DE102011079450A1

DE102011079450A1 - Optische Anordnung mit Degradationsunterdrückung

Info

Publication number: DE102011079450A1
Application number: DE102011079450A
Authority: DE
Inventors: Stefan-Wolfgang Schmidt; Dirk Heinrich Ehm; Markus Walter
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-01-24
Also published as: KR101972615B1; US9632436B2; JP2014521228A; US20140176921A1; JP6176740B2; KR20140041743A; WO2013010806A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung, insbesondere eine Projektionsbelichtungsanlage für dgssystem zur Erzeugung von Strahlung (6) bei einer Betriebswellenlänge, mindestens ein optisches Element (14), welches der Strahlung (6) ausgesetzt und in einer Restgasatmosphäre angeordnet ist, sowie eine Zuführungseinrichtung zum Zuführen mindestens eines gasförmigen Bestandteils in die Restgasatmosphäre, um eine durch die Strahlung induzierte Degradation der Oberfläche (14a) der optischen Elements (14) zu unterdrücken, wobei entweder ein Strahldurchmesser (d) der Strahlung (6) an der Oberfläche des optischen Elementes, insbesondere an den Oberflächen aller optischer Elemente der optischen Anordnung, oberhalb eines Schwellwerts (dc) liegt, bei dem eine Unterdrückung der Degradation durch den gasförmigen Bestandteil wirksam ist, oder der Strahldurchmesser (d) an der Oberfläche (14a) des optischen Elements (14) unterhalb des Schwellwerts (dc) liegt und dem optischen Element (14) mindestens eine weitere Einrichtung (25, 27) zur verbesserten Unterdrückung der Degradation der Oberfläche (14a) zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben einer optischen Anordnung.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung, insbesondere eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, speziell für die EUV-Lithographie, sowie ein Verfahren zum Betreiben der optischen Anordnung.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen dienen zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauelementen mittels eines photolithographischen Verfahrens. Dabei wird eine strukturtragende Maske, das sogenannte Retikel, mit Hilfe einer Projektionsoptik auf eine photosensitive Schicht abgebildet. Die minimale Strukturbreite, die mit Hilfe einer solchen Projektionsoptik abgebildet werden kann, wird bestimmt durch die Wellenlänge des verwendeten Abbildungslichtes. Je kleiner die Wellenlänge des verwendeten Abbildungslichtes ist, desto kleinere Strukturen können mit Hilfe der Projektionsoptik abgebildet werden. Heutzutage wird hauptsächlich Abbildungslicht mit der Wellenlänge 193 nm oder Abbildungslicht mit einer Wellenlänge im Bereich des extremen Ultraviolett (EUV), d. h. 5 nm–30 nm, verwendet. Bei der Verwendung von Abbildungslicht mit einer Wellenlänge von 193 nm kommen sowohl refraktive optische Elemente als auch reflektive optische Elemente innerhalb der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zum Einsatz. Bei Verwendung von Abbildungslicht mit einer Wellenlänge im EUV-Bereich werden ausschließlich reflektive optische Elemente (Spiegel) verwendet, welche typischer Weise unter Vakuum-Bedingungen betrieben werden.
Derartige Spiegel weisen ein Substrat aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine reflektive Beschichtung auf. Liegt die Wellenlänge des verwendeten Abbildungslichts im EUV-Bereich zwischen 5 nm und 30 nm, umfasst die reflektive Beschichtung typischer Weise Einzelschichten, die abwechselnd aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen. Im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage ist die reflektive Beschichtung EUV-Strahlung ausgesetzt, die eine chemische Reaktion der verwendeten Schichtmaterialien mit gasförmigen Stoffen begünstigt, die in der Restgasatmosphäre in der Projektionsbelichtungsanlage vorhanden sind.
Zum Schutz der Einzelschichten vor Degradation ist auf der reflektiven Beschichtung in diesem Fall typischer Weise eine Deckschicht aufgebracht, die beispielsweise aus Ruthenium bestehen kann. Aber auch an einer solchen Deckschicht kann eine Degradation – im Fall von Ruthenium eine Oxidation – durch eine chemische Reaktion mit in der Vakuumumgebung vorhandenem Restgas erfolgen, wobei die chemische Reaktion durch die EUV-Strahlung ausgelöst bzw. begünstigt wird. Eine Oxidation der Deckschicht beim Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage führt zu einer Verringerung der Reflektivität des jeweiligen Spiegels und somit zu einer Verringerung von dessen Lebensdauer.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Anordnung sowie ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, bei denen der Degradation von optischen Elementen im Betrieb wirksam entgegen gewirkt werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung, insbesondere eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, speziell für die EUV-Lithographie, umfassend: ein Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung von Strahlung bei einer Betriebswellenlänge, mindestens ein optisches Element, welches der Strahlung ausgesetzt und in einer Restgasatmosphäre angeordnet ist, sowie eine Zuführungseinrichtung zum Zuführen mindestens eines gasförmigen Bestandteils in die Restgasatmosphäre, um eine durch die Strahlung induzierte Degradation der Oberfläche der optischen Elementes zu unterdrücken, wobei entweder ein Strahldurchmesser der Strahlung an der Oberfläche des optischen Elementes, insbesondere an den Oberflächen aller optischer Elemente der Projektionsbelichtungsanlage, oberhalb eines Schwellwerts liegt, bei dem typischer Weise eine Unterdrückung der Degradation durch den gasförmigen Bestandteil noch wirksam ist, oder der Strahldurchmesser an der Oberfläche des optischen Elements unterhalb des Schwellwerts liegt und dem optischen Element mindestens eine weitere Einrichtung zur Verbesserung der Unterdrückung der Degradation der Oberfläche zugeordnet ist.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Effektivität der Unterdrückung der Degradation der Oberfläche eines optischen Elements mit Hilfe eines gasförmigen Bestandteils in der Restgasatmosphäre, in der das optische Element angeordnet ist, bei vorgegebener Leistungsdichte überraschender Weise vom Strahldurchmesser bzw. von der Größe des bestrahlten Bereichs auf dem optischen Element abhängig ist. Bei der Unterschreitung eines Schwellwerts des Strahldurchmessers kommt es hierbei zu einer signifikanten Verringerung der Effektivität bei der Degradationsunterdrückung.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, entweder das optische Design der optischen Anordnung so zu wählen, dass der Schwellwert des Strahldurchmessers zumindest auf den am stärksten von der Degradation betroffenen optischen Elementen (s. u.), ggf. bei allen optischen Elementen nicht unterschritten wird, oder zusätzliche Maßnahmen beim Betrieb der optischen Elemente vorzunehmen, welche es ermöglichen, die Effektivität der Degradationsunterdrückung zu steigern.
