DE102010003446A1

DE102010003446A1 - Reflektives optisches Element, Beleuchtungssystem und Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE102010003446A1
Application number: DE102010003446A
Authority: DE
Inventors: Damian Fiolka; Johannes Ruoff
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Für den Einsatz in Beleuchtungssystemen und Projektionsbelichtungsanlagen für die UV- bzw. EUV-Lithographie wird ein reflektives optisches Element für eine Arbeitswellenlänge im ultravioletten bis extrem ultravioletten Wellenlängenbereich vorgeschlagen, das eine reflektive Fläche (9) mit einem Viellagensystem (27) aus mindestens zwei alternierenden Materialien (21, 22) mit unterschiedlichem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge aufweist, wobei das Viellagensystem (27) über die reflektive Fläche (9) Abschnitte (27a–d) aufweist, in denen Lagen (21, 22) gleichen Materials einen unterschiedlichen Abstand (d_a, d_b, D_a, D_d) zum Substrat (25) aufweisen, wobei der Abstand (p) zwischen zwei gleichen Abschnitten (27a), in denen Lagen (21, 22) gleichen Materials einen gleichen Abstand (d_a, D_a) zum Substrat (25) aufweisen, so gewählt ist, dass bei der Arbeitswellenlängen die Strahlen (201, 202) einer oder mehrerer Beugungsordnungen konstruktiv interferieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein reflektives optisches Element für eine Arbeitswellenlänge im ultravioletten bis extrem ultravioletten Wellenlängenbereich, das eine reflektive Fläche mit einem Viellagensystem aus mindestens zwei alternierenden Materialien mit unterschiedlichem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf Beleuchtungssysteme sowie Projektionsbelichtungsanlagen, die bei einer Arbeitswellenlänge im ultravioletten oder extrem ultravioletten Wellenlängenbereich betrieben werden, mit derartigen reflektiven optischen Elementen.
Um bei der Produktion von Halbleiterbauelementen mit lithographischen Methoden immer feinere Strukturen erzeugen zu können, wird mit immer kurzwelligerem Licht gearbeitet. Arbeitet man im extremen ultravioletten (EUV) Wellenlängenbereich, etwa insbesondere bei Wellenlängen zwischen ca. 5 nm und 20 nm, lässt sich nicht mehr mit linsenartigen Elementen in Transmission arbeiten, sondern werden Beleuchtungs- und Projektionsobjektive oder auch Masken aus reflektiven optischen Elementen mit an die jeweilige Arbeitswellenlänge angepassten Reflexbeschichtungen auf der Grundlage von Viellagensystemen aufgebaut. Auch im ultravioletten Wellenlängenbereich kann mit reflektiven optischen Elementen auf Grundlage von Viellagensystemen gearbeitet werden.
Bei Viellagensystemen handelt es sich um alternierend aufgebrachte Lagen eines Materials mit höherem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge (auch Spacer genannt) und eines Materials mit niedrigerem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge (auch Absorber genannte), wobei ein Absorber-Spacer-Paar einen Stapel bildet. Dadurch wird in gewisser Weise ein Kristall simuliert, dessen Netzebenen den Absorberlagen entsprechen, an denen Bragg-Reflexion stattfindet. Die Dicken der einzelnen Lagen wie auch der sich wiederholenden Stapel können über das gesamte Viellagensystem konstant sein oder auch variieren, je nach dem, welches Reflexionsprofil erreicht werden soll.
Insbesondere bei Beleuchtungssystemen für Wellenlängen kleiner 100 nm besteht das Problem, dass häufig die Lichtquelle derartiger Beleuchtungssysteme Strahlung emittiert, die Wellenlängen aufweist, die außerhalb des Wellenlängenbandes liegen, für die das Beleuchtungssystem bzw. die Projektionsbelichtungsanlage, in der das Beleuchtungssystem eingesetzt ist, ausgelegt ist. Diese elektromagnetische Strahlung, die außerhalb des Arbeitswellenlängenbandes liegt, kann zu einer unerwünschten Belichtung des lichtsensitiven Objektes in der Waferebene der Projektionsbelichtungsvorrichtung führen. Außerdem kann es die optischen Komponenten soweit erwärmen, dass durch Verformung der optischen Komponenten Abbildungsfehler entstehen und/oder die Reflektivität beispielsweise von Viellagenspiegeln, die sehr häufig bei Wellenlängen im Bereich von 5 bis 20 nm eingesetzt werden, beeinträchtigt wird. Erschwerend kommt hinzu, dass Viellagenspiegel nicht nur bestimmte EUV-Wellenlängen, für die sie optimiert wurden, mit höherer Reflektivität reflektieren, sondern oft auch benachbarte Wellenlängen, insbesondere ab etwa 130 nm und mehr. Daher kann es vorkommen, dass elektromagnetische Strahlung aus dem tief ultravioletten (DUV) Wellenlängenbereich (insbesondere ca. 130 nm bis 330 nm) bzw. aus dem ultravioletten (UV) Bereich, dem sichtbaren (VIS) und dem Infrarotbereich (IR) durch das gesamte Beleuchtungssystem bzw. durch die gesamte Projektionsbelichtungsanlage geführt wird, was zu Fehlbelichtungen führen kann.
Um nicht benötigte bzw. störende Wellenlängenbereiche aus dem Spektrum der Strahlungsquelle zu entfernen, können Spektralfilter, beispielsweise basierend auf Gitterstrukturen eingesetzt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, reflektive optische Elemente, insbesondere für den Einsatz in der UV- bzw. EUV-Lithographie, dahingehend weiterzuentwickeln, dass sie zusätzlich die Funktion eines Spektralfilters übernehmen können.
In einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein reflektives optisches Element für eine Arbeitswellenlänge im ultravioletten bis extrem ultravioletten Wellenlängenbereich, das eine reflektive Fläche mit einem Viellagensystem aus mindestens zwei alternierenden Materialien mit unterschiedlichem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge aufweist, wobei das Viellagensystem über die reflektive Fläche Abschnitte aufweist, in denen Lagen gleichen Materials einen unterschiedlichen Abstand zum Substrat aufweisen, wobei der Abstand zwischen zwei gleichen Abschnitten, in denen Lagen gleichen Materials einen gleichen Abstand zum Substrat aufweisen, so gewählt ist, dass bei der Arbeitswellenlängen die Strahlen einer oder mehrerer Beugungsordnungen konstruktiv interferieren.
Es hat sich herausgestellt, dass sich der Phasensprung, der an den einzelnen Lagengrenzen zwischen Materialien mit unterschiedlichem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge bzw. an der Lagengrenze zum Vakuum bei der Reflexion auftritt, für konstruktive oder destruktive Interferenz der Teilstrahlen, die an Lagengrenzen reflektiert werden, ausgenutzt werden kann. Über die Wahl des Abstandes der Lagen gleichen Materials zum Substrat in verschiedenen Abschnitten und ggf. den Abstand verschiedener Abschnitte zueinander, kann Einfluss darauf genommen werden, welche Teilstrahlen bei welchen Wellenlängen und Winkeln miteinander konstruktiv oder destruktiv interferieren. Insbesondere können darüber auch Wellenlängenbereiche, die an den einzelnen Lagen des Viellagensystems reflektiert werden, von Wellenlängenbereichen getrennt werden, die nur an der Lagengrenze zum Vakuum reflektiert werden. Indem unterschiedliche Teilstrahlen in verschiedene Raumwinkel reflektiert werden oder in verschiedene Ebenen fokussiert werden, können die ungewollten Teilstrahlen von Teilstrahlen mit Arbeitswellenlänge beispielsweise durch Blenden oder Lichtfallen getrennt und am weiteren Eindringen in ein Beleuchtungssystem oder eine Projektionsbelichtungsanlage, in der sich das reflektive optische Element befinden kann, gehindert werden.
Da der Aufbau des Viellagensystems, insbesondere die Wahl der Materialien, die Abfolge und die Dicke der Lagen sowie die Periodizität der Lagenabfolge auf die Arbeitswellenlänge, bei der es sich um einen engeren Wellenlängenbereich handeln kann, und meist auch einen bestimmten Einfallswinkel bzw. Einfallswinkelbereich abgestimmt ist, lässt sich besonders gut über die unterschiedlichen Abschnitte darauf Einfluss nehmen, welche Teilstrahlen bei der Arbeitswellenlänge und dem Einfallswinkel konstruktiv oder destruktiv interferieren sollen.
Das hier vorgeschlagene reflektive optische Element lässt sich mit herkömmlichen Herstellungsverfahren herstellen, die lediglich dahingehend angepasst werden, dass zumindest die jeweils erste Materiallage auf dem Substrat abschnittsweise aufgebracht wird, um für jeden Abschnitt den gewünschten Abstand der weiteren Lagen zum Substrat zu erhalten.
Bevorzugt ist der Abstand zwischen zwei gleichen Abschnitten so gewählt, dass bei der Arbeitswellenlänge die Strahlen der ungeraden Beugungsordnungen konstruktiv interferieren. Dies führt dazu, dass bei der Arbeitswellenlänge insbesondere die Strahlen der nullten Beugungsordnung unterdrückt werden können, während insbesondere die Strahlen der ersten bzw. minus ersten Beugungsordnung verstärkt werden können. Sowohl die Teilstrahlen der Wellenlängen, für die das Viellagensystem nicht optimiert sind, als auch die Teilstrahlen der Arbeitswellenlänge, insbesondere mit höheren Wellenlängen, die in der nullten Ordnung am Viellagensystem gebeugt werden, werden in einen übereinstimmenden Raumwinkel abgelenkt, während die Teilstrahlen der Arbeitswellenlänge, die in höheren Ordnungen am Viellagensystem gebeugt werden, in davon abweichende Raumwinkel abgelenkt werden. Dies kann vorteilhaft zur spektralen Trennung genutzt werden, indem die Abschnitte derart dimensioniert werden, dass die Teilstrahlen der Arbeitswellenlänge der nullten und geraden Beugungsordnungen destruktiv interferieren, so dass die Strahlung, die in den entsprechenden Raumwinkel abgelenkt wird, aus dem Beleuchtungssystem oder der Projektionsbelichtungsanlage, in der das reflektive optische Element eingesetzt ist, entfernt werden kann und mit den Teilstrahlen der Arbeitswellenlänge der höheren ungeraden Beugungsordnungen gearbeitet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des reflektiven optischen Elements weist es zwei Arten alternierend angeordneter Abschnitte auf. In dem man Perioden aus jeweils zwei Abschnitten vorsieht, kann die Herstellung mit besonders geringem zusätzlichem Aufwand verglichen mit herkömmlichen reflektiven optischen Elementen durchgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist es drei oder mehr Arten periodisch angeordneter Abschnitte auf. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Abschnitte innerhalb einer Periode derart angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Abstände von Lagen gleichen Materials zum Substrat über eine Periode sukzessive zunehmen bzw. abnehmen. Dadurch lässt sich innerhalb des Viellagensystems eine Struktur erhalten, die analog einem Blazegitter ist. Blazegitter sind für jeweils eine bestimmte Wellenlänge sehr effizient. Sie weisen eine periodische Sägezahn- oder Dreiecksstruktur auf, wobei über eine Gitterperiode hinweg eine optische Wegdifferenz induziert wird, die einem Vielfachen der bestimmten Wellenlänge entspricht. Vorzugsweise sind die Abschnitte derart dimensioniert, dass die optische Wegdifferenz einem Vielfachen der Arbeitswellenlänge entspricht. Besonders bevorzugt handelt es sich um ganzzahlige Vielfache der Arbeitwellenlänge, um eine konstruktive Interferenz der ersten bzw. minus ersten Beugungsordnung zu erhalten. Entsprechend ist die maximale Differenz des Abstands zweier Lagen gleichen Materials zum Substrat ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches der Arbeitswellenlänge. Diese Dimensionierung hat gleichzeitig insbesondere eine destruktive Interferenz der nullten Beugungsordnung zur Folge. Die Teilstrahlen der Arbeitswellenlänge werden dadurch in eine andere Richtung als die übrigen Teilstrahlen anderer Wellenlängen abgelenkt. Dabei ist die erste Beugungsordnung bevorzugt, um eine dennoch möglichst hohe Reflektivität bei der Arbeitswellenlänge zu erhalten
