DE102021200490A1 - Method for forming a protective layer, optical element and optical arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Schutzschicht (6) an einem reflektierenden optischen Element (1) für den VUV-Wellenlängenbereich, wobei das reflektierende optische Element (1) ein Substrat (2) aufweist, an dem eine Metallschicht (3) gebildet ist, an deren dem Substrat (2) abgewandter Seite eine Metallfluoridschicht (4) aufgebracht ist, das Verfahren umfassend: Bilden der Schutzschicht (6) an der Metallfluoridschicht (4) durch Bestrahlen der Metallfluoridschicht (4) mit Strahlung (5) bei mindestens einer Wellenlänge (λ) von weniger als 300 nm, bevorzugt von weniger als 200 nm, wobei das Bestrahlen in einer Umgebung mit einem Wasser-Gehalt (CH2O) von weniger als 0,5 ppmV, bevorzugt von weniger als 0,3 ppmV, durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft auch ein reflektierendes optisches Element (1), an dem eine solche Schutzschicht (6) gebildet ist, sowie eine optische Anordnung, die mindestens ein solches reflektierendes optisches Element (1) aufweist.The invention relates to a method for forming a protective layer (6) on a reflective optical element (1) for the VUV wavelength range, the reflective optical element (1) having a substrate (2) on which a metal layer (3) is formed , on whose side facing away from the substrate (2) a metal fluoride layer (4) is applied, the method comprising: forming the protective layer (6) on the metal fluoride layer (4) by irradiating the metal fluoride layer (4) with radiation (5) at at least one wavelength (λ) of less than 300 nm, preferably less than 200 nm, the irradiation being carried out in an environment with a water content (CH2O) of less than 0.5 ppmV, preferably less than 0.3 ppmV. The invention also relates to a reflective optical element (1) on which such a protective layer (6) is formed, and to an optical arrangement which has at least one such reflective optical element (1).
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Schutzschicht an einem reflektierenden optischen Element für den VUV-Wellenlängenbereich, wobei das reflektierende optische Element ein Substrat aufweist, an dem eine Metallschicht gebildet ist, an deren dem Substrat abgewandter Seite eine Metallfluoridschicht aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft auch ein solches reflektierendes optisches Element sowie eine optische Anordnung, die mindestens ein solches reflektierendes optisches Element aufweist.The invention relates to a method for forming a protective layer on a reflective optical element for the VUV wavelength range, the reflective optical element having a substrate on which a metal layer is formed, on whose side facing away from the substrate a metal fluoride layer is applied. The invention also relates to such a reflective optical element and to an optical arrangement which has at least one such reflective optical element.
Unter dem VUV-Wellenlängenbereich wird im Sinne dieser Anmeldung ein Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 200 nm verstanden (VUV-Wellenlängenbereich nach DIN 5031 Teil 7). In diesem Wellenlängenbereich ist es häufig nicht möglich, ausschließlich mit transmissiven optischen Elementen zu arbeiten, vielmehr ist es in der Regel erforderlich, auch auf reflektierende optische Elemente zurückzugreifen. Bewährt haben sich hierbei reflektierende optische Elemente, die ein Substrat und eine Metallschicht bzw. eine metallische Oberfläche aufweisen, die häufig aus Aluminium besteht oder Aluminium enthält. Auf die Metallschicht kann eine darüber liegende Metallfluoridschicht aufgebracht werden, die als Schutzschicht zum Schutz der Metallschicht vor Oxidation dienen soll.In the context of this application, the VUV wavelength range is understood to mean a wavelength range between 100 nm and 200 nm (VUV wavelength range according to DIN 5031 Part 7). In this wavelength range it is often not possible to work exclusively with transmissive optical elements; rather, it is usually necessary to use reflective optical elements as well. Reflective optical elements which have a substrate and a metal layer or a metallic surface, which often consists of aluminum or contains aluminum, have proven useful. An overlying metal fluoride layer, which is intended to serve as a protective layer to protect the metal layer from oxidation, can be applied to the metal layer.
Trotz des Aufbringens von Schutzschichten in Form von Metallfluoriden hat sich gezeigt, dass bei hohen Strahlungsintensitäten wie sie in der Lithographie und insbesondere bei der Inspektion von Masken und Wafern vorkommen, bereits innerhalb von wenigen Tagen oder ggf. von Stunden eine starke Degradation des reflektierenden optischen Elements erfolgt, die mit einem hohen Reflektivitätsverlust einhergeht. Bei der Degradation der Metallschicht wird typischerweise das Material der Metallschicht, z.B. Al, in ein Metalloxid umgewandelt, z.B. in Al2O3, was einen deutlichen Reflexionsverlust zur Folge hat.Despite the application of protective layers in the form of metal fluorides, it has been shown that with high radiation intensities such as occur in lithography and especially when inspecting masks and wafers, severe degradation of the reflective optical element already occurs within a few days or possibly hours occurs, which is associated with a high loss of reflectivity. When the metal layer is degraded, the material of the metal layer, for example Al, is typically converted into a metal oxide, for example Al 2 O 3 , which results in a significant loss of reflection.
