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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein optisches Element, umfassend: ein Substrat, sowie eine für Strahlung, bevorzugt für Strahlung im UV- oder VIS-Wellenlängenbereich, insbesondere für Strahlung im VUV-Wellenlängenbereich, teilreflektierende oder antireflektierende Beschichtung, wobei die Beschichtung eine Mehrzahl von ersten Schichten und von zweiten Schichten aufweist, wobei die ersten Schichten ein erstes, bevorzugt fluoridisches oder oxidisches Material aufweisen und die zweiten Schichten ein zweites, bevorzugt fluoridisches oder oxidisches Material aufweisen, dessen Brechungsindex für die Strahlung sich vom Brechungsindex des ersten Materials für die Strahlung unterscheidet. Die Erfindung betrifft auch eine optische Anordnung, bevorzugt einen Laser oder eine Anlage der Halbleitertechnologie, insbesondere eine UV-Lithographieanlage oder ein Wafer-Inspektionssystem, die mindestens ein solches optisches Element aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements, umfassend: Aufbringen einer für Strahlung, bevorzugt für Strahlung im UV- oder VIS-Wellenlängenbereich, teilreflektierenden oder antireflektierenden Beschichtung auf ein Substrat des optischen Elements, wobei die Beschichtung eine Mehrzahl von ersten Schichten und von zweiten Schichten aufweist, wobei die ersten Schichten ein erstes, bevorzugt fluoridisches oder oxidisches Material aufweisen und die zweiten Schichten ein zweites, bevorzugt fluoridisches oder oxidisches Material aufweisen, dessen Brechungsindex für die Strahlung sich vom Brechungsindex des ersten Materials für die Strahlung unterscheidet.
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Optische Elemente mit einer teilreflektierenden oder antireflektierenden Beschichtung für Strahlung im UV-Wellenlängenbereich, z.B. in Form von Strahlteilern oder von transmissiven optischen Elementen, werden beispielsweise in der Halbleitertechnologie eingesetzt. Der UV-Wellenlängenbereich umfasst Wellenlängen zwischen 100 nm und 380 nm und enthält u.a. den VUV-Wellenlängenbereich mit Wellenlängen zwischen 100 nm und 200 nm (VUV-Wellenlängenbereich nach DIN 5031 Teil 7). Der VIS-Wellenlängenbereich umfasst Wellenlängen zwischen 380 nm und 780 nm.
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Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer teilreflektierenden Beschichtung eine Beschichtung verstanden, die eine maximale Reflektivität von nicht mehr als 95%, typischerweise von nicht mehr als 80%, 70% oder 60% für die auftreffende Strahlung aufweist und die restliche auftreffende Strahlung transmittiert (wobei Verluste nicht berücksichtigt werden). Eine teilreflektierende Beschichtung ist daher gleichzeitig auch eine teiltransmittierende Beschichtung. Während eine teilreflektierende Beschichtung eine maximale Reflektivität für die auftreffende Strahlung aufweist, die größer ist als die „natürliche“ Reflektivität des Materials des Substrats, die z.B. bei Quarzglas im VIS-Wellenlängenbereich und bei CaF2 bei 193 nm jeweils bei ca. 4 % liegt, ist bei einer antireflektierenden Beschichtung die Reflektivität für die auftreffende Strahlung kleiner als die „natürliche“ Reflektivität des Substrats und liegt idealerweise bei 0%.
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Um die Funktionalität von optischen Elementen zu gewährleisten, ist es typischerweise erforderlich, diese mit einer geeigneten teilreflektierenden oder antireflektierenden Beschichtung zu versehen. Durch diese Beschichtung wird z.B. eine nur wenig schwankende (veränderliche) Reflektivität für einen bestimmten Einfallswinkelbereich (bei gleichzeitig konstanter Wellenlänge) bzw. für einen bestimmten Wellenlängenbereich (bei gleichzeitig konstantem Einfallswinkel) angestrebt.
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Die Anforderungen bezüglich des Reflektivitätsverlaufs als Funktion der Wellenlänge bzw. des Einfallswinkels sowie möglicherweise der Stabilität über Lebensdauer können in der Regel durch die Wahl geeigneter Schichtmaterialien und deren Kombination mit passenden Schichtdicken und der Anzahl der verwendeten Einzelschichten erfüllt werden.
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Um die Anforderung hinsichtlich der Fertigungstauglichkeit zu erfüllen, muss darauf geachtet werden, dass das Schichtdesign möglichst „stabil“ ist: Kleine Einzeldickenfehler, die beim Aufbringen bzw. Abscheiden der Beschichtung auftreten können, dürfen sich nur wenig auf die optische Performance der Beschichtung auswirken. Die optischen Designs von Beschichtungen sind in der Regel umso stabiler, je weniger Einzelschichten diese enthalten, je weniger die Schichtdicken eines Materials von Schicht zu Schicht variieren und je näher das Design am „Ä/4-Schichtdesign“ liegt, d.h. je weniger die optische Dicke der einzelnen Schichten von λ/4 abweicht, wobei λ die Nutzwellenlänge bzw. das Zentrum der spektralen Breite des Reflektivitätsverlaufs bezeichnet.
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Die Voraussetzungen bezüglich der Design-Stabilität und damit auch der Fertigungstauglichkeit sind jedoch umso weniger erfüllt, je größer die spektrale bzw. die angulare Breite der Beschichtung sein soll. Auch ist es häufig erforderlich, von einem „λ/4-Schichtdesign“ abzuweichen, um ein (spektrales bzw. angulares) Plateau mit einem vorgegebenen Wert der Reflektivität zu erzeugen.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Element, eine Anlage der Halbleitertechnologie mit einem solchen optischen Element sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements bereitzustellen, die eine Beschichtung aufweisen, die eine Feinabstimmung der Reflektivität ermöglicht, ohne die Stabilität des optischen Designs signifikant zu beeinträchtigen.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element der eingangs genannten Art, bei dem die Beschichtung mindestens eine Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung aufweist, die eine dritte Schicht aus einem dritten Material umfasst, das nicht mit dem ersten und dem zweiten Material übereinstimmt.
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Die Erfinder haben erkannt, dass es zur Erfüllung der Anforderungen an die Beschichtung, insbesondere zur Bereitstellung eines gegenüber Einzelschichtdickenfehlern möglichst stabilen Schichtdesigns, günstig ist, wenn zur Reflektivitätsanpassung nicht ausschließlich die optischen Dicken der Schichten aus dem ersten Material und dem zweiten Material angepasst werden, sondern wenn die Beschichtung ein drittes Material aufweist, das sich hinsichtlich der optischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich des Brechungsindexes, deutlich von den Materialien der ersten und der zweiten Schichten unterscheidet. Auf diese Weise kann typischerweise der Absolutwert des gewünschten breitbandigen Reflektivitätsverlaufs der teilreflektierenden oder antireflektierenden Beschichtung erzeugt werden, d.h. es kann eine Feinabstimmung der Reflektivität, insbesondere der maximalen Reflektivität, erfolgen, ohne dass zu diesem Zweck eine zu starke Abweichung vom stabilen „λ/4-Schichtdesign“ und damit einer gut herstellbaren Beschichtung erforderlich ist. Mit Hilfe der Schichtgruppe(n) können auch Änderungen bzw. Anpassungen der Reflektivität von weniger als 0,5% erzeugt werden, was durch eine Änderung der Anzahl der Schichtpaare / Perioden der Schichten aus dem ersten und dem zweiten Material insbesondere bei Beschichtungen mit einer geringen Anzahl an Schichten nicht ohne weiteres möglich ist (s.u.).