Bei einer Projektionsbelichtungsanlage wird typischer Weise das optische Design und damit der Strahlengang im Projektionssystem bereits bei der Herstellung der Anlage festgelegt und kann während des Betriebs nicht mehr verändert werden. Beim Beleuchtungssystem der Projektionsbelichtungsanlage ist es aber möglich, den Strahlengang und damit die Strahldurchmesser auf den optischen Elementen in gewissen Grenzen zu variieren. Das Beleuchtungssystem kann hierbei so ausgelegt werden, dass bei allen Beleuchtungseinstellungen der Schwellwert des Strahldurchmessers nicht unterschritten wird. Alternativ kann das Beleuchtungssystem so ausgelegt werden, dass es ggf. nur bei bestimmten Beleuchtungseinstellungen zu Unterschreitungen des Schwellwerts kommt, die dann während des Betriebs durch die weiteren Einrichtung(en) kompensiert werden können.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass der Schwellwert des Strahldurchmessers in der Regel zwischen ca. 1 mm und ca. 0,1 mm, insbesondere zwischen ca. 0,7 mm und ca. 0,3 mm liegt. Der genaue numerische Wert hängt hierbei von weiteren Parametern, z. B. vom Partialdruck des gasförmigen Bestandteils ab, welcher in die Projektionsbelichtungsanlage eingebracht wird. Der Schwellwert liegt aber auch bei Berücksichtigung dieser Parameter in der Regel nicht außerhalb des oben angegebenen Intervalls und ist insbesondere kleiner als 1 mm bzw. kleiner als 0,7 mm.
Bei einer Ausführungsform ist das mindestens eine optische Element Strahlung bei einer Leistungsdichte von mehr als 0,01 W/mm², insbesondere von mehr als 1 W/mm² ausgesetzt. Die Erfinder haben erkannt, dass das Problem der stark verminderten Effizienz der Degradationsunterdrückung bei Unterschreitung eines Schwellwerts des Strahldurchmessers typischer Weise erst oberhalb einer Schwelle der Leistungsdichte auftritt, die im Bereich der oben angegebenen Werte liegt. Optische Elemente, welche mit Leistungsdichten betrieben werden, die unter den oben angegebenen Werten liegen, können daher gegebenenfalls auch bei Strahldurchmessern betrieben werden, die unterhalb des Schwellwerts liegen, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Degradationsunterdrückung erforderlich sind.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführungseinrichtung ausgebildet, der Restgasatmosphäre Wasserstoff zuzuführen. In diesem Fall soll der Oxidation des Materials der Oberfläche des optischen Elements entgegen gewirkt werden, indem dieses in einer reduzierenden Restgasatmosphäre mit einem Wasserstoff-Anteil betrieben wird. Der Wasserstoff wird durch die Strahlung, insbesondere bei EUV-Wellenlängen, in der Nähe des optischen Elements aktiviert und beispielsweise in Wasserstoff-Radikale oder Wasserstoff-Ionen umgewandelt, welche mit dem Material an der Oberfläche des optischen Element reagieren, um die Oxidation rückgängig zu machen bzw. zu verhindern.
Um dies zu bewirken hat es sich als günstig erweisen, wenn der Wasserstoff-Partialdruck in der Restgasatmosphäre bei mindestens 1 × 10^–3 mbar liegt, ggf. auch darüber, beispielsweise bei 1 × 10^–2 mbar oder bei 5 × 10^–2 mbar. Handelt es sich bei dem Material an der Oberfläche des optischen Elements um ein Oxid-Material, kann selbstverständlich an Stelle eines reduzierenden Bestandteils (z. B. Wasserstoff) ein oxidierender Bestandteil (z. B. Sauerstoff) in die Restgasatmosphäre eingebracht werden, um einer Degradation (in diesem Fall: einer Reduktion) des Oxid-Materials an der Oberfläche entgegen wirken zu können.