In der
Beim Aufbringen einer zusätzlichen Schutzschicht in Form einer Oxidlage besteht jedoch das Problem, dass die meisten Oxide bei Wellenlängen von weniger als 160 nm eine hohe Absorption aufweisen und daher zu großen Reflektivitäts-Verlusten führen können. In der
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht, ein reflektierendes optisches Element und eine optische Anordnung mit einem solchen optischen Element bereitzustellen, die eine Verlängerung der Lebensdauer des optischen Elements ermöglichen.The object of the invention is to provide a method for producing a protective layer, a reflective optical element and an optical arrangement with such an optical element, which make it possible to extend the service life of the optical element.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend: Bilden der Schutzschicht an der Metallfluoridschicht durch Bestrahlen der Metallfluoridschicht mit Strahlung bei mindestens einer Wellenlänge von weniger als 300 nm, bevorzugt von weniger als 200 nm, wobei das Bestrahlen in einer Umgebung mit einem Wasser-Gehalt von weniger als 0,5 ppmV, bevorzugt von weniger als 0,3 ppmV, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 ppmV, außerordentlich bevorzugt von weniger als 0,03 ppmV, insbesondere von weniger als 0,01 ppmV, durchgeführt wird.According to a first aspect, this object is achieved by a method of the type mentioned at the beginning, comprising: forming the protective layer on the metal fluoride layer by irradiating the metal fluoride layer with radiation at at least one wavelength of less than 300 nm, preferably less than 200 nm, the irradiation in an environment with a water content of less than 0.5 ppmV, preferably less than 0.3 ppmV, particularly preferably less than 0.1 ppmV, extraordinarily preferably less than 0.03 ppmV, in particular less than 0 , 01 ppmV.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, durch Bestrahlen der Metallfluoridschicht eine Schutzschicht (Passivierungsschicht) an dem optischen Element, genauer gesagt an der Oberseite der Metallfluoridschicht, auszubilden, welche die Lebensdauer des optischen Elements erhöht. Auf diese Weise kann auf das Aufbringen einer weiteren Schutzschicht in Form einer Oxidschicht verzichtet werden, wie dies in der
Die Erfinder haben herausgefunden, dass bei der Bestrahlung mit Strahlung im UV-Wellenlängenbereich von weniger als ca. 300 nm, insbesondere von weniger als ca. 200 nm, und in der Regel bei Wellenlängen von mindestens ca. 115 nm, in trockener Atmosphäre, d.h. bei einem Wasser-Gehalt von weniger als ca. 0,3 ppmV (entsprechend einem Wasser-Partialdruck von weniger als 3 × 10-4 mbar) ggf. von weniger als 0,5 ppmV (entsprechend einem Wasser-Partialdruck von weniger als 5 × 10-4 mbar) die Metallfluoridschicht - auch bei einer Variation der experimentellen Bedingungen - auf vergleichsweise kurzen Zeitskalen in einen vergleichbaren Endzustand übergeht. Die Erfinder haben zu diesem Zweck u.a. die Zeitdauer der Bestrahlung, die Bestrahlungsdosis, die Bestrahlungsintensität, den Ausgangszustand des optischen Elements (unterschiedliche Beschichtungs-Batches), den Bestrahlungsaufbau und die Wellenlänge der für die Bestrahlung verwendeten Strahlung variiert. Hierbei wurde ein jeweils vergleichbarer Endzustand nach der Bestrahlung beobachtet.The inventors have found that when irradiated with radiation in the UV wavelength range of less than approx. 300 nm, in particular less than approx. 200 nm, and generally at wavelengths of at least approx. 115 nm, in a dry atmosphere, ie with a water content of less than approx. 0.3 ppmV (corresponding to a water partial pressure of less than 3 × 10 -4 mbar) possibly less than 0.5 ppmV (corresponding to a Water partial pressure of less than 5 × 10 -4 mbar) the metal fluoride layer changes to a comparable final state on a comparatively short time scale, even if the experimental conditions are varied. For this purpose, the inventors varied the duration of the irradiation, the irradiation dose, the irradiation intensity, the initial state of the optical element (different coating batches), the radiation structure and the wavelength of the radiation used for the irradiation. In each case, a comparable final state was observed after the irradiation.
Bei den Experimenten hat sich gezeigt, dass der Wasser-Gehalt in der Umgebung des reflektierenden optischen Elements während der Bestrahlung einen kritischen Parameter für das Auftreten des Passivierungseffekts darstellt: Wird ein bestimmter Grenzwert des Wasser-Gehalts überschritten, der beispielsweise bei ca. 0,4 - 0,5 ppmV liegt, tritt der Passivierungseffekt nicht auf und die Metallschicht degradiert unter Bildung eines Metalloxids.The experiments have shown that the water content in the vicinity of the reflective optical element during the irradiation is a critical parameter for the occurrence of the passivation effect: If a certain limit value for the water content is exceeded, for example around 0.4 - 0.5 ppmV, the passivation effect does not occur and the metal layer degrades with the formation of a metal oxide.