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Bei einer Ausführungsform weist die Beschichtung nicht mehr als drei, bevorzugt nicht mehr als zwei Schichtgruppen zur Reflektivitätsanpassung auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, sollte von einem stabilen Schichtdesign der Beschichtung möglichst wenig abgewichen werden. Die Erhöhung der Anzahl der Schichtgruppen zur Reflektivitätsanpassung führt zu einem komplexeren Fertigungsprozess, da mehr Einzelschichten hergestellt werden müssen. Auch ist die Wirkung der Reflektivitätsanpassung einer zweiten, dritten, ... Schichtgruppe gegenüber der Wirkung der ersten Schichtgruppe stark reduziert. Aus diesem Grund sind in der Regel mehr als drei, typischerweise mehr als zwei Schichtgruppen zur Reflektivitätsanpassung technisch nicht sinnvoll.
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Es sollte an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass es sich bei dem dritten Material der jeweiligen Schichtgruppe nicht um eine Barriereschicht handelt, die das Durchmischen der Nachbarschichten verhindern soll: Barriereschichten müssten an allen äquivalenten Grenzflächen eingesetzt werden, außerdem sollten diese eine optische Dicke von ca. 0,1 bis 0,2 × λ/4 nicht überschreiten. Die dritte Schicht kann demgegenüber eine größere optische Dicke aufweisen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die ersten Schichten, die zweiten Schichten und bevorzugt die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung dieselbe optische Dicke auf, die typischerweise bei λ/4 liegt, wobei λ die Nutzwellenlänge der auftreffenden Strahlung bezeichnet. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann auf diese Weise ein Design der Beschichtung erzeugt werden, das eine hohe Robustheit gegenüber kleineren Schichtdickenfehlern aufweist. Die optische Dicke der Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung entspricht in diesem Fall der optischen Dicke einer der ersten Schichten bzw. einer der zweiten Schichten.
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Bei einer weiteren Ausführungsform bildet die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung ein Schichtpaar, das die dritte Schicht und entweder eine Schicht aus dem ersten Material oder eine Schicht aus dem zweiten Material umfasst. Das Schichtpaar weist typischerweise eine optische Dicke von λ/4 auf. In der Regel weist die Beschichtung eine Abfolge von alternierenden ersten und zweiten Schichten auf und das Schichtpaar zur Reflektivitätsanpassung ersetzt eine der Schichten der Abfolge von alternierenden ersten und zweiten Schichten. Die Wirkung der Schichtgruppe bzw. des Schichtpaars auf die Reflektivität der Beschichtung hängt u.a. davon ab, an welcher Position das Schichtpaar in dem Gesamtaufbau der Beschichtung angeordnet ist. Eine optische Dicke der dritten Schicht wird hierbei in Abhängigkeit von der gewünschten Reflektivitätsanpassung festgelegt, wobei die Wirkung der dritten Schicht auf die Reflektivität der Beschichtung umso größer ist, je größer die optische Dicke der dritten Schicht ist. Bei der Wirkung der dritten Schicht auf die Reflektivität der Beschichtung handelt es sich um eine Erhöhung oder um eine Verringerung der Reflektivität der Beschichtung, wobei sich der spektrale bzw. winkelabhängige Verlauf der Reflektivität der Beschichtung nur geringfügig verändern. Durch die Aufteilung der optischen Dicke einer ersten oder einer zweiten Schicht auf ein Schichtpaar kann abhängig vom Verhältnis der Aufteilung die Reflektivität der Beschichtung innerhalb eines gewissen Bereichs kontinuierlich angepasst werden. Die Reihenfolge der dritten Schicht und der Schicht aus dem ersten oder zweiten Material in dem Schichtpaar beeinflusst zwar die Wirkung auf die Reflektivität bzw. auf den Reflektivitätsverlauf, dreht aber nicht die Richtung des Effekts um, d.h. ob es sich um eine Abnahme oder um eine Zunahme der Reflektivität handelt, hängt nicht von der Reihenfolge der Schichten des Schichtpaars ab. Es ist möglich, dass die optische Dicke der dritten Schicht und der Schicht aus dem ersten oder aus dem zweiten Material jeweils ungefähr der Hälfte der optischen Dicke des Schichtpaars entsprechen, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung mindestens eine Phasenschieberschicht auf, wobei die Phasenschieberschicht bevorzugt eine optische Dicke aufweist, die von einer optischen Dicke der ersten und der zweiten Schichten abweicht und insbesondere der doppelten optischen Dicke der ersten Schichten und der zweiten Schichten entspricht, wobei die Phasenschieberschicht bevorzugt aus dem ersten Material oder aus dem zweiten Material gebildet ist.
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Die Phasenschieberschicht dient typischerweise dazu, ausgehend von einem Schichtdesign mit einer Abfolge von ersten und zweiten Schichten mit gleicher optischer Dicke (typischerweise λ/4), bei dem die Beschichtung ein ausgeprägtes Reflektivitätsmaximum im Bereich der Nutzwellenlänge aufweist, die Reflektivität im Bereich des Reflektivitätsmaximums zu reduzieren und/oder ein Plateau des spektralen und/oder winkelabhängigen Reflektivitätsverlaufs mit nur wenig variabler Reflektivität um das Reflektivitätsmaximum herum zu erzeugen. Die Erzeugung eines vergleichsweise breiten Plateaus des Reflektivitätsverlaufs hat sich insbesondere bei einer teilreflektierenden Beschichtung als günstig erwiesen. Bei einer antireflektierenden Beschichtung dient die Phasenschieberschicht in der Regel im Wesentlichen zur Erzeugung einer anti-reflektierenden Wirkung, d.h. zur Reduzierung der Reflektivität im Bereich des Reflektivitätsmaximums.
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Die spektrale Breite des Plateaus, in dem die Reflektivität nur wenig variabel ist, d.h. der Bereich des Reflektivitätsverlaufs, in dem die maximale Reflektivität und die minimale Reflektivität um nicht mehr als 5%, bevorzugt um nicht mehr als 3% voneinander abweichen, hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Nutzwellenlänge, der gewünschten maximalen Reflektivität, dem Einfallswinkel, der Materialkombination der Schichten der Beschichtung, sowie vom Grunddesign (z.B. eine oder mehrere Phasenschieberschichten, etc.). Die maximale Breite des Plateaus kann anhand der Anzahl der Perioden / Doppelschichten bzw. der maximalen Reflektivität einer Beschichtung mit einem λ/4-Design abgeschätzt werden, das keine Phasenschieberschicht aufweist. Grundsätzlich gilt, dass mit zunehmender Anzahl von Perioden / Doppelschichten bzw. mit zunehmender maximaler Reflektivität der Beschichtung die maximale spektrale Breite des Plateaus abnimmt.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Phasenschieberschicht aus dem Material der ersten Schichten oder aus dem Material der zweiten Schichten gebildet ist. Auch ist es für die Stabilität der Beschichtung günstig, wenn die optische Dicke der Phasenschieberschicht ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Dicke der ersten Schichten oder der zweiten Schichten ist, beispielsweise dem Doppelten der optischen Dicke der ersten bzw. der zweiten Schichten entspricht.
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Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung zwischen der Phasenschieberschicht und der freien Oberfläche der Beschichtung angeordnet. Bei der freien Oberfläche der Beschichtung handelt es sich um die Grenzfläche der Beschichtung zur Umgebung. Wie weiter oben beschrieben wurde, hängt die Wirkung der Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung von der Position innerhalb der reflektierenden Beschichtung ab. Es kann sich als günstig erweisen, wenn die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung zwischen der Phasenschieberschicht und der freien Oberfläche der Beschichtung angeordnet ist, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Position der Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung ist grundsätzlich vom optischen Design der Beschichtung abhängig und sollte individuell bestimmt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Beschichtung mindestens eine Kompensationsschicht zur zumindest teilweisen Kompensation einer Veränderung eines spektralen und/oder winkelabhängigen Verlaufs der Reflektivität der Beschichtung durch die mindestens eine Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung und/oder durch die mindestens eine Phasenschieberschicht, wobei die Kompensationsschicht bevorzugt aus dem ersten Material oder aus dem zweiten Material gebildet ist und eine optische Dicke aufweist, die von der optischen Dicke der ersten Schichten abweicht und von der optischen Dicke der zweiten Schichten abweicht, wobei die Abweichung insbesondere nicht größer ist als 20 % der optischen Dicke der ersten Schichten und nicht größer ist als 20% der optischen Dicke der zweiten Schichten. Bei dieser Ausführungsform entspricht typischerweise die optische Dicke der Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung der optischen Dicke der jeweiligen ersten und zweiten Schichten.
