DE102007047109A1

DE102007047109A1 - Optisches System, insbesondere Projektionsobjektiv der Mikrolithographie

Info

Publication number: DE102007047109A1
Application number: DE102007047109A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Kugler; Tilman Schwertner
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-09
Also published as: US20100201964A1; WO2009043573A1; US8553202B2

Abstract

Ein optisches System, insbesondere ein Projektionsobjektiv der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen, ist mit einer optischen Achse (z) und mit wenigstens einem optischen Element (8), das in einer Fassung (9) angeordnet und das mit Verstellelementen versehen ist, versehen. Das optische Element (8) ist mit einem drehbaren Tragring (12) über wenigstens ein am Tragring (12) angeordnetes Verbindungsglied (13) direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente (14, 15) mit dem optischen Element (8) verbunden. Der drehbare Tragring (12) ist gegenüber einer feststehenden Außenfassung (9) mittels einer Verdreheinrichtung (16) um eine optische Achse (z) frei drehbar gelagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere Projektionsobjektiv der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen, mit einer optischen Achse und mit wenigstens einem optischen Element, das in einer Fassung angeordnet und das mit Verstellelementen versehen ist.
Ein optisches System der eingangs erwähnten Art ist z. B. aus der DE 198 59 634 A1 ( US 6,307,688 ) und der US 2002/0163741 A1 bekannt.
In der US 5,852,518 ist ein Projektionsobjektiv der Mikrolithographie mit einer drehbaren Fassungstechnik dargestellt. Dabei wird eine Linse in einem Rahmen relativ zu einer anderen Linse um eine optische Achse z gedreht. Beide Linsen haben dabei astigmatische Oberflächen. Durch die Verdrehungseinrichtung lassen sich Abbildungsfehler korrigieren. Liegt z. B. bei einer an drei Punkten gelagerten Linse eine dreiwellige Verformung vor, so kann diese an zwei Linsen, die die gleiche Verformung aufweisen, durch ein entsprechendes Verdrehen der beiden Linsen zueinander ausgeglichen werden. Dies lässt sich am einfachsten mit Linsen durchführen, die ähnliche optische Eigenschaften im Gesamtobjektiv besitzen. Dabei können z. B. Verdrehungen um 60° bei einer dreiwelligen Verformung vorgenommen werden, womit Bildfehler wieder kompensiert werden.
Die drehbare Fassungstechnik nach der US 5,852,518 hat jedoch den Nachteil, dass die Verdrehung nur zu Justagezwecken verwendet werden kann und dass die Verdrehung darüber hinaus manuell erfolgt. Um z. B. auch Temperatureffekte im Betrieb des Objektives zu kompensieren, ist jedoch zum einen eine genauere Verstellung und zum anderen auch eine Verstellung während des Betriebs erforderlich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das optische Element unzureichend von parasitären Kräften und Momenten entkoppelt ist, wie sie unter anderem beim Verdrehen der Komponente bzw. bei der Montage entstehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem Bildfehler auf möglichst einfache Weise und exakt auch während des Betriebes beseitigt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung eines drehbaren Tragringes zwischen dem optischen Element und der Außenfassung lässt sich eine Drehung des optischen Elementes um die optische Achse in beliebiger Größe bzw. einem beliebigen Drehwinkel durchführen. Gleichzeitig kann jedoch dabei eine Entkopplung des optischen Elementes von Kräften und Momenten beibehalten werden, um Deformationen des optischen Elementes zu vermeiden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine Deformationsentkopplung auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Verbindungsglieder als Bipoden ausgebildet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Außenfassung, der drehbare Tragring und die Bipoden als drehbare Kinematik in Form eines Hexapods aufgebaut sind. Durch diese Ausgestaltung entsteht eine verdrehbare Parallelkinematik zur Kompensation von Bildfehlern.
Wichtig ist der Aufbau als Parallelkinematik. So wird man gegebenenfalls auch einen Aufbau mit fünf Freiheitsgraden, d. h. fünf Verbindungsglieder, als Fassung verwenden können.
Die Anzahl der Verbindungsglieder bestimmt sich dabei durch den Montage- und Justageprozess. Erfordert der Montageprozess eine Beweglichkeit in drei Freiheitsgraden zur Kompensation von Fertigungstoleranzen, so sind mindestens drei Verbindungsglieder vorzusehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird man die Lagerung zwischen der Außenfassung und dem Tragring als isostatische Lagerung ausbilden. Durch die isostatische Lagerung wird vermieden, dass Deformationen eingeleitet werden. Eine isostatische Lagerung hat weiterhin den Vorteil, dass sie einen sehr gut reproduzierbaren Deformationszustand der Optik garantiert. Justageprozesse des Objektivs sind damit möglich, die einen mehrmaligen Ein- und Ausbau des Tragrings erforderlich machen.
