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Die Erfindung betrifft eine optische
Anordnung mit mindestens einer Linse, einem Lichtbündel, einer
optischen Achse und einer dazu senkrechten Ebene, wobei das Lichtbündel in
der Ebene tangential oder radial zur optischen Achse polarisiert
ist und die Linse benachbart zu der oder in der Ebene angeordnet
ist.
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Eine derartige Anordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der
DE
100 29 938 A bekannt in einer Ausführung, bei der MgF
2 als
Linsenmaterial dient und die Lichtwellenlänge in einem sehr engen Intervall
um die ausgezeichnete Wellenlänge
(bei 119 nm) liegt, bei der MgF
2 nicht doppelbrechend
ist.
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In der Patentanmeldung
DE 100 10 131 A (US Ser.
No. 09/510 875) ist Mikrolithographie mit tangential polarisierter
Beleuchtung ausführlich
beschrieben, auch die Bereitstellung wird erläutert. Ein Zusammenhang mit
Brechungseigenschaften der Linsenmaterialien wird jedoch nicht angegeben. Auch
Systeme mit radialer Polarisation sind dort zitiert.
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MgF
2 als
Linsenmaterial wird in der
DE
199 29 701 A (US Ser. No. 09/451 505) für den DUV/VUV-Bereich angesprochen,
aber wegen der Doppelbrechung als ungeeignet abgelehnt. Diese Anmeldungen
und die darin enthaltenen Zitate sollen ausdrücklich auch Teil der Offenbarung
dieser Patentanmeldung sein.
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Aus
US 5,867,315 A ist eine polarisationsselektive
Bifokal-Linse aus zwei Teil-Linsen bekannt, woraus mindestens eine
Teil-Linse aus optisch einachsig doppelbrechendem Kristall besteht.
In einem Ausführungsbeispiel
ist ein Kittglied aus zwei Kristalllinsen mit zueinander orthogonal
orientierten Hauptachsen angegeben, deren eine in Richtung der optischen
Achse/der Formsymmetrieachse orientiert ist. Es wird so ein optisches
Glied dargestellt, das für eine
Polarisationsrichtung als Planplatte, für die dazu senkrechte als Linse
wirkt. Anwendung findet dies in der Scanning-Auslesung von Datenträgern, also
mit kleinem Feld, nahezu paraxial. Das einfallende Licht ist unpolarisiert,
das ausgehende wird in zwei zueinander orthogonal linear polarisierte
Bündel
aufgespalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es demnach,
optischen Systemen im DUV/VUV-Wellenlängenbereich weitere
Materialien zugänglich
zu machen, die insbesondere zur Achromatisierung vorteilhaft sind,
ohne dass enge Restriktionen der Wellenlänge eingehalten werden müssen.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt
für eine gattungsgemäße optische
Anordnung durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1, also dadurch,
dass die Linse aus – bei
dem Wellenlängenintervall
des Lichtbündels – einachsig
doppelbrechendem Material besteht und die optische Kristallachse
des Materials parallel zur optischen Achse der optischen Anordnung
ausgerichtet ist. Insbesondere ist dabei MgF
2 vorgesehen,
das bisher außer
bei der ausgezeichneten Wellenlänge
bei 119 nm wegen seiner Doppelbrechung als Linsenmaterial abgelehnt wurde.
Aus der
DE 100 10 131
A ist dabei bekannt, dass die als Voraussetzung für den Einsatz
von doppelbrechendem Material erforderliche tangentiale bzw. radiale
Polarisation auch für
den Bildkontrast Vorteile hat und auf verschiedene An bereitgestellt werden
kann. Erfindungsgemäß ist also
vorgesehen, dass alle Linsen, welche aus optisch einachsig doppelbrechendem
Material bestehen, mit der optischen Kristallachse parallel zur
optischen Achse ausgerichtet sind.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch 2 ist dabei vorgesehen, dass
die erfindungsgemäße Linse
aus einachsig doppelbrechendem Material (von der es natürlich auch
mehrere Exemplare in einer Anordnung geben kann) in oder nahe an
einer Pupillenebene angeordnet ist.
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Damit sind die Reststörungen aus
der Doppelbrechung feldunabhängig.
Es tritt also eine gleichmäßige Begrenzung
des Auflösungsvermögens, nicht
aber eine Verzeichnung oder dergleichen auf.
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Mit dem Grenzwert der numerischen
Apertur an der Linse von 0,1 gemäß Anspruch
3 wird sichergestellt, dass die Reststörungen sehr klein bleiben. Die
numerische Apertur eines optischen Systems, z.B. eines Projektionsobjektivs
mit einer erfindungsgemäßen Anordnung
ist dadurch nicht beschränkt, besonders
wenn die Linse im Bereich der Pupillenebene (System-Aperturebene)
angeordnet ist.
