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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen
Fläche sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Projektionsbelichtungsanlage für
die Mikrolithographie, beinhaltend mindestens ein optisches Element
mit einer derart hergestellten optischen Fläche.
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Aktuelle
Herstellverfahren von Projektionsbelichtungsanlagen für
die Mikrolithographie, im Weiteren Projektionsbelichtungsanlagen
genannt, erfordern hohe Ansprüche an die optischen Flächen
ihrer optischen Elemente. Die Fläche eines optischen Elementes
hat insbesondere Anforderungen an ihre Passgenauigkeit, d. h. ihre
Abweichung zwischen Soll- und Istform, zu erfüllen. Diese
Passgenauigkeit ist in Bandbereiche unterteilt. So unterscheidet
man makroskopische Passgenauigkeit, welche die Passgenauigkeit in
einem Bandbereich von mehr als einem Millimeter beschreibt und mikroskopische
Passgenauigkeit, synonym Mikrorauigkeit oder Oberflächenrauigkeit,
mit einem Bandbereich von unter einem Millimeter, bis zu einigen
Nanometern.
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Die
vorliegende Erfindung zeigt eine Fertigungstechnik auf, welche eine
vorbestimmte Mikrorauigkeit einer optischen Fläche gewährleistet.
Der Wunsch nach einer solchen, vorbestimmten Mikrorauigkeit ist
folgendermaßen motiviert:
- (i) Zum
ersten verursachen Defekte in der Oberflächenform, die
sich in der Größenordnung von Mikrometern ansiedeln,
unterschiedliche Haftungsfähigkeiten für Beschichtungen
auf dieser Oberfläche. Solche Beschichtungen sind für
optische Elemente einer Projektionsbelichtungsanlage entweder Antireflexbeschichtungen,
wenn es sich um ein transmittierendes optisches Element handelt,
oder Spiegelschichten, wenn es sich um ein reflektierendes optisches
Element handelt. Da Projektionsbelichtungsanlagen in der Regel mehr als
15 und bis zu 30 optische Komponenten beinhalten ergeben sich zwingend
hohe Anforderungen an die Qualität der Beschichtung. So
würde eine Projektionsbelichtungsanlage, welche 25 Linsen
und damit 50 optisch wirksame Flächen beinhaltet, bei einem
Transmissionsverlust von mehr als 1.0% pro Fläche einen
summierten Transmissionsverlust von annähernd 40% erleiden.
Ist hingegen ein summierter Transmissionsverlust von weniger als
5% erwünscht, so sollten die optischen Flächen
im arithmetischen Mittel einen Transmissionsverlust von weniger
als 0.1% haben.
- (ii) Zum zweiten verursachen Defekte in der Oberflächenform
Streulicht in den abbildenden Systemen der Projektionsbelichtungsanlage.
Wird die Projektionsbelichtungsanlage mit Beleuchtungslicht einer
Wellenlänge von 13 Nanometern betrieben, so verursachen
Defekte in einem Bandbereich von 10 Nanometern bis 3 Mikrometern Streulicht
in den abbildenden Systemen der Projektionsbelichtungsanlage. Wird
die Projektionsbelichtungsanlage mit Beleuchtungslicht einer Wellenlänge
von 193 Nanometern betrieben, so verursachen Defekte in einem Bandbereich
von 1 Mikrometer bis 1 Millimeter Streulicht in den abbildenden
Systemen der Projektionsbelichtungsanlage
- (iii) Zum dritten finden sich in derartigen Defekten Angriffsstellen
für die sogenannte compaction des Linsenmaterials. Bei
der compaction handelt es sich um eine Änderungen des Linsenmaterials
auf intermolekularer Ebene. Hierdurch kommt es zu einer Änderung,
im Allgemeinen Zunahme, des Brechungsindex des Linsenmaterials.
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Gegenwärtig
werden optische Flächen von optischen Elementen für
Projektionsbelichtungsanlagen durch die folgenden, zeitlich aufeinander
folgenden Bearbeitungsschritte hergestellt:
- a)
Schleifen,
- b) Feinschleifen oder Läppen,
- c) Polieren und
- d) Feinpolieren
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Hierdurch
kann eine gewünschte Mikrorauigkeit eingestellt werden.
