DE102008002193A1

DE102008002193A1 - Optisches Element mit hydrophober Oberfläche und Projektionsbelichtungsanlage für die Immersionslithographie damit

Info

Publication number: DE102008002193A1
Application number: DE102008002193A
Authority: DE
Inventors: Daniel KRÄHMER; Oliver Wolf; Ulrich Wagemann
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (1) aus einem für Wellenlängen im UV-Bereich transparenten Material mit einem Elementkörper (2) und mit einer an dem Elementkörper (2) gebildeten hydrophoben Oberfläche (6, 7). Die hydrophobe Oberfläche (6, 7) ist durch Mikrostrukturierung eines unbeschichteten Bereichs des Elementkörpers (2) gebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Projektionsbelichtungsanlage für die Immersionslithographie mit einem Projektionsobjektiv, welche ein solches optisches Element (1) als Abschlusselement zur teilweisen Benetzung mit einer Immersionsflüssigkeit, bevorzugt mit Wasser, aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Stützvorrichtung für einen Wafer mit einem Stützkörper und einer an dem Stützkörper gebrch Mikrostrukturierung eines unbeschichteten Bereichs eine hydrophobe Oberfläche gebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein optisches Element aus einem für Wellenlängen im UV-Bereich transparenten Material mit einem Elementkörper und mit einer an dem Elementkörper gebildeten hydrophoben Oberfläche sowie eine Projektionsbelichtungsanlage für die Immersionslithographie mit einem solchen optischen Element.
Die Benetzung von optischen Elementen mit Flüssigkeiten, insbesondere mit Wasser, hat in der Regel negative Auswirkungen auf deren optische Eigenschaften. Durch die Benetzung können sich beispielsweise kontaminierende Stoffe wie Salze auf deren Oberflächen ausbilden. Um eine Benetzung von optischen Elementen mit Wasser zu vermeiden oder Wasser schnell von diesen zu entfernen ist es bekannt, optische Elemente mit hydrophoben Beschichtungen aus Materialien zu versehen, deren Oberflächen mit Wasser einen großen Kontaktwinkel einschließen. Als Kontaktwinkel wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffs zu dieser Feststoffoberfläche bildet.
So ist in der JP 2003-161806 A ein optisches Element mit einer Antireflex-Beschichtung beschrieben, bei dem eine wasserabweisende Schicht in einem unbeschichteten Bereich des Glassubstrates geformt ist. Die wasserabweisende Schicht kann hierbei der Antireflex-Beschichtung benachbart oder an einem Seitenrand des Glassubstrats gebildet sein. Hierdurch soll vermieden werden, dass sich Feuchtigkeit in dem Zwischenraum zwischen dem optischen Element und einer diesem zugeordneten Haltestruktur festsetzt.
Aus der JP11-320743 ist ein optisches Element bekannt, an dessen Oberfläche durch Ätzen Unebenheiten gebildet sind, auf die eine wasserabweisende, monomolekulare Membran aufgebracht ist. Der Kontaktbereich zwischen der Oberfläche der wasserabweisenden Membran und einem auf dieser befindlichen Wassertropfen wird durch die Unebenheiten verringert, sodass der Kontaktwinkel zwischen der wasserabweisenden Membran und dem Wassertropfen im Vergleich zu einer ebenen Oberfläche ansteigt.
In dem Artikel „Optical coatings with enhanced roughness for ultrahydrophobic, low-scatter applications" von A. Duparré, M. Flemming, J. Steinert und K. Reihs, Applied Optics, Vol. 41, No. 16, 2002, wird eine sog. ultrahydrophobe Beschichtung beschrieben, bei der auf einem Substrat eine Zirkondioxid(ZrO₂)-Schicht aufgebracht wird. Auf die Zirkondioxid-Schicht ist durch Kathodenstrahlzerstäuben („sputtern") ein dünner Goldfilm aufgebracht, welcher mit einer Einzellage aus n-Dekanthiol überzogen ist. Mit dieser Beschichtung lassen sich Kontaktwinkel mit Wasser von mehr als 150° erzeugen. Die Zirkondioxid-Schicht weist hierbei eine von der Oberflächenrauhigkeit bzw. der Topographie der Oberfläche abhängige spektrale Leistungsdichte („Power Spectral Density", PSD) auf, die so gewählt wird, dass sich der Kontaktwinkel mit Wasser erhöht.