Hierfür kann z. B. die Lagerung derart ausgebildet sein, dass die isostatische Lagerung eine Pfannenlagerung mit wenigstens drei Auflageelementen mit sphärischer Profilform versehen ist, wobei die Auflageelemente mit ihren sphärischen Profilformen in pfannenartige oder kreisförmige Aufnahmen aufgenommen sind.
Sind dabei drei Auflagekörper in Kugelform oder Halbkugelform als sphärische Profilform über den Umfang verteilt angeordnet, lässt sich eine Verdrehung jeweils um 120° erreichen. Bei einer entsprechend höheren Anzahl werden die möglichen Verdrehwinkel entsprechend geringer bzw. lässt sich eine genauere Rasterung erreichen.
Sind die Auflagekörper z. B. in einer umlaufenden keilförmigen Nut aufgenommen, lässt sich eine stufenlose Verstellung erreichen.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnungen prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung eines Projektionsobjektives der Mikrolithographie;
2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemä ßen Verdreheinrichtung für ein optisches Element;
3 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Verdreheinrichtung für ein optisches Element mit einem Unterstützungsring;
4 einen Längsschnitt durch die Verdreheinrichtung nach der 3 mit einer Dreheinrichtung;
5 eine vergrößerte Teildarstellung der Verdreheinrichtung nach der 4 mit der Dreheinrichtung; und
6 eine vergrößerte Teildarstellung der Verdreheinrichtung nach der 2 mit einem Luftlager.
In 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie dargestellt. Diese dient zur Belichtung von Strukturen auf ein mit photosensitiven Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend aus Silizium besteht und als Wafer 2 bezeichnet wird, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z. B. Computerchips.
Die Projektionsbelichtungsanlage 1 besteht dabei im wesentlichen aus einer Beleuchtungseinrichtung 3, einer Einrichtung 4 zur Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer gitterartigen Struktur versehenen Maske, einem sogenannten Reticle 5, durch welches die späteren Strukturen auf dem Wafer 2 bestimmt werden, einer Einrichtung 6 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 2 und einer Abbildungseinrichtung, nämlich einem Projektionsobjektiv 7, mit mehreren optischen Elementen, wie z. B. Linsen 8, die über Fassungen 9 in einem Objektivgehäuse 10 des Projektionsobjektives 7 gelagert sind.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 5 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 2 verkleinert abgebildet werden.
Nach einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 2 in Pfeilrichtung weiterbewegt, sodass auf demselben Wafer 2 eine Vielzahl von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 5 vorgegebenen Struktur, belichtet wird. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung des Wafers 2 in der Projektionsbelichtungsanlage 1 wird diese häufig auch als Stepper bezeichnet.
Die Beleuchtungseinrichtung 3 stellt einen für die Abbildung des Reticles 5 auf dem Wafer 2 benötigten Projektionsstrahl 11, beispielsweise Licht oder eine ähnliche elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Quelle für diese Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 3 über optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl 11 beim Auftreffen auf das Reticle 5 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen aufweist.
Über den Projektionsstrahl 11 wird ein Bild des Reticles 5 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 7 entsprechend verkleinert auf den Wafer 2 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Das Projektionsobjektiv 7 weist eine Vielzahl von einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen, wie z. B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen auf.
In den 2 bis 6 ist in vergrößerter Darstellung eine Verdreheinrichtung für ein optisches Element, z. B. eine der Linsen 8 des Projektionsobjektives 7, dargestellt. Eine Außenfassung 9, die z. B. in bekannter Weise auch einen Teil des Objektivgehäuses 10 bilden kann, ist über eine Dreheinrichtung, welche nachfolgend noch näher beschrieben wird, mit einem Tragring 12 verbunden. Gleichmäßig über den Umfang verteilt sind an dem Tragring 12 drei Bipode 13 angeordnet. Dabei sind deren Fußteile 13a und 13b mit dem Tragring 12 und ein Kopfbereich 13c, an dem die beiden keilförmig angeordneten Fußteile 13a und 13b zusammenlaufen, mit Ansätzen 14 verbunden, die an dem optischen Element 8 angeordnet sind. Die Ansätze 14, die Bipoden 13 und der Tragring 12 können monolithisch, d. h. einstückig aus dem gleichen Material, ausgebildet sein.
Die 3 zeigt grundsätzlich die gleiche Ausgestaltung wie die Verdreheinrichtung nach der 2, wobei jedoch anstelle von drei Ansätzen 14 ein Unterstützungsring 15 für das optische Element 8 vorgesehen ist, an dem jeweils die Kopfbereiche 13c der Bipoden 13 angeordnet sind. Durch den zusätzlichen Unterstützungsring 15 lässt sich ein unzulässiges Durchhängen der Linse aufgrund seines Eigengewichtes verhindern.