Den Bearbeitungsschritten a)–d) ist gemein, dass diese
in der Regel nicht ortsauflösend sind, d. h. jeder Ort
auf der optischen Fläche erfährt die gleiche Bearbeitung.
Um Korrekturen ortsauflösend an einer bereits geschliffenen
und polierten optischen Fläche vorzunehmen und so deren makroskopische
Paßgenauigkeit zu korrigieren, können die obigen
Bearbeitungsschritte a)–d) durch ein
- e)
Physikalisches Trockenätzen, insbesondere Ion Beam Figuring,
synonym IBF oder Ion Milling, oder Magnetorheologisches Finishing,
synonym MRF, oder Subaperturpolierverfahren, synonym CCP (computer
controlled polishing) ergänzt werden. Bei dem physikalischen
Trockenätzen gemäß Bearbeitungsschritt
e) wird die zu bearbeitende Oberfläche mit einem Werkzeug
durch den lokalen Beschuss von Ionen, Elektronen oder auch Photonen
geätzt. Daher arbeitet Bearbeitungsschritt e) ortsaufgelöst.
MRF und CCP sind lokale, abrasive Korrekturverfahren.
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Den
obigen Bearbeitungsschritten a) und b) ist gemein, dass es sich
um Material abtragende, spanende, wegbestimmte und damit anisotrope
Abtragsverfahren handelt. Solche anisotrope Abtragsverfahren verursachen
Tiefenschäden, d. h. es stellen sich während des
Abtragens Risse im Material ein. Diese Tiefenschäden reichen
in Tiefen von einigen 10 Mikrometern. Durch die anschließenden
Polierschritte c) und d) wird dieses beschädigte Material abgetragen.
Hierbei werden im Bearbeitungsschritt c) Korngrößen
im Bereich von bis zu einigen Mikrometern verwendet, welche wiederum
Polierartefakte wie Mikrowischer und Mikrokratzer als Defekte in
einer Bandbreite von bis zu 3 Mikrometern verursachen. Diese Polierartefakte
werden im Bearbeitungsschritt d) durch eine Feinpolitur mit Korngrößen
im Bereich von wenigen 10 Nanometern poliert.
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Problematisch
bei dieser Vorgehensweise sind die beiden folgenden Punkte:
- (1) Defekte wie die oben beschriebenen Polierartefakte
können mikrointerferometrisch nicht mehr nachgewiesen werden,
da die Mikrowischer und Mikrokratzer Defektstrukturen im ansonsten
nahezu defektfreiem Material darstellen und sich dem zufolge im
Brechungsindex von dem unbeschädigten Material kaum unterscheiden.
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Die
gewünschte Mikrorauigkeit wird zwar erreicht, allerdings
erlaubt dies letztendlich keine Qualifizierung der optischen Fläche
hinsichtlich der obigen Punkte Beschichtbarkeit (i), Streulichtverhalten (ii)
und Compaction (iii), da die angesprochenen Schädigungen
wie Mikrowischer und Mikrokratzer durch die Feinpolitur nur maskiert
und nicht beseitigt werden.
- (2) Aus den gleichen
Gründen entsprechen auch auspolierte Tiefenschäden
keiner unbeschädigten Oberfläche. Somit müssen
auch hier hinsichtlich der obigen Punkte Beschichtbarkeit (i), Streulichtverhalten
(ii) und Compaction (iii) Zugeständnisse gemacht werden.
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Es
besteht daher bei der Herstellung von Projektionsbelichtungsanlagen
der Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung von optischen Flächen
mit hohen Anforderungen an die Mikrorauigkeit dieser Flächen.
Insbesondere soll dieses Verfahren Folgendes leisten:
- (1') Defekte im Bereich von Mikrorauigkeiten mit Defekten von
einigen Mikrometern sollen qualifizierbar sein,
- (2') Tiefenschäden sollen grundsätzlich beseitigt werden.