Bei einer Ausführungsform ist die weitere Einrichtung eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des optischen Elements und damit der Oberfläche des optischen Elements. Durch eine Aufheizung der Oberfläche kann das Reaktionsgleichgewicht der chemischen Reaktionen an der Oberfläche zu Gunsten der Degradationsunterdrückung beeinflusst werden. Als Heizeinrichtungen können Heizdrähte, Peltier-Elemente etc. dienen. Es hat sich als günstig erwiesen, die Heizeinrichtung an der Unterseite des Substrats vorzusehen, um dieses vollflächig aufheizen zu können.
Hierbei kann die Heizeinrichtung zum Aufheizen der Oberfläche auf eine Temperatur von mehr als 30°C, ggf. von 100°C oder darüber ausgebildet sein. Bei diesen Temperaturen wird das Reaktionsgleichgewicht wirksam zu Gunsten der Degradationsunterdrückung verschoben.
In einer weiteren Ausführungsform ist die weitere Einrichtung ein Reinigungskopf, der zur Erzeugung eines auf die Oberfläche gerichteten Gasstroms ausgebildet ist. Derartige Reinigungsköpfe können verwendet werden, um Verunreinigungen von den Oberflächen optischer Elemente zu entfernen, wie dies beispielsweise in der WO 2009/059614 A1 der Anmelderin beschrieben ist, welcher durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Im vorliegenden Fall wird der Reinigungskopf auf den Bereich an der Oberfläche des optischen Elements ausgerichtet, an dem die Strahlung auf dieses auftrifft.
In einer Weiterbildung enthält der auf die Oberfläche gerichtete Gasstrom aktivierten Wasserstoff. Die Aktivierung des Wasserstoffs kann hierbei innerhalb des Reinigungskopfes erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines elektrischen Feldes, wie dies in der WO 2009/059614 A1 beschrieben ist, oder gegebenenfalls indem der (molekulare) Wasserstoff zur Aktivierung einem Heizdraht entlang geführt wird.
Es versteht sich, dass zusätzlich oder alternativ zu den beiden oben beschriebenen Maßnahmen (Zuführen eines Reinigungsgases bzw. Heizen der Oberfläche) auch weitere Maßnahmen durchgeführt werden können, um die Unterdrückung der Degradation der Oberfläche des optischen Elements zu verbessern, wenn der Strahldurchmesser unterhalb des Schwellwerts liegt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Anordnung, insbesondere einer Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Lithographie, bei der mindestens ein optisches Element in einer Restgasatmosphäre angeordnet und Strahlung bei einer Betriebswellenlänge ausgesetzt ist, das Verfahren umfassend: Zuführen mindestens eines gasförmigen Bestandteils in die Restgasatmosphäre zum Unterdrücken einer durch die Strahlung induzierten Degradation einer Oberfläche des optischen Elementes, wobei ein Strahldurchmesser an der Oberfläche des optischen Elements kleiner ist als ein Schwellwert, bei dem eine Unterdrückung der Degradation durch den gasförmigen Bestandteil wirksam erfolgen kann, sowie Durchführen mindestens einer weiteren Maßnahme zum Verstärken der Unterdrückung der Degradation der Oberfläche des optischen Elements.
Wie weiter oben dargestellt wurde, kann beim Betrieb der optischen Anlage der Strahldurchmesser an den optischen Elementen gegebenenfalls in Abhängigkeit von bestimmten Parametern variieren. Beispielsweise kann der Strahldurchmesser an den optischen Elementen eines Beleuchtungssystems von den jeweiligen Beleuchtungseinstellungen abhängen. Sofern die Beleuchtungseinstellungen so gewählt werden, dass der Schwellwert unterschritten ist, werden zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Effektivität der Degradationsunterdrückung durchgeführt. Es versteht sich, dass solche Maßnahmen an einzelnen optischen Elementen, gegebenenfalls an allen optischen Elementen der optischen Anordnung ggf. permanent durchgeführt werden sollten, während die optische Anordnung in Betrieb ist.
Der Schwellwert des Strahldurchmessers, bei dem die Degradationsunterdrückung ohne das Einleiten von weiteren Maßnahmen noch wirksam ist, hängt von weiteren Parametern wie z. B. dem Partialdruck des gasförmigen Bestandteils in der Restgasatmosphäre ab und schwankt daher in gewissen Grenzen, die typischer Weise zwischen ca. 1 mm und 0,1 mm liegen.
Wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit der optischen Anordnung beschrieben wurde, tritt eine deutliche Abnahme der Wirksamkeit der Degradationsunterdrückung bei kleinen Strahldurchmessern typischer Weise erst auf, wenn das optische Element Strahlung bei einer Leistungsdichte von mehr als 0,01 W/mm² ausgesetzt ist.
Bei einer Variante des oben beschriebenen Verfahrens liegt an der Oberfläche mindestens eines weiteren optischen Elements der Strahldurchmesser oberhalb des Schwellwerts und an dem optischen Element werden keine weiteren Maßnahmen zum Verstärken der Degradationsunterdrückung durchgeführt. Wie oben beschrieben wurde, kann auf Maßnahmen zum Verstärken der Degradationsunterdrückung in diesem Fall verzichtet werden.
Für eine wirksame Degradationsunterdrückung ist typischer Weise ein Mindest-Partialdruck des gasförmigen Bestandteils in der Restgasatmosphäre erforderlich, der in der Regel bei mindestens ca. 1 × 10^–3 mbar liegt und während des Betriebes – falls erforderlich – variiert werden kann.
