WO2010015296A2 - Transmitting optical element consisting of magnesium-aluminium spinel - Google Patents

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WO2010015296A2
WO2010015296A2 PCT/EP2009/004534 EP2009004534W WO2010015296A2 WO 2010015296 A2 WO2010015296 A2 WO 2010015296A2 EP 2009004534 W EP2009004534 W EP 2009004534W WO 2010015296 A2 WO2010015296 A2 WO 2010015296A2
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Definitions

  • the optical element has an absorption coefficient k of at most 0.2 cm -1 , preferably of at most 0.1 cm -1 , in particular of at most 0.01, at at least one wavelength between 190 nm and 250 nm, in particular at 193 nm cm '1.
  • absorption coefficient k is given by:
  • a magnesium oxide powder and an alumina powder are preferably mixed in a mixed grinding process.
  • the stoichiometry can also be set with the required accuracy.
  • the required spatial homogeneity of the mixture hereby may be e.g. be ensured by a Mischmahlungs pulp.
  • the Al / Mg ratio V in the volume of the blank 6 is as constant as possible, i. if this varies by less than 200 ppm, preferably by less than 100 ppm, in particular by less than 50 ppm, since not only the transmission of the magnesium-aluminum spinel blank 6, but also other optical properties, e.g. whose refractive index, depend on this ratio.

Abstract

The invention relates to an optical element (133) for transmitting radiation in wavelengths of less than 250 nm, especially of 193 nm, consisting of a material containing magnesium-aluminium spinel. In the optical element (133), the ratio (V) of the aluminium part in the magnesium-aluminium spinel to the magnesium part in the magnesium-aluminium spinel varies by less than 200 ppm, preferably less than 100 ppm, especially preferably less than 50 ppm, and/or is between 2.0 and 2.2, preferably between 2.02 and 2.10, especially preferably between 2.04 and 2.08. The invention also relates to a projection objective and a projection illumination system comprising such an optical element, and to a production method for a blank (1) for producing the optical element (133).

Description

Transmittierendes optisches Element aus Magnesium-Aluminium-Spinell Transmitting optical element of magnesium-aluminum spinel
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft ein optisches Element, insbesondere mit einem Durchmesser von mindestens 30 mm, zur Transmission von Strahlung bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm, aus einem Magnesium-Aluminium-Spinell enthaltenden Material, sowie ein Projektionsobjektiv und eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen optischen Element. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rohlings für ein solches optisches Element.The invention relates to an optical element, in particular with a diameter of at least 30 mm, for the transmission of radiation at wavelengths of less than 250 nm, in particular at 193 nm, from a magnesium-aluminum spinel-containing material, as well as a projection objective and a projection exposure apparatus such an optical element. The invention also relates to a method for producing a blank for such an optical element.
Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie werden zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen verwendet. Eine derartige Projektionsbelichtungsanlage enthält neben einer Lichtguelle und einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung einer Photomaske oder Strichplatte, häufig Retikel genannt, ein Projektionsobjektiv, welches das Muster des Retikels auf ein lichtempfindliches Substrat, beispielsweise einen mit einem Photolack beschichteten Silizium-Wafer, projiziert.Microlithography projection exposure equipment is used to fabricate semiconductor devices and other finely-structured components. Such a projection exposure apparatus includes a light source and a lighting system for illuminating a photomask or reticle, often called a reticle, a projection lens which projects the pattern of the reticle onto a photosensitive substrate, such as a silicon wafer coated with a photoresist.
Zur Erzeugung immer kleinerer Strukturen in der Größenordnung von weniger als 100 nm werden bislang vor allem drei Ansätze verfolgt: Erstens wird versucht, die bildseitige numerische Apertur NA der Projektionsobjektive immer weiter zu vergrößern. Zweitens wird die Wellenlänge des Beleuchtungslichts immer weiter verringert, vorzugsweise auf UV-Wellenlängen, insbesondere Wellenlängen unter 250 nm, beispielsweise 248 nm oder 193 nm. Schließlich werden noch weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Auflösung genutzt, wie phasenschiebende Masken, Multipolbeleuchtung oder schiefe Beleuchtung.To produce ever smaller structures on the order of less than 100 nm, three approaches have hitherto been pursued. First, an attempt is made to further increase the image-side numerical aperture NA of the projection objectives. Secondly, the wavelength of the illumination light is continually reduced, preferably to UV wavelengths, in particular wavelengths below 250 nm, for example 248 nm or 193 nm. Finally, further measures to improve the resolution are used, such as phase-shifting masks, multipole illumination or oblique illumination.
Ein anderer Ansatz zur Erhöhung des Auflösungsvermögens ist die Immersionslithographie. Dabei wird in den Zwischenraum, der zwischen einem bildseitig letzten optischen Element, insbesondere einer Linse, des Projektionsobjektivs und dem Photolack, auch Resist genannt, oder einer anderen zu belichtenden lichtempfindlichen Schicht verbleibt, eine Immersionsflüssigkeit eingebracht. Projektionsobjektive, die für den Immersionsbetrieb ausgelegt sind, werden auch als Immersionsobjektive bezeichnet.Another approach to increasing the resolution is immersion lithography. In this case, in the intermediate space, which is also called resist between a last optical element, in particular a lens, of the projection objective and the photoresist, or another photosensitive light to be exposed Layer remains, introduced an immersion liquid. Projection objectives that are designed for immersion operation are also referred to as immersion objectives.
Die Vorteile der Immersionslithographie liegen darin begründet, dass durch die höhere Brechzahl der Immersionsflüssigkeit gegenüber dem Vakuum die Belichtungswellenlänge auf eine effektive Belichtungswellenlänge verringert wird. Dies geht mit einer Erhöhung der Auflösung und der Tiefenschärfe einher. Bei Verwendung von Immersionsflüssigkeiten mit hoher Brechzahl sind im Vergleich zu Systemen ohne Immersion erhebliche Erhöhungen des Einfallswinkels in den Resist möglich. Um den Vorteil hochbrechender Immersionsflüssigkeiten jedoch maximal ausnutzen zu können, ist es notwendig, dass auch das mit der Immersionsflüssigkeit in Kontakt stehende letzte optische Element des Projektionsobjektivs einen hohen Brechungsindex aufweist.The advantages of immersion lithography lie in the fact that the higher refractive index of the immersion liquid compared to the vacuum reduces the exposure wavelength to an effective exposure wavelength. This is accompanied by an increase in the resolution and the depth of field. When using high refractive index immersion liquids, significant increases in the angle of incidence into the resist are possible compared to systems without immersion. However, in order to make maximum use of the advantage of high-index immersion liquids, it is necessary for the last optical element of the projection objective, which is in contact with the immersion liquid, to have a high refractive index.
Als Material für optische Elemente in einem Objektiv einer Projektionsbelichtungs- anlage für die Mikrolithographie wird bei UV-Wellenlängen, insbesondere Wellenlängen unter 250 nm, in der Regel Quarzglas eingesetzt, welches bei einer Wellenlänge von 193 nm eine Brechzahl von ca. 1,56 aufweist. Weiterhin ist eine Reihe von hochbrechenden Materialen bekannt, die bei einer Wellenlänge von 193 nm einen Brechungsindex von 1 ,6 oder mehr aufweisen, unter anderem Magnesium-Aluminium- Spinell (MgAIaO4, Brechungsindex ca. 1 ,92), Lutetium-Aluminium-Granat (LU3AI5O12, Brechungsindex ca. 2,14), Yttrium-Aluminium-Granat (Y3AI5O12, Brechungsindex ca. 2), Magnesiumoxid (MgO, Brechungsindex ca. 1 ,96), Saphir (AI2O3, Brechungsindex ca. 1 ,92) oder Mischungen aus diesen Materialien.As material for optical elements in an objective of a projection exposure apparatus for microlithography, quartz glass is generally used at UV wavelengths, in particular wavelengths below 250 nm, which has a refractive index of about 1.56 at a wavelength of 193 nm. Furthermore, a number of high-index materials are known, which have a refractive index of 1, 6 or more at a wavelength of 193 nm, including magnesium-aluminum spinel (MgAlO 4 , refractive index about 1, 92), lutetium-aluminum garnet 2.17), yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12, refractive index about 2), magnesium oxide (MgO, refractive index about 1.96), sapphire (Al 2 O 3, refractive index about 1, 92) or mixtures of these materials.
Diese aus hochbrechenden Materialien hergestellten optischen Elemente können entweder einkristallin oder polykristallin sein. In einkristallinen Materialien mit kubischer Kristallstruktur, wie MgO, CaO, SrO oder BaO, sowie Mischkristallen wie MgAI2O4 oder Li1-XMgxAI2O4 macht sich im Wellenlängenbereich unter 260 nm und noch stärker bei kürzeren Arbeitswellenlängen wie 193 nm der Effekt der intrinsischen Doppelbrechung bemerkbar. Die durch die intrinsische Doppelbrechung hervorgerufene Abhängigkeit der Brechzahl vom Polarisationszustand des einfallenden Lichts beschränkt die Abbildungsqualität der mit diesen Materialien hergestellten Projektionsobjektive. Es sind daher aufwändige Kompensationsmaßnahmen, wie spezielle Objektiv-Designs mit Kombinationen verschiedener Linsenmaterialien oder Kristallorientierungen erforderlich, um eine ausreichende Abbildungsqualität solcher Projektionsobjektive zu gewährleisten.These optical elements made of high refractive index materials can be either monocrystalline or polycrystalline. In monocrystalline materials with cubic crystal structure, such as MgO, CaO, SrO or BaO, as well as mixed crystals such as MgAI 2 O 4 or Li 1-X Mg x Al 2 O 4 makes in the wavelength range below 260 nm and even more at shorter operating wavelengths such as 193 nm the effect of intrinsic birefringence is noticeable. The dependence of the refractive index on the polarization state of the incident light caused by the intrinsic birefringence restricts the imaging quality of the projection objectives produced with these materials. It is therefore complex compensation measures, such as special lens designs with Combinations of different lens materials or crystal orientations required to ensure a sufficient image quality of such projection lenses.
