DE102007054731A1

DE102007054731A1 - Optisches Element zur Reflexion von UV-Strahlung, Herstellungsverfahren dafür und Projektionsbelichtungsanlage damit

Info

Publication number: DE102007054731A1
Application number: DE102007054731A
Authority: DE
Inventors: Alexandra Pazidis; Christoph Dr. Zaczek; Horst Dr. Feldermann
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2009-05-20
Also published as: WO2009062665A2; JP2011503654A; US8488103B2; JP5443375B2; WO2009062665A3; US20100290021A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (1) zur Reflexion von UV-Strahlung bei einer Betriebswellenlänge (lambda0) unterhalb von 250 nm, bevorzugt bei 193 nm, umfassend: ein Substrat (2), eine auf dem Substrat (2) angeordnete Schicht (3) aus einem für die UV-Strahlung nicht transparenten, bevorzugt metallischen oder halbeitenden, Basismaterial sowie ein auf der Schicht (3) angeordnetes dielektrisches Mehrfachschichtsystem (4), wobei das reflektierende optische Element (1) zumindest über einen Einfallswinkelbereich von 10°, bevorzugt von 15°, eine Reflektivität von mehr als 85%, bevorzugt von mehr als 88%, besonders bevorzugt von mehr als 92%, aufweist und das Basismaterial einen höheren Schmelzpunkt als Aluminium aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Reflexion von UV-Strahlung bei einer Betriebswellenlänge unterhalb von 250 nm, bevorzugt bei 193 nm, umfassend: ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete Schicht aus einem für die UV-Strahlung nicht transparenten, bevorzugt metallischen oder halbleitenden Basismaterial, sowie ein auf der Schicht angeordnetes, dielektrisches Mehrfachschichtsystem, wobei das reflektierende optische Element zumindest über einem Einfallswinkelbereich von 10°, bevorzugt von 15° eine Reflektivität von mehr als 85%, bevorzugt von mehr als 88%, besonders bevorzugt von mehr als 92% aufweist, eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen optischen Element sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Elements.
Optische Elemente zur Reflexion von UV-Strahlung werden beispielsweise in Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie zur Strahlumlenkung bzw. zur Faltung des Strahlengangs eingesetzt. Derartige optische Elemente sollen eine möglichst große Reflektivität für die einfallende Strahlung über einen möglichst breiten Einfallswinkelbereich aufweisen. Üblicher Weise wird hierzu auf eine reflektierende Schicht aus einem Basismaterial ein dielektrisches Mehrfachschichtsystem aufgebracht, welches durch Interferenzeffekte die Reflektivität des optischen Elements erhöht. Es ist bekannt, für optische Elemente, die im sichtbaren Wellenlängenbereich reflektieren, als Basismaterial z. B. Aluminium, Silber, Gold oder Platin zu verwenden. Für den UV- bzw. VUV-Wellenlängenbereich wird für gewöhnlich nur Aluminium als Basismaterial eingesetzt, da bei anderen Metallen in der Regel die Plasmakante im Wellenlängenbereich oberhalb der verwendeten Strahlung liegt.
Aus der US 7,033,679 B2 ist es bekannt, als Basismaterial für ein im sichtbaren Wellenlängenbereich reflektierendes optisches Element eine einkristalline Metallschicht mit hoher Packungsdichte zu wählen, welche eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist und auf der ein reflexionsverstärkendes Mehrfachschichtsystem aufgebracht ist. Für andere Basismaterialien als Aluminium, z. B. für Chrom, liegt die Reflektivität des optischen Elements jedoch deutlich unter 90%, sobald die Wellenlänge der verwendeten Strahlung sich dem UV-Wellenlängenbereich nähert.
Aus der US 6,956,694 B2 sind reflektierende Schichten bekannt, welche in einem katadioptrischen Projektionsobjektiv für UV-Strahlung Verwendung finden. Als Basismaterialien für diese Schichten ist u. a. Aluminium genannt, welches eine Reflektivität von mehr als 90% in diesem Wellenlängenbereich aufweist. Als Schichtmaterialien sind ferner Molybdän, Wolfram und Chrom genannt, deren Reflektivität im UV-Bereich jedoch nur bei ca. 60% liegt.
Die Reflektivität eines optischen Elements hängt nicht nur von der Beschaffenheit des Basismaterials ab. Vielmehr kann die Reflektivität auch erhöht werden, wenn wie in der WO 2006/053705 A1 der Anmelderin beschrieben, an einem dielektrisch geschützten Metallspiegel zwischen einer Aluminium-Schicht und dem darunter liegenden Substrat eine Schicht aus Tantal aufgebracht wird, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und ein orientiertes Aufwachsen der Schicht aus Aluminium ermöglichen soll.
