DE102006025044A1 - Abbildungssystem, insbesondere Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage - Google Patents

Abbildungssystem, insbesondere Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem, insbesondere ein Projektionsobjekts einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlagen, welches eine optische Achse aufweist und ein hierzu außeraxiales Bildfeld erzeugt, mit einem ersten optischen Element, welche in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene eine erste Verteilung der Verzögerung erzeugt, und wenigstens einem zweiten optischen Element, welches in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene eine zweite Verteilung der Verzögerung erzeugt, welche die erste Verteilung der Verzögerung wenigstens teilweise kompensiert, wobei das erste und das zweite optische Element jeweils nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildet sind.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem, insbesondere ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Projektionsobjektiv, welches auch bei einem außeraxialen Bildfeld den Einsatz hochbrechender Kristallmaterialien bei Begrenzung des negativen Einflusses der Doppelbrechung auf die Abbildungseigenschaften ermöglicht.
  • In gegenwärtigen Mikrolithographie-Objektiven, insbesondere Immersionsobjektiven mit einem Wert der numerischen Apertur (NA) von mehr als 1.0, besteht in zunehmendem Maße ein Bedarf nach dem Einsatz von Materialien mit hohem Brechungsindex. Als „hoch" wird hier ein Brechungsindex bezeichnet, wenn sein Wert bei der gegebenen Wellenlänge den von Quarz, mit einem Wert von ca. 1,56 bei einer Wellenlänge von 193nm, übersteigt. Es sind eine Reihe von Materialien bekannt, deren Brechungsindex bei DUV- und VUV-Wellenlängen (<250nm) größer als 1,6 ist, beispielsweise Magnesiumspinell mit einem Brechungsindex von ca. 1.87 bei einer Wellenlänge von 193nm, oder Magnesiumoxid, dessen Brechungsindex bei 193nm etwa 2.0 beträgt.
  • Ein Problem beim Einsatz dieser Materialien als Linsenelemente besteht darin, dass sie durch ihre kubische Kristallstruktur intrinsische Doppelbrechung aufweisen, die mit niedriger Wellenlänge ansteigt, wobei z.B. Messungen der IDB-bedingten Verzögerung für Magnesiumspinell bei einer Wellenlänge von 193nm einen Wert von 52 nm/cm ergeben haben, und die IDB-bedingte Verzögerung für Magnesiumoxid bei 193nm zu etwa 72 nm/cm abgeschätzt wurde. Eine solche Verzögerung kann je nach Designbedingungen im Bildfeld zu lateralen Strahlabweichungen führen, die das 3- bis 5-fache der heutzutage kritischen Strukturbreiten von ca. 80-100nm betragen.
  • Zur Reduzierung des negativen Einflusses der intrinsischen Doppelbrechung in Fluoridkristall-Linsen auf die optische Abbildung ist es beispielsweise aus US 2004/0105170 A1 und WO 02/093209 A2 u.a. bekannt, Fluoridkristall-Linsen des gleichen Kristallschnitts gegeneinander verdreht anzuordnen (sogenanntes „Clocking"), sowie zusätzlich auch mehrere Gruppen solcher Anordnungen mit unterschiedlichen Kristallschnitten (z.B. aus 100-Linsen und 111-Linsen) miteinander zu kombinieren.
  • Wenngleich durch dieses Verfahren eine gewisse Kompensation des negativen Einflusses der intrinsischen Doppelbrechung auch in den o.g. hochbrechenden kubischen Materialien erreichbar ist, besteht ein weiteres Problem darin, dass die Kompensation durch das o.g. „Clocking" dann unvollkommen ist, wenn die jeweiligen „Kompensationswege" (z.B. die jeweiligen Strahlwege der zur Interferenz gelangenden Strahlen in den zueinander verdrehten Bereichen des gleichen Kristallschnitts) unterschiedlich sind. Insbesondere ist dies in einem Projektionsobjektiv, welches ein außeraxiales Bildfeld erzeugt, der Fall. Solche außeraxialen Felder sind insbesondere in katadioptrischen Projektionsobjektiven mit geometrischer Strahlteilung vorhanden, wie sie z.B. in WO 2004/019128 A2 offenbart sind.
  • Das o.g. Problem unterschiedlicher Kompensationswege in zur Kompensation der Doppelbrechung eingesetzten unterschiedlichen Materialien kann auch in Materialien mit natürlicher Doppelbrechung auftreten, etwa wenn Materialien mit unterschiedlichem Vorzeichen der Doppelbrechung zur Kompensation miteinander kombiniert werden, wie in WO 2005/059645 A2 beschrieben, oder bei einen „Clocking" von Materialien mit natürlicher Doppelbrechung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abbildungssystem, insbesondere ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bereitzustellen, welches auch bei einem außeraxialen Bildfeld den Einsatz hochbrechender Kristallmaterialien bei Begrenzung des negativen Einflusses der Doppelbrechung auf die Abbildungseigenschaften ermöglicht.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein erfindungsgemäßes Abbildungssystem, insbesondere ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, welches eine optische Achse aufweist und ein hierzu außeraxiales Bildfeld erzeugt:
    • – ein erstes optisches Element, welches in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene eine erste Verteilung der Verzögerung erzeugt; und
    • – wenigstens ein zweites optisches Element, welches in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene eine zweite Verteilung der Verzögerung erzeugt, welche die erste Verteilung der Verzögerung wenigstens teilweise kompensiert;
    • – wobei das erste und das zweite optische Element jeweils nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildet sind.