In der WO 2006/061225 A1 wurde deshalb vorgeschlagen, optische Elemente aus polykristallinem hochbrechendem Material, insbesondere aus polykristallinem Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4), in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zu verwenden. Aufgrund der statistischen Ausrichtung der Kristallachsen der einzelnen kristallinen Einheiten, im Folgenden auch als Kristallite bezeichnet, in einem polykristallinen Festkörper geht der mittlere Wert der intrinsischen Doppelbrechung in allen Raumrichtungen gegen Null. Damit entfallen komplizierte Vorrichtungen zur Kompensation der intrinsischen Doppelbrechung. Magnesium- Aluminium-Spinell weist einen hohen Brechungsindex von mehr als 1 ,8 bei einer Wellenlänge von 193 nm auf und ist deshalb besonders geeignet für die Immersionslithographie.In WO 2006/061225 A1, it has therefore been proposed to use optical elements made of polycrystalline high refractive index material, in particular of polycrystalline magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ), in a microlithographic projection exposure apparatus. Due to the statistical orientation of the crystal axes of the individual crystalline units, also referred to below as crystallites, in a polycrystalline solid, the mean value of the intrinsic birefringence approaches zero in all spatial directions. This eliminates complicated devices for compensation of intrinsic birefringence. Magnesium-aluminum spinel has a high refractive index of more than 1.8 at a wavelength of 193 nm and is therefore particularly suitable for immersion lithography.
Aus der WO 2008/074503 ist es bekannt, dass die meisten der in einem Linsen- Rohling enthaltenen Fremdelemente, die typischer Weise aus Übergangsmetallen (z.B. Fe, Cr, Mn) bestehen, in einem höheren Oxidationszustand eine größere Absorption aufweisen als in einem niedrigen Oxidationszustand, weil die Absorptionsbanden dieser Fremdelement-Ionen im höheren Oxidationszustand im Bereich der Nutzwellenlänge unterhalb von 250 nm liegen. Ferner ist es aus der WO 2008/074503 bekannt, dass die Transmission vermindert werden kann, wenn Aluminium-Ionen Gitterplätze besetzen, an denen in einem idealen Kristall Magnesium-Ionen angeordnet sind. Dieses Problem kann auftreten, wenn das Verhältnis zwischen dem Aluminium-Anteil im Magnesium- Aluminium-Spinell und dem Magnesium-Anteil im Magnesium-Aluminium-Spinell vom stöchiometrischen Verhältnis von 2:1 abweicht. Es wird dort angegeben, dass eine ausreichende Transmission bei einer Wellenlänge von 193 nm gewährleistet werden kann, wenn das Al/Mg-Verhältnis um höchstens 4 % vom stöchiometrischen Verhältnis von 2 : 1 abweicht, wobei eine Abweichung von höchstens 2 % bevorzugt ist.It is known from WO 2008/074503 that most of the foreign elements contained in a lens blank, which typically consist of transition metals (eg Fe, Cr, Mn), have a greater absorption in a higher oxidation state than in a low oxidation state because the absorption bands of these foreign element ions in the higher oxidation state are in the range of the useful wavelength below 250 nm. Furthermore, it is known from WO 2008/074503 that the transmission can be reduced if aluminum ions occupy lattice sites on which magnesium ions are arranged in an ideal crystal. This problem can occur when the ratio between the aluminum content in the magnesium-aluminum spinel and the magnesium content in the magnesium-aluminum spinel deviates from the stoichiometric ratio of 2: 1. It states that sufficient transmission at a wavelength of 193 nm can be ensured if the Al / Mg ratio deviates by more than 4% from the stoichiometric ratio of 2: 1, with a maximum deviation of 2% being preferred.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Element aus einem Magnesium-Aluminium- Spinell enthaltenden Material, ein Projektionsobjektiv sowie eine Projektionsbelich- tungsanlage mit einem solchen optischen Element, einen Rohling zur Herstellung eines solchen optischen Elements sowie ein Herstellungsverfahren für den Rohling anzugeben, die für den Einsatz in der (Immersions-)Lithographie geeignet sind.The object of the invention is to provide an optical element comprising a material containing magnesium-aluminum spinel, a projection objective and a projection exposure. To specify plant with such an optical element, a blank for the production of such an optical element and a manufacturing method for the blank, which are suitable for use in the (immersion) lithography.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element der eingangs genannten Art, bei dem im Volumen des optischen Elements das Verhältnis des Aluminium-Anteils im Magnesium-Aluminium-Spinell zum Magnesium-Anteil im Magnesium-Aluminium- Spinell um weniger als 200 ppm, bevorzugt um weniger als 100 ppm, besonders bevorzugt um weniger als 50 ppm variiert.This object is achieved by an optical element of the type mentioned, in which in the volume of the optical element, the ratio of the aluminum content in the magnesium-aluminum spinel to the magnesium content in the magnesium-aluminum spinel to less than 200 ppm, preferably to less than 100 ppm, more preferably less than 50 ppm.
Neben der Transmission eines optischen Elements ist auch das möglichst genaue Einhalten der durch das optische Design des optischen Systems vorgegebenen optischen Eigenschaften, insbesondere was den Brechungsindex betrifft, sehr wichtig für die optische Güte des Systems. Aus der Literatur ist es bekannt, dass die Zusammensetzung von Spinell, insbesondere das Verhältnis von Aluminium zu Magnesium, in weiten Grenzen variiert werden kann. So kann z.B. ein großer Überschuss von Aluminium in das Spinell-Gitter eingebaut werden, ohne dass die Spinell-Struktur hierdurch zusammenbricht. Allerdings war bislang nicht bekannt, ob bzw. wie stark die Variation der Zusammensetzung den Brechungsindex sowohl von einkristallinem als auch von polykristallinem Spinell-Material bei Wellenlängen von 250 nm oder weniger, speziell bei 193 nm verändert.In addition to the transmission of an optical element, it is very important for the optical quality of the system to adhere as accurately as possible to the optical properties predetermined by the optical design of the optical system, in particular as regards the refractive index. It is known from the literature that the composition of spinel, in particular the ratio of aluminum to magnesium, can be varied within wide limits. Thus, e.g. a large excess of aluminum can be incorporated into the spinel lattice without collapsing the spinel structure. However, it has not been known hitherto whether or how much the compositional variation alters the refractive index of both monocrystalline and polycrystalline spinel material at wavelengths of 250 nm or less, especially at 193 nm.
Für die quantitative Beschreibung wird folgende Definition eingeführt: Ideales Mg-Al- Spinell hat die chemische Zusammensetzung MgAI2O4. Im folgenden Text wird diese Bezeichnung weiterhin als Kurzform für die generelle Bezeichnung von Spinell beibehalten, auch wenn die Stöchiometrie vom idealen Wert abweicht. Eine Abweichung von der idealen Stöchiometrie wird jeweils beschrieben durch das Verhältnis V zwischen dem Aluminium-Anteil und dem Magnesium-Anteil an der gesamten Elementzusammensetzung. Etwaige Variationen der gemessenen Gesamt- Metallgehalte gegenüber dem Sauerstoff-Anteil, die messtechnisch schwierig zu erfassen sind, sind für diese Verhältnisbildung nicht relevant. Die Erfinder haben herausgefunden, dass bereits geringe Variationen des Verhältnisses V zu einer starken Variation des Brechungsindex n bei 193 nm führen, der im Folgenden auch als n(193) bezeichnet wird. Neben einem möglichst präzise eingehaltenen Absolutwert des Verhältnisses V ist es auch günstig, wenn das Verhältnis V über das Volumen des optischen Elements nur langsame Schwankungen erfährt, d.h. der Gradient des Al/Mg-Verhältnisses nicht zu groß wird, um eine hohe optische Homogenität zu erreichen. Auch die optische Homogenität kann durch geeignete Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des optischen Elements verbessert werden. Für die Mikrolithographie sind an die optische Homogenität höchste Anforderungen zu stellen.The following definition is introduced for the quantitative description: Ideal Mg-Al spinel has the chemical composition MgAl 2 O 4 . In the following text, this name is still retained as a shorthand for the general name of spinel, even if the stoichiometry deviates from the ideal value. A deviation from the ideal stoichiometry is described in each case by the ratio V between the aluminum content and the magnesium content of the entire element composition. Any variations of the measured total metal contents compared to the oxygen content, which are difficult to detect by measurement, are not relevant for this ratio formation. The inventors have found that even slight variations of the ratio V lead to a large variation in the refractive index n at 193 nm, which is also referred to below as n (193). In addition to an absolute value of the ratio V as precisely as possible, it is also favorable if the ratio V over the volume of the optical element undergoes only slow fluctuations, ie the gradient of the Al / Mg ratio does not become too large in order to achieve high optical homogeneity , The optical homogeneity can also be improved by suitable control of the chemical composition of the optical element. For microlithography, the highest demands are placed on optical homogeneity.
Für die Bewertung der optischen Homogenität wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist, ein planparalleler, polierter Linsenrohling 200 („blank") mit einem interferometrischen Verfahren vermessen, bei dem die durch Brechzahlvariationen innerhalb des Volumens des Linsenrohlings 200 hervorgerufene Deformation ΔL(x,y) einer ebenen optischen bzw. elektromagnetischen Welle 202 nach dem Durchtritt durch das Material des Linsenrohlings 200 ortsaufgelöst als Funktion des Ortes (x, y) quer zur Ausbreitungsrichtung z der ebenen Welle 202 erfasst wird. Bildet man den Quotienten aus der Wellenfront-Deformation ΔL(x,y) mit der Dicke D des von der Welle durchquerten optischen Materials des Linsenrohlings 200, so ergibt sich daraus der über die Dicke D gemittelte Wert der Abweichung der Brechzahl von der mittleren Brechzahl des gesamten Linsenrohlings 202:For the evaluation of the optical homogeneity, as shown in FIG. 4, a plane-parallel, polished lens blank 200 ("blank") is measured by an interferometric method in which the deformation ΔL (x, x) caused by refractive index variations within the volume of the lens blank 200 is measured. y) a plane optical or electromagnetic wave 202 is spatially resolved after passing through the material of the lens blank 200 as a function of the location (x, y) transverse to the propagation direction z of the plane wave 202. If one forms the quotient of the wavefront deformation ΔL (x, y) with the thickness D of the optical material of the lens blank 200 traversed by the shaft, the value of the deviation of the refractive index averaged over the thickness D results from the average refractive index of the entire lens blank 202:
Δn = ΔL(x.y) / D.Δn = ΔL (x.y) / D.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die wesentliche Ursache für die gemessene Verteilung Δn(x,y) die im Volumen des Linsenrohlings 202 auftretenden Variationen ΔV des Verhältnisses V(x,y,z) sind, wobei sich an einem festen Ort (x1 ,y1) die Abweichung von der mittleren Brechzahl Δn(x1 ,y1) als Summation (Integral) der am Ort (x1 ,y1) auftretenden Variationen des Verhältnisses V entlang der z-Richtung ergibt bzw. zu diesem Integral proportional ist:The inventors have found that the main cause of the measured distribution Δn (x, y) is the variations ΔV in the volume of the lens blank 202 of the ratio V (x, y, z), where at a fixed location (x1, y1 ) gives the deviation from the mean refractive index Δn (x1, y1) as summation (integral) of the variations of the ratio V along the z-direction which occur at the location (x1, y1) or is proportional to this integral:
Δn (x1 , y1) ~ J (dV(x1 , y1) / dz) dz Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, das Verhältnis V über das ganze Volumen des optischen Elements hinweg möglichst konstant zu halten, d.h. an zwei beliebigen Punkten des Volumens des optischen Elements darf dieses Verhältnis höchstens innerhalb der oben angegebenen Grenzen variieren.Δn (x1, y1) ~J (dV (x1, y1) / dz) dz According to the invention, it is therefore proposed to keep the ratio V as constant as possible over the entire volume of the optical element, ie at two arbitrary points of the volume of the optical element this ratio may at most vary within the limits specified above.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt in dem Magnesium-Aluminium- Spinell die räumliche Variation des Verhältnisses V an zwei beliebigen Punkten des optischen Elements mit einem Abstand kleiner als 2 mm bei weniger als 50 ppm, bevorzugt bei weniger als 20 ppm. Auf diese Weise kann eine besonders hohe optische Homogenität des optischen Elements erzielt werden.In a particularly advantageous embodiment, in the magnesium-aluminum spinel, the spatial variation of the ratio V at any two points of the optical element with a distance of less than 2 mm is less than 50 ppm, preferably less than 20 ppm. In this way, a particularly high optical homogeneity of the optical element can be achieved.