Die Problematik der Benetzung spielt auch in der Mikrolithographie, speziell bei der Immersions-Lithographie, eine Rolle. In der Mikrolithographie werden zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen Strukturen auf einer Maske mittels eines Projektionsobjektivs in verkleinerndem Maßstab auf ein lichtempfindliches Substrat abgebildet. Um die für derartige Anwendungen erforderliche hohe Auflösung zu erreichen, wird Beleuchtungsstrahlung eingesetzt, welche im UV-Wellenlängenbereich typischerweise unterhalb von 250 nm liegt. Um eine weitere Erhöhung der Auflösung und Tiefenschärfe zu erreichen, ist bei der Immersions-Lithographie zwischen dem letzten optischen Element des Projektionsobjektivs und dem lichtempfindlichen Substrat eine Flüssigkeit, üblicherweise destilliertes Wasser, zur Erhöhung der Brechzahl eingebracht. Hierbei wird das letzte optische Element des Projektionsobjektivs zumindest teilweise von Wasser benetzt, weshalb dort vermehrt hydrophobe, Wasser-resistente Beschichtungen zum Einsatz kommen.
Die JP11-149812 beschreibt ein optisches Element, bei dem auf ein reflexionsverstärkendes oder reflexionsverminderndes Mehrfachschichtsystem eine hydrophobe Schutzschicht – bevorzugt aus einem Fluorpolymer – zum Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft aufgebracht ist. Die Dicke der Schutzschicht beträgt zwischen 1 nm und 10 nm, um eine zu starke Absorption der Strahlung durch das Fluorpolymer bei Wellenlängen von weniger als 250 nm zu vermeiden.
Problematisch bei der Verwendung von hydrophoben Schichten in solchen Systemen ist es, dass diese durch die UV-Strahlung, welche im Betrieb von dem optischen Element transmittiert wird, geschädigt bzw. zerstört werden können. Auch verschlechtern sich ggf. durch die UV-Bestrahlung die hydrophoben Eigenschaften der Beschichtung, sodass diese im Extremfall hydrophile Eigenschaften ausbilden kann.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Element der eingangs genannten Art mit einer für UV-Bestrahlung beständigen hydrophoben Oberfläche zu versehen sowie eine Projektionsbelichtungsanlage für die Immersionslithographie mit einem solchen optischen Element bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Abbildungsqualität bei der Immersionslithographie weiter zu steigern.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die hydrophobe Oberfläche durch Mikrostrukturierung eines unbeschichteten Bereichs des Elementkörpers gebildet ist. Durch die Mikrostrukturierung des Elementkörpers kann eine hydrophobe Oberfläche erzeugt werden, ohne dass auf diesen eine Beschichtung aufgebracht werden muss. Hierdurch werden die oben dargestellten Probleme mit der UV-Beständigkeit einer solchen Beschichtung vermieden. Für gewöhnlich laufen Flüssigkeiten an rauen Oberflächen schlechter ab als an polierten Oberflächen, durch das Vorsehen einer mikrostrukturierten Oberfläche, d. h. einer Oberfläche mit Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich kann aber der gegenteilige Effekt erzielt werden, der bei Vorliegen besonders hoher Kontaktwinkel auch als „Lotus-Effekt" bezeichnet wird. Hierzu werden Mikrostrukturen gewählt, welche eine Topographie der Oberfläche und damit einhergehend eine Oberflächenrauhigkeit erzeugen, deren spektrale Leistungsdichte so beschaffen ist, dass sich die gewünschten hydrophoben Oberflächeneigenschaften einstellen, wie dies in dem eingangs zitierten Artikel von A. Duparré et al. in „Applied Optics" ausführlicher dargestellt ist, welcher bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die hydrophobe Oberfläche außerhalb des optisch freien Durchmessers des optischen Elements gebildet. Unter dem optisch freien Durchmesser eines optischen Elementes wird der Bereich verstanden, durch den Strahlung gerichtet hindurch tritt, d. h. derjenige Bereich, welcher z. B. bei einer Linse zur Abbildung beiträgt. Der optisch freie Durchmesser kann hierbei insbesondere durch den Bereich der Oberfläche festgelegt sein, an dem die Linsenoberfläche poliert ist, wohingegen der Bereich außerhalb dieses Durchmessers mit der hydrophoben Oberfläche versehen ist.
