DE102009049640A1

DE102009049640A1 - Projektionsobjektiv für eine mikrolithographische EUV-Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE102009049640A1
Application number: DE102009049640A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Rennon; Hans-Jürgen Dr. Mann; Thomas Schicketanz
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: DE102009049640B4; US20110090559A1; TW201126275A; TWI516873B; US8693098B2

Abstract

Ein Projektionsobjektiv für eine mikrolithographische EUV-Projektionsbelichtungsanlage umfasst einen ersten Spiegel (S1, S3) und einen zweiten Spiegel (S2, S4 bis S6), wobei der erste und der zweite Spiegel jeweils ein Spiegelsubstrat (46; 146) und eine davon getragene reflektierende Beschichtung (50) aufweisen. Erfindungsgemäß sind der erste Spiegel und der zweite Spiegel derart ausgebildet, dass das Spiegelsubstrat (46; 146) des ersten Spiegels (S1, S3) bei ansonsten gleicher Bestrahlung mit EUV-Licht weniger unter dem Einfluss des EUV-Lichts kompaktiert als das Spiegelsubstrat (46) des zweiten Spiegels (S2, S4 bis S6).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv für eine mikrolithographische EUV-Projektionsbelichtungsanlage mit einem ersten Spiegel und mit einem zweiten Spiegel, wobei der erste und der zweite Spiegel jeweils ein Spiegelsubstrat und eine davon getragene reflektierende Beschichtung aufweisen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlagen werden dazu verwendet, um Strukturen, die in einer Maske enthalten sind, auf einen Photolack oder eine andere lichtempfindliche Schicht zu übertragen. Die wichtigsten optischen Komponenten einer Projektionsbelichtungsanlage sind eine Lichtquelle, ein Beleuchtungssystem, welches von der Lichtquelle erzeugtes Projektionslicht aufbereitet und auf die Maske richtet, und ein Projektionsobjektiv, das die vom Beleuchtungssystem beleuchtete Maske auf die lichtempfindliche Schicht abbildet.
Je kürzer die Wellenlänge des Projektionslichts ist, desto kleinere Strukturen lassen sich auf der lichtempfindlichen Schicht mit Hilfe der Projektionsbelichtungsanlage definieren. Die kommende Generation von Projektionsbelichtungsanlagen wird Projektionslicht im extremen utravioletten Spektralbereich (EUV) verwenden, dessen Wellenlänge bei 13,5 nm liegt. Derartige Projektionsbelichtungsanlagen werden häufig kurz als EUV-Projektionsbelichtungsanlagen bezeichnet.
Es gibt allerdings keine optischen Materialien, die für derart kurze Wellenlängen ein ausreichend hohes Transmissionsvermögen haben. Daher enthalten EUV-Projektionsbelichtungsanlagen ausschließlich reflektive optische Elemente, und auch die Maske enthält deswegen ein Muster aus reflektierenden Strukturen. Allerdings stellt auch die Bereitstellung von Spiegeln für EUV-Projektionsbelichtungsanlagen eine große technologische Herausforderung dar. Für EUV-Licht geeignete Beschichtungen, die auf ein Spiegelsubstrat aufgebracht sind, umfassen häufig mehr als 30 oder 40 Doppelschichten von nur wenigen Nanometern Dicke, die in technologisch aufwendigen Prozessen übereinander aufgedampft werden. Selbst mit derart aufwendig aufgebauten Beschichtungen beträgt das Reflexionsvermögen der Spiegel für das EUV-Licht meistens kaum mehr als 70%, und auch dies nur für Licht, das senkrecht oder mit Einfallswinkeln von wenigen Grad auf die reflektierende Beschichtung auftrifft.
Das vergleichsweise geringe Reflexionsvermögen der Spiegel hat zur Folge, dass man sich bei der Entwicklung von Projektionsbelichtungsanlagen darum bemühen muss, so wenige Spiegel wie möglich einzusetzen, da jeder Spiegel Lichtverluste bedeutet und letztlich den Durchsatz der Projektionsbelichtungsanlage verringert. Mit dem relativ geringen Reflexionsvermögen der Spiegel gehen jedoch auch thermische Probleme einher, da der nicht von der Beschichtung reflektierte Anteil des energiereichen EUV-Lichts absorbiert wird und zu einer Temperaturerhöhung der Spiegel führt. Die dabei erzeugte Wärme muss im Wesentlichen im Wege der Wärmeleitung über das Spiegelsubstrat abgeleitet werden, da Projektionsbelichtungsanlagen wegen der hohen Absorption von EUV-Licht durch Gase in Vakuum betrieben werden müssen.
Damit auftretende Temperaturgradienten in den Spiegelsubstraten nicht zu einer unerwünschten Verformung der Spiegel führen, verwendet man gerne Materialien für die Spiegelsubstrate, die bei der Betriebstemperatur einen möglichst kleinen oder sogar verschwindenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben. Derartige glasbasierten Materialien werden beispielsweise von Schott unter der Marke Zerodur^® und von Corning unter der Marke ULE^® vertrieben. Durch zusätzliche Maßnahmen können thermische Verformungen, die durch Absorption von EUV-Licht verursacht sind, gering gehalten oder zumindest deren Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften des Projektionsobjektivs in tolerierbaren Grenzen gehalten werden.
So schlägt die US 7,477,355 B2 vor, durch zusätzliche Heizmittel Spiegel so aufzuheizen, dass sich deren Substratmaterial auf einer Temperatur befindet, bei der der thermische Ausdehnungskoeffizient null oder zumindest minimal ist. Temperaturschwankungen während des Betriebs der Anlage wirken sich dann nicht oder nur wenig auf die Abbildungseigenschaften des Spiegels aus.