In einer Variante umfassen die Maßnahmen zum Verstärken der Degradationsunterdrückung das Zuführen eines gerichteten Gasstroms zur Oberfläche des optischen Elements. Der gerichtete Gasstrom kann hierbei eine gasförmige Komponente enthalten, welcher mit dem gasförmigen Bestandteil übereinstimmt, der zur Kontaminationsunterdrückung in die Restgasatmosphäre eingebracht wurde. Die gasförmige Komponente des gerichteten Gasstroms kann auf andere Weise als durch EUV-Strahlung (z. B. durch Hitze etc.) aktiviert werden und hierbei beispielsweise in Ionen oder Radikale umgewandelt werden.
Bei einer weiteren Variante umfassen die Maßnahmen zum Verstärken der Degradationsunterdrückung das Aufheizen der Oberfläche des optischen Elements. Durch das Aufheizen kann die Wirkung der Degradationsunterdrückung ebenfalls verbessert werden, wobei sich Temperaturen von 30°C oder darüber an der Oberfläche als günstig erwiesen haben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Lithographie,
2 eine schematische Darstellung eines Spiegels der Projektionsbelichtungsanlage von 1, bei dem auftreffende EUV-Strahlung einen Strahldurchmesser oberhalb eines Schwellwerts aufweist,
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Spiegels, bei dem der Strahldurchmesser unterhalb des Schwellwerts liegt,
4 eine weitere Darstellung des Spiegels von 3 zur Veranschaulichung der Plasma-Bildung im Bereich der EUV-Strahlung, sowie
5 eine Darstellung von zwei Intensitätsverteilungen der EUV-Strahlung auf der optischen Oberfläche eines Spiegels, bei denen der Strahldurchmesser unterhalb bzw. oberhalb eines Schwellwerts liegt.
In 1 ist schematisch eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die EUV-Lithographie gezeigt. Die Projektionsbelichtungsanlage 1 weist ein Strahlerzeugungssystem 2, ein Beleuchtungssystem 3 und einem Projektionssystem 4 auf, die in separaten Vakuum-Gehäusen untergebracht und aufeinander folgend in einem von einer EUV-Lichtquelle 5 des Strahlformungssystems 2 ausgehenden Strahlengang 6 angeordnet sind. Als EUV-Lichtquelle 5 kann beispielsweise eine Plasmaquelle oder ein Synchrotron dienen. Die aus der Lichtquelle 5 austretende Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen ca. 5 nm und ca. 20 nm wird zunächst in einem Kollimator 7 gebündelt. Mit Hilfe eines nachfolgenden Monochromators 8 wird durch Variation des Einfallswinkels, wie durch einen Doppelpfeil angedeutet, die gewünschte Betriebswellenlänge λ_B herausgefiltert. Der Kollimator 7 und der Monochromator 8 sind als reflektive optische Elemente ausgebildet.
Die im Strahlerzeugungssystem 2 im Hinblick auf Wellenlänge und räumliche Verteilung behandelte Strahlung wird in das Beleuchtungssystem 3 eingeführt, welches ein erstes und zweites reflektives optisches Element 9, 10 aufweist. Die beiden reflektiven optischen Elemente 9, 10 leiten die Strahlung auf eine Photomaske 11 als weiterem reflektiven optischen Element, welches eine Struktur aufweist, die mittels des Projektionssystems 4 in verkleinertem Maßstab auf einen Wafer 12 abgebildet wird. Hierzu sind im Projektionssystem 4 ein drittes und viertes reflektives optisches Element 13, 14 vorgesehen.
Die reflektiven optischen Elemente 9, 10, 11, 13, 14 weisen jeweils eine optische Oberfläche 9a, 10a, 11a, 13a, 14a auf, die der EUV-Strahlung 6 der Lichtquelle 5 ausgesetzt ist. Die optischen Elemente 9, 10, 11, 13, 14 werden hierbei unter Vakuum-Bedingungen in einer Restgasatmosphäre 16 betrieben, die in 1 beispielhaft für das Projektionssystem 4 dargestellt ist. Es versteht sich, dass eine entsprechende Restgasatmosphäre in der gesamten Projektionsbelichtungsanlage 1, d. h. auch im Beleuchtungssystem 3 und im Strahlerzeugungssystem 2 herrscht. In der Restgasatmosphäre 16 ist Wasserdampf vorhanden, dessen Partialdruck p(H₂O) bei ca. 1 × 10^–7 mbar liegt. Weiterhin ist in der Restgasatmosphäre 16 ein geringer Anteil Sauerstoff (p(O₂) ca. 1 × 10^–9 mbar) vorhanden. Da sich der Innenraum der Projektionsbelichtungsanlage 1 nicht ausheizen lässt, kann das Vorhandensein dieser Restgas-Bestandteile nicht vollständig vermieden werden.
Die optischen Elemente 13, 14 im Projektionssystem 4, die optischen Elemente 9, 10 im Beleuchtungssystem 3 sowie das Retikel 11 können hierbei EUV-Strahlung 6 bei einer Leistungsdichte von mehr als 1 W/mm² ausgesetzt sein. Da die Reflektivität eines jeweiligen optischen Elements 9, 10, 11, 13, 14 für EUV-Strahlung typischer Weise bei unter 70% liegt, nimmt die Leistungsdichte ausgehend von der Lichtquelle 5 bei jeder Reflexion an einem optischen Element 9, 10 11, 13, 14 ab, so dass die Leistungsdichte an manchen der optischen Elemente gegebenenfalls auch unterhalb des oben angegebenen Werts liegen kann.
