WO2007019886A1 - Optisches system, nämlich objektiv oder beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen projektionsbelichtungsanlage - Google Patents

Optisches system, nämlich objektiv oder beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen projektionsbelichtungsanlage Download PDF

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WO2007019886A1
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WO
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optical system
polarization
optical element
diffractive optical
electromagnetic radiation
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PCT/EP2005/055888
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Daniel KRÄHMER
Michael Totzeck
Bernd Kleemann
Johannes Ruoff
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Carl Zeiss Ag
Carl Zeiss Smt Ag
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
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    • G—PHYSICS
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/7015—Details of optical elements
    • G03F7/70158—Diffractive optical elements

Definitions

  • Optical system namely lens or
  • the invention relates to an optical system, namely a lighting device or a projection objective of a microlithographic projection exposure apparatus, having at least one diffractive optical element.
  • Microlithography is used to fabricate microstructured devices such as integrated circuits or LCDs.
  • the microlithography process is carried out in a so-called projection exposure apparatus which has an illumination device and a projection objective.
  • diffractive optical elements are frequently used for pupil and field shaping, for example at the entrance of the illumination device, which diffractivities are defined by an angular radiation characteristic defined by their respective diffracting surface structure, e.g. in a pupil plane, set a desired intensity distribution (e.g., dipole or quadrupole distribution), as shown schematically in Figs. 10 shows a DOE 1, on which a light beam 2 falls, the intensity of which is distributed by DOE 1 into different regions, wherein in FIG. 10 only two directions 3 and 4 are indicated by way of example.
  • the DOE 1 consists of an array of diffractive structures whose Fourier transformation reflects a desired intensity distribution.
  • FIG. 11 shows typical intensity distributions in an illumination pupil in the form of a dipole distribution 10 (FIG. IIa) or a quadrupole distribution 20 (FIG. IIb), which are used depending on the structures imaged in a projection exposure apparatus.
  • WO 2004/025335 Al is a binary blazed diffractive optical element having a plurality of each one row known from single substructures diffraction structures.
  • the interference contrast in the image is optimal when there is a two-beam interference between rays with polarization oriented perpendicular to the plane of incidence.
  • the polarization component whose electric field vector oscillates perpendicular to the plane of incidence of a light beam is referred to as the s-component.
  • the polarization component whose electric field vector oscillates parallel to the plane of incidence of a light beam is referred to as a p-component.
  • a tangential polarization distribution in which the vibration planes of the E-field vectors of the individual linearly polarized light beams are oriented in a pupil plane of the system perpendicular to the directed on the optical axis radius.
  • a radial polarization distribution is understood to mean a distribution in which the oscillation planes of the E field vectors of the individual linearly polarized light beams are oriented radially to the optical axis in a pupil plane of the system.
  • US 2001/0019404 A1 discloses e.g. Arrangements are known in which a polarization-influencing element is arranged in a pupil plane, which e.g. can be constructed of segmented birefringent plates.
  • the object of the present invention is to provide an optical system, namely an illumination device or a projection objective of a microlithographic projection exposure apparatus, which enables rapid and flexible adjustment of a desired intensity distribution and polarization distribution in a pupil or field plane.
  • an illumination device or a projection objective of a microlithographic projection exposure apparatus comprises at least one polarization-selectively blazed diffractive optical element which has a plurality of blaze structures each having a width perpendicular to their direction of extent which is greater than the wavelength of the electromagnetic radiation for which the diffractive optical element is designed, wherein the Blaze Quilten each comprise a plurality of individual sub-structures, which are arranged according to a predetermined period in the extension direction, provide the Blazerial and each have in plan view the shape of a closed geometric surface whose parallel to the extension direction directed dimension varies perpendicular to the extension direction but always smaller than the wavelength of the electromagnetic radiation, and their maximum dimension perpendicular to the extension ungsraum is greater than the wavelength of the electromagnetic radiation, wherein the filling ratio of the individual substructures in the extension direction to the period as a function of the position perpendicular to the extension direction is chosen so that for one of two mutually orthogonal polarization states of the electromagnetic radiation, the Bla
  • Blaze effect is to be understood as the setting of a high diffraction efficiency in a certain diffraction order, the diffraction efficiency being correspondingly small for the other diffraction orders, ie the energy is maximized in a desired diffraction order.
  • a desired (for example tangential) polarization distribution can be set in a pupil plane, for example, without requiring an additional polarization-influencing element.
  • Dipole illumination or quadrupole illumination When used as a field-defining element (FDE) in a lighting device, not only a uniform intensity distribution but also a desired (eg constant linear or also varying over the reticle) in the field level or at the location of the reticle Polarization distribution can be adjusted.
  • FDE field-defining element
  • the blaze effect is optimized for one of two mutually orthogonal states of polarization of the electromagnetic radiation
  • the Blaze Gold for one polarization state is much better than for the other.
  • such situations are considered to be encompassed by the present invention, in which the Blaze Gold for one polarization state by at least 50% better than for the other, this orthogonal polarization state (ie, for example, s-polarization compared to p-polarization).
  • the blaze effect for the one polarization state can also be more than twice as great or even one to several orders of magnitude better than for the other polarization state.
  • the bladder structures each comprise a plurality of individual substructures which are juxtaposed in the direction of extent according to a predetermined period, provide the blaze effect and each have the shape of a closed geometric surface in plan view
  • the blaze effect according to the invention becomes essentially two-dimensional, closed individual structures achieved, which is initially advantageous in terms of manufacturing technology and, moreover, with a suitable configuration of these individual structures, furthermore also makes it possible to selectively set a desired polarization distribution.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation for which the diffractive optical element or the optical system is designed is less than 250 nm, preferably less than 200 nm.
  • higher resolutions in the microlithography process can result due to the shorter wavelength achieved at the same time generating a desired polarization effect or distribution by the use of the polarization-selective optical element according to the invention at these wavelengths is advantageous in that problems can be avoided, such as with the use of Gitterpolarisatoren (which have too low efficiency at such low wavelengths) or of Dünn harshpolarisatoren (which require use at incidence angles, ie not perpendicular to the beam path) are connected.
  • the optical system according to the invention is a lighting device of a microlithographic projection exposure apparatus. This has the advantage that already in the
  • Lighting device the light e.g. can be occupied in the pupil plane at the same time with the formation of a desired Winkelabstrahl characterizing with the corresponding desired polarization effect, for. to set a tangential polarization distribution in the pupil plane. This is also important because such interventions in the lighting system are usually easier to implement than in the projection lens.
  • the diffractive optical element generates a substantially tangential or a substantially radial polarization distribution in a pupil plane of the illumination device.
  • a tangential polarization distribution is sought for a high-contrast image generation
  • the generation of a radial polarization distribution by the diffractive optical element is advantageous insofar as such a radial polarization distribution by means of a another polarization-influencing element in the form of a 90 ° rotator can be converted into a tangential polarization distribution.
  • Such a 90 ° rotator may in known manner, for example from a plane plate of optically active crystal material (eg optically active crystalline quartz whose optical crystal axis is arranged parallel to the optical axis of the system) or from two mutually rotated by 45 ° to each other arranged Lambda / 2 Plates (eg Planplatten of crystalline quartz, in which the optical crystal axis is arranged in each case perpendicular to the optical axis of the optical system) may be formed.
  • a 90 ° rotator can be arranged, for example, in the said pupil plane, directly following it in the beam path or else in another pupil plane.
  • another polarization-influencing element preferably a 90 ° rotator, can be introduced into the beam path.
  • an intensity distribution generated by the diffractive optical element is essentially a dipole or quadrupole distribution or an annular distribution.
  • the individual substructures can be designed such that a substantially tangential or a substantially radial polarization distribution is produced in the poles of the dipole or quadrupole distribution or on the ring of the annular distribution.
  • the diffractive optical element according to the invention can also be used for refreshing ("clean-up") already pre-polarized light in a lighting device shortly before the reticle.
  • the diffractive optical element in a reticle plane of the illumination device a locally varying polarization distribution.
  • the polarization state for example, can be adapted specifically to the structures present on the reticle by illuminating certain regions of the reticle with defined polarization states while adapting the polarization distribution to structures on the reticle. For example, one area of the reticle may be illuminated with linearly polarized light and another area with unpolarized light.
  • the individual substructures may be formed (or the filling ratio may be selected) such that the s-polarized component of the electromagnetic radiation predominantly in the ( ⁇ l) -th diffraction order and the p-polarized component of the electromagnetic radiation predominantly in the zeroth diffraction order is directed.
  • the diffractive optical element may be followed by a further element for filtering out the electromagnetic radiation directed into the zeroth diffraction order.
  • This further element can be formed for example by a diaphragm or by an axicon.
  • a filling ratio of the individual substructures is selected such that a predetermined course of the effective refractive index for the electromagnetic radiation of the one polarization state is given.
  • the diffractive optical element may be interchangeable and / or adjustable in the be arranged optical system.
  • the diffractive optical element is one of the three first optical elements following the light source of the illumination device in the light propagation direction.
  • the diffractive optical element can be arranged in a pupil plane of the illumination device.
  • the diffractive optical element may be a pupil-defining element (PDE), a field-defining element (FDE) or else a diffractive lens.
  • PDE pupil-defining element
  • FDE field-defining element
  • diffractive lens a diffractive lens
  • the diffractive optical element is composed of a plurality of partial regions, wherein each of these partial regions has the identical arrangement of the plurality of bladder structures.
  • the bladder structures form a first grid
  • the individual substructures of each bladder structure form a second grid, wherein grid directions of the first and second gratings are non-parallel, and preferably substantially perpendicular, to each other.
  • the closed geometric surface of the individual substructures can essentially be a triangular surface or else have another suitable shape according to the respective requirements.
  • two bladder structures adjacent to the direction of extension are arranged such that base sides of individual substructures of one bladder structure adjoin base sides of individual substructures of the other bladder structure.
  • two bladder structures adjacent to the direction of extension are arranged such that base sides of individual substructures of one bladder structure adjoin base sides of individual substructures of the other bladder structure.
  • the individual substructures may have a first layer with a first refractive index and a second layer lying on the first layer with a second refractive index that is different from the first refractive index.
  • a third layer with the second refractive index can be arranged in the region of the first layer. The heights of the second layer and the third layer are preferably the same.
  • individual structures are arranged between the individual substructures, which have a third layer with a third refractive index and a fourth layer with a fourth refractive index.
  • the filling ratio is chosen so that it does not cover the entire range from 0 to 1.
  • the size of the area which the filling ratio passes over is preferably not greater than 0.7.
  • the illumination device has a numerical aperture of at least 0.2 at a reticle plane of the illumination device.
  • a microlithographic Projection exposure apparatus with an optical system or a lighting device according to the present invention preferably has an image-side numerical aperture of at least 0.8, preferably at least 0.9, more preferably at least 1.0.
  • the generation, for example, of a tangential polarization distribution by the use of the polarization-selective optical element according to the invention as a result of the achievable increase in contrast is particularly advantageous.
  • the projection objective present in a microlithographic projection exposure apparatus which has a polarization-selective optical element according to the invention is also an immersion objective, i. between an image-side last optical element of this projection lens and the image plane, an immersion medium having a refractive index n greater than one is arranged.