In der US 7,557,902 B2 ist ein Projektionsobjektiv beschrieben, bei dem zwei Spiegel aus Materialien bestehen, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient bei einem der beiden Spiegel bei steigender Temperatur zunimmt und bei dem anderen Spiegel bei steigender Temperatur abnimmt. Bei geeigneter Auswahl der Spiegel lässt sich auf diese Weise erreichen, dass sich die beiden Spiegel zwar bei einer Temperaturänderung signifikant verformen, sich die optischen Wirkungen dieser Verformungen jedoch gegenseitig weitgehend aufheben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Projektionsobjektiv für eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage anzugeben, dessen Abbildungsqualität auch über lange Betriebsdauern hinweg erhalten bleibt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Projektionsobjektiv für eine mikrolithographische EUV-Projektionsbelichtungsanlage mit einem ersten Spiegel und mit einem zweiten Spiegel. Der erste und der zweite Spiegel weisen dabei jeweils ein Spiegelsubstrat und eine davon getragene reflektierende Beschichtung auf. Erfindungsgemäß sind der erste und der zweite Spiegel derart ausgebildet, dass das Spiegelsubstrat des ersten Spiegels bei ansonsten gleicher Bestrahlung mit EUV-Licht weniger unter dem Einfluss des EUV-Lichts kompaktiert als das Spiegelsubstrat des zweiten Spiegels.
In diesem Zusammenhang bedeutet ”ansonsten gleiche Verhältnisse”, dass die zu vergleichenden Spiegel über den gleichen Zeitraum dem gleichen Licht mit gleicher Intensität ausgesetzt werden. Solche ”ansonsten gleiche Verhältnisse” bestehen somit grundsätzlich nur im Labor, jedoch nie in einem Projektionsobjektiv, da dort jeder Spiegel einer anderen Bestrahlung durch das EUV-Licht ausgesetzt ist.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Entdeckung, dass es bei den bislang für die Spiegelsubstrate favorisierten Materialien mit kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu irreversiblen Degradationsprozessen kommt, wenn diese Materialen über längere Zeit dem energiereichen EUV-Licht ausgesetzt sind. Im Einzelnen handelt es sich bei diesen Degradationsprozessen um Materialveränderungen, die ähnlich auch bei Linsen aus Quarzglas beobachtet werden, die von sehr intensivem längerwelligen Licht durchtreten werden. Diese Art der Materialveränderung, die meist als Kompaktierung (engl. compaction) bezeichnet wird, entsteht dadurch, dass das hochenergetische Licht zum Aufbrechen und zur Neuanordnung von Molekülbindungen führt, was mit einer Volumenverringerung einhergeht. Bei Linsen aus Quarzglas hat eine Kompaktierung im Allgemeinen eine Veränderung der Brechzahl und häufig auch eine Verformung der Linse insgesamt zur Folge. Die Kompaktierung wird im Allgemeinen erst signifikant, wenn die Energiedichte des Lichts im Material über längere Zeit einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
Überraschend ist die beobachtete Kompaktierung von Spiegelsubstraten auf Glasbasis schon deswegen, weil die von den Spiegelsubstraten getragene reflektierende Beschichtung den nicht reflektierten Anteil es EUV-Lichts praktisch vollständig absorbiert, so dass dieser Anteil überhaupt nicht in das Spiegelsubstrat eindringen kann. Wie genauere Analysen zeigen, gilt dies jedoch offensichtlicht nur exakt für die Betriebswellenlänge, für welche die Beschichtung ausgelegt ist. Die typischerweise verwendeten Strahlungsquellen, insbesondere Laserplasmaquellen (engl. laser induced plasma sources), erzeugen jedoch EUV-Licht mit einer Bandbreite, die gaußförmig um die Betriebswellenlänge herum zentriert ist. Die Halbwertsbreite (engl. FWHM, full width at half maximum) dieser annähernd gaußförmigen spektralen Verteilung beträgt dabei etwa 1%, so dass der überwiegende Teil des EUV-Lichts mit Wellenlängen zwischen etwa 13,36 nm und 13,64 nm emittiert wird. Wie erwähnt ist die Beschichtung jedoch nur für die Betriebswellenlänge 13,5 nm weitgehend undurchlässig. Je mehr die Wellenlänge des Lichts von der Betriebswellenlänge abweicht, desto größer ist der Anteil des Lichts, der die reflektierende Beschichtung durchtreten und somit in das Spiegelsubstrat gelangen kann. Offensichtlich sind es diese Lichtanteile, die die beobachtete Kompaktierung von Spiegelsubstraten auf Glasbasis hervorrufen.
Da Zerodur^® und ähnliche Materialien mit kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten häufig auch als Substrate für Spiegel eingesetzt werden, die für eine Verwendung im Weltraum vorgesehen sind, hat man sich bereits vor längerer Zeit mit der Frage befasst, inwieweit die kosmische Partikelstrahlung zu einer Kompaktierung oder sonstigen unerwünschten Veränderung dieser Materialien führen könnte. In diesem Zusammenhang wird auf die Aufsätze von M. Davis et. al. mit dem Titel "Compaction effects of radiation on Zerodur®", Proceedings of the SPIE, volume 5179, Seiten 38–49 (2003) und von P. L. Hegby et al. mit dem Titel "Radiation Effects on the Physical Properties of Low-Expansion-Coefficient Glasses and Ceramics", J. Am. Ceram. Soc., Vol. 71 No. 9 (1988), Seiten 796 bis 802, verwiesen.
Für elektromagnetische Strahlung gibt es, soweit bekannt, nur eine Studie von P. Z. Takacs et al. mit dem Titel "X-Ray Induced Damage Observations in Zerodur Mirrors", Proc. SPIE 3152 (1997), Seiten 77 bis 85. Dort wurde eine Kompaktierung von Zerodur^® beobachtet, jedoch für relativ harte Röntgenstrahlung mit einer Energie von mehr als 20 keV, was einer Wellenlänge von etwa 0,06 nm entspricht.
