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Die Erfindung betrifft ein optisches Element.
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Bei optischen Anwendungen im EUV-Bereich (z.B. Wellenlängen unterhalb von 20nm) oder im Röntgenbereich (z.B. Wellenlängen unterhalb von 0.1nm) werden mangels Verfügbarkeit geeigneter lichtdurchlässiger refraktiver Materialien Spiegel als optische Komponenten verwendet. Beispiele sind Synchrotronspiegel sowie EUV-Spiegel, welche in der Beleuchtungseinrichtung oder dem Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage eingesetzt werden.
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Dabei ist u.a. der Betrieb von Spiegeln unter streifendem Einfall bekannt. Unter solchen unter streifendem Einfall betriebenen Spiegeln werden hier und im Folgenden Spiegel verstanden, für welche die bei der Reflexion der elektromagnetischen Strahlung auftretenden, auf die jeweilige Oberflächennormale bezogenen Reflexionswinkel wenigstens 50° betragen. Solche Spiegel werden mitunter auch kurz als GI-Spiegel („grazing incidence“ = „streifender Einfall“) bezeichnet. Grundsätzlich ist der Einsatz solcher GI-Spiegel u.a. im Hinblick auf die vergleichsweise hohen, erreichbaren Reflektivitäten (von z.B. 80% und mehr) wünschenswert. Im Unterschied etwa zu unter senkrechtem Einfall betriebenen Spiegeln (auch als NI-Spiegel, „normal incidence“ = „senkrechter Einfall“ bezeichnet) benötigen solche GI-Spiegel zur Erzielung der jeweiligen Reflektivitäten als Reflexionsschicht kein Vielfachschichtsystem in Form einer alternierenden Abfolge zahlreicher Einzelschichten aus wenigstens zwei unterschiedlichen Schichtmaterialien, sondern lediglich eine Einzelschicht, welche je nach der konkreten Anwendung (insbesondere dem jeweils abzudeckenden Einfallswinkel- sowie Wellenlängenbereich) typischerweise aus einem Edelmetall wie Gold (Au), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder Ruthenium (Ru) bestehen und z.B. eine typische Schichtdicke im Bereich von (20–50)nm aufweisen kann.
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Dabei können in der Praxis Probleme einer schlechten Haftung des betreffenden Materials der Reflexionsschicht wie z.B. Gold (Au) auf dem Substrat auftreten, welche insbesondere daraus resultieren können, dass sich etwa auf Silizium-haltigen Substratmaterialien bereits innerhalb weniger Minuten oder sogar Sekunden eine die Haftung behindernde, native Oxidschicht ausbildet.
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Bekannte Ansätze zur Haftungsverbesserung umfassen insbesondere den Einsatz von Haftvermittlerschichten aus z.B. Chrom (Cr) oder Tantal (Ta). Der Einsatz solcher zur Haftverbesserung der Reflexionsschicht zwischen Spiegelsubstrat und Reflexionsschicht eingesetzten Materialien hat jedoch den weiteren Nachteil, dass – etwa bei Verwendung von Gold (Au) als Reflexionsschichtmaterial – eine Diffusion der betreffenden, zur Haftverbesserung eingesetzten Materialien durch die Reflexionsschicht hindurch an die optische Wirkfläche des Spiegels stattfinden kann. Dieser unerwünschte Effekt hat wiederum zur Folge, dass der Spiegel etwa beim Einsatz in einem Synchrotron bei bestimmten Wellenlängen (nämlich solchen, bei denen die Absorptionslinien der betreffenden, durch die Reflexionsschicht diffundierten Materialien liegen) für die Anwender der Synchrotronstrahlung nicht nutzbar ist, da z.B. die unter Verwendung der Synchrotronstrahlung jeweils erhaltenen Messergebnisse durch Einflüsse des betreffenden, in der Strahlführung eingesetzten Spiegels verfälscht werden und damit eine Interpretation der Ergebnisse erschwert wird.
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Weitere Ansätze zur Haftungsverbesserung basieren auf einer Entfernung der o.g. Oxidschicht z.B. durch Sputterverfahren, welche jedoch zum einen den apparativen und verfahrenstechnischen Aufwand erhöhen und zum anderen auch unerwünschte Nebeneffekte (wie z.B. eine erhöhte Rauigkeit des Spiegelsubstrats) zur Folge haben können.