Die Erfinder haben erkannt, dass auch eine Benetzung des optischen Elements außerhalb des optisch freien Durchmessers sich negativ auf dessen optische Eigenschaften auswirken kann, und zwar durch das Entstehen von Verdunstungskälte aufgrund der Benetzung. Hierdurch bildet sich in dem benetzten Bereich eine Wärmesenke, die sich negativ auf das Temperaturgleichgewicht des optischen Elements auswirken kann und beispielsweise bei Linsen als optischen Elementen zu unerwünschten Abbildungsfehlern, z. B. in Form von unerwünschten Brechungsindex-Änderungen oder Wellenfrontfehlern, führt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist auf dem optischen Element eine Antireflexbeschichtung aufgebracht, wobei die hydrophobe Oberfläche bevorzugt benachbart zur Antireflexbeschichtung gebildet ist. Eine Antireflexbeschichtung ist in der Regel zumindest im Bereich des freien optischen Durchmessers einer Linse aufgebracht und besteht üblicherweise aus mehreren Schichten, bei denen sich Materialien mit hohen und mit niedrigem Brechungsindex abwechseln, um durch Interferenzeffekte unerwünschte Reflexionen zu vermeiden. Bevorzugte Beispiele für reflexionsvermindernde Beschichtungen sind in der PCT/EP2006/005630 der Anmelderin angegeben, welche bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Daneben ist es bekannt, Antireflexbeschichtungen durch Gradientenschichten zu realisieren, deren Brechungsindex von der Oberfläche des optischen Elements hin zum umgebenden Medium kontinu ierlich abnimmt, wodurch ebenfalls eine Reflexionsreduzierung erreicht werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Mikrostrukturen eine Strukturbreitenverteilung auf, bei der weniger als 1%, bevorzugt weniger als 0,5%, insbesondere weniger als 0,1% der Mikrostrukturen eine Strukturbreite von mehr als 200 nm, bevorzugt von mehr als 100 nm aufweisen. Ist in diesem Fall der unbeschichtete Bereich mit der hydrophoben Oberfläche außerhalb des optisch freien Durchmessers gebildet, so kann durch das Vorsehen von Strukturen mit derartigen Strukturbreiten verhindert werden, dass Streulicht aus dem unbeschichteten Bereich auf den Wafer gelangt, da die Strukturbreiten im Wesentlichen unterhalb der Wellenlänge der verwendeten Strahlung, d. h. unterhalb von 248 nm bzw. 193 nm liegen. Die Breiten der Mikrostrukturen müssen zur Vermeidung von Streulicht aber nicht zwangsläufig unterhalb der bei der Bestrahlung verwendeten Wellenlänge liegen, wenn diese besonders homogen über die Oberfläche verteilt sind.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform schließt die hydrophobe Oberfläche mit Wasser einen Kontaktwinkel von mehr als 90°, bevorzugt von mehr als 120°, insbesondere von mehr als 150° ein. Je größer der Kontaktwinkel mit Wasser, desto größer ist die hydrophobe Wirkung der Oberfläche. Es versteht sich, dass die hydrophobe Oberfläche auch bei der Benetzung mit anderen Flüssigkeiten, welche wasserähnliche Benetzungseigenschaften aufweisen, d. h. bei Flüssigkeiten mit einem hohen polaren Anteil der Oberflächenenergie, vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Mikrostrukturen durch eine Ätzbehandlung des unbeschichteten Bereichs des Elementkörpers gebildet. Zum Erzeugen von Mikrostrukturen an einer Oberfläche gibt es mehrere Möglichkeiten. Bevorzugt ist eine Ätzbehandlung, bei der zunächst eine Ätzmaske auf den Elementkörper aufgebracht wird und bei dem die Struktur der Ätzmaske in den darunter liegenden Elementkörper durch ein herkömmliches naßchemisches oder plasmabasiertes Ätzverfahren übertragen wird. Die Ätzmaske kann hierbei in Form eines Films mit einer durch Selbstorganisation erzeugten, im Wesentlichen regelmäßigen Verteilung von Blockcopolymerzellen mittels eines Tauch- oder Rotationsbeschichtungsverfahrens („spin-coating") aufgebracht werden, wobei die aufgebrachten Blockcopolymerzellen mit metallischen oder oxidischen Partikeln (z. B. Gold-Nanopartikeln) beladen sind und diese auf eine solche Weise auf der Oberfläche anordnen, dass diese als Ätzmaske dienen können, wie in der EP 1 027 157 B1 im Detail beschrieben ist, welche durch Bezugnahme bezüglich