Für EUV-Licht, das annähernd um einen Faktor 200 energieärmer ist, waren ähnliche Materialveränderungen nicht ohne weiteres zu erwarten.
Die Entdeckung, dass Materialien auf Glasbasis mit kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter dem länger wirkenden Einfluss von EUV-Licht kompaktieren können, soll erfindungsgemäß jedoch nicht dazu führen, diese Materialien vollständig aus EUV-Projektionsobjektiven zu verbannen. Denn diese Materialien haben ansonsten hervorragende Eigenschaften und sollten deswegen so weitgehend wie möglich in EUV-Projektionsobjektiven als Spiegelsubstrate eingesetzt werden. Zusätzliche Maßnahmen, die nachfolgend näher erläutert werden und z. B. in der Verwendung eines anderen Materials für die Spiegelsubstrate bestehen können, sollen erfindungsgemäß nur bei wenigen ausgewählten Spiegeln zur Anwendung kommen. Diese ausgewählten Spiegel zeichnen sich dadurch aus, dass die Intensität des EUV-Lichts auf deren Oberflächen so groß ist, dass ohne diese zusätzlichen Maßnahmen während der Lebensdauer des Projektionsobjektivs eine untolerierbare Verschlechterung der Abbildungseigenschaften eintreten würde.
Es gilt somit, die Spiegel des Projektionsobjektivs in erste Spiegel aufzuteilen, bei denen es zu besonders hohen Intensitäten kommt und deren Spiegelsubstrate deswegen weniger anfällig für eine Kompaktierung durch EUV-Licht sein müssen als zweite Spiegel, bei denen die auftretenden Intensitäten kleiner sind und deren Spiegelsubstrate deswegen anfälliger für eine Kompaktierung durch EUV-Licht sein dürfen als die Spiegelsubstrate der ersten Spiegel.
Die Intensität des auf einen Spiegel auftreffenden EUV-Lichts hängt u. a. vom mittleren Subaperturdurchmesser, der auf dem betrachteten Spiegel auftritt, und von dessen Stellung innerhalb des Projektionsobjektivs ab. Der Subaperturdurchmesser beschreibt, anschaulich gesprochen, den Durchmesser eines Lichtbündels, das von einem bestimmten Punkt der Objektebene des Projektionsobjektivs ausgeht und das schließlich in einem konjugierten Punkt in der Bildebene des Objektivs konvergiert. Der Durchmesser eines solchen Lichtbündels verändert sich dabei im Allgemeinen fortwährend, wenn man dem Strahlengang im Projektionsobjektiv folgt. Betrachtet man einen bestimmten Spiegel und errechnet den arithmetischen Mittelwert für die Subaperturdurchmesser aller Feldpunkte, so erhält man den mittleren Subaperturdurchmesser für den betreffenden Spiegel. Je kleiner der Subaperturdurchmesser ist, desto größer ist im Allgemeinen die Intensität des EUV-Lichts auf dem betrachteten Spiegel. Dies lässt sich anschaulich leicht dadurch erklären, dass in diesem Falle die in den einzelnen Lichtbündeln geführte Energie sich auf einer kleineren Fläche konzentriert. Da sich die Subaperturen der einzelnen Feldpunkte je nach Stellung des Spiegels innerhalb des Projektionsobjektivs mehr oder weniger überlappen, stellt der mittlere Subaperturdurchmesser ein geeignetes Maß für die Intensität des auf den betrachteten Spiegel auftreffenden EUV-Lichts dar.
Da andererseits wie oben bereits erwähnt jeder Spiegel nur einen Anteil von rund 70% des Lichts mit der Betriebswellenlänge 13,5 nm reflektiert, nimmt die Intensität nach jeder Reflexion an einem vorausgehenden Spiegel spürbar ab. Folglich trifft auf den letzten Spiegel des Projektionsobjektivs insgesamt sehr viel weniger EUV-Licht auf als auf den ersten Spiegel.
Da üblicherweise auch die Subaperturdurchmesser tendenziell eher in Lichtausbreitungsrichtung zunehmen als abnehmen, sind es eher die vorderen Spiegel im Projektionsobjektiv, bei denen die Gefahr einer Kompaktierung des Spiegelsubstrats größer ist. Bei einem Ausführungsbeispiel enthält deswegen das Projektionsobjektiv mindestens 4 in Lichtausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete Spiegel, wobei mindestens ein Spiegel der in Lichtausbreitungsrichtung ersten drei Spiegel ein erster Spiegel und mindestens ein Spiegel der in Lichtausbreitungsrichtung letzten drei Spiegel ein zweiter Spiegel ist.
Geht man davon aus, dass in dem Projektionsobjektiv insgesamt M Spiegel hintereinander angeordnet sind, von denen m Spiegel erste Spiegel und n = M – m zweite Spiegel sind, dann kann man eine Aufteilung in erste und zweite Spiegel wie folgt berechnen:
Für die ersten m Spiegel gilt: SA_i < k·0.6^(i-1)/2 während für die zweiten n Spiegel gilt: SA_i ≥ k·0.6^(i-1)/2
Dabei ist SA_i der mittlere Subaperturdurchmesser für den i-ten Spiegel M_i, und k ist ein Schwellenwertfaktor zwischen 50 mm und 200 mm, der in Abhängigkeit von der Stärke einer EUV-Lichtquelle der Projektionsbelichtungsanlage festgelegt ist.
Ein Projektionsobjektiv, bei dem die Aufteilung der insgesamt M Spiegel in erste und zweite Spiegel gemäß den obigen Ungleichungen festgelegt wird, verfügt über eine hervorragende Langzeitstabilität, wobei bei möglichst vielen Spiegeln keine Maßnahmen getroffen werden müssen, welche eine Kompaktierung verhindern oder in ausreichender Weise hinauszögern.
