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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements insbesondere eines Spiegels, vorzugsweise eines Facettenspiegels oder eines MMA-Elements für eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithografie, bei welchem ein Grundkörper mit einem optischen Funktionskörper, der eine optische Funktionsfläche aufweist, stoffschlüssig verbunden wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend hergestelltes optisches Element sowie eine Vorrichtung zur Herstellung des optischen Elements.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithografie, die mit extrem-ultraviolettem Licht (EUV) betrieben werden, kommen Spiegelfacetten zum Einsatz, die Grundkörper aus Kupfer und Spiegelelemente, die sogenannten Facetten, aufweisen, die ebenfalls aus Kupfer gebildet sein können. Die Kupferfacetten sind stoffschlüssig mit den Kupfergrundkörpern verbunden, wobei hier Schweiß- oder Lötverbindungen zum Einsatz kommen. Die erforderliche Wärmemenge zum Aufschmelzen der beteiligten Verbindungspartner bzw. des Lotwerkstoffs kann beispielsweise mittels Laserenergie bereitgestellt werden.
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Allerdings hat dies den Nachteil, dass es durch den Wärmeeintrag zu Spannungen und Deformationen kommen kann, die die optischen Flächen der Spiegelelemente signifikant negativ beeinflussen können. So kann es beispielsweise zu Oberflächendeformationen kommen, die wiederum zu Aberrationen im optischen Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage führen können.
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Darüber hinaus sind die bekannten Laserschweiß- oder Lötverfahren bei bestimmten Werkstoffkombinationen nicht einsetzbar.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit zu schaffen, dass Komponenten von optischen Elementen, wie beispielsweise Facetten und Grundkörper von Facettenspiegeln, in zuverlässiger und geeigneter Weise stoffschlüssig verbunden werden, ohne dass die Funktionsweise der optischen Elemente beeinträchtigt wird. Darüber hinaus soll das Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung derartiger optischer Komponenten leicht durchführbar bzw. einfach aufgebaut sein.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und einem optischen Element mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden reaktive Multischichten verwendet, um durch eine exotherme Reaktion der reaktiven Multischichten lokal begrenzt und definiert Wärme zur Verfügung zu stellen, um eine stoffschlüssige Verbindung zu erzielen. Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein pneumatischer Druck erzeugt, um die zu verbindenden Teile während der stoffflüssigen Verbindung aneinander zu pressen, um so eine intensive Verbindung zu ermöglichen. Durch die Aufbringung eines pneumatischen Drucks wird sichergestellt, dass die zu verbindenden Komponenten nicht durch mechanische Krafteinleitung verändert oder beschädigt werden, so dass auch hoch empfindliche optische Elemente, wie beispielsweise Spiegel, insbesondere Facettenspiegel oder Elemente einer Mehrfachspiegelanordnung (multi mirror array MMA) in entsprechender Weise hergestellt werden können. Die optischen Elemente können aus mindestens zwei Komponenten aufgebaut werden, nämlich einem Grundkörper und einem optischen Funktionskörper mit einer optischen Funktionsfläche, wie beispielsweise einer Facette.
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Der optische Funktionskörper mit der optischen Funktionsfläche kann bei der stoffflüssigen Verbindung mit dem Grundkörper bereits in einem endbearbeiteten Zustand sein, da durch die mit Hilfe der reaktiven Multischichten lokal sehr begrenzt einwirkende Wärme und durch die Vermeidung von Druckelementen, die an den zu verbindenden Bauteilen angreifen, sichergestellt ist, dass die optische Funktionsfläche nicht verändert oder gar negativ beeinflusst wird.
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Dies wird auch dadurch erreicht, dass während der Durchführung der stoffflüssigen Verbindung die optische Funktionsfläche des optischen Funktionskörpers von den reaktiven Multischichten abgetrennt bzw. abgedichtet ist, so dass die durch die Wärmeentwicklung entstehenden Gase oder dergleichen nicht auf die optische Funktionsfläche gelangen können. Somit wird auch in dieser Hinsicht eine negative Beeinflussung der optischen Funktionsfläche vermieden.