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Die Abweichung der Dicke der Kompensationsschicht soll dazu dienen, unerwünschte Effekte der Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung auf den spektralen und/oder winkelabhängigen Verlauf der Reflektivität der Beschichtung zu kompensieren oder zumindest zu verringern. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Anpassung der Neigung eines Plateaus des spektralen oder winkelabhängigen Reflektivitätsverlaufs handeln. Insgesamt ist ein Schichtdesign, welches die Schichtgruppe bzw. das Schichtpaar zur Reflektivitätsanpassung mit der Kompensationsschicht kombiniert, im Vergleich zu anderen Schichtdesigns, die eine vergleichbare Schichtperformance erzeugen, deutlich besser fertigbar, da nur wenige Schichten von der λ/4-Dicke abweichen. Insbesondere ist es günstig, wenn die Abweichung der optischen Dicke der Kompensationsschicht von der λ/4-Dicke nicht zu groß ist, typischerweise nicht größer ist als 20% der λ/4-Dicke.
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Bei einer weiteren Ausführungsform sind das erste Material, das zweite Material und/oder das dritte Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend: AlF3, MgF2, LiF3, CaF2, YF3, YbF3, GdF3, LaF3, CeF3, SmF3, NdF3, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO, HfO2, Ta2O5, Si3N4, GaN, AIN, InN und deren Mischungen. Die hier aufgeführten und ggf. weitere fluoridische Materialien sowie die oxidischen Materialien SiO2 und Al2O3 weisen einen vergleichsweise niedrigen Absorptionskoeffizienten im VUV-Wellenlängenbereich, insbesondere bei einer Wellenlänge von ca. 193 nm, auf und können daher als Materialien für eine Beschichtung für den VUV-Wellenlängenbereich verwendet werden. Bei dem ersten Material, dem zweiten Material und/oder dem dritten Material muss es sich nicht zwingend um ein oxidisches oder fluoridisches Material handeln, vielmehr können auch nitridische Materialien oder metallische Materialien verwendet werden, insbesondere wenn die Beschichtung nicht für Strahlung im UV-Wellenlängenbereich sondern beispielsweise im VIS-Wellenlängenbereich ausgebildet ist. Als Mischungen der weiter oben genannten Materialien können beispielsweise AlGaN oder AlInGaN mit variablen Anteilen von Al, Ga und In verwendet werden.
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Die Auswahl der Schichtmaterialien unterliegt üblicherweise Beschränkungen bezüglich der Stabilitätsanforderung der Beschichtung. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Material mit dem hohen Brechungsindex um LaF3 und bei dem zweiten Material mit dem kleineren Brechungsindex um MgF2 handeln, es sind aber selbstverständlich auch andere Materialkombinationen möglich. Auch bei dem dritten Material kann es sich um ein fluoridisches Material handeln, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
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Die Anzahl der ersten und zweiten Schichten der Beschichtung ergibt sich daraus, dass die maximale Reflektivität einer ausschließlich aus diesen Schichten mit einer jeweiligen optischen Dicke von λ/4 aufgebauten Beschichtung eine deutlich größere Reflektivität aufweisen sollte, als die für die teilreflektierende oder antireflektierende Beschichtung erforderlich ist. Typischerweise wird die Anzahl der ersten und der zweiten Schichten so gewählt, dass die maximale Reflektivität der ausschließlich aus Schichten mit einer optischen Dicke von λ/4 aufgebauten Beschichtung ca. 1/3 größer ist als die maximale Reflektivität der teilreflektierenden Beschichtung.
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Grundsätzlich ist es günstig, wenn es sich bei einer Beschichtung für den UV-Wellenlängenbereich, speziell für den VUV-Wellenlängenbereich, bei den drei Materialien um fluoridische Materialien handelt, da diese einen geringen Absorptionskoeffizienten in diesem Wellenlängenbereich aufweisen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite Material fluoridische Materialien und das dritte Material ist ein oxidisches Material, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: SiO2 und Al2O3. Wird die Beschichtung für den UV-Wellenlängenbereich verwendet und wird als Material für die dritte Schicht ein oxidisches Material verwendet, sollte dieses eine möglichst geringen Absorptionskoeffizienten aufweisen. SiO2 hat sich als oxidisches Material für die dritte Schicht als günstig erwiesen, da dieses einen sehr geringen Absorptionskoeffizienten aufweist, der nur geringfügig größer ist als der Absorptionskoeffizient der meisten fluoridischen Materialien, die typischerweise zur Herstellung der Beschichtung verwendet werden, wenn diese für Strahlung im UV- bzw. VUV-Wellenlängenbereich dienen soll. Obwohl Al2O3 einen größeren Absorptionskoeffizienten aufweist, kann auch Al2O3 als Material für die dritte Schicht verwendet werden.
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Geht man von einer Nutzwellenlänge von 193 nm aus, liegt für LaF3 als erstes Material der Brechungsindex bei ca. 1,71 und für MgF2 als zweites Material liegt der Brechungsindex bei ca. 1,43. Der Brechungsindex von SiO2 bei einer Nutzwellenlänge von 193 nm liegt bei ca. 1,56, d.h. zwischen dem Brechungsindex des ersten Materials und dem Brechungsindex des zweiten Materials. Der Brechungsindex einer Schicht aus Al2O3 liegt bei einer Nutzwellenlänge von 193 nm bei ca. 1,84 und ist somit größer als der Brechungsindex des ersten Materials und des zweiten Materials.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung eine Anzahl von ersten Schichten und/oder von zweiten Schichten auf, die bei 15 oder weniger, bevorzugt bei 10 oder weniger, insbesondere bei 5 oder weniger liegt. Wie weiter oben beschrieben wurde, dient die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung zur Feinabstimmung der Reflektivität des optischen Elements. Für eine solche Feinabstimmung ist insbesondere günstig, wenn die Beschichtung eine eher geringe Anzahl von Schichtpaaren von ersten und zweiten Schichten aufweist, wie nachfolgend begründet wird:
- Die maximal erreichbare Reflektivität einer Beschichtung wird mit einem periodischen λ/4-Design erreicht, d.h. mit einem Design, das erste und zweite Schichten mit einer optischen Dicke von jeweils λ/4 aufweist. Der maximal erreichbare Wert der Reflektivität hängt vom Unterschied der Brechungsindizes der beiden verwendeten Materialien sowie von der Anzahl der Schichten bzw. der Schichtpaare ab. Ausgehend von der maximal erreichbaren Reflektivität kann die Reflektivität der Beschichtung durch das Weglassen von Schichtpaaren bzw. von Doppelschichten verändert, genauer gesagt verringert werden. Insbesondere für den Fall, dass die Beschichtung eine große Anzahl von Schichten mit einer optischen Dicke von λ/4 bzw. einer entsprechenden Schichtpaaren aufweist, ist der Reflektivitätsverlust bzw. der Reflektivitätsgewinn durch das Weglassen oder das Hinzufügen eines jeweiligen Schichtpaars derart klein, dass in der Regel keine Feinabstimmung durch eine Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung benötigt wird. Die Anzahl von Schichten, bei deren Unterschreiten eine Feinabstimmung durch die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung sinnvoll ist, kann beispielsweise definiert werden als diejenige Schichtanzahl, bei der die Reflektivitäts-Änderung ΔR bei der Änderung Δn der Anzahl der Perioden bzw. der Doppelschichten um eine Periode bzw. Doppelschicht einen Schwellwert von 0,5% überschreitet. Weist die Beschichtung eine größere Anzahl von Schichten / Perioden als diese Schichtanzahl auf, kann durch das Weglassen bzw. das Hinzufügen einer Periode eine Reflektivitäts-Änderung von weniger als 0,5% erzeugt werden, was für eine Feinabstimmung der Reflektivität ausreichend sein kann. Die Anzahl der Schichten der Beschichtung, bei denen der oben angegebene Schwellwert erreicht wird, hängt u.a. von den verwendeten Schichtmaterialien ab.