dieses Aspekts zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Bevorzugt ist das Material des Elementkörpers ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Quarzglas (SiO₂), Calciumfluorid (CaF₂), Bariumfluorid (BaF₂), Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl), kristallines oder keramisches Spinell (MgAl₂O₄), Saphir (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), YAG (Y₃Al₅O₁₂), Scandium-Aluminium-Granat (Sc₃Al₅O₁₂), Germaniumoxid (GeO₂), LuAG (Lu₃Al₅O₁₂), Calcuimoxid (CaO), Lithiumbariumfluorid (LiBaF₃) und deren Zusammensetzungen. Die oben genannten Materialien sind für Abschlusselemente von Projektionsobjektiven besonders geeignet, da sie hohe Brechzahlen aufweisen, die nachfolgend bei einer Wellenlänge von 193 nm angegeben sind: SiO₂ = 1,56; CaF₂ = 1,50; BaF₂ = 1,57; KCl = 1,76; NaCl = 1,83; kristallines MgAl₂O₄ = 1,87; keramisches MgAl₂O₄ = 1,92; Saphir = 1,93; MgO = 2,00; LuAG = 2,14; GeO₂ = 2,05; CaO = 2,70; LiBaF₃ (Fluorperovskit) = 1,64.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Element als Plankonvexlinse ausgestaltet, wobei an einem planen Linsenteil ein konisch geformter Linsenteil gebildet ist. Ein solches optisches Element wird bevorzugt als Abschlusselement eines Projektionsobjektivs für die Immersions-Lithographie verwendet. Der konisch geformte Linsenteil wird hierbei mit seiner Stirnseite mit der Immersionsflüssigkeit in Kontakt gebracht, um die numerische Apertur des Objektivs zu erhöhen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die hydrophobe Oberfläche an der konischen Mantelfläche des konisch geformten Linsenteils und/oder einer planen Oberfläche des planen Linsenteils gebildet. Da der konisch geformte Linsenteil mit der Immersionsflüssigkeit in Kontakt steht, besteht besonders bei der konischen Mantelfläche die Gefahr, dass diese von der Immersionsflüssigkeit benetzt wird, wobei die Benetzung sich von dort bis zur planen Oberfläche erstrecken kann. Durch die hydrophobe Oberfläche kann eine Benetzung und damit eine Absenkung der Temperatur des optischen Elements in diesem Bereich vermieden werden. Zusätzlich oder alternativ kann hydrophobe Oberfläche auch auf einen Randbereich, z. B. eine Seitenfläche der Linse aufgebracht werden, an dem die Linse mit einer Halterung in Verbindung gebracht wird. Hierdurch kann das Eindringen der Immersionsflüssigkeit in einen Spalt zwischen Linse und Halterung vermieden werden.
Die Erfindung ist auch realisiert in einer Stützvorrichtung für einen Wafer mit einem Stützkörper und einer an dem Stützkörper gebildeten Stützfläche, wobei an dem Stützkörper durch Mikrostrukturierung eines unbeschichteten Bereichs eine hydrophobe Oberfläche gebildet ist. Der Stützkörper wird auch als „mirror block" (Spiegeltisch) bezeichnet, da dieser sehr genau positioniert werden muss, und zu diesem Zweck Interferometerspiegel an dem Stützkörper angebracht sind. An dem Stützkörper ist ferner eine Stützfläche gebildet, auf die üblicherweise eine als Wafer-Tafel bezeichnete, mit einer noppenartigen Struktur versehene Scheibe aufgelegt wird, auf welcher der Wafer definiert gelagert wird. Bei der Immersionslithographie steht der Stützkörper zumindest teilweise an seiner Oberseite mit einer Immersionsflüssigkeit in Kontakt, welche in der Regel während der Belichtung bewegt wird. Durch die Bewegung der Flüssigkeit kann es an den Rändern des Flüssigkeitsstroms der Immersionsflüssigkeit zum Abreißen von Tropfen kommen, sodass lokal Immersionsflüssigkeit zurückbleibt, was zu Verunreinigungen führen kann. Dies kann weitestgehend verhindert werden, indem der Stützkörper in dem Bereich, an dem er mit der Immersionsflüssigkeit in Berührung kommt, mit einer hydrophoben Oberfläche versehen wird, welche wie oben beschrieben durch Mikrostrukturierung gebildet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die hydrophobe Oberfläche außerhalb der Stützfläche und bevorzugt benachbart zu dieser gebildet. An der Stützfläche ist die Wafer-Tafel mit dem Wafer gelagert, sodass das Anbringen einer hydrophoben Oberfläche in diesem Bereich aufgrund des fehlenden Kontakts mit der