Die 4 zeigt eine der möglichen Arten für eine isostatische Lagerung mit einer Verdreheinrichtung 16 zwischen dem Tragring 12 und der feststehenden Außenfassung 9. Durch die Verdreheinrichtung 16 lässt sich die Linse 8 um eine optische Achse z drehen. In der Außenfassung 9 ist ein nicht näher dargestellter Antriebsmotor 17 angeordnet, der über einen Zahnradantrieb mit einem Ritzel 18 einen Zahnkranz 19, der an dem Tragring 12 angeordnet ist, verdrehen kann. Eine isostatische Lagerung zwischen dem Tragring 12 und der Außenfassung 9 kann drei über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Auflagekörper 20 in Kugel- oder Halbkugelprofilform aufweisen, die in der Fassung 9 angeordnet sind und die Pfannen- oder keilförmigen Aufnahmen 21, die in dem Tragring 12 eingebracht sind, aufgenommen sind. In der 5 ist hierzu eine vergrößerte Darstellung aufgezeigt.
Die 6 zeigt auch ein Luftlager 22 zwischen dem Tragring 12 und der Außenfassung 9. Das Luftlager 22 weist mehrere in der Außenfassung 9 angeordnete Kanäle 23 auf, die mit einer nicht näher dargestellten Druckluftquelle 24 verbunden sind. Die Kanäle 23 münden in den Zwischenraum zwischen der Außenfassung 9 und dem Tragring 12 und bilden damit ein Luftlager zum Anheben des Tragrings 12, womit eine reibungsfreie Bewegung erreicht wird. Wenn keine Verdrehung vorgesehen ist, sitzt der Tragring 12 entsprechend auf der Außenfassung 9 auf und ist damit positioniert. Zur Positionsmessung können nicht näher dargestellte über den Umfang verteilt angeordnete Senso ren 25 an der Außenfassung 9 vorgesehen sein, die z. B. als kapazitive Sensoren ausgebildet sind, und die die Position des Tragrings 12 gegenüber der Außenfassung 9 und damit auch die Position der Linse 8 berührungsfrei bestimmen.
Die Verdreheinrichtung 16 kann auch derart ausgebildet sein, dass die Linse 8 als Rotor wirkt, während der Tragring 12 als Stator vorgesehen ist. In diesem Fall wird man Krafteinleitungsglieder am Umfang des optischen Elements, wie z. B. Nasen, Zähne oder Magnete 26 (siehe gestrichelte Prinzipdarstellung in 3) vorsehen, die dann entsprechend in nicht näher dargestellter Weise durch eine Antriebseinrichtung bewegt werden bzw. als Angriffspunkte dienen. Durch elektrisch initiierte Magnetfelder (statisch oder beweglich) oder durch Stößel kann dann die Linse 8 als Rotor bewegt werden. Alternativ ist auch eine pneumatische oder hydraulisch operierende Verdreheinrichtung möglich.
Überträgt man die Antriebskraft über ein Feld, z. B. magnetisch oder elektrisch, so ist der Antrieb mechanisch von der Linse 8 entkoppelt, wodurch keine Deformationskräfte eingebracht werden können.
Eine mögliche Ausgestaltung hierfür liegt z. B. in der Ausbildung als Ultraschallmotor (USM Ultra Sonic Motor), wobei die Rotationskraft durch eine Ultraschallvibrationsenergie übertragen wird. Diese Vibrationsenergie wird dazu benutzt, eine Drehbewegung zu erzeugen. Wirkungsweise und Aufbau eines USM ist allgemein bekannt, weshalb in der 3 ein Ultraschallmotor 27 nur prinzipmäßig angedeutet ist. Zum Aufbau und zur Wirkungsweise wird zum Beispiel auf die US 5,307,102 und US 5,459,369 verwiesen, deren Inhalt ebenfalls zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehört.
Bei relativ einfachen Aufgaben kann der Betrieb der Verdreheinrichtung 16 mit einer einfachen Steuerung erfolgen. Im Bedarfsfalle ist jedoch auch ein Regelkreis möglich.
Wie in der 2 gestrichelt dargestellt, können die Verbindungsglieder 13, welche bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Bipoden ausgebildet sind, mit Verstellgliedern 28 versehen sein. Durch Verstellglieder 28 können Längenänderungen der Verstellglieder durchgeführt werden. Je nach Einstellung der Längen durch die einzeln an den Fußteilen 13a und 13b angeordneten Verstellglieder 28 lässt sich die Linse 8 entsprechend manipulieren. Bei einer gleichmäßigen Längenänderung aller Verstellglieder 28 kann auf diese Weise die Linse 8 in Richtung der optischen Achse verschoben werden. Bei unterschiedlichen Längenänderungen an den Fußteilen 13a und 13b können auch Verkippungen der Linse um die optische Achse (z-Achse) durchgeführt werden.
Für die Verstellglieder sind die verschiedensten Ausgestaltungen möglich, um die gewünschten Längenänderungen zu erreichen. Dies kann zum Beispiel mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder auch durch piezoelektrische Elemente erfolgen, die bei einer Aktivierung ihre Länge ändern. Eine mechanische Längenänderung kann auf einfache Weise durch Einstellschrauben erfolgen. Ebenso sind Hybrid-Aktuatoren als Verstellglieder möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19859634 A1 [0002]
- US 6307688 [0002]
- US 2002/0163741 A1 [0002]
- US 5852518 [0003, 0004]
- US 5307102 [0035]
- US 5459369 [0035]