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Ein
solches Verfahren wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass ein zusätzlicher, isotroper Materialabtrag
den bisherigen Verfahrensablauf der Bearbeitungsschritte a) bis
d) an geeigneter Stelle ergänzt. Als isotroper Materialabtrag
wird insbesondere ein chemisches Trockenätzverfahren angewandt. Als
ein solches kommt insbesondere das chemische Plasmaätzen
zur Anwendung. Alternativ wird erfindungsgemäß ein
solcher, zusätzlicher isotroper Materialabtrag dadurch
ergänzt, dass in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt
physikalisches Trockenätzen flächig angewandt
wird, d. h. die zu bearbeitende Oberfläche wird durch ein
Werkzeug an jeder Stelle gleich bearbeitet, was zu einem nicht lokalen,
isotropen Materialabtrag von bis zu 2 Mikrometern führt.
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Dieser
isotrope Materialabtrag kann als zusätzlicher Bearbeitungsschritt
an drei Stellen in das bisherige Verfahren a)–d) eingebracht
werden:
- c') nach dem Polieren gemäß Bearbeitungsschritt c)
wird ein isotroper Materialabtrag mit einem voreingestellten Abtrag
von 0.3 bis 3 Mikrometern eingesetzt, oder
- d') nach dem Feinpolieren gemäß Bearbeitungsschritt
d) wird ein isotroper Materialabtrag mit einem voreingestellten
Abtrag von 0.1 bis 2 Mikrometern eingesetzt, oder
- b') nach dem Feinschleifen oder Läppen gemäß Bearbeitungsschritt
b) wird ein isotroper Materialabtrag mit einem voreingestellten
Abtrag von 200 bis 500 Mikrometern eingesetzt.
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Im
ersten Fall gemäß Bearbeitungsschritt c') und
im zweiten Fall gemäß Bearbeitungsschritt d') legt
der isotrope Materialabtrag die im Rahmen der Politur gemäß Bearbeitungsschritt
c) bzw. gemäß Bearbeitungsschritt d) entstandenen
Defekte durch sein isotropes Ätzverhalten frei ohne neue
Defekte zu verursachen. Diese dann freiliegenden Defekte sind visuell
wahrnehmbar und werden anschließend gemäß Bearbeitungsschritt
d) bzw. eines erneuten Bearbeitungsschrittes d) feinpoliert bis
der visuelle Eindruck keine Defekte mehr feststellen kann.
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Im
dritten Fall gemäß Bearbeitungsschritt b') trägt
der isotrope Materialabtrag die im Rahmen des Schleifens gemäß Bearbeitungsschritt
a) und Feinschleifens oder Lappens gemäß Bearbeitungsschritt b)
entstandenen Tiefenschädigungen vollständig ab. Durch
sein isotropes Abtragsverhalten werden einerseits die Schleifstrukturen
in ihrer Tiefe reduziert und andererseits werden keine neuen Tiefenschädigungen
erzeugt.
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Die
drei Bearbeitungsschritte c'), d') und b') können alternativ
oder kumulativ eingesetzt werden.
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Die
so hergestellte optische Fläche kann durch ein Werkzeug
mit einem zusätzlichen Trockenätzschritt wie einem
lokalen, chemischen Trockenätzen oder einem physikalisches
Trockenätzen bearbeitet werden, um so Korrekturen ortsaufgelöst vorzunehmen.
Hierbei wird die Oberflächenrauigkeit der optischen Fläche
nicht verschlechtert.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele
mit deren begleitenden Zeichnungen erläutert.
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1a zeigt
einen ersten erfindungsgemäßen Ablauf der Herstellung
einer optischen Fläche.
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1b zeigt
Messergebnisse der Oberflächenrauigkeit einer optischen
Fläche vor und nach dem erfindungsgemäßen
Bearbeitungsschritt d').
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2a zeigt
einen zweiten erfindungsgemäßen Ablauf der Herstellung
einer optischen Fläche.