  • the invention relates to a lighting device of a microlithographic projection exposure apparatus having at least one polarization-selectively blazed diffractive optical element which generates a substantially tangential or a substantially radial polarization distribution in a pupil plane.
  • the invention relates to a lighting device of a microlithographic projection exposure apparatus, with at least one polarization-selectively blazed diffractive optical element, which in a reticle plane of the Lighting device generates a locally varying polarization distribution.
  • the invention also relates to a microlithographic projection exposure apparatus, a method for the microlithographic production of microstructured components and a microstructured component.
  • Figure la-b is a schematic representation for explaining the operation of a DOE invention according to a preferred embodiment according to the invention.
  • Figure 2a-c are schematic representations for explaining the
  • Figure 3a-c are diagrams for explaining the structure of existing in the inventive DOE of Figure 1 single substructures to optimize the blaze effect for s-polarization ( Figure 3b) and for p-polarization ( Figure 3c).
  • FIGS. 4-5 are schematic illustrations for explaining the structure of a DOE according to the invention according to further preferred embodiments;
  • FIG. 6 shows a diagram for explaining the structure of individual substructures present in a DOE according to the invention in accordance with a further preferred embodiment
  • Figure 7a-c are schematic representations for explaining the
  • FIG. 8 shows the structure of a microlithography
  • Projection exposure system in which a DOE according to the invention is used at different positions in the illumination device and in the projection objective;
  • Figure 9a-b are schematic representations of according to the
  • FIG. 10 shows a schematic illustration for explaining the setting of a desired intensity distribution by a DOE.
  • a light beam 101 is incident on a DOE 100, the intensity of which is distributed by the DOE 100 in different directions, in particular directions "A", "B” and “C.”
  • directions "A", "B” and “C” in particular directions "A", "B” and "C.”
  • the DOE 100 is composed of a plurality of substantially identical subregions 111, 112, ....
  • each of these sections 111, 112,.. Area of the illumination pupil off. Since different partial regions of the light bundle 101 contribute to the intensity distribution in the respective subregions 111, 112,..., A thorough mixing of the light emerging from the individual subregions 111, 112,... And thus an automatic compensation of any inhomogeneities of the light bundle 101 ensues in the lighting pupil.
  • the DOE 100 is made up of the multiplicity of partial regions 111, 112,... (Eg substantially checkered).
  • the number of individual subregions is typically much higher and their size substantially smaller than in the illustration, wherein the typical dimensions of the respective subregions 111, 112,... Can be, for example, on the order of 100 .mu.m.
  • the DOE 100 has a polarization-dependent diffraction efficiency. More specifically, in the embodiment, the light diffracted in the "l" -th and -l "diffraction order is s-polarized, i. the electric field vector oscillates perpendicular to the plane of incidence of the respective light beam. On the other hand, the light propagating in the zeroth diffraction order is p-polarized, i. the electric field vector oscillates parallel to the plane of incidence of the respective light beam.
  • Each of the sub-areas 111, 112, ... which are constructed essentially identical to one another is formed according to the invention by a diffractive-blazed structure, the exemplary structure of which is explained with reference to FIGS. 2 a to 2 c.
  • typical bladder structures 211, 212, 213,..., 221, 222, 223,..., 231,... are respectively shown, wherein the hatched areas Symbolize zones with a different refractive index (for example, n ⁇ ) than the non-hatched areas (with refractive index n 2 ).
  • LaF 3 lanthanum fluoride
  • MgF 2 magnesium fluoride
  • the DOE 100 according to the invention or the transmissive carrier is preferably made of quartz glass.
  • the shape of the structures is not limited to triangular structures, but can be selected according to the requirements.
  • a targeted polarization selectivity can be achieved according to the invention, as will be explained in more detail below.
  • For the period sg is selected as a function of the position perpendicular to the extension direction "I” such that for a is optimized by two mutually orthogonal polarization states of the electromagnetic radiation Blazerial.
  • the ratio of the dimension of the individual substructures 211a, 211b, ... in the extension direction "I” of the diffraction-blazed structures 211, 212,... Relative to the period "sg" of the sub-wavelength structuring is predetermined Point within the blaze period of the diffractive-blazed structures 211, 212, ... to understand.
  • the effect is exploited that the averaging of the electromagnetic radiation via the individual substructures 211a, 211b,... Of the polarization of the electromagnetic radiation.
  • the sub-wavelength structuring is optimized only for one of two mutually polarization states (ie, either s-polarization or p-polarization).
  • the so-called "effective medium theory” applies to the effective refractive index n eff on the premise that the period "sg" of the sub-wavelength structuring is much smaller than the wavelength ⁇ of the electromagnetic radiation, for the p-polarization (or TM Polarization) the following relationship:
  • the course of the effective refractive index is selected according to the invention such that the dependence of the effective refractive index n eff on the coordinate x perpendicular to the extension direction "I" is a linear function.
  • Fig. 3b shows in plan view the corresponding shape of the single structures 211a, 211b for the case of optimizing the s-polarization blaze effect
  • Fig. 3c shows the corresponding shape of these single substructures in the case of p-polarization optimization.
  • the x-coordinate is that location coordinate which runs in the direction "II" with reference to FIG. 2a
  • the y-coordinate is the spatial coordinate which, with reference to FIG "I" (ie in the extension direction of Blaze Quilt 211, 212, 213) runs.
  • the height h of the individual substructures 211a, 211b,... is selected such that the relationship
  • Equation (5) applies to a good approximation for large grid widths and almost vertical incidence of light.
  • FIGS. 4 a to c show schematically the structure of bladder structures 411, 412,... According to a further embodiment of the present invention.
  • the respective individual substructures 411 a, 411 b of the bladder structures 411, 412,... are formed from a lower layer 421 having a refractive index rii and an upper layer 422 having a refractive index n 2 .
  • the lower layer 421 has a height hi
  • the upper layer 422 has a height h 2 .
  • a further layer 423 is arranged between the regions of the lower layer 421. This further layer 423 is formed from a material having a refractive index n 3 and has the height h 3 .
  • n eff ⁇ : L ' :> are the effective refractive indices, which result from the respective refractive indices n ⁇ and n D , which are present in the partial heights h 3 / (hi-h 3 ) and h 2 . If h 3 > hi, an analogous formula can be derived.
  • the remaining free parameters are the fill ratio f and the wavelength normalized grating period sg / ⁇ of sublambda wavelength structuring.
  • the filling ratio f describes in the lower layer the fraction of the grating period which coincides with the material with the refractive index ni in the upper layer it applies to the material with the refractive index n 2 .
  • the TM polarization in the interval 0.5 ⁇ f ⁇ 1 is almost independent of f.
  • the TE polarization in this region increases sharply, as shown in FIG. 4c, which shows the dependence of the effective refractive index n e ff on the filling ratio f for the TE and TM polarization.
  • the filling ratio curve depending on the coordinate x (ie perpendicular to the extension direction "I") can be chosen so that the desired eg linear refractive index profile is achieved in dependence on the coordinate x
  • Nonlinear course of the triangle sides is not shown for simplicity in Fig. 4a, 4b as well as in Fig. 5a and 5b.
  • Fig. 4c shown the effective refractive index n eff f in dependence on the filling ratio is utilized in the embodiment of Fig. 4a, that for the TE polarization exhibits good Blazen, ie the TE polarization with high efficiency in the desired Blaze order diffracted.
  • the TM polarization is very badly bent in the desired (here the first diffraction order).
  • the TM polarization is mainly in different orders of diffraction than the desired Blaze instruct, here mainly in the zeroth order of diffraction of Blaze Modell. Since the filling ratio f satisfies the following inequality: 0.5 ⁇ f ⁇ 1, the single substructures 411a, 412a, 413a are trimmed at the tip so as to be substantially trapezoidal.
  • the height h of the individual layers results from the blaze condition
  • the index on TE, TM denotes the diffraction orders of the diffraction caused on the bladder structures 411, 412 and 413.
  • the TE polarization a large portion of the incident light is directed to the first blaze order, while the TM polarization is mainly in the zeroth order.
  • Table 2 shows selected parameters for which the blaze effect occurs in TM polarization.
  • the degree of polarization here is 98.4%.
  • the associated course of the effective refractive index n e ff as a function of the filling ratio f is shown in FIG. 5c.
  • An illustration of the possible form of the individual substructures 511, 512, 513 is shown in FIG. 5a.
  • the individual substructures 511, 512, 513 are triangles (in plan view) that do not touch each other in the direction of the sub-wavelength period "sg" but are spaced apart from each other, so here the length of the side Sl is smaller
  • Fig. 5b in the same way as in Fig. 4b, only the lower layer 521 is shown.
  • the radiation is perpendicular to the DOE so that the angle of incidence is 0 °. If the angle of incidence is not equal to 0 °, it may be necessary from a certain angle of incidence to take this into account when determining the sub-wavelength period sg and, if appropriate, in the above calculations.
  • the sub-wavelength period "sg" should always be be chosen so that only the zeroth diffraction order can propagate based on the sub-wavelength structuring.
  • not all bladder structures need to be performed by the described subwavelength structuring. It is also possible to provide classical blazed diffraction structures with a ramp profile for the bladder structures.
  • the individual substructures can form any possible closed surface in plan view, wherein, for example, polygonal profiles of individual sides are possible in plan view.
  • FIG. 6 a basic structure of individual substructures present in a DOE according to the invention is shown according to a further preferred embodiment.
  • two bladder structures 611 and 612 adjacent to the extension direction "I" are arranged in such a way that the individual substructures 611a, 611b,... (In the form of triangular surfaces) of one bladder structure 611 with their respective base side adjoin the adjacent to the base base side of individual substructures 612a, 612b, ... (also in the form of triangular faces, as shown in Figure 6) of the other bladder structure 612.
  • a sinusoidal transmission can be achieved which provides maximum diffraction efficiency for the (+ 1 ) -th and (-l) -th diffraction order, in particular, a point-symmetrical intensity distribution can be efficiently generated.
  • the fill factor within a period p according to the equation (3) has the relationship meet, ie the interfaces of the individual elements are not linear, but follow a sinusquadrat-shaped course.
  • FIG. 7 shows the construction of an element according to the invention in the form of a diffractive lens according to a further preferred embodiment of the invention.
  • Blaze Studentsen 711, 712 and 713 are annularly formed on a transmissive carrier, wherein each of these Blaze fabricaten 711, 712 and 713 analogous to that of 2 has a plurality of individual substructures 711a, 711b,..., 712a, 712b,... And 713a, 713b,... Of substantially triangular geometry, whose (in FIG ) Base has a length which corresponds to the period "sg" of the arrangement of individual substructures 711a, 711b, .... The individual substructures 711a, 711b, ...
  • the extension direction of the Blaze Modellen 711, 712 and 713 is designated in Fig. 7b with Ri, R 2 and R 3 .
  • the respective Width of Blaze Modellen 711, 712 and 713 is denoted in Fig. 7b with gi, g 2 and g 3 and decreases in the concrete embodiment with a radial distance from the center of the element 700 from.