Durch die Bestrahlung wird die Metallfluoridschicht bzw. deren Material passiviert, genauer gesagt wird ein oberflächennaher Volumenbereich der Metallfluoridschicht an ihrer der Umgebung zugewandten Oberfläche in die passivierende (typischerweise oxidische) Schutzschicht umgewandelt. Die bei der Bestrahlung gebildete Schutzschicht erstreckt sich daher typischerweise nicht über die gesamte Dicke der Metallfluoridschicht. Die Schutzschicht weist in der Regel weniger als die 50%, weniger als 40 %, weniger als 30 % oder weniger als 10 % der Dicke der Metallfluoridschicht auf. Die passivierende Schutzschicht weist (potentiell) eine hohe Dichte auf, wie weiter unten näher beschrieben wird.The metal fluoride layer or its material is passivated by the irradiation; The protective layer formed during the irradiation therefore typically does not extend over the entire thickness of the metal fluoride layer. The protective layer generally has less than 50%, less than 40%, less than 30% or less than 10% of the thickness of the metal fluoride layer. The passivating protective layer has (potentially) a high density, as will be described in more detail below.
Es hat sich experimentell gezeigt, dass der oben beschriebene Passivierungseffekt auf kurzen Zeitskalen abläuft und die Rate für nachfolgende (schnell ablaufende) Degradation bzw. für die nachfolgende Reduzierung der Reflektivität bei der erneuten und/oder länger andauernden Bestrahlung des reflektierenden optischen Elements mit UV-Strahlung signifikant reduziert.It has been experimentally shown that the passivation effect described above takes place on short time scales and the rate for subsequent (rapidly occurring) degradation or for the subsequent reduction in reflectivity when the reflective optical element is irradiated again and / or for longer periods of time with UV radiation significantly reduced.
Nachfolgend wird versucht, eine Erklärung für die experimentellen Beobachtungen zu geben. Es versteht sich, dass diese Erklärung nicht zwingend korrekt sein muss, d.h. es ist nicht auszuschließen, dass es für die experimentellen Beobachtungen eine andere Erklärung gibt.In the following an attempt is made to give an explanation for the experimental observations. It goes without saying that this explanation does not necessarily have to be correct, i.e. it cannot be ruled out that there is another explanation for the experimental observations.
Die Bildung der passivierenden Schutzschicht beinhaltet vermutlich die folgenden Schritte:
- 1. Absorption von Strahlung im UV- bzw. VUV-Wellenlängenbereich mit Energien nahe der Bandkante des Metallfluorids und damit die Anregung von Elektronen ins Leitungsband und/oder Exzitonenzuständen und/oder Defektzuständen nahe der Bandkante,
- 2. Relaxation der zuvor angeregten Elektronen unter Abgabe der Energiedifferenz an das ionische Gitter des Metallfluorids (Farbzentren),
- 3. In Konsequenz dieses Mechanismus, Fluorfehlstellengeneration und Bildung von interstitiellem (ungebundenen) Fluor,
- 4. Diffusion von Fluoratomen und Verlust von Fluor über die der Umgebung zugewandte Oberfläche der Metallfluoridschicht, sowie
- 5. Oxidation des Metallatoms der Metallfluoridschicht.
- 1. Absorption of radiation in the UV or VUV wavelength range with energies near the band edge of the metal fluoride and thus the excitation of electrons into the conduction band and / or exciton states and / or defect states near the band edge,
- 2. Relaxation of the previously excited electrons, releasing the energy difference to the ionic lattice of the metal fluoride (color centers),
- 3. As a consequence of this mechanism, generation of fluorine vacancies and formation of interstitial (unbound) fluorine,
- 4. Diffusion of fluorine atoms and loss of fluorine over the surface of the metal fluoride layer facing the surroundings, as well
- 5. Oxidation of the metal atom of the metal fluoride layer.
Es ist weiterhin zu vermuten, dass atomarer Massentransport an der Oberfläche einen wesentlichen Beitrag zu diesem Passivierungseffekt liefert. Umlagerungen bzw. ein Massentransport an einer freiliegenden Oberfläche an Substraten in Form von Metallfluorid-Einkristallen, z.B. MgF2, CaF2, LiF, durch Einbringen eines Energieeintrags, z.B. durch UV-Bestrahlung, sind beispielsweise in der
Der atomare Massentransport könnte dazu beitragen, die intrinsische Porosität der Metallfluoridschicht (Korngrenzen, Selbstabschattungseffekte während der Beschichtung, ...) oberflächennah zu versiegeln und damit Sauerstofftransportkanäle zur darunterliegenden Grenzfläche zwischen der Metallfluoridschicht und der Metallschicht zu unterbinden.The atomic mass transport could help to seal the intrinsic porosity of the metal fluoride layer (grain boundaries, self-shadowing effects during the coating, ...) close to the surface and thus prevent oxygen transport channels to the underlying interface between the metal fluoride layer and the metal layer.
Unter der Annahme der Richtigkeit der oben beschriebenen physikalischen Prozesse zur Ausbildung der Schutzschicht impliziert dies, dass die Schutzschicht in ihrer Dicke selbstlimitiert ist. Hierfür gibt es zwei unabhängige Argumentationspfade:
- 1. Ab einer kritischen Dicke wirkt die Schutzschicht als Diffusionsbarriere für das interstitiell diffundierende Fluor und/oder Sauerstoff.