Neben der Erzielung eines möglichst hohen Reflexionsgrades spielen für die Qualität eines reflektierenden optischen Elements noch weitere Faktoren eine Rolle. So tritt, wie allgemein bekannt, in der Regel zwischen Strahlung, die mit einem elektrischen Feldstärkevektor parallel zur Einfallsebene auf die reflektierende Oberfläche auftrifft (p-polarisierte Strahlung) und Strahlung, bei welcher der Feldstärkevektor senkrecht zur Einfallsebene verläuft (s-polarisierte Strahlung) bei reflektierenden optischen Elementen eine Reflexionsgraddifferenz und eine Phasendifferenz auf, welche vom Einfallswinkel abhängt. Sowohl die Reflexionsgraddifferenz als auch die Phasendifferenz sollten über den interessierenden Einfallswinkelbereich hinweg möglichst gering ausfallen, da beide die Abbildungseigenschaften des optischen Systems, in dem das reflektierende optische Element angeordnet ist, verschlechtern können, wenn nicht geeignete Maßnahmen zur Kompensation dieser Effekte ergriffen werden. Der interessierende Einfallswinkelbereich liegt bei Umlenkspiegeln typischer Weise in einem Winkelbereich um 45° und dessen Breite variiert in Abhängigkeit vom verwendeten optischen Design z. B. zwischen 40° und 50° oder zwischen 35° und 55°.
Ein optisches Element der eingangs genannten Art zur Reflexion von UV-Strahlung, welches über einen weiten Einfallswinkelbereich eine geringe Fluktuation der polarisationsabhängigen Reflexionsaufspaltung aufweisen soll, ist aus der US 6,310,905 B1 bekannt geworden. Dort wird eine spezielle Abfolge von Einzelschichten verwendet, die auf einer Schicht aus Aluminium als Basismaterial aufgebracht ist, um eine möglichst geringe Variation der Reflexionsaufspaltung über den verwendeten Einfallswinkelbereich zu erzielen.
Bei der Beschichtung eines Substrats mit einer Schicht aus Aluminium steht jedoch nur ein sehr eingeschränkter Bereich der Beschichtungsparameter (sehr kleiner Druck, hohe Beschichtungsrate, niedrige Beschichtungstemperatur) zur Verfügung, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Insbesondere nimmt die Rauheit der Aluminiumschicht mit zunehmender Beschichtungstemperatur zu, wodurch der Streulichtanteil ansteigt und die Reflexion abnimmt. Auch wurde festgestellt, dass bei Laserbestrahlung mit hohen Leistungen die Aluminiumschicht aufgeraut wird, auch wenn diese z. B. durch eine Schutzschicht aus Chiolith oder ein dielektrisches Mehrfachschichtsystem geschützt ist. Ferner haben die Erfinder beobachtet, dass beim Aufbringen eines dielektrischen Mehrfachschichtsystems auf die Aluminiumschicht, bei dem eine oder mehrere Einzelschichten durch energiereiche Beschichtungsprozesse aufgebracht werden, die Rauhigkeit der Aluminium-Oberfläche sich nicht wie bei anderen Basismaterialien üblich verringert, sondern sich im Gegenteil häufig verstärkt.
Aus der EP 1767978A1 ist ein optisches System bekannt geworden, bei dem mindestens ein Umlenkspiegel vorgesehen ist, auf den Strahlung in einem breiten Einfalls¬winkel¬bereich auftrifft. Der mindestens eine Umlenkspiegel erzeugt bei der Reflexion eine Änderung der Phasendifferenz zwischen s- und p-polarisierter Strahlung von höchstens 30° über den gesamten Einfallswinkelbereich. Als Materialien für das Basismaterial des Umlenkspiegels sind neben Aluminium auch Silber, Silizium, Germanium, Molybdän und Ruthenium genannt. Auf das Basis¬material sind typischerweise drei bis vier dielektrische Schichten aufgebracht.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Element, ein Herstellungsverfahren dafür sowie eine Projektionsbelichtungsanlage damit bereitzustellen, bei denen die Rauhigkeit der Oberfläche des Basismaterials auch nach längerer Bestrahlung und/oder beim Aufbringen von Schichten mit hohem Energieeintrag nicht merklich zunimmt.
Gegenstand der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein optisches Element der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Basismaterial einen höheren Schmelzpunkt als Aluminium aufweist.
Die Erfinder haben erkannt, dass der niedrige Schmelzpunkt von Aluminium (ca. 660°C) für die Erhöhung der Rauhigkeit der Aluminiumschicht durch die Bestrahlung verantwortlich ist, da Aluminium wie jedes Material Defektstellen enthält, an denen die Laserstrahlung absorbiert wird, bzw. allein durch die hohe intrinsische Absorption die Laserstrahlung in Wärme umwandelt. Bei Aluminium kann es hierbei aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes leicht zu einer lokalen Umordnung der Atome (lokales Aufschmelzen) oder chemischen Reaktionen kommen, wodurch die Rauhigkeit erhöht wird und die Reflexion abnimmt. Auch der bei der Verwendung energiereicher Beschichtungsverfahren erzeugte Energieeintrag wirkt ähnlich wie eine erhöhte Beschichtungstemperatur, die einen erheblichen Einfluss auf die Schichtstruktur hat (vgl. Kaiser, Applied Optics, Vol. 41, No. 16, 1. Juni 2002, S. 3053). Die Verwendung von energiereichen Beschichtungsverfahren ist jedoch zur Erzeugung eines möglichst beständigen Mehrfachschichtsystems vorteilhaft.