Immersionsflüssigkeit unterbleiben kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Mikrostrukturen eine Strukturbreitenverteilung auf, bei der weniger als 1%, bevorzugt weniger als 0,5%, insbesondere weniger als 0,1% der Mikrostrukturen eine Strukturbreite von mehr als 200 nm, bevorzugt von mehr als 100 nm aufweisen, sodass der Streulichtanteil vermindert werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform schließt die hydrophobe Oberfläche einen Kontaktwinkel mit Wasser von 45° oder mehr, bevorzugt von 60° oder mehr, insbesondere von 70° oder mehr ein. Hierdurch wird eine gute hydrophobe Wirkung der hydrophoben Oberfläche erreicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht der Stützkörper zumindest in dem Bereich, an dem die hydrophobe Oberfläche gebildet ist, aus einem Material, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₈), Siliziumcarbid (SiC), Keramik, Glas oder Glaskeramik. Bezüglich der vorteilhaften Eigenschaften dieser Materialien als Stützkörper wird auf die noch unveröffentlichte Anmeldung DE 10 2007 005 780.8 der Anmelderin verwiesen, welche bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Der Stützkörper kann hierbei insbesondere als Verbundstruktur aufgebaut sein, wie in der oben zitierten Anmeldung näher ausgeführt ist.
Die Erfindung ist weiterhin realisiert in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Immersionslithographie mit einem Projektionsobjektiv, das ein optisches Element wie oben beschrieben als Abschlusselement zur teilweisen Benetzung mit einer Immersionsflüssigkeit aufweist. Bei einem solchen Projektionsobjektiv können durch die Benetzung des letzten Linsenelements hervorgerufene Abbildungsfehler vermieden werden. Bevorzugt umfasst die Projektionsbelichtungsanlage weiterhin eine wie oben beschrieben ausgebildete Stützvorrichtung für einen Wafer, die dem optischen Element gegenüber liegend angeordnet ist, wodurch die Abbildungsqualität weiter gesteigert werden kann. Zwischen dem optischen Element und der Stützvorrichtung für den Wafer ist eine Immersionsflüssigkeit, bevorzugt Wasser oder eine andere polare Flüssigkeit eingebracht.
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
1a, b eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Elements mit einer hydrophoben Oberfläche in einer perspektivischen Darstellung (1a) und in einem Schnitt (1b)
2 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit dem optischen Element nach 1a, b als Abschlusselement eines Projektionsobjektivs, und
3 eine Darstellung des Kontaktwinkels zwischen einem Wassertropfen und der hydrophoben Oberfläche der 1a, b.
In 1a, b ist schematisch ein optisches Element 1 gezeigt, welches einen Elementkörper 2 aus LutetiumAluminiumGranat (LuAG, Lu₃Al₅O₁₂) aufweist, als Plankonvexlinse ausgestaltet ist und einen planen Linsenteil 3 sowie einen an diesem gebildeten konischen Linsenteil 4 in Form eines Kegelstumpfs aufweist. Der konische Linsenteil 4 weist eine Stirnseite 5 auf, an der eine (in 1b gezeigte) Anti-Reflexbeschichtung 9 aufgebracht ist. Es versteht sich, dass optische Abschlusselemente für die Immersionslithographie nicht zwingend die oben beschriebene Form aufweisen müssen.
Auf die Anti-Reflexbeschichtung 9 kann eine (nicht gezeigte) hydrophile Schicht aufgebracht sein, welche die Benetzung mit Wasser erleichtert. Gegebenenfalls kann auch vollständig auf die Anti-Reflexbeschichtung 9 verzichtet werden. In diesem Fall kann die Stirnseite 5 unbeschichtet sein oder dort eine hydrophile Schicht aufgebracht sein.
Auch kann das optische Element 1 aus einem anderen Material bestehen, welches einen hohen Brechungsindex aufweist und oberhalb einer Wellenlänge von 190 nm transparent ist, beispielsweise aus Quarzglas (SiO₂), Calciumfluorid (CaF₂), Bariumfluorid (BaF₂), Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl), kristallinem oder keramischem Spinell (MgAl₂O₄), Saphir (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), YAG (Y₃Al₅O₁₂), Scandium-Aluminium-Granat (Sc₃Al₅O₁₂), Germaniumoxid (GeO₂), LuAG (Lu₃Al₅O₁₂), Calcuimoxid (CaO), Lithiumbariumfluorid (LiBaF₃) und deren Zusammensetzungen.