Eine Zuführungseinrichtung 15 in Form eines Zuführungskanals, welcher mit einem (nicht gezeigten) Gasreservoir verbunden ist, dient der Zuführung von Wasserstoff H₂ zu der Restgasatmosphäre 16. Es versteht sich, dass entsprechende Zuführungseinrichtungen auch im Beleuchtungssystem 3 und/oder im Strahlerzeugungssystem 2 vorgesehen sein können bzw. alternativ auch eine zentrale Zuführungseinrichtung für die gesamte Projektionsbelichtungsanlage 1 vorgesehen werden kann. Eine Steuerungseinrichtung 17 dient der Steuerung der Zuführeinrichtung 15 sowie der Steuerung von weiteren Funktionen der Projektionsbelichtungsanlage 1.
Durch die Zuführung des Wasserstoffs H₂ zum Projektionssystem 4 soll eine Degradation der Oberflächen 13a, 14a der optischen Elemente 13, 14 durch die EUV-Strahlung 6 abgeschwächt bzw. unterdrückt werden. Um dies nachvollziehen zu können, wird nachfolgend in Zusammenhang mit 2 der Aufbau des ersten optischen Elements 13 des Projektionssystems 4 im Detail beschrieben.
Das optische Element 13 weist ein Substrat 20 aus einem Material mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der typischer Weise bei weniger als 100 ppb/K bei 22°C bzw. über einen Temperaturbereich von ca. 5°C bis ca. 35°C liegt. Ein Material, welches diese Eigenschaften aufweist, ist mit Titandioxid dotiertes Silikat- bzw. Quarzglas, das typischer Weise einen Silikatglasanteil von mehr als 90% aufweist. Ein solches auf dem Markt erhältliches Silikatglas wird von der Fa. Corning Inc. unter dem Handelsnamen ULE^® (Ultra Low Expansion glass) vertrieben. Eine weitere Materialgruppe, welche einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, sind Glaskeramiken, bei denen das Verhältnis der Kristallphase zur Glasphase so eingestellt wird, dass sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Phasen nahezu aufheben. Solche Glaskeramiken werden z. B. unter den Handelsnamen Zerodur^® von der Fa. Schott AG bzw. unter dem Handelsnamen Clearceram^® von der Fa. Ohara Inc. angeboten.
Auf das Substrat 20 ist eine reflektive Beschichtung 21 aufgebracht, die eine Mehrzahl von Einzelschichten aufweist, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Im vorliegenden Fall bestehen die Einzelschichten abwechselnd aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Liegt die Betriebswellenlänge λ_B wie im vorliegenden Beispiel bei ca. 13,5 nm, so bestehen die Einzelschichten üblicherweise aus Molybdän und Silizium. Andere Materialkombinationen wie z. B. Molybdän und Beryllium, Ruthenium und Beryllium oder Lanthan und B₄C sind ebenfalls möglich. Zusätzlich zu den beschriebenen Einzelschichten kann die reflektive Beschichtung 21 auch Zwischenschichten zur Verhinderung von Diffusion beinhalten. Auf die Darstellung solcher Hilfsschichten in den Figuren wurde verzichtet.
Auf die reflektive Beschichtung 21 ist eine Deckschicht 22 aufgebracht, um eine Oxidation der darunter liegenden Einzelschichten zu verhindern. Die Deckschicht 22 besteht im vorliegenden Beispiel aus Ruthenium. Es versteht sich, dass auch andere Materialien, insbesondere Metalle, für die Deckschicht 22 verwendet werden können. Die Deckschicht 22 ist hierbei für die EUV-Strahlung 6 durchlässig.
Das optische Element 13 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine plane Oberfläche auf. Dies wurde nur zur Vereinfachung der Darstellung so gewählt, d. h. das optische Element 13 kann auch eine gekrümmte Oberflächenform aufweisen, wobei z. B. konkave Oberflächenformen oder konvexe Oberflächenformen möglich sind, die sowohl sphärisch als auch asphärisch ausgebildet sein können.
Durch den Wasserdampf in der Restgasatmosphäre 16, genauer gesagt im Bereich der Oberfläche 13a des optischen Elements 13, welche an der Oberseite der Deckschicht 22 gebildet ist, wird das Ruthenium der Deckschicht 22 gemäß folgender chemischer Reaktion oxidiert: H₂O + Ru → RuO_x + H₂ (1)
Die Oxidation der Ruthenium-Deckschicht 22 führt zu einer Degradation des optischen Elements 13, genauer gesagt zu einer reduzierten Reflektivität des optischen Elements 13. Um diese zu vermindern bzw. zu unterdrücken, ist das Wasserstoff-Gas H₂ in die Restgasatmosphäre 16 eingebracht. Der Wasserstoff H₂ wird hierbei in dem Bereich, in dem EUV-Strahlung 6 vorhanden ist, in aktivierten Wasserstoff H⁺ umgewandelt. Unter aktiviertem Wasserstoff H⁺ werden nicht nur Wasserstoff-Ionen (H⁺, H₂ ⁺) sondern auch Wasserstoff-Radikale H• sowie Wasserstoff in einem angeregten Elektronenzustand H^* verstanden. Der aktivierte Wasserstoff H⁺ im Bereich der Oberfläche 13a kann eine Reduktion des oxidierten Rutheniums gemäß folgender chemischer Reaktion bewirken: RuO_x + 2H⁺ → Ru + H₂O (2)
Es versteht sich, dass ein Partialdruck p(H₂) des Wasserstoffs H₂ in der Restgasatmosphäre 16 hierbei so gewählt wird, dass eine solche chemische Reaktion in ausreichendem Maße ablaufen kann. Typische Partialdrücke p(H₂) des aktivierten Wasserstoffs H⁺ liegen hierbei im Bereich von mehr als 10^–3 mbar, z. B. bei 3 × 10^–3 mbar oder darüber.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Strahlung 6 an der Oberfläche 13a des reflektiven optischen Elements 13 einen minimalen Strahldurchmesser d auf, der größer ist als ein Schwellwert d_c, welcher im vorliegenden Beispiel bei ca. 0,5 mm liegt. Bei nicht rotationssymmetrischen Intensitätsverteilungen wird der Strahldurchmesser wird hierbei entlang derjenigen Richtung gemessen, in welcher die Intensitätsverteilung ihre minimale Ausdehnung aufweist, d. h. beispielsweise bei einer elliptischen Strahlgeometrie entlang des kleineren Halbmessers der Ellipse. Der Strahldurchmesser d ist hierbei definiert als die Breite, bei der die Intensität der Strahlung 6 entlang dieser Richtung bei der Hälfte des Intensitätsmaximums liegt (FWHM „full width half maximum”).