Die Periodenlänge kann über die gesamte reflektive Fläche konstant sein oder auch variieren. Die Abschnitte mit unterschiedlichem Substratabstand können beliebig angeordnet sein. Sie können als lineare Abfolge in eine Richtung angeordnet sein oder in zwei Richtungen so dass sich eine Art Schachbrettmuster ergibt. Die Anordnung kann insbesondere im Hinblick auf Eigenschaften des auftreffenden Strahls, der Geometrie des reflektiven optischen Element und des Verlaufs der reflektiven Fläche sowie in Hinblick auf die gewünschten Eigenschaften des resultierenden Arbeitswellenstrahls gewählt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Anordnung der Abschnitte eine kreisförmige oder elliptische Geometrie auf. Dadurch lässt sich eine fokussierende Wirkung erzielen, insbesondere in Kombination mit einer gekrümmten Ausführung der reflektiven Fläche des reflektiven optischen Elements. Elliptische Geometrien können dabei von Vorteil sein, wenn der resultierende Arbeitswellenstrahl nicht auf eine zu kleine Fläche fokussiert werden soll, damit im Strahlgang folgende reflektive optische Elemente ggf. nicht einer zu hohen Strahlungsintensität und damit Wärmelast ausgesetzt werden.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist das optische Element als Kollektorspiegel ausgebildet. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die spektrale Trennung möglichst früh im Strahlengang durchzuführen, um die Wärmelast auf den einzelnen Spiegeln eines Beleuchtungssystems bzw. einer Projektionsbelichtungsanlage möglichst gering zu halten und unerwünschte Wellenlängenbereiche, die zu einer Fehlbelichtung führen könnte, möglichst effizient aus dem System herausfiltern zu können.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage, die mit einer Wellenlänge im ultravioletten oder extrem ultravioletten Wellenlängenbereich betrieben wird, mit einem oder mehreren solchen reflektiven optischen Elementen. Derartige Beleuchtungssysteme weisen bei ihrem Einsatz in der Lithographie den Vorteil auf, dass sie wegen ihrer guten spektralen Trennung der Strahlung im Arbeitswellenlängenbereich von der übrigen Strahlung Abbildungsfehler aufgrund thermischer Verformungen einzelner Spiegel oder durch unbeabsichtigte Belichtung mit Wellenlängen außerhalb des Arbeitswellenlängenbereich deutlich reduziert sind und gleichzeitig der Aufwand für die Ausstattung des Beleuchtungssystems mit den hier beschriebenen optischen Elementen wegen deren relativ einfacher Herstellung gegenüber der Ausstattung mit bisher bekannten Elementen mit Spektralfilterfunktion geringer sind. Insbesondere können die Beleuchtungssysteme platzsparender ausgelegt werden, da die hier vorgeschlagenen reflektiven optischen Elemente auch die Funktion eines Spektralfilters übernehmen und auf dedizierte Spektralfilter verzichtet werden können.
In bevorzugten Ausführungsformen weist das Beleuchtungssystem eine Blende auf, die in Strahlrichtung hinter dem reflektiven optischen Element angeordnet ist, wobei die Blende derart angeordnet ist, dass Strahlen, die vom reflektiven optischen Element unter einem Winkel abgelenkt werden, der gleich dem Quotienten aus Arbeitswellenlänge durch Abstand zweier gleicher Abschnitte ist, abgelenkt werden, durch die Blende durchtreten. Dies erlaubt eine effiziente spektrale Trennung der Teilstrahlen der Arbeitswellenlänge bestimmter Beugugnsordnungen, bevorzugt der ersten bzw. minus ersten Beugungsordnung von Teilstrahlen anderer Wellenlängen, insbesondere von Wellenlängen, die größer als die Arbeitswellenlänge sind und primär an der Oberfläche der reflektiven Fläche des reflektiven optischen Elements reflektierte werden. Dabei ist die Intensität der Teilstrahlen der Arbeitswellenlänge, die zur Nutzung im Beleuchtungssystem zur Verfügung stehen, insbesondere der ersten bzw. minus ersten Beugungsordung besonders hoch, da nach der nullten Beugungsordnung die erste bzw. minus ersten Beugungsordnung die höchste Intensität aufweist.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Projektionsbelichtungsanlage, die mit einer Wellenlänge im ultravioletten oder extrem ultravioletten Wellenlängenbereich betrieben wird und ein reflektives optisches Element wie vorgeschlagen aufweist.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 schematisch eine erste Ausführungsform des reflektiven optischen Elements mit Spektralfilterwirkung;
2a–c schematisch verschiedene Varianten eine Viellagensystems;
3a, b schematisch zwei weitere Ausführungsformen des reflektiven optischen Elements mit Spektralfilterwirkung;
4a, c Daten zur relativen Effizienz der Ablenkung von Strahlung an einem reflektiven optischen Element entsprechend der Ausführungsform aus 3a;
5 schematisch eine Ausführungsform eines Beleuchtungssystems für eine Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Lithographie mit einem reflektiven optischen Element mit Spektralfilterfunktion;
6 schematisch eine Ausführungsform einer Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Lithographie mit einem reflektiven optischen Element mit Spektralfilterfunktion; und
7a, b schematisch eine weitere Ausführungsform des reflektiven optischen Elements mit Spektralfilterfunktion und eine entsprechende Blendenanordnung.
