeln von 0°, 90°, –45° und +45° zwischen den jeweiligen Projektionen der optischen Achsen gegeben sein.
Im Übrigen umfasst die Erfindung auch Ausführungsformen, bei denen statt beispielsweise acht Einzellagen auf einer Seite des optischen Elements auf beiden Seiten einer Linse, einer planparallelen Platte oder dgl. Schichten aufgebracht werden. Die Kompensationseffekte können sich dann auch zwischen Schichten auf gegenüberliegenden Seiten des optischen Elements ergeben.
Ferner ist es natürlich auch möglich, Ausgleichsschichten wegzulassen oder auf dem Substrat bereits mit Ausgleichsschichten zu beginnen, wenn der Prozess sehr gut beherrscht wird und die auszugleichenden Weglängendifferenzen vorhersagbar sind. Zur Veranschaulichung zeigt 12 ein optisches Element 35, etwa eine planparallele Platte, mit beidseitigen doppelbrechenden Schichten, zwischen denen sich jeweils eine Ausgleichsschicht befindet. Oben findet sich also eine erste doppelbrechende Schicht 36 mit einer Orientierung der Projektionen der optischen Achse von beispielsweise 0°, eine darauf folgende amorphe Quarzausgleichsschicht 37 und eine wiederum darauf folgende doppelbrechende Teilschicht 38 mit im Verhältnis zur Teilschicht 36 um 90° verdrehter Projektion der optischen Achse auf die Oberfläche. Hierbei ist die Ausgleichsschicht so berechnet, dass sie gewissermaßen im Vorgriff die optischen Weglängenmodulationen in Folge der Schicht 38 mit berücksichtigt. Analog ist das Schichtpaket aus den Schichten 40, 41 und 42 auf der anderen Seite des optischen Elements 35 aufgebaut, wobei dort die doppelbrechenden Teilschich ten 40 und 42 unter Winkeln von 45° und –45° bzgl. der jeweiligen Projektionen der optischen Achse auf die Oberfläche stehen.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, das Substrat selbst als Ausgleichsschicht für optische Weglängenmodulationen auszunutzen, wie 13 schematisch darstellt. Dort ist auf einem Substrat 43 eine vorausberechnete Oberflächenmodulation vorgenommen worden, die die optischen Weglängendifferenzen darauf folgender doppelbrechender Teilschichten 44 bis 47 berücksichtigt. Die Teilschichten 44 bis 47 entsprechen dabei den Winkeln 0°, 90°, –45° und +45° der jeweiligen Projektionen der optischen Achsen.
Diese Variante kann natürlich auch kombiniert werden mit amorphen Quarzzwischenschichten zwischen den doppelbrechenden Teilschichten, um die erwähnten Wachstumsverbesserungen zu nutzen. Dann sind die Zwischenschichten zwischen den Teilschichten zumindest teilweise äquidistant und wird die optische Weglängenmodulation in anderer Weise vorgenommen, insbesondere durch Oberflächenmodulation des Substrats. Dabei kann schließlich auch auf der einer Beschichtung mit (u. a.) doppelbrechenden Teilschichten entgegengesetzten Oberfläche eines optischen Elements eine Endkorrektur beispielsweise mit IBF vorgenommen werden, um im Rahmen der Vorausberechnung möglicherweise nicht ganz perfekt kompensierte Restmodulationen der optischen Weglänge auszugleichen.

Claims

Optisches Element mit einer im Wesentlichen unter einem schrägen Winkel auf einer Oberfläche des optischen Elements aufgebrachten kristallinen Beschichtung (5, 6, 10–21, 30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47), die Doppelbrechungseigenschaften hat und bei der eine optische Achse unter einem nahezu einheitlichen schrägen Winkel zur Oberflächennormalen steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mindestens zwei übereinan der aufgebrachte Teilschichten (5, 6, 10–21, 30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) aufweist und die Teilschichten (5, 6, 10–21, 30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) voneinander durch eine Zwischenschicht (8, 31, 37, 41) getrennt sind, die das kristalline Wachstum der oberen auf der unteren Teilschicht mit zueinander gewinkelten optischen Achsen der Teilschichten (5, 6, 10–21, 30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) erleichtert.
Optisches Element nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht (8, 31, 37, 41) amorph ist.