Im Betrieb des optischen Elements 1 soll lediglich derjenige Teil der verwendeten UV-Strahlung zur Abbildung beitragen, welche durch die Stirnseite 5 tritt, sodass deren Durchmesser in etwa den freien optischen Durchmesser des optischen Elements 1 festlegt. Eine Mantelfläche 6 des konischen Linsenteils 4 ist benachbart zur Anti-Reflexbeschichtung 9 angeordnet und an dieser sowie der planen Oberfläche 7 des planaren Linsenteils 3 sind Mikrostrukturen 8 gebildet, welche Strukturbreiten B von weniger als 100 nm aufweisen, um Streulichtbildung zu vermeiden.
Auf die genaue Form der Mikrostrukturen 8 kommt es nicht an, solange gewährleistet ist, dass sich eine Oberflächenrauhigkeit bzw. eine spektrale Leistungsdichte einstellt, welche zur Ausbildung einer hydrophoben Oberfläche geeignet ist, wie in dem eingangs zitierten Artikel von A. Duparré näher ausgeführt ist. Die Mikrostrukturen werden hierbei durch ein geeignetes Ätzverfahren aufgebracht, wie z. B. in der EP 1 027 157 B1 im Detail beschrieben ist. Durch geeignete Wahl der Ätzparameter lässt sich hierbei eine Oberflächentopographie einstellen, welche bewirkt, dass ein in 3 gezeigter Wassertropfen 22a, wenn er auf die Mantelfläche 6 bzw. die plane Oberfläche 7 aufgebracht wird, mit diesen Oberflächen einen Kontaktwinkel α von ca. 130° ausbildet, d. h. das optische Element 1 nur sehr geringfügig benetzt. Durch die Mantelfläche 6 sowie die plane Oberfläche 7 wird auf diese Weise eine hydrophobe Oberfläche an dem optischen Element 1 gebildet, welche die Benetzung mit Wasser verringert und daher ein durch Verdunstungskälte hervorgerufenes Temperaturungleichgewicht des optischen Elements 1 vermieden werden kann.
Zusätzlich zum gezeigten Bereich kann das optische Element 1 auch an einem Rand, z. B. an einer zylinderförmig umlaufenden Seitenfläche, mit Mikrostrukturen versehen werden. Hierdurch kann vermieden werden, dass bei einem in eine optische Anordnung eingebauten optischen Element 1 in einen Spalt zwischen diesem und einer Halterung Wasser eindringen kann.
Die Funktionsweise des optischen Elements 1 wird zweckmäßiger Weise im Zusammenhang mit dem Belichtungsbetrieb einer Projektionsbelichtungsanlage 10 für die Immersionslithographie beschrieben, wie sie in 2 in Form eines Wafer-Scanners zur Herstellung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen gezeigt ist.
Die Projektionsbelichtungsanlage 10 umfasst als Lichtquelle einen Excimer-Laser 11 mit einer Arbeitswellenlänge von 193 nm, wobei auch andere Arbeitswellenlängen, beispielsweise 248 nm, möglich sind. Ein nachgeschaltetes Beleuchtungssystem 12 erzeugt in seiner Austrittsebene ein großes, scharf begrenztes, sehr homogen beleuchtetes und an die Telezentrie-Erfordernisse eines nachgeschalteten Projektionsobjektivs 13 angepasstes Bildfeld.
Hinter dem Beleuchtungssystem 12 ist eine Einrichtung 14 zum Halten und Manipulieren einer (nicht gezeigten) Photomaske so angeordnet, dass diese in der Objektebene 15 des Projektionsobjektivs 13 liegt und in dieser Ebene zum Scanbetrieb in einer durch einen Pfeil 16 angedeutete Abfahrrichtung bewegbar ist.