In 1 ist beispielhaft eine Ausführungsform des reflektiven optischen Elementes 1 schematisch dargestellt, bei dem das reflektive optische Element 1 als Kollektorspiegel für eine Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Lithographie ausgebildet ist. Der Kollektor 1 ist um eine Lichtquelle angeordnet, die von einem Plasmatröpfchen 2 gebildet wird, die von einem Infrarotlaser 3 angeregt wird. Um im EUV-Wellenlängenbereich Wellenlängen im Bereich um beispielsweise 13,5 nm zu erhalten, kann z. B. Zinn mittels eines bei einer Wellenlänge von 10,6 μm arbeitenden Kohlendioxidlasers zu einem Plasma angeregt werden. Anstelle eines Kohlendioxidlasers können beispielsweise auch Festkörperlaser eingesetzt werden. Das Plasma emittiert neben der Strahlung 8 im EUV-Wellenlängenbereich auch langwelligere Strahlung 7, beispielsweise im UV-Wellenlängenbereich, insbesondere im DUV-Wellenlängenbereich. Über den Infrarotlaser 3 wird außerdem in höherem Maße Infrarotstrahlung 6 in das System eingetragen.
Der Kollektor 1 weist auf seiner Innenfläche eine reflektive Fläche 9 auf, die in einem Viellagensystem 27 ausgebildet ist, wie in auch in den 2a–c im Detail dargestellt ist. Die 2a–c zeigen beispielhaft die reflektive Fläche 9 auf einem Substrat 25 eines reflektiven optischen Elements für den ultravioletten oder insbesondere den extrem ultravioletten Wellenlängenbereich, insbesondere zur Verwendung in EUV-Lithographievorrichtungen, z. B. als Spiegel des Projektions- oder Beleuchtungssystems oder auch als Photomaske. 2a zeigt schematisch die übergeordnete Struktur des Viellagensystems 27. Das Viellagensystem 27 ist im vorliegenden Beispiel durch sukzessives Beschichten eines Substrats 25 mit unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes hergestellt worden. Außerdem wurde auf das Viellagensystem 27 zusätzlich eine Schutzschicht 26 zum Schutz vor äußeren Einflüssen wie Kontamination aufgebracht, die aus mehreren unterschiedlichen Materiallagen aufgebaut sein kann.
Das Viellagensystem 27 besteht im Wesentlichen aus sich vielfach wiederholenden Stapeln 20, deren Struktur für verschiedene bevorzugte Ausführungsformen schematisch in den 2b– c dargestellt ist. Die wesentlichen Lagen eines Stapel 20, die insbesondere durch die vielfache Wiederholung der Stapel 20 zu hinreichend hoher Reflexion bei einer Arbeitswellenlänge führen, sind die so genannten Spacerlagen 22 aus Material mit einem höheren Realteil des Brechungsindex und die so genannten Absorberlagen 21 aus einem Material mit einem niedrigeren Realteil des Brechungsindex. Dadurch wird gewissermaßen ein Kristall simuliert, wobei die Absorberlagen 21 den Netzebenen innerhalb des Kristalls entsprechen, die einen durch die jeweiligen Spacerlagen 22 definierten Abstand zueinander haben und an denen Reflexion von einfallender ultravioletter oder insbesondere extrem ultravioletter Strahlung stattfindet. Die Dicken der Lagen werden derart gewählt, dass bei einer bestimmten Arbeitswellenlänge die an jeder Absorberlage 21 reflektierte Strahlung sich konstruktiv überlagert, um somit eine hohe Reflektivität des reflektiven optischen Elements zu erreichen.
Beispielsweise kann man in der EUV-Lithographie bei Wellenlängen zwischen 12 nm und 15 nm arbeiten. In diesem Wellenlängenbereich lassen sich besonders hohe Reflektivitäten mit Viellagensystemen auf der Basis von zum Beispiel Molybdän als Absorbermaterial und Silizium als Spacermaterial erhalten. Beispielsweise sind bei einer Wellenlänge von 13,5 nm theoretisch Reflektivitäten im Bereich von über 75% möglich. Dabei verwendet man oft 50 bis 60 Stapel einer Dicke von ca. 7 nm und einem Verhältnis von Absorberlagendicke zu Stapeldicke von ca. 0,4. Dem Fachmann sind eine Vielzahl von weiteren im EUV-Wellenlängenbereich hoch reflektiven Viellagensystemen bekannt.
Bei realen Viellagensystemen, zum Beispiel auf der Basis von Molybdän und Silizium bildet sich allerdings an den Lagengrenzen eine Mischlage aus beispielsweise Molybdänsilizid aus, die zu einer deutlichen Verringerung der maximal erreichbaren Reflektivität führt. Um der Verschlechterung der optischen Eigenschaften entgegenzuwirken, wird entsprechend dem in 2b dargestellten Beispiel vorgeschlagen, am Übergang von Absorber 21 zu Spacer 22 eine zusätzliche Zwischenlage 23 vorzusehen. Im vorliegenden, in 2c dargestellten Beispiel sind sowohl an Grenzflächen von Spacer 22 auf Absorber 21 Zwischenlagen 23 als auch an Grenzflächen von Absorber 21 auf Spacer 22 eine Zwischenlage 24 vorgesehen, um die thermodynamische und thermische Stabilität des Viellagensystems zu erhöhen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Dicken der einzelnen Lagen 21, 22, 23, 24 wie auch der sich wiederholenden Stapel 20 über das gesamte Viellagensystem konstant sein oder auch variieren können, insbesondere abschnittsweise, je nach dem, welches Reflexionsprofil erreicht werden soll. Insbesondere können Viellagensysteme für bestimmte Wellenlängen optimiert werden, bei denen die maximale Reflektivität und/oder die reflektierte Bandbreite größer als bei anderen Wellenlängen ist. Bei Strahlung dieser Wellenlänge wird das entsprechende reflektive optische Element 1 z. B. bei der EUV-Lithographie eingesetzt, weshalb diese Wellenlänge, für die das reflektive optische Element 1 optimiert wurde, auch Arbeitswellenlänge genannt wird.