Die bei Schichtmaterialien für den UV-Bereich mit höherem Schmelzpunkt als Aluminium eher unvorteilhaften Brechzahlen können durch geeignet angepasste Mehrfachschichtsysteme kompensiert werden, so dass entgegen der im Stand der Technik verbreiteten Ansicht, andere Materialien als Aluminium seien für den Einsatz im UV-Bereich ungeeignet, auch in diesem Fall optische Elemente mit hohem Reflexionsgrad sowie geringer Reflexionsgraddifferenz und Phasendifferenz bereitgestellt werden können. Insbesondere kann die Oberflächenrauheit des Basismaterials und damit auch die Streulichtbildung gering gehalten werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Basismaterial einen Schmelzpunkt von 900°C oder mehr, bevorzugt von 1400°C oder mehr, insbesondere von 2000°C oder mehr auf. Als Basismaterial mit einem Schmelzpunkt (SP) von mehr als 900°C ist beispielsweise Germanium (SP bei 937°C) geeignet, als Basismaterial mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1400°C Silizium (SP bei 1410°C), als Basismaterial mit einem Schmelzpunkt von mehr als 2000°C Iridium (SP bei 2410°C), Molybdän (SP bei 2610°C) oder Tantal (SP bei 2996°C). Ein lokales Aufschmelzen oder chemische Reaktion der Schicht mit dem Basismaterial wird umso unwahrscheinlicher, je höher der Schmelzpunkt des Basismaterials gewählt wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass schon bei Verwendung von Silizium als Basismaterial eine Erhöhung der Rauhigkeit durch lokales Aufschmelzen weitestgehend vermieden werden kann.
Gleichzeitig soll das Basismaterial aber auch eine hohe Reflektivität gewährleisten. Die Reflektivität R eines Materials mit einem Realteil n der Brechzahl und einem Imaginärteil k der Brechzahl bestimmt sich an Luft (Brechzahl n = 1) durch den Zusammenhang:
Entsprechend ergeben sich hohe Reflektivitäten für Materialien mit den Kombinationen: kleiner Realteil n des Brechungsindex und großer Imaginärteil k des Brechungsindex, wie dies z. B. bei Aluminium der Fall ist (n = 0,11, k = 2,2 bei 193 nm, Reflektivität ca. 93%), oder großer Realteil n des Brechungsindex kombiniert mit großem Imaginärteil k des Brechungsindex. Zur Erzielung einer hohen Reflektivität und zur Erfüllung weiterer für die Beschichtung günstiger Bedingungen sollten die als Basismaterial in Frage kommenden Materialien daher die im Folgenden beschriebenen Anforderungen an den Brechungsindex erfüllen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Basismaterial bei der Betriebswellenlänge einen Realteil des Brechungsindex von 1.4 oder weniger, bevorzugt von 1.0 oder weniger auf. Bei Materialien mit höherem Realteil des Brechungsindex muss das Mehrfachschichtsystem mit einer zu großen Anzahl von Schichten versehen werden, um die gewünschte hohe Reflektivität zu erreichen. Bei solchen Schichtsystemen mit z. B. mehr als fünfzig Einzelschichten tritt häufig das Problem auf, dass es zu unerwünschten Schichtablösungen kommt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Basismaterial bei der Betriebswellenlänge einen Imaginärteil von mehr als 1.5, bevorzugt von mehr als 2.0 auf. Der Imaginärteil des Basismaterials, welcher die Absorption des Basismaterials bei der Betriebswellenlänge beschreibt, sollte wie oben ausgeführt nicht zu gering gewählt werden.
Alternativ weist das Basismaterial bei der Betriebswellenlänge einen Real- und Imaginärteil des Brechungsindex von 3.0 oder mehr auf. Ein geeignetes Material mit diesen Eigenschaften stellt Rhenium dar, dessen Brechungsindex bei 193 nm einen Realteil von ca. 4,4 und einen Imaginärteil von ca. 7,3 aufweist.
Besonders bevorzugt ist das Basismaterial ausgewählt aus der Gruppe umfassend: amorphes Silizium, kristallines Silizium, Chrom, Iridium, Molybdän, Palladium, Ruthenium, Tantal, Wolfram, Rhodium, Rhenium, Germanium und Mischungen derselben. Diesen Materialien ist gemeinsam, dass sie einen Schmelzpunkt haben, der deutlich über dem Schmelzpunkt von Aluminium liegt, so dass ein lokales Aufschmelzen oder eine chemische Reaktion bei der Bestrahlung bzw. bei der Beschichtung mit hohem Energieeintrag vermieden werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Basismaterial amorph. Insbesondere bei Silizium als Basismaterial ist es bei der üblicherweise verwendeten Schichtdicke des Basismaterials von ca. 50–100 nm in der Regel schwierig, eine einkristalline Schicht zu erzeugen. Die Verwendung von amorphen Schichten an Stelle von kristallinen Schichten wirkt sich im Übrigen nicht negativ auf die Rauhigkeit und damit auf die Streulichteigenschaften des optischen Elements aus.