Wie den einschlägigen Experten bekannt ist, können aus der Verteilung Δn (x,y) durch geeignete mathematische Verfahren (Zernike-Entwicklung, Fourierfilterung) die langwelligen, langsam variierenden Anteile absepariert werden, wobei als untere Grenzfrequenz typischerweise ca. 1/cm gewählt werden kann. Die Standardabweichung des verbleibenden, schnell Variiererenden Anteils der Funktion wird im Folgenden - wie allgemein üblich - als Maß verwendet, um die Qualität der optischen Homogenität zu erfassen:As is known to the pertinent experts, the long-wave, slowly varying components can be separated off from the distribution Δn (x, y) by suitable mathematical methods (Zernike development, Fourier filtering), wherein the lower limit frequency can typically be selected to be about 1 / cm , The standard deviation of the remaining fast varying component of the function is hereafter used, as is common practice, as a measure to assess the quality of the optical homogeneity:
. 2, 2
RestRMS = 1/N * J∑(W/-Λ)RestRMS = 1 / N * JΣ ( W / -Λ)
wobei n den über die Gesamtzahl N von Messwerten ni gemittelten Brechungsindex bezeichnet.where n denotes the refractive index averaged over the total number N of measured values ni.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Variation des vom Verhältnis V abhängigen Brechungsindex des Magnesium-Aluminium-Spinells des optischen Elements, definiert durch den Rest-RMS-Wert bei einer Wellenlänge von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm, weniger als 2 ppm, bevorzugt weniger als 0,5 ppm. Wird das Al/Mg-Verhältnis im Spinell möglichst genau festgelegt und weist dieses eine geringe räumliche Variation auf, so lässt sich eine hohe optische Homogenität erreichen, die sich in einem geringen Rest-RMS(root-mean-square)-Wert im Brechungsindex ausdrückt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt das Verhältnis des Aluminium- Anteils zum Magnesium-Anteil im Bereich zwischen 2,0 und 2,2, bevorzugt im Bereich zwischen 2,02 und 2,10, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2,04 und 2,08.In a particularly advantageous embodiment, the variation of the ratio V dependent refractive index of the magnesium-aluminum spinel of the optical element, defined by the residual RMS value at a wavelength of less than 250 nm, in particular at 193 nm, less than 2 ppm , preferably less than 0.5 ppm. If the Al / Mg ratio is determined as precisely as possible in the spinel and this has a low spatial variation, then a high optical homogeneity can be achieved, which is expressed in a low residual RMS (root-mean-square) value in the refractive index , In a particularly advantageous embodiment, the ratio of the aluminum content to the magnesium content is in the range between 2.0 and 2.2, preferably in the range between 2.02 and 2.10, particularly preferably in the range between 2.04 and 2, 08th
Experimente haben gezeigt, dass die Wahl des Verhältnisses V auch die Transmission des Magnesium-Aluminium-Spinells beeinflusst. Die Erfinder haben festgestellt, dass Proben mit besserer Transmission ein Al/Mg-Verhältnis aufweisen, das größer ist als das im idealen Spinell vorliegende Verhältnis von 2 : 1. Proben mit einem Magnesium- Überschuss, d.h. mit einem Verhältnis von weniger als 2 : 1, wiesen hingegen eine geringere Transmission auf. Abweichend vom im Stand der Technik herrschenden Vorurteil, das Al/Mg-Verhältnis solle möglichst genau auf 2:1 eingestellt werden, ist es für die Transmission bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondre bei 193 nm günstiger, wenn dieses Verhältnis größer als 2,0 ist und insbesondere in den oben angegebenen Bereichen liegt.Experiments have shown that the choice of the ratio V also influences the transmission of the magnesium-aluminum spinel. The inventors have found that better transmission samples have an Al / Mg ratio greater than the ideal spinel ratio of 2: 1. Samples with an excess of magnesium, i. with a ratio of less than 2: 1, however, had a lower transmission. Contrary to the prejudice prevailing in the prior art that the Al / Mg ratio should be set as accurately as possible to 2: 1, it is more favorable for transmission at wavelengths of less than 250 nm, in particular at 193 nm, if this ratio is greater than 2 , 0 and is in particular in the above ranges.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Magnesium-Aluminium-Spinell enthaltende Material polykristallin und wird durch allgemein bekannte Sinterprozesse weit unterhalb der Schmelztemperatur hergestellt. Bei polykristallinem Spinell dürfte der Grund für die verringerte Transmission bei einem Wert des Verhältnisses V < 2 darin bestehen, dass nach dem Phasen-Diagramm zwar ein hoher Al-Überschuss, aber höchstens ein geringer oder gar kein Mg-Überschuss im Spinell-Gitter bei tiefen Temperaturen (< 1400°) stabil ist, so dass in einem Spinell mit Mg-Überschuss tendenziell das Magnesium als MgO (Periklase) segregiert, was sich durch stark erhöhte Streuung negativ auf das Transmissionsverhalten auswirken kann. Die aus der Literatur bekannten Phasendiagramme erlauben jedoch nicht, solche Segregationen mit ausreichender Genauigkeit vorherzusagen. Die Wahl eines Al/Mg-Verhältnisses von mehr als 2:1 zur Erzeugung einer hohen Transmission in Magnesium-Aluminium-Spinell ist somit eine völlig neue Erkenntnis.In an advantageous embodiment, the material containing magnesium-aluminum spinel is polycrystalline and is prepared by well-known sintering processes far below the melting temperature. In the case of polycrystalline spinel, the reason for the reduced transmittance at a value of the ratio V <2 is that the phase diagram shows a high Al excess but at most a slight or no Mg excess in the spinel lattice at low Temperatures (<1400 °) is stable, so that in a spinel with Mg excess, the magnesium tends to segregate as MgO (periclase), which can have a negative effect on the transmission behavior by greatly increased scattering. However, the phase diagrams known from the literature do not allow to predict such segregations with sufficient accuracy. The choice of an Al / Mg ratio of more than 2: 1 to produce a high transmission in magnesium-aluminum spinel is thus a completely new finding.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Magnesium-Aluminium-Spinell enthaltende Material einkristallin. Auch bei einkristallinem Spinell kann es bei Mg- Überschuss zu erhöhter Streuung kommen, was sich negativ auf die Transmission auswirken kann. Das gewünschte Al/Mg-Verhältnis kann hierbei mit der geforderten Genauigkeit bei der Züchtung des Einkristalls eingestellt werden. Sowohl bei polykris- tallinem als auch bei einkristallinem Spinell ist darauf zu achten, dass das Al/Mg- Verhältnis über das gesamte Volumen des optischen Elements möglichst wenig variiert.In an alternative embodiment, the material containing magnesium-aluminum spinel is monocrystalline. With monocrystalline spinel, too, with Mg excess, increased scattering can occur, which can have a negative effect on the transmission. The desired Al / Mg ratio can be set here with the required accuracy in the growth of the single crystal. Both in polycrystalline In both the case of monocrystalline and spinel crystals, care must be taken that the Al / Mg ratio varies as little as possible over the entire volume of the optical element.
Ein weiterer Vorteil eines Spinell-Materials mit einem Verhältnis V > 2 ist die dadurch gegebene geringere Dichte von Sauerstoff-Fehlstellen. Bei Mg-Überschuss (V<2) muss demgegenüber zur Einstellung der Ladungsneutralität eine höhere Dichte von Sauerstoff-Fehlstellen herrschen. Diese wirkt sich über die dadurch hervorgerufene, bekannte, bei ca. 235 nm liegende Absorptionsbande direkt auf die Transmission bei 193nm aus.Another advantage of a spinel material with a ratio V> 2 is the lower density of oxygen vacancies resulting therefrom. In contrast, with Mg excess (V <2), a higher density of oxygen vacancies must prevail in order to adjust the charge neutrality. This has a direct effect on the transmission at 193 nm, which is due to the known absorption band at about 235 nm.
Besonders bevorzugt weist das optische Element bei mindestens einer Wellenlänge zwischen 190 nm und 250 nm, insbesondere bei 193 nm, einen Absorptionskoeffizienten k von höchstens 0,2 cm'1, bevorzugt von höchstens 0,1 cm"1, insbesondere von höchstens 0,01 cm'1 auf. Durch die Wahl eines geeigneten Al/Mg-Verhältnisses kann die Transmission des optischen Elements verbessert werden. Darüber hinaus muss für ein gutes Transmissionsverhalten sichergestellt werden, dass die Konzentration an Fremdelement-Verunreinigungen in dem optischen Element möglichst niedrig ist. Der Absorptionskoeffizient k ist gegeben durch:Particularly preferably, the optical element has an absorption coefficient k of at most 0.2 cm -1 , preferably of at most 0.1 cm -1 , in particular of at most 0.01, at at least one wavelength between 190 nm and 250 nm, in particular at 193 nm cm '1. By choosing a suitable Al / Mg ratio, the transmission of the optical element can be improved and, for a good transmission behavior, it must be ensured that the concentration of impurity impurities in the optical element is as low as possible Absorption coefficient k is given by:
k = - log (T/F)/d,k = - log (T / F) / d,
wobei T die Transmission, F den Fresnel-Korrekturfaktor und d die Probendicke bezeichnen. Für Spinell als hochbrechendes Material liegt der Brechungsindex bei 193 nm bei 1 ,92 und der Fresnel-Korrekturfaktor bei 0,819, bei 248 nm liegt der Brechungsindex bei 1 ,814 und der Fresnel-Korrekturfaktor bei 0,846.where T denotes the transmission, F the Fresnel correction factor and d the sample thickness. For spinel as a high refractive index material, the refractive index at 193 nm is 1.92 and the Fresnel correction factor is 0.819, at 248 nm the refractive index is 1.884 and the Fresnel correction factor is 0.846.
