EP4104021A2 - Optische baugruppe, projektionsbelichtungsanlage und verfahren - Google Patents

Optische baugruppe, projektionsbelichtungsanlage und verfahren

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EP4104021A2
EP4104021A2 EP21705156.4A EP21705156A EP4104021A2 EP 4104021 A2 EP4104021 A2 EP 4104021A2 EP 21705156 A EP21705156 A EP 21705156A EP 4104021 A2 EP4104021 A2 EP 4104021A2
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EP
European Patent Office
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actuator
optical assembly
compensation element
change
optical
Prior art date
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Pending
Application number
EP21705156.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Raba
Johannes Lippert
Markus Raab
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an optical assembly, in particular an optical construction group for a projection exposure system for semiconductor lithography and a projection exposure system equipped with a corresponding assembly.
  • the invention also relates to a method for operating an actuator for deforming an optical element of a projection exposure system for semiconductor lithography.
  • Systems of this type are used to produce extremely fine structures, in particular on semiconductor components or other microstructured components.
  • the functional principle of the systems mentioned is based on the use of a usually scaling-down image of structures on a mask, with a so-called reticle, on an element to be structured, a so-called wafer, provided with photosensitive material produce.
  • the minimum dimensions of the structures generated depend directly on the wavelength of the light used. More recently, light sources with an emission wavelength in the range of a few nanometers, for example between 1 nm and 120 nm, in particular in the range of 13.5 nm, have been used. The wavelength range described is also referred to as the EUV range.
  • the microstructured components are also manufactured using the DUV systems established on the market with a wavelength between 100 nm and 400 nm, in particular 193 nm.
  • a wavelength between 100 nm and 400 nm, in particular 193 nm.
  • the requirements for the optical correction of the DUV systems with a wavelength of 193nm have also increased further.
  • the throughput increases in order to increase the economic efficiency, which typically leads to a greater thermal load and thus to increasing thermal imaging errors.
  • manipulators can be used, among other things, which change the position and alignment of the optical elements or else influence the imaging properties of the optical elements, in particular of mirrors, by deforming the optically active surfaces.
  • the disadvantage of the known solutions for deformable mirrors is that a change in geometry of the actuators used caused by a change in temperature is in the range of the travel paths required for correcting the image, so that the travel path for correcting the image is no longer sufficient.
  • the object of the present invention is to provide an optical assembly, a projection exposure system and a method which eliminate the disadvantages of the prior art described above.
  • An optical assembly according to the invention of a projection exposure system for semiconductor lithography comprises an optical element and an actuator for deforming the optical element.
  • a control is provided which applies a bias voltage to the actuator in a zero position in order to generate a deflection of the actuator.
  • the preload is to be understood in such a way that it creates a bias of the actuator so that a deflection of the actuator in opposite directions can be achieved by varying the applied voltage around the zero position. In other words, it can be achieved that the actuator is at a Varying the voltage without changing the polarity expands or contracts around the zero position.
  • the preload can be determined in such a way that the change in shape of the actuator caused by a change in temperature and the reduction in sensitivity caused by a change in temperature of the change in shape of the actuator caused by a voltage compensate for each other. With a suitable choice of the materials used and the preload, a state can be established in this way in which the actuator has a high level of robustness with respect to thermal drift.
  • the optical assembly can comprise a compensation element for compensating a change in geometry of the actuator caused by a change in temperature.
  • the compensation element can also be used when the actuator is operated without bias.
  • the compensation element can have a thermal expansion that differs from that of the actuator.
  • a thermal expansion is to be understood as meaning that the geometry of an element as a whole changes with a change in temperature, that is to say, for example, the length of the element increases or decreases.
  • the thermal expansion of an element is to be understood as analogous to the thermal expansion coefficient of a material.
  • the compensation element can have a thermal expansion with the opposite sign than the thermal expansion of the actuator.
  • the compensation element can have a negative thermal expansion.
  • the spatial expansion of the compensation element can decrease in at least one spatial direction in the event of a positive temperature change, that is to say, for example, the length of the compensation element can be reduced.
  • the actuator can comprise electrostrictive and / or piezoelectric and / or magnetostrictive elements.
  • Actuators are conceivable that are suitable for use in semiconductor technology, in particular in projection exposure systems for semiconductor technology.
  • the compensation element can be arranged between the optical element and the actuator.
  • the compensation element can for example be a plate made of a material with a negative thermal expansion coefficient, which is arranged between the optical element, such as a mirror of a projection exposure system, and the actuator, such as an electrostrictive drive, for example.
  • actuators that have a negative coefficient of thermal expansion are also conceivable. In this case, the compensation element would of course have to have the opposite, that is to say a positive coefficient of thermal expansion.
  • the actuator can comprise the compensation element.
  • the compensation element can therefore be integrated in the actuator.
  • the actuator can be built up in layers. As a result, an electrode can be introduced between each of the individual layers, which can lead to an amplification of the electric or magnetic field in the electrostrictive, piezoelectric or magnetostrictive material.
  • the compensation element can comprise several layers. This has the advantage that different materials can be combined in one compensation element and the thermal expansion can thus be adjusted.
  • the actuator can be constructed in such a way that the layers made of electrostrictive material and the layers made of material of the compensation element alternate. As a result, the manufacturing process of the actuator can remain almost unchanged.
  • the layers of the actuator can also comprise piezoelectric and / or magnetostrictive material.
  • electrodes can be arranged between the individual layers.
  • the electrodes can be arranged in such a way that no electric field can develop over the layers of the compensation element. This has the advantage that no electric or magnetic field acts on the material of the compensation element and thus a change in the geometry of the compensation element due to the effect of the electric or magnetic element can be avoided.
  • the actuator can be constructed in such a way that the compensation element can be embedded in the material of the actuator in the form of several individual elements.
  • the compensation element can, for example, be embedded in the material of the actuator in the form of spherical elements. These can be pre-sintered and then mixed with the powder of the actuator prior to the actuator's sintering process.
  • the actuator and the compensation element can be designed together in such a way that, in the event of a temperature change, at least in the effective direction of the actuator, deviations from a target value of less than 5ppm / K, in particular less than 1ppm / K, preferably less than 0.1ppm / K , particularly preferably less than 0.01 ppm / K occur.
  • the target value can in particular be 0 ppm / K, but the CTE of a mirror body can also represent an advantageous choice for the target value.
  • Advantageous values for the still permissible deformation of the optical active surface are in the range of less than a tenth, preferably less than a floundth, particularly preferably less than a thousandth of the wavelength used for imaging, i.e. essentially in the pm range.
  • the rigidity of the actuator and the compensation element are also included in the design of the assembly according to the invention.
  • the adhesive used must be taken into account in the design.
  • the actuator and the compensation element can be designed together in such a way that, in the event of a temperature change, a change in geometry corresponding to the change in geometry of a component connected to the actuator and / or the compensation element can occur.
  • the actuator and the compensation element are designed in such a way that they also expand at 0.1 mm / K at the connection point to the optical element.
  • the actuator and the compensation element can be designed together in such a way that, in the event of a temperature change, they can compensate for a change in geometry of a component connected to the actuator and / or the compensation element.
  • the actuator, the compensation element and, for example, the optical element can be viewed as a unit.
  • the thermal expansion or thermal expansion coefficient and the rigidity of the entire unit can thus be designed in such a way that the change in geometry of the optical element can be less when the temperature increases than without the actuator and the compensation element. In particular, the change in geometry of the optical element can be almost zero.
  • the actuator can be designed in such a way that a deformation of the optical element is brought about by a transverse deformation of the actuator.
  • the electrostrictive or piezoelectric or magnetostrictive Aktua tor does not use the effect of the change in length when an electric or magnetic field is applied, but rather the change in cross-section, the so-called transverse deformation, which acts perpendicular to the length expansion.
  • the actuator can be connected to an optical element with one of the sides arranged in the effective direction of the change in length, the opposite side remaining free, that is to say without a fixed connection to a component.
  • the optical assembly can comprise several individual actuators. These can be arranged in the form of a matrix on the rear side of an optical element embodied, for example, as a mirror of a projection exposure system. As a result of the individual activation of the actuators with a control and / or regulation system, the surface of the mirror opposite the rear side can be deformed in several degrees of freedom.
  • a projection exposure system according to the invention for semiconductor technology comprises an optical assembly according to one of the exemplary embodiments described above.
  • the actuator is biased by an existing controller.
  • an electrostrictive actuator for example, a certain state of elongation or state of deformation is set in one spatial direction. Starting from this state of expansion or deformation, the actuator can then be both stretched and contracted without changing the polarity of the voltage.