Es ist günstig, wenn das Mehrfachschichtsystem zwischen zehn und fünfzig Einzelschichten, bevorzugt zwischen zwanzig und vierzig Einzelschichten aufweist. Bei einer solchen Anzahl an Einzelschichten kann durch geeignete Wahl der Schichtmaterialien und Schichtdicken die erforderliche hohe Reflektivität erreicht werden, ohne dass es durch eine zu hohe Schichtanzahl zu Effekten wie Delamination kommt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem optischen Element der eingangs genannten Art mit einem Substrat, das eine thermische Leitfähigkeit von 12 W/(K m) oder mehr, bevorzugt von 120 W/(K m) oder mehr aufweist. Neben der Wahl eines Basismaterials mit einem hohen Schmelzpunkt kann ein lokales Aufschmelzen des Basismaterials bei der Bestrahlung auch dadurch verhindert werden, dass die bei der Bestrahlung entstehende Wärme schnell aus dem Bereich der Schicht mit dem Basismaterial abtransportiert wird. Dies kann durch die Verwendung von Substrat-Materialien erreicht werden, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Zwar ist es bekannt, an Stelle von Quarzglas oder Glaskeramiken mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit (1 W/(K m)) Calciumfluorid (mit thermischer Leitfähigkeit von 11 W/(K m)) als Substratmaterial zu verwenden, um eine bessere Wärmeableitung bei der Beschichtung des Substrats mit Aluminium zu erreichen. Um die thermische Leitfähigkeit weiter zu erhöhen, wurde aber bisher versucht, dünne Schichten aus einem thermisch besonders leitfähigen Material, z. B. Tantal, zwischen der Basisschicht und dem Substrat anzubringen, wie in der eingangs genannten WO 2006/053705 A1 der Anmelderin dargestellt. Da ein massives Substrat aber eine viel höhere Dicke und Wärmekapazität als eine dünne Schicht aufweist, kann die Wärme bei einem Substrat aus einem thermisch stark leitfähigen Material viel effektiver und weiter von der Basisschicht weggeleitet werden. Befindet sich z. B. eine dünne leitfähige Schicht auf einem die Wärme isolierenden Substrat, so wird die Wärme nur so lange vom Basismaterial weggeleitet, bis die Wärmekapazität der dünnen Schicht erschöpft ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Substrat zu mehr als 95%, bevorzugt zu mehr als 99% aus Silizium. Silizium besitzt eine hohe thermische Leitfähigkeit von ca. 148 W/(K m) und eignet sich daher besonders gut als Substratmaterial.
Bei Aluminium als Basismaterial ist aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts die Verwendung eines Substratmaterials mit hoher thermischer Leitfähigkeit besonders vorteilhaft. Es versteht sich, dass sowohl die Verwendung eines thermisch gut leitfähigen Substrats als auch eines Basismaterials mit einem Schmelzpunkt größer als Aluminium auch kombiniert erfolgen kann, insbesondere wenn der Schmelzpunkt des Basismaterials nicht deutlich über dem Schmelzpunkt von Aluminium liegt, was z. B. bei Germanium der Fall ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt zumindest über den Einfallswinkelbereich von 10°, bevorzugt von 15° die polarisationsabhängige Reflexionsgraddifferenz bei 5% oder darunter, bevorzugt bei 2% oder darunter und/oder die polarisationsabhängige Phasendifferenz bei weniger als 20°. Der Einfallswinkelbereich bezeichnet hier die Differenz zwischen dem minimalen und dem maximalen Einfallswinkel des Nutzlichtes. Neben der Erzeugung einer hohen Reflektivität ist ein weiteres wichtiges Kriterium für den Einsatz von reflektiven optischen Elementen in der Mikrolithographie eine möglichst geringe polarisationsabhängige Phasen- bzw. Reflexionsgraddifferenz über den verwendeten Einfallswinkelbereich. Diese kann durch die oben dargestellten Maßnahmen erreicht werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Schichtmaterialien des Mehrfachschichtsystems ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Oxide und Fluoride. Diese Materialien sind für Mehrfachschichtsysteme im UV-Wellenlängenbereich besonders geeignet, wobei typischer Weise alternierende Schichten aus oxidischen bzw. fluoridischen Materialien verwendet werden.
Bevorzugt sind die Schichtmaterialien des Mehrfachschichtsystems ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumflourid (AlF₃), Magnesiumfluorid (MgF₂), Siliziumoxid (SiO₂), Erbiumfluorid (ErF₃), Neodymfluorid (NdF₃), Gadoliniumfluorid (GdF₃), Chiolith (Na₃Al₅F₁₄), Kryolith (Na₃AlF₆), Hafniumoxid (HfO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Zirkonoxid (ZrO₂), Hafniumfluorid (HfF₄) und Lanthanflourid (LaF₃). Diese Materialien haben sich als besonders geeignet für Schichtsysteme mit mehr als zehn oder zwanzig Einzelschichten erwiesen, da diese neben guten optischen Eigenschaften auch eine geringe Neigung zur Delamination zeigen, was sich insbesondere bei einer hohen Schichtanzahl günstig auf die Lebensdauer des Mehrfachschichtsystems auswirkt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist mindestens eine Einzelschicht des Mehrfachschichtsystems eine Packungsdichte von 0.98 oder mehr, bevorzugt von 0.99 oder mehr auf. Die Verwendung von Schichten mit solcher Packungsdichte hat sich insbesondere für Anwendungen in der Mikrolithographie als besonders vorteilhaft erwiesen. Derartige Packungsdichten können für gewöhnlich jedoch nur mit einem Beschichtungsverfahren erreicht werden, welches einen hohen Energieeintrag erzeugt, der in der Regel zu einer Erwärmung des Basismaterials führt, deren Einfluss auf die Ober flächenrauhigkeit des Basismaterials durch die oben beschriebenen Maßnahmen verringert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, umfassend: mindestens ein optisches Element wie oben beschrieben. Eines oder mehrere solche optischen Elemente können in einem Beleuchtungssystem und/oder einem Projektionsobjektiv der Projektionsbelichtungsanlage angeordnet sein. Insbesondere bei katadioptrischen Projektionsobjektiven ist es günstig, die dort verwendeten Umlenkspiegel, welche unter hohen Einfallswinkeln von 45° und mehr betrieben werden, erfindungsgemäß auszugestalten.