- 2. Zur Generation von Farbzentren im Metallfluorid und/oder an der Grenzfläche und/oder an der der Umgebung zugewandten Oberfläche ist Strahlung hinreichend hoher Energie nötig. Oxide haben signifikant kleinere Bandlücken, so dass mit wachsender Oxid-Schichtdicke zunehmend solche Photonen absorbiert werden, die potenziell zur Bildung von Farbzentren notwendig sind.
- 1. Above a critical thickness, the protective layer acts as a diffusion barrier for the interstitially diffusing fluorine and / or oxygen.
- 2. To generate color centers in the metal fluoride and / or at the interface and / or Radiation of sufficiently high energy is required on the surface facing the environment. Oxides have significantly smaller band gaps, so that with increasing oxide layer thickness, more and more photons are absorbed that are potentially necessary for the formation of color centers.
In beiden Fällen ist die Schutzschicht selbstlimitiert (mit evtl. logarithmischer Dynamik) und in ihrer Stärke nur so dick, dass sie der grundlegenden Ursache der Degradation entgegenwirkt, d.h. der Farbzentren-Generation bzw. der Fluor- und/oder Sauerstoff-Diffusionslänge. Damit bietet der hier beschriebene Mechanismus die Möglichkeit, funktionale Schutzschichten zu realisieren, die unterhalb der Koaleszenz-Dicken von aufgedampften/gesputterten Schutzschichten aus Metalloxiden liegen. Der Einfluss einer solchen Schutzschicht auf die optische Performance bei VUV-Wellenlängen zwischen ca. 115 nm und ca. 190 nm ist entsprechend geringer.In both cases, the protective layer is self-limited (with possibly logarithmic dynamics) and its thickness is only so thick that it counteracts the fundamental cause of the degradation, i.e. the generation of color centers or the fluorine and / or oxygen diffusion length. The mechanism described here offers the possibility of realizing functional protective layers that are below the coalescence thicknesses of vapor-deposited / sputtered protective layers made of metal oxides. The influence of such a protective layer on the optical performance at VUV wavelengths between approx. 115 nm and approx. 190 nm is correspondingly less.
Das Bestrahlen der Metallfluoridschicht des optischen Elements erfolgt nach dem Aufbringen der Beschichtung, typischerweise in einer eigens zu diesem Zweck vorgesehenen Bestrahlungseinrichtung. Die Bestrahlung kann ggf. auch in einer optischen Anordnung erfolgen, in die das reflektierende optische Element eingebaut ist, um im Betrieb der optischen Anordnung seine vorgesehene Funktion zu erfüllen. Bei der optischen Anordnung kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur Inspektion von Wafern oder von Masken bzw. um eine Lithographieanlage handeln. In diesem Fall erfolgt die Bestrahlung typischerweise vor der Inbetriebnahme der optischen Anordnung.The metal fluoride layer of the optical element is irradiated after the coating has been applied, typically in an irradiation device provided specifically for this purpose. The irradiation can optionally also take place in an optical arrangement in which the reflective optical element is installed in order to fulfill its intended function when the optical arrangement is in operation. The optical arrangement can be, for example, a device for inspecting wafers or masks or a lithography system. In this case, the irradiation typically takes place before the optical arrangement is put into operation.
Bei einer Variante des Verfahrens wird das Bestrahlen in einer Umgebung mit einem Sauerstoff-Gehalt von weniger als 0,1 ppmV durchgeführt. Für die Erzeugung des Passivierungseffekts hat es sich als günstig erwiesen, wenn nicht nur der Wasser-Gehalt sondern auch der Sauerstoff-Gehalt in der Umgebung des reflektierenden optischen Elements bei der Bestrahlung möglichst gering ist.In a variant of the method, the irradiation is carried out in an environment with an oxygen content of less than 0.1 ppmV. For the generation of the passivation effect, it has proven to be advantageous if not only the water content but also the oxygen content in the vicinity of the reflective optical element is as low as possible during the irradiation.
Bei einer weiteren Variante wird das Bestrahlen der Metallfluoridschicht mit einer Bestrahlungsstärke von mindestens 50 mW/cm2, bevorzugt von mindestens 100 mW/cm2, insbesondere von mindestens 200 mW/cm2 durchgeführt. Die Zeitdauer der Bestrahlung und die Bestrahlungsstärke sind miteinander korreliert, wobei eine größere Bestrahlungsstärke die Zeitdauer reduziert, die benötigt wird, bis sich die passivierende (potentiell selbstlimitierende) Schutzschicht ausbildet.In a further variant, the metal fluoride layer is irradiated with an irradiance of at least 50 mW / cm 2 , preferably of at least 100 mW / cm 2 , in particular of at least 200 mW / cm 2 . The duration of the irradiation and the irradiance are correlated with one another, with a greater irradiance reducing the time that is required until the passivating (potentially self-limiting) protective layer is formed.