  • the filling ratio of the blazer structures 711, 712 and 713 is selected such that a linear progression of the effective refractive index n eff as a function of the radial coordinate (denoted by x in FIG. 7c) results.
  • the individual substructures 711a, 711b,... Have substantially the shape described with reference to FIG. 3c, so that their blaze effect is optimized for p polarization (or TM polarization).
  • the individual substructures 711a, 711b,... also depending on the desired optimization of Blaze Koch another suitable form, in particular as described with reference to FIG. 3b form, in which case their blaze effect for s-polarization (or TE polarization) is optimized.
  • the light source unit 801 can use, for example, an ArF laser for a light source Working wavelength of 193 nm, as well as a beam shaping optics, which generates a parallel tuft light include.
  • Other suitable wavelengths are, for example, 248 nm (using a KrF laser as the light source) or 157 nm (using an F 2 laser as the light source).
  • the parallel tuft of light hits according to the
  • Embodiment first on a diffractive optical element 806.
  • a lens 808 following in the beam path is designed as a zoom lens which generates a parallel light bundle with a variable diameter
  • the parallel light bundle is directed by a deflection mirror 809 onto an optical unit 810 which has an axicon 811
  • different illumination configurations are produced by the zoom lens 808 in conjunction with the upstream DOE 806 and the axicon 811.
  • the optical unit 810 includes an axon 811 in the area of the pupi Lenabene 807 arranged light mixing system, which here in a known manner for obtaining a light mixture suitable arrangement of micro-optical elements (in Fig. 8 represented by the elements 813 and 814).
  • the light mixing system can also be a honeycomb capacitor or a rod integrator made of material transparent to light of the working wavelength, such as quartz glass or crystalline calcium fluoride.
  • the optical unit 810 further comprises, in the pupil plane 807, a further micro-optical element 812, which determines the shape and homogeneity of the illumination field at the input of a REMA objective 816 as a so-called field-defining element (FDE) by its emission characteristic, and likewise for example as diffractive optical element (DOE) may be formed.
  • the optical unit 810 is followed by a reticle masking system (REMA) 815, which is imaged by the REMA objective 816 onto the structure-carrying mask (reticle) 803 and thereby delimits the illuminated area on the reticle 803.
  • the pattern-bearing mask 803 is imaged onto a photosensitive substrate 805 with the projection lens 804.
  • the location of the optical element according to the invention is the diffractive optical element 806 in the illumination device 802.
  • the optical element according to the invention can be used, in cooperation with the axicon 811 light of a polarization direction (eg p-polarization) closer to the optical axis "OA "and light of the other polarization direction (eg s-polarization) further away from the optical axis" OA "away.
  • a tangential polarization distribution can be adjusted in conjunction with a dipole or quadrupole illumination distribution, without an additional polarization-influencing element is required, since the use of the element according to the invention, the light at the same time the formation of the desired Winkelabstrahl characterizing or the illumination configuration in the pupil plane 807 with the corresponding desired polarization effect is occupied.
  • the diffractive optical element 806 in accordance with the invention, the light is directed from the outset polarization-selective to the position suitable in the respective illumination configuration (eg dipole illumination or quadrupole illumination).
  • FIG. 9 a shows, for example, an illumination pupil 910 that can be achieved with a tangential polarization distribution in conjunction with a quadrupole illumination.
  • the radiation propagating into the zeroth diffraction order from the diffractive optical element 806 can be filtered out, for example, by means of a diaphragm or also through a central opening in the axicon 811.
  • This radiation propagating into the zeroth diffraction order is still present in the illumination pupil 920 shown in FIG. 9b and has a radial polarization distribution.
  • a further preferred application or a preferred place of use of the optical element according to the invention is the field-defining element (FDE) 812 in the illumination device 802.
  • the polarization-selective effect of the optical element according to the invention can then be determined in the field plane or at the location of the optical element Reticle 803 can be adjusted not only a uniform intensity distribution, but also a desired (eg constant) polarization distribution.Furthermore, the polarization state can be adjusted specifically to the structures present on the reticle 803, for example by adjusting the polarization distribution Structures on the reticle 803 certain areas of the reticle 803 are illuminated with defined polarization states. For example, one area of the reticle 803 may be illuminated with linearly polarized light and another area of the reticle 803 may be illuminated with unpolarized light.
  • the optical element according to the invention can be used as a kind of "diffractive polarizer", for example, to allow only tangentially polarized light to be reproduced, for example a lens 818 schematically indicated in FIG. 8 as a diffractive lens blazed according to the invention 7, and that each polarization state has a specific focus value, for example, the lens design can be tuned such that only for the focal length of the s-polarization gives an image in the image plane or on the photosensitive substrate 805.
  • the two polarization states of the s and p polarization can also be selectively focused by the optical element in focal planes that are slightly offset from each other (eg by 0.5-1 ⁇ m), So gezie lt can be adjusted to each other, for example, to compensate for errors caused by undesirable polarizing effects (for example of layers) in the projection objective 804.
  • the invention has also been described with reference to specific embodiments, numerous variations and alternative embodiments will be apparent to those skilled in the art, eg, by combining and / or replacing features of individual embodiments. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that such variations and alternative embodiments are intended to be embraced by the present invention, and the scope of the invention is limited only in terms of the appended claims and their equivalents.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung oder ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens einem diffraktiven optischen Element, das zur Erzielung einer Blazewirkung eine Mehrzahl von Blazestrukturen aufweist, welche jeweils mehrere für eine Blazewirkung sorgende Einzel- Substrukturen umfassen, die gemäß einer vorbestimmten Periode in Erstreckungsrichtung der jeweiligen Blazestruktur nebeneinander angeordnet sind, wobei diese Einzel- Substrukturen in Draufsicht jeweils die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche besitzen, deren parallel zur Erstreckungsrichtung gerichtete Abmessung senkrecht zur Erstreckungsrichtung variiert, aber immer kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, und deren maximale Abmessung senkrecht zur Erstreckungsrichtung größer ist als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Füllverhältnis der Einzel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung zur Periode in Abhängigkeit von der Position senkrecht zur Erstreckungsrichtung so gewählt ist, dass für einen von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen der elektromagnetischen Strahlung die Blazewirkung optimiert ist.

Description

Optisches System, nämlich Objektiv oder
Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen
ProjektionsbeIichtungsanläge
Diese Anmeldung ist eine continuation-in-part - Anmeldung der, und beansprucht die Priorität gemäß 35 U. S. C. 120 der, internationalen Patentanmeldung PCT/EP2005/054070, angemeldet am 18. August 2005, welche die Priorität gemäß 35 U. S. C. 120 der DE102004040535.2, angemeldet am 20. August 2004 beansprucht .
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein optisches System, nämlich eine Beleuchtungseinrichtung oder ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens einem diffraktiven optischen Element .
Stand der Technik
Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD' s, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungs¬ einrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist ) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen .
Dabei werden zur Pupillen- und Feldformung häufig, etwa am Eintritt der Beleuchtungseinrichtung, diffraktive optische Elemente (DOE' s) eingesetzt, welche über eine durch ihre jeweilige beugende Oberflächenstruktur definierte Winkelabstrahlcharakteristik z.B. in einer Pupillenebene eine gewünschte Intensitätsverteilung (z.B. Dipol- oder Quadrupolverteilung) einstellen, wie in Fig. 10 und 11 schematisch dargestellt ist. Dabei zeigt Fig. 10 ein DOE 1, auf welches ein Lichtbündel 2 fällt, dessen Intensität durch dass DOE 1 in unterschiedliche Bereiche verteilt wird, wobei in Fig. 10 lediglich exemplarisch zwei Richtungen 3 und 4 angedeutet sind. Dabei besteht das DOE 1 aus einem Array diffraktiver Strukturen, deren Fouriertransformation eine gewünschte Intensitätsverteilung wiedergibt. In Fig. 11 sind typische Intensitätsverteilungen in einer Beleuchtungspupille in Form einer Dipol-Verteilung 10 (Fig. IIa) bzw. einer Quadrupol-Verteilung 20 (Fig. IIb) dargestellt, welche je nach den in einer Projektionsbelichtungsanlage abgebildeten Strukturen zum Einsatz kommen.
Aus EP 1 160 589 Al sind verschiedene Ausgestaltungen von DOE' s mit auf einem Trägermaterial kammartig ausgebildeten Substrukturen bekannt, die auf einer sägezahnförmigen größeren Struktur aufgebracht sind.
Aus WO 2004/025335 Al ist ein binär geblazetes diffraktives optisches Element mit einer Vielzahl von jeweils eine Reihe von Einzel-Substrukturen umfassenden Beugungsstrukturen bekannt .
Es ist ferner bekannt, dass der Interferenzkontrast im Bild dann optimal ist, wenn eine Zweistrahlinterferenz zwischen Strahlen mit jeweils senkrecht zur Einfallsebene orientierter Polarisation erfolgt. Hier und im Folgenden wird die Polarisationskomponente, deren elektrischer Feldvektor senkrecht zur Einfallsebene eines Lichtstrahls schwingt, als s-Komponente bezeichnet. Entsprechend wird die Polarisationskomponente, deren elektrischer Feldvektor parallel zur Einfallsebene eines Lichtstrahls schwingt, als p-Komponente bezeichnet. Für eine kontrastreiche Bilderzeugung wird insbesondere eine tangentiale Polarisationsverteilung angestrebt, bei der die Schwingungsebenen der E-Feldvektoren der einzelnen linear polarisierten Lichtstrahlen in einer Pupillenebene des Systems senkrecht zum auf die optische Achse gerichteten Radius orientiert sind. Analog wird unter einer radialen Polarisationsverteilung eine Verteilung verstanden, bei der die Schwingungsebenen der E-Feldvektoren der einzelnen linear polarisierten Lichtstrahlen in einer Pupillenebene des Systems radial zur optischen Achse orientiert sind.
Aus US 2001/0019404 Al (EP 1 130 470 A2 ) sind z.B. Anordnungen bekannt, wobei in einer Pupillenebene ein die Polarisation beeinflussendes Element angeordnet wird, welches z.B. aus segmentierten doppelbrechenden Platten aufgebaut sein kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System, nämlich eine Beleuchtungseinrichtung oder ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, bereitzustellen, welches eine schnelle und flexible Einstellung einer gewünschten Intensitätsverteilung und Polarisationsverteilung in einer Pupillen- oder Feldebene ermöglicht .
Erfindungsgemäß umfasst eine Beleuchtungseinrichtung oder ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage wenigstens ein polarisationsselektiv geblazetes diffraktives optisches Element welches eine Mehrzahl von Blazestrukturen aufweist, die jeweils senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung eine Breite aufweisen, die größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element ausgelegt ist, wobei die Blazestrukturen jeweils mehrere Einzel-Substrukturen umfassen, die gemäß einer vorbestimmten Periode in Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, für die Blazewirkung sorgen und in Draufsicht jeweils die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche besitzen, deren parallel zur Erstreckungsrichtung gerichtete Abmessung senkrecht zur Erstreckungsrichtung variiert, aber immer kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, und deren maximale Abmessung senkrecht zur Erstreckungsrichtung größer ist als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Füllverhältnis der Einzel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung zur Periode in Abhängigkeit von der Position senkrecht zur Erstreckungsrichtung so gewählt ist, dass für einen von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen der elektromagnetischen Strahlung die Blazewirkung optimiert ist. Dabei ist unter Blazewirkung die Einstellung eines hohen Beugungswirkungsgrades in einer bestimmten Beugungsordnung zu verstehen, wobei der Beugungswirkungsgrad für die anderen Beugungsordnungen entsprechend klein ist, d.h. die Energie wird in einer gewünschten Beugungsordnung maximiert .
