Wellenlangenselektor für den weichen Röntgen- und den extremen Ultraviolettbereich
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Wellenlangenselektor für den weichen Rontgenbereich und dem extremen Ultraviolettbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für die lithographische Strukturierung von Dimensionen unterhalb von 50 nm wird die extreme Ultraviolett- Lithographie (EUVL) Technologie mit Wellenlängen von 10 nm - 15 nm entwickelt . Für die Verwendung in Metrologiegeräten für die EUV-Lithographie, die beispielsweise der Überprüfung von EUV-Masken dienen, ist es vorteilhaft, die Wellenlänge der EUV-Strahlung über einen Bereich von einigen nm ändern zu können. Auch außerhalb der EUV- ithographie sind preiswerte und durchstimmbare weiche Röntgenlichtquellen von Bedeutung.
Bislang stehen solche in einem weiteren Bereich durchstimmbaren Röntgenlichtquellen nur im Bereich von hochauflösenden Monochromatoren an Synchrotron- Strahlungsquellen zur Verfügung. Die Strahlzeiten von Synchrotron-Strahlenquellen ist jedoch sehr teuer. Für viele Anwendungen wird außerdem die erreichbare hohe Auflösung nicht benötigt .
Die bislang im Laborbetrieb verwendeten Lösungen sind statische Lösungen, bei denen der Wellenl ngenbereich nicht kontinuierlich durchgestimmt werden kann, sondern lediglich unterschiedliche Filter bzw. Gitter ausgetauscht werden können .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen
Wellenlangenselektor für den weichen Rontgenbereich (0,12 nm bis 5 nm; 250 eV bis 10 keV) oder extremen UV-Bereich (5 nm
bis 41 nm; 30 eV und 250 eV) anzugeben, der die Bereitstellung von durchstimmbarer Strahlung einfach und kostengünstig ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch einen Wellenlangenselektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Hierbei sind mindestens zwei Reflektoren vorgesehen, die derart optisch in Reihe geschaltet sind, dass ein auf den ersten Reflektor eintreffender Einfallsstrahl in einer im Wesentlichen festen Winkelbeziehung zu dem vom letzten Reflektor reflektierten Strahl verläuft. Erfindungsgemäß weist mindestens einer der Reflektoren einen vom Einfallswinkel abhängigen, wellenlängenselektiven Bereich auf und der Einfallswinkel von mindestens zwei der Reflektoren ist zur Wellenl ngenselektion veränderbar.
Durch die wellenlängenselektiven Bereiche des mindestens einen Reflektors ist das Durchstimmen von auf diesen Reflektor auftreffender weicher Röntgenstrahlung innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches möglich. Dadurch, dass der Einfallswinkel von mindestens zwei der Reflektoren zur Wellenlängenselektion veränderbar ist und gleichzeitig erreicht wird, dass der Einfallsstrahl und der vom letzten Reflektor reflektierte Strahl in einer festen Winkelbeziehung zueinander stehen, ist es möglich, den erfindungsgemäßen Wellenlangenselektor in einen bereits vorhandenen Laboraufbau einzufügen. Einfallsstrahl und der vom letzten Reflektor reflektierte Strahl verändern sich während des Durchstimmens des Wellenlängenselektors nicht, so dass der erfindungsgemäße
Wellenl ngenselektor einfach in einen bestehenden Strahlengang eingesetzt werden kann.
Der wellenlängenselektive Bereich weist mit Vorteil Vielstrahlinterferenz auf. Ein. solcher wellenlängenselektiver Bereich kann dabei beispielsweise als Multilagenspiegel, als Reflektionsgitter oder als Bragg-Reflektor ausgebildet sein.
Ein solcher Vielstrahlinterferenz aufweisender wellenlängenselektiver Bereich reflektiert abhängig vom jeweiligen Einfallswinkel unterschiedliche Wellenlängen, wobei sich die übrigen Strahlanteile mit anderen Wellenlängen destruktiv überlagern. Ein solcher Vielstrahlinterferenz aufweisender wellenlängenselektiver Bereich dient daher als Wellenlangenselektor.