  • the preload is selected such that the actuator brings about a zero position of the associated optical element when the preload is applied.
  • a zero position of the optical element is to be understood in particular as the setting in which the optical element would be operated if no correction of an imaging error had to be made, that is, the optical element in its original form already has the optimal surface shape for generating an image in a Has projection exposure system for semiconductor lithography.
  • the preload can be used in a particularly advantageous manner if it is selected in such a way that the change in shape of the actuator caused by a change in temperature and the reduction in sensitivity of the change in shape of the actuator caused by a change in temperature compensate one another.
  • an electrostrictive actuator acts in the normal direction to a surface to be actuated.
  • the actuator pushes or pulls on the base body of an optical element, for example a mirror, perpendicular to the optical effective surface of the mirror.
  • the sensitivity of the actuators to voltage changes decreases with increasing temperature, which means that an actuator preloaded at a certain fixed voltage would reduce its linear expansion with increasing temperature without any further effects.
  • This effect can, however, be counteracted in that the opposing effect of the thermal expansion of the actuator material is advantageously used when the actuator is heated.
  • a bias voltage can be set at which the actuator is largely insensitive to temperature fluctuations with regard to its expansion in a zero position of the optical element.
  • an additional compensating material for example with negative CTE
  • the effect is used that the pretensioned actuator material tends to shrink with increasing temperature due to the weakening electrostrictive effect and this effect is compensated by the opposing thermal expansion of the material.
  • this effect can be used in particular with actuators which are used via their length expansion and contraction in the normal direction to an optical effective length or an optical element.
  • the effect described can also be used advantageously for actuators which act parallel to the optical effective surface of an optical element.
  • actuators can also be electrostrictive actuators, for example, which are connected to the side that contracts with the optical element to be actuated as the voltage increases.
  • electrostrictive actuators for example, which are connected to the side that contracts with the optical element to be actuated as the voltage increases.
  • the electrostrictive effect would also decrease, and the actuator would contract in its effective direction, which in turn would lead to an expansion of the surface connected to the optical element.
  • the compensation element has a negative thermal expansion, this effect is in turn counteracted, so that a preload can also be set in this case, at which the effects compensate each other and the actuator is also comparatively insensitive to temperature fluctuations with the suitably selected preload .
  • Figure 1 shows the basic structure of a projection exposure system in which the invention can be implemented
  • Figure 2 shows the basic structure of an optical assembly according to the invention
  • Figure 3 shows the principle of operation of an actuator
  • Figure 4a-d a schematic representation of different variants of a structure of the actuator and a compensation element
  • FIG. 5 is a diagram to illustrate the effect of the Kompensationsele Mentes
  • FIGS. 7a-d a diagram to illustrate the effect of the temperature change on the compensation element and the sensitivity of the electrostrictive effect.
  • FIG. 1 shows an example of the basic structure of an EUV projection exposure system 1 for microlithography, in which the invention can be used.
  • an illumination system of the projection exposure system 1 has illumination optics 4 for illuminating an object field 5 in an object plane 6.
  • EUV radiation 14 generated by light source 3 as useful optical radiation is aligned by means of a collector integrated in light source 3 in such a way that it passes through an intermediate focus in the area of an intermediate focus plane 15 before it hits a field facet mirror 2.
  • the EUV radiation 14 is reflected by a pupil facet mirror 16.
  • the pupil facet mirror 16 and an optical assembly 17 with mirrors 18, 19 and 20 field facets of the field facet mirror 2 are imaged in the object field 5.
  • a structure is imaged on the reticle 7 on a light io sensitive layer of a wafer 12 which is arranged in the area of the image field 10 in the image plane 11 and which is held by a wafer holder 13 also shown in detail.
  • the light source 3 can emit useful radiation in particular in a wavelength range between 5 nm and 120 nm.
  • a DUV system is basically constructed like the EUV system 1 described above, whereby mirrors and lenses can be used as optical elements in a DUV system and the light source of a DUV system emits useful radiation in a wavelength range from 100 nm to 300 nm .
  • FIG. 2 shows the basic structure of an optical assembly 30 in which a mirror 31 with an actuator matrix 46 is shown.
  • the mirror 31 is, for example, part of the projection optics 9 described in FIG. 1.
  • the actuator matrix 46 comprises several actuators 33 arranged in a matrix-like manner, which are located on the mirror rear side 32, that is to say on the side of the mirror opposite the optically active side
  • an optically active surface is understood to mean a surface that is exposed to useful radiation, that is to say radiation used for imaging and exposure, during normal operation of the associated system.
  • FIG. 3 schematically shows the basic structure of an actuator 33 without the connection to the rear of the mirror.
  • the electrostrictive actuator material 39 is arranged between two electrodes 36, 37 as an actuator layer 34, the first electrode being designed as a voltage electrode 36 and the second electrode being designed as a zero electrode 37 or also a neutral conductor.
  • an electrostrictive effect is brought about, which results in a change in length L of the actuator material 39 in a first direction and a transverse contraction Q, that is, a contraction of the material 39 in a second, perpendicular to the first direction, caused gently.
  • the shape of the actuator 33 is shown in dashed lines without the effect of an electric field.
  • the transverse contraction or transverse deformation Q of the actuator 33 can be used to deform the mirror 31 shown in FIG.
  • the actuator 33 is operated in such a way that the force exerted by it is exerted essentially along the contact surface between the mirror 31 and the actuator 33 and not normally to it.
  • Figure 4a to d show different variants of a structure of an optical assembly 30 or the actuator 33, in each of which an actuator 33 and a thermal compensation element are shown.
  • FIG. 4 a shows a first variant in which an optical assembly 30 with an actuator 33 and a compensation plate 41 is shown.
  • the compensation plate 41 is arranged between the actuator 33 and the back 32 of the mirror 31 and shows a negative thermal expansion. If the mirror 31, the compensation plate 41 and the actuator 33 are exposed to a temperature increase, the actuator 33 is widened in the direction parallel to the mirror rear side 32, whereas the negative thermal expansion of the compensation plate 41 in this case reduces the width of the compensation plate 41 causes.
  • the thermal expansion and the rigidity of the actuator 33 and the compensation plate 41 are advantageously set such that they jointly have a thermal expansion corresponding to the thermal expansion of the mirror 31.
  • FIG. 4b shows a further variant of a structure of the actuator 33, in which an actuator 33 with integrated compensation elements 40 is shown.
  • the actuator 33 and the compensation element 40 each comprise several layers 34, 42, which are alternately layered on top of each other.
  • the thermal expansion or the thermal expansion coefficient defined as a material constant and the stiffness of the actuator layers 34 and the compensation layers 42 can be designed in such a way that they correspond in total to the thermal expansion of the mirror.
  • the actuator layer 34 can comprise an electrostrictive, such as, for example, lead magnesium niobate, a piezoelectric or a magnetostrictive material.
  • the compensation layer 42 can in particular Bao ⁇ Sro.sZ ⁇ ShO ? or zirconium wolframate Zr [WC> 4] 2.
  • FIG. 4d shows a further variant of a structure of an actuator 33 with a compensation element 40 which is embedded in the electrostrictive material 39 of the actuator 33 in the form of compensation balls 43.
  • the procedure for designing the thermal expansion of the actuator 33 is analogous to the procedure under FIGS. 4a to 4c.
  • FIG. 5 shows a diagram to illustrate the mode of operation of the compensation element, in which the travel paths of an actuator with and without a compensation element are plotted at different temperatures over the amount E of the electric field strength.
  • the dashed line represents the travel of an actuator without compensation element at a temperature X, such as 22 ° Celsius.
  • the dashed line represents the travel of an actuator with compensation element, which is designed so that it has a thermal expansion of 0, whereby the Travel distance for temperature X and temperature Y which is 20 Kelvin higher applies.
  • the solid line represents the travel of the actuator without compensation element at temperature Y.
  • the resulting travel Loores of the actuator without compensation element is greater than the resulting travel L r es of the actuator with compensation element, which is due to the rigidity of the compensation element, which has to be deformed by the actuator. If you consider the resulting travel at a temperature Y that is 20 Kelvin above temperature X, the travel L020 of the actuator without a compensation element is not equal to zero even without an applied electrical field. An electric field strength E k is already required to compensate for the change in length caused by the change in temperature. This reduces the resulting travel path L O 20 res at a maximum available electric field to a value that is less than the resulting travel path L r es, which remains constant, of the actuator with compensation element. The travel path available for correcting imaging errors is thus greater in the case of the actuator with a compensation element than in the case of the one without a compensation element.