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Element die Blazewirkung für einen von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen optimiert ist, kann etwa in einer Pupillenebene eine gewünschte (beispielsweise tangentiale) Polarisationsverteilung eingestellt werden, ohne dass hierzu ein zusätzliches polarisationsbeeinflussendes Element erforderlich ist. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Elements in einer Beleuchtungseinrichtung oder einem Projektionsobjektiv wird das Licht zugleich mit Ausbildung der gewünschten Winkelabstrahlcharakteristik bzw. Beleuchtungskonfiguration in der Pupillenebene mit der entsprechenden gewünschten Polarisationswirkung belegt, so dass das Licht von vorneherein polarisationsselektiv beispielsweise an die Pole der jeweiligen Beleuchtungskonfiguration (z.B.
Dipolbeleuchtung oder Quadrupolbeleuchtung) gelenkt wird. Bei einem Einsatz als felddefinierendes Element (FDE, „field defining element") in einer Beleuchtungseinrichtung kann in der Feldebene bzw. am Ort des Retikels nicht nur eine gleichmäßige Intensitätsverteilung, sondern auch gezielt eine gewünschte (z.B. konstant lineare oder auch über das Retikel variierende) Polarisationsverteilung eingestellt werden.
Darunter, dass erfindungsgemäß „für einen von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen der elektromagnetischen Strahlung die Blazewirkung optimiert ist", sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung solche Fälle zu verstehen, bei denen die Blazewirkung für den einen Polarisationszustand wesentlich besser ist als für den anderen. Insbesondere sollen solche Situationen als von der vorliegenden Erfindung umfasst gelten, bei denen die Blazewirkung für den einen Polarisationszustand um wenigstens 50% besser ist als für den anderen, hierzu orthogonalen Polarisationszustand (also z.B. s-Polarisation im Vergleich zu p-Polarisation) . Erfindungsgemäß kann durch geeignete Wahl des Füllverhältnisses die Blazewirkung für den einen Polarisationszustand auch mehr als doppelt so groß oder sogar um eine bis mehrere Größenordnungen besser sein als für den anderen Polarisationszustand.
Dadurch, dass die Blazestrukturen jeweils mehrere Einzel- Substrukturen umfassen, die gemäß einer vorbestimmten Periode in Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, für die Blazewirkung sorgen und in Draufsicht jeweils die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche besitzen, wird die erfindungsgemäße Blazewirkung über im Wesentlichen zweidimensionale, geschlossene Einzelstrukturen erreicht, was zunächst fertigungstechnisch von Vorteil ist und darüber hinaus bei geeigneter Ausgestaltung dieser Einzelstrukturen ferner auch eine gezielte Einstellung einer gewünschten Polarisationsverteilung ermöglicht .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, für welche das diffraktive optische Element bzw. das optische System ausgelegt ist, weniger als 250 nm, bevorzugt weniger als 200 nm. In diesem Falle können zum einen infolge der geringeren Wellenlänge höhere Auflösungen im Mikrolithographieprozess erreicht werden, wobei zugleich die Erzeugung einer gewünschten Polarisationswirkung bzw. -Verteilung durch dem Einsatz des erfindungsgemäßen polarisationsselektiven optischen Elements bei diesen Wellenlängen insofern vorteilhaft ist, als Probleme vermieden werden können, wie sie etwa mit dem Einsatz von Gitterpolarisatoren (die bei derart niedrigen Wellenlängen eine zu geringe Effizienz aufweisen) oder von Dünnschichtpolarisatoren (die einen Einsatz unter Inzidenzwinkeln, d.h. nicht senkrecht zum Strahlengang, erfordern) verbunden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße optische System eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage . Dies hat den Vorteil, dass bereits in der
Beleuchtungseinrichtung das Licht z.B. in der Pupillenebene zugleich mit Ausbildung einer gewünschten Winkelabstrahlcharakteristik mit der entsprechenden gewünschten Polarisationswirkung belegt werden kann, um z.B. in der Pupillenebene eine tangentiale Polarisationsverteilung einzustellen. Dies ist auch deshalb von Bedeutung, da solche Eingriffe im Beleuchtungssystem in der Regel einfacher als im Projektionsobjektiv zu realisieren sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt das diffraktive optische Element in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung eine im Wesentlichen tangentiale oder eine im Wesentlichen radiale Polarisationsverteilung.
Wenngleich für eine kontrastreiche Bilderzeugung insbesondere eine tangentiale Polarisationsverteilung angestrebt wird, ist auch die Erzeugung einer radialen Polarisationsverteilung durch das diffraktive optische Element insofern vorteilhaft, als eine solche radiale Polarisationsverteilung mittels eines weiteren polarisationsbeeinflussenden Elements in Form eines 90°-Rotators in eine tangentiale Polarisationsverteilung umgewandelt werden kann. Ein solcher 90°-Rotator kann in bekannter Weise z.B. aus einer Planplatte aus optisch aktivem Kristallmaterial (z.B. optisch aktivem kristallinem Quarz, dessen optische Kristallachse parallel zur optischen Achse des Systems angeordnet ist) oder aus zwei um 45° gegeneinander verdreht angeordneten Lambda/2-Platten (z.B. Planplatten aus kristallinem Quarz, bei denen die optische Kristallachse jeweils senkrecht zur optischen Achse des optischen Systems angeordnet ist) ausgebildet sein. Ein solcher 90°-Rotator kann beispielsweise in der besagten Pupillenebene, im Strahlengang unmittelbar darauffolgend oder auch in einer weiteren Pupillenebene angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist somit ein weiteres polarisationsbeeinflussendes Element, vorzugsweise ein 90°- Rotator, in den Strahlengang einbringbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine von dem diffraktiven optischen Element erzeugte Intensitätsverteilung im Wesentlichen eine Dipol- oder Quadrupolverteilung oder eine ringförmige Verteilung. Dabei können die Einzel- Substrukturen so ausgestaltet sein, dass in den Polen der Dipol- oder Quadrupolverteilung oder auf dem Ring der ringförmigen Verteilung eine im Wesentlichen tangentiale oder eine im Wesentlichen radiale Polarisationsverteilung erzeugt wird. Das erfindungsgemäße diffraktive optische Element kann ferner auch zur Auffrischung („Clean-Up") von bereits vorpolarisiertem Licht in einer Beleuchtungseinrichtung kurz vor dem Retikel eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erzeugt das diffraktive optische Element in einer Retikelebene der Beleuchtungseinrichtung eine örtlich variierende Polarisationsverteilung. Dies hat den Vorteil, dass der Polarisationszustand beispielsweise gezielt an die auf dem Retikel vorhandenen Strukturen angepasst werden kann, indem unter Anpassung der Polarisationsverteilung an Strukturen auf dem Retikel bestimmte Bereiche des Retikels mit definierten Polarisationszuständen beleuchtet werden. Beispielsweise kann auch ein Bereich des Retikels mit linear polarisiertem Licht und ein anderer Bereich mit unpolarisiertem Licht beleuchtet werden .
Die Einzel-Substrukturen können so ausgebildet sein (bzw. das Füllverhältnis kann so gewählt sein) , dass die s-polarisierte Komponente der elektromagnetischen Strahlung überwiegend in die (± l)-te Beugungsordnung und die p-polarisierte Komponente der elektromagnetischen Strahlung überwiegend in die nullte Beugungsordnung gelenkt wird.
Dem diffraktiven optischen Element kann ein weiteres Element zum Ausfiltern der in die nullte Beugungsordnung gelenkten elektromagnetischen Strahlung nachgeordnet sein. Dieses weitere Element kann beispielsweise durch eine Blende oder auch durch ein Axikon gebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Füllverhältnis der Einzel-Substrukturen so gewählt, dass ein vorbestimmter Verlauf der effektiven Brechzahl für die elektromagnetische Strahlung des einen Polarisationszustandes gegeben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das diffraktive optische Element austauschbar und/oder justierbar in dem optischen System angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das diffraktive optische Element eines der drei ersten in Lichtausbreitungsrichtung auf die Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung folgenden optischen Elemente.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das diffraktive optische Element in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung angeordnet sein.
Das diffraktive optische Element kann insbesondere ein pupillendefinierendes Element (PDE) , ein felddefinierendes Element (FDE) oder auch eine diffraktive Linse sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das diffraktive optische Element aus einer Vielzahl von Teilbereichen zusammengesetzt, wobei jeder dieser Teilbereiche die identische Anordnung der Mehrzahl von Blazestrukturen aufweist .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden die Blazestrukturen ein erstes Gitter und die Einzel- Substrukturen jeder Blazestruktur bilden ein zweites Gitter, wobei Gitterrichtungen des ersten und des zweiten Gitters nicht parallel, und vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zueinander sind.
Die geschlossene geometrische Fläche der Einzel-Substrukturen kann im Wesentlichen eine Dreiecksfläche sein oder auch gemäß den jeweiligen Anforderungen eine andere geeignete Form aufweisen . In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei senkrecht zur Erstreckungsrichtung benachbarte Blazestrukturen so angeordnet, dass Basisseiten von Einzel-Substrukturen der einen Blazestruktur an Basisseiten von Einzel-Substrukturen der anderen Blazestruktur angrenzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei senkrecht zur Erstreckungsrichtung benachbarte Blazestrukturen so angeordnet, dass Basisseiten von Einzel-Substrukturen der einen Blazestruktur an Basisseiten von Einzel-Substrukturen der anderen Blazestruktur angrenzen. Die Einzel-Substrukturen können eine erste Schicht mit einer ersten Brechzahl und eine auf der ersten Schicht liegende zweite Schicht mit einer zweiten Brechzahl, die von der ersten Brechzahl verschieden ist, aufweisen. Zwischen den Einzel-Substrukturen kann im Bereich der ersten Schicht eine dritte Schicht mit der zweiten Brechzahl angeordnet sein. Die Höhen der zweiten Schicht und der dritten Schicht sind vorzugsweise gleich.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwischen den Einzel-Substrukturen Einzelstrukturen angeordnet, die eine dritte Schicht mit einer dritten Brechzahl und eine vierte Schicht mit einer vierten Brechzahl aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Füllverhältnis so gewählt, das es nicht den gesamten Bereich von 0 bis 1 überstreicht. Dabei ist vorzugsweise die Größe des Bereiches, den das Füllverhältnis überstreicht, nicht größer als 0.7.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung an einer Retikelebene der Beleuchtungseinrichtung eine numerische Apertur von wenigstens 0.2 auf. Eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einem optischen System bzw. einer Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise eine bildseitige numerische Apertur von wenigstens 0.8, bevorzugt wenigstens 0.9, weiter bevorzugt wenigstens 1.0 auf. Bei solchen hohen numerischen Aperturen ist die Erzeugung z.B. einer tangentialen Polarisationsverteilung durch dem Einsatz des erfindungsgemäßen polarisationsselektiven optischen Elements infolge der erreichbaren Kontrasterhöhung besonders vorteilhaft .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher auch das in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, welche ein erfindungsgemäßes polarisationsselektives optisches Element aufweist, vorhandene Projektionsobjektiv ein Immersionsobjektiv, d.h. zwischen einem bildseitig letzten optischen Element dieses Projektionsobjektivs und der Bildebene ist ein Immersionsmedium mit einer Brechzahl n größer als Eins angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens einem polarisationsselektiv geblazeten diffraktiven optischen Element, welches in einer Pupillenebene eine im Wesentlichen tangentiale oder eine im Wesentlichen radiale Polarisationsverteilung erzeugt.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens einem polarisationsselektiv geblazeten diffraktiven optischen Element, welches in einer Retikelebene der Beleuchtungseinrichtung eine örtlich variierende Polarisationsverteilung erzeugt.