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Gemäß Anspruch 4 ist eine vorteilhafte
Lichtquelle vorgesehen, nämlich
ein Laser – vorzugsweise
ein Excimer-Laser –,
der aufgrund von Geometrie und Reflexionseigenschaften des Resonators
direkt radial oder tangential polarisiertes Licht auskoppelt.
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Anspruch 5 gibt die bevorzugte Anwendung der
Erfindung zur (Teil-) Achromatisierung wieder. Im tiefen UV-Bereich
unterhalb der 193 nm Excimer-Laser-Linie, also besonders bei der
157 nm F2-Excimer-Laser-Linie gibt es nur
eine eng begrenzte Auswahl an transparenten und beständigen Linsenwerkstoffen,
nämlich
praktisch nur Fluorid-Kristalle und fluordotiertes Quarzglas. Nur
CaF2 ist bereits aus der 193 nm-Technologie
in der Mikrolithographie etabliert und auch BaF2 ist
in der Optik erprobt. MgF2 wäre wegen
seiner unproblematischen Herstellung und Bearbeitung vorteilhaft
als Partner zur Achromatisierung.
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Bevorzugtes System, in dem die erfindungsgemäße Anordnung
Anwendung findet, ist gemäß Anspruch
6 eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage. Bevorzugte
Wellenlänge
ist dabei 157 nm des F2-Excimerlasers. Bei
größeren Wellenlängen (z.B.
193 nm) sind achromatisierte Objektive aus CaF2 und
Quarzglas verfügbar,
so dass kein Nachfragedruck für
zusätzliche
Materialien besteht.
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Es wird also Material mit störender polarisationsspezifischer
Eigenschaft – Doppelbrechung – durch
gezielte Einstellung der Polarisation und optimalen Einsatzort im
Optiksystem erfindungsgemäß für die äußerst anspruchsvolle
Mikrolithographieoptik nutzbar gemacht.
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Näher
beschrieben wird die Erfindung anhand der Zeichnung.
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Es zeigen
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1:
schematisch eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
erfindungsgemäßer Ausführung.
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2:
schematisch die Strahlengänge
an Retikel und Pupillenebene
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Die in 1 schematisch
dargestellte Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage umfasst als
Lichtquelle einen Laser 1 (F2 Eximerlaser
157 nm), dessen Resonator 11 neben dem planen Ankoppelspiegel 13 einen
zweiten konisch-hohlkegelig-geformten Endspiegel 12 aufweist.
Dieser Endspiegel ist für
S-Polarisation hoch reflektierend, aber für P-Polarisation hoch transmittierend.
Damit ist dies eine Quelle für
radial orientiert linear polarisiertes Licht. Weitere Details, die
F2-Laser als Lichtquelle von Projektionsbelichtungsanlagen
aufweisen, insbesondere zur Bandbreiteneinengung und Wellenlängenstabilisierung
sind bekannt und hier nicht dargestellt. Das selbe gilt für Strahlführungssysteme
und dergleichen.
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Das Beleuchtungssystem 2 ist
von bekannter Art, mit nicht dargestellten Elementen wie Lichtmischer/Integrator,
Aperturanpassung, Retikel-Maskierung, Verschluss, Strahlumlenkung
usw. Es enthält ein
Objektiv mit einer Pupillenebene 21, in deren unmittelbarer
Umgebung eine Linse 22 aus MgF2,
deren Kristallachse senkrecht zur Pupillenebene 21 und
parallel zur optischen Achse liegt, angeordnet ist. Diese ist zur
Achromatisierung des Objektivs in Kombination mit der exemplarisch
gezeigten Linse 23 aus CaF2 oder
BaF2 geeignet und vorgesehen. Details dazu lassen
sich nach Vorgabe der beschriebenen Grundidee mit kommerziellen
Optik-Design-Programmen optimieren.
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Damit wird das Retikel 3 beleuchtet.
Das Muster des Retikel 3 wird vom Projektionsobjektiv 4 auf
das Objekt 5 abgebildet also z.B. auf einen Mikroelektronik-Wafer.
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Das Objektiv 4 kann von
jeder für
die Mikrolithographie geeigneten Bauart mit extremer Auflösung, Verzeichnungsfreiheit,
großem
Bildfeld und hoher bildseitiger Apertur (über 0,6 bis über 0,9,
mit Immersion auch über
1,0) sein. Rein refraktive wie katadioptrische Objektive verschiedenster
bekannter Konzepte und auch Objektive mit diffraktiven/binären Elementen
kommen in Frage.
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Gemäß der Erfindung befindet sich
in der Nähe
einer Pupillenebene (das Objektiv kann mehrere haben, wenn es mit
Zwischenbilder(n) arbeitet) 41 eine Linse 42 aus
optisch einachsigem doppelbrechendem Material, insbesondere MgF2, dessen Hauptachse in Richtung der optischen
Achse senkrecht zur Pupillenebene 41 weist. Diese dient
zur chromatischen Korrektur der als Linse 43 aus CaF2 oder BaF2 stellvertretend
dargestellten weiteren optischen Elemente des Projektionsobjektivs 4.
