DE10127320A1 - Objektiv mit Fluorid-Kristall-Linsen - Google Patents

Objektiv mit Fluorid-Kristall-Linsen

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DE10127320A1
DE10127320A1 DE2001127320 DE10127320A DE10127320A1 DE 10127320 A1 DE10127320 A1 DE 10127320A1 DE 2001127320 DE2001127320 DE 2001127320 DE 10127320 A DE10127320 A DE 10127320A DE 10127320 A1 DE10127320 A1 DE 10127320A1
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Toralf Gruner
Christian Wagner
Daniel Kraehmer
Wilhelm Ulrich
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Abstract

Objektiv, insbesondere Projektionsobjektiv für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit mindestens einer Fluorid-Kristall-Linse. Eine Reduzierung des störenden Einflusses der Doppelbrechung erzielt man, wenn diese Linse eine (100)-Linse mit einer Linsensachse ist, welche annähernd senkrecht auf den {100}-Kristallebenen oder auf den dazu äquivalenten Kristallebenen des Fluorid-Kristalls steht. Bei Objektiven mit mindestens zwei Fluorid-Kristall-Linsen ist es günstig, wenn die Fluorid-Kristall-Linsen gegeneinander verdreht angeordnet sind. Die Linsenachsen der Fluorid-Kristall-Linsen können dabei neben der <100>-Kristallrichtung auch in die <111>- oder in die <110>-Kristallrichtung weisen. Eine weitere Reduzierung des störenden Einflusses der Doppelbrechung erzielt man durch den gleichzeitigen Einsatz von Gruppen mit gegeneinander verdrehten (100)-Linsen und Gruppen mit gegeneinander verdrehten (111)-Linsen oder (110)-Linsen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Projektionsobjektive sind aus der US 6,201,634 bekannt. Dort ist offenbart, daß bei der Herstellung von Fluorid-Kristall-Linsen idealerweise die Linsenachsen senkrecht zu den {111}-Kristallebenen der Fluorid-Kristalle ausgerichtet werden, um die Spannungsdoppelbrechung zu minimieren. Die US 6,201,634 geht dabei davon aus, daß Fluorid-Kristalle keine intrinsische Doppelbrechung aufweisen.
Aus der Internet-Publikation "Preliminary Determination of an Intrinsic Birefringence in CaF2" von John H. Burnett, Eric L. Shirley, and Zachary H. Levine, NIST Gaithersburg MD 20899 USA (verbreitet am 07.05.01) ist jedoch bekannt, daß Kalzium-Fluorid- Einkristalle auch nicht spannungsinduzierte, also intrinsische Doppelbrechung aufweisen. Die dort präsentierten Messungen zeigen, daß bei Strahlausbreitung in der <110<- Kristallrichtung eine Doppelbrechung von (6.5 ± 0.4) nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 156.1 nm, von (3.6 ± 0.2) nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 193.09 nm und von (1.2 ± 0.1) nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 253.65 nm für Kalzium-Fluorid auftritt. Bei einer Strahlausbreitung in der <100<-Kristallrichtung und in der <111<-Kristallrichfung weist Kalzium-Fluorid dagegen keine intrinsische Doppelbrechung auf, wie dies auch von der Theorie vorhergesagt wird. Die intrinsische Doppelbrechung ist somit stark richtungsabhängig und nimmt mit kleiner werdender Wellenlänge deutlich zu.