Die Erfindung betrifft auch eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage, ein Verfahren zur mikrolithographischen Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente und ein mikrostrukturiertes Bauelement.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
Figur la-b eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen DOE' s gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Figur 2a-c schematische Darstellungen zur Erläuterung des
Aufbaus eines erfindungsgemäßen DOE' s gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Figur 3a-c Diagramme zur Erläuterung des Aufbaus von in dem erfindungsgemäßen DOE von Fig. 1 vorhandenen Einzel-Substrukturen zur Optimierung der Blazewirkung für s-Polarisation (Figur 3b) bzw. für p-Polarisation (Figur 3c) ; Figur 4-5 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen DOE' s gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen;
Figur 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Aufbaus von in einem erfindungsgemäßen DOE vorhandenen Einzel- Substrukturen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
Figur 7a-c schematische Darstellungen zur Erläuterung des
Aufbaus eines erfindungsgemäßen Elements in Form einer diffraktiven Linse gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
Figur 8 den Aufbau einer Mikrolithographie-
Projektionsbelichtungsanlage, in welchem ein erfindungsgemäßes DOE an unterschiedlichen Positionen in der Beleuchtungseinrichtung und im Projektionsobjektiv eingesetzt ist;
Figur 9a-b schematische Darstellungen von gemäß der
Erfindung jeweils in einer Beleuchtungspupille erzeugten Polarisationszuständen;
Figur 10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Einstellung einer gewünschten Intensitätsverteilung durch ein DOE; und
Figur lla-b schematische Darstellungen typischer Beleuchtungspupillen in einer
Beleuchtungseinrichtung einer Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage . DETALLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Anhand von Fig. 1 wird zunächst die prinzipielle Wirkungsweise eines polarisationsselektiven diffraktiven optischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert .
Gemäß Fig. Ia fällt auf ein DOE 100 ein Lichtbündel 101, dessen Intensität durch das DOE 100 in unterschiedliche Richtungen, insbesondere Richtungen „A", „B" und „C" verteilt wird. Dabei ist mit „A" in Fig. Ia die nullte
Beugungsordnung, mit „B" die „+l"-te Beugungsordnung und mit „C" die ,,-l"-te Beugungsordnung bezeichnet. Wie ebenfalls in Fig. Ia und b dargestellt, ist das DOE 100 aus einer Vielzahl von im Wesentlichen identischen Teilbereichen 111, 112,... zusammengesetzt. Wenn somit, wie unter Bezugnahme auf Fig. 8 noch näher erläutert wird, das DOE 100 zur Erzeugung einer bestimmten Beleuchtungskonfiguration in der Pupille einer Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage verwendet wird, leuchtet jeder dieser Teilbereiche 111, 112, ... für sich vorzugsweise den gleichen Bereich der Beleuchtungspupille aus . Da in den jeweiligen Teilbereichen 111, 112,... unterschiedliche Teilbereiche des Lichtbündels 101 zur Intensitätsverteilung beitragen, erfolgt somit eine Durchmischung des von den einzelnen Teilbereichen 111, 112,... ausgehenden Lichts und damit ein automatischer Ausgleich von etwaigen Inhomogenitäten des Lichtbündels 101 in der Beleuchtungspupille .
Wie schematisch in Fig. Ib gezeigt, ist das DOE 100 aus der Vielzahl von Teilbereichen 111, 112,... (z.B. im Wesentlichen schachbrettartig) zusammengesetzt. Hierbei ist typischerweise die Anzahl der einzelnen Teilbereiche wesentlich höher und deren Größe wesentlich kleiner als in der Darstellung, wobei die typischen Abmessungen der jeweiligen Teilbereiche 111, 112,... beispielsweise größenordnungsmäßig 100 μm betragen können .
Wie ebenfalls in Fig. Ia angedeutet, weist das erfindungsgemäße DOE 100 eine polarisationsabhängige Beugungseffizienz auf. Genauer ist in dem Ausführungsbeispiel das in die „l"-te bzw. ,,-l"-te Beugungsordnung gebeugte Licht s-polarisiert , d.h. der elektrische Feldvektor schwingt senkrecht zur Einfallsebene des jeweiligen Lichtstrahls. Hingegen ist das sich in der nullten Beugungsordnung ausbreitende Licht p-polarisiert , d.h. der elektrische Feldvektor schwingt parallel zur Einfallsebene des jeweiligen Lichtstrahls .
Zur Erläuterung des Aufbaus der einzelnen Teilbereiche 111, 112,... des DOE" s 100 wird nachfolgend auf Fig. 2 und 3 Bezug genommen .
Jeder der im Wesentlichen identisch zueinander aufgebauten Teilbereiche 111,112,... wird erfindungsgemäß durch eine diffraktiv geblazete Struktur gebildet, deren beispielhafter Aufbau anhand von Fig. 2a bis 2c erläutert wird.
In den in Fig. 2a bis 2c dargestellten Ausschnitten 210, 220 und 230 sind jeweils typische Blazestrukturen 211, 212, 213,..., 221, 222, 223,..., 231,... dargestellt, wobei die schraffierten Bereiche Zonen mit einem anderen Brechungsindex (zum Beispiel nλ) als die nicht schraffierten Bereiche (mit Brechungsindex n2) symbolisieren. Dabei können beispielsweise die schraffierten Bereiche Strukturen sein, die durch Ätzen eines transmissiven Trägers mit der Brechzahl nλ ausgebildet werden (also die verbleibenden Bereiche nach Strukturieren des transmissiven Trägers) , so dass sich etwa zwischen diesen Bereichen Luft (mit der Brechzahl n2 = 1) befindet, oder die schraffierten Bereiche können auf einem transmissiven Träger ausgebildete Bereiche mit einer ersten Brechzahl U1 sein, zwischen denen Bereiche aus einem weiteren Material mit einer zweiten Brechzahl n2 ausgebildet sind, beispielsweise Lanthan-Fluorid (LaF3) , Magnesium-Fluorid (MgF2) , Chiolith oder einem beliebigen anderen geeigneten Material.
Das erfindungsgemäße DOE 100 bzw. der transmissive Träger ist vorzugsweise aus Quarzglas hergestellt.
Bei näherer Betrachtung etwa der Blazestruktur 211 aus Fig. 2a ist diese aus einer Vielzahl von Einzel-Substrukturen 211a, 211b, ... gebildet, welche im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet sind, wobei die Länge der Grundseiten dieser Einzel-Substrukturen 211a, 211b, ... der Periode „sg" dieser Anordnung von Einzel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung „I" der Blazestrukturen 211, 212, 213 entspricht. Dabei ist die Periode „sg" der Anordnung der Einzel-Substrukturen 211a, 211b, ... in Erstreckungsrichtung „I" der Blazestrukturen 211, 212, 213 kleiner als die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung (beispielsweise λ = 193 nm) . Infolgedessen liegt in Erstreckungsrichtung „I" der Blazestrukturen 211, 212, 213 eine Subwellenlängenstrukturierung vor, welche die elektromagnetische Strahlung nicht mehr aufzulösen vermag, so dass die elektromagnetische Strahlung in Erstreckungsrichtung „I" nur noch eine gemittelte effektive Brechzahl neff sieht. Diese gemittelte Brechzahl neff hängt für jeden Punkt entlang der Gitterperiode des durch die Blazestrukturen 211, 212, 213 gebildeten Gitters (in Richtung „II") von dem Verhältnis der Abmessung der jeweiligen Einzel-Substruktur 211a, 211b, ... in Erstreckungsrichtung „I" an diesem Punkt zur Subwellenperiode „sg" ab.
Die Form der Strukturen ist nicht auf Dreieckstrukturen begrenzt, sondern kann jeweils entsprechend den Anforderungen gewählt werden.
Durch geeignete Wahl des Verlaufs der gemittelten effektiven Brechzahl neff für die Blazestrukturen 211, 212, 213,... kann erfindungsgemäß eine gezielte Polarisationsselektivität erreicht werden, wie nachfolgend näher erläutert wird.
Genauer wird erfindungsgemäß das Füllverhältnis f der Einzel- Substrukturen 211a, 211b, ... in Erstreckungsrichtung „I" der Blazestrukturen 211, 212,... zur Periode sg in Abhängigkeit der Position senkrecht zur Erstreckungsrichtung „I" so gewählt, dass für einen von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen der elektromagnetischen Strahlung die Blazewirkung optimiert wird. Dabei ist unter dem „Füllverhältnis f" das Verhältnis der Abmessung der Einzel- Substrukturen 211a, 211b, ... in Erstreckungsrichtung „I" der diffraktiv geblazeten Strukturen 211, 212,... relativ zur Periode „sg" der Subwellenlängenstrukturierung für einen vorbestimmten Punkt innerhalb der Blazeperiode der diffraktiv geblazeten Strukturen 211, 212,... zu verstehen.
Um die Blazestrukturen 211, 212, 213 polarisationsselektiv auszubilden, wird der Effekt ausgenutzt, dass die Mittelung der elektromagnetischen Strahlung über die Einzel- Substrukturen 211a, 211b, ... von der Polarisation der elektromagnetischen Strahlung abhängt. Dabei wird die Subwellenlängenstrukturierung nur für einen von zwei zueinander Polarisationszuständen (d. h. entweder s- Polarisation oder p-Polarisation) optimiert. Gemäß der sogenannten „Effektives-Medium-Theorie" gilt für die effektive Brechzahl neff unter der Voraussetzung, dass die Periode „sg" der Subwellenlängenstrukturierung sehr viel kleiner als die Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung ist, für die p-Polarisation (bzw. TM-Polarisation) die folgende Beziehung:
eff.TM = f-nι 2+(l-f)-n2 :D
Für die s-Polarisation (bzw. TE-Polarisation) gilt die folgende Beziehung:
n, -H1
Figure imgf000021_0001
Um für eine bestimmte Polarisation eine optimale
Blazeeffizienz zu erreichen, wird erfindungsgemäß der Verlauf der effektiven Brechzahl so gewählt, dass die Abhängigkeit der effektiven Brechzahl neff von der Koordinate x senkrecht zur Erstreckungsrichtung „I" eine lineare Funktion ist.