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die Gesamt-Konzentration an Fremdelement-Verunreinigungen im Magnesium-Aluminium-Spinell, insbesondere verursacht durch Übergangsmetalle, bei weniger als 50 ppm, bevorzugt bei weniger als 20 ppm. Wie in der WO 2008/074503 der Anmelderin beschrieben, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird, haben Experimente, bei denen das Spinell-Material mit Fremdelementen dotiert wurde, gezeigt, welche Konzentrationen bei den einzelnen Fremdelementen im Spinell-Material toleriert werden können, um dennoch eine hohe Transmission sicherzustellen. θIn an advantageous embodiment, the total concentration of foreign element impurities in the magnesium-aluminum spinel, in particular caused by transition metals, is less than 50 ppm, preferably less than 20 ppm. As described in the Applicant's WO 2008/074503, which is incorporated herein by reference in its entirety, experiments in which the spinel material has been doped with foreign elements have shown concentrations of the individual foreign elements in the spinel material can be tolerated, yet to ensure a high transmission. θ
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Fremdelement-Verunreinigungen durch Eisen und Chrom im Magnesium-Aluminium-Spinell jeweils eine Konzentration von weniger als 0,5 ppm auf. In den Dotierungs-Experimenten hat sich gezeigt, dass insbesondere Eisen und Chrom nur in sehr geringen Konzentrationen im Magnesium- Aluminium-Spinell-Material vorhanden sein dürfen, um eine hohe Transmission zu gewährleisten.In a preferred embodiment, the foreign element impurities by iron and chromium in the magnesium-aluminum spinel each have a concentration of less than 0.5 ppm. In the doping experiments it has been shown that, in particular, iron and chromium must be present only in very low concentrations in the magnesium-aluminum spinel material in order to ensure a high transmission.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einem optischem Element zur Transmission von Strahlung bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm, aus einem Magnesium-Aluminium-Spinell enthaltenden, insbesondere einkristallinen Material, bei dem das Verhältnis V im Magnesium-Aluminium-Spinell im Bereich zwischen 2,0 und 2,2, bevorzugt im Bereich zwischen 2,02 und 2,10, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2,04 und 2,08 liegt. Wie oben dargestellt, ist es für das Transmissionsverhalten des Magnesium-Aluminium-Spinells günstig, wenn das Al/Mg-Verhältnis größer als 2:1 ist. Es versteht sich, dass es günstig ist, gleichzeitig die oben beschriebenen Wertebereiche für die Variation dieses Verhältnisses einzuhalten, um eine möglichst konstante Brechzahl bzw. eine möglichst gute optische Homogenität zu gewährleisten.A further aspect of the invention is embodied in an optical element for transmitting radiation at wavelengths of less than 250 nm, in particular at 193 nm, of a magnesium-aluminum spinel-containing, in particular monocrystalline material in which the ratio V in magnesium-aluminum Spinel is in the range between 2.0 and 2.2, preferably in the range between 2.02 and 2.10, more preferably in the range between 2.04 and 2.08. As indicated above, it is beneficial for the transmission behavior of the magnesium-aluminum spinel when the Al / Mg ratio is greater than 2: 1. It goes without saying that it is favorable to comply at the same time with the ranges of values described above for the variation of this ratio, in order to ensure the most constant refractive index or the best possible optical homogeneity.
Ein weiterer Aspekt ist verwirklicht in einem Projektionsobjektiv für die Mikrolithographie mit mindestens einem optischen Element wie oben beschrieben, wobei das optische Element in dem Projektionsobjektiv angeordnet ist und bevorzugt das bildseitige Abschluss-Element des Projektionsobjektivs bildet, und wobei das Design des Projektionsobjektivs für einen Soll-Brechungsindex des optischen Elements ausgelegt ist, von dem der Brechungsindex des optischen Elements um weniger als 5 x 10~5, bevorzugt um weniger als 1 x 10"5 abweicht. Durch die Einstellung eines in den oben angegebenen Grenzen konstanten Al/Mg-Verhältnisses in dem Rohling bzw. dem optischen Element kann der Brechungsindex sehr genau festgelegt werden, so dass dieser nahezu exakt dem durch das Design vorgegebenen Wert entspricht.Another aspect is realized in a projection objective for microlithography with at least one optical element as described above, wherein the optical element is arranged in the projection objective and preferably forms the image-side termination element of the projection objective, and wherein the design of the projection objective for a target refractive index of the optical element is designed, of which the refractive index of the optical element by less than 5 x 10 -5, preferably less than 1 x 10 "5 deviates. by adjusting a constant in the above-specified limits Al / Mg ratio in the blank or the optical element, the refractive index can be set very precisely, so that this corresponds almost exactly to the predetermined value by the design.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, insbesondere für die Immersions-Lithographie, mit mindestens einem optischen Element wie oben beschrieben und/oder einem Projektionsobjektiv wie oben beschrieben. Das optische Element aus Magnesium-Aluminium-Spinell mit den oben beschriebenen Eigenschaften weist eine ausreichende Transmission sowie eine genügend große Homogenität auf, um in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie eingesetzt zu werden. Durch den hohen Brechungsindex des Magnesium-Aluminium-Spinells eignet sich das optische Element insbesondere als Abschluss-Element des Projektionsobjektivs, welches in Kontakt mit einer Immersionsflüssigkeit gebracht wird.A further aspect of the invention is realized in a projection exposure apparatus for microlithography, in particular for immersion lithography, with at least one optical element as described above and / or a projection objective as described above. The optical element of magnesium-aluminum spinel with The properties described above have sufficient transmission and sufficient homogeneity to be used in a microlithographic projection exposure apparatus. Due to the high refractive index of the magnesium-aluminum spinel, the optical element is particularly suitable as a termination element of the projection lens, which is brought into contact with an immersion liquid.
Die Erfindung ist auch realisiert in einem Verfahren zum Herstellen eines bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm transmittierenden Rohlings aus einem Magnesium-Aluminium-Spinell enthaltenden polykristallinen Material, umfassend: Bereitstellen eines Magnesiumoxid und Aluminiumoxid enthaltenden Ausgangspulvers, Verdichten des Ausgangspulvers zu einem Grünling, und Sintern des Grünlings bei Temperaturen von 13000C oder mehr zur Herstellung des Rohlings, wobei der Magnesium-Anteil in dem Ausgangspulver sowie der Aluminium-Anteil in dem Ausgangspulver und die Prozessführung beim Sintern derart aufeinander abgestimmt werden, dass sich ein Verhältnis des Aluminium-Anteils zum Magnesium- Anteil im Magnesium-Aluminium-Spinell des Rohlings einstellt, das im Bereich zwischen 2,0 und 2,2, bevorzugt im Bereich zwischen 2,02 und 2,10, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2,04 und 2,08 liegt. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Reduktionsraten von Mg und AI stark temperaturabhängig sind. Je nach gewählter Temperaturführung im Sinterprozess kann sich daher gegenüber dem Pulverwert das Verhältnis von AI/Mg verändern, so dass die Wahl der Ausgangskonzentrationen von AI und Mg in dem Ausgangspulver auf den Sinterprozess abgestimmt werden müssen, damit sich das gewünschte Verhältnis in dem Rohling einstellt. Um eine hohe Transmission zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, das Ausgangsverhältnis des mit dem Ausgangspulver durchgeführten Herstellungsprozesses insgesamt so auszurichten, dass sich in der fertigen Keramik des Rohlings ein Al-Überschuss gegenüber dem 1 :1- Zustand von AI2O3 : MgO im idealen, d.h. stöchiometrischen Spinell einstellt. Aus einem solchen Rohling kann ein optisches Element mit den oben beschriebenen Eigenschaften hergestellt werden. Zu diesem Zweck kann das optische Element aus dem Rohling geschnitten werden, wobei die Form des Rohlings bereits an die Form des optischen Elements angepasst sein kann. In der Regel erfolgt noch eine Nachbehandlung durch Polieren, Beschichten etc., um das optische Element in einer optischen Anordnung betreiben zu können. In einer besonders vorteilhaften Variante wird das Ausgangspulver zu einem Grünling verdichtet, wobei in dem Grünling das Verhältnis des Aluminium-Anteils zum Magnesium-Anteil um weniger als 200 ppm, bevorzugt um weniger als 100 ppm, besonders bevorzugt um weniger als 50 ppm variiert. Hierzu wird das Al/Mg-Verhältnis in dem Ausgangspulver mit der erforderlichen Genauigkeit eingestellt.The invention is also realized in a method for producing a blank of a magnesium-aluminum spinel-containing polycrystalline material which transmits at wavelengths of less than 250 nm, in particular at 193 nm, comprising: providing a starting powder containing magnesium oxide and alumina, compressing the starting powder a green compact, and sintering of the green compact at temperatures of 1300 0 C or more for the production of the blank, wherein the magnesium content in the starting powder and the aluminum content in the starting powder and the process control during sintering are coordinated such that a ratio of the aluminum content to the magnesium content in the magnesium-aluminum spinel of the blank, which is in the range between 2.0 and 2.2, preferably in the range between 2.02 and 2.10, particularly preferably in the range between 2.04 and 2.08. It is known from the literature that the reduction rates of Mg and Al are strongly temperature-dependent. Depending on the selected temperature control in the sintering process, therefore, the ratio of Al / Mg may change relative to the powder value, so that the choice of the starting concentrations of Al and Mg in the starting powder must be coordinated with the sintering process in order to set the desired ratio in the blank. In order to ensure a high transmission, it is advantageous to align the starting ratio of the production process carried out with the starting powder as a whole so that an Al excess in the finished ceramic of the blank compared to the 1: 1 state of Al 2 O 3 : MgO im ideal, ie stoichiometric spinel sets. From such a blank, an optical element having the above-described properties can be produced. For this purpose, the optical element can be cut from the blank, wherein the shape of the blank can already be adapted to the shape of the optical element. As a rule, a further treatment by polishing, coating, etc. is carried out in order to be able to operate the optical element in an optical arrangement. In a particularly advantageous variant, the starting powder is compacted into a green compact, wherein in the green compact the ratio of the aluminum fraction to the magnesium fraction varies by less than 200 ppm, preferably by less than 100 ppm, more preferably by less than 50 ppm. For this purpose, the Al / Mg ratio in the starting powder is adjusted with the required accuracy.