Auch diese kann nach Vorgabe der erfindungsgemäßen Anordnung der doppelbrechenden
Linse 42 mittels kommerzieller Optik-Design-Programme optimiert werden.
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Zur Kompensation der Doppelbrechungseffekte
im Zusammenwirken der speziellen tangentialen Polarisation, der
Kristallorientierung und der Position der Linse 42 nahe
der Pupillenebene 41 (oder der Linse 22 nahe der
Pupille 21) gilt:
Ein Lichtstrahl, dessen Polarisation
senkrecht zur Ebene steht, die durch die Ausbreitungsrichtung und die
Kristallachse gebildet wird, ist somit ein ordentlicher Strahl und
erfährt
keine Doppelbrechung beim Durchgang durch den Kristall. Das optische
Medium hat für
einen solchen Strahl nur einen Brechungsindex n0.
Stellt man eine Linse aus dem doppelbrechenden Material so her,
dass ihre optische Achse mit der Kristallachse zusammenfällt, so
erreicht man einen konstanten Brechungsindex für alle Tangentialstrahlen mit
dieser Polarisation, und zwar unabhängig vom Ort und Winkel des
Auftreffens dieser Strahlen auf die Linse. Somit wird die Abbildungsqualität des Lithographie-
Objektives von der Doppelbrechung der in der Nähe der Objektivpupille eingesetzten
Linse für
die Tangentialstrahlen nicht beeinflusst.
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Die Voraussetzung dafür liefert
eine bezüglich
der Polarisation rotationssymmetrische Beleuchtungspupille oder
anders ausgedrückt
tangentiale Polarisation des die Abbildung bewirkenden Lichtbündels.
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Anhand 2 betrachten
wir nun die Wirkung einer Linse 42 aus doppelbrechendem
Material (Kristallachse parallel zur optischen Achse ausgerichtet)
in der Objektiv-Pupillenebene 41 auf
die Strahlen, die von einem nicht achsialen Bildpunkt 31 ausgehen.
Die Beleuchtung besitzt eine tangentiale Polarisationsverteilung.
Für Strahlen,
die die Objektiv-Pupillenebene 41 exemplarisch B1–B4 schräg passieren,
ist der Brechungsindex nicht mehr konstant. Zwei Effekte treten
auf:
- 1. eine Modulation des Brechungsindex
in Abhängigkeit
von Pupillenazimuth (unabhängig
von den Krümmungsradien
der Linse). Diese Modulation ist sinusförmig mit der Periode von 180° in der Pupille.
Während
die Strahlen B'1
und B'3 nach wie vor
den ordentlichen Brechungsindex n0, sehen, ist
die Brechzahl für
die Strahlen B'2
und B'4 von n0 verschieden. Diese Modulation führt in erster Näherung zu
einer astigmatischen Wellenfront-Verformung (Zernike-Koeffizient
Z5 fünfter Ordnung)
beim Durchtritt durch die (sphärische) Linse 42 in
der Pupillenebene 41 führt.
Dieser Wellenfrontfehler ist abstimmbar bei der Präzisionsjustage
des Objektivs 4.
- 2. eine Doppelbrechung in Abhängigkeit vom Pupillenazimuth
und vom Auftreffwinkel auf die Linsenoberfläche (d.h. vom Pupillenradius).
Die Doppelbrechung ist maximal für
die Strahlen B'2
und B'4 und verschwindet
für die
Strahlen B'1 und
B'3. Dieser Effekt
spielt angesichts der relativ kleinen maximalen Einfallswinkel der
Strahlen auf die Pupillenebene von Lithographie-Projektionsobjektiven (Größenordnung
lokale NA = 0.1) und vergleichsweise kleinen Krümmungsradien pupillennaher
Linsen verglichen mit dem Punkt 1) eine untergeordnete
Rolle, weil a) das Verhältnis
des außerordentlichen
zum ordentlichen Brechungsindex für einen auf die Linsenoberfläche schräg einfallenden
Strahl sich um die Pupillen-NA (d.h. um mindestens den Faktor 10)
verringert, b) das Intensitätsverhältnis des
außerordentlichen
zum ordentlichen Strahl dank kleiner Brechungswinkel an den Linsenpassen
gering ist (unter 10%). Diese Restdoppelbrechung in einer solchen
Farbkorrektur-Linse führt
zu einer beherrschbaren Kontrastabnahme zum Feldrand hin.
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Das Beispiel zeigt zugleich einen
tangential polarisiertes Licht erzeugenden Laserresonator 11 und
erfindungsgemäße Linsen 22 und 42 sowohl
im Beleuchtungssystem 2 als auch im Projektionsobjektiv 4.
Natürlich
können
auch beliebige Teilkombinationen verwirklicht werden. Immer wird
ein optisch einachsiger doppelbrechender Kristall in einer Weise eingesetzt,
in der er keine störenden
Doppelbrechungseffekte erzeugt.