Zur Erzielung einer optimalen Blazewirkung für p-Polarisation ergibt sich gemäß Auflösung der Gleichung (1) nach f für das zugehörige Füllverhältnis die folgende Beziehung (3) :
2 , N. 2 f (γ\ - e» 1_ 1-1)
J TM W — 2 2 K '
U1 -H2 Entsprechend ergibt sich für eine optimale Blazewirkung für die s-Polarisation (bzw. TE-Polarisation) für das zugehörige Füllverhältnis gemäß Auflösung von Gleichung (2) nach f die folgende Beziehung (4):
Figure imgf000022_0001
In Fig. 3a ist sowohl für eine Optimierung der Blazewirkung für p-Polarisation als auch für eine Optimierung der Blazewirkung für s-Polarisation die Abhängigkeit des Füllverhältnisses f von der Koordinate x senkrecht zur Erstreckungsrichtung „I" der diffraktiven Blazestrukturen 211, 212,... von Fig. 2a dargestellt.
Fig. 3b zeigt in Draufsicht die entsprechende Form der Einzel-Substukturen 211a, 211b für den Fall der Optimierung der Blazewirkung für s-Polarisation, und Fig. 3c zeigt die entsprechende Form dieser Einzel-Substrukturen für den Fall einer Optimierung für p-Polarisation . Dabei ist in den Diagrammen von Fig. 3b, c die x-Koordinate diejenige Ortskoordinate, welche unter Bezugnahme auf Fig. 2a in Richtung „II" verläuft, und die y-Koordinate ist diejenige Ortskoordinate, welche unter Bezugnahme auf Fig. 2a in Richtung „I" (also in Erstreckungsrichtung der Blazestrukturen 211, 212, 213) verläuft.
Ferner wird für eine optimale Blazewirkung jeweils die Höhe h der Einzel-Substrukturen 211a, 211b, ... so gewählt, dass die Beziehung
(max(ne# ) - min(neff ))-h = λ ( 5 ) erfüllt ist. Hierbei bezeichnet λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, und max (neff) und min (neff) bezeichnen jeweils den maximalen bzw. den minimalen Wert der effektiven Brechzahl neff für die gewünschte Polarisation (s- oder p-Polarisation) . Gleichung (5) gilt in guter Näherung für große Gitterweiten und nahezu senkrechten Lichteinfall.
Die obigen Beziehungen (I)- (5) gelten für den Fall, dass die Subwellenlängenperiode „sg" sehr viel kleiner als die Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung ist. Wenn die Subwellenlängenperiode lediglich unwesentlich kleiner als die Wellenlänge λ ist (zum Beispiel um den Faktor 1.5- bis 5-mal kleiner) , sind die obigen Beziehungen gemäß der „Effektives- Medium-Theorie" noch um zusätzliche Terme zu erweitern, die vom Verhältnis der Subwellenlängenperiode „sg" zur Wellenlänge λ der Strahlung abhängen. Es lässt sich jedoch in der gleichen Weise für einen gegebenen Verlauf der effektiven Brechzahl neff (x) das lokale Füllverhältnis f (x) stets so bestimmen, dass für die gewünschte Polarisation die Blazeeffizienz optimiert wird.
Fig. 4a bis c zeigen schematisch den Aufbau von Blazestrukturen 411, 412,... gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 4a sind hierbei die jeweiligen Einzel-Substrukturen 411a, 411b der Blazestrukturen 411, 412,... aus einer unteren Schicht 421 mit einer Brechzahl rii und einer oberen Schicht 422 mit einer Brechzahl n2 gebildet. Die untere Schicht 421 weist eine Höhe hi auf, und die obere Schicht 422 weist eine Höhe h2 auf. Zusätzlich ist zwischen den Bereichen der unteren Schicht 421 eine weitere Schicht 423 angeordnet. Diese weitere Schicht 423 ist aus einem Material mit einer Brechzahl n3 gebildet und weist die Höhe h3 auf. Praktisch lässt sich eine solche Struktur mit h3 = h2 und n2 =n3 beispielsweise dadurch herstellen, dass zuerst die untere Schicht 421 hergestellt wird, wie in Fig. 4b gezeigt ist. Danach wird ein einzelner Beschichtungsschritt durchgeführt, so dass idealerweise dann der Aufbau von Fig. 4a resultiert.
In Abwandlung des Beispiels aus Fig. 4a kann auf der Schicht 423 auch eine weitere Schicht mit einer Brechzahl n4 und einer Höhe h4 vorgesehen werden, wobei dann hi + h2 = h3 + h4 gelten soll. Für diesen Fall und unter der Annahme, dass h3 kleiner hi ist und das oberhalb des diffraktiven Elementes ein Material (zum Beispiel Luft) mit der Brechzahl n0 vorliegt, ergibt sich für eine solche
Subwellenlängenstrukturierung die gemittelte effektive Brechzahl neff aus optischen Weglängenbetrachtungen zu
Figure imgf000024_0001
wobei neff <:L':> die effektiven Brechzahlen sind, die sich aus den jeweiligen Brechzahlen n∑ und nD, die in den Teilhöhen h3/ (hi-h3) und h2 vorliegen, ergeben. Falls h3 > hi gilt, lässt sich eine analoge Formel herleiten. Die effektiven Brechzahlen neff i:L'J) lassen sich gemäß der folgenden Formeln (7) - (10) berechnen, die aus der Effektives-Medium-Theorie herleitbar sind, wobei hier statt der Brechzahl die dielektrische Permittivität ε = n2 verwendet wird, da dadurch die auftretenden Formeln etwas vereinfacht dargestellt werden können. Ferner wurden Terme zweiter Ordnung mit berücksichtigt, da dies auch den Fall abdeckt, dass die Gitterperiode „sg" zwar in der Nähe der Wellenlänge λ liegt, aber gleichzeitig noch klein genug ist, dass nur die nullte Beugungsordnung des Subwellenlängengitters propagieren kann. Für die TE-Polarisation gilt:
Figure imgf000025_0001
mit
0- J)-TM _
~Jeff0 = /-ε,+(l-/)-ε;
und
0-J)-TE _ ε.ε,
/•ε,+(l-/)-ε,
Für die TM-Polarisation gilt:
r-™+Mπ-f-f-(1-D-(E1-Ej) :IO)
Im folgenden wird nun jedoch angenommen, dass hi = h2 = h3 = h4 = h sowie n3 = n2 > U1 und n4 = n0 gilt. In diesem Fall vereinfacht sich die Formel (6) zu
1 ( (1.2) , (2.0) \
und ist daher unabhängig von der Dicke der einzelnen Schichten .
Die verbleibenden freien Parameter sind das Füllverhältnis f und die auf die Wellenlänge normierte Gitterperiode sg/λ der Sublambdawellenlängenstrukturierung . Das Füllverhältnis f beschreibt in der unteren Schicht den Bruchteil der Gitterperiode, der mit dem Material mit der Brechzahl ni ausgefüllt ist, in der oberen Schicht gilt er für das Material mit der Brechzahl n2. Wenn man nun das Füllverhältnis f für verschiedene normierte Gitterperioden sg/λ variiert, erkennt man, dass neff™ stets größer als neff TE ist und dass es Bereiche von f gibt, wo entweder neff™ oder neff TE ein plateauartiges Verhalten zeigen und damit in gewissen f-Bereichen fast unabhängig von f sind. Für z.B. sg/λ = 0.2 ist die TM-Polarisation im Intervall 0.5 < f < 1 nahezu unabhängig von f. Gleichzeitig steigt die TE- Polarisation in diesem Bereich stark an, wie in Fig. 4c dargestellt ist, welche die Abhängigkeit der effektiven Brechzahl neff vom Füllverhältnis f für die TE- und TM- Polarisation zeigt. Umgekehrt ist das Verhalten für sg/λ = 0.5. Hier hat man ein plateauartiges Verhalten für die TE- Polarisation im Bereich von 0 < f < 0.5 und einen starken Anstieg für die TM-Polarisation in diesem Bereich, wie Fig. 5c zu entnehmen ist.
Ausgehend von dem so bestimmten Verlauf der effektiven Brechzahl vom Füllverhältnis kann der Füllverhältnisverlauf in Abhängigkeit der Koordinate x (also senkrecht zur Erstreckungsrichtung „I") so gewählt werden, dass der gewünschte z.B. lineare Brechzahlverlauf in Abhängigkeit von der Koordinate x erreicht wird. Der daraus resultierende nichtlineare Verlauf der Dreiecksseiten ist zur Vereinfachung in Fig. 4a, 4b sowie auch in Fig. 5a und 5b nicht eingezeichnet .
Der in Fig. 4c gezeigte Verlauf der effektiven Brechzahl neff in Abhängigkeit vom Füllverhältnis f wird in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4a ausgenutzt, dass nur für die TE-Polarisation ein gutes Blazen zeigt, d.h. die TE- Polarisation wird mit hoher Effizienz in die gewünschte Blaze-Ordnung gebeugt. Die TM-Polarisation wird hingegen sehr schlecht in die gewünschte gebeugt (hier die erste Beugungsordnung) . Die TM-Polarisation geht hauptsächlich in andere Beugungsordnungen als die gewünschte Blazeordnung, hier hauptsächlich in die nullte Beugungsordnung der Blazestruktur . Da das Füllverhältnis f folgende Ungleichung erfüllt: 0.5 < f < 1, sind die Einzel-Substrukturen 411a, 412a, 413a an der Spitze beschnitten, so dass sie im Wesentlichen trapezförmig sind.
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Ergebnisse der rigorosen Rechnung für dieses Beispiel mit sg/λ = 0.2 und 0.5 < f < 1 gezeigt. Das Füllverhältnis wurde dabei so bestimmt, dass am linken Periodenrand das Minimum von neffTE = 1.55 und am rechten Periodenrand das Maximum neffTE = 1.86 gilt. Die Höhe h der einzelnen Schichten ergibt sich aus der Blazebedingung
λ h = TF TF (12)
2• (max(ne# ) -mm{neff ))
Der Index an TE, TM bezeichnet die Beugungsordnungen der an den Blazestrukturen 411, 412 und 413 bewirkten Beugung.
Tabelle 1:
Figure imgf000027_0001
Wie man sieht, wird bei der TE-Polarisation ein großer Teil des einfallenden Lichtes in die erste Blaze-Ordnung geleitet, während die TM-Polarisation hauptsächlich in die nullte Ordnung geht. Die Polarisationswirkung ist ausgezeichnet, selbst bei der relativ kleinen Blazegitterperiode von g = 5λ beträgt der Polarisationsgrad schon 97.2 %.
Tabelle 2 zeigt gewählte Parameter, für die die Blazewirkung bei der TM-Polarisation auftritt. Hier ist sg/λ =0.5 und CKf<0.5, wobei f so gewählt wurde, dass am linken Periodenrand neff™=1.63 und am rechten Periodenrand neff™=l .9 gilt. Der Polarisationsgrad beträgt hier 98.4%. Der zugehörige Verlauf der effektiven Brechzahl neff in Abhängigkeit des Füllverhältnisses f ist in Fig. 5c gezeigt. Eine Darstellung der möglichen Form der Einzel-Substrukturen 511, 512, 513 ist in Fig. 5a gezeigt. Wie man der Darstellung entnehmen kann, sind die Einzel-Substrukturen 511, 512, 513 Dreiecke (in Draufsicht) , die sich in Richtung der Subwellenlängenperiode „sg" nicht berühren, sondern voneinander beabstandet sind. Somit ist hier die Länge der Seite Sl hier kleiner als die Subwellenlängenperiode sg. In Fig. 5b ist in gleicher Weise wie in Fig. 4b nur die untere Schicht 521 gezeigt.