Bei den hier vorgeschlagenen reflektiven optischen Elementen werden die Viellagensysteme der reflektiven Flächen dahingehend modifiziert, dass sie in Abschnitte unterteilt werden, bei denen Lagen gleichen Materials unterschiedliche Abstände zum Substrat aufweisen, wobei der Abstand zwischen zwei gleichen Abschnitten, in denen Lagen gleichen Materials einen gleichen Abstand zum Substrat aufweisen, so gewählt ist, dass bei der Arbeitswellenlängen die Strahlen einer oder mehrerer Beugungsordnungen konstruktiv interferieren. Beispiele für mögliche Ausführungsformen sind schematisch in den 3a, b dargestellt. Auf einem Substrat 25 sind Viellagensysteme mit verschiedenen Abschnitten 27a, b (3a) bzw. 27a–d (3b) aufgebracht. Dabei sind in den hier dargestellten Beispielen die Abfolge von Spacer 22 und Absorber 21 und ihre jeweiligen Dicken in allen Abschnitten 27a, b bzw. 27a–d gleich. Sie sind lediglich in Richtung z senkrecht zur Oberfläche des Substrats 25, die sich in x- und y-Richtung erstreckt, von Abschnitt zu Abschnitt gegeneinander verschoben, so dass sich unterschiedliche Abstände von Lagen gleichen Materials zum Substrat 25 ergeben. Dies ist in 3a für die vom Substrat 25 am weitesten entfernte Spacerlage 22 und in 3b für die vom Substrat 25 am weitesten entfernten Absorberlage 21 exemplarisch eingezeichnet. Die Spacerlage 22 hat in Abschnitt 27a einen Abstand d_a vom Substrat 25 und in Abschnitt 27b einen Abstand d_b, der geringer ist als d_a (3a). Die Absorberlage 21 hat in Abschnitt 27a einen Abstand D_a vom Substrat 25 und in Abschnitt 27d einen Abstand D_d, der größer ist als D_a (3b). In den Abschnitten 27b, d der Ausführungsform gemäß 3b liegt der entsprechende Abstand zwischen D_a und D_d. Insgesamt wächst der Abstand von D_a auf D_d von Abschnitt zu Abschnitt sukzessive an.
Die Abschnitte 27a, b bzw. 27a–d sind in periodisch wiederkehrender Folge mit einer Periode p angeordnet. Im hier dargestellten Beispiel haben alle Abschnitte eines Viellagensystems eine gleiche Breite und ist die Periode p über das gesamte Viellagensystem konstant. In anderen Ausführungsformen kann die Periode und/oder die Breite von Abschnitten über die Fläche in eine erste und/oder eine zweite Richtung variieren – je nach Anforderungen an die Eigenschaften des am reflektiven optischen Element abgelenkten Strahl sowie je nach Eigenschaften und sonstigen Funktionen des reflektiven optischen Elements.
Die Abschnitte 27a–d mit unterschiedlichen Lagenabständen d_a, d_b, D_a, D_d zum Substrat 25 können dazu genutzt werden, den Phasensprung im Viellagensystem 27 bei der Reflexion an den Lagengrenzen zwischen optisch dünnerem Material, dem Absorber 21 mit Realteil n1 des komplexen Brechungsindex, und optisch dickerem Material, dem Spacer 22 mit Realteil n2 des komplexen Brechungsindex, von einer halben Wellenlänge dazu auszunutzen, die reflektierte Strahlung beispielsweise in der nullten Beugungsordnung zu unterdrücken. So hat relativ zum einfallenden Strahl 200 der an der Absorberlage 21 reflektierte Strahl 201 eine Phase von 2·d1·n1, wobei d1 die Dicke der Absorberlage ist. Relativ zum einfallenden Strahl 300 hat der an der Spacerlage 22 reflektierte Strahl 301 eine Phase von 2·d2·n2 + 180°, wobei d2 die Dicke der Spacerlage ist. Um die nullte Beugungsordnung zu unterdrücken, sind die Dicken d1 und d2 so gewählt, dass d1·n1 = d2·n2 gilt. Dadurch beträgt der Phasenunterschied zwischen den reflektierten Strahlen 201 und 301 180°, was der halben Wellenlänge entspricht. Daher überlagern sich die Strahlen 201 und 301 im Fernfeld destruktiv. Analog dazu weisen der reflektierte Strahl 202 eine Phase zum einfallenden Strahl 200 von 2·d1·n1 + 2·d2·n2 + 180° und der reflektierte Strahl 302 zum einfallenden Strahl 300 von 2·d1·n1 + 2·d2·n2, so dass diese beiden reflektierten Strahlen 202, 302 einen Phasenunterschied zueinander von –180° haben und ebenfalls destruktiv interferieren.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Betrachtungen zur Wahl der Lagendicken d1, d2 die Absorption innerhalb des Viellagensystems 27 nicht berücksichtigen. Bei tatsächlichen reflektiven optischen Elementen, deren Viellagensystem für eine hohe Reflektivität bei der Arbeitswellenlänge optimiert sind, wird der Quotient aus d1·n1/d2·n2 in vielen Fällen ungleich 1 und eher größer 1 sein.