Die wellenlängenselektiven Bereiche sind hierbei vorteilhaft für den Wellenlängenbereich von 10-15 nm optimiert.
Mit Vorteil lassen sich die Einfallswinkel sämtlicher Reflektoren verändern, so dass zum einen gewährleistet wird, dass der Einfallsstrahl und der vom letzten Reflektor reflektierte Strahl stets die gleiche Winkelbeziehung zueinander aufweisen und zum anderen eine Durchstimmung über einen großen Wellenlängenbereich, beispielsweise 10 nm, erreicht werden kann. Dabei bietet es sich an, die Einfallswinkel der Reflektoren simultan um den gleichen Winkel zu verändern.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Einfallswinkel der Reflektoren derart veränderbar, dass der Einfallsstrahl auf den ersten Reflektor stets kollinear oder parallel zum reflektierten Strahl des letzten Reflektors verläuft. Hierdurch ist die Anordnung des Wellenlängenselektors an einer beliebigen Stelle des Strahlengangs der Laborapplikation möglich, da bei einer kollinearen Anordnung Eintrittsstrahl und reflektierter Strahl auf der gleichen optischen Achse liegen.
Die Verstellung des Einfallswinkel der Reflektoren wird vorteilhaft über mindestens ein Verstellmittel, insbesondere einen Versteilmotor, vorgenommen, wobei die Verstellmittel über eine zentrale Steuereinheit, insbesondere einen Computer, miteinander koordiniert werden können.
Um eine einfache Einbindung des Wellenlängenselektors in einen Strahlengang einer bereits bestehenden Laborapplikation zu ermöglichen, bietet es sich an, die Reflektoren derart anzuordnen, dass die durch die Veränderung des Einfallswinkels eines ersten Reflektors bewirkte Ablenkung des Strahlenganges durch Veränderung des Einfallswinkels mindestens eines zweiten Reflektors aufgehoben wird. Die Reflektoren können dabei so angeordnet sein, dass sie an sich ein Strahlversatzelement ausbilden.
Bei Verwendung von vier Reflektoren können so zwei optisch in Reihe geschaltete Strahlversatzelemente ausgebildet werden, die so angeordnet sind, dass sich der Strahlversatz gegenseitig aufhebt. Hierdurch wird erreicht, dass der Eintrittsstrahl und der vom letzten Reflektor reflektierte
Strahl auf einer gemeinsamen optischen Achse, also kollinear verlaufen.
Um die Linienbreite der Wellenlängenverteilung des selektierten Strahls verändern und insbesondere verringern zu können, werden in einer Weiterbildung der Erfindung mindestens zwei jeweils einen wellenlängenselektiven Bereich aufweisende Reflektoren verwendet, die für unterschiedliche Wellenlängen optimiert sind. Durch diese gezielte „Verstimmung" der beiden wellenlängenselektiven Bereiche gegeneinander wird eine Verringerung der Linienbreite erreicht. Dies geht zwangsläufig zu Lasten der Intensität, da die entsprechenden Außenbereiche des jeweiligen Wellenlängenspektrums destruktiv miteinander interferieren. Dieser Intensitätsverlust kann aber innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches toleriert werden, da er hier quasi zu vernachlässigen ist.
Diese Verstimmung der wellenlängenselektiven Bereiche gegeneinander kann dadurch ausgebildet sein, dass mindestens zwei Multilagenspiegel vorgesehen sind, und mindestens zwei der Multilagenspiegel sich voneinander unterscheidende
Schichtdicken aufweisen. Die jeweiligen reflektierten Wellenlängen der beiden unterschiedlichen Multilagenspiegel für einen gegebenen Winkel unterscheiden sich daher geringfügig, wodurch die Verstimmung erreicht wird.