  • Mit „Verzögerung" wird die Differenz der optischen Wege zweier orthogonaler (senkrecht zueinander stehender) linearer Polarisationszustände bezeichnet.
  • Unter „optischer Achse" ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung jeweils eine gerade Linie oder eine Aufeinanderfolge von geraden Linienabschnitten zu verstehen, die durch die Krümmungsmittelpunkte der rotationssymmetrischen optischen Komponenten verläuft.
  • Der Begriff „Elemente" schließt im Sinne der vorliegenden Anmeldung die Möglichkeit ein, dass z.B. die wenigstens zwei Elemente nahtlos aneinander gefügt bzw. aneinandergesprengt sind, um so eine gemeinsame Linse zu bilden.
  • Dadurch, dass erfindungsgemäß das erste und das zweite optische Element jeweils nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildet sind, also bezüglich dieser Elemente das Prinzip der Rotationssymmetrie bewusst aufgegeben wird, kann der außeraxialen Lage des Bildfeldes Rechnung getragen und insbesondere die Möglichkeit gleicher Kompensationswege in den jeweiligen Elementen mit unterschiedlicher Verteilung der Verzögerung geschaffen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste optische Element und das zweite optische Element aus einem kubischen Kristallmaterial hergestellt, so dass sich die jeweilige Verzögerung aufgrund intrinsischer Doppelbrechung ergibt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das erste optische Element und das zweite optische Element aus einem optisch einachsigen Kristallmaterial hergestellt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die von dem zweiten optischen Element erzeugte Verzögerung von entgegengesetztem Vorzeichen wie die von dem ersten optischen Element erzeugte Verzögerung.
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen das erste optische Element und das zweite optische Element den gleichen Kristallschnitt auf und sind gegeneinander um die optische Achse verdreht.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist das außeraxiale Bildfeld spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieebene, und das erste und/oder das zweite optische Element ist spiegelsymmetrisch in Bezug auf die gleiche Symmetrieebene. Dabei weisen bevorzugt das erste und/oder das zweite optische Element als einzige Symmetrie eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf diese Symmetrieebene auf.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist für wenigstens einen auf die Mitte des Bildfeldes treffenden Strahl die Bedingung n1·d1 ≈ n2·d2 erfüllt, wobei ni (i = 1, 2) die jeweilige Brechzahl und di (i = 1, 2) die von diesem Strahl in dem ersten bzw. zweiten optischen Element zurückgelegte geometrische Weglänge angibt. Für diesen Strahl ist dann gewährleistet, dass die optischen Weglängen in den beiden (sich hinsichtlich der Doppelbrechung wenigstens teilweise gegenseitig kompensierenden) Teilelementen, also die jeweiligen Kompensationswege, übereinstimmen, so dass die für die betreffende Kombination von Elementen maximale Reduzierung der Verzögerung erreicht wird.
  • Sofern die obige Bedingung für möglichst viele auf die Mitte des Bildfeldes treffende Strahlen erfüllt ist, wird erreicht, dass für die außerhalb der Mitte des Bildfeldes auftreffenden Strahlen ein etwaiger Unterschied zwischen den Kompensationswegen zumindest nicht allzu groß ist. Mit anderen Worten erfolgt erfindungsgemäß die Optimierung der Kompensationswege für die auf der Mitte des Bildfeldes auftreffenden Strahlen, um im Mittel einen möglichst guten Kompromiss hinsichtlich der Übereinstimung der Kompensationswege für die außerhalb auf der Mitte des Bildfeldes auftreffenden Strahlen zu schaffen.
  • Im Idealfall ist die obige Bedingung n1·d1 ≈ n2·d2 für sämtliche auf die Mitte des Bildfeldes treffenden Strahlen erfüllt, vorzugsweise jedoch für Strahlen aus einem möglichst großen Winkelbereich. In einer bevorzugten Ausführung ist insbesondere die Bedingung n1·d1 ≈ n2·d2 für wenigstens zwei auf die Mitte des Bildfeldes treffende Strahlen erfüllt, wobei der Winkel zwischen diesen Strahlen wenigstens 40°, bevorzugt wenigstens 50°, noch bevorzugter wenigstens 60° und noch bevorzugter wenigstens 70° beträgt.