Der Faktor 0.6⁽ ^i-1 ⁾ ^/2 bringt dabei die Abhängigkeit der Intensität von der Stellung innerhalb des Projektionsobjektivs zum Ausdruck. In diesem Faktor geht nicht das maximal erreichte Reflexionsvermögen von etwa 70% für die Betriebswellenlänge ein, da, wie oben bereits erwähnt, gerade für die Wellenlängen, die abseits der Betriebswellenlänge liegen und die Kompaktierung im Wesentlichen verursachen, das Reflexionsvermögen der Beschichtung geringer ist und meist bei etwa 60% liegt.
Der Schwellenwertfaktor k ist umso höher festzulegen, je intensiver das in das EUV-Projektionsobjektiv eintretende Licht ist und je länger die Lebensdauer des Projektionsobjektivs eingesetzt wird. Berechnungen zeigen, dass in vielen Fällen ein Schwellenwertfaktor zwischen 80 und 150 zu ausgewogenen Ergebnissen führt.
Im Folgenden werden Maßnahmen erläutert, mit denen die Anfälligkeit des Spiegelsubstrats des ersten Spiegels gegen Kompaktierung herabgesetzt werden können:
Eine Möglichkeit besteht darin, für das Spiegelsubstrat des ersten Spiegels ein Material zu wählen, das bei ansonsten gleicher Bestrahlung mit EUV-Licht weniger unter dem Einfluss des EUV-Lichts kompaktiert als ein zweites Material, aus dem das Spiegelsubstrat des zweiten Spiegels besteht. In diesem Fall wird somit zugelassen, dass energiereiches EUV-Licht in das Spiegelsubstrat eindringen kann, jedoch wird dies aus einem nicht oder nur schwach kompaktierenden Material gefertigt. Nicht kompaktierende Materialien, die für das Spiegelsubstrat des ersten Spiegels geeignet sind, umfassen Silizium, Siliziumkarbid, SiSiC, Metalle oder Metalllegierungen. Diese Materialien werden bereits in der US 6,453,005 B2 für alle Spiegelsubstrate eines EUV-Projektionsobjektivs vorgeschlagen.
Allerdings weisen diese nicht kompaktierenden Materialien auch einige Nachteile auf. So lassen sie sich beispielsweise schlechter polieren als Materialien auf der Basis von Quarzglas. Die vorstehend erwähnte US 6,453,005 B2 schlägt deswegen zur Verbesserung der Polierbarkeit vor, zwischen dem Spiegelsubstrat und der reflektierenden Beschichtung eine zusätzliche Schicht aus amorphem Quarz (SiO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) anzuordnen.
Ferner haben diese nicht kompaktierenden Materialien relativ große thermische Ausdehnungskoeffizienten, so dass durch die Erwärmung während des Betriebs der Projektionsbelichtungsanlage Verformungen auftreten, wenn nicht geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden. Bei diesen Gegenmaßnahmen kann es sich insbesondere um Kühlsysteme für die betreffenden Spiegel handeln. In Betracht kommt jedoch auch, die Verformung der betreffenden Spiegel zuzulassen und die daraus resultierenden Abbildungsfehler auf andere Weise zu korrigieren. Ist der betreffende Spiegel beispielsweise in oder in der Nähe einer Pupillenebene des Projektionsobjektivs angeordnet, so lassen sich Verformungen relativ gut kompensieren, wenn ein anderer Spiegel, der ebenfalls in oder in der Nähe einer Pupillenebene angeordnet ist, als adaptiver Spiegel ausgebildet ist.
Eine andere Maßnahme, mit der eine geringere Anfälligkeit des Spiegelsubstrats des ersten Spiegels gegen Kompaktierung durch EUV-Licht erreicht werden kann, besteht darin, das Spiegelsubstrat vor der Bestrahlung mit EUV-Licht zu schützen, so dass EUV-Licht gar nicht erst in das Spiegelsubstrat eindringen kann. Zu diesem Zwecke weist nur der erste, nicht aber der zweite Spiegel eine zwischen dem Spiegelsubstrat und der reflektierenden Beschichtung angeordnete Schutzschicht auf, deren Transmissionsvermögen für das EUV-Licht kleiner ist als 50%, vorzugsweise kleiner ist als 10%, und weiter vorzugsweise kleiner ist als 1%.
Eine solche Schutzschicht, die z. B. aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen kann. und vorzugsweise eine Dicke von mehr als 20 nm hat, ist so auszulegen, dass in dem Material des Spiegelsubstrats keine hohen Energiedichten auftreten können, die nach einiger Zeit zu einer Kompaktierung führen würden. Durch diese Maßnahme wird somit ebenfalls erreicht, dass das Spiegelsubstrat des ersten Spiegels bei ansonsten gleicher Bestrahlung mit EUV-Licht weniger unter dem Einfluss des EUV-Lichts kompaktiert als das Spiegelsubstrat des zweiten Spiegels.
Beschrieben sind derartige Schutzschichten in einer Patentanmeldung mit dem Titel ”Spiegel für den EUV-Wellenlängenbereich, Projektionsobjektiv für die Mikrolithographie mit einem solchen Spiegel und Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem solchen Projektionsobjektiv”, die von der Anmelderin am 10.07.09 unter dem Aktenzeichen DE 10 2009 032 779.7 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht wurde.