Bei einer Intensitätsverteilung der Strahlung 6, bei welcher der Strahldurchmesser d größer als der Schwellwert d_c ist, wie dies in 2 dargestellt ist, kann eine wirksame Abschwächung der Degradation durch den gasförmigen Bestandteil H₂ erfolgen, da die oben beschriebene chemische Reaktion der Deckschicht 22 mit dem aktivierten Wasserstoff H⁺ in ausreichendem Maße erfolgen kann.
Bei Strahldurchmessern d, welche unterhalb des Schwellwerts d_c liegen, ist dies insbesondere bei Leistungsdichten von mehr als 0,01 W/mm² nicht der Fall, d. h. hier läuft die chemische Reaktion zur Unterdrückung der Degradation bzw. zur Oxidation nicht in ausreichendem Maße ab. Um sicherzustellen, dass an allen optischen Elementen 9 bis 11, 13, 14 der Projektionsbelichtungsanlage 1 einer Degradation und eine damit einhergehende Reduzierung der Lebensdauer entgegen gewirkt werden kann, gibt es verschiedene Möglichkeiten:
Bei der ersten Möglichkeit wird die Projektionsbelichtungsanlage 1 so ausgelegt, dass die minimalen Strahldurchmesser d an den Oberflächen 9a bis 11a, 13a, 14a aller optischer Elemente 9 bis 11, 13, 14, die der Strahlung 6 ausgesetzt sind, oder zumindest an denjenigen optischen Elementen, welche Leistungsdichten von mehr als 0,01 W/mm² ausgesetzt sind, größer als der Schwellwert d_c sind (wobei unter einem „optischen Element” auch das Retikel 11 verstanden wird). Auf diese Weise kann ohne das Vorsehen zusätzlicher Maßnahmen eine Degradation der optischen Elemente 9 bis 11, 13, 14 verhindert werden. Insbesondere kann hierbei auch das Beleuchtungssystem 3 so ausgelegt sein, dass bei allen möglichen Beleuchtungseinstellungen (Dipol-Beleuchtung, Dunkelfeld-Beleuchtung, etc.) der Schwellwert d_c nicht unterschritten wird.
Sofern das optische Design der Projektionsbelichtungsanlage 1 nicht so gewählt werden kann bzw. nicht so gewählt werden soll, dass alle relevanten Strahldurchmesser d größer als der Schwellwert d_c sind, können zusätzliche Maßnahmen vorgesehen werden, um die Degradationsunterdrückung zu verbessern, wie dies in 3 beispielhaft an dem zweiten optischen Element 14 des Projektionssystems 4 dargestellt ist.
Bei dem in 3 dargestellten Beispiel liegt der Strahldurchmesser d der Strahlung 6 an der Oberfläche 14a des optischen Elements 14 bei ca. 0,1 mm und damit deutlich unter dem Schwellwert d_c von 0,5 mm. Um dennoch zu erreichen, dass die oben dargestellte chemische Reaktion (2) in ausreichendem Maße abläuft, ist dem optischen Element 14 ein Reinigungskopf 25 zugeordnet, welcher zur Erzeugung eines Gasstroms 26 dient, mit dem aktivierter Wasserstoff H⁺ auf die Oberfläche 14a des optischen Elements 14 aufgebracht wird. Der Reinigungskopf 25 ist hierbei außerhalb des Strahlengangs 6 angeordnet und unter einem Winkel α zur Oberfläche 14a ausgerichtet, der so gewählt ist, dass der Gasstrom 26 zumindest teilweise in demselben Oberflächen-Bereich wie die EUV-Strahlung 6 auf die Oberfläche 14a auftrifft. Durch die Zuführung von zusätzlichem aktivierten Wasserstoff H⁺ zur Oberfläche 14a kann sichergestellt werden, dass die oben beschriebene Reaktion (2) des oxidierten Rutheniums in ausreichendem Maße erfolgt.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Reinigungskopf 25 kann an dem optischen Element 14 auch eine Heizeinrichtung 27 angebracht sein, welche ebenfalls in 3 dargestellt ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Heizeinrichtung 27, welche z. B. in Form eines flächigen Heizdrahts, eines Peltier-Elements oder dergleichen ausgebildet sein kann, unterhalb des Substrats 20 angeordnet und heizt dieses sowie die reflektierende Beschichtung 21 und die Deckschicht 22 auf. Das Heizelement 27 ist hierbei so ausgelegt, dass die Oberfläche 14a des optischen Elements 14 auf eine Temperatur T von mindestens 30°C aufgeheizt werden kann. Durch das Aufheizen des optischen Elements 14 bzw. der Deckschicht 14a wird das Reaktionsgleichgewicht der oben beschriebenen chemischen Reaktion (2) hin zu den Reaktionsprodukten verschoben, so dass ebenfalls die Degradation des optischen Elements 14 bzw. der Deckschicht 22 wirksam unterdrückt werden kann. Es versteht sich, dass auch weitere Maßnahmen vorgesehen werden können, um die Degradationsunterdrückung zu verbessern.