  • In einer bevorzugten Ausführung weisen das erste Element und das zweite Element jeweils einen (111)-Kristallschnitt auf und sind gegeneinander um 60°+ k·120° (mit k = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet. Auf diese Weise wird (wegen der für den (111)-Kristallschnitt geltenden dreizähligen Symmetrie der Verteilung der Verzögerung über den Azimutwinkel) durch Kombination der beiden Elemente in grundsätzlich bekannter Weise eine azimutalsymmetrische Verteilung der Verzögerung sowie eine Reduzierung der für die Verzögerung erhaltenen maximalen Werte erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführung sind ferner ein drittes und ein viertes optisches Element vorgesehen, welche jeweils einen (100)-Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um 45° + l·90° (mit l = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet sind. Auf diese Weise wird (wegen der für den (100)-Kristallschnitt geltenden vierzähligen Symmetrie der Verteilung der Verzögerung über den Azimutwinkel) ebenfalls durch Kombination des dritten und des vierten optischen Elements eine azimutalsymmetrische Verteilung der Verzögerung sowie eine Reduzierung der für die Verzögerung erhaltenen maximalen Werte erreicht.
  • Bevorzugt sind auch das dritte und das vierte optische Element jeweils nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführung ist dabei für wenigstens einen auf die Mitte des Bildfeldes treffenden Strahl die Bedingung n3·d3 ≈ n4·d4 erfüllt, wobei ni (i = 3, 4) die jeweilige Brechzahl und di (i = 3, 4) die von diesem Strahl in dem dritten bzw. vierten optischen Element zurückgelegte geometrische Weglänge angibt.
  • In einer bevorzugten Ausführung sind wenigstens zwei und vorzugsweise sämtliche dieser optischen Elemente derart aufeinander angesprengt, dass sie gemeinsam eine Linse bilden.
  • Die Linse weist bevorzugt eine in Bezug auf die optische Achse rotationssymmetrische Form auf, und kann insbesondere eine Plankonvexlinse sein.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist die Linse eine bildseitig letzte brechende Linse des Abbildungssystems.
  • In einer bevorzugten Ausführung weisen die optischen Elemente jeweils die Form einer objektseitig konvex gekrümmten Schale auf.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist zwischen wenigstens zwei der optischen Elemente eine Flüssigkeit angeordnet, deren Brechzahl im Wesentlichen der Brechzahl dieser optischen Elemente entspricht. Auf diese Weise können die Anforderungen an die Oberflächenebenheit der Kontaktflächen zwischen den optischen Elementen abgemildert werden, da infolge der brechzahlangepassten Flüssigkeit Brechzahlsprünge und damit einhergehende Strahlablenkungen zumindest weitgehend vermieden werden. Die Flüssigkeit ist je nach Brechzahl der optischen Elemente geeignet zu wählen und kann bei Brechzahlen der optischen Elemente im Bereich von ca. 1.6 bis 1.7 bei einer Wellenlänge von 193nm beispielsweise Perhydrofluoren (mit n = 1.6862 bei 193nm) sein.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen betreffen die Auswahl des kubischen Kristallmaterials. Diese Auswahl erfolgt bevorzugt mit dem Ziel einer weiteren Reduzierung des Effekts der intrinsischen Doppelbrechung, und zwar unter Berücksichtigung des Umstandes, dass auch bei der obigen erfindungsgemäßen Berücksichtigung des außeraxialen Bildfeldes infolge der in der Regel nicht für sämtliche Strahlen zu erreichenden Übereinstimmung der Kompensationswege letztendlich keine vollständige Kompensation der Verzögerung zu realisieren ist.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist das kubische Kristallmaterial bei einer vorgegebenen Arbeitswellenlänge eine solche Brechzahl n auf, dass die Differenz (n-NA) zwischen der Brechzahl n und der numerischen Apertur NA maximal 0.2 beträgt.
  • Hierdurch wird berücksichtigt, dass der Effekt der intrinsischen Doppelbrechung mit kürzer werdender Wellenlänge nicht linear ansteigt, sondern vielmehr zunächst allmählich einsetzt und dann mit fallender Wellenlänge dramatisch ansteigt. Diese Nichtlinearität ist umso stärker ausgeprägt, je mehr sich die jeweilige Arbeitswellenlänge der Absorptionskante (im UV-Bereich) für das betreffende Material nähert. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird somit nun das Potential an Materialien mit möglichst hohen Brechzahlen nicht ausgeschöpft, sondern die Brechzahl wird gerade so hoch (und nicht höher) gewählt, wie es erforderlich ist, um geometrisch Projektionslicht auch unter den maximal auftretenden Strahlwinkeln noch durch das Projektionsobjektiv zu koppeln und zur Abbildung zu bringen. Zugleich wird erfindungsgemäß die moderatere Anforderung an die Höhe der Brechzahl ausgenutzt, um ein solches Kristallmaterial auszuwählen, dessen Absorptionskante tiefer im UV liegt, so dass infolgedessen die intrinsische Doppelbrechung im Bereich der Arbeitswellenlänge noch kleiner bzw. weniger stark angestiegen ist, als dies bei einem Material mit höher liegender Absorptionskante der Fall ist.
  • Bei einer numerischen Apertur von beispielsweise NA = 1.5 wird in der bevorzugten Ausführungsform somit, trotz gegebener Verfügbarkeit von bei typischen Arbeitswellenlängen von 193nm transparenten Materialien mit hohen Brechzahlen von beispielsweise n = 1.87 (Magnesiumspinell) und darüber, bewusst auf die Wahl möglichst hochbrechender Kristallmaterialien verzichtet, sondern es werden vielmehr Materialien eingesetzt, bei denen der Abstand der Brechzahl n zur (tieferliegenden) bildseitigen numerischen Apertur des Abbildungssystems geringer ist, aber gerade noch ausreicht, um das Projektionslicht auch unter maximal auftretenden Strahlwinkeln noch durch das Abbildungssystem zu koppeln bzw. zur Abbildung zu bringen.