In einer bevorzugten Variante wird als Ausgangspulver ein Spinellpulver bereitgestellt. In diesem Fall wird die Stöchiometrie des Spinellpulvers bereits mit der geforderten Genauigkeit eingestellt, wobei ggf. evtl. prozesabhängige Verluste vorgehalten werden müssen.In a preferred variant, a spinel powder is provided as the starting powder. In this case, the stoichiometry of the spinel powder is already adjusted with the required accuracy, with possibly possibly process-dependent losses must be maintained.
In einer alternativen Variante werden zum Bereitstellen des Ausgangspulvers ein Magnesiumoxid-Pulver und ein Aluminiumoxid-Pulver bevorzugt in einem Mischmahlungsprozess gemischt. Die Stöchiometrie kann hierbei ebenfalls mit der geforderten Genauigkeit eingestellt werden. Die erforderliche räumliche Homogenität der Mischung kann hierbei z.B. durch einen Mischmahlungsprozess sichergestellt werden.In an alternative variant, to provide the starting powder, a magnesium oxide powder and an alumina powder are preferably mixed in a mixed grinding process. The stoichiometry can also be set with the required accuracy. The required spatial homogeneity of the mixture hereby may be e.g. be ensured by a Mischmahlungsprozess.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:Embodiments are illustrated in the schematic drawing and will be explained in the following description. Show it:
Fign. 1a-c schematische Darstellungen von Verfahrensschritten bei der Herstellung eines Rohlings aus Magnesium-Aluminium-Spinell, Fig. 2 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit zwischen Brechungsindex und dem Verhältnis des Alunminium-Anteils zum Magnesium-Anteil in Magnesium-Aluminium-Spinell,FIGS. 1a-c show schematic diagrams of process steps in the production of a magnesium-aluminum spinel blank; 2 is a schematic representation of the relationship between refractive index and the ratio of the aluminum content to the magnesium content in magnesium-aluminum spinel,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage für dieFig. 3 is a schematic representation of a projection exposure system for
Immersions-Llithographie mit einem aus dem Rohling von Fig. 1c hergestellten optischen Element, undImmersion lithography with an optical element produced from the blank of Fig. 1c, and
Fig. 4 eine Darstellung eines Linsenrohlings bei der Durchführung einer interferometrischen Messung zur Bestimmung der Variation des Brechungsindex im Volumen des Linsenrohlings.4 shows an illustration of a lens blank when carrying out an interferometric measurement for determining the variation of the refractive index in the volume of the lens blank.
In Fign. 1a-c ist schematisch eine Variante eines Verfahrens zum Herstellen eines Rohlings 1 aus polykristallinem Magnesium-Aluminium-Spinell gezeigt, der Strahlung bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm transmittiert. Bei dem Verfahren werden zunächst ein Aluminiumoxid(AI2O3)-Pulver 2 und ein Magnesiumoxid(MgO)-Pulver 3 in einer Misch-Mahleinrichtung 4 gemischt und auf diese Weise ein Ausgangspulver 5 zur Herstellung des Rohlings 1 hergestellt. Durch den Misch-Mahlprozess kann sichergestellt werden, dass das Ausgangspulver 5 die gewünschte Homogenität und die gewünschte Strukturgöße der einzelnen Kristallite aufweist. Ferner kann das Verhältnis VA zwischen Aluminium und Magnesium in dem Ausgangspulver 5 durch die Zuführung der gewünschten Anteile an Aluminium-Pulver 2 und Magnesium-Pulver 3 zur Misch-Mahleinrichtung 4 auf besonders einfache Weise eingestellt werden. Es versteht sich, dass alternativ auch ein Ausgangspulver 5 aus Magnesium-Aluminium-Spinell verwendet werden kann, d.h. ein Pulver, welches aus Kristalliten aus Magnesium-Aluminium-Spinell besteht, bei denen das gewünschte Al/Mg-Verhältnis VA durch geeignete, bekannte Herstellungsverfahren eingestellt wurde.In Fign. 1a-c schematically show a variant of a method for producing a blank 1 made of polycrystalline magnesium-aluminum spinel, which transmits radiation at wavelengths of less than 250 nm, in particular at 193 nm. In the method, first, an alumina (Al 2 O 3 ) powder 2 and a magnesium oxide (MgO) powder 3 are mixed in a mixing grinder 4, and thus a starting powder 5 for producing the blank 1 is produced. The mixing-milling process can ensure that the starting powder 5 has the desired homogeneity and the desired structure size of the individual crystallites. Furthermore, the ratio V A between aluminum and magnesium in the starting powder 5 can be adjusted in a particularly simple way by supplying the desired proportions of aluminum powder 2 and magnesium powder 3 to the mixing grinder 4. It is understood that, alternatively, a starting powder 5 made of magnesium-aluminum spinel can be used, ie a powder which consists of crystallites of magnesium-aluminum spinel, in which the desired Al / Mg ratio V A by suitable, known Production process has been discontinued.
Zur Herstellung eines polykristallinen optischen Elements bzw. Rohlings 1 mit guten Transmissionseigenschaften muss das Ausgangspulver 5 eine möglichst hohe Reinheit aufweisen, d.h. dessen Anteil an Fremdelement-Verunreinigungen sollte möglichst gering ausfallen und deren Gesamt-Konzentration sollte einen Wert von 50 (Gewichts- )ppm nicht überschreiten. Insbesondere sollte der Anteil an Fremdelementen, welche die Transmission besonders negativ beeinflussen, wie z.B. Eisen oder Chrom, möglichst gering sein und bei jeweils weniger als 0,5 (Gewichts-)ppm liegen. Ein Ausgangspulver 5 mit einem so geringen Anteil an Fremdelement-Verunreinigungen kann dadurch erhalten werden, dass bekannte Reinigungsverfahren mehrfach durchgeführt werden, bis die gewünschte Reinheit erhalten wird.To produce a polycrystalline optical element or blank 1 with good transmission properties, the starting powder 5 must have the highest possible purity, ie its proportion of foreign element impurities should be as low as possible and their total concentration should not be 50 (wt) ppm exceed. In particular, the proportion of foreign elements, which should have a particularly negative influence on the transmission, such as iron or chromium, to be as low as possible and are each less than 0.5 (ppm by weight). An initial powder 5 having such a low content of impurity impurities can be obtained by repeatedly performing known purification processes until the desired purity is obtained.
In einem nachfolgenden, in Fig. 1 b gezeigten Verfahrensschritt wird das Ausgangspulver 5 mittels einer durch einen Pfeil angedeuteten Verdichtungseinrichtung trocken oder in Flüssigkeit bei Zimmertemperatur zu einem so genannten Grünling 6 verdichtet. In einem weiteren, in Fig. 1c gezeigten Schritt wird der Grünling 6, der noch verhältnismäßig große Poren und sogar Kanäle aufweist, bei Temperaturen Ti von z.B. ca. 1400 0C oder 17000C unter Umgebungsdruck pu in Umgebungsatmosphäre 7a in einem Ofen 7 gesintert. Dieser Prozessschritt führt zu einer weiteren Verdichtung des Grünlings 6, so dass keine Kanäle mehr vorliegen und die verbleibenden isolierten Poren eine geringere Größe aufweisen als vor dem Sintern. Der gesinterte Grünling 6 wird im Folgenden auch als Rohling 1 bezeichnet. An dem Rohling 1 können nachfolgend noch einer oder mehrere Temperschritte durchgeführt werden, insbesondere das so genannte heißisostatische Pressen (HIP)1 bei dem der Rohling 1 unter dem Sintern vergleichbaren Temperaturen mehrere Stunden hohem Druck von typischerweise mehr als 100 MPa ausgesetzt wird, um eine weitere Verdichtung zu erreichen.In a subsequent process step shown in FIG. 1 b, the starting powder 5 is compacted dry or in liquid at room temperature to form a so-called green body 6 by means of a compression device indicated by an arrow. In a further, shown in Fig. 1c, the green compact 6, which still has relatively large pores and even channels, at temperatures Ti of, for example, about 1400 0 C or 1700 0 C under ambient pressure p u in ambient atmosphere 7a in an oven. 7 sintered. This process step leads to a further densification of the green body 6, so that there are no more channels and the remaining isolated pores have a smaller size than before sintering. The sintered green compact 6 is also referred to below as blank 1. One or more annealing steps can subsequently be carried out on the blank 1, in particular the so-called hot isostatic pressing (HIP) 1, in which the blank 1 is exposed to comparable temperatures under sintering for several hours at a pressure of typically more than 100 MPa To achieve compaction.