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Beschichtung antireflektierend für die Strahlung ausgebildet und das optische Element weist bei zumindest einer Wellenlänge eine Reflektivität von weniger als 1,0%, bevorzugt von weniger als 0,5%, insbesondere von weniger als 0,2% auf. Mit Hilfe der mindestens einen Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung kann eine Feinabstimmung der Reflektivität einer antireflektierenden Beschichtung vorgenommen werden, um deren Reflektivität für eine Wellenlänge, die typischerweise der Nutzwellenlänge entspricht, nahezu auf Null zu reduzieren. Bei einer antireflektierenden Beschichtung, die nur zwei Schichtmaterialien aufweist, ist eine solche Reduzierung nicht möglich, ohne hierbei die Stabilität des Schichtdesigns zu verschlechtern.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine optische Anordnung, bevorzugt einen Laser oder eine Anlage der Halbleiterlithographie, besonders bevorzugt eine UV-Lithographieanlage, insbesondere eine VUV-Lithographieanlage oder ein Wafer-Inspektionssystem, umfassend mindestens ein optisches Element, wie es weiter oben beschrieben ist. Bei der Anlage der Halbleiterlithographie kann es sich um eine UV-Lithographieanlage oder eine VUV-Lithographieanlage handeln, d.h. um eine Projektionsbelichtungsanlage zur Belichtung eines Wafers, oder um einen Teil einer solchen Projektionsbelichtungsanlage, beispielsweise um ein Beleuchtungssystem oder um ein Projektionsobjektiv. Bei der Anlage der Halbleiterlithographie kann es sich auch um ein Inspektionssystem handeln, z.B. zur Inspektion von in der Halbleiterlithographie verwendeten Masken, Wafern oder dergleichen. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um einen Strahlteiler handeln, der eine teilreflektierende Beschichtung aufweist, oder um ein transmittierendes optisches Element, das eine antireflektierende Beschichtung aufweist. Es versteht sich, dass das optische Element auch in anderen optischen Systemen eingesetzt werden kann. Bei der optischen Anordnung kann es sich auch um einen Laser handeln, beispielsweise um einen Excimer-Laser für eine Wellenlänge von 193 nm oder von 248 nm, oder um eine andere optische Anordnung, die ggf. nicht in der Halbleitertechnologie eingesetzt wird.
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Hinsichtlich der Wellenlänge der Strahlung, die auf die teilreflektierende bzw. antireflektierende Beschichtung trifft, bestehen grundsätzlich keine Einschränkungen. Werden allerdings Schichten aus Materialien mit einem hohen Absorptionskoeffizienten eingesetzt, kann ein beispielsweise nominell reflektivitätssteigerndes Design auch eine gegenteilige Wirkung zeigen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Nutzwellenlänge im EUV-Wellenlängenbereich zwischen ca. 5 nm und ca. 30 nm liegt, da die meisten Materialien für Strahlung in diesem Wellenlängenbereich einen hohen Absorptionskoeffizienten aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Herstellen eines optischen Elements, bei dem beim Aufbringen der teilreflektierenden oder antireflektierenden Beschichtung mindestens eine Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung aufgebracht wird, die eine dritte Schicht aus einem dritten Material umfasst, das nicht mit dem ersten Material und dem zweiten Material übereinstimmt. Bevorzugt wird vor dem Aufbringen der teilreflektierenden Beschichtung eine optische Dicke der dritten Schicht in Abhängigkeit von einer gewünschten Reflektivitätsanpassung festgelegt. Alternativ oder zusätzlich bildet die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung bevorzugt ein Schichtpaar, welches die dritte Schicht und eine weitere Schicht entweder aus dem ersten Material oder aus dem zweiten Material aufweist.
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Wie weiter oben beschrieben wurde, hängt die Stärke der Reflektivitätsanpassung, d.h. der Veränderung der Reflektivität des optischen Elements, von der optischen Dicke der dritten Schicht der Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung ab. Typischerweise ist die Veränderung der Reflektivität umso größer, je größer die optische Dicke der dritten Schicht ist. Bei der Verwendung eines Schichtpaars, das aus der dritten Schicht und der weiteren Schicht aus dem ersten oder aus dem zweiten Material besteht, nimmt die optische Dicke der weiteren Schicht mit zunehmender optischer Dicke der dritten Schicht ab. Die Dicke der dritten Schicht kann beispielsweise derart gewählt werden, dass das weiter oben beschriebene Reflektivitäts-Plateau einen gewünschten Wert aufweist oder derart, dass im Fall einer antireflektierenden Beschichtung eine Reflektivität von nahezu Null erreicht wird.
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Eine Variante des Verfahrens umfasst: Festlegen eines Startdesigns der teilreflektierenden Beschichtung, das eine bevorzugt alternierende Abfolge der ersten Schichten und der zweiten Schichten aufweist, Auswählen mindestens einer der ersten Schichten oder der zweiten Schichten des Startdesigns zur Reflektivitätsanpassung der Beschichtung, Ersetzen der ausgewählten ersten oder zweiten Schicht des Startdesigns durch die Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung, sowie Aufbringen der Beschichtung mit dem durch die mindestens eine Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung modifizierten Startdesign.
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Bei einer weiteren Variante wird beim Aufbringen der Beschichtung mindestens eine Kompensationsschicht zur zumindest teilweisen Kompensation einer Veränderung eines spektralen und/oder winkelabhängigen Verlaufs der Reflektivität der Beschichtung durch die mindestens eine Schichtgruppe zur Reflektivitätsanpassung und/oder durch mindestens eine Phasenschieberschicht aufgebracht, wobei die Kompensationsschicht bevorzugt eine optische Dicke aufweist, die von der optischen Dicke der ersten Schichten und der zweiten Schichten abweicht, wobei die Abweichung insbesondere nicht größer ist als 20 % der optischen Dicke der ersten Schichten und der zweiten Schichten, und wobei die Kompensationsschicht bevorzugt aus dem ersten Material oder aus dem zweiten Material gebildet ist.
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Die auf das Substrat aufgebrachte Beschichtung mit dem modifizierten Startdesign kann insbesondere wie bei dem weiter oben beschriebenen optischen Element ausgebildet sein. Die Beschichtung mit dem modifizierten Startdesign kann beispielsweise eine Phasenschieberschicht aufweisen, welche die maximale Reflektivität des optischen Elements reduziert und einen Reflektivitätsverlauf mit einem Plateau der Reflektivität erzeugt.