Ein Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements wie oben beschrieben, bei dem das Aufbringen mindestens einer Einzelschicht des Mehrfachschichtsystems mittels eines Beschichtungsverfahrens durchgeführt wird, welches einen Energieeintrag von mehr als 0,1 mJ/cm², bevorzugt von mehr als 10 mJ/cm², insbesondere von mehr als 20 mJ/cm² erzeugt. Ein solcher Energieeintrag kann – wie oben dargestellt – zu einer Erwärmung des Basismaterials und damit zu einer Veränderung von dessen Oberflächenstruktur führen. Die Verwendung solcher Beschichtungsverfahren ist aber dennoch günstig, da diese das Aufbringen von Schichten mit besonders hoher Packungsdichte von mehr als 0.98, bevorzugt mehr als 0.99 erlauben, wobei durch die oben beschriebenen Maßnahmen ein Verlust der Reflektivität aufgrund des Energieeintrags vermieden werden kann. Insbesondere kann die Rauhigkeit der Oberfläche auch nach der Verwendung eines Beschichtungsverfahrens mit obigem Energieeintrag bei 3 nm rms oder weniger, bevorzugt bei 2 nm rms oder weniger liegen.
Bei einer Variante liegen weniger als sechs weitere Einzelschichten, bevorzugt weniger als drei weitere Einzelschichten zwischen der Einzelschicht mit Energieeintrag und der Schicht mit dem Basismaterial. Ist die Einzelschicht, bei welcher der hohe Energieeintrag eingebracht wird, in unmittelbarer Nähe zum Basismaterial angeordnet, kann dies zu einer besonders starken Erwärmung des Basismaterials führen, deren Effekt wie oben beschrieben kompensiert werden kann.
Bei einer bevorzugten Variante ist das Beschichtungsverfahren ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Sputtern, insbesondere Magneton-Sputtern oder Ionenstrahl-Sputtern, sowie Ionen- oder plasmagestützte Beschichtungsverfahren. Diese Verfahren erzeugen den oben beschriebenen hohen Energieeintrag in die aufgebrachte Einzelschicht sowie eine hohe Packungsdichte, wobei in der Regel Edelgase als Inertgase verwendet werden, welche sich in den jeweils aufgebrachten Einzelschichten einlagern und einen Nachweis der verwendeten Beschichtungsverfahren erlauben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines optischen Elements gemäß der Erfindung mit Silizium als Basismaterial,
2 die Reflektivität des optischen Elements von 1 in Abhängigkeit vom Einfallswinkel,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines optischen Elements gemäß der Erfindung mit einem Substrat aus Silizium,
4 die Reflektivität von optischen Elementen mit zwei unterschiedlichen Substraten in Abhängigkeit von der Wellenlänge, und
5 eine Ausführungsform einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit Ausführungsformen erfindungsgemäßer optischer Elemente.
In 1 ist schematisch ein optisches Element 1 gezeigt, welches ein Substrat 2 aus Quarzglas aufweist, auf dem eine Schicht 3 aus amorphem Silizium als Basismaterial aufgebracht ist. Auf der Schicht 3 ist ein Mehrfachschichtsystem 4 angeordnet, welches eine Mehrzahl von Einzelschichten aufweist. Die fünfte Einzelschicht 5 vom Substrat 3 aus gesehen ist hierbei durch Ionenstrahl-Sputtern aufgebracht, welches einen Energieeintrag von ca. 10 mJ/cm² in die Einzelschicht 5 erzeugt, um diese mit einer Packungsdichte von mehr als 0,99 zu versehen. Hierbei wird die darunter liegende Schicht 3 aus Silizium erwärmt. Diese Erwärmung führt aber aufgrund des hohen Schmelzpunkts von Silizium von ca. 1410°C nicht zu einer nennenswerten Umordnung der Atome der Oberfläche des Silizium-Schicht 3, so dass diese nicht lokal aufgeschmolzen wird und auch nach dem Aufbringen der Einzelschicht 5 bzw. des Mehrfachschichtsystems 4 eine Rauhigkeit von weniger als 1 nm rms aufweist.