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Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf
US 6,534,412 B1 ,
US 5,413,954 ,
DE 102 07 130 B4 ,
DE 177 17 65 , sowie die Publikationen K.E. Haq et al.: „Adhesion Mechanism of Gold-Underlayer Film combinations to Oxide Substrate“, J. Vac. Sci. Technol. 6 (1969), S. 148–152, und X. Li et al.: „Improved adhesion of Au thin films to SiO
x/Si substrates by dendrimer mediation“, Thin Solid Films 473 (2005), S. 164–168, verwiesen.
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element bereitzustellen, welches einen Einsatz unter zumindest weitgehender Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung weist ein optisches Element auf:
- – ein Substrat;
- – wenigstens eine Reflexionsschicht; und
- – eine adhäsionsverbessernde Schicht, welche zwischen dem Substrat und der Reflexionsschicht angeordnet ist;
- – wobei diese adhäsionsverbessernde Schicht ausschließlich aus Elementen besteht, die entweder im Substrat oder in der Reflexionsschicht enthalten sind.
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Da die erfindungsgemäße adhäsionsverbessernde Schicht ausschließlich aus (einem oder mehreren) chemischen Elementen besteht, die entweder im Substrat oder in der Reflexionsschicht bereits enthalten sind und demzufolge keinen zusätzlichen Materialtyp einführt, wird durch den Einsatz der adhäsionsverbessernden Schicht die Nutzbarkeit des optischen Elements etwa in der vorstehend genannten Anwendung eines Synchrotronspiegels nicht beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, zur Verbesserung der Haftung einer (z.B. ein Edelmetall wie beispielweise Gold enthaltenden) Reflexionsschicht auf einem (z.B. siliziumhaltigen) Substratmaterial eine adhäsionsverbessernde Schicht einzusetzen, welche ihrerseits aus einem im Substrat und/oder in der Reflexionsschicht ohnehin vorhandenen Material (beispielweise Silizium) hergestellt ist.
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Dabei macht sich die Erfindung zum einen die Erkenntnis zu Nutze, dass eine gute Haftung z.B. von Gold (Au) auf (nicht oxidiertem) Silizium problemlos realisierbar ist, wobei zudem durch besagte adhäsionsverbessernde Schicht auch eine auf dem Substrat typischerweise bereits vorhandene Siliziumdioxidschicht abgedeckt wird.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine gegebenenfalls auf dem (z.B. siliziumhaltigen) Substratmaterial typischerweise bereits vorhandene native Oxidschicht (z.B. Siliziumdioxidschicht) nicht etwa durch aufwendige (z.B. Sputter-)Verfahren entfernt werden muss, sondern einfach durch die erfindungsgemäße adhäsionsverbessernde Schicht abgedeckt wird, wobei zur Aufbringung der adhäsionsverbessernden Schicht beispielsweise einfache Aufdampfverfahren (PVD), etwa mit Elektronenstrahlverdampfung, ausreichend sind. Die erfindungsgemäß zusätzlich im Schichtaufbau erzeugte adhäsionsverbessernde Schicht erfordert somit letztlich im Herstellungsprozess lediglich eine zusätzliche Materialquelle (etwa für amorphes Silizium). Dabei ist während der Fertigung des optischen Elements lediglich dafür Sorge zu tragen, dass die Aufbringung der adhäsionsverbessernden Schicht sowie die nachfolgende Aufbringung der (z.B. aus Gold bestehenden) Reflexionsschicht in demselben Vakuumsystem ohne „Brechen“ des Vakuums durch zwischenzeitliche Belüftung erfolgt, also die erneute Bildung einer nativen Oxidschicht, welche wiederum die Haftung der Reflexionsschicht behindern würde, vermieden wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Substrat aus einem Silizium (Si) aufweisenden Substratmaterial hergestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Substratmaterial aus der Gruppe ausgewählt, die ULE, Silizium (Si), Siliziumdioxid (SiO2) oder Zerodur enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Reflexionsschicht wenigstens ein Edelmetall auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das in der Reflexionsschicht vorhandene Edelmetall aus der Gruppe ausgewählt, die Gold (Au), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder Ruthenium (Ru) enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das in der Reflexionsschicht vorhandene Edelmetall Gold (Au).