Die Verstimmung der mindestens zwei unterschiedlichen wellenlängenselektiven Bereiche kann auch durch mindestens zwei unterschiedliche Bragg-Reflektoren oder
Reflektionsgitter erreicht werden, wobei dann mindestens zwei Bragg-Reflektoren bzw. zwei Reflektionsgitter unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Veränderung und insbesondere Verringerung der Linienbreite vorgesehen, dass mindestens zwei Reflektoren mit wellenlängenselektiven
Bereichen vorgesehen sind, die derart angeordnet sind, dass sie sich voneinander unterscheidende Einfallswinkel aufweisen. Auch hierdurch wird eine geringfügige Verstimmung der beiden Reflektoren gegeneinander erreicht, die einer Verringerung der Linienbreite des vom letzten Reflektor reflektierten Strahles resultiert. In dieser Weiterbildung können auch zwei im Wesentlichen identische wellenlängenselektive Reflektoren verwendet werden, die dann jeweils nur sich voneinander unterscheidende Einfallswinkel aufweisen müssen. Die Einfallswinkel unterscheiden sich dabei vorteilhaft maximal um drei Grad. Hierdurch wird zum einen eine hinreichende Verringerung der Linienbreite erreicht und zum anderen ist der Intensitätsverlust " durch eine derartige geringfügige Verstimmung nicht zu groß.
Um eine Wellenlängenselektion für weit auseinander liegende, unterschiedliche Wellenlängenbereiche zu erreichen, sind die Reflektoren mit den wellenlängenselektiven Bereichen vorteilhaft austauschbar. Durch unterschiedliche Sätze von wellenlängenselektiven Reflektoren kann so erreicht werden, dass auch unterschiedliche Bereiche von Röntgenstrahlung im weichen Rontgenbereich durchgestimmt und selektiert werden
können .
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Wellenlangenselektor mit vier Reflektoren;
Figur 2 ein Diagramm der Reflektivität eines wellenlängenselektiven Reflektors bei Variation des Einfallswinkelns ;
Figur 3 ein Diagramm der Reflektivität eines Wellenlängenselektors mit einem Reflektor, der die in Figur 2 gezeigten Eigenschaften aufweist, sowie einem Aufbau gemäß der Figur 1;
Figur 4 ein Diagramm der Reflektivität eines Wellenlängenselektors gemäß Figur 1, bei dem der Reflektor als Multilagenspiegel ausgebildet ist und die einzelnen Reflektoren durch Veränderung der Schichtdicke gegeneinander verstimmt sind;
Figur 5 ein Diagramm der Variation der Linienbreite bei Verstimmung der in Figur 1 gezeigten Reflektoren M2 und M3 um jeweils einen Winkel +ε und -ε ; und
Figur 6 ein Wellenlangenselektor gemäß der Figur 1, bei dem die Reflektoren M2 und M3 jeweils um einen Winkel ε gegeneinander verstimmt sind.
In Figur 1 ist ein Wellenlangenselektor mit vier Reflektoren Ml bis M4 gezeigt, wobei jeweils zwei Paare von Wellenlängenselektoren Ml und M2 , sowie M3 und M4 jeweils ein
Strahlversatzelement SV1 bzw. SV2 ausbilden. Die beiden Strahlversatzelemente SV1 und SV2 sind optisch in Reihe geschaltet und so angeordnet, dass sich der auf den ersten Reflektor Ml einfallender Einfallsstrahl 1 und der vom letzten Spiegel M4 reflektierte Strahl 2 auf einer gemeinsamen optischen Achse 100 befinden. Der Einfallsstrahl 1 und der vom letzten Spiegel M4 reflektierte Strahl 2 weisen damit eine feste Winkelbeziehung zueinander auf, sie sind nämlich kollinear.
Die in dem Wellenlangenselektor der Figur 1 optisch in Reihe angeordneten Reflektoren Ml bis M4 sind jeweils als wellenlängenselektive Spiegel ausgebildet. Es handelt sich hierbei um Multilagenspiegel für den extremen Ultraviolettbereich.