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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.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
- 1a eine schematische Darstellung eines optischen Elements in Form eines Spiegels mit einer Beschichtung, die eine Abfolge von ersten und zweiten Schichten mit identischer optischer Dicke aufweist,
- 1b eine schematische Darstellung eines Strahlteilers, bei dem eine der zweiten Schichten durch eine Phasenschieberschicht ersetzt ist,
- 2 eine schematische Darstellung der Reflektivität des Spiegels von 1a und des Strahlteilers von 1b in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
- 3a,b schematische Darstellungen des Strahlteilers von 1b bzw. eines Strahlteilers mit mehreren Schichten, die zur Reflektivitätsanpassung unterschiedliche optische Dicken aufweisen,
- 4 eine schematische Darstellung der Reflektivität des Strahlteilers von 3a,b in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
- 5 eine schematische Darstellung eines Strahlteilers, der zur Reflektivitätsanpassung ein Schichtpaar mit einer dritten Schicht aus einem dritten Material aufweist,
- 6a,b schematische Darstellungen der Reflektivität des Strahlteilers von 5 in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei unterschiedlichen optischen Dicken der dritten Schicht,
- 7 eine schematische Darstellung eines transmissiven optischen Elements mit einer antireflektierenden Beschichtung,
- 8a,b schematische Darstellungen der Reflektivität des transmissiven optischen Elements von 7 in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei unterschiedlichen optischen Dicken einer dritten Schicht eines Schichtpaars zur Reflektivitätsanpassung,
- 9 eine schematische Darstellung der Reflektivität eines Spiegels in Abhängigkeit von der Anzahl der Perioden und die Änderung der Reflektivität beim Hinzufügen einer Periode,
- 10a,b schematische Darstellungen der maximalen Breite eines Reflektivitäts-Plateaus bei dem optischen Element von 5 bzw. von 7,
- 11 eine schematische Darstellung einer Anlage der Halbleitertechnologie in Form einer VUV-Lithographieanlage,
- 12 eine schematische Darstellung einer Anlage der Halbleitertechnologie in Form eines Wafer-Inspektionssystems, sowie
- 13 eine schematische Darstellung eines Laserkammerfensters.
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In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
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1a zeigt stark schematisch ein optisches Element in Form eines Spiegels 1, der ein Substrat 2 sowie eine Beschichtung 3 aufweist. Die Beschichtung 3 ist im gezeigten Beispiel zur Reflexion von Strahlung 4 im VUV-Wellenlängenbereich, genauer gesagt bei einer Nutzwellenlänge λ von 193 nm, ausgebildet. Für alle nachfolgenden Betrachtungen wird davon ausgegangen, dass die Strahlung 4 unter einem Winkel von 0° zur Oberflächennormalen auf die Beschichtung 3, genauer gesagt auf die freie Oberfläche 5 der Beschichtung 4 auftrifft, welche die Grenzfläche zur Umgebung des Spiegels 1 bildet. Es versteht sich, dass die Strahlung 4 nicht wie in 1a dargestellt an der freien Oberfläche 5 der Beschichtung 3 reflektiert wird, sondern in die Beschichtung 3 eindringt.
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Bei dem in 1a gezeigten Spiegel 1 weist die Beschichtung 3 eine Mehrzahl von ersten fluoridischen Schichten 6 und zweiten fluoridischen Schichten 7 in einer alternierenden Anordnung auf. Im gezeigten Beispiel weisen die ersten Schichten 6 ein erstes fluoridisches Material mit einem ersten Brechungsindex n1 auf, der für die Nutzwellenlänge λ der zu reflektierenden Strahlung 4 größer ist als ein zweiter Brechungsindex n2 des zweiten fluoridischen Materials der zweiten Schichten 7. Die Schichten 6, 7 der Beschichtung 3 weisen im gezeigten Beispiel dieselbe optische Dicke auf, die bei λ/4 liegt. Das in 1a gezeigte Schichtdesign wird nachfolgend auch als λ/4-Schichtdesign bezeichnet.
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Bei dem in 1a gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem ersten fluoridischen Material der ersten Schichten 6 um LaF3 und bei dem zweiten fluordisichen Material der zweiten Schichten 7 um MgF2. Es versteht sich, dass es sich bei den fluoridischen Materialien der beiden Schichten 6, 7 auch um andere Materialien handeln kann, beispielsweise um die fluoridischen Materialien AlF3, LiF3, CaF2, YF3, YbF3, GdF3, CeF3, SmF3, NdF3. Ein jeweiliges Paar von Schichtmaterialien für die Beschichtung 3 wird anhand des Brechungsindexes n1, n2, genauer gesagt anhand der Differenz n1 - n2 der Brechungsindizes, der beiden fluoridischen Materialien der Schichten 6, 7 sowie anhand des Absorptionskoeffizienten des jeweiligen Materials ausgewählt, um eine möglichst hohe Reflektivität des Spiegels 1 zu erzeugen.
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1b zeigt ein optisches Element 1 in Form eines Strahlteilers, der im Gegensatz zu 1a einen ersten Teil 4a der auf die freie Oberfläche 5 auftreffenden Strahlung 4 reflektiert und einen zweiten Teil 4b der auftreffenden Strahlung 4 transmittiert. Zu diesem Zweck weist der Strahlteiler 1 ein Substrat 2 auf, das für Strahlung 4 bei der Nutzwellenlänge λ und bei Wellenlängen um die Nutzwellenlänge λ transparent ist und z.B. aus CaF2 gebildet ist. Im Gegensatz zu dem Strahlteiler 1 von 1b geht bei dem Spiegel 1 von 1a der nicht reflektierte Anteil 4b der Strahlung 4 im Wesentlichen verloren. Das Substrat 2 kann auch aus einem anderen Material gebildet sein, beispielsweise aus Quarzglas, insbesondere wenn das optische Element 1 für Strahlung 4 im VIS-Wellenlängenbereich ausgelegt ist.
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Für die Funktion des optischen Elements 1 als Strahlteiler ist es erforderlich, die maximale Reflektivität der Beschichtung 3 einzustellen. Auch ist es günstig, wenn die Beschichtung 3 im Bereich der Nutzwellenlänge λ ein Plateau des spektralen Reflektivitätsverlaufs aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass eine der zweiten Schichten 7 des λ/4-Schichtaufbaus von 1a durch eine Phasenschieberschicht 7a ersetzt wird, deren optische Dicke dem Doppelten der optischen Dicke der ersten bzw. zweiten Schichten 6, 7 entspricht, d.h. die Phasenschieberschicht 7a weist eine optische Dicke von λ/2 auf. Die Beschichtung 3 des Strahlteilers 1 von 1b weist auch eine Kompensationsschicht 6' auf, deren optische Dicke geringfügig von der optischen Dicke der anderen Schichten 6, 7 abweicht, die bei λ/4 liegt und die zur Feinjustage der Kurvenform des Reflektivitätsverlaufs des durch die Phasenschieberschicht 7a erzeugten Plateaus dient, genauer gesagt zur Vermeidung eines Kipps des Plateaus.
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Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Abfolge der Schichten der Beschichtung 3 von
1a,b, wobei die Schicht mit der Nr. 1 der Oberfläche 2a des Substrats 2 benachbart angeordnet ist und die Schicht mit der Nr. 11 die der freien Oberfläche 5 benachbarte Schicht bezeichnet. Tabelle 1
| Schicht # | Material | Schichtdicke [λ/4] |
| Teilerschicht | λ/4-Aufbau |
| 1 | LaF3 | 1 | 1 |
| 2 | MgF2 | 2 | 1 |
| 3 | LaF3 | 1 | 1 |
| 4 | MgF2 | 1 | 1 |
| 5 | LaF3 | 1 | 1 |
| 6 | MgF2 | 1 | 1 |
| 7 | LaF3 | 1 | 1 |
| 8 | MgF2 | 1 | 1 |
| 9 | LaF3 | 1,075 | 1 |
| 10 | MgF2 | 1 | 1 |
| 11 | LaF3 | 1 | 1 |
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2 zeigt den Reflektivitätsverlauf des Spiegels von 1a in Abhängigkeit von der Wellenlänge mit einer gestrichelten Linie und den Reflektivitätsverlauf des Strahlteilers 1 von 1b mit einer durchgezogenen Linie. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Phasenschieberschicht 7a die maximale Reflektivität des Strahlteilers 1 deutlich reduziert, und zwar um mehr als ca. 15%. Gleichzeitig mit der Reduzierung der maximalen Reflektivität flacht der Reflektvitätsverlauf ab und es bildet sich in dem Bereich der maximalen Reflektivität des λ/4-Schichtdesigns ein Reflektivitäts-Plateau aus, in dem die Reflektivität des Strahlteilers 1 im Wesentlichen konstant ist.