Die Indizierung der Kristallrichtungen wird im folgenden zwischen den Zeichen "<" und "<" angegeben, die Indiziernug der Kristallebenen zwischen den Zeichen "{" und "}". Die Kristallrichtung gibt dabei immer die Richtung der Flächennormalen der entsprechenden Kristallebene an. So zeigt die Kristallrichtung <100< in Richtung der Flächennormalen der Kristallebene {100}. Die kubischen Kristalle, zu denen die Fluorid-Kristalle gehören, weisen die Hauptkristallrichtungen <110<, <110<, <110<, <110<, <101<, <101<, <101<, <101<, <011<, <011<, <011<, <011<, <111<, <111<, <111<, <111<, <111<, <111<, <111<, <111<, <100<, <010<, <001<, <100<, <010< und <001< auf. Die Hauptkristallrichtungen <100<, <010<, <001<, <100<, <010< und <001< sind auf Grund der Symmetrieeigenschaften der kubischen Kristalle äquivalent zueinander, so daß im folgenden Kristallrichtungen, die in eine dieser Hauptkristallrichtungen weisen, das Präfix "(100)-" erhalten. Kristallebenen, die senkrecht zu einer dieser Hauptkristallrichtungen stehen, erhalten entsprechend das Präfix "(100)-". Die Hauptkristallrichtungen <110<, <110<, <110<, <110<, <101<, <101<, <101<, <101<, <011<, <011<, <011< und <011< sind ebenso äquivalent zueinander, so daß im folgenden Kristallrichtungen, die in eine dieser Hauptkristallrichtungen weisen, das Präfix "(110)-" erhalten. Kristallebenen, die senkrecht zu einer dieser Hauptkristallrichtungen stehen, erhalten entsprechend das Präfix "(110)-". Die Hauptkristallrichtungen <111<, <111<, <111<, <111<, <111<, <111<, <111< und <111< sind ebenso äquivalent zueinander, so daß im folgenden Kristallrichtungen, die in eine dieser Hauptkristallrichtungen weisen, das Präfix "(111)-" erhalten. Kristallebenen, die senkrecht zu einer dieser Hauptkristallrichtungen stehen, erhalten entsprechend das Präfix "(111)-". Aussagen, die im folgenden zu einer der zuvor genannten Hauptkristallrichtungen getroffen werden, gelten immer auch für die äquivalenten Hauptkristallrichtungen.
Projektionsobjektive und Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen sind beispielsweise aus der Patentanmeldung PCT/EP 00/13148 der Anmelderin und den darin zitierten Schriften bekannt. Die Ausführungsbeispiele dieser Anmeldung zeigen geeignete rein refraktive und katadioptrische Projektionsobjektive mit numerischen Aperturen von 0.8 und 0.9, bei einer Betriebswellenlänge von 193 nm sowie 157 nm.
Die Drehung von Linsenelementen zur Kompensation von Doppelbrechungseffekten ist auch in der Patentanmeldung "Projektionsbelichtungsanlage der Mikrolithographie, Optisches System und Herstellverfahren" mit dem Aktenzeichen des Anmelders 01055P und dem Einreichungstag 15.05.2001 beschrieben. Der Inhalt dieser Anmeldung soll auch Teil der vorliegenden Anmeldung sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, Projektionsobjektive für eine Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage anzugeben, bei denen der Einfluß der intrinsischen Doppelbrechung wesentlich reduziert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Objektiv gemäß Anspruch 1 und 8, einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage gemäß Anspruch 30, einem Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gemäß Anspruch 31, einem Verfahren zur Herstellung von Objektiven gemäß Anspruch 32 und einem Linsenherstellverfahren gemäß Anspruch 35.