Neben amorphem Silizium sind insbesondere kristallines Silizium, Chrom, Iridium, Molybdän, Palladium, Ruthenium, Tantal, Wolfram, Rhodium, Rhenium, Germanium und Mischungen derselben aufgrund ihrer hohen Schmelzpunkte sowie ihrer optischen Eigenschaften (Real- bzw. Imaginärteil des Brechungsindex) als Basismaterial für die Schicht 3 geeignet. Im Gegensatz hierzu hätte bei Verwendung einer Schicht aus Aluminium als Basismaterial der Energieeintrag ausgereicht, die Oberfläche der Aluminiumschicht aufzurauen und so die Reflektivität des optischen Elements 4 z. B. für unter einem Einfallswinkel α von ca. 45° gegenüber einer Flächennormalen 6 des optischen Elements 1 bei einer Betriebswellenlänge λ₀ von 193 nm einfallendes Licht 7 zu verringern. Da Silizium bei 193 nm einen Realteil des Brechungsindex von ca. 0,9 aufweist, der gegenüber dem Brechungsindex von Aluminium von 0,11 deutlich größer ausfällt, ist es erforderlich, ein Mehrfachschichtsystem 5 mit einer hohen Zahl von Einzelschichten, im vorliegenden Beispiel von dreiunddreißig Einzelschichten zu verwenden, wobei als Schichtmaterialien Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumfluorid (AlF₃) und Lanthanflourid (LaF₃) gewählt wurden. Die Abfolge der Schichten sowie deren physikalische Dicken sind in folgender Tabelle wiedergegeben:

Schicht-Nr.	Physik. Dicke (nm)	Schicht-Material
1	44	Al2O3
2	40	AlF3
3	29	Al2O3
4	40	AlF3
5	29	Al2O3
6	40	AlF3
7	28	Al2O3
8	41	AlF3
9	28	Al2O3
10	41	AlF3
11	28	Al2O3
12	41	AlF3
13	28	Al2O3
14	42	AlF3
15	27	Al2O3
16	43	AlF3
17	27	Al2O3
18	40	AlF3
19	7	LaF3
20	22	Al2O3
21	41	AlF₃
22	9	LaF3
23	20	Al2O3
24	41	AlF3
25	10	LaF3
26	18	Al2O3
27	42	AlF3
28	31	LaF3
29	41	AlF3
30	31	LaF3
31	43	AlF3
32	28	LaF3
33	42	AlF3

Tabelle 1

Es versteht sich, dass neben den oben angegebenen Materialien auch andere, insbesondere oxidische oder fluoridische Materialien für die Einzelschichten Verwendung finden können, z. B. Magnesiumfluorid (MgF₂), Siliziumoxid (SiO₂), Erbiumfluorid (ErF₃), Neodymfluorid (NdF₃), Gadoliniumfluorid (GdF₃), Chiolith (Na₃Al₅F₁₄), Kryolith (Na₃AlF₆), Hafniumoxid (HfO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Zirkonoxid (ZrO₂) und Hafniumfluorid (HfF₄). Die Schichtanzahl liegt hierbei typischer Weise zwischen zehn und fünfzig bzw. zwanzig und vierzig Einzelschichten.
Die mit dem in Tabelle 1 aufgeführten Schichtsystem zu erzielende Reflektivität R des optischen Elements 1 ist in 2 für Einfallswinkel α zwischen 30° und 55° gezeigt. Hierbei zeigt eine erste Reflektivitätskurve 8a die Reflektivität für beide Polarisationsrichtungen gemeinsam, während eine zweite Reflektivitätskurve 8b und eine dritte Reflektivitätskurve 8c die Reflektivität für die s- bzw. p-polarisierten Strahlungsanteil zeigen. Die Gesamt-Reflektivität des optischen Elements 1 liegt über den gesamten dargestellten Einfallswinkelbereich bei über 95%. Ebenso liegt die polarisationsabhängige Reflexionsgraddifferenz, welche definiert ist durch die Differenz zwischen der zweiten und dritten Reflek tivitätskurve bezogen auf die erste Reflektivitätskurve, im gesamten dargestellten Einfallswinkelbereich von 30° bis 55° bei weniger als 5%. Ferner liegt auch die (nicht gezeigte) Phasendifferenz zwischen s- und p-polarisierter Strahlungskomponente des einfallenden Lichts 7 im dargestellten Einfallswinkelbereich bei weniger als 20°.
Neben dem in 1 dargestellten optischen Element 1, bei dem ein Basismaterial mit einem höheren Schmelzpunkt als Aluminium gewählt wurde, um bei Verwendung eines energiereichen Beschichtungsverfahrens eine möglichst hohe Reflektivität zu erzielen, ist es auch möglich, die Wärmeabfuhr aus der Schicht mit dem Basismaterial durch geeignete Wahl eines mit dem Basismaterial in Kontakt stehenden Substratmaterials zu erreichen, wie in 3 dargestellt ist, die ein optisches Element 1a zeigt, welches ein Substrat 2a aus Silizium aufweist, auf dem eine Schicht 3a aus Aluminium als Basismaterial aufgebracht ist. Ein Mehrfachschichtsystem 4a des optischen Elements 1a weist eine geringere Anzahl an Schichten als das Mehrfachschichtsystem 4 von 1 auf, da aufgrund der optischen Eigenschaften von Aluminium, insbesondere seines niedrigen Brechungsindex (von 0,11 bei 193 nm), in diesem Fall Schichtsysteme mit weniger Einzelschichten verwendet werden können, um eine hohe Reflektivität zu erreichen. Geeignete Schichtsysteme zur Erzeugung einer hohen Reflektivität sind beispielsweise aus der US 2006/0262389 A1 der Anmelderin oder der eingangs genannten US 6,310,905 B1 bekannt, welche durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden.