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Reflexionsschicht eine Mehrzahl von Zonen aus unterschiedlichem Material (z.B. Gold (Au) und Platin (Pt)) auf, welche z.B. in lateraler Richtung zueinander benachbart sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die adhäsionsverbessernde Schicht Silizium (Si) auf. Insbesondere kann die adhäsionsverbessernde Schicht ausschließlich aus Silizium (Si) bestehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das optische Element eine optische Wirkfläche auf, wobei die Reflexionsschicht derart ausgestaltet ist, dass das optische Element für elektromagnetische Strahlung einer vorgegebenen Arbeitswellenlänge, welche auf die optische Wirkfläche unter einem auf die jeweilige Oberflächennormale bezogenen Einfallswinkel von wenigstens 50°, insbesondere von wenigstens 65°, auftrifft, eine Reflektivität von wenigstens 50% besitzt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Reflexionsschicht eine Dicke im Bereich von 10nm bis 100nm, insbesondere im Bereich von 20nm bis 50nm, auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die adhäsionsverbessernde Schicht eine Dicke im Bereich von 1nm bis 20nm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element ein Spiegel, insbesondere ein Synchrotronspiegel oder ein Spiegel zur Verwendung im Strahlengang eines Freie-Elektronen-Lasers (FEL).
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element für eine Arbeitswellenlänge kleiner als 35nm, insbesondere für eine Arbeitswellenlänge im Bereich von 0.05nm bis 35nm, ausgelegt.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements, insbesondere mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen, mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen eines Substrats;
- – Aufbringen einer adhäsionsverbessernden Schicht auf das Substrat; und
- – Aufbringen einer Reflexionsschicht auf die adhäsionsverbessernde Schicht;
- – wobei die adhäsionsverbessernde Schicht ausschließlich aus Elementen besteht, die im Substrat und/oder in der Reflexionsschicht enthalten sind; und
- – wobei die Schritte des Aufbringens der Reflexionsschicht und der adhäsionsverbessernde Schicht unter permanenter Vakuum-Aufrechterhaltung durchgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft weiter ein optisches System, welches ein optisches Element mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen aufweist.
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Dabei kann das optische Element in dem optischen System derart angeordnet sein, dass die im Betrieb des optischen Systems bei Reflexion elektromagnetischer Strahlung an dem optischen Element auftretenden, auf die jeweilige Oberflächennormale bezogenen Reflexionswinkel wenigstens 50°, insbesondere wenigstens 65°, betragen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische System ein Synchrotron.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische System ein Freie-Elektronen-Laser (FEL).
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus eines optischen Elements in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
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2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus eines optischen Elements in weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer möglichen Anwendung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Form eines Synchrotronspiegels.
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Der im Weiteren erläuterte erfindungsgemäße Aufbau eines unter streifendem Einfall betriebenen optischen Elements bzw. Spiegels kann beispielsweise bei einem Synchrotronspiegel realisiert sein.
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Gemäß 1 kann ein für den Betrieb unter streifendem Einfall ausgelegter Spiegel 100 in einer Ausführungsform in für sich bekannter Weise ein Substrat 105 sowie eine die optische Wirkfläche 100a ausbildende Reflexionsschicht 120 aufweisen, welche im Ausführungsbeispiel aus Gold (Au) hergestellt ist und eine typische beispielhafte Dicke im Bereich von 20 nm bis 50 nm aufweisen kann. In weiteren Ausführungsformen kann die Reflexionsschicht 120 auch aus einem anderen Edelmetall hergestellt sein, beispielsweise Platin (Pt), Rhodium (Rh), Silber (Ag), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Osmium (Os) oder Iridium (Ir).
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Als Substratmaterial wird im Ausführungsbeispiel ein unter der Bezeichnung ULE® von der Firma Corning Inc. vertriebenes Titanium-Silikatglas verwendet. In weiteren Ausführungsformen kann das Substrat 105 auch aus kristallinem Silizium (Si) oder einem anderen, Silizium aufweisenden Substratmaterial hergestellt sein, beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2) oder Zerodur® (der Firma Schott AG).
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Zwischen dem Substrat 105 und der Reflexionsschicht 120 befindet sich gemäß 1 eine adhäsionsverbessernde Schicht 110, welche im Ausführungsbeispiel aus amorphem Silizium mit einer typischen Dicke im Bereich von 1nm bis 20nm hergestellt ist. Diese amorphe Siliziumschicht kann bei Fertigung des Spiegels 100 unter Vakuumbedingungen über ein Aufdampfverfahren (PVD) auf das Substrat 105 aufgebracht werden, wobei sie eine typischerweise auf dem Substrat 105 vorhandene Oxidschicht (welche sich z.B. bei Lagerung oder Transport des Substrats 105 ausgebildet hat) abdeckt. Anschließend erfolgt, z.B. ebenfalls durch Aufdampfen, die Aufbringung der Reflexionsschicht 120 auf der adhäsionsverbessernden Schicht 110.