Über die Periode p, dem Abstand zwischen zwei gleichen Abschnitten, in denen Lagen gleichen Materials einen gleichen Abstand zum Substrat aufweisen, lässt sich der Ablenkwinkel für die nicht unterdrückten Beugungsordnungen bestimmen. Beispielsweise für die erste bzw. minus erste Beugungsordnung entspricht der Ablenkwinkel dem Quotienten aus Wellenlänge durch Periode. Geht man z. B. von einem für eine Wellenlänge von 13.6 nm optimierten Viellagensystem auf der Basis von Molybdän als Absorbermaterial und Silizium als Spacermaterial und einem gewünschten Ablenkwinkel von 10 mrad aus, sollte die Periode von Abschnitten mit unterschiedlichem Substratabstand 1 μm betragen. Die Teilstrahlen mit längeren Wellenlängen als die Arbeitswellenlänge, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich werden geometrisch an der Grenzfläche zum Vakuum reflektiert und daher unter einem anderen Winkel abgelenkt, so dass hinter dem reflektiven optischen Element die Teilstrahlen der ersten bzw. minus ersten Beugungsordnung bei der Arbeitswellenlänge von den Teilstrahlen anderer Wellenlängen bzw. anderer Beugungsordnungen bei der Arbeitswellenlänge räumlich getrennt. Dies erlaubt ein Entfernen der unerwünschten Teilstrahlen mit Hilfe von Blenden oder Lichtfallen.
Diese Überlegungen gelten entsprechend auch bei mehr als zwei unterschiedlichen Abschnitten, wie beispielsweise in 3b dargestellt. Durch die sukzessiv anwachsenden Abstände wird in der in 3b dargestellten Ausführungsform eine Sägezahnstruktur analog einem Blazegitter angenähert, wodurch die Effizienz für die Reflexion nur einer bestimmten Beugungsordnung, bevorzugt der ersten bzw. minus ersten Beugungsordnung, um eine möglichst hohe Intensität im Arbeitswellenlängenstrahl zu erreichen, gegenüber einem Viellagensystem mit nur zwei alternierenden Abschnitten mit unterschiedlichem Substratabstand erhöht wird.
In den 4a–c sind Beispieldaten für ein Viellagensystem der in 3a dargestellten Struktur angegeben. In 4a ist zum Vergleich die Reflektivität eines herkömmlichen Viellagensystems aus 50 Stapeln aus Silizium- und Molybdänlagen ohne Abschnitte mit unterschiedlichem Substratabstand dargestellt, das für eine Arbeitswellenlänge von 13,5 nm bei senkrechtem Einfall optimiert ist. Dem gegenübergestellt ist in 4b die relative Effizienz des Anteils der Summe aus erster und minus erster Beugungsordnung bei einem Viellagensystem mit zwei periodisch angeordneten Abschnitten mit unterschiedlichem Substratabstand. Das Viellagensystem ist für eine Arbeitswellenlänge von 13.5 nm bei senkrechtem Einfall optimiert. Dazu hat es 50 Stapel aus Siliziumlagen einer Dicke von 2,9 nm und Molybdänlagen einer Dicke von 4,0 nm. Die Periode der Abfolge der Abschnitte 27a und 27b beträgt 1 μm. Das Viellagensystem wurde unter Berücksichtigung der Absorption in den einzelnen Lagen für eine maximale Reflektivität bei der Arbeitswellenlänge optimiert. Unter Annahme von n1 = 0,92 und n2 = 1,00 beträgt das Verhältnis von n1·d1 zu n2·d2 1,27 und liegt damit etwas über dem Wert von 1 bei Vernachlässigung der Absorption in den einzelnen Lagen. Bezogen die Werte aus 4b sind auf den in 4a dargestellten Maximalwert von 75,5%. Bis zu einem Einfallswinkel von knapp 30° zur Flächennormalen lässt sich eine sehr hohe relative Effizienz und damit Reflektivität erreichen.
In 4c ist die relative Effizienz bezogen auf ebenfalls die maximale Reflektivität des herkömmlichen reflektiven Elements von 75,7% für die einzelnen Beugungsordnungen aufgetragen. Insbesondere werden für die nullte Beugungsordnung eine Unterdrückung auf eine relative Effizienz von 8,2% erreicht, während für die erste und minus erste Beugungsordnung jeweils relative Effizienzen von 37,1% erreicht werden.
In 5 ist der bereits in Verbindung mit 1 beschriebene Kollektor 1 als Teil eines Beleuchtungssystems 11 dargestellt, das Teil einer Projektionsbelichtungsvorrichtung für die EUV-Lithographie ist. Auf den bereits beschriebenen Kollektor 1 folgen nach der Blende 5 am Zwischenfokus 4 ein Feldfacettenspiegel 16 mit einzelnen Facetten 18 und ein Pupillenfacettenspiegel 17 mit einzelnen Facetten 19 mit. Bevor die Strahlen auf das in y-Richtung abzuscannende Retikel 12 mit der auf einen Wafer zu projizierenden Struktur trifft, wird sie noch von einem Faltspiegel 13 umgelenkt. Der Faltspiegel 13 hat weniger optische Funktion, er dient vielmehr dazu, den Platzbedarf des Beleuchtungssystems 11 zu optimieren.
Der Ablenkungswinkel für die erste Beugungsordnung der EUV-Strahlung 8 bei der Arbeitswellenlänge ist über die Periode der Abschnitte mit unterschiedlichem Substratabstand derart gewählt, dass der Zwischenfokus 4 der EUV-Strahlung 8 vor dem Fokus der Infrarotstrahlung 6 liegt. Daher lässt sich die Infrarotstrahlung 6 mittels der Blende 5 ausblenden.
In 6 ist in einer Prinzipansicht eine Projektionsbelichtungsanlage 100 für die Herstellung von beispielsweise mikroelektronischen Bauteilen gezeigt, die in einem Scanmodus entlang einer Scanrichtung 126 mit einer Arbeitswellenlänge im EUV-Bereich betrieben wird und die ein oder mehrere reflektive optische Elemente mit Spektralfilterfunktion aufweisen kann. Im hier dargestellten Beispiel ist ein solches reflektives optisches Element vorgesehen, das wie in den vorangegangenen Beispielen als Kollektorspiegel 110 ausgebildet ist.