Da Silizium eine thermische Leitfähigkeit von 148 W/(K m) aufweist, ist eine wesentlich bessere Wärmeabfuhr als bei Verwendung von üblichen Substratmaterialien wie Quarzglas mit einer thermischen Leitfähigkeit von 1 W/(K m) möglich. Hierdurch kann vermieden werden, dass die Reflektivität des optischen Elements 1a durch die Bestrahlung mit intensiver Laserstrahlung stark abnimmt. Ferner können auch Schichten des Mehrfachschichtsystems 4a mit hohem Energieeintrag aufgebracht werden, ohne dass dies die Rauhigkeit der Aluminium-Oberfläche der Schicht 3a merklich erhöht.
4 zeigt zwei Reflektivitätskurven 9a, 9b, die in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts an einer Aluminium-Schicht gemessen wurden. Bei der ersten Reflektivitätskurve 9a war die Aluminium-Schicht auf ein Substrat aus Calciumfluorid (mit thermischer Leitfähigkeit von 11 W(K m)) aufgebracht, bei der zweiten Reflektivitätskurve 9b auf ein Substrat aus Quarzglas (Suprasil). Es ist deutlich zu erkennen, dass für das Material mit der höheren thermischen Leitfähigkeit die Reflektivität über den gesamten gezeigten Wellenlängenbereich höher als für das Material mit der geringeren thermischen Leitfähigkeit ausfällt.
Es versteht sich, dass die Verwendung eines Substrats aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit nicht nur bei Aluminium als Basismaterial, sondern auch bei Verwendung anderer Basismaterialien, insbesondere der oben aufgeführten Basis-Materialien vorteilhaft eingesetzt werden kann. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn das verwendete Material einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht deutlich höher als der von Aluminium ist, was z. B. für Germanium (Schmelzpunkt: 937°C) der Fall ist.
Die in 1 und 3 gezeigten optischen Elemente 1, 1a können beispielsweise in einer Projektionsbelichtungsanlage 10 für die Mikrolithographie Verwendung finden, wie sie in 5 gezeigt ist. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 weist ein Beleuchtungssystem 11 auf, welches eine in einer Retikelebene R angeordnete Maske homogen ausleuchtet. Ein nachfolgendes Projektionsobjektiv 12 bildet eine Struktur auf der Maske auf ein photosensitives Substrat ab, welches in einer Waferebene W angeordnet ist. Das Projektionsobjektiv 12 ist ein katadioptrisches System mit einem konkaven Reflektorspiegel M2, der in einem Strahlengang 13 zwischen einem ersten und einen zweiten Umlenkspiegel M1, M3 angeordnet ist.
Das Projektionsobjektiv 10 weist ferner drei Bildformungssysteme G1 bis G3 auf, die jeweils eine Mehrzahl von optischen Elementen (Linsenelementen) umfassen, deren Anordnung und Funktion jenseits des Gegenstands der vorliegenden Erfindung liegt und daher hier nicht beschrieben wird; für eine detaillierte Beschreibung sei auf die WO 2004/019128 verwiesen. Im Folgenden werden lediglich die generellen Eigenschaften der Bildformungssysteme G1 bis G3 dargestellt.
Das erste, dioptrische Bildformungssystem G1 weist nur transmittierende optische Elemente auf und bildet das in der Retikelebene R befindliche Muster auf ein erstes (nicht gezeigtes) Zwischenbild ab, das sich vor dem ersten Umlenkspiegel M1 befindet. Das zweite, katadioptrische Bildformungssystem G2 weist den ersten Umlenkspiegel M1 und den katadioptrischen Teil des Projektionsobjektivs 12 auf und ist ausgelegt, aus dem ersten Zwischenbild ein zweites Zwischenbild zu formen. Das zweite Zwischenbild wird vom dritten, katadioptrischen Bildformungssystem G3 über den zweiten Umlenkspiegel M3 auf die Waferebene W abgebildet. Der Fachmann wird erkennen, dass jedes der Bildformungssysteme eine Pupillenebene aufweist, wobei der konkave Reflektorspiegel M2 in der Pupillenebene des zweiten Bildformungssystems G2 angeordnet ist.