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Zur Aufbringung der adhäsionsverbessernden Schicht 110 und/oder der Reflexionsschicht 120 sind auch weitere bekannte Verfahren geeignet, wobei hier lediglich beispielhaft Atomlagenabscheidung (ALD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Sputtern genannt werden.
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Die im Ausführungsbeispiel aus Gold (Au) bestehende Reflexionsschicht 120 wird nicht unmittelbar auf die gegebenenfalls auf dem Substrat 105 vorhandene Oxidschicht – auf der etwa Gold (Au) nur sehr schlecht haften würde – aufgebracht, sondern auf das amorphe Silizium der adhäsionsverbessernden Schicht 110, auf welcher ein Wachstum bzw. Haften der Reflexionsschicht 120 problemlos möglich ist.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Reflexionsschicht auch eine Mehrzahl von (in lateraler Richtung zueinander benachbarten) Zonen bzw. Bereichen aus unterschiedlichen Materialien aufweisen, wie dies in 2 lediglich schematisch in Draufsicht dargestellt ist. Beispielsweise kann die Reflexionsschicht 220 eine erste Zone 221 aus Gold (Au) und eine zweite Zone 222 aus Platin (Pt) aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können auch mehr als zwei Zonen bzw. Materialien vorgesehen sein. Dabei können abhängig von den jeweiligen Materialien der einzelnen Zonen eine einheitliche adhäsionsverbessernde Schicht (aus ein- und demselben Material) oder auch unterschiedliche adhäsionsverbessernde Schichten bzw. Materialien im Bereich zwischen den einzelnen Zonen und dem Substrat vorgesehen sein.
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Der Spiegel 100 kann z.B. als Umlenkspiegel bzw. strahlführende optische Komponente in einem Synchrotron eingesetzt werden, wie dies in 3 lediglich schematisch dargestellt ist. Dabei kann in vorteilhafter Weise der Umstand ausgenutzt werden, dass das vorstehend beschriebene gute Haften der Reflexionsschicht 120 auf dem Substrat 105 ohne Einführung zusätzlicher Materialtypen wie z.B. Chrom (Cr) oder Tantal (Ta) und somit ohne unerwünschte Bereitstellung zusätzlicher Absorptionslinien (welche gegebenenfalls zu einer Verfälschung von unter Verwendung der Synchrotronstrahlung erzielter Messergebnisse führen würden) erreicht wurde.
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Gemäß 3 trifft in einem Synchrotron die durch Beschleunigung bzw. Ablenkung eines Elektronenstrahls 370 erzeugte elektromagnetische Strahlung 350 (im Beispiel in Form eines divergenten Röntgenstrahls) auf einen in Form eines erfindungsgemäßen optischen Elements ausgestalteten Spiegel 300. Dabei ist ein im Beispiel auf dem Spiegel 300 erzeugter elliptischer „Footprint“ mit „301“ bezeichnet, und die nach Reflexion vom Spiegel 300 ausgehende elektromagnetische Strahlung (im Beispiel in Form eines konvergenten Röntgenstrahls) ist mit „360“ bezeichnet. Im dargestellten Beispiel ist der Spiegel 300 zur Erzielung einer fokussierenden Wirkung als Toroidspiegel ausgestaltet. In weiteren Ausführungsformen kann der Spiegel 300 jedoch auch eine sphärische, zylindrische oder plane Geometrie besitzen.
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Die Erfindung ist ferner auch in einer Beleuchtungseinrichtung oder einem Projektionsobjektiv realisierbar, welches wenigstens einen Spiegel für streifenden Einfall des Beleuchtungslichts (mit Einfallswinkeln größer als 50°) aufweist, beispielsweise in einem Projektionsobjektiv wie in
DE 10 2012 202 675 A1 gezeigt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Erfindung auch in Projektionsobjektiven mit anderem Aufbau oder in anderen optischen Systemen realisiert werden.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6534412 B1 [0007]
- US 5413954 [0007]
- DE 10207130 B4 [0007]
- DE 1771765 [0007]
- DE 102012202675 A1 [0047]