  • Vorzugsweise liegt die Differenz (n-NA) zwischen der Brechzahl n des optischen Elements und der numerischen Apertur NA des Abbildungssystems im Bereich von 0.05 bis 0.20, vorzugsweise im Bereich von 0.05 bis 0.15, besonders bevorzugt im Bereich von 0.05 bis 0.10. Dabei wird durch die obere Grenze der Brechzahl wie oben ausgeführt eine Begrenzung der intrinsischen Doppelbrechung erreicht, während durch die untere Grenze der Brechzahl eine Begrenzung des Gesamtlinsenvolumens des Projektionsobjektivs erreicht wird.
  • Weitere, durch die erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Materialien vorzugsweise zu erfüllende Kriterien sind eine hinreichende Stabilität gegenüber Luftfeuchtigkeit und UV-Licht, hohe Härte und gute optische Bearbeitbarkeit, sowie möglichst ungiftige Bestandteile.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist das kubische Kristallmaterial ein Oxid auf, wofür eine ausreichende Transmission bei vergleichsweise hoher Brechzahl erhalten wurde.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist das kubische Kristallmaterial als einen Bestandteil Saphir (Al2O3) und ein Kalium- oder Kalziumoxid auf.
  • Insbesondere weist das kubische Kristallmaterial vorzugsweise wenigstens ein Material auf, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die 7Al2O3·12CaO, Al2O3·K2O, Al2O3·3CaO, Al2O3·SiO2KO, Al2O3·SiO2·2K und Al2O3·3CaO6H2O enthält.
  • Dabei bewirkt der Anteil von Saphir (Al2O3) eine Verbreiterung der Bandlücke bzw. eine Verschiebung der Absorptionskante in den UV-Bereich bei gleichzeitiger Erhöhung der Brechzahl, so dass brechzahlsenkende weitere Bestandteile den Mischkristall ergänzen, was zu der obigen Verringerung der intrinsischen Doppelbrechung führt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das kubische Kristallmaterial Kalzium, Natrium und Siliziumoxid auf. Insbesondere weist das kubische Kristallmaterial vorzugsweise wenigstens ein Material aus der Gruppe auf, die CaNa2SiO4 und CaNa4Si3O9 enthält.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das kubische Kristallmaterial wenigstens ein Material aus der Gruppe auf, die Sr(NO3)2, MgONa2O·SiO2 und Ca(NO3)2 enthält.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist auf die Lichtaustrittsfläche der Plankonvexlinse ein weiteres, im Wesentlichen planparalleles optisches Element aufgebracht.
  • Ein solcher Aufbau des optischen Elements hat den Vorteil einer besonders effektiven Korrektur der sphärischen Aberration, welche typischerweise bei hohen Aperturen den größten zu bewältigenden Beitrag an Abbildungsfehlern darstellt. Bei telezentrischem Strahlengang im Bereich des optischen Elementes kann insbesondere durch das planparallele Teilelement in vorteilhafter Weise eine über das Bildfeld gleichmäßige Korrektur der sphärischen Aberration erreicht werden.
  • Im Gegensatz zu dem o.g. Aufbau aus dem ersten und dem zweiten optischen Element (d.h. insbesondere der Plankonvexlinse) treten in dem in Wesentlichen planparallelen optischen Element bei einem Aufbau aus gegeneinander verdrehten Teilbereichen des gleichen Kristallschnitts für die jeweiligen Teilbereiche jeweils im Wesentlichen gleiche Kompensationswege auf, so dass insoweit eine effektive Korrektur der intrinsischen Doppelbrechung im Wege des „Clocking-Schemas" erfolgen kann. Folglich ist es vorteilhaft, in dem planparallelen optischen Element ein zweites Material mit größerer Brechzahl als das Material in dem ersten Bereich vorzusehen, wobei diese größere Brechzahl insbesondere auch jenseits des o.g. Abstands von der numerischen Apertur liegen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher das zweite Material aus der Gruppe Magnesiumspinell (MgAl2O4), Yttriumaluminiumgranat (Y3Al5O12), MgO und Scandiumaluminiumgranat (Sc3Al5O12) ausgewählt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Arbeitswellenlänge weniger als 250 nm, bevorzugt weniger als 200 nm und noch bevorzugter weniger als 160 nm.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abbildungssystem ein katadioptrisches Projektionsobjektiv mit mindestens zwei Konkavspiegeln, das wenigstens zwei Zwischenbilder erzeugt.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage, ein Verfahren zur Herstellung mikrolithographischer Bauelemente und ein mikrostrukturiertes Bauelement.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 13 schematische Darstellungen unterschiedlicher bevorzugter Ausführungsformen zur Erläuterung des Aufbaus eines optischen Elements in einem erfindungsgemäßen Abbildungssystem; und
  • 4 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, welche ein erfindungsgemäßes Projektionsobjektiv aufweisen kann.
  • DETALLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt lediglich schematisch den Aufbau eines optischen Elements 100 in einem erfindungsgemäßen Abbildungssystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Das optische Element 100 ist vorzugsweise insbesondere die bildseitig letzte Linse in einem mikrolithographischen Projektionsobjektiv, dessen grundsätzlicher Aufbau noch weiter unten anhand von 4 erläutert wird.
  • Das Abbildungssystem ist bevorzugt ein katadioptrisches Projektionsobjektiv, in welchem gemäß 1 (in lediglich schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung) in einer Bildebene „Im" ein zur optischen Achse „OA" außeraxiales Bildfeld „F" erzeugt wird. Gemäß 1 ist das bildseitig letzte optische Element eine Plankonvexlinse 100, welche hinsichtlich ihrer optischen Außenfläche rotationssymmetrisch zur optischen Achse OA ist. Die Plankonvexlinse 100 ist jedoch, wie in 1 schematisch dargestellt, aus Elementen 110 und 120 zusammengesetzt, die selbst nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse OA sind. Dabei ist gemäß 1 das erste Element 110 derart schalenförmig ausgebildet, dass es mit seiner bildseitig konkaven Lichtaustrittsfläche in unmittelbarem Kontakt mit der hierzu korrespondierenden Lichteintrittsfläche des zweiten Elements 120 ist.
  • Die Elemente 110 und 120 sind im Ausführungsbeispiel jeweils aus kubischem Kristallmaterial, und zwar vorzugsweise aus dem gleichen kubischen Kristallmaterial und mit dem gleichen Kristallschnitt, hergestellt, und können gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beide aus Magnesiumspinell (MgAl2O4) im (111)-Kristallschnitt bestehen. Die Elemente 110 und 120 sind jedoch gegeneinander um etwa 60° verdreht angeordnet, so dass – bei gleichen Kompensationswegen in den beiden Elementen – durch Kombination der Elemente 110, 120 eine azimutalsymmetrische Verteilung der Verzögerung sowie eine Reduzierung der für die Verzögerung erhaltenen maximalen Werte erreicht wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung kubischer Kristallmaterialien in den Elementen 110, 120 (oder auch in den Elementen gemäß den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen) beschränkt. So können in einer weiteren Ausführungsform das erste optische Element und das zweite optische Element aus einem optisch einachsigen Kristallmaterial hergestellt sein. Geeignete optisch einachsige Materialien sind beispielsweise Lanthan-Fluorid (LaF3), Saphir (Al2O3) oder Beryllium-Oxid bzw. Bromillit (BeO). Dabei können insbesondere diese Materialien auch so gewählt sein, dass die von dem zweiten optischen Element erzeugte Verzögerung von entgegengesetztem Vorzeichen wie die von dem ersten optischen Element erzeugte Verzögerung ist. Beispielsweise kann das erste optische Element aus Saphir (Al2O3) gebildet sein (mit Brechzahlen no = 1.7681 und ne = 1.7600 bei λ = 589.3 nm, also Δn = ne – no = –0.0081), und das zweite optische Element kann aus Beryllium-Oxid bzw. Bromillit (BeO) gebildet sein (mit Brechzahlen no = 1.7186 und ne = 1.7343 bei λ = 589.3 nm, also Δn = ne – no = +0.0157), so dass entgegengesetzte Vorzeichen der Doppelbrechung in den beiden Elementen vorliegen und damit eine gegenseitige Kompensation und eine Reduzierung der für die Verzögerung erhaltenen maximalen Werte erreicht werden kann.
  • Um eine zumindest weitgehende Übereinstimmung der Kompensationswege zu erreichen, erfolgt die (asymmetrische) Anordnung der beiden Elemente 110, 120 gemäß 1 gerade so, dass eine Übereinstimmung der Kompensationswege für die in der Mitte des Bildfeldes F auftreffenden Strahlen erreicht wird. Gezeigt sind beispielhaft zwei solche Strahlen „A" und „B", wobei gemäß 1 die in den Elementen 110, 120 zurückgelegten Strecken mit a1 und a2 bzw. b1 und b2 bezeichnet sind. Zur Schaffung der angestrebten gleichen Kompensationslängen sind diese Strecken so gewählt, dass sich für jeden der Strahlen A und B jeweils gleiche optische Weglängen ni·ai (i = 1, 2) bzw. ni·bi (i = 1, 2) in dem ersten Element 110 und in dem zweiten Element 120 ergeben. Infolge der gemäß Ausführungsbeispiel übereinstimmenden Brechzahlen in den Elementen 110, 120 reduziert sich diese Bedingung auf die Bedingung a1 = a2 bzw. b1 = b2.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand von 2 erläutert.
  • Gemäß 2 ist das bildseitig letzte optische Element eine Plankonvexlinse 100, welche hinsichtlich ihrer optischen Außenfläche rotationssymmetrisch zur optischen Achse OA ist, jedoch aus vier Elementen 210, 220, 230 und 240 zusammengesetzt ist, die selbst nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse OA sind. Dabei sind gemäß 2 das erste Element 210, das zweite Element 220 und das dritte Element 230 jeweils derart schalenförmig ausgebildet, dass jeweils eine bildseitig konkave Lichtaustrittsfläche in ummittelbarem Kontakt mit der hierzu korrespondierenden Lichteintrittsfläche des nachfolgenden Elements ist.