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2b zeigt
Messergebnisse der Oberflächenrauigkeit einer optischen
Fläche vor und nach dem erfindungsgemäßen
Bearbeitungsschritt b'), wobei dieser Bearbeitungsschritt b') in
Teilschritte verschiedener Abtragstiefen unterteilt wurde, welche einzeln
quantitativ ausgewertet wurden.
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3 illustriert das isotrope Verhalten des chemischen
Trockenätzprozesses.
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4 illustriert
das Abtragsverhalten des Plasmaätzens an einem Polierartefakt.
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5 zeigt
den Einsatz eines Werkzeuges für das physikalische Trockenätzen.
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6 zeigt
eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie
mit einer erfindungsgemäßen optischen Fläche.
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Gemäß dem
Ablaufplan von 1a wird eine optische Fläche
gemäß den obigen Bearbeitungsschritten a), b)
und c) geschliffen, feingeschliffen und anschließend mit
einer Korngröße von etwa 1 Mikrometer poliert.
Durch anschließende Polierschritte gemäß dem
obigen Bearbeitungsschritt d) mit einer Korngröße
von wenigen 10 Nanometern mit einer abschließenden Politur
mit einem nano- oder feindispersiven Poliermittel, d. h. mit einer
Politur mit einer kolloidalen Dispersion mit Siliziumdioxid Teilchen
mit einer Korngröße von etwa 50 Nanometern, wird
eine Mikrorauigkeit von 30 Picometern root-mean-square (rms) in
einem lateralen Bandbereich von 10 bis 100 Mikrometern sowie eine
Mikrorauigkeit von 50 Picometern rms in einem Bandbereich von 100
bis 1000 Mikrometer erreicht. Diese Mikrorauigkeiten entsprechen
den jeweils linken Säulen der Säulenpaare in dem
Diagramm aus 1b.
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Die
Definition der (lateralen) Bandbereiche einer Fläche wird
hierbei mittels einer 2-dimensionalen Fourier-Zerlegung festgelegt.
Ein Bandbereich, wie beispielsweise 10 bis 100 Mikromete, entspricht dem
räumlichen Spektrum, dessen Perioden in beiden lateralen
Ausdehnungen 10 bis 100 Mikrometer Länge haben. Für
jeden Spektralwert dieses Spektrums wird seine Abweichung zu seinem
Erwartungs- bzw. Sollwert ermittelt, welcher einer völlig
glatten Fläche entspricht. Der rms in einem Bandbereich
ist dann die Standartabweichung in diesem Bandbereich. Alternativ
findet auch eine Definition der Bandbreite und des rms der Mikrorauigkeit
nach ISO 10010 Verwendung.
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In 1b wird
der Übergang von Bearbeitungsschritt d) zu Bearbeitungsschritt
d') gezeigt. Durch ein sich der nano- oder feindispersiven Poliertur
anschließendes, chemisches Trockenätzen gemäß Bearbeitungsschritt
d') als isotroper Materialabtrag mit einer Abtragstiefe von 1 Mikrometer
werden Mikrowischer und Mikrokratzer aufgedeckt und sind visuell
wahrnehmbar und können so qualifiziert werden. Die sich
einstellende Mikrorauigkeiten in den beiden oben genannten Bandbereichen
entspricht den jeweils rechten Säulen der Säulenpaare
in dem Diagramm aus 1b. Es wird deutlich, dass durch den
Bearbeitungsschritt d') die Mikrorauigkeit im rms-Mittel per se
nicht verschlechtert oder verbessert wird. Polierartefakte sind
nach einem erneuten Bearbeitungsschritt d) nicht mehr feststellbar.
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Für
das chemische Trockenätzen wird ein Ätzgas durch
eine Mikrowellenentladung ionisiert und so zu einem ätzaktivem
Plasma. Als Ätzgase kommen organische Verbindungen wie
Tetrafluormethan, Hexafluorethan, Perfluorpropan und andere perfluorierte
Kohlenwasserstoffe PFCs, Perfluorbutadien und andere ungesättigte
PFCs, perfluorierte Aromaten und Heteroaromaten in Frage, sowie
anorganische Verbindungen wie Schwefelhexafluorid, Stickstoff(III)-fluorid,
Bortrichlorid, Chlor, Chlor- und Bromwasserstoff sowie Sauerstoff
zur Anwendung.