Falls das Projektionsobjektiv mehrere erste Spiegel enthält, so können selbstverständlich auch unterschiedliche Maßnahmen für die ersten Spiegel ergriffen werden, um die Anfälligkeit gegen Kompaktierung herabzusetzen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen EUV-Projektionsbelichtungsanlage, das eine Maske auf eine lichtempfindliche Schicht abbildet, in einer perspektivischen schematischen Darstellung;
2 einen Meridionalschnitt durch die optischen Komponenten des in der 1 gezeigten Projektionsobjektivs;
3 einen Schnitt durch einen der Spiegel des in den 1 und 2 gezeigten Projektionsobjektivs;
4 einen Schnitt durch einen anderen Spiegel des in den 1 und 2 gezeigten Projektionsobjektivs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
5 einen Schnitt durch einen anderen Spiegel des in den 1 und 2 gezeigten Projektionsobjektivs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In der 1 ist ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen EUV-Projektionsbelichtungsanlage schematisch mit einem quaderförmigen Gehäuse dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Das Projektionsobjektiv 10 dient dazu, reflektierende Strukturen, die auf einer Maske 12 angeordnet sind, auf eine lichtempfindliche Schicht 14 zu übertragen. Die lichtempfindliche Schicht, bei der es sich meist um einen Photolack (engl. resist) handeln wird, befindet sich auf einem Wafer 16 oder einem anderen Substrat.
Zur Übertragung der Strukturen auf die lichtempfindliche Schicht wird die Maske 12 von einer in der 1 nicht dargestellten Beleuchtungseinrichtung mit EUV-Licht beleuchtet, dessen Mittenwellenlänge im dargestellten Ausführungsbeispiel 13,5 nm beträgt und das eine spektrale Halbwertsbreite von etwa 1% hat, so dass der größte Teil des EUV-Lichts Wellenlängen zwischen 13,36 nm und 13,64 nm hat. Das Beleuchtungssystem leuchtet auf der Unterseite der Maske 12 ein Feld 18 aus, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Geometrie eines Ringsegments hat. Die Symmetrieachse dieses Ringsegments fällt dabei mit einer optischen Achse 20 des Projektionsobjektivs 10 zusammen, bezüglich der die im Projektionsobjektiv 10 enthaltenen Spiegel (abgesehen von Aus- und Durchbrüchen) rotationssymmetrisch sind.
Diejenigen reflektierenden Strukturen, die innerhalb des ausgeleuchteten Felds 18 liegen, werden von dem Projektionsobjektiv 10 zu einem gegebenen Zeitpunkt auf die lichtempfindliche Schicht 14 abgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt das Projektionsobjektiv 10 ein verkleinertes Bild 22 der Strukturen, die auf der Maske 12 im Feld 18 ausgeleuchtet werden.
Von jedem Punkt im ausgeleuchteten Feld 18, das sich in einer Objektebene des Projektionsobjektivs 10 befindet, gehen Lichtbündel aus, die das Projektionsobjektiv 10 durchtreten. Diese Lichtbündel konvergieren auf konjugierten Feldpunkten in einer Bildebene des Projektionsobjektivs 10, in der die lichtempfindliche Schicht 14 angeordnet ist. Für einen einzelnen Punkt in der Mitte des ausgeleuchteten Felds 18 ist ein solches Lichtbündel schematisch angedeutet und mit 24 bezeichnet. Der Öffnungswinkel des Lichtbündels 24 beim Eintritt in das Projektionsobjektiv 10 ist dabei ein Maß für dessen numerische Apertur NA. Infolge der verkleinerten Abbildung ist die bildseitige numerische Apertur NA des Projektionsobjektivs 10 um den Kehrwert des Abbildungsmaßstabs vergrößert.
Das Projektionsobjektiv 10 ist für einen Scanbetrieb ausgelegt, bei dem die Maske 12 während der Belichtung der lichtempfindlichen Schicht 14 synchron mit dem Wafer 16 verfahren wird. Diese Verfahrbewegungen der Maske 12 und des Wafers 16 sind in der 1 mit Pfeilen 25, 26 angedeutet; die Geschwindigkeiten, mit denen die Maske 12 und der Wafer 16 verfahren werden, sind dabei durch den Abbildungsmaßstab des Projektionsobjektivs 10 vorgegeben. Das ausgeleuchtete Feld 18 überstreicht somit während einer Belichtung in der Art eines Scanvorgangs die Maske 12, wodurch auch größere zusammenhängende Strukturbereiche auf die lichtempfindliche Schicht 14 übertragen werden können.
In der 2 sind die wichtigsten optischen Komponenten des Projektionsobjektivs 10 in einem Meridionalschnitt gezeigt. Zwischen der bei 28 angedeuteten Objektebene und der bei 30 angedeuteten Bildebene sind insgesamt 6 Spiegel S1 bis S6 entlang der optischen Achse 20 angeordnet. Ein von einem Punkt 32 in der Objektebene 28 ausgehendes EUV-Lichtbündel 24 trifft zuerst auf den konkaven ersten Spiegel S1, wird zurück auf den konkaven zweiten Spiegel S2 reflektiert, trifft auf den konvexen dritten Spiegel S3, wird zurück auf den konkaven vierten Spiegel S4 reflektiert, und trifft dann auf den konvexen fünften Spiegel S5, der das EUV-Licht zurück auf den konkaven sechsten Spiegel S6 richtet. Dieser fokussiert das EUV-Lichtbündel 24 in einen konjugierten Bildpunkt 34 in der Bildebene 30.
In der 2 sind die Spiegel S1 bis S6 als vollständige rotationssymmetrische Spiegel dargestellt. Wie man unschwer erkennen kann, lässt sich mit solchen vollständigen Spiegeln der vorstehend beschriebene Strahlengang nicht realisieren, da die Spiegel S1 bis S6 den Lichtweg teilweise blockieren. In dem Projektionsobjektiv 10 sind deswegen nur diejenigen Teile der Spiegel S1 bis S6 tatsächlich vorhanden, auf die EUV-Licht auftrifft. Eine Besonderheit liegt beim sechsten Spiegel S6 vor, denn dieser weist in der Nähe der optischen Achse 20 eine Öffnung 36 auf, durch welche das vom vierten Spiegel S4 reflektierte EUV-Licht den sechsten Spiegel S6 durchtreten und auf den fünften Spiegel S5 fallen kann.