Bei einer weiteren Variante wird das Bestrahlen der Metallfluoridschicht über eine Zeitdauer von mindestens einem Tag durchgeführt. Wie weiter oben beschrieben wurde, läuft die Bildung der passivierenden Schutzschicht auf vergleichsweise kurzen Zeitskalen ab, die in der Größenordnung von Tagen liegt. Bei einer Bestrahlungsstärke von ca. 100 mW/cm2 oder darüber liegt die Zeitdauer bis zur Bildung einer die Degradation der Metallschicht wirksam verhindernden Schutzschicht typischerweise bei weniger als ca. 2 Tagen, bei einer Bestrahlungsstärke von ca. 400 mW/cm2 bei ca. 1,5 Tagen, etc.In a further variant, the metal fluoride layer is irradiated for a period of at least one day. As described above, the formation of the passivating protective layer takes place on comparatively short time scales, which are in the order of magnitude of days. With an irradiance of approx. 100 mW / cm 2 or more, the time until a protective layer is formed, which effectively prevents the degradation of the metal layer, is typically less than approx. 2 days, with an irradiance of approx. 400 mW / cm 2 approx. 1.5 days, etc.
Für die Bestrahlung bei den oben angegebenen Bestrahlungsstärken werden als Bestrahlungsquellen typischerweise UV-Lampen (Excimer-Lampen) verwendet, die Strahlung bei einer vorgegebenen Wellenlänge emittieren. Es ist aber auch möglich, für die Bestrahlung eine breitbandige UV-Strahlungsquelle, z.B. in Form einer Gasentladungslampe, beispielsweise einer Deuterium(D2)-Gasentladungslampe, zu verwenden.For the irradiation at the radiation intensities specified above, UV lamps (excimer lamps) which emit radiation at a predetermined wavelength are typically used as radiation sources. However, it is also possible to use a broadband UV radiation source for the irradiation, for example in the form of a gas discharge lamp, for example a deuterium (D 2 ) gas discharge lamp.
Bei einer weiteren Variante wird die Strahlung beim Bestrahlen auf die Oberfläche der Metallfluoridschicht fokussiert. Die Strahlung wird in der Regel auf einen Spot bzw. einen Fokus mit einer vergleichsweise geringen Spot-Größe fokussiert. Um die gesamte Oberfläche der Metallfluoridschicht zu bestrahlen, wird der Spot relativ zur Oberfläche der Metallfluoridschicht bewegt, typischerweise wird die Oberfläche der Metallfluoridschicht scannend mit dem Spot abgefahren. Durch die Fokussierung können die weiter oben beschriebenen Bestrahlungsstärken erreicht werden, ohne dass zu diesem Zweck eine Bestrahlungsquelle mit einer sehr hohen Leistung bzw. eine vergleichsweise lange Bestrahlungsdauer erforderlich ist.In a further variant, the radiation is focused on the surface of the metal fluoride layer during the irradiation. The radiation is usually focused on a spot or a focus with a comparatively small spot size. In order to irradiate the entire surface of the metal fluoride layer, the spot is moved relative to the surface of the metal fluoride layer, typically the surface of the metal fluoride layer is scanned with the spot. By focusing, the above-described irradiance levels can be achieved without the need for an irradiation source with a very high power or a comparatively long irradiation time for this purpose.
Bei einer weiteren Variante wird während der Bestrahlung eine Umgebung des optischen Elements mit einem für die Strahlung transparenten Spülgas gespült. Bei dieser Variante wird das reflektierende optische Element bei der Bestrahlung typischerweise in eine Umgebung bzw. in eine Atmosphäre eingebracht, in welcher (im Wesentlichen) Atmosphärendruck (ca. 1 bar) herrscht. Dies ist günstig, da sich gezeigt hat, dass bei einer Bestrahlung im Vakuum bei einem Gesamt-Druck von weniger als ca. 4 × 10-7 mbar keine passivierende Schutzschicht gebildet wird.In a further variant, an area surrounding the optical element is flushed with a flushing gas that is transparent to the radiation during the irradiation. In this variant, during the irradiation, the reflective optical element is typically introduced into an environment or into an atmosphere in which (essentially) atmospheric pressure (approx. 1 bar) prevails. This is favorable because it has been shown that no passivating protective layer is formed in the case of irradiation in a vacuum at a total pressure of less than approx. 4 × 10 -7 mbar.
In der Umgebung des optischen Elements ist ein transparentes Spülgas eingebracht bzw. der Umgebung wird ein Spülgas zugeführt, um Kontaminationen der Oberfläche der Metallfluoridschicht bei der Bestrahlung zu vermeiden. Bei dem Spülgas handelt es sich bevorzugt um ein Edelgas, z.B. aus der Gruppe He, Ne, Ar, Kr, Xe und deren Gemische, um eine andere Art von Inertgas, z.B. um Stickstoff, oder um Formiergas, d.h. typischerweise um eine Mischung aus Stickstoff oder einem Edelgas, z.B. Argon, und Wasserstoff. Eine Trocknung des zugeführten Spülgases ist günstig, um den oben angegebenen Wert für den Wasser-Gehalt in der Umgebung nicht zu überschreiten.A transparent flushing gas is introduced in the vicinity of the optical element or a flushing gas is supplied to the environment in order to avoid contamination of the surface of the metal fluoride layer during the irradiation. The purge gas is preferably a noble gas, for example from the group He, Ne, Ar, Kr, Xe and mixtures thereof, another type of inert gas, for example nitrogen, or forming gas, ie typically a mixture of nitrogen or a noble gas such as argon and hydrogen. A drying of the supplied Purge gas is beneficial in order not to exceed the value given above for the water content in the environment.