Bei dem im Zusammenhang mit den Fign. 1a-c beschriebenen Verfahren werden der Magnesium-Anteil in dem Ausgangspulver 5 sowie der Aluminium-Anteil in dem Ausgangspulver 5 und die Prozessführung beim Sintern und ggf. weiterer sich an das Sintern anschließender Verfahrensschritte derart aufeinander abgestimmt, dass sich ein gewünschtes Al/Mg-Verhältnis V in dem Rohling 1 einstellt. Insbesondere kann das Al/Mg-Verhältnis V in dem Rohling 1 aufgrund der Prozessführung vom Al/Mg- Verhältnis VA in dem Ausgangspulver 5 abweichen, da aus der Literatur bekannt ist, dass die Reduktionsraten von Magnesium und Aluminium stark temperaturabhängig sind. Je nach gewählter Temperaturführung im Sinterprozess kann sich daher gegenüber dem Pulverwert das Al/Mg-Verhältnis verändern. Das Al/Mg-Verhälntis VA in dem Ausgangspulver 5 ist daher so auf die Prozessführung abzustimmen, dass eine durch die Prozessführung verursachte Veränderung dieses Verhältnisses gerade zum gewünschten Al/Mg-Verhältnis V in dem Rohling 6 führt. Das gewünschte Al/Mg-Verhältnis V in dem Rohling 6 wird hierbei so gewählt, dass der Absorptionskoeffizient k möglichst gering ausfällt. Bei der experimen-tellen Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Spinell-Proben wurde gefunden, dass sich Proben mit besserer Transmission bei einer Wellenlänge von 193 nm systematisch hinsichtlich des stöchiometrischen Al/Mg-Verhältnisses V von Proben mit geringerer Transmission unterscheiden. Proben mit besserer Transmission weisen hierbei generell eine höhere AI-Konzentration auf. Proben ohne Al-Überschuss bzw. AI- Mangel (Mg-Überschuss) zeigen umgekehrt schlechtere Transmissionswerte Zugehörige experimentelle Ergebnisse an einer Mehrzahl von Proben sind in der folgenden Tab. 1 dargestellt:In the context of FIGS. 1a-c described process, the magnesium content in the starting powder 5 and the aluminum content in the starting powder 5 and the process control during sintering and possibly further subsequent to the sintering process steps are coordinated so that a desired Al / Mg Ratio V in the blank 1 sets. In particular, the Al / Mg ratio V in the blank 1 due to the process may differ from the Al / Mg ratio V A in the starting powder 5 since it is known from the literature that the reduction rates of magnesium and aluminum are highly temperature dependent. Depending on the selected temperature control in the sintering process, the Al / Mg ratio may therefore change compared to the powder value. The Al / Mg ratio V A in the starting powder 5 is therefore to be matched to the process control such that a change in this ratio caused by the process control leads precisely to the desired Al / Mg ratio V in the blank 6. The desired Al / Mg ratio V in the blank 6 is chosen so that the absorption coefficient k is as small as possible. In the experimental investigation of the chemical composition of spinel samples, it was found that samples with better transmission at a wavelength of 193 nm systematically differ in the stoichiometric Al / Mg ratio V of lower transmission samples. Samples with better transmission generally have a higher Al concentration. Conversely, samples without Al excess or Al deficiency (Mg excess) show inferior transmission values. Associated experimental results on a plurality of samples are shown in the following Table 1:
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Tabelle 1Table 1
Eine Erklärung für dieses Verhalten könnte darin bestehen, dass im Phasendiagramm von Magnesium-Aluminium-Spinell zwar ein hoher Al-Überschuss, aber höchstens ein geringer bzw. gar kein Magnesium-Überschuss im Spinell-Gitter bei tiefen Temperaturen (< 1400°) stabil ist, so dass in einem Spinell mit Mg-Überschuss tendenziell das Magnesium als MgO (Periklase) segregiert, und sich durch stark erhöhte Streuung negativ auf das Transmissionsverhalten auswirkt. Daher ist es vorteilhaft, das Ausgangsverhältnis VA im Ausgangspulver 5 und den mit dem Ausgangspulver 5 durchgeführten Herstellungsprozess insgesamt so auszurichten, dass sich in der fertigen Keramik des Rohlings 1 ein Aluminium-Überschuss gegenüber dem 1 :1-Zu- stand von AI2O3 : MgO im idealen Spinell einstellt. Das Al/Mg-Verhältnis V sollte hierbei im Bereich zwischen 2,0 und 2,2 liegen, wobei ein Aluminium-Überschuss im Bereich von ca. 2 - 3 % bereits eine deutliche Steigerung der Transmission hervorruft. Es versteht sich, dass auch im Falle von einkristallinem Spinell obige Überlegungen relevant sind, da es auch dort bei Magnesium-Überschuss zu erhöhter Streuung kommen kann, so dass auch dort die Wahl des Al/Mg-Verhältnisses innerhalb des oben angegebenen Bereichs liegen sollte.One explanation for this behavior could be that in the phase diagram of magnesium-aluminum spinel, although a high Al excess, but at most a slight or no excess of magnesium in the spinel lattice at low temperatures (<1400 °) is stable , so that in a spinel with Mg excess, the magnesium tends to segregate as MgO (periclase), and has a negative effect on the transmission behavior by greatly increased scattering. Therefore, it is advantageous to align the output ratio V A in the starting powder 5 and the manufacturing process carried out with the starting powder 5 in such a way that an excess of aluminum in the finished ceramic of the blank 1 compared to the 1: 1 state of Al 2 O 3: MgO in the ideal spinel setting. The Al / Mg ratio V should in this case be in the range between 2.0 and 2.2, with an aluminum excess in the range of approximately 2 to 3% already causing a marked increase in the transmission. It is understood that also in the case of monocrystalline spinel above considerations are relevant, since there may also be increased scattering in the case of excess magnesium, so that even there the choice of the Al / Mg ratio should be within the range specified above.
Weiterhin ist es günstig, wenn das Al/Mg-Verhältnis V im Volumen des Rohlings 6 möglichst konstant ist, d.h. wenn dieses um weniger als 200 ppm, bevorzugt um weniger als 100 ppm, insbesondere um weniger als 50 ppm variiert, da nicht nur die Transmission des Rohlings 6 aus Magnesium-Aluminium-Spinell, sondern auch weitere optische Eigenschaften, z.B. dessen Brechungsindex, von diesem Verhältnis abhängen.Furthermore, it is favorable if the Al / Mg ratio V in the volume of the blank 6 is as constant as possible, i. if this varies by less than 200 ppm, preferably by less than 100 ppm, in particular by less than 50 ppm, since not only the transmission of the magnesium-aluminum spinel blank 6, but also other optical properties, e.g. whose refractive index, depend on this ratio.
Für die Bestimmung des Absolutwerts des Brechungsindexes von Magnesium- Aluminium-Spinell können aus der Literatur bekannte, für Wellenlängen im Sichtbaren ermittelte Sellmeier-Kurven für Magnesiumoxid und Aluminiumoxid auf Wellenlängen unter 250 nm extrapoliert werden. Hieraus ergibt sich für die reinen Oxide von Aluminium und Magnesium ein Wert für n(193) von ca. 1 ,92 bzw. 1 ,96. Für Spinell mit einem Verhältnis von AI/Mg von ca. 2:1 liegt n(193) ebenfalls im Bereich von ca. 1 ,92, die maximale Brechzahldifferenz zum Extremfall der reinen Oxide liegt also in der Größenordnung von ca. 0,04. Diese grobe (lineare) Abschätzung ergibt also eine Größenordnung der Sensitivität von max. 0,04 bei Variationen des Al/Mg-Verhältnisses im Bereich von 100 %. Wie durch genaue Bestimmungen des Al/Mg-Verhältnisses V in verschiedenen Proben gezeigt werden konnte, führen aber bereits geringe Variationen des Verhältnisses V zu einer starken Änderung im Brechungsindex bei 193 nm. Zur quantitativen Bestimmung der Abhängigkeit des Brechungsindexes n(193) vom Verhältnis V wurde daher an drei Proben, die im Al/Mg-Verhältnis weit auseinander lagen, eine ellipsometrische Brechzahlmessung bei einer Wellenlänge von 193 nm durchgeführt, deren Ergebnisse in Fig. 2 dargestellt sind. Für die drei Messpunkte in Fig. 2 wurde eine Ausgleichsgerade mit der Methode kleinster Fehlerquadrate bestimmt, für die gilt:For the determination of the absolute value of the refractive index of magnesium-aluminum spinel, it is possible to extrapolate from the literature known Sellmeier curves for magnesium oxide and aluminum oxide, which have been determined for visible wavelengths, to wavelengths below 250 nm. This results in a value for n (193) of about 1, 92 or 1, 96 for the pure oxides of aluminum and magnesium. For spinel with a ratio of Al / Mg of about 2: 1, n (193) is also in the range of about 1.92, so the maximum refractive index difference to the extreme case of pure oxides is on the order of about 0.04. This rough (linear) estimate thus gives an order of magnitude of the sensitivity of max. 0.04 with variations of the Al / Mg ratio in the range of 100%. However, as shown by exact determinations of the Al / Mg ratio V in different samples, even small variations in the ratio V lead to a large change in the refractive index at 193 nm. For the quantitative determination of the dependence of the refractive index n (193) on the ratio V Therefore, an ellipsometric refractive index measurement at a wavelength of 193 nm was performed on three samples which were far apart in the Al / Mg ratio, the results of which are shown in FIG. For the three measurement points in FIG. 2, a regression line was determined using the method of least squares, for which the following applies:
n(V) = -0,07 V + 2,06.n (V) = -0.07V + 2.06.
Es versteht sich, dass es sich hierbei ebenfalls nur um eine Näherung handelt, die aber in der gleichen Größenordnung wie die obige Abschätzung liegt. Auch über die relative Brechzahldifferenz in einer Probe lässt sich das Verhältnis Δn/It is understood that this is also an approximation, but in the same order of magnitude as the above estimate. Also, the relative refractive index difference in a sample allows the ratio Δn /
ΔV(AI/Mg) entsprechend der Steigung der Gerade von Fig. 2 abschätzen. Hierbei konnte aus Interferogrammen ein maximaler Hub (ohne Abzug langwelliger Zernikeanteile) für die stöchiometrie-induzierten Variationen der Brechzahl Δn(x,y) von ca. 50 - 100 ppm über das gesamte Probenvolumen abgelesen werden. Diese sind mit den in der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (energy dispersive X-ray spectro- scopy, EDX) und Ellipsometrie gefundenen Variationen innerhalb einer Probe zu vergleichen, welche bei ca. 0,01 liegen, woraus sich eine Steigung vonEstimate ΔV (Al / Mg) according to the slope of the straight line of FIG. Interferograms were used to read a maximum stroke (without deduction of long-wave zernike components) for the stoichiometry-induced variations of the refractive index Δn (x, y) of about 50-100 ppm over the entire sample volume. These are to be compared with the variations found in energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and ellipsometry within a sample, which are approximately 0.01, resulting in a slope of
Δn / ΔV(AI/Mg) = 50 E-6 / 0,01 = 0,005 ergibt.Δn / ΔV (Al / Mg) = 50 E-6 / 0.01 = 0.005.
Dieser Wert ist zwar um ca. einen Faktor 10 kleiner als die oben aus den Absolutwerten bestimmte Steigung. Da das Interferogramm aber einen über die Probendicke gemittelten Wert für die Brechzahlvariation liefert, ist dies kein Widerspruch, vgl. auch die oben im Zusammenhang mit Fig. 4 gemachten Betrachtungen.Although this value is smaller by a factor of about 10 than the slope determined above from the absolute values. However, since the interferogram provides a value for the refractive index variation averaged over the sample thickness, this is not a contradiction, cf. also the considerations made above in connection with FIG. 4.
Neben einer möglichst geringen absoluten Variation des Al/Mg-Verhältnisses im Volumen des Rohlings 6 ist es daher günstig, wenn auch die räumliche Variation (der Gradient) dieses Verhältnisses im Volumen des Rohlings möglichst gering ist. So sollte die räumliche Variation des Verhältnisses V des Aluminium-Anteils zum Magnesium- Anteil an zwei beliebigen, beispielhaft in Fig. 1c gezeigten Punkten P1 , P2 des optischen Elements mit einem Abstand kleiner als 2 mm bei weniger als 50 ppm, bevorzugt bei weniger als 20 ppm liegen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der z.B. durch Interferometrie bestimmbare Rest-RMS-Wert, welcher die räumliche Variation des Brechungsindexes angibt, im Volumen des Rohlings 6 bei weniger als 2 ppm, bevorzugt bei weniger als 0,5 ppm liegt.In addition to the lowest possible absolute variation of the Al / Mg ratio in the volume of the blank 6, it is therefore advantageous if the spatial variation (the gradient) of this ratio in the volume of the blank is as low as possible. Thus, the spatial variation of the ratio V of the aluminum content to the magnesium content at any two points P1, P2 of the optical element, shown by way of example in FIG. 1c, should be less than 2 mm at less than 50 ppm, preferably less than 20 ppm. In this way it can be ensured that the e.g. by interferometry determinable residual RMS value, which indicates the spatial variation of the refractive index is in the volume of the blank 6 at less than 2 ppm, preferably less than 0.5 ppm.