Bei einem Multilagenspiegel wird diese Wellenlängenselektivität durch Vielstrahlinterferenz erreicht. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle eines Multilagenspiegels einen Bragg-Reflektor oder ein
Reflektionsgitter zu verwenden oder eine andere reflektierende, Vielstrahlinterferenz aufweisende Reflektionsanordnung zu verwenden. Die verwendeten Reflektoren sind dabei für den jeweils interessierenden Wellenlängebereich zwischen 10-15 nm optimiert.
Durch Veränderung des Einfallswinkels α auf einen solchen wellenlängenselektiven Reflektor wird erreicht, dass sich das Intensitätsmaximum des jeweils reflektierten Strahles entlang des Wellenlängenbereiches verschiebt. Mit anderen Worten wird bei Veränderung des Einfallswinkels, also durch Verschwenkung des wellenlängenselektiven Reflektors, eine Auswahl eines bestimmten Wellenlängenbereiches ermöglicht.
In Figur 1 sind sämtliche, jeweils wellenlängenselektive Bereiche aufweisende Reflektoren Ml bis M4 verschwenkbar angeordnet, so dass der jeweilige Einfallswinkel α eines
jeden Reflektors Ml bis M4 verändert werden kann. Zur Verschwenkung der Reflektoren Ml bis M4 sind hierfür Verstellmittel Ml .1 , M2.1, M3.1 und M4.1 vorgesehen, die jeweils in Wirkverbindung mit den Reflektoren Ml bis M4 stehen. Diese Verstellmittel Ml .1 , M2.1 , M3.1 und M4.1 können über eine gemeinsame Steuereinheit koordiniert werden.
In Figur 1 sind zwei unterschiedliche Strahlengänge gezeigt. Ein erster Strahlengang in einer ersten Ausrichtung der Reflektoren Ml bis M4 ist als durchgezogene Linie 10 dargestellt. Auch die jeweiligen Normalen auf den Reflektoren Ml bis M4 sind für diesen Strahlengang durchgezogen dargestellt. Ein zweiter Strahlengang 10' ist gestrichelt dargestellt .
Zunächst wird nun der durchgezogene Strahlengang beschrieben. Ein Eingangsstrahl 1 trifft auf den ersten Reflektor Ml unter einem Einfallswinkel α und wird entsprechend unter dem gleichen Ausfallswinkel zum Reflektor M2 , zum Reflektor M3 und dann zum Reflektor M4 reflektiert, von wo er als vom letzten Reflektor M4 reflektierter Strahl 2 den Wellenlangenselektor verlässt . Eingangsstrahl 1 und vom letzten Reflektor M4 reflektierter Strahl 2 liegt, wie oben bereits beschrieben, auf einer gemeinsamen optischen Achse 100. Da die Reflektoren Ml und M2 sowie M3 und M4 jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind und die Reflektoren M2 und M3 einen Winkel von 90° einschließen, sind jeweils die Einfalls- und Ausfallswinkel aller Reflektoren Ml bis M4 in der Größe von .
Der zweite gestrichelt eingezeichnete Strahlengang 10 ■ wird durch Verschwenken der Reflektoren Ml bis M4 um einen Winkel θ erreicht . Die Veränderung des Einfallswinkel um den Winkel θ wird dabei von allen Reflektoren Ml bis M4 simultan bzw. gleichzeitig vorgenommen. Die Verschwenkung der Reflektoren
Ml und M2 erfolgt dabei in der gleichen Richtung, genauso wie die Verschwenkung der Reflektoren M3 und M4 , wobei die
Reflektoren Ml und M2 und die Reflektoren M3 und M4 jeweils entgegengesetzt verschwenkt werden. Die Situation der verschwenkten Reflektoren ist in der Figur 1 gestrichelt eingezeichnet. Als Strahlengang ergibt sich dann, dass der Einfallsstrahl 1 nun unter einem Winkel α + θ auf den ersten Reflektor Ml auftrifft, dementsprechend um einen um 2Θ veränderten Winkel gegenüber dem ursprünglichen Strahl 10 zum zweiten Reflektor M2 reflektiert wird, auch bei diesem unter einem Einfallswinkel von α + θ auftrifft, da ja auch der Reflektor M2 um einen Winkel θ verschwenkt wurde. Aufgrund der Verschwenkung des Reflektors M3 ebenfalls um einen Winkel θ trifft auch der vom Reflektor M2 reflektierte Strahl unter einem Einfallswinkel α + θ beim Reflektor M3 auf. Entsprechend läuft der Strahlengang dann zum Reflektor M4 , wo er aufgrund der Verschwenkung des Reflektors M4 um den Winkel θ dann wieder in den ursprünglichen vom letzten Reflektor M4 reflektierten Strahl 2 zurückläuft.