  • FIGS. 6a and 6b show two different arrangements of electrodes 36, 37, in each of which an optical assembly 30 with an actuator 33 with a layer structure of electrostrictive layers 35 and compensation layers 42 is shown.
  • the voltage electrodes 36 and zero electrodes 37 are arranged between the alternating electrostrictive layers 35 of the actuator 33 and the compensation layers 42 of the compensation element 40 such that the compensation layer 42 is either enclosed by two voltage electrodes 36 or two zero electrodes 37.
  • the actuator 33 is connected to the rear side 32 of the mirror 31 via an adhesive layer 44 made of a shear-resistant adhesive. If an electric field is applied in the electrostrictive layers 35 via the electrodes 36, 37, the actuator 33 expands perpendicular to the layers 35, 42 and contracts in the direction of the layer planes due to the transverse contraction.
  • the mirror rear side 32 is drawn together via the adhesive layer 44, which causes the formation of a bulge 47 on the optically active mirror top side 45.
  • the effective direction of the actuator which is shown in Figure 6a as an arrow, is thus perpendicular to Transverse contraction of the actuator 33.
  • the voltage electrodes 36 are connected to a control and / or regulation (not shown) via a connection 38.
  • the zero electrodes 37 are connected to the ground conductor (not shown).
  • the compensation layers 42 are arranged in such a way that they form the cover layer for the actuator 33, that is to say protect the electrodes 36, 37 from mechanical contact. As a result, the cover layers usually required when assembling the actuator 33 can be dispensed with.
  • FIG. 6b shows an arrangement of the voltage electrodes 36 and zero electrodes 37, which are arranged in such a way that an electric field is also present in the compensation layers 42. This leads to a greater distance between the electrodes 36, 37 and thus, via a weaker electric field, to a lower sensitivity of the actuator. A reaction of the compensation layers 42 due to the electric field, if present, is taken into account when the actuator 33 is activated.
  • the voltage electrodes are also connected via a connection 38 to a control and / or regulation (not shown).
  • the electrostrictive layers 35 can comprise, for example, lead-magnesium-niobate ceramics (PMN) and the compensation layers 42 comprise, for example, barium-strontium-zinc-silicon oxide.
  • the actuator 33 is also, as already described under FIG. 6a, connected to the rear side 32 of the mirror 31 with a shear-resistant adhesive layer 44, the illustration in FIG. 6b showing a non-deflected optical assembly 30.
  • FIGS. 7a to 7d each show a diagram to illustrate the effect of the temperature change on the compensation element and the sensitivity of the electrostrictive effect.
  • Figure 7a shows the change in shape of the actuator with compensation element at a temperature of 20 ° Celsius, 40 ° Celsius and 60 ° Celsius.
  • the thermal change in shape S of the actuator with the compensation element is independent of the voltage and is negative due to the negative thermal expansion of the compensation element.
  • FIG. 7a shows the stress-independent contribution of the negative thermal expansion coefficient in the example shown. Up wear is the thermal deformation St hermisch in arbitrary units over the voltage. It should be noted that FIG. 7a does not show the thermal coefficient of linear expansion, but a real thermally induced contraction of compensation layers of an actuator when the temperature rises, regardless of a voltage applied to the actuator.
  • FIG. 7b shows the electrostrictive expansion or deformation of the actuator over the applied voltage at a temperature of 20 ° Celsius, 40 ° Celsius and 60 ° Celsius.
  • the slope of the curves decreases with increasing temperature, so the change in shape per unit of voltage is different at a constant voltage (with a constant distance d between the electrodes) for different temperatures. Since, in the exemplary embodiment described, the transverse contraction of the actuator in the event of longitudinal expansion is used as the manipulated variable, the change in shape when the voltage rises is also negative. In FIG. 7b, only the electrostrictive component is shown - for this reason the straight lines representing this component all start at the same position on the y-axis, which is not the case in reality.
  • FIG. 7d only shows the situation in which the actuator is operated with a preload in its zero position, which is why the X-axis is shifted accordingly. (Note: it may be necessary to adapt the representation here. It is rather misleading. You may even omit Figure 7d and only refer to Figure 7c verbally.)
  • FIG. 7c now shows the overall change in shape of the actuator due to the thermal and the electrostrictive effect at a temperature of 20 ° Celsius, 40 ° Celsius and 60 ° Celsius. It can be observed that the effects cancel each other out at a certain voltage, i.e. that the curves intersect for different temperatures. Thus, FIG. 7c shows the real relationships as a superposition of the two effects. Depending on the temperature, the actuator starts at a voltage of 0 V in different elongation states, as can be seen from the y-axis segments in FIG. 7c. Due to the different electrostrictive expansions at different temperatures, however, there is a slightly shaded voltage range in the figure in which the three curves shown are located cut.
  • the deformation of the actuator is approximately independent of the ambient temperature.
  • the different sensitivity of the actuator to voltage changes at different temperatures must still be taken into account, as is immediately clear from the different slopes of the individual straight lines.
  • the actuator shows a largely minimized temperature drift with a suitable choice of preload.
  • FIG. 7d now shows the change in shape of the actuator for different temperatures, as is used together with the optical element.
  • the actuator is mounted under a pretension in the neutral position of the optical element designed as a mirror, that is to say the position in which the surface of the mirror corresponds to its desired shape. If the preload is reduced to zero, the actuator expands and the mirror surface deforms. If the projection exposure system is now put into operation, the actuator is controlled with the specific bias voltage and the surface corresponds regardless of the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Baugruppe (30) einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem optischen Element (31) und einem Aktuator (33) zur Deformation des optischen Elementes (31), wobei der Aktuator (33) von einer vorhandenen Steuerung mit einer Vorspannung beaufschlagt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Projektionsbelichtungsanlage (1) für die Halbleiterlithographie, umfassend eine optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche und ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators (33) zur Deformation eines optischen Elementes (31) für die Halbleiterlithographie, wobei der Aktuator (33) von einer vorhandenen Steuerung mit einer Vorspannung beaufschlagt wird.

Description

Optische Baugruppe, Proiektionsbelichtungsanlage und Verfahren
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 102020 201 774.3, angemeldet am 13.02.2020, in Anspruch, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft eine optische Baugruppe, insbesondere eine optische Bau gruppe für eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie sowie eine mit einer entsprechenden Baugruppe ausgestattete Projektionsbelichtungsan lage. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Aktuators zur Deformation eines optischen Elementes einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie.
Derartige Anlagen werden zur Erzeugung feinster Strukturen, insbesondere auf Halbleiterbauelementen oder anderen mikrostrukturierten Bauteilen verwendet. Das Funktionsprinzip der genannten Anlagen beruht dabei darauf, mittels einer in der Regel verkleinernden Abbildung von Strukturen auf einer Maske, mit einem soge nannten Reticle, auf einem mit photosensitivem Material versehenen zu strukturie renden Element, einem sogenannten Wafer, feinste Strukturen bis in den Nanometerbereich zu erzeugen. Die minimalen Abmessungen der erzeugten Struk turen hängen dabei direkt von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes ab. In jüngerer Zeit werden vermehrt Lichtquellen mit einer Emissionswellenlänge im Bereich weniger Nanometer, beispielsweise zwischen 1 nm und 120 nm, insbeson dere im Bereich von 13,5 nm verwendet. Der beschriebene Wellenlängenbereich wird auch als EUV-Bereich bezeichnet.
Die mikrostrukturierten Bauteile werden außer mit EUV-Systemen auch mit den im Markt etablierten DUV-Systemen mit einer Wellenlänge zwischen 100nm und 400nm, insbesondere von 193nm hergestellt. Durch die Einführung des EUV- Bereichs und damit der Möglichkeit noch kleinere Strukturen hersteilen zu können, sind auch die Anforderungen an die optische Korrektur der DUV-Systeme mit einer Wellenlänge von 193nm weiter gestiegen. Ergänzend steigen mit jeder neuen Generation von Projektionsbelichtungsanlagen, unabhängig von der Wellenlänge, zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Durchsatz, was typischerweise zu einer stärkeren thermischen Belastung und damit zu steigenden thermal verursachten Abbildungsfehlern führt. Zur Korrektur der Abbildungsfehler können unter anderem Manipulatoren verwendet werden, die die Position und Ausrichtung der optischen Elemente verändern oder aber die Abbildungseigenschaften der optischen Elemen te, insbesondere von Spiegeln, durch Deformation der optisch aktiven Flächen beeinflussen. Der Nachteil der bekannten Lösungen für deformierbare Spiegel ist, dass eine durch eine Temperaturänderung bewirkte Geometrieänderung der ver wendeten Aktuatoren im Bereich der für die Korrektur der Abbildung benötigten Verfahrwege liegt, wodurch der Verfahrweg zur Korrektur der Abbildung nicht mehr ausreichend ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Baugruppe, eine Projekti onsbelichtungsanlage und ein Verfahren bereitzustellen, welche die oben beschrie benen Nachteile des Standes der Technik beseitigen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtungen und das Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße optische Baugruppe einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie umfasst ein optisches Element und einen Aktuator zur Deformation des optischen Elementes. Dabei ist erfindungsgemäß eine Steuerung vorhanden, welche den Aktuator in einer Nullstellung mit einer Vorspannung zur Erzeugung einer Auslenkung des Aktuators beaufschlagt.