Aus dem auf die oben beschriebene Weise behandelten, in der Regel zylindersymmetrisch ausgeformten und/oder bereits an der Endgeometrie orientierten Rohling 6 aus dem polykristallinem Magnesiumspinell wird durch nachfolgende, hier nicht näher beschriebene Schleif- und Polierprozesse ein transmittierendes optisches Element 133 gefertigt, welches dieselben optischen Material-Eigenschaften wie der Rohling 1 aufweist und in einer Projektionsbelichtungsanlage 101 für die Mikrolithographie verwendet werden kann, welche nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wird.From the treated in the manner described above, usually cylindrically symmetrical and / or already oriented on the final geometry blank 6 of the polycrystalline magnesium spinel is a subsequent transmissive optical element 133 produced by subsequent, not described in detail here grinding and polishing processes, which the same optical Material properties as the blank 1 and used in a projection exposure apparatus 101 for microlithography can be, which will be described below in connection with FIG. 3.
In Fig. 3 ist schematisch eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage 101 gezeigt, die zur Herstellung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen mittels Immersionslithographie vorgesehen ist. Die Projektionsbelichtungsanlage 101 umfasst als Lichtquelle einen Excimer-Laser 103 mit einer Arbeitswellenlänge von 193 nm. Alternativ könnten auch Lichtquellen anderer Arbeitswellenlängen, beispielsweise 248 nm oder 157 nm verwendet werden. Ein nachgeschaltetes Beleuchtungssystem 105 erzeugt in seiner Austrittsebene oder Objektebene 107 ein großes, scharf begrenztes, sehr homogen beleuchtetes und an die Telezentrieerfordernisse des nachgeschalteten Projektionsobjektivs 111 angepasstes Beleuchtungsfeld. Das Beleuchtungssystem 105 hat Einrichtungen zur Steuerung der Pupillenausleuchtung und zum Einstellen eines vorgegebenen Polarisationszustands des Beleuchtungslichts. Im Strahlengang hinter dem Beleuchtungssystem 105 ist eine Einrichtung (Reticle-Stage) zum Halten und Bewegen einer Maske 113 so angeordnet, dass diese in der Objektebene 107 des Projektionsobjektivs 111 liegt und in dieser Ebene zum Scanbetrieb in einer Abfahrrichtung 115 bewegbar ist.FIG. 3 schematically shows a microlithographic projection exposure apparatus 101, which is provided for the production of highly integrated semiconductor components by means of immersion lithography. The projection exposure apparatus 101 comprises as the light source an excimer laser 103 with a working wavelength of 193 nm. Alternatively, light sources of other working wavelengths, for example 248 nm or 157 nm, could also be used. A downstream illumination system 105 generates in its exit plane or object plane 107 a large, sharply delimited illumination field which is very homogeneously illuminated and adapted to the telecentricity requirements of the downstream projection objective 111. The illumination system 105 has means for controlling the pupil illumination and setting a predetermined polarization state of the illumination light. In the beam path behind the illumination system 105, a device (reticle stage) for holding and moving a mask 113 is arranged such that it lies in the object plane 107 of the projection lens 111 and can be moved in a departure direction 115 in this plane for scanning operation.
Hinter der auch als Maskenebene bezeichneten Objektebene 107 folgt das Projektionsobjektiv 111 , das ein Bild der Maske mit reduziertem Maßstab auf ein mit einem Photolack, auch Resist 121 genannt, belegtes Substrat 119, beispielsweise einen Silizium-Wafer abbildet. Das Substrat 119 ist so angeordnet, dass die ebene Substratoberfläche mit dem Resist 121 im wesentlichen mit der Bildebene 123 des Projektionsobjektivs 111 zusammenfällt. Das Substrat wird durch eine Einrichtung 117 gehalten, die einen Antrieb umfasst, um das Substrat 119 synchron mit der Maske 113 zu bewegen. Die Einrichtung 117 umfasst auch Manipulatoren, um das Substrat 119 sowohl in z-Richtung parallel zur optischen Achse 125 des Projektionsobjektivs 111 , als auch in x- und y-Richtung senkrecht zu dieser Achse zu verfahren.The object plane 111, which is also referred to as the mask plane, is followed by the projection objective 111, which images an image of the reduced-scale mask onto a substrate 119, for example a silicon wafer, which is provided with a photoresist, also called resist 121. The substrate 119 is arranged such that the planar substrate surface coincides with the resist 121 substantially with the image plane 123 of the projection lens 111. The substrate is held by a device 117 which includes a drive to move the substrate 119 in synchronism with the mask 113. The device 117 also includes manipulators for moving the substrate 119 both in the z direction parallel to the optical axis 125 of the projection lens 111 and in the x and y directions perpendicular to this axis.
Die zum Halten des Substrats 119 vorgesehene Einrichtung 117 (Wafer-Stage) ist für die Verwendung bei der Immersionslithographie konstruiert. Sie umfasst eine von einem Scannerantrieb bewegbare Aufnahmeeinrichtung 127 für eine Immersionsflüssigkeit 131 , deren Boden eine flache Ausnehmung zur Aufnahme des Substrats 119 aufweist. Das Projektionsobjektiv 111 hat eine bildseitige numerische Apertur NA von wenigstens NA = 1 ,2, bevorzugt aber von mehr als 1 ,35, besonders bevorzugt von mehr als 1 ,5 und ist damit an die Verwendung von Immersionsflüssigkeiten hoher Brechzahl besonders angepasst. Das Projektionsobjektiv 111 hat als letztes, der Bildebene 123 nächstes optisches Element eine halbkugelförmige Plankonvexlinse 133, deren Austrittsfläche 135 die letzte optische Fläche des Projektionsobjektivs 111 ist. Die Austrittsseite des letzten optischen Elementes ist im Betrieb der Projektions- belichtungsanlage 101 vollständig in die Immersionsflüssigkeit 131 eingetaucht und wird von dieser benetzt. Die halbkugelförmige Plankonvexlinse 133 besteht aus polykristallinem Magnesium-Aluminium-Spinell. Die weitere Linse 137 in dem Projektionsobjektiv 111 besteht hingegen aus einkristallinem Magnesium- Aluminium-Spinell. Bei der Züchtung des Einkristalls aus Magnesium-Aluminium- Spinell wurde das Al/Mg-Verhältnis so eingestellt, dass die weitere Linse 137 dieselben optischen Material-Eigenschaften (Transmission, Brechzahl und insbesondere räumliche Variation der Brechzahl) aufweist wie die Plankonvexlinse 133. Es versteht sich, dass alternativ auch die Plankonvexlinse 133 aus einkristallinem Magnesium-Aluminium-Spinell und die weitere Linse 137 aus polykristallinem Material bestehen kann.The device 117 (wafer stage) provided for holding the substrate 119 is constructed for use in immersion lithography. It comprises a recording device 127, which can be moved by a scanner drive, for an immersion liquid 131, the bottom of which has a flat recess for receiving the substrate 119. The projection objective 111 has an image-side numerical aperture NA of at least NA = 1, 2, but preferably of more than 1, 35, particularly preferably of more than 1.5, and is thus particularly adapted to the use of immersion liquids of high refractive index. The projection objective 111 has, as the last, the image plane 123 next optical element, a hemispherical plano-convex lens 133 whose exit surface 135 is the last optical surface of the projection objective 111. The exit side of the last optical element is completely immersed in the immersion liquid 131 during operation of the projection exposure apparatus 101 and is wetted by the latter. The hemispherical plano-convex lens 133 is made of polycrystalline magnesium-aluminum spinel. By contrast, the further lens 137 in the projection objective 111 consists of monocrystalline magnesium-aluminum spinel. In the growth of the magnesium-aluminum spinel single crystal, the Al / Mg ratio was adjusted so that the further lens 137 has the same optical material properties (transmission, refractive index and, in particular, spatial variation of the refractive index) as the plano-convex lens 133. It will be understood itself that, alternatively, the plano-convex lens 133 may consist of monocrystalline magnesium-aluminum spinel and the further lens 137 may consist of polycrystalline material.
Optional sind die Plankonvexlinse 133 und die weitere Linse 137 mit einer Anti- Reflexbeschichtung versehen. Diese Anti-Reflexbeschichtung weist eine Folge von abwechselnd niedrigbrechenden und hochbrechenden Materialen auf. Als niedrigbrechende Materialien kommen, insbesondere bei einer Arbeitswellenlänge der Projektionsbelichtungsanlage 101 von 193 nm MgF2, AIF3, Na5Al3Fi4, Na3AIF6, SiO2, LiF und NaF in Frage. Als hochbrechende Materialien sind unter anderem LaF3, GdF3, NdF3, AI2O3 und DyF3 geeignet.Optionally, the plano-convex lens 133 and the further lens 137 are provided with an anti-reflection coating. This anti-reflection coating has a sequence of alternating low-refractive and high-refractive materials. Suitable low-index materials are, in particular at a working wavelength of the projection exposure apparatus 101 of 193 nm, MgF.sub.2, AIF.sub.3, Na.sub.5 Al.sub.3Fi.sub.4, Na.sub.3AIF.sub.6, SiO.sub.2, LiF and NaF. Suitable high-index materials include LaF3, GdF3, NdF3, Al2O3 and DyF3.
Das optische Design des Projektionsobjektivs 111 ist hierbei auf ein optisches Element mit einem Soll-Brechungsindex ns der Plankonvexlinse 133 optimiert, der z.B. bei 1.9201 liegen kann. Die Plankonvexlinse 133 weist hierbei einen Brechungsindex ne auf, der von diesem Soll-Brechungsindex ns im Absolutwert um weniger als 5 x 10"5, bevorzugt um weniger als 1 x 10'5 abweicht. Diese Anforderung kann eingehalten werden, wenn das Al/Mg-Verhältnis im Volumen der Plankonvexlinse 133 um weniger als 200 ppm variiert. Zusammenfassend wird auf die oben beschriebene Weise der Einsatz eines polykristallinen oder einkristallinen Magnesium-Aluminium-Spinell-Materials für die (Immersions-)Lithographie bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, speziell bei 193 nm ermöglicht. Es versteht sich, dass optische Elemente der oben beschriebenen Art auch in anderen Bereichen als der Mikrolithographie eingesetzt werden können, bei denen eine hohe Transmission für UV-Strahlung sowie ein Brechungsindex, der mit hoher Genauigkeit eingehalten werden kann, erforderlich sind. The optical design of the projection objective 111 is optimized here for an optical element with a desired refractive index n s of the plano-convex lens 133, which may be, for example, 1.9201. The plano-convex lens 133 in this case has a refractive index n e in which from this target refractive index n s in absolute value by less than 5 x 10 "5, preferably less than 1 x 10 '5 is different. This requirement can be met if the Al / Mg ratio in the volume of plano-convex lens 133 varied by less than 200 ppm. In summary, in the manner described above, it is possible to use a polycrystalline or monocrystalline magnesium-aluminum spinel material for (immersion) lithography at wavelengths of less than 250 nm, especially at 193 nm. It is understood that optical elements of the type described above can also be used in areas other than microlithography, in which a high transmission for UV radiation and a refractive index, which can be met with high accuracy, are required.