Falls sich der Strahldurchmesser d auf den optischen Elementen 9 bis 11, 13, 14 beim Betrieb verändert, so dass dieser in einem ersten Betriebszustand über dem Schwellwert und in einem zweiten Betriebszustand unter dem Schwellwert liegt, was insbesondere bei den optischen Elementen 9, 10 des Beleuchtungssystems 3 der Fall sein kann, kann die Steuerungseinrichtung 17 das Heizelement 27 und/oder den Reinigungskopf 25 bei Bedarf aktivieren oder deaktivieren. Beispielsweise kann in dem ersten Betriebszustand die Degradationsunterdrückung lediglich durch den Wasserstoff-Bestandteil der Restgasatmosphäre 16 erfolgen, während im zweiten Betriebszustand zusätzlich das Heizelement 27 und/oder der Reinigungskopf 25 aktiviert werden.
Nachfolgend werden anhand von 4 und 5 zwei mögliche Erklärungen gegeben, weshalb bei einer Unterschreitung des Schwellwerts d_c des Strahldurchmessers d die Degradationsunterdrückung durch die Verwendung von Wasserstoff H₂ in der Restgasatmosphäre 16 gehemmt ist.
In 4 ist beispielhaft (durch eine Mehrzahl von Punkten) ein Plasma im Bereich der Strahlung 6 veranschaulicht, welche auf das optische Element 14 auftrifft. Dieses Plasma reicht bei einem Strahldurchmesser d, welcher unter dem Schwellwert d_c liegt, nicht mehr bis an die Oberfläche 14a heran, wie dies bei einem größeren Strahldurchmesser d > d_c (und bei identischer Leistungsdichte) der Fall wäre (nicht gezeigt). Durch den Zusammenbruch des Plasmas nahe der Oberfläche 14 ist dort nur noch eine unzureichende Menge an aktiviertem Wasserstoff H⁺ vorhanden, so dass die oben beschriebene chemische Reaktion (2) gehemmt ist.
Eine weitere Erklärung für die Abhängigkeit der oben beschriebenen chemischen Reaktion (2) vom Strahldurchmesser d könnte in einer zunehmenden Diffusion von aktiviertem Wasserstoff H⁺ bei geringen Strahldurchmessern d liegen, d. h. der aktivierte Wasserstoff H⁺ verteilt sich bei kleineren Strahldurchmessern d stärker und tritt aus dem Bereich heraus, an dem die Strahlung 6 auf die Oberfläche 14a des optischen Elements 14 auftrifft. Auch hierdurch wird der Anteil von aktiviertem Wasserstoff, der für die chemische Reaktion (2) zur Verfügung steht, verringert.
Die Abhängigkeit der Diffusion vom Strahldurchmesser kann anhand von 5 besser verstanden werden, die eine Strahlungs-Intensität I in Abhängigkeit von der Position P (in beliebigen Einheiten) zeigt. Ein erstes Intensitätsprofil I_d1 weist hierbei einen Strahldurchmesser d von 10 (d₁ > d_c) auf, während ein zweites Intensitätsprofil I_d2 einen deutlich geringeren Strahldurchmesser d von 1 (d₂ << d_c) aufweist. Bei dem breiten Strahlprofil (d₁ > d_c) stimmt die (als durchgezogene Linie dargestellte) Intensitätsverteilung I_d1 mit der (gestrichelt dargestellten) Intensitätsverteilung überein, die durch die Diffusion erzeugt wird. Bei kleinen Strahldurchmessern (d₂ << d_c) führt die Diffusion hingegen zu einer Verbreiterung der Intensitätskurve (gestrichelt dargestellt) und damit zu einer reduzierten Effektivität des oben beschriebenen Mechanismus zur Abschwächung der Degradation.
Im obigen Beispiel wurde Wasserstoff als gasförmiger Bestandteil in die Restgasatmosphäre 16 eingebracht, um die Degradation bzw. die Oxidation der Ruthenium-Deckschicht 22 zu unterdrücken, indem durch die chemische Reaktion (2) eine Reduktion des oxidierten Materials der Deckschicht 22 erfolgt. Alternativ zur Verwendung einer Deckschicht 22, deren Oxidation verhindert werden soll, ist es auch möglich, eine Deckschicht aus einem oxidischen Material zu verwenden. In diesem Fall kann ein sauerstoffhaltiger Bestandteil (z. B. Sauerstoff) in die Restgasatmosphäre eingebracht werden, um eine Degradation (in diesem Fall eine Reduktion des Oxid-Materials) zu unterdrücken bzw. abzuschwächen. Auch in einer solchen sauerstoffhaltigen Restgasatmosphäre können die oben beschriebenen zusätzlichen Maßnahmen (Heizen, Aufbringen eines Gasstroms) durchgeführt werden, um einer Degradation der Oberfläche entgegenzuwirken.