Tabelle 2:
Figure imgf000028_0001
Bei den obigen Berechnungen wurde immer davon ausgegangen, dass die Strahlung senkrecht auf das DOE trifft, so dass der Einfallswinkel 0° beträgt. Falls der Einfallswinkel ungleich 0° ist, so kann es ab einem gewissen Einfallswinkel notwendig werden, diesen bei der Bestimmung der Subwellenlängenperiode sg sowie gegebenenfalls bei der den obigen Berechnungen zu berücksichtigen. Die Subwellenlängenperiode „sg" sollte immer so gewählt werden, dass nur die nullte Beugungsordnung bezogen auf die Subwellenlängenstrukturierung propagieren kann. Natürlich müssen nicht alle Blazestrukturen mittels der beschriebenen Subwellenlängenstrukturierung durchgeführt werden. Es ist auch möglich, klassisch geblazete Beugungsstrukturen mit einem Rampenprofil für die Blazestrukturen vorzusehen.
Die Einzel-Substrukturen können in Draufsicht jede mögliche geschlossene Fläche bilden, wobei zum Beispiel in Draufsicht polygonartige Verläufe einzelner Seiten möglich sind.
Gemäß Fig. 6 ist ein prinzipieller Aufbau von in einem erfindungsgemäßen DOE vorhandenen Einzel-Substrukturen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dabei sind jeweils zwei senkrecht zur Erstreckungsrichtung „I" benachbarte Blazestrukturen 611 und 612 so angeordnet, dass die Einzel-Substrukturen 611a, 611b,... (gemäß Fig. 6 in Form von Dreiecksflächen) der einen Blazestruktur 611 mit ihrer jeweiligen Basisseite an die benachbarte Basisseite von Einzel-Substrukturen 612a, 612b, ... (gemäß Fig. 6 ebenfalls in Form von Dreiecksflächen) der anderen Blazestruktur 612 angrenzen. Mit einer solchen Konfiguration kann eine sinusförmige Transmission erreicht werden, welche eine maximale Beugungseffizienz für die (+l)-te und (-l)-te Beugungsordnung aufweist, wobei insbesondere eine punktsymmetrische Intensitätsverteilung effizient generiert werden kann.
Zur Einstellung eines sinusförmigen Verlaufs der effektiven Brechzahl bevorzugt in TE-Polarisation muss der Füllfaktor innerhalb einer Periode p entsprechend der Gleichung (3) die Beziehung
Figure imgf000030_0001
erfüllen, d.h. die Grenzflächen der Einzelelemente sind nicht linear, sondern folgen einem sinusquadrat-förmigem Verlauf.
In Fig. 7 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Elements in Form einer diffraktiven Linse gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Bei dem als diffraktive Linse ausgebildeten Element 700 gemäß Fig. 7 sind Blazestrukturen 711, 712 und 713 (typischerweise wesentlich mehr sowie wesentlich kleiner als dargestellt) kreisringförmig auf einem transmissiven Träger ausgebildet, wobei jede dieser Blazestrukturen 711, 712 und 713 analog zu dem anhand von Fig. 2 beschriebenen Aufbau eine Vielzahl von Einzel-Substrukturen 711a, 711b,..., 712a, 712b,... und 713a, 713b, ... von im Wesentlichen dreieckförmiger Geometrie aufweist, deren (in Fig. 7a mit Sl bezeichnete) Grundseite eine Länge aufweist, die der Periode „sg" der Anordnung von Einzel-Substrukturen 711a, 711b,... entspricht. Die Einzel- Substrukturen 711a, 711b,... können ebenfalls analog zu Fig. 2 Strukturen sein, die durch Ätzen eines transmissiven Trägers mit der Brechzahl rii ausgebildet werden (also die verbleibenden Bereiche nach Strukturieren des transmissiven Trägers), wobei sich etwa zwischen diesen Bereichen Luft (mit der Brechzahl n2 = 1) befindet, oder die schraffierten Bereiche können auf einem transmissiven Träger ausgebildete Bereiche mit einer ersten Brechzahl nλ sein, zwischen denen Bereiche aus einem weiteren Material mit einer zweiten Brechzahl n2 ausgebildet sind.
Die Erstreckungsrichtung der Blazestrukturen 711, 712 und 713 ist in Fig. 7b mit Ri, R2 bzw. R3 bezeichnet. Die jeweilige Breite der Blazestrukturen 711, 712 und 713 ist in Fig. 7b mit gi, g2 bzw. g3 bezeichnet und nimmt in dem konkreten Ausführungsbeispiel mit radialem Abstand von der Mitte des Elements 700 ab.
Gemäß Fig. 7c ist das Füllverhältnis der Blazestrukturen 711, 712 und 713 so gewählt, dass sich ein linearer Verlauf der effektiven Brechzahl neff in Abhängigkeit von der radialen Koordinate (in Fig. 7c mit x bezeichnet) ergibt. Die Einzel- Substrukturen 711a, 711b, ... besitzen im Wesentlichen die anhand von Fig. 3c beschriebene Form, so dass ihre Blazewirkung für p-Polarisation (bzw. TM-Polarisation) optimiert ist. Alternativ können die die Einzel-Substrukturen 711a, 711b, ... jedoch auch je nach gewünschter Optimierung der Blazewirkung eine andere geeignete Form, insbesondere etwa die anhand von Fig. 3b beschriebene Form aufweisen, im welchem Falle ihre Blazewirkung für s-Polarisation (bzw. TE- Polarisation) optimiert ist.
Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 800 mit einer Lichtquelleneinheit 801, einer Beleuchtungseinrichtung 802, einer Struktur tragenden Maske 803, einem Projektionsobjektiv 804 und einem zu belichtenden Substrat 805. Die Lichtquelleneinheit 801 kann als Lichtquelle beispielsweise einen ArF-Laser für eine Arbeitswellenlänge von 193 nm, sowie eine Strahlformungsoptik, welche ein paralleles Lichtbüschel erzeugt, umfassen. Andere geeignete Wellenlängen sind beispielsweise 248 nm (unter Verwendung eines KrF-Lasers als Lichtquelle) oder 157nm (unter Verwendung eines F2-Lasers als Lichtquelle) . Das parallele Lichtbüschel trifft gemäß dem
Ausführungsbeispiel zunächst auf ein diffraktives optisches Element 806. Das diffraktive optische Element 806 (auch als PDE bezeichnet, PDE = „pupil defining element") erzeugt über eine durch die jeweilige beugende Oberflächenstruktur definierte Winkelabstrahlcharakteristik in einer Pupillenebene 807 eine gewünschte Intensitätsverteilung, z.B. Dipol- oder Quadrupolverteilung gemäß Fig. 10a, b. Ein im Strahlengang nachfolgendes Objektiv 808 ist als Zoom-Objektiv ausgelegt, welches ein paralleles Lichtbüschel mit variablem Durchmesser erzeugt. Das parallele Lichtbüschel wird durch einen Umlenkspiegel 809 auf eine optische Einheit 810 gerichtet, die ein Axikon 811 aufweist. Durch das Zoom- Objektiv 808 in Verbindung mit dem vorgeschalteten DOE 806 und dem Axikon 811 werden in der Pupillenebene 807 je nach Zoom-Stellung und Position der Axikonelemente unterschiedliche Beleuchtungskonfigurationen erzeugt. Die optische Einheit 810 umfasst nach dem Axikon 811 ein im Bereich der Pupillenebene 807 angeordnetes Lichtmischsystem, welches hier in für sich bekannter Weise eine zur Erzielung einer Lichtmischung geeignete Anordnung aus mikrooptischen Elementen (in Fig. 8 durch die Elemente 813 und 814 repräsentiert) aufweist. Bei dem Lichtmischsystem kann es sich alternativ auch um einen Wabenkondensator oder einen Stabintegrator aus für Licht der Arbeitswellenlänge transparentem Material wie z.B. Quarzglas oder auch kristallinem Kalzium-Fluorid handeln. Die optische Einheit 810 umfasst ferner in der Pupillenebene 807 ein weiteres mikrooptisches Element 812, welches als sogenanntes felddefinierendes Element (FDE, „field defining element") durch seine Abstrahlcharakteristik die Form und Homogenität des Beleuchtungsfeldes am Eingang eines REMA-Objektivs 816 bestimmt und beispielsweise ebenfalls als diffraktives optisches Element (DOE) ausgebildet sein kann. Auf die optische Einheit 810 folgt ein Retikel-Maskierungssystem (REMA) 815, welches durch das REMA-Objektiv 816 auf die Struktur tragende Maske (Retikel) 803 abgebildet wird und dadurch den ausgeleuchteten Bereich auf dem Retikel 803 begrenzt. Die Struktur tragende Maske 803 wird mit dem Projektionsobjektiv 804 auf ein lichtempfindliches Substrat 805 abgebildet.
Nachfolgend werden anhand des in Fig. 8 schematisch gezeigten Aufbaus bevorzugte Anwendungen bzw. Einsatzorte des erfindungsgemäßen optischen Elements erläutert:
a) Eine bevorzugte Anwendung bzw. ein bevorzugter
Einsatzort des erfindungsgemäßen optischen Elements ist das diffraktive optische Element 806 in der Beleuchtungseinrichtung 802. An dieser Position kann das erfindungsgemäße optische Element dazu genutzt werden, in Zusammenwirken mit dem Axikon 811 Licht einer Polarisationsrichtung (z.B. p-Polarisation) dichter an die optische Achse „OA" und Licht der anderen Polarisationsrichtung (z.B. s-Polarisation) weiter von der optischen Achse „OA" weg zu bringen. Insbesondere kann so mit Hilfe des diffraktiven optischen Elements 806 in der Pupillenebene etwa eine tangentiale Polarisationsverteilung in Verbindung mit einer Dipol- oder Quadrupol-Beleuchtungsverteilung eingestellt werden, ohne dass ein zusätzliches polarisationsbeeinflussendes Element erforderlich ist, da durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Elements das Licht zugleich mit der Ausbildung der gewünschten Winkelabstrahlcharakteristik bzw. der Beleuchtungskonfiguration in der Pupillenebene 807 mit der entsprechenden gewünschten Polarisationswirkung belegt wird. Mit anderen Worten wird durch erfindungsgemäße Ausbildung des diffraktiven optischen Elements 806 das Licht von vorneherein polarisationsselektiv an die in der jeweiligen Beleuchtungskonfiguration (z.B. Dipolbeleuchtung oder Quadrupolbeleuchtung) geeignete Position gelenkt. In Fig. 9a ist beispielsweise eine so erzielbare Beleuchtungspupille 910 mit einer tangentialen Polarisationsverteilung in Verbindung mit einer Quadrupol-Beleuchtung dargestellt. Hierbei kann die in die nullte Beugungsordnung von dem diffraktiven optischen Elements 806 aus propagierende Strahlung beispielsweise mittels einer Blende oder auch durch eine zentrale Öffnung in dem Axikon 811 ausgefiltert werden. Diese in die nullte Beugungsordnung propagierende Strahlung ist bei der in Fig. 9b dargestellten Beleuchtungspupille 920 noch vorhanden und weist eine radiale Polarisationsverteilung auf.