Die Vorspannung ist dabei derart zu verstehen, dass sie einen Bias des Aktuators herstellt, so dass durch eine Variation der angelegten Spannung um die Nullstellung eine Auslenkung des Aktuators in jeweils gegenläufige Richtungen erreicht werden kann. Mit anderen Worten kann erreicht werden, dass sich der Aktuator bei einer Variation der Spannung ohne eine Änderung der Polarität um die Nullstellung herum ausdehnt oder zusammenzieht.
Dabei kann die Vorspannung derart bestimmt sein, dass sich die durch eine Tempe raturänderung bewirkte Formänderung des Aktuators und die durch eine Tempera turänderung bewirkte Sensitivitätsreduzierung der durch eine Spannung bedingten Formänderung des Aktuators kompensieren. Bei geeigneter Wahl der verwendeten Materialien und der Vorspannung lässt sich auf diese Weise ein Zustand hersteilen, in welchem der Aktuator eine hohe Robustheit gegenüber einer thermischen Drift aufweist.
Weiterhin kann die optische Baugruppe ein Kompensationselement zur Kompensa tion einer durch eine Temperaturänderung bewirkte Geometrieänderung des Aktua tors umfassen. Das Kompensationselement kann auch Verwendung finden, wenn der Aktuator ohne Vorspannung betrieben wird.
Dabei kann das Kompensationselement eine von dem Aktuator abweichende Wärmeausdehnung besitzen. In diesem Zusammenhang ist unter einer Wärmeaus dehnung zu verstehen, dass sich die Geometrie eines Elementes im Ganzen bei einer Temperaturänderung verändert, sich also beispielsweise die Länge des Elementes vergrößert oder verringert. Die Wärmeausdehnung eines Elementes ist also analog zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Materials zu verstehen.
Weiterhin kann das Kompensationselement eine Wärmeausdehnung mit einem umgekehrten Vorzeichen wie die Wärmeausdehnung des Aktuators besitzen.
Insbesondere kann das Kompensationselement eine negative Wärmeausdehnung besitzen. So kann sich die räumliche Ausdehnung des Kompensationselementes bei einer positiven Temperaturänderung mindestens in eine Raumrichtung verkleinern, sich also beispielsweise die Länge des Kompensationselementes verringern.
Weiterhin kann der Aktuator elektrostriktive und/oder piezoelektrische und/oder magnetostriktive Elemente umfassen. Es sind prinzipiell auch andere Arten von Aktuatoren denkbar, die sich für eine Anwendung in der Halbleitertechnik, insbeson dere in Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleitertechnik eignen.
In einer Variante der Erfindung kann das Kompensationselement zwischen dem optischen Element und dem Aktuator angeordnet sein. Das Kompensationselement kann beispielsweise eine Platte aus einem Material mit einem negativen Wärmeaus dehnungskoeffizienten sein, die zwischen das optische Element, wie beispielsweise einen Spiegel einer Projektionsbelichtungsanlage, und dem Aktuator, wie beispiels weise einen elektrostriktiven Antrieb, angeordnet ist. Es sind grundsätzlich auch Aktuatoren denkbar, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwei- sen. In diesem Fall müsste das Kompensationselement selbstverständlich den gegensätzlichen, also einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann der Aktuator das Kompensationsele ment umfassen. Das Kompensationselement kann also in dem Aktuator integriert sein. Dabei kann der Aktuator schichtweise aufgebaut sein. Dadurch kann zwischen jeder der einzelnen Schichten eine Elektrode eingebracht werden, was zu einer Verstär kung des elektrischen oder magnetischen Feldes im elektrostriktiven, piezoelektri schen oder magnetostriktiven Material führen kann.
Weiterhin kann das Kompensationselement mehrere Schichten umfassen. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Materialien in einem Kompensationselement kombiniert werden können und so die Wärmeausdehnung eingestellt werden kann.
Insbesondere kann der Aktuator derart aufgebaut sein, dass sich die Schichten aus elektrostriktivem Material und die Schichten aus Material des Kompensationsele mentes abwechseln. Dadurch kann der Herstellungsprozess des Aktuators nahezu unverändert bleiben. Neben dem elektrostriktiven Material können die Schichten des Aktuators auch piezoelektrisches und/oder magnetostriktives Material umfassen.
Dabei können zwischen den einzelnen Schichten Elektroden angeordnet sein. In einer Ausführungsform der Erfindung können die Elektroden derart angeordnet sein, dass sich über die Schichten des Kompensationselementes kein elektrisches Feld ausbilden kann. Dies hat den Vorteil, dass kein elektrisches oder magnetisches Feld auf das Material des Kompensationselementes wirkt und so eine Veränderung der Geometrie des Kompensationselementes durch Einwirkung des elektrischen oder magnetischen Elementes vermieden werden kann.
Weiterhin kann der Aktuator derart aufgebaut sein, dass das Kompensationselement in Form von mehreren Einzelelementen im Material des Aktuators eingebettet sein kann. Das Kompensationselement kann beispielsweise in Form von kugelförmigen Elementen in das Material des Aktuators eingebettet sein. Diese können vorgesintert werden und dann mit dem Pulver des Aktuators vor dem Sinterprozess des Aktua tors vermengt werden.
Daneben können der Aktuator und das Kompensationselement zusammen derart ausgebildet sein, dass bei einer Temperaturänderung zumindest in der Wirkrichtung des Aktuators Abweichungen von einem Zielwert von weniger als 5ppm/K, insbe sondere weniger als 1ppm/K, bevorzugt von weniger als 0,1ppm/K, besonders bevorzugt von weniger als 0,01 ppm/K auftreten.
Der Zielwert kann insbesondere 0 ppm/K sein, aber auch der CTE eines Spiegelkör pers kann eine vorteilhafte Wahl für den Zielwert darstellen. Damit erfährt bei einer Temperaturänderung der optischen Baugruppe das optische Element durch den Aktuator und das Kompensationselement keine oder nur eine vernachlässigbare Deformation. Vorteilhafte Werte für die noch zulässige Deforma tion der optischen Wirkfläche liegen im Bereich von weniger als einem Zehntel, bevorzugt von weniger als einem Flundertstel besonders bevorzugt weniger als einem Tausendstel der zur Abbildung verwendeten Wellenlänge, also im Wesentli chen im pm-Bereich.
Neben der Wärmeausdehnung des Aktuators und des Kompensationselementes gehen auch die Steifigkeit des Aktuators und des Kompensationselementes in die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe ein. Ebenfalls kann ein für die Anbindung des Kompensationselementes oder des Aktuators an das optische Element verwendeter Kleber bei der Ausgestaltung berücksichtigt werden.
Weiterhin können der Aktuator und das Kompensationselement zusammen derart ausgebildet sein, dass bei einer Temperaturänderung eine der Geometrieänderung eines mit dem Aktuator und/oder dem Kompensationselement verbundenen Bauteils korrespondierende Geometrieänderung auftreten kann. Dehnt sich beispielweise das optische Element mit 0,1mm/K aus, sind der Aktuator und das Kompensations element so ausgebildet, dass sie sich an der Verbindungsstelle zum optischen Element ebenfalls mit 0,1mm/K ausdehnen.
Daneben können der Aktuator und das Kompensationselement zusammen derart ausgebildet sein, dass sie bei einer Temperaturänderung eine Geometrieänderung eines mit dem Aktuator und/oder dem Kompensationselement verbundenen Bauteils kompensieren können. In diesem Fall kann der Aktuator, das Kompensationsele ment und beispielsweise das optische Element als eine Einheit angesehen werden. Die Wärmedehnung beziehungsweise Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Steifigkeiten der gesamten Einheit können dabei also so ausgebildet werden, dass bei einer Temperaturerwärmung die Geometrieänderung des optischen Elementes geringer sein kann als ohne den Aktuator und das Kompensationselement. Insbe sondere kann die Geometrieänderung des optischen Elementes nahezu Null sein.