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Nun
gelten folgende beiden Aussagen:
- (i) Die durch
das Polieren gemäß Bearbeitungsschritt d) erzeugten
Mikrowischer und Mikrokratzer können nach dem Bearbeitungsschritt
d') visuell qualifiziert werden,
- (ii) Man kann die quantitative Aussage treffen, dass die polierte
Fläche gemäß Bearbeitungsschritt d')
und damit auch nach einem erneuten Polieren gemäß eines
zusätzlichen Bearbeitungsschrittes d) zumindest den vor
dem Bearbeitungsschritt d') gemessenen Rauigkeits-rms hat.
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Damit
ist die obige Forderung (1') erfüllt: Defekte im Bereich
von Mikrorauigkeiten mit Defekten von einigen Mikrometern sind qualifizierbar.
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Gemäß 1a lassen
sich optional die Bearbeitungsschritte d') und d) iterieren, so
dass man zu weiteren Offenlegungen von Mikrowischern und Mikrokratzern
kommt, welche wiederum auspoliert werden können. Diese
Iteration wird mehrfach und insbesondere so lange vorgenommen, bis
in einem letzten Bearbeitungsschritt d') keine Mikrowischer und
Mikrokratzer visuell feststellbar sind.
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Gemäß 1a wird
optional eine anschließender Bearbeitungsschritt e) mit
einem physikalischen Trockenätzprozess, wie beispielsweise
Ion Beam Figuring, synonym Ion Milling, oder Magnetorheologisches
Finishing oder Subaperturpolierverfahren, synonym CCP (computer
controlled polishing), durchgeführt. Dieser Bearbeitungsschritt
e) reduziert Passungenauigkeiten im makroskopischen Bereich. Die
Mikrorauigkeit wird hierbei nicht verändert.
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Zusätzlich
wie in den 1a, b dargestellt, kann das
erfindungsgemäße chemische Trockenätzen
auch nach dem Polieren gemäß Bearbeitungsschritt
c) und vor dem Feinpolieren gemäß Bearbeitungsschritt
d) vorgenommen werden. Ein solcher Trockenätzschritt c')
wird mit einem größeren Abtrag, vorzugsweise 3
Mikrometern, als bei dem obigen Bearbeitungsschritt d') vorgenommen.
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2a zeigt
die Anwendung des chemischen Trockenätzschrittes als Bearbeitungsschritt b').
In diesem Fall wird nach dem Feinschleifen oder Lappen gemäß Bearbeitungsschritt
b) durch das chemische Trockenätzen ein Abtrag von bis
zu 1 Millimeter vorgenommen. Die während des Schleifens
entstandenen Tiefenschädigungen werden so komplett beseitigt.
In 2b wird dieser 1 Millimeter in mehrere Ätzschritte
unterteilt und die Oberflächenrauigkeit wird nach jedem Ätzschritt
durch ein tastendes Verfahren mit einem Oberflächenmessgerät,
wie beispielsweise Talysurf CCI 3000, gemessen. Die durch den Schleifprozess
entstandenen Tiefenschäden werden wegen ihrer Tiefe und
Steilheit anfänglich mit dem Taster nicht erfasst. Daher
verbreitern die anfänglichen Ätzschritte zunächst
die Schädigungen und tiefere werden freigelegt. Dann erst
kann der Taster die Mikrorauigkeit vollständig erfassen.
Daher „verschlechtern” sich die Mikrorauigkeitswerte
zunächst. Weitere chemische Trockenätzschritte
verbessern im Mittel die Mikrorauigkeitswerte mit einer exponentiellen
Degression der Mikrorauigkeit. Diese erreicht bei einer Abtragstiefe
von etwa 1 Millimeter eine Verbesserung (Glättung) der
Mikrorauigkeit von ca. 10 Mikrometern rms auf 0.1 Mikrometer rms.