Obwohl die obige Beschreibung im Zusammenhang mit einer Projektionsbelichtungsanlage 1 für die EUV-Lithographie gemacht wurde, ist die oben beschriebene Vorgehensweise auch auf andere optische Anordnungen übertragbar, beispielsweise auf Inspektionseinrichtungen zur Inspektion von Masken bzw. Wafern oder auf Projektionsbelichtungsanlagen für höhere Wellenlängen (DUV), die typischer Weise mit Abbildungslicht bei Wellenlängen von mehr als 150 nm, z. B. bei 193 nm, betrieben werden, insbesondere bei so genannten katadioptrischen Projektionsobjektiven.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/059614 A1 [0016, 0017]

Claims

Optische Anordnung, insbesondere Projektionsbelichtungsanlage (1) für die EUV-Lithographie, umfassend: ein Strahlerzeugungssystem (2) zur Erzeugung von Strahlung (6) bei einer Betriebswellenlänge (λ_B), mindestens ein optisches Element (13, 14), welches der Strahlung (6) ausgesetzt und in einer Restgasatmosphäre (16) angeordnet ist, sowie eine Zuführungseinrichtung (15) zum Zuführen mindestens eines gasförmigen Bestandteils (H₂) in die Restgasatmosphäre (16), um eine durch die Strahlung (6) induzierte Degradation der Oberfläche (13a, 14a) der optischen Elementes (13, 14) zu unterdrücken, wobei entweder ein Strahldurchmesser (d) der Strahlung (6) an der Oberfläche (13a, 14a) des optischen Elementes (13, 14), insbesondere an den Oberflächen (9a bis 11a, 13a, 14a) aller optischer Elemente (7 bis 11, 13, 14) der optischen Anordnung, oberhalb eines Schwellwerts (d_c) liegt, bei dem eine Unterdrückung der Degradation durch den gasförmigen Bestandteil wirksam ist, oder der Strahldurchmesser (d) an der Oberfläche (14a) des optischen Elements (14) unterhalb des Schwellwerts (d_c) liegt und dem optischen Element (14) mindestens eine weitere Einrichtung (25, 27) zur verbesserten Unterdrückung der Degradation der Oberfläche (14a) zugeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Schwellwert (d_c) zwischen 1 mm und 0,1 mm liegt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das mindestens eine optische Element (13, 14) Strahlung (6) bei einer Leistungsdichte von mehr als 0,01 W/mm² ausgesetzt ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Zuführungseinrichtung (15) ausgebildet ist, der Restgasatmosphäre (16) Wasserstoff (H₂) zuzuführen.
Optische Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher der Wasserstoff-Partialdruck (p(H₂)) in der Restgasatmosphäre (16) bei mindestens 1 × 10^–3 mbar liegt.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die weitere Einrichtung eine Heizeinrichtung (27) zur Aufheizung des optischen Elements (14) ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 6, bei welcher die Heizeinrichtung (27) zum Aufheizen der Oberfläche (13a) auf eine Temperatur (T) von mehr als 30°C ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die weitere Einrichtung ein Reinigungskopf (25) ist, der zur Erzeugung eines auf die Oberfläche (14a) gerichteten Gasstroms (26) ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher der auf die Oberfläche (14a) gerichtete Gasstrom (26) aktivierten Wasserstoff (H⁺) enthält.
Verfahren zum Betreiben einer optischen Anordnung, insbesondere einer Projektionsbelichtungsanlage (1) für die EUV-Lithographie, bei der mindestens ein optisches Element (13, 14) in einer Restgasatmosphäre (16) angeordnet und Strahlung (6) bei einer Betriebswellenlänge (λ_B) ausgesetzt ist, das Verfahren umfassend: Zuführen mindestens eines gasförmigen Bestandteils (H₂) in die Restgasatmosphäre (16) zum Unterdrücken einer durch die Strahlung (6) induzierten Degradation einer Oberfläche (14a) des optischen Elementes (14), wobei ein Strahldurchmesser (d) an der Oberfläche (14a) des optischen Elements (14) kleiner ist als ein Schwellwert (d_c), sowie Durchführen mindestens einer weiteren Maßnahme zum Verstärken der Unterdrückung der Degradation der Oberfläche (14a) des optischen Elements (14).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schwellwert (d_c) zwischen 1 mm und 0,1 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das mindestens eine optische Element (14) Strahlung (6) bei einer Leistungsdichte von mehr als 0,01 W/mm² ausgesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem an der Oberfläche (13a) mindestens einem weiteren optischen Element (13) der Strahldurchmesser (d) oberhalb des Schwellwerts (d_c) liegt und an dem optischen Element (13) keine weiteren Maßnahmen zum Verstärken der Degradationsunterdrückung durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welcher ein Partialdruck (p(H₂)) des gasförmigen Bestandteils in der Restgasatmosphäre (16) von mindestens 1 × 10^–3 mbar gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die Maßnahmen zum Verstärken der Degradationsunterdrückung das Zuführen eines gerichteten Gasstroms (26) zur Oberfläche (14a) des optischen Elements (14) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem die Maßnahmen zum Verstärken der Degradationsunterdrückung das Aufheizen der Oberfläche (14a) des optischen Elements (14) umfassen.