Das Projektionsobjektiv 10 weist eine Aperturblende 40 auf, die in einer Pupillenebene angeordnet ist, die sich zwischen dem fünften Spiegel S5 und dem sechsten Spiegel S6 befindet. Eine Pupillenebene zeichnet sich dadurch aus, dass dort der mit 42 angedeutete und punktiert dargestellte Hauptstrahl des Lichtbündels 24 die optische Achse 20 schneidet. In einer weiteren Pupillenebene ist eine Abschattungsblende 44 angeordnet, welche eine definierte Abschattung der Pupille in dem Bereich herbeiführt, welcher der Öffnung 36 im sechsten Spiegel S6 entspricht. Auf diese Weise wird eine feldunabhängige Abschattung erreicht.
Insoweit entspricht das Projektionsobjektiv 10 dem Projektionsobjektiv, das in der 17 der WO 2006/069725 der Anmelderin gezeigt ist. Der Beschreibung zu dem in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiel können weitere Einzelheiten zum Projektionsobjektiv 10 einschließlich der optischen Daten wie Radien, Abstände und Asphärenkonstanten entnommen werden.
Im Unterschied zu diesem bekannten Projektionsobjektiv sind bei dem in der 2 gezeigten Projektionsobjektiv 10 jedoch die Spiegel S1 und S3 anders aufgebaut als die übrigen Spiegel S2 sowie S4 bis S6.
Im Folgenden wird zunächst der Aufbau dieser übrigen Spiegel S2 sowie S4 bis S6 am Beispiel des Spiegels S2 anhand des in der 3 ausschnittsweise gezeigten Schnitts erläutert. Der Spiegel S2 weist ein Spiegelsubstrat 46 auf, das im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Zerodur^® besteht. Dabei handelt es sich um ein Material auf der Basis von Quarzglas, das bei der sich später im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage einstellenden Temperatur einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sehr niedrig ist oder sogar vollständig verschwindet. Kommt es zu kleineren Temperaturschwankungen um diese Betriebstemperatur herum, so verändert das Spiegelsubstrat 46 deswegen seine Form nicht oder nur geringfügig.
Auf einer polierten Oberfläche 48 des Spiegelsubstrats 46 ist eine reflektierende Beschichtung 50 aufgebracht, die eine Vielzahl von dünnen Doppelschichten 52 umfasst. Die Dicke, die Materialien und die Abfolge der Doppelschichten 52 sind dabei so gewählt, dass ein möglichst hoher Anteil des auf die Beschichtung auftreffenden EUV-Lichts 54 reflektiert wird. Für die Betriebswellenlänge von 13,5 nm liegt dieser Anteil des reflektierenden Lichts bei rund 70%. Der nicht reflektierte Anteil des EUV-Lichts der Betriebswellenlänge 13,5 nm wird von der Beschichtung 50 praktisch vollständig absorbiert und in Wärme umgewandelt. Diese Wärme fließt in das Spiegelsubstrat 46 ab und führt dort zu einer Temperaturerhöhung, die aber, wie vorstehend erläutert, keine oder lediglich eine geringfügige Verformung des Spiegelsubstrats 46 hervorruft.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass EUV-Licht außerhalb der Betriebswellenlänge zu einem gewissen Prozentsatz die reflektierende Beschichtung 50 durchtritt und in das glasbasierte Spiegelsubstrat 46 eindringt. Dort kann das EUV-Licht eine Kompaktierung des Materials verursachen, die meist zu einer die Abbildungseigenschaften beeinträchtigenden Oberflächendeformation des Spiegelsubstrats führt. Studien haben ergeben, dass sich die Oberflächendeformation des Spiegelsubstrats 46 (gemessen in nm) in etwa proportional zur Wurzel der im Laufe der Zeit akkumulierten Energiedichte entwickelt. Speziell für typische reflektierende Beschichtungen 50 mit beispielsweise 40 Doppelschichten aus Molybdän und Silizium und einer Laserplasmaquelle ergibt sich ein Proportionalitätsfaktor zwischen der Oberflächendeformation und der Wurzel der akkumulierten Energiedichte, der etwa 0.25 beträgt. Daraus lässt sich ableiten, dass eine maximal noch erlaubte Oberflächendeformation von beispielsweise 0.1 nm des Spiegelsubstrats 46 nicht überschritten wird, wenn während der gesamten Lebensdauer des Projektionsadjektivs 10 die Gesamtdosis unterhalb von 0,16 J/mm² bleibt. Bei den Spiegeln S2 sowie S4 bis S6 ist dies der Fall, weswegen etwaige Oberflächendeformationen infolge einer Kompaktierung des Spiegelsubstrats 46 toleriert werden können.
Bei den Spiegeln S1 und S3 hingegen läge die Gesamtdosis während der Lebensdauer oberhalb des vorstehend angegebenen Grenzwerts von 0.16 J/mm². Deswegen wäre die Kompaktierung des Spiegelsubstrats bei diesen Spiegeln so groß, dass die damit einhergehenden Oberflächendeformationen voraussichtlich nicht mehr tolerierbar wären.
Um eine untolerierbare Oberflächendeformation infolge Kompaktierung zu verhindern, sind der erste Spiegel S1 und der dritte Spiegel S3 des Projektionsobjektivs 10 anders aufgebaut:
Ein möglicher Aufbau für diese beiden Spiegel S1 und S3 ist in der 4 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht der grundsätzliche Aufbau genau demjenigen, der vorstehend mit Bezug auf die 3 für die Spiegel S2 sowie S4 bis S6 beschrieben wurde. Im Unterschied dazu ist jedoch zwischen dem Spiegelsubstrat 46 und der reflektierenden Beschichtung 50 eine Schutzschicht 56 angeordnet, die das auftreffende EUV-Licht praktisch vollständig absorbiert. Die Schutzschicht 56 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Metall oder einer Metalllegierung und hat hier eine Dicke von 50 nm. Wegen der absorbierenden Schutzschicht 56 kann kein EUV-Licht 54 oder allenfalls ein vernachlässigbarer Teil davon in das Spiegelsubstrat 46 eindringen und dort eine Kompaktierung hervorrufen.