  • Die Elemente 210 und 220 entsprechen in Kristallschnitt und Orientierung den Elementen 110 und 220, können insbesondere beide aus Magnesiumspinell (MgAl2O4) im (111)-Kristallschnitt bestehen und gegeneinander um etwa 60° verdreht angeordnet sein. Die Elemente 230 und 240 können beispielsweise ebenfalls aus Magnesiumspinell (MgAl2O4) bestehen, liegen jedoch im (100)-Kristallschnitt vor und sind gegeneinander um etwa 45° verdreht angeordnet.
  • Gezeigt sind wiederum beispielhaft zwei Strahlen „A" und „B", wobei gemäß 1 die in den Elementen 210, 220, 230 und 240 zurückgelegten Strecken mit a1 bis a4 bzw. b1 bis b4 bezeichnet sind. Zur Schaffung der angestrebten gleichen Kompensationslängen sind diese Strecken so gewählt, dass sich für jeden der Strahlen A und B jeweils gleiche optische Weglängen ni·ai (i = 1, 2) bzw. ni·bi (i = 1, 2) in dem Element 210 und dem Element 220 ergeben. Ferner ergeben sich jeweils gleiche optische Weglängen ni·ai (i = 3, 4) bzw. ni·bi (i = 3, 4) in dem Element 230 und dem Element 240. Infolge der gemäß Ausführungsbeispiel übereinstimmenden Brechzahlen in den Elementen reduzieren sich diese Bedingungen auf die Bedingungen a1 = a2 und a3 = a4 bzw. b1 = b2 und b3 = b4.
  • Vorzugsweise ist ferner die Bedingung a1/a3 = b1/b3 ≈ 2/3 erfüllt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in 1 oder 2 gezeigte Anordnung der optischen Elemente beschränkt. Vielmehr soll jede Anordnung aus wenigstens zwei jeweils nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildeten Elementen in einem Abbildungssystem mit außeraxialem Bildfeld von der Erfindung umfasst sein, bei welcher diese beiden Elemente jeweils aus kubischem oder optische einachsigem Kristallmaterial hergestellt und derart angeordnet sind, dass die sich aufgrund intrinsischer bzw. natürlicher Doppelbrechung ergebenden Verteilungen der Verzögerung sich zumindest teilweise kompensieren.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist das kubisch kristalline Material eine solche Brechzahl auf, dass die Differenz (n-NA) zwischen dieser Brechzahl n und der numerischen Apertur NA des Abbildungssystems maximal 0.2 beträgt.
  • Legt man eine beispielhafte numerische Apertur des Projektionsobjektivs von NA = 1.5 zugrunde, so beträgt somit die Brechzahl n des kubisch kristallinen Materials des ersten Teilelements dann vorzugsweise maximal n = 1.7.
  • Eine Auflistung über erfindungsgemäß besonders geeignete Materialien gibt die nachfolgende Tabelle 1. Dabei ist in Spalte 2 jeweils die zu dem Kristallmaterial gehörige Brechzahl nd bei der Wellenlänge λ = 589nm angegeben; hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die Brechzahl bei einer typischen Arbeitswellenlänge von λ = 193nm typischerweise um etwa 0.1 größer ist.
  • Tabelle 1:
    Figure 00180001
  • Figure 00190001
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist gemäß 3 in einem optischen Element 300 auf die Lichtaustrittsfläche einer Plankonvexlinse 310 mit dem anhand von 1 oder 2 erläuterten Aufbau ein weiteres, im Wesentlichen planparalleles optisches Element 320 aufgebracht, vorzugsweise auf der Lichtaustrittsfläche der Plankonvexlinse 310 aufgesprengt.
  • Ebenfalls in 3 schematisch dargestellt ist der Aufbau des planparallelen optischen Elements 320 aus insgesamt vier Teilbereichen in Form von planparallelen Teilplatten 321, 322, 323 und 324, die vorzugsweise jeweils aus dem gleichen kubischen Kristallmaterial, beispielsweise Magnesiumspinell, hergestellt sind. Dabei weisen die erste Teilplatte 321 und die zweite Teilplatte 322 jeweils einen (111)-Kristallschnitt auf und sind gegeneinander um 60° (oder allgemein 60° + k·120°, k = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse (die in 3 mit der optischen Achse OA übereinstimmt) verdreht angeordnet. Die dritte Teilplatte 323 und die vierte Teilplatte 324 weisen jeweils einen (100)-Kristallschnitt auf und sind gegeneinander um 45° (oder allgemein 45° + l·90°, mit l = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet.