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Wie in
2 zu erkennen ist, liegt die Reflektivität des Strahlteilers 1 in dem Plateau bei ca. 52%, was jedoch im gezeigten Beispiel nicht dem gewünschten Wert entspricht. Es ist daher erforderlich, die Reflektivität des Strahlteilers 1 anzupassen, genauer gesagt zu reduzieren, um eine Reflektivität zu erreichen, die näher bei 50% liegt. Um dies zu ermöglichen, können zusätzlich zur optischen Dicke der Kompensationsschicht 6' die optischen Dicken dreier weiterer Schichten 6", 7', 7" angepasst werden, wie dies in nachfolgender Tabelle 2 dargestellt ist: Tabelle 2
| Schicht # | Material | Schichtdicke [λ/4] |
| Teilerschicht | angepasst |
| 1 | LaF3 | 1 | 1 |
| 2 | MgF2 | 2 | 2 |
| 3 | LaF3 | 1 | 1 |
| 4 | MgF2 | 1 | 1 |
| 5 | LaF3 | 1 | 1 |
| 6 | MgF2 | 1 | 1 |
| 7 | LaF3 | 1 | 1,1 |
| 8 | MgF2 | 1 | 0,8 |
| 9 | LaF3 | 1,075 | 1,09 |
| 10 | MgF2 | 1 | 1,1 |
| 11 | LaF3 | 1 | 1 |
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3a zeigt nochmals den Strahlteiler 1 mit dem Schichtdesign der Beschichtung 3 von 1b, 3b zeigt den Strahlteiler 1 mit dem angepassten Schichtdesign.
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4 zeigt die Reflektivität des Strahlteilers 1 von 3a mit den Schichtdicken, die in Tabelle 2 links angegeben sind, mit einer durchgezogenen Linie und die Reflektivität des Strahlteilers von 3b mit dem angepassten Schichtdesign, das in Tabelle 2 rechts dargestellt ist, mit einer gepunkteten Linie jeweils in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Wie in 4 zu erkennen ist, verändert sich neben der Absenkung der Reflektivität auch die spektrale Abhängigkeit der Reflektivität, die aber durch die Anpassung der optischen Dicken weiterer Schichten der Beschichtung 3 korrigiert werden kann. Auf diese Weise entfernt sich das Schichtdesign der Beschichtung 3 jedoch noch weiter vom fertigungstechnisch stabilen λ/4-Schichtdesign und damit von einer gut fertigbaren Beschichtung 3.
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Dieses Problem verstärkt sich zusätzlich dadurch, dass sich die Sensitivitäten der Einzelschichten der Beschichtung 3, d.h. der Einfluss einer Schichtdickenänderung auf die spektrale Abhängigkeit der Reflektivität, abhängig vom Schichtdesign verändern. Mit jeder zusätzlichen Anpassung der optischen Dicken verschärft sich dieses Problem und wird zusehends weniger beherrschbar. Das hier für die teilreflektierende Beschichtung 3 des Strahlteilers 1 beschriebene Problematik tritt analog auch bei antireflektierenden Beschichtungen oder bei (teil-)transmittierenden Beschichtungen auf.
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5 zeigt ein optisches Element in Form eines Strahlteilers 1, bei dem die Beschichtung 3 gegenüber dem in Zusammenhang mit 1b bzw. mit 3a beschriebenen Schichtdesign dahingehend modifiziert wurde, dass eine der beiden Schichten 6, 7 der Beschichtung 3 durch eine Schichtgruppe in Form eines Schichtpaars 8 ersetzt ist, das zur Reflektivitätsanpassung eine dritte Schicht 9 aus einem dritten Material aufweist, das nicht mit den Materialien der ersten Schichten 6 und der zweiten Schichten 7 übereinstimmt. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem dritten Material um SiO2 und das Schichtpaar 8 weist eine weitere Schicht 10 aus dem ersten Material auf.
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Das Schichtpaar 8 weist eine optische Dicke von λ/4 auf, die auf die optische Dicke x der dritten Schicht 9 und die optische Dicke 1 - x der weiteren Schicht 10 des Schichtpaars 8 aufgeteilt ist. Es versteht sich, dass alternativ das Schichtpaar 8 aus der dritten Schicht 9 und einer weiteren Schicht aus dem zweiten Material bestehen kann.
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Ob die dritte Schicht 9 die Reflektivität des Strahlteilers 1 verringert oder erhöht, hängt u.a. davon ab, ob der Brechungsindex n3 des dritten Materials der dritten Schicht 9 zwischen dem Brechungsindex n1 der ersten Schichten 6 und dem Brechungsindex n2 der zweiten Schichten 7 liegt oder nicht. Auch hängt die Tatsache, ob die dritte Schicht 9 die Reflektivität des Strahlteilers 1 verringert oder erhöht, von der Anordnung der dritten Schicht 9 innerhalb des Schichtpaars 8 bzw. innerhalb der Beschichtung 3 sowie vom Material der weiteren Schicht 10 des Schichtpaars 8 ab.
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Beim in 5 gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem dritten Material der dritten Schicht 9 um SiO2, dessen Brechungsindex n3 zwischen dem Brechungsindex n1 von LaF3 als Material der ersten Schichten 6 und dem Brechungsindex n2 von MgF2 als Material der zweiten Schichten 7 liegt. Im gezeigten Beispiel nimmt die Reflektivität der Beschichtung 3 durch das Schichtpaar 8 ab.
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Die nachfolgende Tabelle 3 zeigt das Schichtdesign des Strahlteilers 1 von
5 auf der rechten Seite. Das Schichtpaar 8 bzw. die Doppelschicht ersetzt hierbei die siebte Schicht des Schichtaufbaus von
1b bzw. von
3a, der in Tabelle 3 links dargestellt ist. Wie in Tabelle 3 zu erkennen ist, weist die neunte Schicht des Schichtdesigns des Strahlteilers 1 von
5 eine optische Dicke auf, die ebenfalls von λ/4 abweicht. Wie weiter oben beschrieben wurde, dient diese Schicht als Kompensationsschicht 6' zur zumindest teilweisen Kompensation der seitlichen Neigung des Reflektivitäts-Plateaus, die aufgrund der unterschiedlichen Dispersion von SiO
2 und von LaF
3 hervorgerufen wird. Die Veränderung δ der optischen Dicke der Kompensationsschicht 6' gegenüber dem in Tabelle 1 beschriebenen Wert, bei dem die Wirkung der Phasenschieberschicht 7a auf die seitliche Neigung des Reflektivitäts-Plateaus kompensiert wird, liegt in der Größenordnung von ca. 0,1 x λ/4. Tabelle 3
| Schicht # | Material | Schichtdicke [λ/4] |
| Teilerschicht | Mit Doppelschicht |
| 1 | LaF3 | 1 | 1 |
| 2 | MgF2 | 2 | 2 |
| 3 | LaF3 | 1 | 1 |
| 4 | MgF2 | 1 | 1 |
| 5 | LaF3 | 1 | 1 |
| 6 | MgF2 | 1 | 1 |
| 7 | SiO2 | | x |
| LaF3 | 1 | 1-x |
| 8 | MgF2 | 1 | 1 |
| 9 | LaF3 | 1,075 | 1,075+δ |
| 10 | MgF2 | 1 | 1 |
| 11 | LaF3 | 1 | 1 |
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6a,b zeigen die Reflektivität des Strahlteilers 1 von 5 mit dem Schichtdesign, dessen Schichtdicken in Tabelle 3 rechts dargestellt sind. Wie in 6a dargestellt ist, nimmt mit zunehmender optischer Dicke x der dritten Schicht 9 aus SiO2 und entsprechender Abnahme der optischen Dicke 1 - x der ersten Schicht 6a des Schichtpaars 8 die Reflektivität ab: Für x = 0 weist der Reflektivitätsverlauf die größten Werte auf und nimmt mit zunehmender optischer Dicke der SiO2-Schicht 9 ab. Die Form der Abhängigkeit der Reflektivität von der Wellenlänge verändert sich nur geringfügig, im Wesentlichen handelt es sich hierbei um eine Skalierung, wie auch anhand von 6b zu erkennen ist, in welcher der Reflektivitätsverlauf über einen größeren Wellenlängenbereich dargestellt ist. Wie anhand von 6b zu erkennen ist, ist der Verlust an spektraler Breite der Reflektivität bei der Vergrößerung der optischen Dicke x der dritten Schicht 9 vernachlässigbar.