Die Anordnung ist hier im Prinzip achsensymmetrisch zu einer Achse, die parallel zu der durch die Schwenkachsen der
Reflektoren Ml und M2 bzw. M3 und M4 liegenden Achse liegt.
Durch die Anordnung der Reflektoren als zwei
Strahlversatzelemente SV1 , SV2 , bei denen der durch das erste Strahlversatzelement SV1 erreichte Strahlversatz durch das zweite Strahlversatzelement SV2 wieder rückgängig gemacht wird, kann dieser Wellenlangenselektor einfach in einen bereits bestehenden Strahlengang, beispielsweise eines Laborgeräts, eingefügt werden.
Durch die Verschwenkung der Reflektoren Ml bis M4 wird dann erreicht, dass sich der Einfallswinkel der Strahlen auf dem jeweiligen Reflektor Ml bis M4 ändert und dementsprechend eine andere Wellenlänge selektiert wird, die dann von dem letzten Reflektor M4 wieder in den bestehenden Strahlengang eingespeist wird.
In Figur 2 ist die Reflektivität eines Multilagenspiegels , der hier beispielsweise als Mo/Si-Multilagenstapel mit 40 Doppellagen und einer Optimierung für 45 ° Einfallswinkel bei einer Doppellagendicke von ca. 9.8 nm ausgebildet ist, gezeigt. Es ist zu sehen, dass die Reflektivität in den jeweiligen Maxima der einzelnen Reflektivitätskurven, die hier für Einfallswinkel von 40° bis 55° in Schritten von 1° variiert wurden, in einem Wellenlängenbereich von ca. 12,5 nm bis 15,5 nm nur geringfügig variiert. Innerhalb dieses Bereiches von ca. 3 nm kann daher mit dem entsprechenden Multilagenspiegel die jeweilige Wellenlänge eingestellt werden, ohne dass hier unverhältnismäßig große Intensitätsverluste auftreten.
In der Figur 2 wird dabei die Reflektion für einen Spiegel unter unterschiedlichen Einfallswinkeln gezeigt. Ist ein anderer Wellenlängenbereich von Interesse, so kann ein entsprechender Multilagenspiegel entweder durch Änderung der Doppellagendicke oder durch Wahl einer anderen Materialkombination, beispielsweise Mo/Be, erzeugt werden.
In Figur 3 ist wiederum die Reflektivität über die Wellenlänge aufgetragen, wobei hier eine Anordnung gemäß der Figur 1 mit vier wellenlängenselektiven Reflektoren gezeigt ist, wobei jeder einzelne der Reflektoren die Eigenschaften des in Figur 2 gezeigten Multilagenspiegels aufweist. Hier ist wiederum eine Wellenl ngenselektion durch Variation des jeweiligen Einfallswinkels im Bereich von 40° bis 55° gezeigt .
Die in der Figur 1 gezeigte Anordnung gestattet also die Durchstimmung der Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von ca. 12,5 nm bis 15,5 nm, also über einen Bereich von 3 nm mit jeweils einer Linienbreite von ca. 1 nm.