Die Ursache hierfür liegt darin, dass nur durch die ersten Ätzschritte
Defekte freigelegt werden. Alle anschließenden Ätzschritte
senken nicht nur das Grundniveau der Oberfläche an sich
ab, was nicht nur zu einer Beseitigung des Tiefenschäden
führt, sondern es findet auch gleichzeitig aufgrund der
Isotropie des Ätzprozesses eine Glättung statt.
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Damit
ist die obige Forderung (2') erfüllt: Tiefenschäden
sind grundsätzlich beseitigt.
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Dies
wird durch 3a, b, c verdeutlicht, wo man
erkennen kann, welcher Mechanismus beim chemischen Trockenätzen
die Oberfläche 305a in 3a glättet.
In der 3a findet sich eine über
das Grundniveau 304a der zu bearbeitenden Fläche
erhabene Struktur 303a. Diese erfährt aufgrund
der Isotropie des Ätzprozesses mehr Angriffspunkte für das Ätzmittel
als dies für weniger exponierte Strukturen 301a der
Fall ist. Insbesondere die Tiefenschädigungen 302a werden
nur wenig geätzt. Es findet einerseits durch den Ätzprozess
eine Senkung des Grundniveaus 304, a, b, c statt, anderseits
werden steile Strukturen 303a, b, c geglättet.
Dies führt letztendlich zu einer Glättung der
Gesamtfläche 305c.
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4 zeigt
ein Polierartefakt 400. Es besteht aus einer ersten Materialzusammensetzung 401,
deren intermolekulare Struktur durch die Politur relativ zu der
nicht von der Politur beeinflussten Materialzusammensetzung 402 einer
Linse beeinflusst wurde. Das chemische Trockenätzen wird
hier durch Verwendung eines Ätzplasmas durchgeführt.
Das Ätzplasma reagiert mit den Materialzusammensetzungen
nicht nur durch seinen ionisierten Zustand sondern ist zusätzlich
basisch. Insgesamt wird in den Bereichen 401 mehr Material
abgetragen als in den Bereichen 402, was letztendlich zu
einer Freilegung des Polierartefaktes 400 führt.
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5 zeigt
den Einsatz eines Werkzeuges 501 bei der lokalen Korrektur
einer optischen Fläche 502. Durch einen gerichteten
Ionenstrahl 503 wird auf der optischen Fläche
in dem Bereich 504, welcher mit Ionen beaufschlagt wird,
Material abgetragen. Die Ausdehnung der Bereiches 504 ist
in der Größenordnung von 1 Quadratzentimeter bis
zu 0.01 Quadratzentimeter. Damit wird ein lokaler Materialabtrag
auf der optischen Fläche vorgenommen. Je länger
das Werkzeug 501 auf dem Bereich 504 der optischen
Fläche 502 verweilt, desto mehr Material wird
abgetragen.
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Alternativ
kann der gerichtete Ionenstrahl durch einen gerichteten Strom eines
ionisierten Gases – hier nicht dargestellt – ersetzt
werden. Der lokale Materialabtrag wird in diesem Fall durch ein
lokales, chemisches Trockenätzen bewerkstelligt.
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6 zeigt
eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie 601.
Diese besteht aus einer Lichtquelle 602, welche Beleuchtungslicht 609 mit
einer Wellenlänge von 194 Nanometern aussendet. Dieses
Beleuchtungslicht 609 wird in einem Beleuchtungssystem 603 geformt
und homogenisiert und beleuchtet ein Retikel 604. Anschließend
tritt das Beleuchtungslicht 609 in das Objektiv 605 ein
und wird auf den Wafer 606 projiziert. Das Objektiv 605 enthält
eine Linse 607, welche eine erfindungsgemäß hergestellte
optische Fläche 608 enthält. Diese so
hergestellte optische Fläche 608 verändert
den Strahlengang des Beleuchtungslichtes 609 aufgrund ihrer
Brechkraft, sie verursacht aber aufgrund ihrer geringen Oberflächenrauigkeit
kein Streulicht 610.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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