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Es ist grundsätzlich möglich, dass die Beschichtung 3 des optischen Elements 1 von 5 mehr als ein Schichtpaar 8 zur Reflektivitätsanpassung aufweist. In der Regel sollte die Beschichtung 3 aber nicht mehr als drei, typischerweise nicht mehr als zwei derartige Schichtpaare 8 aufweisen, da die optische Wirkung des zweiten, dritten, ... Schichtpaars 8 geringer ist als die optische Wirkung des ersten Schichtpaars 8 und die Robustheit gegenüber Schichtdickenfehlern der Beschichtung 3 mit zunehmender Anzahl der Schichtpaare 8 zur Reflektivitätsanpassung abnimmt.
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Es versteht sich, dass die Beschichtung 3 bzw. das optische Element 1 auch für andere Nutzwellenlängen als 193 nm ausgelegt werden kann, indem die optischen Dicken und ggf. die Schichtmaterialien entsprechend angepasst werden. Die Beschichtung 3 kann auch als antireflektierende Beschichtung ausgelegt werden, die eine möglichst geringe Reflektivität für die Wellenlänge der Nutzstrahlung λ aufweist. In diesem Fall handelt es sich bei dem optischen Element nicht um einen Strahlteiler, sondern um ein transmissives optisches Element, beispielsweise um eine Linse oder um ein Fenster.
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7 zeigt ein solches transmissives optisches Element 1 mit einer antireflektierenden Beschichtung 3, die für Strahlung 4 bei einer Nutzwellenlänge λ von 600 nm im VIS-Wellenlängenbereich ausgelegt ist. Bei dem Material des Substrats 2 handelt es sich im gezeigten Beispiel um Quarzglas (SiO2). Bei dem Material der ersten Schichten 6 handelt es sich um Al2O3, bei dem Material der zweiten Schichten 7 um SiO2. Die ersten und zweiten Schichten 6, 7 weisen jeweils eine optische Dicke von λ/4 auf. Die Beschichtung 3 weist eine Phasenschieberschicht 7a aus SiO2 mit einer Dicke von λ/2 auf, um die anti-reflektierende Wirkung zu erzeugen. Wie die Beschichtung 3 von 5 weist auch die Beschichtung 3 von 7 ein Schichtpaar 8 zur Reflektivitätsanpassung auf, das aus einer dritten Schicht 9 aus TiO2 und aus einer weiteren Schicht 10 aus dem zweiten Material, d.h. aus SiO2, besteht und das die achte Schicht des Schichtaufbaus ersetzt.
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Das Schichtdesign der Beschichtung 3 bei unterschiedlichen Dicken x der dritten Schicht 9 des Schichtpaars 8 zur Reflektivitätsanpassung ist für fünf optische Dicken x = 0,0 × λ, 0,1 × λ, 0,2 × λ, 0,3 × λ und 0,4 × λ in der nachfolgenden Tabelle 4 dargestellt: Tabelle 4
| Schicht # | Material | d (TiO 2 ) =0.0 [λ//4] | d (TiO 2 ) =0.1 [λ/4] | d (TiO 2 ) =0.2 [λ/4] | d (TiO 2 ) =0.3 [λ/4] | d (TiO 2 ) =0.4 [λ/4] |
| 1 | Al2O3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 2 | SiO2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 3 | Al2O3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 4 | SiO2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 5 | Al2O3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 6 | SiO2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 7 | Al2O3 | 1 | 0.947 | 0.897 | 0.85 | 0.81 |
| 8 | TiO2 | 0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 |
| 9 | SiO2 | 1 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.6 |
| 10 | Al2O3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
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Wie bei der Beschichtung 3 von 5 weist auch bei der Beschichtung 3 von 7 eine Kompensationsschicht 6' auf, um eine ungewollte spektrale Verschiebung des Reflektivitätsverlaufs durch das Einfügen der Schicht 9 aus dem dritten Material zu kompensieren. Wie in Tabelle 4 zu erkennen ist, weist die Kompensationsschicht 6' eine Abweichung δ von einer optischen Dicke von λ/4 auf, die im gezeigten Beispiel ein negatives Vorzeichen aufweist und ca. 20% der optischen Dicke von λ/4 nicht überschreitet.
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Der Reflektivitätsverlauf der Beschichtung 3 bzw. des transmissiven optischen Elements 1 von 7 in Abhängigkeit von der Wellenlänge ist in 8a,b dargestellt. Wie insbesondere in 8b zu erkennen ist, weist das transmissive optische Element ohne die dritte Schicht 9, d.h. für x = 0, eine minimale Reflektivität bei der Nutzwellenlänge λ von 600nm auf, die bei ca. 1,0% liegt. Wie in 8b zu erkennen ist, kann durch das Erhöhen der optischen Dicke x der dritten Schicht 9 die Reflektivität auf weniger als 1,0% gesenkt werden, bis für einen Wert von x = 0,4 eine minimale Reflektivität des transmissiven optischen Elements 1 erreicht wird, die praktisch bei Null liegt. Bei optischen Dicken x der dritten Schicht 9, die größer als x = 0,4 sind, steigt die minimale Reflektivität des transmissiven optischen Elements 1 wieder an.
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Der Reflektivitätsbereich in Prozent, in dem die Verwendung eines Schichtpaars 3 mit einer dritten Schicht 9 aus einem dritten Material zur Reflekvititätsanpassung sinnvoll ist, ist nach unten durch 0% Reflektivität begrenzt, wie sich aus 8a,b ergibt. Bei Beschichtungen mit einer großen Anzahl an Schichten bzw. an Schichtpaaren / Perioden aus ersten Schichten 6 und zweiten Schichten 7 kann eine Feinabstimmung der Reflektivität auch dadurch erfolgen, dass die Anzahl der Perioden verändert wird. 9 zeigt in einer schwarzen Kurve die maximale Reflektivität einer Beschichtung 3, die wie in 1a gezeigt aufgebaut ist und eine periodische Abfolge von ersten Schichten 6 aus LaF3 und zweiten Schichten 7 aus MgF3 aufweist, die jeweils eine optische Dicke von λ/4 haben und die auf ein Substrat 2 aus SiO2 aufgebracht sind. Wie in 9 zu erkennen ist, steigt die Reflektivität zunächst stark an, der Anstieg beginnt aber bei einer Anzahl von ca. 10 Perioden deutlich abzuflachen. Das Hinzufügen von vielen weiteren Perioden kann theoretisch zu einer maximalen Reflektivität von 98,15% führen. Mit einer grauen Kurve ist in 9 die Änderung der Reflektivität beim Hinzufügen der n-ten Periode dargestellt, die mit zunehmender Anzahl an Perioden der Beschichtung 3 abnimmt und die ab einer Anzahl von 20 Perioden bei weniger als 0,1% liegt.