Zur Verringerung der Linienbreite kann durch gezielte Verstimmung der Spiegel, also durch eine gezielte Optimierung
der Spiegel für unterschiedliche Wellenlängenbereiche, eine Verringerung der Linienbereiche erreicht werden. In der Anordnung der Figur 1 werden dabei beispielsweise die Reflektoren M2 und M3 als Doppellagenspiegel mit einer Doppellagendicke eines geringfügig anderen Wertes ausgebildet .
In Figur 4 ist die Reflektivität einer entsprechenden Anordnung gezeigt . Hierbei sind zwei der vier Spiegel mit einer Doppelschichtdicke von 9 , 8 nm und zwei der Spiegel mit einer Doppelschichtdicke von 9,4 nm ausgebildet. Die resultierenden Linienbreiten sind bei dieser Anordnung deutlich geringer, als die in der Figur 3 gezeigten.
Die in der Figur 4 genannte Verstimmung von zwei der vier
Reflektoren kann bei Verwendung eines Bragg-Gitters oder bei Verwendung eines Reflektionsgitters auch durch die Veränderung der Gitterkonstanten von jeweils zwei der vier Reflektoren erreicht werden.
Eine zweite Möglichkeit zur Reduktion der Linienbreite ist in Figur 6 gezeigt. Hier ist zunächst wiederum die Anordnung der Figur 1 gezeigt. Allerdings sind die Reflektoren M2 und M3 jeweils um einen Winkel ε gegeneinander verstimmt. Bei der Verschwenkung der Reflektoren ist daher bei einer
Verschwenkung des Reflektors Ml und M4 um einen Winkel θ die Verschwenkung der Reflektoren M2 und M3 jeweils um einen Winkel θ - ε bzw. θ + ε vorgesehen.
Durch diese Maßnahme wird eine Verstimmung der Reflektoren M2 und M3 gegenüber den Reflektoren Ml und M4 erreicht, auch hier selektieren die Reflektoren Ml und M4 dann einen geringfügig anderen Wellenlängenbereich, als die Reflektoren M2 und M3. Hierdurch wird wiederum eine Reduktion der Linienbreite erreicht.
In Figur 5 ist die entsprechende Reduktion der Linienbreiten gezeigt. Der Winkel α ist dabei fest bei 45° gehalten.
Gezeigt wird eine Verstimmung der Reflektoren M2 und M3 um +ε und -ε. Die Intensitäten der einzelnen Kurven sind dabei auf das jeweilige Maximum normiert. Deutlich zu erkennen ist, dass bei einer Verstimmung der Reflektoren M2 und M3 um einen Winkel von ε = 2° bzw. ε = 3° eine wesentlich geringere Linienbreite resultiert. Allerdings nimmt die Intensität bei dieser Verstimmung ab und liegt im gezeigten Beispiel für ε = 3° bei ca. 70 % des Wertes von ε = 0.
Möchte man einen größeren Wellenlängenbereich selektieren bzw. einen anderen Wellenlängenbereich auswählen, so können die Reflektoren Ml bis M4 durch einen anderen Satz ausgetauscht werden, der für jeweils andere
Wellenlängenbereiche optimiert ist. Die Kosten für mehrere Reflektorsätze zur Abdeckung einen größeren Wellenlängenbereichs sind immer noch niedrig verglichen mit Synchrotron-Strahlzeitkosten.
Die Wellenlängenselektoren der vorgeschlagenen Art eignen sich zur In-situ Metrologie für EUV-Lithographie, insbesondere In-situ-Analyse des Wellenlängenspektrums von EUV-Lithographiequellen im weichen Rontgenbereich.
Der erfindungsgemäße Wellenlangenselektor ist nicht auf die Anwendung im Wellenlängenbereich zwischen 10 nm bis 15 nm beschränkt . Durch Auswahl der Materialien für die Multilagenspiegel sind alle Wellenlängenbereiche im weichen
Rontgenbereich und dem extremen Ultraviolettbereich für eine Wellenl ngenselektion durch einen erfindungsgemäßen Wellenlangenselektor zugänglich. Damit könnten z.B. durchstimmbare Lichtquellen für biologische Anwendungen im weichen Rontgenbereich realisiert werden.