Bei einer weiteren Variante wird der Wasser-Gehalt in der Umgebung des reflektierenden optischen Elements während der Bestrahlung bestimmt und eingestellt bzw. kontrolliert. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn der Wasser-Gehalt in der Umgebung des reflektierenden optischen Elements unter einem kritischen Grenzwert liegt, der gemäß der vorliegenden experimentellen Daten bei ca. 300 ppbV bzw. 0,3 ppmV liegt. Experimentell wurde nachgewiesen, dass bei einem Wasser-Gehalt von mehr als ca. 0,4 oder 0,5 ppmV der oben beschriebene Passivierungs-Effekt nicht auftritt, was eine Oxidation der Metallschicht zur Folge hat. Mit Hilfe von präzisen Sensoren kann der Wasser-Gehalt in der Umgebung des reflektierenden optischen Elements bestimmt und ggf. eingestellt bzw. geregelt werden, indem die Menge des zugeführten Spülgases und/oder die Trocknung des Spülgases geeignet beeinflusst wird, um zu verhindern, dass der Wasser-Gehalt über den Grenzwert ansteigt. Für die Regelung des Wasser-Gehalts in der Umgebung des optischen Elements kann eine Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung vorgesehen sein.In a further variant, the water content in the vicinity of the reflective optical element is determined and adjusted or controlled during the irradiation. In principle, it is sufficient if the water content in the vicinity of the reflective optical element is below a critical limit value which, according to the experimental data available, is approx. 300 ppbV or 0.3 ppmV. Experiments have shown that the passivation effect described above does not occur at a water content of more than approx. 0.4 or 0.5 ppmV, which results in oxidation of the metal layer. With the help of precise sensors, the water content in the vicinity of the reflective optical element can be determined and, if necessary, adjusted or regulated by appropriately influencing the amount of flushing gas supplied and / or the drying of the flushing gas in order to prevent the Water content rises above the limit value. A control or regulating device can be provided for regulating the water content in the vicinity of the optical element.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein reflektierendes optisches Element der eingangs genannten Art, bei dem an der Metallfluoridschicht eine Schutzschicht gebildet ist, die gemäß dem weiter oben beschriebenen Verfahren gebildet bzw. hergestellt ist. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben ist, verhindert bzw. verlangsamt die Schutzschicht eine Degradation der Metallschicht des optischen Elements und erhöht somit dessen Lebensdauer.Another aspect of the invention relates to a reflective optical element of the type mentioned at the outset, in which a protective layer is formed on the metal fluoride layer, which is formed or produced according to the method described above. As described above in connection with the method, the protective layer prevents or slows down degradation of the metal layer of the optical element and thus increases its service life.
Bei einer Ausführungsform weist die Metallfluoridschicht mindestens ein Material auf, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Magnesiumfluorid, Aluminiumfluorid, Natriumfluorid, Lithiumfluorid, Chiolith, Kryolith, Erbiumfluorid, Neodymfluorid, Gadoliniumfluorid, Dysprosiumfluorid, Samariumfluorid, Holmiumfluorid, Hafniumfluorid, Lanthanfluorid, Europiumfluorid, Lutetiumfluorid, Ceriumfluorid, Bariumfluorid, Yttriumfluorid. Diese Fluoride weisen im VUV-Wellenlängenbereich eine geringe Absorption und eine vergleichsweise große Strahlungsresistenz auf.In one embodiment, the metal fluoride layer has at least one material selected from the group comprising: magnesium fluoride, aluminum fluoride, sodium fluoride, lithium fluoride, chiolite, cryolite, erbium fluoride, neodymium fluoride, gadolinium fluoride, dysprosium fluoride, samarium fluoride, holmium fluoride, lutium fluoride, hafnantium fluoride , Cerium fluoride, barium fluoride, yttrium fluoride. In the VUV wavelength range, these fluorides have a low absorption and a comparatively high radiation resistance.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Metallschicht mindestens ein Material aufweist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Aluminium, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Magnesium, Germanium oder eine Kombination davon. Die Metallschicht kann auch aus einer Legierung der genannten Materialien gebildet sein. Beispielsweise kann es sich um eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Mangan-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Mangan-Legierung, etc. handeln. Die genannten Materialien weisen eine hinreichend gute Reflektivität im VUV-Wellenlängenbereich auf. Die Metallschicht kann eine eigene Schicht bilden, die auf das Substrat aufgebracht ist, es ist aber auch möglich, dass die Metallschicht von der Oberfläche eines metallischen Substrats gebildet wird, die in diesem Fall typischerweise poliert wird.In a further embodiment, the metal layer has at least one material which is selected from the group comprising: aluminum, rhodium, ruthenium, palladium, osmium, iridium, platinum, magnesium, germanium or a combination thereof. The metal layer can also be formed from an alloy of the materials mentioned. For example, it can be an aluminum-silicon alloy, an aluminum-manganese alloy, an aluminum-silicon-manganese alloy, etc. The materials mentioned have a sufficiently good reflectivity in the VUV wavelength range. The metal layer can form its own layer, which is applied to the substrate, but it is also possible that the metal layer is formed from the surface of a metallic substrate, which in this case is typically polished.