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Die Abtrennung der optischen Funktionsfläche von den reaktiven Multischichten kann in der Weise erfolgen, dass der optische Funktionskörper mit seiner nach außen gerichteten optischen Funktionsfläche einen Teil einer Wand eines Prozessraums darstellt, wobei in dem Prozessraum die Reaktion der reaktiven Multischichten erfolgt. Als Teil der Prozessraumwand kann der optische Funktionskörper mit einer Abdichtung zusammenwirken, so dass der Prozessraum gasdicht abgeschlossen sein kann. Damit wird sichergestellt, dass keine unerwünschten Reaktionsprodukte auf die optische Funktionsfläche gelangen.
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Die reaktiven Multischichten können durch eine Vielzahl von abwechselnden Schichten aus mindestens zwei Reaktionspartnern gebildet sein, wie beispielsweise Aluminium und Nickel oder Titan und Aluminium. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten können von einigen Nanometern bis zu einigen 10 Nanometern oder Mikrometern betragen, wobei Schichtdicken der reaktiven Multischichten für den gesamten Schichtstapel in der Größenordnung von kleiner oder gleich 50 µm vorgesehen werden können.
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Die reaktiven Multischichten können nach Zuführung einer Aktivierungsenergie für die exotherme Reaktion, beispielsweise über einen Zündimpuls, eine selbstragende und fortlaufende chemische Reaktion ausführen, die exotherm ausreichend Wärme zur Verfügung stellt, um beispielsweise die angrenzenden Bauteil aufzuschmelzen, um so eine Schweißverbindung zu erzielen.
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Die reaktiven Multischichten können in einem freistehenden oder selbsttragenden Schichtpaket ausgebildet sein, das zwischen den zu verbindenden Teilen, also dem Grundkörper und dem optischen Funktionskörper angeordnet werden kann.
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Darüber hinaus können die reaktiven Multischichten auch durch geeignete Verfahren auf einem oder beiden der zu verbindenden Bauteile abgeschieden werden, wie beispielsweise durch galvanische Abscheidung auf dem Grundkörper und/oder dem optischen Funktionskörper. Darüber hinaus sind weitere Abscheide- bzw. Beschichtungsverfahren möglich, wie beispielsweise Magnetronsputtern oder Ionenstrahlsputtern (Kathodenzerstäubung), um die dünnen reaktiven Multischichten auf entweder dem Grundkörper und/oder dem optischen Funktionskörper abzuscheiden.
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Als reaktiven Multischichten können abwechselnde Schichten aus Titan und Bor, Titan und Silizium, Titan und Aluminium, Titan und Kohlenstoff, Titan und Nickel, Zirkon und Silizium, Vanadium und Silizium, Zirkon und Aluminium, Nickel und Aluminium, Palladium und Aluminium, sowie Platin und Aluminium Verwendung finden.
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Je nach dem welcher Werkstoff für den Grundkörper und den zu verbindenden optischen Funktionsköper gewählt wurde, kann es vorteilhaft sein, zusätzliche Lotschichten vorzusehen, und zwar mindestens eine Lotschicht zwischen Grundkörper und reaktiven Multischichten und/oder zwischen Funktionskörper und reaktiven Multischichten.
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Darüber hinaus kann es auch vorteilhaft sein, die zu verbindenden Bauteile oder zumindest eines davon zu metallisieren, also mit einer dünnen Metallschicht zu versehen. Dies gilt insbesondere, wenn eines der Bauteile aus Glas oder Keramik gebildet ist. Allerdings sind mit den reaktiven Multischichten vielfältige Werkstoffkombinationen miteinander verbindbar, wie beispielsweise Metalle untereinander, zum Beispiel Aluminium und Kupfer oder Kupfer mit Kupfer sowie metallische Legierungen, wie z.B. Messing, untereinander oder mit anderen Legierungen. Auch intermetallische Verbindungen, wie Titanaluminide, können miteinander oder mit anderen Werkstoffen verbunden werden. Darüber hinaus können auch Keramiken, wie insbesondere Aluminiumoxidkeramiken, und Gläser jeweils untereinander oder mit anderen Werkstoffen verbunden werden. Ferner ist auch die Verbindung von Silizium mit Silizium möglich. Insgesamt ergibt sich eine große Bandbreite von möglichen Werkstoffen, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Als Lote für die Lotschicht kommen vielfältige Lote in Frage, wie beispielsweise Silberhartlote oder Zinnweichlote oder Aluminium-Silizium-Lote, Silber-Kupfer-Lote, Zinn-Silber-Kupfer-Lote, Zinn-Silber-Indium-Lote und dergleichen.