Die in 6 gezeigte Projektionsbelichtungsanlage 100 weist eine punktförmige Plasmastrahlungsquelle auf. Die Strahlung der Laserquelle 102 wird über eine Kondensorlinse 104 auf geeignetes Material gerichtet, das über die Zufuhr 108 eingeleitet wird und zu einem Plasma 106 angeregt wird. Die vom Plasma 106 emittierte Strahlung wird vom Kollektorspiegel 110 auf den Zwischenfokus Z abgebildet. Durch die Struktur des Viellagensystems der Kollektoroberfläche wird erreicht, dass der Fokuspunkt der EUV-Strahlung 8 räumlich getrennt wird von den Fokuspunkten für die Strahlung anderer Wellenlängen. Durch entsprechende Blenden 111 am Zwischenfokus Z wird gewährleistet, dass im Wesentlichen nur noch die EUV-Strahlung im gewünschten Arbeitswellenlängenband auf die nachfolgenden Spiegeln 112, 114, 116, 118, 120 des Beleuchtungssystems der Projektionsbelichtungsanlage 100 trifft. Der Planspiegel 122 dient zur Faltung des Systems, um Bauräume für mechanische und elektronische Komponenten in der Objektebene, in der die Halterung für das Retikel 124 angeordnet ist, zur Verfügung zu stellen. Im Beleuchtungssystem folgen im vorliegenden Beispiel auf den Spiegel 112 ein Feldfacettenspiegel 114 und ein Pupillenfacettenspiegel 116. Die anschließend angeordneten Spiegel 118 und 120 dienen im Wesentlichen dazu, das Feld in der Objektebene zu formen. In der Objektebene ist ein strukturiertes Retikel 124 angeordnet, dessen Struktur mittels eines Projektionsobjektivs 128 mit im vorliegenden Beispiel sechs Spiegeln auf das zu belichtende Objekt 130, etwa einen Wafer abgebildet wird. Das Retikel 124 ist in der hier als Scanning-System ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage 100 in die eingezeichnete Richtung 126 verfahrbar und wird sukzessive abschnittsweise ausgeleuchtet, um die jeweiligen Strukturen des Retikels 124 mit dem Projektionsobjektiv entsprechend auf beispielsweise einen Wafer 130 zu projizieren.
Es sei darauf hingewiesen, dass nicht nur der Kollektorspiegel 110, sondern auch im Strahlgang dahinter angeordnete reflektive optische Elemente mit einem in Abschnitte unterschiedlichen Substratabstand unterteiltes Viellagensystem als reflektiver Fläche ausgestattet sein können. Beispielsweise können solche Viellagensysteme auf den Facetten des Feldfacettenspiegels 114 angeordnet sein und entsprechend die Facetten des Pupillenfacettenspiegels 116 derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie die gewollten Beugungsordnungen der Arbeitswellenlänge reflektieren, während die ungewollten Wellenlängen und Beugungsordnungen u. a. durch Blendenanordnungen und Lichtfallen aus dem Strahlengang entfernt werden. Bevorzugt werden reflektive optische Elemente mit der hier vorgeschlagenen Unterteilung des Viellagensystems in Abschnitte mit unterschiedlichem Substratabstand ausgestattet, die sich möglichst umfassend durch Blendenelement u. ä. von den im Strahlgang folgenden reflektiven optischen Elementen abtrennen lassen, um möglichst gut die Streustrahlung, die an dem hier vorgeschlagenen reflektiven optischen Element entstehen kann, aus dem Strahlgang zu entfernen.
Die Abschnitte mit unterschiedlichem Substratabstand können in beliebigen Geometrien in der reflektiven Fläche angeordnet sein. So können sie u. a. etwa in einer Richtung quasi als Streifenmuster oder in zwei Richtungen als eine Art Schachbrett- oder Rautenmuster angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann die Gestalt des reflektiven optischen Elements und der Verlauf seiner reflektiven Fläche berücksichtigt werden wie auch gewünschte Eigenschaften des abgelenkten Strahls, wie etwa Intensität und Gestalt des Querschnitts auf nachfolgenden reflektiven optischen Element u. ä.. Insbesondere für den Einsatz im EUV-Wellenlängenbereich liegt die Größenordnung der Periode der Abschnittsanordnung bevorzugt im Bereich von etwa einem 1 μm.
In 7a ist ein Beispiel für eine mögliche Anordnung der Abschnitte bei einem als Kollektorspiegel ausgebildeten reflektiven optischen Element dargestellt. In 7a ist ein Kollektorspiegel 70 von vorne schematisch dargestellt. Der Kollektorspiegel 70 ist rotationssymmetrisch und zu einer Art Schale geformt, in die in 7a hineingeschaut wird. Der Kollektorspiegel 70 weist in seiner Mitte eine Öffnung 71 auf, durch die Laserstrahlung zur Anregung eines Plasmas im Inneren des Kollektorspiegels 70 hindurchtreten kann. Angepasst an den rotationssymmetrisch gekrümmten Verlauf der reflektiven Fläche im Inneren des Kollektorspiegels sind auch die im hier dargestellten Beispiel zwei Abschnitte 74a, b des Viellagensystems mit unterschiedlichem Substratabstand nicht nur in x-Richtung oder in y-Richtung alternierend angeordnet, sondern radialsymmetrisch in x- und y-Richtung, so das die einzelnen Abschnitte 74a, b die Form von Kreisringen haben.
In 7b ist die Situation am Zwischenfokus nach dem Kollektorspiegel 70 schematisch dargestellt. Im Zwischenfokus ist hier eine Ringblende 76a mit einem Mittelstück 76b und einer ringförmigen Ausnehmung 77. Die Ringblende 76a, b ist derart angeordnet, dass der Ring 78 der in diesem Beispiel ersten bzw. minus ersten Beugungsordnung der Arbeitswellenlänge durch die Ausnehmung 77 durchtreten kann und die Anteile des Strahls mit höheren Wellenlängen bzw. dem restlichen Anteil der nullten Beugungsordnung der Arbeitswellenlänge im Kreis 79 vom Mittelstück 76b abgeschattet werden und dadurch aus dem Strahlgang entfernt werden. Aufgrund der Auslegung des hier gezeigten Kollektorspiegels 70 mit zwei alternierenden Abschnitten 74a, b können sich weitere Ringe von höheren Beugungsordnungen der Arbeitswellenlänge bilden, die hier nicht dargestellt sind und von der Ringblende 76a ebenfalls abgeschattet werden würden. Bei der Verwendung von drei oder mehr periodisch angeordneten Abschnitten könnten die höheren Beugungsordnungen ebenfalls unterdrückt werden.