Bei dem Substrat kann es sich um (synthetisches) Quarzglas, insbesondere um titandotiertes Quarzglas, um Kalziumfluorid, Magnesiumfluorid, eine Keramik, eine Glaskeramik, Silizium, Siliziumcarbid, Silizium-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff, Aluminium, Kupfer, um eine Aluminium-Kupferlegierung, etc. handeln. Die genannten Metalle können durch Polieren ihrer Oberfläche direkt zur Reflexion von Strahlung im VUV-Wellenlängenbereich eingesetzt werden, ohne dass zu diesem Zweck eine separate Metallschicht erforderlich wäre.The substrate can be (synthetic) quartz glass, in particular titanium-doped quartz glass, calcium fluoride, magnesium fluoride, a ceramic, a glass ceramic, silicon, silicon carbide, silicon-silicon carbide composite material, aluminum, copper, an aluminum-copper alloy, etc. Act. By polishing their surface, the metals mentioned can be used directly to reflect radiation in the VUV wavelength range without a separate metal layer being required for this purpose.
Auf dem Substrat können zusätzlich zu der Metallschicht und der Metallfluoridschicht weitere Schichten aufgebracht sein. Beispielweise kann zwischen der Metallschicht und dem Substrat eine Funktionalschicht gebildet sein, die z.B. als Haftvermittlerschicht oder als Polierschicht dient. Auch kann auf die Metallschicht ein dielektrisches Schichtsystem aufgebracht sein, das mindestens ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex und mindestens ein Material mit einem höheren Brechungsindex im VUV-Wellenlängenbereich bzw. bei der Betriebswellenlänge aufweist, um die Reflektivität des reflektierenden optischen Elements zu erhöhen.In addition to the metal layer and the metal fluoride layer, further layers can be applied to the substrate. For example, a functional layer can be formed between the metal layer and the substrate, which serves, for example, as an adhesion promoter layer or as a polishing layer. A dielectric layer system can also be applied to the metal layer, which has at least one material with a low refractive index and at least one material with a higher refractive index in the VUV wavelength range or at the operating wavelength in order to increase the reflectivity of the reflective optical element.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine optische Anordnung für den VUV-Wellenlängenbereich, insbesondere eine VUV-Lithographieanlage oder ein Wafer-Inspektionssystem, umfassend: einen Innenraum, wobei in dem Innenraum mindestens ein reflektierendes optisches Element zur Reflexion von Strahlung im VUV-Wellenlängenbereich angeordnet ist, das wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist. Die bei der vorhergehenden Bestrahlung gebildete Schutzschicht an dem reflektierenden optischen Element erhöht dessen Lebensdauer, genauer gesagt ist die Abnahme der Reflektivität des reflektierenden optischen Elements mit zunehmender Zeitdauer des Betriebs der optischen Anordnung deutlich geringer als ohne die vorhergehende Bestrahlung. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Bestrahlung zur Bildung der Schutzschicht in der optischen Anordnung selbst oder in einer zu diesem Zweck vorgesehenen Bestrahlungseinrichtung erfolgen.Another aspect of the invention relates to an optical arrangement for the VUV wavelength range, in particular a VUV lithography system or a wafer inspection system, comprising: an interior, with at least one reflective optical element for reflecting radiation in the VUV wavelength range being arranged in the interior , which is designed as described above. The protective layer formed on the reflective optical element during the previous irradiation increases its service life; more precisely, the decrease in the reflectivity of the reflective optical element with increasing duration of the operation of the optical arrangement is significantly less than without the previous irradiation. As has been described above, the irradiation for forming the protective layer can take place in the optical arrangement itself or in an irradiation device provided for this purpose.
Bei einer Ausführungsform liegt der Wasser-Gehalt in dem Innenraum bei weniger als 0,5 ppmV, bevorzugt bei weniger als 0,3 ppmV, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 ppmV, außerordentlich bevorzugt von weniger als 0,03 ppmV, insbesondere von weniger als 0,01 ppmV. Eine Konzentration von Wasser, die kleiner ist als die angegebenen Werte ist in der Regel ausreichend, um die Passivierung zu fördern und zu verhindern, dass die Schutzschicht degradiert. Auch der Gehalt an Sauerstoff in dem Innenraum sollte nicht zu groß sein und bei weniger als ca. 1 ppmV, bevorzugt bei weniger als 0,3 ppmV, besonders bevorzugt bei weniger als 0,05 ppmV liegen.In one embodiment, the water content in the interior is less than 0.5 ppmV, preferably less than 0.3 ppmV, in particular preferably less than 0.1 ppmV, extremely preferably less than 0.03 ppmV, in particular less than 0.01 ppmV. A concentration of water that is less than the specified values is usually sufficient to promote passivation and prevent the protective layer from degrading. The oxygen content in the interior should also not be too great and should be less than approx. 1 ppmV, preferably less than 0.3 ppmV, particularly preferably less than 0.05 ppmV.