  • Gemäß 4 weist eine Projektionsbelichtungsanlage 400 eine Beleuchtungseinrichtung 401 und ein Projektionsobjektiv 402 auf. Das Projektionsobjektiv 402 umfasst eine Linsenanordnung 403 mit einer Aperturblende AP, wobei durch die lediglich schematisch angedeutete Linsenanordnung 403 eine optische Achse OA definiert wird. Zwischen der Beleuchtungseinrichtung 401 und dem Projektionsobjektiv 402 ist eine Maske 404 angeordnet, die mittels eines Maskenhalters 405 im Strahlengang gehalten wird. Solche in der Mikrolithographie verwendeten Masken 404 weisen eine Struktur im Mikrometer- bis Nanometer-Bereich auf, die mittels des Projektionsobjektives 402 beispielsweise um den Faktor 4 oder 5 verkleinert auf eine Bildebene IP abgebildet wird. In der Bildebene IP wird ein durch einen Substrathalter 407 positioniertes lichtempfindliches Substrat 406, bzw. ein Wafer, gehalten. Die noch auflösbaren minimalen Strukturen hängen von der Wellenlänge λ des für die Beleuchtung verwendeten Lichtes sowie von der bildseitigen numerischen Apertur des Projektionsobjektives 402 ab, wobei die maximal erreichbare Auflösung der Projektionsbelichtungsanlage 400 mit abnehmender Wellenlänge λ der Beleuchtungseinrichtung 401 und mit zunehmender bildseitiger numerischer Apertur des Projektionsobjektivs 402 steigt.
  • Das Projektionsobjektiv 402 ist als Abbildungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet. In 4 ist lediglich schematisch eine mögliche, ungefähre Position eines erfindungsgemäßen optischen Elements 300 gestrichelt angedeutet, wobei das optische Element 300 hier gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das bildseitig letzte optische Element des Projektionsobjektives 402 und somit im Bereich relativ hoher Aperturwinkel angeordnet ist. Das optische Element 300 kann einen anhand von 1 bis 3 erläuterten Aufbau aufweisen.
  • Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims (40)

  1. Abbildungssystem, insbesondere Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, welches eine optische Achse (OA) aufweist und ein hierzu außeraxiales Bildfeld (F) erzeugt, mit: – einem ersten optischen Element (110, 210), welches in einer zur optischen Achse (OA) senkrechten Ebene eine erste Verteilung der Verzögerung erzeugt; und – wenigstens einem zweiten optischen Element (120, 220), welches in einer zur optischen Achse (OA) senkrechten Ebene eine zweite Verteilung der Verzögerung erzeugt, welche die erste Verteilung der Verzögerung. wenigstens teilweise kompensiert; – wobei das erste und das zweite optische Element jeweils nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse (OA) ausgebildet sind.
  2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element und das zweite optische Element aus einem kubischen Kristallmaterial hergestellt sind.
  3. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element und das zweite optische Element aus einem optisch einachsigen Kristallmaterial hergestellt sind.
  4. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem zweiten optischen Element erzeugte Verzögerung von entgegengesetztem Vorzeichen wie die von dem ersten optischen Element erzeugte Verzögerung ist.
  5. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element und das zweite optische Element den gleichen Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um die optische Achse verdreht sind.
  6. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das außeraxiale Bildfeld (F) spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieebene ist, und das erste optische Element (110, 210) und/oder das zweite optische Element (120, 220) spiegelsymmetrisch in Bezug auf die gleiche Symmetrieebene ist.
  7. Abbildungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (110, 210) und/oder das zweite optische Element (120, 220) als einzige Symmetrie eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf diese Symmetrieebene aufweist.
  8. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens einen auf die Mitte des Bildfeldes treffenden Strahl die Bedingung n1·d1 ≈ n2·d2 erfüllt ist, wobei ni (i = 1, 2) die jeweilige Brechzahl und di (i = 1, 2) die von diesem Strahl in dem ersten bzw. zweiten optischen Element zurückgelegte geometrische Weglänge angibt.
  9. Abbildungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung n1·d1 ≈ n2·d2 für wenigstens zwei auf die Mitte des Bildfeldes treffende Strahlen erfüllt ist, wobei der Winkel zwischen diesen Strahlen wenigstens 40°, bevorzugt wenigstens 50°, noch bevorzugter wenigstens 60° und noch bevorzugter wenigstens 70° beträgt.
  10. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (110, 210) und das zweite optische Element (120, 220) jeweils einen (111)-Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um 60° + k·120° (mit k = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet sind.
  11. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein drittes optisches Element (230) und ein viertes optisches Element (240) vorgesehen sind, welche jeweils einen (100)-Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um 45° + l·90° (mit l = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet sind.
  12. Abbildungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte optische Element (230) und das vierte optische Element (240) jeweils nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildet sind.
  13. Abbildungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens einen auf die Mitte des Bildfeldes treffenden Strahl die Bedingung n3·d3 ≈ n4·d4 erfüllt ist, wobei ni (i = 3, 4) die jeweilige Brechzahl und di (i = 3, 4) die von diesem Strahl in dem dritten optischen Element (230) bzw. vierten optischen Element (240) zurückgelegte geometrische Weglänge angibt.
  14. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei und vorzugsweise sämtliche dieser optischen Elemente (110, 120; 210, 220, 230, 240) derart aufeinander angesprengt sind, so dass sie gemeinsam eine Linse (100, 200) bilden.