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Die Lotschichten können in jeder geeigneten Art und Weise aufgebracht werden, beispielsweise als Lotfolie mit Dicken von einigen 10 µm bis einigen 100 µm oder als abgeschiedene dünnen Schichten mit Schichtdicken im Bereich von kleiner oder gleich 500 nm, insbesondere kleiner oder gleich 100 nm, vorzugsweise kleiner oder gleich 50 nm. Durch eine Verringerung der Schichtdicke in den Nanometerbereich kann die Schmelztemperatur des Lots erniedrigt werden, so dass die Temperaturbelastung für die zu verbindenden Bauteile weiter gesenkt werden kann.
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In gleicher Weise können bei pulverförmiger Aufbringung des Lots die Pulverpartikel ebenfalls im Nanometerbereich gewählt werden, und zwar beispielsweise mit Partikelgrößen von kleiner oder gleich 100 nm, insbesondere kleiner oder gleich 50 nm, vorzugsweise kleiner oder gleich 20 nm, wobei die Partikelgröße sich hier auf die durchschnittliche oder maximale Partikelgröße beziehen kann.
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Bei der Verbindung von Kupferbauteilen, wie beispielsweise bei der Herstellung von Facettenspiegeln, kann die Lotschicht auch als Isolierschicht bezüglich der Wärmeleitung dienen, da bei einer zu schnellen Wärmeabfuhr aus den reaktiven Multischichten über die angrenzenden Kupferbauteile die Reaktion der reaktiven Multischichten zum Erliegen kommen könnte.
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Darüber hinaus kann noch mindestens eine Diffusionssperrschicht zwischen der jeweiligen Lotschicht und der reaktiven Multischicht vorgesehen sein, um eine Vermischung der Schichten zu vermeiden. Die Diffusionssperrschicht kann beispielsweise durch Aluminiumnitrid gebildet sein.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Prozessraum, in dem zumindest eine Komponente der zu verbindenden Bauteile, also beispielsweise der Grundkörper aufgenommen oder in Verbindung mit diesem angeordnet werden kann, sowie eine Zündanordnung zum Starten der exothermen Reaktion der reaktiven Multischichten und eine pneumatische Einrichtung, die einen Druck erzeugen kann, sodass die zu verbindenden Bauteile gegeneinander gepresst werden.
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Die Vorrichtung kann ein Gehäuse aufweisen, welches den Prozessraum zumindest teilweise umschließt, wobei der Prozessraum eine Öffnung aufweisen kann, die durch den optischen Funktionskörper oder den Grundkörper verschließbar ausgebildet ist, sodass der Prozessraum gegenüber der äußeren Umgebung abgeschlossen ist und ein Druckunterschied zwischen dem Prozessraum und der äußeren Umgebung einstellbar ist, beziehungsweise die optische Funktionsfläche gegenüber den reaktiven Multischichten abgedichtet ist. Damit lässt sich in einfacher und effektiver Weise eine geeignete Wärmezufuhr und ein ausreichendender Anpressdruck für die Verbindung der zu verbindenden Teile erzielen, wobei gleichzeitig eine Kontamination des optischen Funktionskörpers bzw. seiner optischen Funktionsfläche vermieden wird, da die reaktiven Multischichten von der optischen Funktionsfläche getrennt und gegenüber dieser abgedichtet sind.
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Das Gehäuse kann weiterhin einen Druckraum ausbilden, der sich im Bereich der Öffnung des Prozessraums befinden kann, sodass in dem Druckraum die pneumatische Einrichtung einen Arbeitsdruck erzeugen kann, wobei bei einer Anordnung des Funktionskörpers in der Öffnung des Prozessraums dieser einen entsprechenden Anpressdruck gegen den im Prozessraum befindlichen Grundkörper erfährt.