Sowohl der erste und zweite Umlenkspiegel M1, M3 als auch der konkave Reflektorspiegel M2 sind als optische Elemente in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet. Auf diese Weise können die vorteilhaften Eigenschaften dieser optischen Elemente, d. h. hohe Reflektivität und geringe Aufspaltung der Polarisationskomponenten in Amplitude und Phase für die UV- bzw. VUV-Mikrolithographie nutzbar gemacht werden. Weitere Beispiele für Projektionsobjektive, in denen die erfindungsgemäßen optischen Elemente Verwendung finden können, sind beispielsweise in der US 6,665,126 für ein katadioptrisches Design mit einem Zwischenbild und zwei Umlenkspiegeln und in der WO 2005/069055 für ein katadioptrisches Design mit zwei Zwischenbildern beschrieben. Die genannten Druckschriften werden allesamt bezüglich der optischen Designs der dort dargestellten Abbildungssysteme durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht. Es versteht sich, dass die dargestellten optischen Elemente auch in Beleuchtungssystemen von Projektionsbelichtungsanlagen oder in anderen optischen Systemen für den UV-Wellenlängenbereich vorteilhaft eingesetzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7033679 B2 [0003]
- US 6956694 B2 [0004]
- WO 2006/053705 A1 [0005, 0023]
- US 6310905 B1 [0007, 0045]
- EP 1767978 A1 [0009]
- US 2006/0262389 A1 [0045]
- WO 2004/019128 [0050]
- US 6665126 [0052]
- WO 2005/069055 [0052]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Kaiser, Applied Optics, Vol. 41, No. 16, 1. Juni 2002, S. 3053 [0012]

Claims

Optisches Element (1) zur Reflexion von UV-Strahlung bei einer Betriebswellenlänge (λ₀) unterhalb von 250 nm, bevorzugt bei 193 nm, umfassend: ein Substrat (2), eine auf dem Substrat (2) angeordnete Schicht (3) aus einem für die UV-Strahlung nicht transparenten, bevorzugt metallischen oder halbleitenden Basismaterial, sowie ein auf der Schicht (3) angeordnetes, dielektrisches Mehrfachschichtsystem (4), wobei das reflektierende optische Element (1) zumindest über einen Einfallswinkelbereich von 10°, bevorzugt von 15° eine Reflektivität von mehr als 85%, bevorzugt von mehr als 88%, besonders bevorzugt von mehr als 92% aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial einen höheren Schmelzpunkt als Aluminium aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Basismaterial einen Schmelzpunkt von 900°C oder mehr, bevorzugt von 1400°C oder mehr, insbesondere von 2000°C oder mehr aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Basismaterial bei der Betriebswellenlänge (λ₀) einen Realteil des Brechungsindex von 1.4 oder weniger, bevorzugt von 1.0 oder weniger aufweist.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Basismaterial bei der Betriebswellenlänge (λ₀) einen Imaginärteil von mehr als 1.5, bevorzugt von mehr als 2.0 aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Basismaterial bei der Betriebswellenlänge (λ₀) einen Real- und Imaginärteil des Brechungsindex von 3.0 oder mehr aufweist.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Basismaterial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: amorphes Silizium, kristallines Silizium, Chrom, Iridium, Molybdän, Palladium, Ruthenium, Tantal, Wolfram, Rhodium, Rhenium, Germanium und Mischungen derselben.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Basismaterial amorph ist.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Mehrfachschichtsystem (4) zwischen zehn und fünfzig Einzelschichten (5), bevorzugt zwischen zwanzig und vierzig Einzelschichten (5) aufweist.
Optisches Element (1a) zur Reflexion von UV-Strahlung bei einer Betriebswellenlänge (λ₀) unterhalb von 250 nm, bevorzugt bei 193 nm, umfassend: ein Substrat (2a), eine auf dem Substrat (2a) angeordnete Schicht (3a) aus einem für die UV-Strahlung nicht transparenten, bevorzugt metallischen oder halbleitendem Basismaterial, sowie ein auf der Schicht (3a) angeordnetes dielektrisches Mehrfachschichtsystem (4a), wobei das reflektierende optische Element (1a) zumindest in einem Einfallswinkelbereich von 10°, bevorzugt von 15°, eine Reflektivität von mehr als 85%, bevorzugt von mehr als 88%, besonders bevorzugt von mehr als 92% aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2a) eine thermische Leitfähigkeit von 12 W/(K m) oder mehr, bevorzugt von 120 W/(K m) oder mehr aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 9, bei dem das Substrat (2a) zu mehr als 95%, bevorzugt zu mehr als 99% aus Silizium besteht.
Optisches Element nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Basismaterial Aluminium ist.
Optisches Element (1, 1a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest über den Einfallswinkelbereich von 10°, bevorzugt von 15° die polarisationsabhängige Reflexionsgraddifferenz bei 5% oder darunter, bevorzugt bei 2% oder darunter und/oder die polarisationsabhängige Phasendifferenz bei weniger als 20° liegt.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schichtmaterialien des Mehrfachschichtsystems (4, 4a) ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: Oxide und Fluoride.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schichtmaterialien des Mehrfachschichtsystems (4, 4a) ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: Aluminiumoxid (Al2O₃), Aluminiumflourid (AlF₃), Magnesiumfluorid (MgF₂), Siliziumoxid (SiO₂), Erbiumfluorid (ErF₃), Neodymfluorid (NdF₃), Gadoliniumfluorid (GdF₃), Chiolith (Na₃Al₅F₁₄), Kryolith (Na₃AlF₆), Hafniumoxid (HfO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Zirkonoxid (ZrO₂), Hafniumfluorid (HfF₄) und Lanthanflourid (LaF₃).
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Einzelschicht (5) des Mehrfachschichtsystems (4) eine Packungsdichte von 0.98 oder mehr, bevorzugt von 0.99 oder mehr aufweist.
Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Mikrolithographie, umfassend: mindestens ein optisches Element (M1 bis M3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines reflektiven optischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Aufbringen mindestens einer Einzelschicht (5) des Mehrfachschichtsystems (4) mittels eines Beschichtungsverfahrens durchgeführt wird, welches einen Energieeintrag von mehr als 0,1 mJ/cm², bevorzugt von mehr als 20 mJ/cm² erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem weniger als sechs weitere Einzelschichten, bevorzugt weniger als drei weitere Einzelschichten zwischen der Einzelschicht (5) und der Schicht (3) mit dem Basismaterial liegen.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem das Beschichtungsverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Sputtern, insbesondere Magneton-Sputtern oder Ionenstrahl-Sputtern, sowie Ionen- oder plasmagestützte Beschichtungsverfahren.