Claims

Patentansprüche claims
1. Optisches Element (133, 137), insbesondere mit einem Durchmesser von mindestens 30 mm, zur Transmission von Strahlung bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm, aus einem Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4) enthaltenden Material, wobei im Volumen des optischen Elements (133, 137) das Verhältnis (V) des Aluminium-Anteils im Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4) zum Magnesium-Anteil im Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4) um weniger als 200 ppm, bevorzugt um weniger als 100 ppm, besonders bevorzugt um weniger als 50 ppm variiert.1. Optical element (133, 137), in particular with a diameter of at least 30 mm, for the transmission of radiation at wavelengths of less than 250 nm, in particular at 193 nm, from a magnesium-aluminum spinel (MgAI 2 O 4 ) containing Material, wherein in the volume of the optical element (133, 137) the ratio (V) of the aluminum content in the magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) to the magnesium content in the magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) by less than 200 ppm, preferably by less than 100 ppm, more preferably by less than 50 ppm.
2. Optisches Element nach Anspruch 1 , bei dem in dem Magnesium-Aluminium- Spinell (MgAI2O4) die räumliche Variation des Verhältnisses (V) an zwei beliebigen Punkten (P1 , P2) des optischen Elements (133, 137) mit einem Abstand kleiner als 2 mm bei weniger als 50 ppm, bevorzugt bei weniger als 20 ppm liegt.2. An optical element according to claim 1, wherein in the magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ), the spatial variation of the ratio (V) at any two points (P1, P2) of the optical element (133, 137) with a Distance less than 2 mm at less than 50 ppm, preferably less than 20 ppm.
3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Variation des vom Verhältnis (V) abhängigen Brechungsindexes (n(V)) des Magnesium-Aluminium- Spinells (MgAI2O4) des optischen Elements (133, 137), definiert durch den Rest- RMS-Wert bei einer Wellenlänge von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm, weniger als 2 ppm, bevorzugt weniger als 0,5 ppm beträgt.The optical element according to claim 1 or 2, wherein the variation of the ratio (V) dependent refractive index (n (V)) of the magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) of the optical element (133, 137) defines by the residual RMS value at a wavelength of less than 250 nm, in particular at 193 nm, less than 2 ppm, preferably less than 0.5 ppm.
4. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis (V) im Bereich zwischen 2,0 und 2,2, bevorzugt im Bereich zwischen 2,02 und 2,10, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2,04 und 2,08 liegt.4. Optical element according to one of the preceding claims, wherein the ratio (V) in the range between 2.0 and 2.2, preferably in the range between 2.02 and 2.10, particularly preferably in the range between 2.04 and 2 , 08 lies.
5. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4) enthaltende Material polykristallin ist.5. An optical element according to any one of the preceding claims, wherein the material containing magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) is polycrystalline.
6. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Magnesium- Aluminium-Spinell (MgAI2O4) enthaltende Material einkristallin ist.6. An optical element according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnesium-aluminum spinel (MgAI 2 O 4 ) containing material is monocrystalline.
7. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches bei mindestens einer Wellenlänge zwischen 190 nm und 250 nm, insbesondere bei 193 nm, einen Absorptionskoeffizienten k von höchstens 0,2 cm"1, bevorzugt von höchstens 0,1 cm'1, insbesondere von höchstens 0,01 cm"1 aufweist.7. Optical element according to one of the preceding claims, which at least one wavelength between 190 nm and 250 nm, in particular at 193 nm, an absorption coefficient k of at most 0.2 cm -1 , preferably of at most 0.1 cm -1 , in particular of at most 0.01 cm -1 .
8. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gesamt-Konzentration an Fremdelement-Verunreinigungen im Magnesium- Aluminium-Spinell (MgAI2O4) bei weniger als 50 ppm, bevorzugt bei weniger als 20 ppm liegt.An optical element according to any one of the preceding claims, wherein the total concentration of impurity foreign elements in the magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) is less than 50 ppm, preferably less than 20 ppm.
9. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fremdelement-Verunreinigungen durch Eisen (Fe) und Chrom (Cr) im Magnesium- Aluminium-Spinell (MgAI2O4) jeweils eine Konzentration von weniger als 0,5 ppm aufweisen.9. An optical element according to any one of the preceding claims, wherein the impurity elements by iron (Fe) and chromium (Cr) in the magnesium-aluminum spinel (MgAI 2 O 4 ) each have a concentration of less than 0.5 ppm.
10. Optisches Element (133, 137) zur Transmission von Strahlung bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm, aus einem Magnesium- Aluminium-Spinell (MgAI2O4) enthaltenden, insbesondere einkristallinen Material, bei dem das Verhältnis (V) des Aluminium-Anteils im Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4) zum Magnesium-Anteil im Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4) im Bereich zwischen 2,0 und 2,2, bevorzugt im Bereich zwischen 2,02 und 2,10, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2,04 und 2,08 liegt.10. Optical element (133, 137) for the transmission of radiation at wavelengths of less than 250 nm, in particular at 193 nm, from a magnesium-aluminum spinel (MgAI 2 O 4 ) containing, in particular monocrystalline material in which the ratio ( V) of the aluminum content in the magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) to the magnesium content in the magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) in the range between 2.0 and 2.2, preferably in the range between 2 , 02 and 2.10, more preferably in the range between 2.04 and 2.08.
11. Projektionsobjektiv (111) für die Mikrolithographie mit mindestens einem optischen Element (133, 137) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das optische Element (133, 137) in dem Projektionsobjektiv (111) angeordnet ist und bevorzugt das bildseitige Abschlusselement (133) des Projektionsobjektivs (111) bildet, und wobei das Design des Projektionsobjektivs (111) für einen Soll-Brechungsindex (ns) des optischen Elements (133) ausgelegt ist, von dem der Brechungsindex (ne) des optischen Elements (133) um weniger als 5 x 10"5, bevorzugt um weniger als 1 x 10" 5 abweicht.11. Microlithography projection objective (111) with at least one optical element (133, 137) according to one of claims 1 to 10, wherein the optical element (133, 137) is arranged in the projection objective (111) and preferably the image-side terminating element (11). 133) of the projection objective (111), and wherein the design of the projection objective (111) is designed for a desired refractive index (n s ) of the optical element (133) of which the refractive index (n e ) of the optical element (133) by less than 5 x 10 "5, preferably less than 1 x 10" 5 deviates.
12. Projektionsbelichtungsanlage (101) für die Mikrolithographie, insbesondere für die Immersions-Lithographie, mit mindestens einem optischen Element (133, 137) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einem Projektionsobjektiv (111) nach Anspruch 11. 12 projection exposure apparatus (101) for microlithography, in particular for immersion lithography, with at least one optical element (133, 137) according to any one of claims 1 to 9 and / or a projection lens (111) according to claim 11.
13. Verfahren zum Herstellen eines bei Wellenlängen von weniger als 250 nm, insbesondere bei 193 nm transmittierenden Rohlings (1) aus einem Magnesium- Aluminium-Spinell (MgAI2O4) enthaltenden polykristallinen Material, umfassend: Bereitstellen eines Magnesiumoxid (MgO) und Aluminiumoxid (AI2O3) enthaltenden Ausgangspulvers (5),13. A method of producing a polycrystalline material containing magnesium aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) at wavelengths less than 250 nm, in particular at 193 nm, comprising: providing a magnesium oxide (MgO) and alumina (AI2O3) containing starting powder (5),
Verdichten des Ausgangspulvers (5) zu einem Grünling (6), und Sintern des Grünlings (6) bei Temperaturen von 13000C oder mehr zur Herstellung des Rohlings (1), wobei der Magnesium-Anteil in dem Ausgangspulver (5) sowie der Aluminium-Anteil in dem Ausgangspulver (5) und die Prozessführung beim Sintern derart aufeinander abgestimmt werden, dass sich ein Verhältnis (V) des Aluminium-Anteils zum Magnesium-Anteil im Magnesium-Aluminium-Spinell (MgAI2O4) des Rohlings (1) einstellt, das im Bereich zwischen 2,0 und 2,2, bevorzugt im Bereich zwischen 2,02 und 2,10, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2,04 und 2,08 liegt.Compacting the starting powder (5) to a green compact (6), and sintering the green compact (6) at temperatures of 1300 0 C or more for the production of the blank (1), wherein the magnesium content in the starting powder (5) and the aluminum Part in the starting powder (5) and the process control during sintering are coordinated so that a ratio (V) of the aluminum content to the magnesium content in the magnesium-aluminum spinel (MgAI 2 O 4 ) of the blank (1) which is in the range between 2.0 and 2.2, preferably in the range between 2.02 and 2.10, particularly preferably in the range between 2.04 and 2.08.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem als Ausgangspulver (5) ein Spinellpulver bereitgestellt wird.14. The method according to claim 13, wherein as the starting powder (5) a spinel powder is provided.
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem zum Bereitstellen des Ausgangspulvers (5) ein Aluminiumoxid-Pulver (2) und ein Magnesiumoxid-Pulver (2) bevorzugt in einem Mischmahlungsprozess gemischt werden.A method according to claim 13, wherein for providing the starting powder (5), an alumina powder (2) and a magnesia powder (2) are preferably mixed in a compound grinding process.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das Ausgangspulver (5) zu einem Grünling (6) verdichtet wird, wobei in dem Grünling (6) das Verhältnis (V) des Aluminium-Anteils zum Magnesium-Anteil um weniger als 200 ppm, bevorzugt um weniger als 100 ppm, besonders bevorzugt um weniger als 50 ppm variiert. 16. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein the starting powder (5) to a green compact (6) is compressed, wherein in the green compact (6) the ratio (V) of the aluminum content to the magnesium content by less than 200 ppm, preferably less than 100 ppm, more preferably less than 50 ppm.
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