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Um den Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung zu minimieren, schlägt Anspruch 1 vor, bei Linsen aus Fluorid-Kristall die Linsenachsen so auszurichten, daß sie mit der <100<- Kristallrichtung zusammenfallen. Die Linsenachsen fallen dann mit einer Hauptkristallrichtung zusammen, wenn die maximale Abweichung zwischen Linsenachse und Hauptkristallrichtung kleiner 5° ist. Dabei müssen nicht alle Fluorid-Kristall-Linsen des Objektives eine derartige Ausrichtung der Kristallebenen aufweisen. Diejenigen Linsen, bei denen die Linsenachsen senkrecht auf den {100}-Kristallebenen stehen, werden im Folgenden auch als (100)-Linsen bezeichnet. Die Ausrichtung der Linsenachse in <100<-Kristallrichtung hat den Vorteil, daß sich der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung, der sich bei Lichtausbreitung in <110<-Kristallrichtung ergibt, erst bei höheren Öffnungswinkeln der Lichtstrahlen bemerkbar macht als für eine Ausrichtung der Linsenachse in <111<-Kristallrichtung. Unter Öffnungswinkel versteht man in diesem Zusammenhang den Winkel zwischen einem Lichtstrahl und der optischen Achse außerhalb einer Linse und zwischen dem Lichtstrahl und der Linsenachse innerhalb einer Linse. Erst wenn die Öffnungswinkel in den Bereich des Winkels zwischen der <100<- Kristallrichtung und der <110<-Kristallrichtung kommen, spüren die entsprechenden Lichtstrahlen den Einfluss der Doppelbrechung. Der Winkel zwischen der <110<- Kristallrichtung und der <100<-Kristallrichtung beträgt dabei 45°. Wäre die Linsenachse dagegen in <111<-Kristallrichtung ausgerichtet, so würde sich der störende Einfluss der intrinsischen Doppelbrechung schon bei kleineren Öffnungswinkeln bemerkbar machen, da der Winkel zwischen der <110<-Kristallrichtung und der <111<-Kristallrichtung nur 35° beträgt.
Wird die Winkelabhängigkeit der Doppelbrechung beispielsweise durch das Herstellverfahren des Fluorid-Kristalls oder die mechanische Beanspruchung des Linse hervorgerufen, so können die offenbarten Lösungsansätze selbstverständlich ebenfalls zur Reduzierung des störenden Einflusses der Doppelbrechung angewendet werden.
Die Linsenachse ist dabei beispielsweise durch eine Symmetrieachse einer rotationssymmetrischen Linse gegeben. Weist die Linse keine Symmetrieachse auf, so kann die Linsenachse durch die Mitte eines einfallenden Strahlbündels oder durch eine Gerade gegeben sein, bezüglich der die Strahlwinkel aller Lichtstrahlen innerhalb der Linse minimal sind. Als Linsen kommen beispielsweise refraktive oder diffraktive Linsen sowie Korrekturplatten mit Freiformkorrekturflächen in Frage. Auch Planplatten werden als Linsen angesehen, sofern sie im Strahlengang des Objektives angeordnet sind. Die Linsenachse einer Planplatte steht dabei senkrecht auf den planen Linsenoberflächen.
Vorzugsweise handelt es sich jedoch bei den Linsen um rotationssymmetrische Linsen.
Objektive weisen eine optische Achse auf, welche von der Objektebene zur Bildebene verläuft. Vorzugsweise sind die (100)-Linsen zentriert um diese optische Achse aufgebaut, so daß auch die Linsenachsen mit der optischen Achse zusammenfallen.
Vorteilhaft läßt sich die Erfindung bei Projektionsobjektiven für eine Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage einsetzen, da für diese Objektive extrem hohe Anforderungen an das Auflösungsvermögen gestellt werden. Aber auch bei Prüfobjektiven, mit denen beispielsweise Linsen für Projektionsobjektive durch Vermessung von Wellenfronten mit großer Öffnung getestet werden, wirkt sich der Einfluß der Doppelbrechung störend aus.
Bei Objektiven mit großen bildseitigen numerischen Aperturen, inbesondere größer 0.7, treten innerhalb der (100)-Linsen Öffnungswinkel auf, die größer als 25°, insbesondere größer als 30° sind. Gerade bei diesen großen Öffnungswinkeln kommt die Erfindung zum Tragen, die Linsenachsen in <100<-Kristallrichtung zu orientieren. Wären die Linsenachsen in <111<-Kristallrichtung orientiert, so würden die Lichtstrahlen mit Öffnungswinkeln größer als 25°, insbesondere größer als 30° deutlicher den störenden Einfluß der Doppelbrechung spüren, wenn nicht eine der weiter unten beschriebenen Korrektionsmaßnahmen angewandt wird.