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die optische Anordnung mindestens einen Wasser-Sensor zur Bestimmung des Wasser-Gehalts in dem Innenraum. Die Bestimmung des Wasser-Gehalts mit Hilfe eines geeigneten Wasser-Sensors ermöglicht es, den Wasser-Gehalt in dem Innenraum einzustellen bzw. zu regeln: Wird von dem Wasser-Sensor ein Anstieg des Wasser-Gehalts detektiert, können Maßnahmen getroffen werden, die einem weiteren Anstieg des Wasser-Gehalts entgegenwirken. Beispielsweise kann in diesem Fall die Trocknung eines ggf. in den Innenraum zugeführten Spülgases (s.u.) verbessert werden.In a further embodiment, the optical arrangement comprises at least one water sensor for determining the water content in the interior. The determination of the water content with the help of a suitable water sensor makes it possible to set or regulate the water content in the interior: If the water sensor detects an increase in the water content, measures can be taken that counteract any further increase in the water content. For example, in this case the drying of a purge gas (see below) that may be fed into the interior can be improved.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die optische Anordnung zur Zuführung mindestens eines Spülgases in den Innenraum, insbesondere über mindestens einen Gaseinlass, ausgebildet. Wie bei der Bestrahlung des reflektierenden optischen Elements zur Bildung der Schutzschicht ist es auch im Betrieb der optischen Anordnung günstig, die Oberfläche des reflektierenden optischen Elements mit Hilfe eines Spülgases vor Kontaminationen zu schützen. Der Gesamtdruck in dem Innenraum liegt in der Regel ungefähr bei Atmosphärendruck, d.h. in dem Innenraum wird typischerweise kein Vakuum erzeugt. Bei dem Spülgas kann es sich insbesondere um eines oder mehrere der weiter oben in Zusammenhang mit der Bestrahlung des optischen Elements genannten Spülgase handeln.In a further embodiment, the optical arrangement is designed to supply at least one flushing gas into the interior, in particular via at least one gas inlet. As with the irradiation of the reflective optical element to form the protective layer, it is also advantageous when the optical arrangement is in operation to protect the surface of the reflective optical element from contamination with the aid of a flushing gas. The total pressure in the interior is usually around atmospheric pressure, i.e. typically no vacuum is generated in the interior. The flushing gas can in particular be one or more of the flushing gases mentioned above in connection with the irradiation of the optical element.
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.Further features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be implemented individually or collectively in any combination in a variant of the invention.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
-
1a,b schematische Darstellungen der Bestrahlung eines reflektierenden optischen Elements zur Bildung einer passivierenden Schutzschicht, -
2a-d schematische Darstellungen der Reflektivität des optischen Elements von1a,b vor bzw. nach der Bestrahlung mit unterschiedlichen Bestrahlungsparametern, -
3a-d schematische Darstellungen der Reflektivität bzw. des Verlusts an Reflektivität während der Bestrahlung, -
4a,b schematische Darstellungen der Reflektivität vor und nach der Bestrahlung bei zwei unterschiedlichen Werten des Wasser-Gehalts in der Umgebung des optischen Elements, -
5 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung für den VUV-Wellenlängenbereich in Form einer VUV-Lithographieanlage, sowie -
6 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung für den VUV-Wellenlängenbereich in Form eines Wafer-Inspektionssystems.
-
1a, b schematic representations of the irradiation of a reflective optical element to form a passivating protective layer, -
2a-d schematic representations of the reflectivity of the optical element of FIG1a, b before and after irradiation with different irradiation parameters, -
3a-d schematic representations of the reflectivity or the loss of reflectivity during irradiation, -
4a, b schematic representations of the reflectivity before and after the irradiation with two different values of the water content in the vicinity of the optical element, -
5 a schematic representation of an optical arrangement for the VUV wavelength range in the form of a VUV lithography system, and -
6th a schematic representation of an optical arrangement for the VUV wavelength range in the form of a wafer inspection system.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawings, identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.
Das in
Es hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein der Metallfluoridschicht
Um die Lebensdauer des reflektierenden optischen Elements
Wie in
In Experimenten hat sich gezeigt, dass die Bildung der passivierenden Schutzschicht
Grundsätzlich ist es günstig, wenn der Wasser-Gehalt CH2O in dem Innenraum
Für die Bildung der Schutzschicht
Experimentell hat sich gezeigt, dass unter den angegebenen Bedingungen für den Wasser-Gehalt CH2O sowie für den Sauerstoff-Gehalt CO2 in dem Innenraum
Für die Bestrahlung wird bei dem in
Die Schutzschicht
Bei dem in
Wie durch einen Vergleich der bei unterschiedlichen Bestrahlungsparametern erhaltenen Reflektivitätsverläufe in dem Spot nach der Bestrahlung erkennbar ist, ist der Endzustand der Reflektivität R bei allen in
Wie anhand des zeitlichen Verlaufs in
Die Zeitdauer, die erforderlich ist, bis sich die Schutzschicht
Bei dem in
Erfolgt die Bestrahlung jedoch auf die in Zusammenhang mit
Die weiter oben beschriebenen Experimente wurden an einer Metallfluoridschicht
Nachfolgend werden anhand von
In
Die von der Strahlungsquelle
Die Maske
In
Das Wafer-Inspektionssystem
Bei dem in
Bei der Bestrahlung der jeweiligen reflektierenden optischen Elemente
Für die Einstellung bzw. Regelung des Wasser-Gehalts CH2O bzw. des Sauerstoff-Gehalts CO2 in dem jeweiligen Innenraum
Um die reflektierenden optischen Elemente
Zusammenfassend kann auf die weiter oben beschriebene Weise eine Selbstpassivierung der Metallfluoridschicht
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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