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Die Anzahl von Schichten, bei deren Unterschreiten eine Feinabstimmung durch die Schichtgruppe 8 zur Reflektivitätsanpassung sinnvoll ist, kann beispielsweise definiert werden als diejenige Anzahl an Perioden, bei der die Reflektivitätsänderung ΔR bei der Änderung Δn der Anzahl der Perioden bzw. der Doppelschichten um eine Periode / Doppelschicht einen Schwellwert von 0,5% überschreitet. Die Anzahl der Schichten der Beschichtung 3, bei denen der oben angegebene Schwellwert erreicht wird, hängt u.a. von den verwendeten Schichtmaterialien ab und liegt bei dem in 9 gezeigten Beispiel bei 15 Schichten bzw. Perioden. Ab der 15. Periode liegt der Reflektivitätsgewinn je zusätzlicher Periode ΔR / Δn bei weniger als ca. 0,5%, d.h. es lässt sich in diesem Fall eine Feinabstimmung der Reflektivität durch die Veränderung der Anzahl der Perioden erzeugen. Die Reflektivität der Beschichtung 3 bzw. des Spiegels 1 liegt in diesem Fall bei ca. 97%. Generell hängt der initiale Anstieg der Reflektivität bei wenigen Perioden und die maximal erreichbare Reflektivität eines Spiegels 1 von der Materialkombination ab. Entsprechend verändert sich auch die Anzahl der Perioden, an denen gilt: ΔR / Δn = 0,5 %. Die obere Grenze des Reflektivitätsbereichs, für den die Verwendung des Schichtpaars 8 zur Reflektivitätsanpassung noch sinnvoll ist, liegt typischerweise in der Größenordnung von ca. 95%.
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10a,b zeigen eine Abschätzung der maximalen Breite des Plateaus der Reflektivität, das durch die Phasenschieberschicht 7a erzeugt wird (vgl. auch 2) in Abhängigkeit von der Reflektivität. Die Breite des Plateaus hängt u.a. von der Materialkombination der Schichten der Beschichtung 3 und des Substrats 2, von Design der Beschichtung im Detail sowie vom Wert der Reflektivität im Bereich des Plateaus ab. Bei der Abschätzung wurde davon ausgegangen, dass die Breite des Plateaus ungefähr der Breite des Reflektivitätsverlaufs der Beschichtung ohne das Plateau entspricht, d.h. des Reflektivitätsverlaufs des λ/4-Designs. 10a zeigt die Breite des Plateaus in Abhängigkeit von der maximalen Reflektivität für eine Beschichtung 3, die wie in 5 LaF3 und MgF2 als Schichtmaterialien aufweist, 10b für eine Beschichtung 3, die wie in 7 Al2O3 und SiO2 als Schichtmaterialien auf einem SiO2-Substrat für eine Nutzwellenlänge von 600 nm aufweist. Wie weiter oben beschrieben wurde, hängt die Reflektivität der Beschichtung 3 von der Anzahl der Schichtpaare der Beschichtung 3 ab und nimmt mit zunehmender Anzahl der Schichtpaare bzw. Perioden zu.
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Das weiter oben beschriebene optische Element 1 mit dem mindestens einen Schichtpaar 8 zur Reflektivitätsanpassung kann in unterschiedlichen optischen Systemen eingesetzt werden, beispielsweise in Anlagen der Halbleitertechnologie.
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11 zeigt eine Anlage der Halbleitertechnologie für den VUV-Wellenlängenbereich in Form einer VUV-Lithographieanlage 21. Die VUV-Lithographieanlage 21 umfasst zwei optische Systeme, nämlich ein Beleuchtungssystem 22 und ein Projektionssystem 23. Die VUV-Lithographieanlage 21 weist außerdem eine Strahlungsquelle 24 auf, bei der es sich beispielsweise um einen Excimer-Laser handeln kann.
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Die von der Strahlungsquelle 24 emittierte Strahlung 25 wird mit Hilfe des Beleuchtungssystems 22 so aufbereitet, dass damit eine Maske 26, auch Retikel genannt, ausgeleuchtet wird. In dem gezeigten Beispiel weist das Beleuchtungssystem 22 ein Gehäuse 32 auf, in dem sowohl transmittierende als auch reflektierende optische Elemente angeordnet sind. Stellvertretend sind ein transmittierendes optisches Element 27, welches die Strahlung 25 bündelt, sowie ein reflektierendes optisches Element 28, welches die Strahlung umlenkt, dargestellt.
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Die Maske 26 weist auf ihrer Oberfläche eine Struktur auf, die auf ein zu belichtendes optisches Element 29, beispielsweise einen Wafer, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, mithilfe des Projektionssystems 23 übertragen wird. Im gezeigten Beispiel ist die Maske 26 als transmittierendes optisches Element ausgebildet. In alternativen Ausführungen kann die Maske 26 auch als reflektierendes optisches Element ausgebildet sein.
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Das Projektionssystem 22 weist im dargestellten Beispiel mindestens ein transmittierendes optisches Element auf. Im gezeigten Beispiel sind stellvertretend zwei transmittierende optische Elemente 30, 31 dargestellt, die beispielsweise dazu dienen, die Strukturen auf der Maske 26 auf die für die Belichtung des Wafers 29 gewünschte Größe zu verkleinern.
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Sowohl im Beleuchtungssystem 22 als auch im Projektionssystem 23 können verschiedenste transmittierende, teilreflektierende, reflektierende oder sonstige optische Elemente in beliebiger, auch komplexerer Weise miteinander kombiniert werden. Auch optische Anordnungen ohne transmissive optische Elemente können für die VUV-Lithographie eingesetzt werden.
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12 zeigt eine Anlage der Halbleitertechnologie für den VUV-Wellenlängenbereich in Form eines Wafer-Inspektionssystems 41, es kann sich aber auch um ein Masken-Inspektionssystem handeln. Das Wafer-Inspektionssystem 41 weist ein optisches System 42 mit einer Strahlungsquelle 54 auf, deren Strahlung 55 mittels des optischen Systems 42 auf einen Wafer 49 gelenkt wird. Zu diesem Zweck wird die Strahlung 55 von einem konkaven Spiegel 46 auf den Wafer 49 reflektiert. Bei einem Masken-Inspektionssystem könnte man anstelle des Wafers 49 eine zu untersuchende Maske anordnen. Die vom Wafer 49 reflektierte, gebeugte und/oder gebrochene Strahlung wird von einem ebenfalls zu dem optischen System 42 gehörigen weiteren konkaven Spiegel 48 über ein transmittierendes optisches Element 47 auf einen Detektor 50 zur weiteren Auswertung geleitet. Das Wafer-Inspektionssystem 41 weist außerdem ein Gehäuse 52 auf, in dem die beiden Spiegel 46, 48 sowie das transmissive optische Element 47 angeordnet sind. Bei der Strahlungsquelle 54 kann es sich beispielsweise um genau eine Strahlungsquelle oder um eine Zusammenstellung von mehreren einzelnen Strahlungsquellen handeln, um ein im Wesentlichen kontinuierliches Strahlungsspektrum zur Verfügung zu stellen. In Abwandlungen kann auch eine oder es können mehrere schmalbandige Strahlungsquellen 54 eingesetzt werden.
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Mindestens eines der optischen Elemente 27, 30, 31 der in 7 gezeigten VUV-Lithographieanlage 21 und mindestens ein optisches Element 47 des in 8 gezeigten Wafer-Inspektionssystems 41 sind dabei wie das optische Element 1 von 5 bzw. wie ein entsprechendes optisches Element mit einer antireflektierenden Beschichtung ausgebildet.
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13 zeigt ein optisches Element zur Transmission von Strahlung im VUV-Wellenlängenbereich in Form eines Laserkammerfensters 60 einer Laserkammer 61 eines Excimer-Lasers 62. Der vom Excimer-Laser 62 emittierte Laserstrahl tritt durch das Laserkammerfenster 60 nach außen. Die Innenseite des Laserkammerfensters 60 weist eine antireflektierende Beschichtung 3 auf, die verhindert, dass Laserstrahlung des Excimer-Lasers 62 an dem Laserkammerfenster 60 reflektiert wird. Der Excimer-Laser 62 kann beispielsweise die Strahlungsquelle 24 der VUV-Lithographieanlage 21 von 7 bilden.