Optisches Element nach Anspruch 2, bei dem die Zwischenschicht (8, 31, 37, 41) aus Quarz besteht.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Säulenstrukturen der Teilschichten (5, 6, 10–21, 30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) jeweils eine ausgezeichnete Säulenrichtung definieren, die der zur Oberflächennormalen schrägen optischen Achse entspricht.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Projektionen der optischen Achsen der Teilschichten (5, 6, 10–13, 18–21) auf die Oberfläche unter etwa 180° zueinander stehen.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die optischen Achsen der Teilschichten (5, 6, 10–21, 30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) einen Winkel zwischen 30° und 50° zueinander bilden, bevorzugt zwischen 60° und 120°, besonders bevorzugt zwischen 75° und 105°.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Teilschichten aus MgF₂ oder LaF₃ gebildet sind.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mindestens drei, insbesondere vier, Teilschichten (10–21) vorgesehen sind, die teilweise positive und teilweise negative doppelbrechende Eigenschaften haben.
Optisches Element nach Anspruch 8 mit vier Teilschichten (10–13), bei denen die Projektionen der optischen Achsen auf die Oberfläche paarweise unter 180° zueinander stehen, paarweise betragsidentische Winkel der optischen Achsen zur Oberflächennormalen auftreten, und die paarweise positive und paarweise negative doppelbrechende Eigenschaften haben.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1–7 mit vier Teilschichten (14–17), bei denen die Projektionen der optischen Achsen auf die Oberfläche paarweise unter 180° zueinander stehen und wiederum paarweise unter 90° zueinander stehen, paarweise betragsidentische Winkel der optischen Achsen zur Oberflächennormalen auftreten, und alle vorzeichengleiche doppelbrechende Eigenschaften haben.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche mit vier Teilschichten (18–21), bei denen die Projektionen der optischen Achsen auf die Oberfläche paarweise unter etwa 180° zueinander stehen, wobei die Teilschichten paarweise gleiche und paarweise verschiedene Brechungsindizes aufweisen.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung auf einer planen Oberfläche aufgebracht ist.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, das für eine Wellenlänge von 193 nm, 248 nm oder 157 nm als λ/4- oder λ/2-Platte ausgebildet ist.
Mikrolithographieobjektiv mit einem optischen Element nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Immersionslithographieobjektiv nach Anspruch 14, bei dem das optische Element die dem Target zugewandte letzte Linse bildet.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung aus der Gasphase aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Beschichtung unter einem schrägen Winkel zur Oberflächennormalen aufgedampft wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die optische Achse jeweils im Wesentlichen parallel zur Aufdampfrichtung liegt.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements nach einem der Ansprüche 1–15, auch in Verbindung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 16–18, bei dem nach dem Aufbringen einer kristallinen Beschichtung (30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) unter einem schrägen Winkel zur Oberflächennormalen deren Stärke durch ein materialabtragendes Verfahren feinjustiert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Stärke der Beschichtung (30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) mit IBF, vorzugsweise verweilzeitgesteuert, feinjustiert wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die Beschichtung (30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) vor dem materialabtragenden Feinjustieren durch Lichtdurchtritt durch die Beschichtung optisch vermessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–21, bei dem das optische Element azimutal markiert wird.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements nach einem der Ansprüche 1–15, auch in Verbindung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 16–22, bei dem eine optisch isotrope Schicht (31, 33, 37, 41, 43) des optischen Elements in ihrer Schichtdicke moduliert wird, um durch eine der Schichtdickenmodulation entsprechende optische Weglängenmodulation der optisch isotropen Schicht (31, 33, 37, 41, 43) eine optische Weglängenmodulation der doppelbrechenden Beschichtung (30, 32, 36, 38, 40, 42, 44–47) zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die optisch isotrope Schicht (31, 33, 37, 41, 43) eine Quarzschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 24 zur Herstellung eines optischen Elements nach Anspruch 3, bei dem die optisch isotrope Schicht (31, 33, 37, 41) die Zwischenschicht zwischen den Teilschichten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–25, bei der die Schichtdickenmodulation der optisch isotropen Schicht (43) durch eine Oberflächenbearbeitung des Substrats (43) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–26, bei dem die Schichtdickenmodulation der optisch isotropen Schicht (31, 33, 37, 41, 43) durch ein materialabtragendes Verfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Schichtdickenmodulation mit IBF, vorzugsweise verweilzeitgesteuert, feinjustiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–28, bei dem zunächst eine doppelbrechende Beschichtung (30, 32, 36, 40) gemäß Anspruch 19 feinjustiert wird, dann die durch den Materialabtrag modulierte Oberfläche mit der optisch isotropen Schicht (31, 33, 37, 41) aufgefüllt wird, dann die Schichtdicke der op tisch isotropen Schicht (31, 33, 37, 41) moduliert wird und dann gemäß Anspruch 1 eine weitere doppelbrechende Teilschicht (32, 38, 42) aufgebracht wird.
Mikrolithographieobjektiv mit einem nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16–29 hergestellten optischen Element.
Immersionslithographieobjektiv nach Anspruch 30, bei dem das optische Element die dem Target zugewandte letzte Linse bildet.