Hinter der auch als Maskenebene bezeichneten Ebene 15 folgt das Projektionsobjektiv 13, das ein Bild der Photomaske mit reduziertem Maßstab, beispielsweise im Maßstab 1:4 oder 1:5 oder 1:10, auf einen mit einer Photore sistschicht belegten Wafer 17 abbildet. Der als lichtempfindliches Substrat dienende Wafer 17 ist so angeordnet, dass die ebene Substratoberfläche 18 mit der Photoresistschicht im Wesentlichen mit der Bildebene 19 des Projektionsobjektivs 13 zusammenfällt. Der Wafer 17 wird durch eine Einrichtung 20 bewegt, die einen Scannerantrieb umfasst, um den Wafer 17 synchron zur Photomaske und in der Regel gegenläufig zu dieser zu verschieben. Die Einrichtung 20 umfasst auch Manipulatoren, um den Wafer sowohl in z-Richtung parallel zu einer optischen Achse 21 des Projektionsobjektivs, als auch in x- und y-Richtung senkrecht zu dieser Achse zu verfahren.
Das Projektionsobjektiv 13 hat als der Bildebene 19 benachbartes Abschlusselement das optische Element 1 von 1a, b, d. h. eine transparente Plankonvexlinse, mit einem konischen Linsenteil, dessen Stirnseite die letzte optische Fläche des Projektionsobjektivs 13 bildet und welche in einem Arbeitsabstand oberhalb der Substratoberfläche 18 angeordnet ist. Zwischen der Stirnseite und der Substratoberfläche 18 ist als Immersionsflüssigkeit 22 Wasser angeordnet, welches den Bereich zwischen dem optischen Element 1 und dem Wafer 17 durchströmt. Mittels der Immersionsflüssigkeit kann die Abbildung von Strukturen auf der Photomaske mit einer höheren Auflösung und Tiefenschärfe erfolgen als dies möglich ist, wenn der Zwischenraum zwischen dem optischen Element 1 und dem Wafer 17 mit einem Medium mit einer geringeren Brechzahl, z. B. Luft, ausgefüllt ist.
Der Wafer 17 ist auf einer Stützvorrichtung 23 angeordnet, welche einen Stützkörper 24 umfasst, der aus mehreren Teilkörpern bestehen kann. An seiner Oberseite weist der Stützkörper 24 eine Stützfläche 25 auf, auf der eine (nicht gezeigte) Wafer-Tafel aufliegt, an deren Oberseite der Wafer 17 gelagert ist. Der Stützkörper 24 besteht im vorliegenden Fall vollständig aus Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₈). Auch andere Materialien wie Siliziumcarbid (SiC), Keramik, Glas oder Glaskeramik können als Stützkörper 24 dienen. Insbesondere kann der Stützkörper 24 auch aus mehreren Teilkörpern zusammengesetzt sein, welche aus demselben oder aus jeweils unterschiedlichen Materialien bestehen.
In einem unbeschichteten Bereich um die Stützfläche 25 herum sind in die Oberseite des Stützkörpers 24 Mikrostrukturen 27 eingebracht, welche in diesem Bereich eine hydrophobe Oberfläche 26 erzeugen. Die Mikrostrukturen 27 erzeugen eine geeignete Oberflächenrauhigkeit, so dass die hydrophobe Oberfläche 26 mit Wasser einen Kontaktwinkel von über 120° bildet und dadurch ein Abreißen von Tropfen am Rand des Flüssigkeitsstroms der Immersionsflüssigkeit 22 verhindert werden kann. Durch das Vorsehen der hydrophoben Oberfläche 26 an dem Stützkörper 24 kann somit die Abbildungsqualität des Projektionsobjektivs 13 verbessert werden.
Es versteht sich, dass optische Elemente mit einer mikrostrukturierten hydrophoben Oberfläche neben der Verwendung als Abschlusselemente von Projektionsobjektiven für die Mikrolithographie auch in anderen Bereichen vorteilhaft verwendet werden können, und zwar immer dann, wenn in einer Anordnung ein optisches Element vorgesehen ist, welches zumindest teilweise in eine polare Flüssigkeit eingetaucht ist und die Benetzung des nicht eingetauchten Teils mit der polaren Flüssigkeit vermieden werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2003-161806 A [0003]
- JP 11-320743 [0004]
- JP 11-149812 [0007]
- EP 2006/005630 [0013]
- EP 1027157 B1 [0016, 0035]
- DE 102007005780 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Optical coatings with enhanced roughness for ultrahydrophobic, low-scatter applications" von A. Duparré, M. Flemming, J. Steinert und K. Reihs, Applied Optics, Vol. 41, No. 16, 2002 [0005]
- A. Duparré et al. in „Applied Optics" [0010]

Claims

Optisches Element (1) aus einem für Wellenlängen im UV-Bereich transparenten Material, mit einem Elementkörper (2) und mit einer an dem Elementkörper (2) gebildeten hydrophoben Oberfläche (6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Oberfläche (6, 7) durch Mikrostrukturierung eines unbeschichteten Bereichs (3, 4) des Elementkörpers (2) gebildet ist.