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Ein entsprechend hergestelltes optisches Element zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Grundkörper und dem Funktionskörper mindestens eine Verbindungsschicht angeordnet ist, die durch eine chemische Verbindung gebildet ist, die aus mindestens zwei Reaktionspartnern herstellbar ist, wobei zwischen der Verbindungschicht und dem Grundkörper bzw. zwischen der Verbindungsschicht und dem optischen Funktionskörper mindesten eine Lot- oder Schweißschicht ausgebildet ist. Ein derartiges optisches Element kann ein Spiegel, insbesondere ein Facettenspiegel oder ein Spiegelelement für eine Mehrfachspiegelanordnung(multi-mirror array) einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage sein, wobei sämtliche der im Zusammenhang mit den im Verfahren beschriebenen Werkstoffkombinationen denkbar sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Elements; und in
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2 eine Detaildarstellung der reaktiven Multischichten, die bei der Herstellung eines optischen Elements gemäß 1 Anwendung finden.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Die 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines optischen Elements gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2 welches an drei Seiten einen Prozessraum 3 umschließt, in den ein Grundkörper 10 eines herzustellenden optischen Elements eingebracht ist. Der Prozessraum 3 weist an seiner offenen Seite eine umlaufende Membran 4 auf, die die Öffnung teilweise verschließt.
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In der Öffnung des Prozessraums 3 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Spiegelfacette 11 als optischer Funktionskörper angeordnet, an den eine Dichtlippe 5 der Membran 4 umlaufend anliegt, sodass der Prozessraum 3 geschlossen ist.
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Zwischen der Spiegelfacette 11 und dem Grundkörper 10 sind eine Vielzahl von reaktiven Multischichten 12 angeordnet, die zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Spiegelfacette 11 und dem Grundkörper 10 dienen. Zwischen den reaktiven Multischichten 12 und einerseits dem Grundkörper 10 und andererseits der Spiegelfacette 11 sind zusätzlich Lotschichten 13 vorgesehen, die ebenfalls der stoffschlüssigen Verbindung der Spiegelfacette 11 und des Grundkörpers 10 dienen.
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Wie nachfolgend mit Verweis auf die 2 noch näher beschrieben wird, dient eine exotherme Reaktion der reaktiven Multischichten nach einem Zündimpuls zur Bereitstellung einer ausreichenden Wärmemenge, um die Lotschichten 13 aufzuschmelzen und so eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Spiegelfacette 11 und den reaktiven Multischichten 12, der weiteren Lotschicht 13 und dem Grundkörper 10 herzustellen. Die reagierten reaktiven Multischichten 12 bilden nach der Durchführung der exothermen chemischen Reaktion eine chemische Verbindung und werden so dann als Verbindungsschicht bezeichnet.
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Um während der stoffschlüssigen Verbindung von Spiegelfacette 11 und Grundkörper 10 eine ausreichende Kraft zwischen Spiegelfacette 11 und Grundkörper 10 bereitzustellen, ist eine nicht näher dargestellte Einrichtung zur Erzeugung eines Drucks im Bereich des Druckraums 6 vorgesehen, der sich oberhalb des Prozessraums 3 befindet und durch die vom Prozessraum 3 überstehenden Wandbereiche des Gehäuses gebildet wird. Beispielsweise kann an den Druckraum 6 die Druckseite einer Pumpe angeschlossen werden, um im Druckraum 6 den mit den Pfeilen angedeuteten Druck P im Druckraum 6 auf die Spiegelfacette 11 zu erzeugen.
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Durch die Abdichtung des Prozessraums 3 gegenüber dem Druckraum 6 mittels der Membran 4 und der an der Spiegelfacette 11 anliegenden Dichtlippe 5 wird vermieden, dass durch die lokale Temperaturentwicklung im Bereich der reagierenden reaktiven Multischichten 12 und den aufschmelzenden Lotschichten 13 verdampfendes Material auf die Spiegeloberfläche der Spiegelfacette 11 gelangen kann, die außerhalb des Prozessraums 3 und nach außen gerichtet angeordnet ist. Aufgrund des Druckunterschieds zwischen Druckraum 6 und Prozessraum 3 und der geeigneten Anordnung der Dichtlippe 5 wird diese bei Aufbringung des Drucks P an die Spiegelfacette gepresst, sodass eine gasdichte Abdichtung gegeben ist. Dadurch kann sicher vermieden werden, dass Partikel bei der Reaktion der reaktiven Multischichten 12 auf die optische Spiegelfläche der Spiegelfacette 11 außerhalb des Prozessraums 3 gelangen.
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Bei den Reaktivmultischichten kann es sich beispielsweise um eine Abfolge von Nickel- und Aluminiumschichten bzw. Titan- und Aluminiumschichten oder Titan- und Siliziumschichten handeln, die durch exotherme Reaktion beispielsweise intermetallische Verbindungen wie NiAl oder TiAl ausbilden. Weitere reaktive Multischichtsysteme können aus Ti/B, Ti/C, Ti/Si, Zr/Si, V/Si, Ti/Ni, Zr/Al, Pd/Al oder Pt/Al gebildet werden.