  15. Abbildungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (100, 200) eine in Bezug auf die optische Achse rotationssymmetrische Form aufweist.
  16. Abbildungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (100, 200) eine Plankonvexlinse ist.
  17. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (100, 200) eine bildseitig letzte Linse des Abbildungssystems ist.
  18. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Elemente die Form einer objektseitig konvex gekrümmten Schale (110; 210, 220, 230) aufweist.
  19. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei der optischen Elemente (110, 120; 210, 220, 230, 240) eine Flüssigkeit angeordnet ist, deren Brechzahl im Wesentlichen der Brechzahl dieser zwei optischen Elemente entspricht.
  20. Abbildungssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Perhydrofluoren ist.
  21. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (110, 120; 210, 220, 230, 240) jeweils aus dem gleichen Kristallmaterial hergestellt sind.
  22. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Kristallmaterial wenigstens eines dieser optischen Elemente aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Magnesiumspinell (MgAl2O4), Yttriumaluminiumgranat (Y3Al5O12), Magnesiumoxid (MgO) und Scandiumaluminiumgranat (Sc3Al5O12) enthält.
  23. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es eine bildseitige numerische Apertur NA aufweist, wobei das kubische Kristallmaterial bei einer vorgegebenen Arbeitswellenlänge eine solche Brechzahl n aufweist, dass die Differenz (n-NA) zwischen der Brechzahl n und der numerischen Apertur NA des Abbildungssystems maximal 0.2 beträgt.
  24. Abbildungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz (n-NA) zwischen der Brechzahl n und der numerischen Apertur NA des Abbildungssystems im Bereich von 0.05 bis 0.20, vorzugsweise im Bereich von 0.05 bis 0.15, besonders bevorzugt im Bereich von 0.05 bis 0.10 liegt.
  25. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Kristallmaterial wenigstens eines dieser optischen Elemente ein Oxid aufweist.
  26. Abbildungssystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Kristallmaterial wenigstens eines dieser optischen Elemente als einen Bestandteil Saphir (Al2O3) und ein Kalium- oder Kalziumoxid aufweist.
  27. Abbildungssystem nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Kristallmaterial wenigstens eines dieser optischen Elemente wenigstens ein Material aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die 7Al2O3·12CaO, Al2O3·K2O, Al2O3·3CaO, Al2O3·SiO2KO, Al2O3·SiO2·2K und Al2O3·3CaO6H2O enthält.
  28. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Kristallmaterial wenigstens eines dieser optischen Elemente Kalzium, Natrium und Siliziumoxid aufweist.
  29. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Kristallmaterial wenigstens eines dieser optischen Elemente wenigstens ein Material aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die CaNa2SiO4 und CaNa4Si3O9 enthält.
  30. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Kristallmaterial wenigstens eines dieser optischen Elemente wenigstens ein Material aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die Sr(NO3)2, MgONa2O·SiO2 und Ca(NO3)2 enthält.
  31. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Lichtaustrittsfläche der Plankonvexlinse (310) ein weiteres, im Wesentlichen planparalleles optisches Element (320) aufgebracht ist.
  32. Abbildungssystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das planparallele optische Element (320) eine Elementachse und wenigstens zwei Teilbereiche (321, 322) aufweist, welche den gleichen Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um die Elementachse verdreht angeordnet sind.
  33. Abbildungssystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (321) und der zweite Teilbereich (322) jeweils einen (111)-Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um 60° + k·120° (mit k = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet sind.
  34. Abbildungssystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich jeweils einen (100)-Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um 45° + l·90° (mit l = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet sind.
  35. Abbildungssystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das planparallele optische Element (320) eine Elementachse und wenigstens vier Teilbereiche (321, 322, 323, 324) aufweist, wobei ein erster Teilbereich (321) und ein zweiter Teilbereich (322) jeweils einen (111)-Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um 60° + k·120° (mit k = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet sind, und wobei ein dritter Teilbereich (323) und ein vierter Teilbereich (324) jeweils einen (100)-Kristallschnitt aufweisen und gegeneinander um 45°+ l·90° (mit l = 0, 1, 2, ...) um die Elementachse verdreht angeordnet sind.
  36. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswellenlänge weniger als 250 nm, bevorzugt weniger als 200 nm und noch bevorzugter weniger als 160 nm beträgt.
  37. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein katadioptrisches Projektionsobjektiv mit mindestens zwei Konkavspiegeln ist, das wenigstens zwei Zwischenbilder erzeugt.
  38. Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einem Projektionsobjektiv, welches ein Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
  39. Verfahren zur mikrolithographischen Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Substrats (406), auf das zumindest teilweise eine Schicht aus einem lichtempfindlichen Material aufgebracht ist; – Bereitstellen einer Maske (404), die abzubildende Strukturen aufweist; – Bereitstellen einer Projektionsbelichtungsanlage (300) nach Anspruch 38; – Projizieren wenigstens eines Teils der Maske (404) auf einen Bereich der Schicht mit Hilfe der Projektionsbelichtungsanlage (400).
  40. Mikrostrukturiertes Bauelement, das nach einem Verfahren gemäß Anspruch 39 hergestellt ist.
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