Optisches Element nach Anspruch 1, bei dem die hydrophobe Oberfläche (6, 7) außerhalb des optisch freien Durchmessers des optischen Elements (1) gebildet ist.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, auf dem eine Antireflexbeschichtung (9) aufgebracht ist, wobei die hydrophobe Oberfläche (6, 7) bevorzugt benachbart zur Antireflexbeschichtung (9) gebildet ist.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mikrostrukturen (8) eine Strukturbreitenverteilung aufweisen, bei der weniger als 1%, bevorzugt weniger als 0,5%, insbesondere weniger als 0,1% der Mikrostrukturen (8) eine Strukturbreite von mehr als 200 nm, bevorzugt von mehr als 100 nm aufweisen.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die hydrophobe Oberfläche (6, 7) mit Wasser einen Kontaktwinkel (α) von mehr als 90°, bevorzugt von mehr als 120°, insbesondere von mehr als 150° einschließt.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mikrostrukturen (8) durch eine Ätzbehandlung des unbeschichteten Bereichs (3, 4) des Elementkörpers (2) gebildet sind.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material des Elementkörpers (2) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Quarzglas (SiO₂), Calciumfluorid (CaF₂), Bariumfluorid (BaF₂), Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl), kristallines oder keramisches Spinell (MgAl₂O₄), Saphir (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Yttrium-Aluminium-Granat (Y₃Al₅O₁₂), Scandium-Aluminium-Granat (Sc₃Al₅O₁₂), Germaniumoxid (GeO₂), Lutetium-Aluminium-Granat (Lu₃Al₅O₁₂), Calcuimoxid (CaO), Lithiumbariumfluorid (LiBaF₃) und deren Zusammensetzungen.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als Plankonvexlinse ausgestaltet ist, wobei an einem planen Linsenteil (3) ein konisch geformter Linsenteil (4) gebildet ist.
Optisches Element nach Anspruch 8, bei dem die hydrophobe Oberfläche (6, 7) an einer konischen Mantelfläche (6) des konisch geformten Linsenteils (4) und/oder einer planen Oberfläche (7) des planen Linsenteils (3) gebildet ist.
Stützvorrichtung (23) für einen Wafer (17) mit einem Stützkörper (24) und einer an dem Stützkörper (24) gebildeten Stützfläche (25), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stützkörper (24) durch Mikrostrukturierung eines unbeschichteten Bereichs eine hydrophobe Oberfläche (26) gebildet ist.
Stützvorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die hydrophobe Oberfläche (26) außerhalb der Stützfläche (25) und bevorzugt benachbart zu dieser gebildet ist.
Stützvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei der die hydrophobe Oberfläche (26) einen Kontaktwinkel (α) mit Wasser von m 45° oder mehr, bevorzugt von 60° oder mehr, insbesondere von 70° oder mehr einschließt.
Stützvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Mikrostrukturen (8) eine Strukturbreitenverteilung aufweisen, bei der weniger als 1%, bevorzugt weniger als 0,5%, insbesondere weniger als 0,1% der Mikrostrukturen (8) eine Strukturbreite von mehr als 200 nm, bevorzugt von mehr als 100 nm aufweisen.
Stützvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welcher der Stützkörper (24) zumindest in dem Bereich, an dem die hydrophobe Oberfläche (26) gebildet ist, aus einem Material besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₈), Siliziumcarbid (SiC), Keramik, Glas oder Glaskeramik.
Projektionsbelichtungsanlage (10) für die Immersionslithographie mit einem Projektionsobjektiv (13), das ein optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Abschlusselement zur teilweisen Benetzung mit einer Immersionsflüssigkeit (22), bevorzugt mit Wasser, aufweist.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 15, weiter umfassend eine Stützvorrichtung (23) für einen Wafer (17) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, welche dem optischen Element (1) gegenüber liegend angeordnet ist.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 16, bei der zwischen dem optischen Element (1) und der Stützvorrichtung (23) für den Wafer (17) eine Immersionsflüssigkeit (22), bevorzugt Wasser, eingebracht ist.