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Die 2 zeigt schematisch die Wirkungsweise entsprechender Reaktivmultischichten, wie sie beispielsweise in der Schicht 12 vorliegen. Die reaktiven Multischichten 12 können als selbstragende oder freistehende Komponente zwischen Grundkörper 10 und Spiegelfacette 11 angeordnet werden oder durch Beschichtung bzw. Abscheidung auf dem Grundkörper 10 und/oder der Spiegelfacette aufgebracht werden. Die 2 zeigt einen Stapel von Einzelschichten 30, 31, die in wiederkehrender Weise abwechselnd beispielsweise aus Nickel- und Aluminiumschichten gebildet sind. Nach Zuführung einer Aktivierungsenergie über einen Zündimpuls 35 schreitet eine Reaktionsfront 33 durch die Schicht 6, bei der die einzelnen Teilschichten 30, 31 miteinander exotherm reagieren und die intermetallische Verbindung NiAl im reagierten Bereich 34 bilden. Der reagierte Bereich 34 kann auch als Verbindungsschicht bezeichnet werden. Die Reaktionsfront 33 schreitet durch die exotherme Reaktion selbstständig voran und durch die exotherme Reaktion wird Energie bereitgestellt, um an den angrenzenden Bauteilen also Grundkörper 10 und der Spiegelfacette 11 eine stoffschlüssige Verbindung, z.B. durch Erzeugung einer Schweißschicht, auszubilden. Hierzu kann zusätzlich einseitig oder beidseits der Reaktivmultischicht 12 aus den Einzelschichten 30, 31 ein zusätzliches Verbindungsmaterial, beispielsweise in Form von Lotschichten 36, 37 vorgesehen sein, die durch die von der Reaktivmultischicht bereitgestellten Energie aufschmelzen und eine stoffschlüssige Verbindung mit den anliegenden Bauteilen bilden.
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Die Lotschichten können aus unterschiedlichen geeigneten Loten gebildet sein, je nach dem aus welchem Material der Grundkörper 10 und der Facettenspiegel 11 gebildet sind. Beispielsweise können der Grundkörper 10 und die Spiegelfacette 11 aus Kupfer gebildet sein, sodass als Lote Aluminium-Silizium oder Silber-Kupfer-Lote zum Einsatz kommen können. Bei anderen Werkstoffen, die für den Grundkörper 10 und die Facettenspiegel 11 oder für andere optische Funktionskörper eingesetzt werden können, können andere geeignete Lote eingesetzt werden, wie beispielsweise Zinnweichlote, Silberhartlote, Zinn-Silber-Kupfer-Lote oder Zinn-Indium-Lote.
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Die Lote können in Form von dünnen Schichten mit einer Schichtdicke im Bereich von beispielsweise 20 nm vorgesehen werden, da bei der Ausbildung einer dünnen Schicht im Nanometerbereich die Schmelztemperatur des Lots weiter gesenkt werden kann.
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Die Lotschichten können als Schichtmaterial, wie es beispielsweise durch geeignete Verfahren abgeschieden werden kann, oder in Form eines Pulvers aufgebracht werden. Bei der Verwendung von Lotpulvern ist wiederum die Verwendung von nanoskaligen Partikeln beispielsweise mit einer Partikelgröße von ≤ 50 nm vorteilhaft, um wiederum möglichst niedrige Schmelztemperaturen des Lots einzustellen, sodass die von den reaktiven Multischichten bereitgestellte Wärmemenge gering gehalten werden kann.
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Um durch Diffusionsvorgänge eine Vermischung der reaktiven Multischichten mit den Lotschichten zu vermeiden, können zusätzliche Diffusionsbarriereschichten 38, 39 beispielsweise aus Aluminiumnitrid zwischen den Lotschichten 36, 37 und den reaktiven Multischichten 30, 31 vorgesehen werden.
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Bei der Verwendung eines Fügedrucks im Bereich von 0,1 bis 20 Megapascal liegt die Prozesszeit des Fügeprozesses im Millisekundenbereich, wobei Festigkeiten von 30 bis 50 Megapascal für die erzeugten Verbindungen erreichbar sind.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen vorgenommen werden, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung umfasst insbesondere sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.