In einer Variante der Erfindung kann der Aktuator derart ausgebildet sein, dass eine Deformation des optischen Elementes durch eine Querdeformation des Aktuators bewirkt wird. Der elektrostriktive oder piezoelektrische oder magnetostriktive Aktua tor nutzt also nicht den Effekt der Längenänderung beim Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes, sondern die senkrecht zur Längenausdehnung wirkende Querschnittsänderung, die sogenannte Querdeformation. Dazu kann der Aktuator mit einer der in Wirkrichtung der Längenänderung angeordneten Seiten mit einem optischen Element verbunden sein, wobei die gegenüberliegende Seite frei, also ohne eine feste Anbindung an ein Bauteil verbleibt. Wird nun ein Feld an den Aktuator angelegt, kommt es zu einer Längenänderung, die durch das freie Ende keine Auswirkung auf das insbesondere als Spiegel ausgebildete optische Element hat. Stattdessen wird durch die durch die Längenänderung bewirkte Querdeformati on das Spiegelmaterial zusammengezogen oder auseinander gedrückt und dadurch eine Deformation des Spiegels bewirkt.
Weiterhin kann die optische Baugruppe mehrere einzelne Aktuatoren umfassen. Diese können in Form einer Matrix an der Rückseite eines beispielsweise als Spiegel einer Projektionsbelichtungsanlage ausgebildeten optischen Elementes angeordnet sein. Durch die individuelle Ansteuerung der Aktuatoren mit einer Steuerung und/oder Regelung kann die der Rückseite gegenüberliegende Oberflä che des Spiegels in mehreren Freiheitsgraden deformiert werden. Eine erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleitertechnik umfasst eine optische Baugruppe nach einem der weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Aktuators zur Deforma tion eines optischen Elementes für die Halbleiterlithographie wird der Aktuator von einer vorhandenen Steuerung mit einer Vorspannung beaufschlagt. Mit anderen Worten wird beispielsweise im Falle eines elektrostriktiven Aktuators ein bestimmter Dehnungszustand bzw. Deformationszustand in eine Raumrichtung eingestellt. Ausgehend von diesem Dehnungs- bzw. Deformationszustand kann dann der Aktuator sowohl gestreckt wie auch zusammengezogen werden, ohne dass sich die Polarität der Spannung ändert.
Dabei ist in einer vorteilhaften Variante der Erfindung die Vorspannung derart gewählt, dass der Aktuator beim Anlegen der Vorspannung eine Nullstellung des zugehörigen optischen Elementes bewirkt.
Unter einer Nullstellung des optischen Elementes ist insbesondere diejenige Einstel- lung zu verstehen, in welcher das optische Element betrieben würde, wenn keine Korrektur eines Abbildungsfehlers vorgenommen werden müsste, also das optische Element in seiner ursprünglichen Form bereits die optimale Oberflächenform zur Erzeugung einer Abbildung in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiter lithographie aufweist. Durch eine Variation der angelegten Vorspannung um diese Nullstellung herum kann dann sowohl eine Aufwölbung wie auch eine Einbuchtung der dem jeweiligen Aktuator zugeordneten Oberfläche bewirkt werden.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Vorspannung zur Anwendung kommen, wenn sie derart gewählt ist, dass sich die durch eine Temperaturänderung bewirkte Formänderung des Aktuators und die durch eine Temperaturänderung bewirkte Sensivitätsreduzierung der spannungsbedingten Formänderung des Aktuators kompensieren.
So kann es zum Beispiel Vorkommen, dass eine elektrostriktiver Aktuator in Norma lenrichtung zu einer zu aktuierenden Oberfläche wirkt. Mit anderen Worten drückt oder zieht der Aktuator am Grundkörper eines optischen Elementes beispielsweise eines Spiegels senkrecht zur optischen Wirkfläche des Spiegels. Bei elektrostrikti- ven Aktuatoren nimmt die Sensivität der Aktuatorik auf Spannungsänderungen mit steigender Temperatur ab, das bedeutet, dass ein bei einer bestimmten fixen Spannung vorgespannter Aktuator ohne weitere Effekte seine Längenausdehnung mit steigender Temperatur verringern würde.
Diesem Effekt kann jedoch dadurch entgegengewirkt werden, dass der gegenläufige Effekt der thermischen Ausdehnung des Aktuatormaterials mit Erwärmung des Aktuators vorteilhaft ausgenutzt wird. Bei geeigneter Auslegung des Aktuators lässt sich so eine Vorspannung einstellen, bei welcher der Aktuator in einer Nullstellung des optischen Elementes gegenüber Temperaturschwankungen im Hinblick auf seine Ausdehnung weitgehend unempfindlich ist. In diesem Fall ist ein zusätzliches kompensierendes Material (beispielsweise mit negativen CTE) zum Ausgleich der thermischen Ausdehnung eines Aktuators nicht erforderlich, sondern es wird der Effekt genutzt, dass das vorgespannte Aktuatormaterial mit steigender Temperatur aufgrund des sich abschwächenden elektrostriktiven Effekts zur Schrumpfung neigt und dieser Effekt durch die gegenläufige thermische Längenausdehnung des Materials kompensiert wird. Wie bereits erwähnt lässt sich dieser Effekt insbesondere bei Aktuatoren anwenden, welche über ihre Längenausdehnung und Kontraktion in Normalenrichtung zu einer optischen Wirklänge bzw. einer optischen Element eingesetzt werden.
Wenn ein Kompensationselement mit einer Wärmeausdehnung mit einem umge- kehrten Vorzeichen wie die Wärmeausdehnung des Aktuators vorhanden ist, insbe sondere wenn das Kompensationselement eine negative Wärmeausdehnung besitzt kann der beschriebene Effekt auch vorteilhaft für Aktuatoren verwendet werden, welche parallel zur optischen Wirkfläche eines optischen Elementes wirken.
Bei diesen Aktuatoren kann es sich beispielsweise ebenfalls um elektrostriktive Aktuatoren handeln, die mit derjenigen Seite, die sich mit steigender Spannung kontrahiert mit dem zu aktuierenden optischen Element in Verbindung stehen. In diesem Fall würde bei einer festen Vorspannung und einer gleichzeitigen Tempera turänderung ebenfalls der elektrostriktive Effekt nachlassen, und der Aktuator würde sich in seiner Wirkrichtung zusammenziehen, was wiederum zu einer Ausdehnung der mit dem optischen Element verbundenen Fläche führen würde. Dadurch, dass das Kompensationselement einer negative Wärmeausdehnung besitzt, wird diesem Effekt jedoch wiederum entgegengewirkt, sodass auch in diesem Fall eine Vorspan nung einstellbar ist, bei welcher sich die Effekte gerade gegenseitig kompensieren und der Aktuator gegenüber Temperaturschwankungen bei der geeignet gewählten Vorspannung ebenfalls vergleichsweise unempfindlich ist.
In beiden oben geschilderten Fällen wird ausgehend vom Anwendungsfall des Aktuators eine genaue Abstimmung der gewünschten Vorspannung und der Anteile der verwendeten Materialien, insbesondere auch von Schichtdicken eines Kompen sationselementes vorzunehmen sein. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau einer Projektionsbelichtungsanlage, in welcher die Erfindung verwirklicht sein kann, Figur 2 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen optischen Baugrup pe,
Figur 3 die prinzipielle Wirkweise eines Aktuators,
Figur 4a-d eine schematische Darstellung verschiedener Varianten eines Aufbaus des Aktuators und eines Kompensationselementes,
Figur 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkung des Kompensationsele mentes,
Figur 6a, b eine schematische Darstellung von möglichen Elektrodenanordnungen der Aktuatoren, und Figur 7a-d ein Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkung der Temperaturände rung auf das Kompensationselement und die Sensitivität des elektro- striktiven Effektes.