Eine weitere bevorzugte Anwendung bzw. ein bevorzugter Einsatzort des erfindungsgemäßen optischen Elements ist das felddefinierende Element (FDE, „field defining element") 812 in der Beleuchtungseinrichtung 802. Durch die polarisationsselektive Wirkung des erfindungsgemäßen optischen Elements kann dann in der Feldebene bzw. am Ort des Retikels 803 nicht nur eine gleichmäßige Intensitätsverteilung, sondern auch eine gewünschte (z.B. konstante) Polarisationsverteilung eingestellt werden. Des weiteren kann auch der Polarisationszustand gezielt an die auf dem Retikel 803 vorhandenen Strukturen angepasst werden, indem etwa unter Anpassung der Polarisationsverteilung an Strukturen auf dem Retikel 803 bestimmte Bereiche des Retikels 803 mit definierten Polarisationszuständen beleuchtet werden. Beispielsweise kann ein Bereich des Retikels 803 mit linear polarisiertem Licht und ein anderer Bereich des Retikels 803 mit unpolarisiertem Licht beleuchtet werden.
In dem Projektionsobjektiv 804 kann das erfindungsgemäße optische Element quasi als „diffraktiver Polarisator" genutzt werden, um z.B. gezielt nur tangential polarisiertes Licht zur Abbildung kommen zu lassen. Hierzu kann beispielsweise eine in Fig. 8 schematisch angedeutete Linse 818 als erfindungsgemäß polarisationsselektiv geblazete diffraktive Linse wie anhand von Fig. 7 beschrieben ausgebildet und ausgenutzt werden, dass sich für s- und p-Polarisation unterschiedliche Brennweiten ergeben, jeder Polarisationszustand also einen bestimmten Fokuswert besitzt. Das Objektivdesign kann beispielsweise so abgestimmt werden, dass sich nur für die Brennweite der s-Polarisation eine Abbildung in der Bildebene bzw. auf dem lichtempfindlichen Substrat 805 ergibt. Gemäß einem weiteren Aspekt können gezielt auch die beiden Polarisationszustände der s- und p- Polarisation durch das optische Element in zueinander geringfügig (z.B. um 0.5-1 μm) versetzten Fokusebenen fokussiert, also gezielt gegeneinander verstellt werden, um z.B. Fehler, die durch unerwünschte polarisierende Wirkungen (beispielsweise von Schichten) im Projektionsobjektiv 804 hervorgerufen werden, zu kompensieren . Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist .

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System, nämlich Beleuchtungseinrichtung oder Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens einem polarisationsselektiv geblazeten diffraktiven optischen Element (100, 700, 806, 812, 818) welches aufweist:
• eine Mehrzahl von Blazestrukturen (211, 212,...; 411, 412, 413,...), die jeweils senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (I) eine Breite aufweisen, die größer als die Wellenlänge (λ) der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element ausgelegt ist;
• wobei die Blazestrukturen (211, 212, 411, 412, 413) jeweils mehrere Einzel-Substrukturen (211a, 212a, 411a, 412a, 413a) umfassen, die gemäß einer vorbestimmten Periode (sg) in Erstreckungsrichtung
(I) nebeneinander angeordnet sind, für die Blazewirkung sorgen und in Draufsicht jeweils die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche besitzen, deren parallel zur Erstreckungsrichtung gerichtete Abmessung senkrecht zur
Erstreckungsrichtung variiert, aber immer kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, und deren maximale Abmessung (g) senkrecht zur Erstreckungsrichtung größer ist als die Wellenlänge (λ) der elektromagnetischen Strahlung;
• wobei das Füllverhältnis (f) der Einzel- Substrukturen (211a, 212a, 411a, 412a, 413a) in Erstreckungsrichtung zur Periode (sg) in Abhängigkeit von der Position senkrecht zur Erstreckungsrichtung so gewählt ist, dass für einen von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen der elektromagnetischen Strahlung die Blazewirkung optimiert ist .
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge (λ) der elektromagnetischen Strahlung, für welche das diffraktive optische Element ausgelegt ist, weniger als 250 nm, bevorzugt weniger als 200 nm beträgt.
3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beleuchtungseinrichtung
(802) einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage (800) ist.
4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (806) in einer Pupillenebene (807) eine im Wesentlichen tangentiale oder eine im Wesentlichen radiale Polarisationsverteilung erzeugt.
5. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem diffraktiven optischen Element erzeugte Intensitätsverteilung im Wesentlichen eine Dipolverteilung, eine Quadrupolverteilung oder eine ringförmige Verteilung ist.
6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel-Substrukturen so ausgestaltet sind, dass eine im Wesentlichen tangentiale oder eine im Wesentlichen radiale Polarisationsverteilung im Wesentlichen in den Polen der Dipol- oder Quadrupolverteilung oder auf dem Ring der ringförmigen Verteilung erzeugt wird.
7. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element
(812) in einer Retikelebene der Beleuchtungseinrichtung (802) eine örtlich variierende Polarisationsverteilung erzeugt .
8. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel- Substrukturen so ausgebildet sind, dass die s- polarisierte Komponente der elektromagnetischen Strahlung überwiegend in die (± l)-te Beugungsordnung und die p-polarisierte Komponente der elektromagnetischen Strahlung überwiegend in die nullte Beugungsordnung gelenkt wird.
9. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem diffraktiven optischen Element ein weiteres Element zum Ausfiltern der in die nullte Beugungsordnung gelenkten elektromagnetischen Strahlung nachgeordnet ist.
10. Optisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses weitere Element durch eine Blende gebildet ist.
11. Optisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses weitere Element durch ein Axikon gebildet ist.
12. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllverhältnis (f) der Einzel-Substrukturen so gewählt ist, dass ein vorbestimmter Verlauf der effektiven Brechzahl für die elektromagnetische Strahlung des einen Polarisationszustandes gegeben ist.
13. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element austauschbar in dem optischen System angeordnet ist.
14. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element justierbar in dem optischen System angeordnet ist.
15. Optisches System nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (806) eines der drei ersten in Lichtausbreitungsrichtung auf eine Lichtquelle (801) der Beleuchtungseinrichtung (802) folgenden optischen Elemente ist.
16. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (812) in einer Pupillenebene (807) angeordnet ist.
17. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (806) ein pupillendefinierendes Element (PDE) ist.
18. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (812) ein felddefinierendes Element (FDE) ist.
19. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (700) eine diffraktive Linse ist.
20. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres polarisationsbeeinflussendes Element, vorzugsweise ein 90°-Rotator, in den Strahlengang einbringbar ist.
21. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element aus einer Vielzahl von Teilbereichen (111, 112,...) zusammengesetzt ist, wobei jeder dieser Teilbereiche (111, 112, ...) die identische Anordnung der Mehrzahl von Blazestrukturen (211, 212,...) aufweist.
22. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blazestrukturen (211, 212, 411, 412, 413) ein erstes Gitter bilden und die Einzel-Substrukturen jeder Blazestruktur jeweils ein zweites Gitter bilden, wobei Gitterrichtungen des ersten und des zweiten Gitters nicht parallel, und vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zueinander sind.
23. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene geometrische Fläche der Einzel- Substrukturen (211a, 212a) im Wesentlichem eine Dreiecksfläche ist.
24. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei senkrecht zur Erstreckungsrichtung benachbarte Blazestrukturen (611, 612) so angeordnet sind, dass Basisseiten von
Einzel-Substrukturen (611a, 611b,...) der einen Blazestruktur (611) an Basisseiten von Einzel- Substrukturen (612a, 612b, ...) der anderen Blazestruktur (612) angrenzen.
25. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel- Substrukturen (411a, 412a) eine erste Schicht (421, 521) mit einer ersten Brechzahl und eine auf der ersten Schicht liegende zweite Schicht (422, 522) mit einer zweiten Brechzahl, die von der ersten Brechzahl verschieden ist, aufweisen.
26. Optisches System nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Einzel-Substrukturen
(411a, 412a) im Bereich der ersten Schicht (421, 521) eine dritte Schicht (423, 523) mit der zweiten Brechzahl angeordnet ist.
27. Optisches System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhen der zweiten Schicht
(422, 522) und der dritten Schicht (423, 523) gleich sind.
28. Optisches System nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Einzel-Substrukturen Einzelstrukturen angeordnet sind, die eine dritte Schicht mit einer dritten Brechzahl und eine vierte Schicht mit einer vierten Brechzahl aufweisen.
29. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllverhältnis (f) so gewählt ist, das es nicht den gesamten Bereich von 0 bis 1 überstreicht.
30. Optisches System nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Bereiches, den das Füllverhältnis überstreicht, nicht größer als 0.7 ist.
31. Optisches System nach einem der Ansprüche 3 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beleuchtungseinrichtung an einer Retikelebene der Beleuchtungseinrichtung eine numerische Apertur von wenigstens 0.2 aufweist.
32. Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens einem polarisationsselektiv geblazeten diffraktiven optischen Element, welches in einer Pupillenebene eine im Wesentlichen tangentiale oder eine im Wesentlichen radiale Polarisationsverteilung erzeugt.
33. Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens einem polarisationsselektiv geblazeten diffraktiven optischen Element, welches in einer Retikelebene der Beleuchtungseinrichtung eine örtlich variierende Polarisationsverteilung erzeugt.
34. Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage (800), welche ein optisches System nach einem der
Ansprüche 1 bis 31 aufweist.
35. Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage (800), welche eine Beleuchtungseinrichtung (802) nach einem der Ansprüche 3 bis 33 sowie ein Projektionsobjektiv (804) aufweist.
36. Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage (800) nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine bildseitige numerische Apertur von wenigstens 0.8, bevorzugt wenigstens 0.9, weiter bevorzugt wenigstens 1.0 aufweist.
37. Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage (800) nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem bildseitig letzten optischen Element des Projektionsobjektivs und der Bildebene ein Immersionsmedium mit einer Brechzahl n größer als Eins angeordnet ist.
38. Verfahren zur mikrolithographischen Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente mit folgenden Schritten :
• Bereitstellen eines Substrats (805), auf das zumindest teilweise eine Schicht aus einem lichtempfindlichen Material aufgebracht ist;
• Bereitstellen einer Maske (803), die abzubildende Strukturen aufweist;
• Bereitstellen einer Projektionsbelichtungsanlage
(800) nach einem der Ansprüche 34 bis 37; • Projizieren wenigstens eines Teils der Maske (803) auf einen Bereich der Schicht mit Hilfe der Projektionsbelichtungsanlage (800) .
39. Mikrostrukturiertes Bauelement, das nach einem Verfahren gemäß Anspruch 38 hergestellt ist.
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