Die 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, wie eine geringere Anfälligkeit gegen Kompaktierung des Spiegelsubstrats durch EUV-Licht erreicht werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Spiegelsubstrat 146 aus einem nicht kompaktierbaren Material, z. B. Silizium, Siliziumkarbid, SiSiC, einem Metall oder einer Metalllegierung. Um die Polierbarkeit derartiger Materialien zu verbessern, ist auf der Oberfläche 48 des Spiegelsubstrats 146 eine zusätzliche Schicht 58 aus amorphem Quarzglas oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufgebracht, wie dies an sich für Spiegelsubstrate aus derartigen Materialien aus der US 6,453,005 B2 bekannt ist.
Da diese nicht kompaktierenden Materialien für das Spiegelsubstrat 146 jedoch einen relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, müssen Maßnahmen getroffen werden, damit Temperaturveränderungen nicht zu einer untolerierbaren Verformung des Spiegelsubstrats 146 führen. In Betracht kommen hier insbesondere Kühlsysteme, welche die in der Beschichtung 50 und im Spiegelsubstrat 146 durch Absorption von EUV-Licht erzeugte Wärme schnell abführen. Alternativ oder zusätzlich können Korrekturmaßnahmen im Projektionsobjektiv durchgeführt werden, mit denen sich Abbildungsfehler, die durch die Verformung des Spiegelsubstrats 146 hervorgerufen werden, korrigieren lassen.
Aus den vorausgegangenen Erläuterungen dürfte deutlich geworden sein, dass zusätzliche, mit Kosten verbundene Maßnahmen ergriffen werden müssen, damit die Spiegelsubstrate der Spiegel S1 und S3 nicht kompaktieren. Deswegen sollten diese Maßnahmen nur bei den Spiegeln ergriffen werden, bei denen tatsächlich die Gefahr besteht, dass es während der Lebensdauer des Projektionsobjektivs 10 zu untolerierbaren Oberflächendeformationen als Folge einer Kompaktierung kommt. Wie bereits erläutert, kommt es dabei entscheidend auf die Gesamtdosis an EUV-Licht an, die von den Spiegelsubstraten während der Lebensdauer des Projektionsobjektivs 10 verkraftet werden muss. Es zeigt sich, dass diese Gesamtdosis vor allem von zwei Faktoren abhängt:
Zum einen kommt es darauf an, wie viel Licht einen bestimmten Spiegel überhaupt noch erreicht. Diese Lichtmenge hängt vor allem von der verwendeten Strahlungsquelle und ferner davon ab, wie viel Licht von den vorausgehenden Spiegeln bereits absorbiert wurde.
Zum anderen hängt die Strahlungsdosis, der ein Volumenelement eines Spiegelsubstrats während der Lebensdauer des Projektionsobjektivs 20 ausgesetzt ist, von der Größe der Fläche ab, die auf dem betreffenden Spiegel bestrahlt wird. Ein Maß hierfür ist der mittlere Subaperturdurchmesser für den betreffenden Spiegel. Jedem Feldpunkt kann für jeden Spiegel S1 bis S6 ein Subaperturdurchmesser zugeordnet werden, der gleich ist dem (im Falle von nicht kreisrunden Subaperturen größten) Durchmesser, mit dem ein Lichtbündel, das von dem Feldpunkt ausgeht, auf den betreffenden Spiegel trifft. In der 2 ist für den Feldpunkt 32 der Subaperturdurchmesser jeweils durch den Abstand zwischen den Randstrahlen des Lichtbündels 24 auf den einzelnen Spiegelflächen gegeben. Bei einem bestimmten Spiegel sind die Subaperturdurchmesser nicht für alle Feldpunkte gleich, weswegen es günstig ist, von einem über alle Feldpunkt arithmetisch gemittelten Subaperturdurchmesser SA_i auszugehen. Da sich die Subaperturen der einzelnen Feldpunkte je nach Stellung des Spiegels innerhalb des Projektionsobjektivs mehr oder weniger überlappen, stellt der mittlere Subaperturdurchmesser ein geeignetes Maß für die Intensität des auf den betrachteten Spiegel auftreffenden EUV-Lichts dar.
Mit diesen Größen lässt sich für jeden Spiegel S_i ein Schwellenwert SA_th,i für den mittleren Subaperturdurchmesser angeben, der durch die Gleichung (1) gegeben ist: SA_th,i = k·0.6^(i-1)/2 (1)

Dabei ist k ein Schwellenwertfaktor mit der Einheit [mm], dessen Wert zwischen 50 und 200 liegen kann und der u. a. in Abhängigkeit von der Stärke der verwendeten EUV-Lichtquelle festgelegt ist. Liegt für einen bestimmten Spiegel S_i dessen mittlerer Subaperturdurchmesser SA_i unterhalb des für diesen Spiegel geltenden Schwellenwertes SA_th,i, so ist dieser Spiegel gefährdet, sich durch Kompaktierung zu stark zu deformieren, so dass deswegen die anhand der 3 und 4 erläuterten Maßnahmen ergriffen werden sollten. Liegt der mittlere Subaperturdurchmesser SA_i hingegen oberhalb des für diesen Spiegel geltenden Schwellenwertes SA_tn,i, so kann der Spiegel in der herkömmlichen, anhand der 3 erläuterten Weise aufgebaut sein.