Figur 1 zeigt exemplarisch den prinzipiellen Aufbau einer EUV- Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie, in welcher die Erfindung Anwendung finden kann. Ein Beleuchtungssystem der Projektionsbelichtungsanlage 1 weist neben einer Lichtquelle 3 eine Beleuchtungsoptik 4 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 5 in einer Objektebene 6 auf. Eine durch die Lichtquelle 3 erzeugte EUV-Strahlung 14 als optische Nutzstrahlung wird mittels eines in der Lichtquelle 3 integrierten Kollektors derart ausgerichtet, dass sie im Bereich einer Zwischenfokus- ebene 15 einen Zwischenfokus durchläuft, bevor sie auf einen Feldfacettenspiegel 2 trifft. Nach dem Feldfacettenspiegel 2 wird die EUV-Strahlung 14 von einem Pupil lenfacettenspiegel 16 reflektiert. Unter Zuhilfenahme des Pupillenfacettenspiegels 16 und einer optischen Baugruppe 17 mit Spiegeln 18, 19 und 20 werden Feldfacet ten des Feldfacettenspiegels 2 in das Objektfeld 5 abgebildet. Beleuchtet wird ein im Objektfeld 5 angeordnetes Retikel 7, das von einem schema tisch dargestellten Retikelhalter 8 gehalten wird. Eine lediglich schematisch darge stellte Projektionsoptik 9 dient zur Abbildung des Objektfeldes 5 in ein Bildfeld 10 in eine Bildebene 11. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 7 auf eine licht- io empfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 10 in der Bildebene 11 ange ordneten Wafers 12, der von einem ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Waferhalter 13 gehalten wird. Die Lichtquelle 3 kann Nutzstrahlung insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen 5 nm und 120 nm emittieren.
Die Erfindung kann ebenso in einer DUV-Anlage verwendet werden, die nicht dargestellt ist. Eine DUV-Anlage ist prinzipiell wie die oben beschriebene EUV- Anlage 1 aufgebaut, wobei in einer DUV-Anlage Spiegel und Linsen als optische Elemente verwendet werden können und die Lichtquelle einer DUV-Anlage eine Nutzstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 300 nm emittiert.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer optischen Baugruppe 30, in der ein Spiegel 31 mit einer Aktuatormatrix 46 dargestellt ist. Der Spiegel 31 ist beispiels weise Teil der in Figur 1 beschriebenen Projektionsoptik 9. Die Aktuatormatrix 46 umfasst mehrere matrixartig angeordnete Aktuatoren 33, die auf der Spiegelrücksei te 32, also auf der der optisch aktiven Seite entgegengesetzten Seite des Spiegels
31 angeordnet sind. Durch Auslenken der Aktuatoren 33 wird die Spiegelrückseite
32 deformiert, wodurch durch die Steifigkeit des Spiegels 31 auch die optisch aktive Fläche des Spiegels 31 deformiert wird. Durch die Deformation der optischen aktiven Spiegeloberfläche werden die Abbildungseigenschaften des Spiegels 31 verändert, wodurch Abbildungsfehler der Projektionsoptik kompensiert werden können. Unter einer optisch aktiven Fläche wird vorliegend eine Fläche verstanden, die während des üblichen Betriebes der zugehörigen Anlage mit Nutzstrahlung, also zur Abbildung und Belichtung verwendeter Strahlung, beaufschlagt wird.
Figur 3 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Aktuators 33 ohne die Anbindung an die Spiegelrückseite. Das elektrostriktive Aktuatormaterial 39 ist zwischen zwei Elektroden 36, 37 als eine Aktuatorschicht 34 angeordnet, wobei die erste Elektrode als Spannungselektrode 36 ausgebildet ist und die zweite Elektrode als Nullelektrode 37 oder auch Nullleiter ausgebildet ist. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Spannungselektrode 36 und Nullelektrode 37 wird ein elektrostriktiver Effekt bewirkt, der eine Längenänderung L des Aktuatormaterials 39 in eine erste Richtung und eine Querkontraktion Q, also ein Zusammenziehen des Materials 39 in eine zweite, zur ersten Richtung senkrechten Richtung, verur sacht. In Figur 3 ist die Form des Aktuators 33 ohne Wirkung eines elektrischen Feldes gestrichelt dargestellt. Zur Deformation des in Figur 2 dargestellten Spiegels 31 kann insbesondere die Querkontraktion bzw. Querdeformation Q des Aktuators 33 verwendet werden. Dabei wird der Aktuator 33 derart betrieben, dass die von ihm ausgeübte Kraft im Wesentlichen entlang der Kontaktfläche zwischen dem Spiegel 31 und dem Aktuator 33 und nicht normal dazu ausgeübt wird.
Figur 4a bis d zeigen verschiedene Varianten eines Aufbaus einer optischen Bau gruppe 30 beziehungsweise des Aktuators 33, in denen jeweils ein Aktuator 33 und ein thermisches Kompensationselement dargestellt sind.
Figur 4a zeigt eine erste Variante, in der eine optische Baugruppe 30 mit einem Aktuator 33 und einer Kompensationsplatte 41 dargestellt ist. Die Kompensations platte 41 ist zwischen dem Aktuator 33 und der Rückseite 32 des Spiegels 31 angeordnet und zeigt eine negative Wärmeausdehnung. Werden der Spiegel 31, die Kompensationsplatte 41 und der Aktuator 33 einer Temperaturerhöhung ausgesetzt, kommt es zu einer Verbreiterung des Aktuators 33 in Richtung parallel zu der Spiegelrückseite 32, wogegen die negative Wärmeausdehnung der Kompensations platte 41 in diesem Fall eine Reduzierung der Breite der Kompensationsplatte 41 bewirkt. Bei geeigneter Wahl der Wärmeausdehnung des Aktuators 33 und der Kompensationsplatte 41 und unter Berücksichtigung der Steifigkeiten des Aktuators 33 und der Kompensationsplatte 41 wird die resultierende Bewegung zwischen Kompensationsplatte 41 und Spiegelrückseite 32 gleich null. Dies gilt jedoch nur für den Fall, in dem der Spiegel 31 selbst keine Wärmeausdehnung aufweist. Die Wärmeausdehnung und die Steifigkeiten des Aktuators 33 und der Kompensations platte 41 werden vorteilhafterweise derart eingestellt, dass sie gemeinsam eine zur Wärmeausdehnung des Spiegels 31 korrespondierende Wärmeausdehnung aufwei sen.
Figur 4b zeigt eine weitere Variante eines Aufbaus des Aktuators 33, bei der ein Aktuator 33 mit integrierten Kompensationselementen 40 dargestellt ist. Der Aktua tor 33 und das Kompensationselement 40 umfassen jeweils mehrere Schichten 34, 42, die abwechselnd aufeinander geschichtet sind. Wie bereits unter Figur 4a beschrieben, können die Wärmeausdehnung beziehungsweise die als Materialkon stante definierten Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Steifigkeiten der Aktua torschichten 34 und der Kompensationsschichten 42 derart ausgebildet sein, dass diese in Summe mit der Wärmeausdehnung des Spiegels korrespondieren. Die Aktuatorschicht 34 kann ein elektrostriktives, wie beispielsweise Bleimagnesium- niobat, ein piezoelektrisches oder ein magnetostriktives Material umfassen. Die Kompensationsschicht 42 kann insbesondere Bao^Sro.sZ^ShO? oder Zirkoniumwolf- ramat Zr[WC>4]2 umfassen.
In der in Figur 4c gezeigten Variante eines Aufbaus eines Aktautors 33 mit integrier tem Kompensationselement 40 ist ein radialer Schichtaufbau aus Aktuatorschichten 34 und Kompensationsschichten 42 dargestellt. Das Vorgehen bei der Auslegung des Aktuators ist analog zu dem unter Figur 4a und 4b beschriebenen Vorgehen.
Figur 4d zeigt eine weitere Variante eines Aufbaus eines Aktuators 33 mit einem Kompensationselement 40, welches in Form von Kompensationskugeln 43 in dem elektrostriktiven Material 39 des Aktuators 33 eingebettet ist. Auch hier ist das Vorgehen bei der Auslegung der Wärmeausdehnung des Aktuators 33 analog zu dem Vorgehen unter Figur 4a bis 4c.