Claims

Optisches System, insbesondere Projektionsobjektiv der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen, mit einer optischen Achse und mit wenigstens einem optischen Element, das in einer Fassung angeordnet und das mit Verstellelementen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) mit einem drehbaren Tragring (12) über wenigstens ein am Tragring (12) angeordnetes Verbindungsglied (13) direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente (14,15) verbunden ist, und dass der drehbare Tragring (12) gegenüber einer feststehenden Außenfassung (9) mittels einer Verdreheinrichtung (16) um eine optische Achse (z) frei drehbar gelagert ist.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Verbindungsglieder (13) als Bipoden ausgebildet sind.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsglieder (13) durch Verstellglieder (28) in axialer Richtung in ihren Längen verstellbar sind.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfassung (9), der drehbare Tragring (12) und die Bipoden (13) als drehbare Kinematik in Form einer Parallelkinematik aufgebaut sind.
Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipoden (13) jeweils mit ihren Fußenden (13a, 13b) mit dem Tragring (12) verbunden sind und mit ihren Kopfbereichen (13c) durch eine kraft-, stoff- oder formschlüssige Verbindungstechnik mit dem optischen Element (10) verbunden sind.
Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipoden (13) jeweils im Kopfbereich (13c) mit am Umfang des optischen Elements (8) angeordneten Ansätzen (14) verbunden sind.
Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (12) die Bipoden (13) und die Ansätze (14) monolithisch ausgebildet sind.
Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipoden (13) jeweils im Kopfbereich (13c) mit einem Unterstützungsring (15) verbunden sind, auf dem das optische Element (8) aufliegt.
Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (12), die Bipoden (13) und der Unterstützungsring (15) monolithisch ausgebildet sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (12) über eine isostatische Lagerung mit der Außenfassung (11) verbunden ist.
Optisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die isostatische Lagerung eine Pfannenlagerung mit wenigstens drei Auflageelementen (20) mit sphärischer Profilform versehen ist, wobei die Auflageelemente (20) mit ihren sphärischen Profilformen in pfannenartige oder kreisförmige Aufnahmen aufgenommen sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdreheinrichtung (16) mit einem Zahnradantrieb versehen ist.
Optisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnradantrieb ein Ritzel (18) aufweist, das in der Außenfassung (9) gelagert und mit einem Antriebselement (17) verbunden ist, und einen mit dem Ritzel (18) zusammenarbeitenden Zahnkranz (19) aufweist, der an dem Tragring (12) angeordnet ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdreheinrichtung (16) eine hydraulische, pneumatische, mechanische oder elektrische Dreheinrichtung vorgesehen ist.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer elektrischen Verdreheinrichtung (16) das optische Element (8) als Rotor vorgesehen ist, der gegenüber dem als Stator ausgebildeten Tragring (12) verdrehbar ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem optischen Element (8) Krafteinleitungsglieder als Angriffspunkte für eine Verdreheinrichtung (16) angeordnet sind.
Optisches System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Krafteinleitungsglieder Nasen oder Zähne vorgesehen sind.
Optisches System nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Krafteinleitungsglieder Magnetteile für die Initiierung eines elektrischen Magnetfeldes vorgesehen sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tragring (12) und der Außenfassung (9) ein hydraulisches oder pneumatisches Lager (22) vorgesehen ist.
Optisches System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tragring (12) und der Außenfassung (9) ein Luftlager (22) vorgesehen ist.
Optisches System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftlager (22) Kanäle (23) aufweist, die in der Außenfassung (9) angeordnet und die mit einer Druckluftquelle (24) verbunden sind, wobei die Kanäle (23) zwischen dem Tragring (12) und der Außenfassung (9) enden.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdreheinrichtung (16) mit piezoelektrischen Antriebsgliedern versehen ist.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdreheinrichtung (16) einen Ultraschallmotor (27) aufweist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (8) und/oder der Tragring (12) mit Sensoren (25) zur Positionskontrolle versehen sind.