Spiegel	Anteil des Lichts	Subaperturdurchmesser [mm]	Subaperturschwellenwert [mm] mit k = 100 mm	Gefährdet
S1	100%	85	100	Ja
S2	77%	140	77	Nein
S3	60%	45	60	Ja
S4	46%	126	46	Nein
S5	36%	283	36	Nein
S6	28%	675	28	Nein

Tabelle 1

In der Tabelle 1 sind für die Spiegel S1 bis S6 die Schwellenwerte SA_th,i für die Spiegel S1 bis S6 aufgetragen und den sich jeweils für diese Spiegel ergebenden mittleren Subaperturdurchmessern gegenübergestellt. Der Schwellenwertfaktor k wurde dabei zu k = 100 mm festgesetzt. Wie man erkennt, unterschreitet nur bei den Spiegeln S1 und S3 der Subaperturdurchmesser den für diesen Spiegel geltenden Schwellenwert.
Daher sind nur bei den Spiegeln S1 und S3 die oben erläuterten zusätzlichen Maßnahmen zu ergreifen, um untolerierbare Oberflächendeformationen infolge von Kompaktierung des Spiegelsubstrats 46 während der Lebensdauer des Projektionsobjektivs 10 zu vermeiden.

In der Tabelle 2 sind die entsprechenden Zahlen für das Projektionsobjektiv 10 aufgeführt, wobei jedoch der Schwellenwertfaktor k von 100 mm auf 200 mm erhöht wurde. Dies trägt einer hypothetischen Annahme Rechnung, dass eine doppelt so leistungsstarke Lichtquelle verwendet wird. Wie sich zeigt, sollten dann auch bei dem zweiten Spiegel S2 zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um die Anfälligkeit gegen Kompaktierung herabzusetzen.

Spiegel	Anteil des Lichts	Subaperturdurchmesser [mm]	Subaperturschwellenwert [mm] mit k = 200 mm	Gefährdet
S1	100%	85	200	Ja
S2	77%	140	155	Ja
S3	60%	45	120	Ja
S4	46%	126	93	Nein
S5	36%	283	72	Nein
S6	28%	675	56	Nein

Tabelle 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7477355 B2 [0007]
US 7557902 B2 [0008]
US 6453005 B2 [0027, 0028, 0055]
DE 102009032779 [0032]
WO 2006/069725 [0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Davis et. al. mit dem Titel ”Compaction effects of radiation on Zerodur®”, Proceedings of the SPIE, volume 5179, Seiten 38–49 (2003) [0014]
P. L. Hegby et al. mit dem Titel ”Radiation Effects on the Physical Properties of Low-Expansion-Coefficient Glasses and Ceramics”, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 71 No. 9 (1988), Seiten 796 bis 802 [0014]
P. Z. Takacs et al. mit dem Titel ”X-Ray Induced Damage Observations in Zerodur Mirrors”, Proc. SPIE 3152 (1997), Seiten 77 bis 85 [0015]

Claims

Projektionsobjektiv für eine mikrolithographische EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit einem ersten Spiegel (S1, S3) und mit einem zweiten Spiegel (S2, S4 bis S6), wobei der erste und der zweite Spiegel jeweils ein Spiegelsubstrat (46; 146) und eine davon getragene reflektierende Beschichtung (50) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel und der zweite Spiegel derart ausgebildet sind, dass das Spiegelsubstrat (46; 146) des ersten Spiegels (S1, S3) bei ansonsten gleicher Bestrahlung mit EUV-Licht weniger unter dem Einfluss des EUV-Lichts kompaktiert als das Spiegelsubstrat (46) des zweiten Spiegels (S2, S4 bis S6).
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionsobjektiv mindestens 4 in Lichtausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete Spiegel (S1 bis S6) enthält, und dass mindestens ein Spiegel (S1, S3) der in Lichtausbreitungsrichtung ersten drei Spiegel (S1 bis S3) ein erster Spiegel und mindestens ein Spiegel (S2, S4 bis S6) der in Lichtausbreitungsrichtung letzten drei Spiegel (S4 bis S6) ein zweiter Spiegel ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Projektionsobjektiv (10) insgesamt M Spiegel S₁, S₂, ..., S_M hintereinander angeordnet sind, von denen m Spiegel erste Spiegel (S1, S3) und n = M – m zweite Spiegel (S2, S4 bis S6) sind, wobei a) für die m ersten Spiegel gilt: SA_i < k·0.6^(i-1)/2 und wobei b) für die n zweiten Spiegel gilt: SA_i ≥ k·0.6^(i-1)/2 wobei SA_i der mittlere Subaperturdurchmesser für den i-ten Spiegel M_i und k ein Schwellenwertfaktor zwischen 50 mm und 200 mm ist, der in Abhängigkeit von der Stärke einer EUV-Lichtquelle der Projektionsbelichtungsanlage festgelegt ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für k die Ungleichung 80 < k < 150 gilt.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für k die Gleichung k = 100 gilt.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (146) des ersten Spiegels (S1, S3) aus einem ersten Material besteht, das bei ansonsten gleicher Bestrahlung mit EUV-Licht weniger unter dem Einfluss des EUV-Lichts kompaktiert als ein zweites Material, aus dem das Spiegelsubstrat (46) des zweiten Spiegels (S2, S4 bis S6) besteht.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Silizium, Siliziumcarbid, SiSiC, ein Metall oder eine Metalllegierung ist.
Projektionsobjektiv nach 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (S1, S3) eine zwischen dem Spiegelsubstrat (46) und der reflektierenden Beschichtung (50) angeordnete Schicht (58) aus SiO₂ oder Al₂O₃ aufweist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur der erste Spiegel (S1, S3) eine zwischen dem Spiegelsubstrat (46) und der reflektierenden Beschichtung (50) angeordnete Schutzschicht (56) aufweist, deren Transmissionsvermögen für das EUV-Licht kleiner ist als 50%.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (56) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.