Figur 5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Kom pensationselementes, in welchem die Verfahrwege eines Aktuators mit und ohne Kompensationselement bei verschiedenen Temperaturen über den Betrag E der elektrischen Feldstärke aufgetragen sind. Dabei stellt die strichpunktierte Linie den Verfahrweg eines Aktuator ohne Kompensationselement bei einer Temperatur X, wie beispielsweise 22°Celsius dar. Die gestrichelte Linie stellt den Verfahrweg eines Aktuators mit Kompensationselement dar, welcher so ausgebildet ist, dass er eine Wärmeausdehnung von 0 aufweist, wodurch der Verfahrweg für die Temperatur X und die um 20 Kelvin höhere Temperatur Y gilt. Die durchgezogene Linie stellt den Verfahrweg des Aktuators ohne Kompensationselement bei der Temperatur Y dar. Bei der Temperatur X ist der resultierende Verfahrweg Loores des Aktuators ohne Kompensationselement größer als der resultierende Verfahrweg L res des Aktautors mit Kompensationselement, was auf die Steifigkeit des Kompensationselementes, welches durch den Aktuator deformiert werden muss, zurückzuführen ist. Betrachtet man die resultierenden Verfahrwege bei einer Temperatur Y, die 20 Kelvin über der Temperatur X liegt, ist der Verfahrweg L020 des Aktuators ohne Kompensationsele ment bereits ohne ein anliegendes elektrisches Feld, ungleich Null. Es wird bereits eine elektrische Feldstärke Ek benötigt, um die durch die Temperaturänderung bewirkte Längenänderung zu kompensieren. Dadurch reduziert sich der resultieren de Verfahrweg LO20res bei einem maximal zur Verfügung stehenden elektrischen Feld auf einen Wert, der geringer als der konstant bleibende resultierende Verfahrweg L res des Aktuators mit Kompensationselement ist. Der zur Korrektur von Abbildungs fehlern zur Verfügung stehende Verfahrweg ist damit bei dem Aktuator mit Kompen sationselement größer als bei dem ohne Kompensationselement.
Figur 6a und 6b zeigen zwei unterschiedliche Anordnungen von Elektroden 36, 37, bei welchen jeweils eine optische Baugruppe 30 mit einem Aktuator 33 mit einem Schichtaufbau aus elektrostriktiven Schichten 35 und Kompensationsschichten 42 dargestellt ist.
In Figur 6a sind die Spannungselektroden 36 und Nullelektroden 37 zwischen den sich abwechselnden elektrostriktiven Schichten 35 des Aktuators 33 und den Kom pensationsschichten 42 des Kompensationselementes 40 derart angeordnet, dass die Kompensationsschicht 42 entweder von zwei Spannungselektroden 36 oder zwei Nullelektroden 37 umschlossen ist. Dies hat zur Folge, dass in den Kompensations schichten 42 kein elektrisches Feld anliegt und in Folge dessen auch keine Reaktion auf Grund eines elektrischen Feldes in den Kompensationsschichten 42 bewirkt wird. Der Aktuator 33 ist über eine Kleberschicht 44 aus einem schubsteifen Kleber mit der Rückseite 32 des Spiegels 31 verbunden. Wird in den elektrostriktiven Schichten 35 über die Elektroden 36, 37 ein elektrisches Feld angelegt, dehnt sich der Aktuator 33 senkrecht zu den Schichten 35, 42 aus und zieht sich auf Grund der Querkontraktion in Richtung der Schichtebenen zusammen. Dadurch wird über die Kleberschicht 44 die Spiegelrückseite 32 zusammengezogen, was die Ausbildung einer Wölbung 47 auf der optisch aktiven Spiegeloberseite 45 bewirkt. Die Wirkrich tung des Aktuators, die in Figur 6a als Pfeil dargestellt ist, ist also senkrecht zur Querkontraktion des Aktuators 33. Die Spannungselektroden 36 sind über eine Anbindung 38 mit einer nicht dargestellten Steuerung und/oder Regelung verbun den. Die Nullelektroden 37 sind mit dem nicht dargestellten Masseleiter verbunden. Die Kompensationsschichten 42 sind derart angeordnet, dass sie die Deckschicht für den Aktuator 33 bilden, also die Elektroden 36, 37 vor mechanischen Kontakt schützen. Dadurch kann auf die üblicherweise notwendigen Deckschichten beim Aufbau des Aktuators 33 verzichtet werden.
Figur 6b zeigt eine Anordnung der Spannungselektroden 36 und Nullelektroden 37, die derart angeordnet sind, dass auch in den Kompensationsschichten 42 ein elektrisches Feld anliegt. Dies führt zu einem größeren Abstand zwischen den Elektroden 36, 37 und damit über ein schwächeres elektrisches Feld zu einer geringeren Sensitivität des Aktuators. Eine Reaktion der Kompensationsschichten 42 auf Grund des elektrischen Feldes wird, sofern vorhanden, bei der Ansteuerung des Aktuators 33 berücksichtigt. Die Spannungselektroden sind wie in Figur 6a ebenfalls über eine Anbindung 38 an eine nicht dargestellte Steuerung und/oder Regelung angebunden. Die elektrostriktiven Schichten 35 können beispielsweise Blei-Magnesium-Niobat-Keramiken (PMN) umfassen und die Kompensationsschich ten 42 beispielsweise Barium-Strontium-Zink-Silizium-Oxid umfassen. Der Aktuator 33 ist ebenfalls, wie bereits unter Figur 6a beschrieben, mit einer schubsteifen Kleberschicht 44 mit der Rückseite 32 des Spiegels 31 verbunden, wobei die Dar stellung in Figur 6b eine nicht ausgelenkte optische Baugruppe 30 zeigt.
Die Figuren 7a bis 7d zeigen jeweils ein Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkung der Temperaturänderung auf das Kompensationselement und die Sensitivität des elektrostriktiven Effektes.
Figur 7a zeigt die Formänderung des Aktuators mit Kompensationselement bei einer Temperatur von 20°Celsius, 40°Celsius und 60°Celsius. Die Formänderung Sthermisch des Aktuators mit dem Kompensationselement ist von der Spannung unabhängig und auf Grund der negativen Wärmeausdehnung des Kompensationselementes negativ. Mit anderen Worten zeigt Figur 7a den spannungsunabhängigen Beitrag des im gezeigten Beispiel negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Aufge- tragen ist die thermische Formänderung Sthermisch in willkürlichen Einheiten über der Spannung. Zu beachten ist, dass Figur 7a nicht den thermischen Längenausdeh nungskoeffizienten darstellt, sondern eine reale thermisch induzierte Kontraktion von Kompensationsschichten eines Aktuators bei steigender Temperatur unabhängig von einer an den Aktuator angelegten Spannung.
Figur 7b zeigt die elektrostriktive Dehnung bzw. Deformation des Aktuators über der angelegten Spannung bei einer Temperatur von 20°Celsius, 40°Celsius und 60°Celsius. Die Steigung der Kurven nimmt mit zunehmender Temperatur ab, die Formänderung pro Spannungseinheit ist also bei einer konstanten Spannung (bei konstantem Abstand d der Elektroden) für unterschiedliche Temperaturen unter schiedlich groß. Da im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Querkontraktion des Aktuators bei Längsdehnung als Stellgröße verwendet wird, ist die Formänderung bei steigender Spannung ebenfalls negativ. In der Figur 7b ist lediglich der elektro striktive Anteil gezeigt - aus diesem Grund starten die diesen Anteil darstellenden Geraden alle an derselben Position an der y-Achse, was in der Realität nicht der Fall ist.
Figur 7d zeigt nur die Situation, in welcher der Aktuator mit einer Vorspannung in seiner Nullstellung betrieben wird, deswegen ist die X-Achse entsprechend verscho ben. (Bemerkung: hier eventuell Darstellung noch anzupassen ist eher irreführend. Eventuell Figur 7d sogar weglassen und lediglich verbal auf Figur 7c eingehen.)
Figur 7c zeigt nun die Gesamtformänderung des Aktuators durch den thermischen und den elektrostriktiven Effekt bei einer Temperatur von 20°Celsius, 40°Celsius und 60°Celsius. Es ist zu beobachten, dass die Effekte sich bei einer bestimmten Spannung kompensieren, sich also die Kurven für verschiedene Temperaturen schneiden. Damit zeigt Figur 7c die realen Verhältnisse als Überlagerung beider Effekte. Abhängig von der Temperatur startet der Aktuator bei einer Spannung von 0 V in unterschiedlichen Dehnungszuständen, wie aus den y-Achsenabschnitten in Figur 7c erkennbar wird. Aufgrund der unterschiedlichen elektrostriktiven Ausdeh nungen bei unterschiedlichen Temperaturen gibt es jedoch einen in der Figur leicht schattiert angedeuteten Spannungsbereich, in dem sich die drei gezeigten Kurven schneiden. In diesem Spannungsbereich ist die Deformation des Aktuators nähe rungsweise unabhängig von der Umgebungstemperatur. Es ist jedoch nach wie vor die unterschiedliche Sensitivität des Aktuators auf Spannungsänderungen bei unterschiedlichen Temperaturen zu beachten, wie anhand der unterschiedlichen Steigungen der einzelnen Geraden unmittelbar klar wird. Im Ergebnis zeigt der Aktuator damit bei einer geeigneten Wahl der Vorspannung eine weitgehend mini mierte Temperaturdrift.