In einer Variante des in 7a dargestellten Kollektors 70 könnten die Abschnitte 74a, b statt einer kreisförmigen Geometrie eine elliptische Geometrie aufweisen. Dies würde zu einer elliptischen Form des Strahlbündels der ersten bzw. minus ersten Beugungsordnung der Arbeitswellenlänge und damit einer größeren ausgeleuchteten Fläche führen und damit geringerer Intensität auf nachfolgenden reflektiven optischen Elementen führen. Dieser Effekt würde noch dadurch verstärkt, dass bei einem Abweichen von der kreisförmigen Symmetrie auch die Strahlbündel der ersten und der minus ersten Beugungsordnung auseinanderfallen können, wodurch die ausgeleuchtete Fläche weiter vergrößert wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die hier erläuterten Beispiele sich überwiegend auf als Kollektorspiegel für Beleuchtungssysteme für Projektionsbelichtungsanlagen für die EUV-Lithographie ausgebildete reflektive optische Elemente beziehen. Die Erläuterungen lassen sich aber genauso auf andere reflektive optische Elemente von Projektionsbelichtungsanlagen übertragen. Dabei kann das reflektive optische Element wie hier vorgeschlagen auch außerhalb des Belichtungssystems angeordnet sein und für Arbeitswellenlängen außerhalb des EUV-Bereichs ausgelegt sein.
Bezugszeichenliste

1: optisches Element
2: Plasma
3: Laser
4: Zwischenfokus
5: Blende
6: Infrarotstrahlung
7: UV-Strahlung
8: EUV-Strahlung
9: reflektive Fläche
11: Beleuchtungssystem
12: Retikel
13: Faltspiegel
16: Feldfacettenspiegel
17: Pupillenfacettenspiegel
18: Facette
19: Facette
20: Stapel
21: Absorber
22: Spacer
23: Zwischenlage
24: Zwischenlage
25: Substrat
26: Schutzschicht
27: Viellagensystem
27a–d: Abschnitte
70: Kollektorspiegel
72: Öffnung
74a, b: Abschnitte
76a: Ringblende
76b: Mittelstück
77: Ringöffnung
78: Ring
79: Kreis
100: Projektionsbelichtungsanlage
102: Laserquelle
104: Kondensorlinse
106: Plasma
108: Zufuhr
110: Kollektorspiegel
111: Blende
112: Spiegel
114: Feldfacettenspiegel
116: Pupillenfacettenspiegel
118: Spiegel
120: Spiegel
122: Planspiegel
124: Retikel
126: Scanrichtung
128: Projektionsobjektiv
130: Wafer
200: einfallender Strahl
201: reflektierter Strahl
202: reflektierter Strahl
300: einfallender Strahl
301: reflektierter Strahl
302: reflektierter Strahl
p: Periode
da: Abstand
db: Abstand
Da: Abstand
Dd: Abstand
x: Richtung
y: Richtung
z: Richtung

Claims

Reflektives optisches Element für eine Arbeitswellenlänge im ultravioletten bis extrem ultravioletten Wellenlängenbereich, das auf einem Substrat eine reflektive Fläche mit einem Viellagensystem aus mindestens zwei alternierenden Materialien mit unterschiedlichem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Viellagensystem (27) über die reflektive Fläche (9) Abschnitte (27a–d) aufweist, in denen Lagen (21, 22) gleichen Materials einen unterschiedlichen Abstand (d_a, d_b, D_a, D_d) zum Substrat (25) aufweisen, wobei der Abstand (p) zwischen zwei gleichen Abschnitten (27a), in denen Lagen (21, 22) gleichen Materials einen gleichen Abstand (d_a, D_a) zum Substrat (25) aufweisen, so gewählt ist, dass bei der Arbeitswellenlängen die Strahlen (201, 202) einer oder mehrerer Beugungsordnungen konstruktiv interferieren.
Reflektives optisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei gleichen Abschnitten (27a) so gewählt ist, dass bei der Arbeitswellenlänge die Strahlen (201, 202) der ungeraden Beugungsordnungen konstruktiv interferieren.
Reflektives optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Arten alternierend angeordneter Abschnitte (27a, b) aufweist.
Reflektives optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es drei oder mehr Arten periodisch angeordneter Abschnitte (27a–d) aufweist.
Reflektives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Abschnitte (74a, b) eine kreisförmige oder elliptische Geometrie aufweist.
Reflektives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es als Kollektorspiegel (1, 70, 110) ausgebildet ist.
Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage, die mit einer Wellenlänge im ultravioletten oder extrem ultravioletten Wellenlängenbereich betrieben wird, mit einem reflektiven optischen Element (1, 70, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 7 mit einer Blende, die in Strahlrichtung hinter dem reflektiven optischen Element angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (76a, b) derart angeordnet ist, dass Strahlen (78), die vom reflektiven optischen Element unter einem Winkel abgelenkt werden, der gleich dem Quotienten aus Arbeitswellenlänge durch Abstand (p) zweier gleicher Abschnitte (27a) ist, abgelenkt werden, durch die Blende (76a, b) durchtreten.
Projektionsbelichtungsanlage, die mit einer Wellenlänge im ultravioletten oder extrem ultravioletten Wellenlängenbereich betrieben wird, mit einem reflektiven optischen Element (1, 70, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.