Figur 7d zeigt nun die Formänderung des Aktuators für verschiedene Temperaturen, wie sie mit dem optischen Element zusammen Anwendung findet. Der Aktuator wird in der neutralen Stellung des als Spiegel ausgebildeten optischen Elementes, also die Stellung, in der die Oberfläche des Spiegels ihrer Soll-Form entspricht, unter einer Vorspannung montiert. Wird die Vorspannung auf null reduziert, dehnt sich der Aktuator aus und die Spiegeloberfläche deformiert sich. Wird die Projektionsbelich tungsanlage nun in Betrieb genommen, wird der Aktuator mit der bestimmten Vor- Spannung angesteuert und die Oberfläche entspricht unabhängig von der
Temperatur des Spiegels ihrer Soll-Form. Das Anlegen der Vorspannung spiegelt sich in der Figur dadurch wider, dass ein neuer Nullpunkt der y-Achse - nämlich die erwünschte Aktuatordeformation bei der Soll-Form der Oberfläche eingestellt wird. Die Anpassung der Form der Spiegeloberfläche kann nun nahezu unabhängig von der Temperatur über die an den Aktuator angelegte Spannung eingestellt werden. Lediglich die temperaturabhängige Sensitivität des elektrostriktiven Effektes muss wie bereits oben erwähnt abhängig von den Anforderungen an die Genauigkeiten der Form der Spiegeloberfläche berücksichtigt werden.
Bezugszeichenliste
1 Projektionsbelichtungsanlage
2 Feldfacettenspiegel
3 Lichtquelle
4 Beleuchtungsoptik
5 Objektfeld
6 Objektebene
7 Retikel
8 Retikelhalter
9 Projektionsoptik
10 Bildfeld 11 Bildebene 12 Wafer
13 Waferhalter
14 EUV-Strahlung
15 Zwischenfeldfokusebene
16 Pupillenfacettenspiegel
17 Baugruppe
18 Spiegel
19 Spiegel
20 Spiegel
30 optische Baugruppe
31 Spiegel
32 Spiegelrückseite
33 Aktuator
34 Aktuatorschicht
35 elektrostriktive Schicht
36 Spannungselektrode
37 Nullelektrode
38 Anbindung Spannungselektrode 39 elektrostriktives Material
40 Kompensationselement
41 Kompensationsplatte
42 Kompensationsschicht
43 Kompensationskugel
44 Kleberschicht
45 Spiegeloberseite
46 Aktuatormatrix
47 Wölbung
48 Vorspannung L Längenänderung
Q Querkontraktion
LKres resultierende Längenänderung bei maximalem elektri schen Feld mit Kompensationselement
LoOres resultierende Längenänderung bei maximalem elektri schen Feld ohne Kompensationselement bei DT = OK
LO20 Längenänderung ohne Kompensationselement bei DT = 20K
Lo20res resultierende Längenänderung bei maximalem elektri schen Feld ohne Kompensationselement bei DT = 20K
EK Für Kompensation der Längenänderung benötigte elektrische Feldstärke
Ethermisch Dehnung/Formänderung auf Grund Temperaturände rung
Eelektrostriktiv Dehnung/Formänderung auf Grund elektrostriktivem Effekt
Egesamt Dehnung/Formänderung gesamt (Temperatur und elektrostriktiver Effekt)
V Elektrische Spannung

Claims

Patentansprüche
1. Optische Baugruppe (30) einer Projektionsbelichtungsanlage (1 ) für die Halb leiterlithographie mit
- einem optischen Element (31) und
- einem Aktuator (33) zur Deformation des optischen Elementes (31) dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) in einer Nullstellung von einer vorhandenen Steuerung mit einer Vorspannung zur Erzeugung einer Auslenkung beaufschlagt ist.
2. Optische Baugruppe (30) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung so bestimmt ist, dass sich die durch eine Temperaturände rung bewirkte Formänderung des Aktuators (33) und die durch eine Tempera turänderung bewirkte Sensitivitätsreduzierung der durch eine Spannung bedingten Formänderung des Aktuators (33) kompensieren.
3. Optische Baugruppe (30) einer Projektionsbelichtungsanlage (1) für die Halb leiterlithographie, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Baugruppe (30) ein Kompensationselement (40) zur Kompensa tion einer durch eine Temperaturänderung bewirkten Geometrieänderung des Aktuators (33) umfasst.
4. Optische Baugruppe (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (40) eine von dem Aktuator (33) abweichende Wärmeausdehnung besitzt.
5. Optische Baugruppe (30) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (40) eine Wärmeausdehnung mit einem umge kehrten Vorzeichen wie die Wärmeausdehnung des Aktuators (33) besitzt.
6. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (40) eine negative Wärmeausdehnung besitzt.
7. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) elektrostriktive und/oder piezoelektrische und/oder magne tostriktive Elemente (34,35, 39) umfasst.
8. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (40) zwischen dem optischen Element (31) und dem Aktuator (33) angeordnet ist.
9. Optische Baugruppe (30) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) das Kompensationselement (40) umfasst.
10. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) schichtweise aufgebaut ist.
11. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3-10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (40) mehrere Schichten (42) umfasst.
12. Optische Baugruppe (30) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) derart aufgebaut ist, dass sich die Schichten (35) aus elekt- rostriktivem Material (39) und Schichten (42) aus Material des Kompensati onselementes (40) abwechseln.
13. Optische Baugruppe (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Schichten (34,35,42) Elektroden angeordnet sind.
14. Optische Baugruppe (30) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (36,37) derart angeordnet sind, dass sich über die Schichten (42) des Kompensationselementes (40) kein elektrisches Feld ausbildet.
15. Optische Baugruppe (30) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) derart aufgebaut ist, dass das Kompensationselement (40) in Form von mehreren Einzelelementen (43) im Material (39) des Aktuators (33) eingebettet ist.
16. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3-15, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) und das Kompensationselement (40) zusammen derart aus gebildet sind, dass bei einer Temperaturänderung zumindest in der Wirkrich tung des Aktuators (33) Geometrieabweichungen von einem Zielwert von weniger als 5ppm/K, insbesondere weniger als 1ppm/K, bevorzugt von weni ger als 0,1ppm/K, besonders bevorzugt von weniger als 0,01ppm/K auftreten.
17. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3-16, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) und das Kompensationselement (40) zusammen derart aus gebildet sind, dass bei einer Temperaturänderung eine der Geometrieände rung eines mit dem Aktuator (33) und/oder dem Kompensationselement (40) verbundenen Bauteils (31) korrespondierende Ausdehnung auftritt.
18. Optische Baugruppe (30) nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) und das Kompensationselement (40) zusammen derart aus gebildet sind, dass sie bei einer Temperaturänderung eine Ausdehnung eines mit dem Aktuator (33) und/oder dem Kompensationselement (40) verbunde nen Bauteils (31) kompensieren.
19. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) derart ausgebildet ist, dass eine Deformation des optischen Elementes (31) durch die Querdeformation des Aktuators (33) bewirkt wird.
20. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (31) als Spiegel ausgebildet ist.
21. Optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Baugruppe (30) mehrere einzelne Aktuatoren (33) umfasst.
22. Projektionsbelichtungsanlage (1) für die Halbleiterlithographie, umfassend eine optische Baugruppe (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
23. Verfahren zum Betrieb eines Aktuators (33) zur Deformation eines optischen Elementes (31) für die Halbleiterlithographie dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) von einer vorhandenen Steuerung mit einer Vorspannung beaufschlagt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung derart gewählt ist, dass der Aktuator (33) beim Anlegen der Vorspannung eine Nullstellung des optischen Elementes (31) bewirkt.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung derart gewählt ist, dass sich die durch eine Temperaturän derung bewirkte Formänderung des Aktuators (33) und die durch eine Tem peraturänderung bewirkte Sensitivitätsreduzierung der durch eine Spannung bedingten Formänderung des Aktuators (33) kompensieren.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (33) in Normalenrichtung zu einer zu aktuierenden Oberfläche wirkt.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationselement (40) mit einer von derjenigen des Aktuators (33) abweichenden Wärmeausdehnung vorhanden ist.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (40) eine Wärmeausdehnung mit einem umge kehrten Vorzeichen wie die Wärmeausdehnung des Aktuators (33) besitzt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (40) eine negative Wärmeausdehnung besitzt.
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