Da andererseits der störende Einfluß der intrinsischen Doppelbrechung bei einem Öffnungswinkel von 45° maximal werden kann, ist es vorteilhaft, das Projektionsobjektiv so auszulegen, daß alle Öffnungswinkel der Lichtstrahlen kleiner 45° sind, insbesondere kleiner gleich
sind, wobei NA die bildseitige numerische Apertur bezeichnet und nFK die Brechzahl des Fluorid-Kristalls. Der Ausdruck
gibt dabei den Öffnungswinkel an, welcher der bildseitigen numerischen Apertur innerhalb einer Fluorid- Kristall-Linse entspricht, wenn an der Lichtstrahl an einer planen Grenzfläche gebrochen wird. Dies wird erreicht, indem die Linsen, die nahe an der Bildebene angeordnet sind, sammelnde Linsenflächen, plane Linsenflächen oder höchstens leicht zerstreuende Linsenflächen aufweisen, wenn in Lichtrichtung nach der zerstreuenden Linsenfläche eine stärker sammelnde Linsenfläche folgt.
Große Öffnungswinkel treten hauptsächlich bei Linsen in der Nähe von Feldebenen, insbesondere der Bildebene auf. Die (100)-Linsen sollten deshalb vorzugsweise im Bereich der Feldebenen eingesetzt werden. Der Bereich, in dem die (100)-Linsen eingesetzt werden sollten, lässt sich über das Verhältnis der Linsendurchmessers zum Durchmesser der Blende bestimmen. So beträgt der Linsendurchmesser der (100)-Linsen vorzugsweise maximal 85%, insbesondere maximal 80% des Blendendurchmessers.
Bei Projektionsobjektiven treten die größten Öffnungswinkel in der Regel in dem der Bildebene am nächsten gelegenen Linse auf. Deshalb wird vorzugsweise bei dieser Linse die Linsenachse in Richtung der <100<-Kristallrichtung ausgerichtet.
Die intrinsische Doppelbrechung einer Fluorid-Kristall-Linse ist dabei nicht nur vom Öffnungswinkel eines Lichtstrahls, sondern auch vom Azimutwinkel des Lichtstrahls abhängig. So kann jeder Fluorid-Kristall-Linse eine Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) zugeordnet werden, die einerseits eine Funktion des Öffnungswinkels θL und andererseits eine Funktion des Azimutwinkels αL ist. Der Wert der Doppelbrechung Δn gibt dabei für eine durch den Öffnungswinkel θL und den Azimutwinkel αL bestimmte Strahlrichtung das Verhältnis des optischen Wegunterschied für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände zum im Fluorid-Kristall zurückgelegten physikalischen Strahlweg in der Einheit [nm/cm] an. Die intrinsische Doppelbrechung ist somit von den Strahlwegen und der Linsenform unabhängig. Den optischen Wegunterschied für einen Strahl erhält man entsprechend durch Multiplikation der Doppelbrechung mit dem zurückgelegten Strahlweg. Der Öffnungswinkel θL wird zwischen der Strahlrichtung und der Linsenachse bestimmt, der Azimutwinkel αL zwischen der in die zur Linsenachse senkrecht stehenden Kristallebene projizierten Strahlrichtung und einer mit der Linse fest verknüpften Bezugsrichtung.
Die Winkelabhängigkeit der Doppelbrechungsverteilungen der einzelnen Fluorid-Kristall- Linsen führt dazu, daß die Strahlen eines Strahlbüschels, das in der Bildebene des Objektives auf einen Bildpunkt trifft, winkelabhängige optische Wegunterschiede ΔOPL(αR, θR) für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände erfahren. Die optischen Wegunterschiede ΔOPL werden dabei in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θR und des Azimutwinkel αR angegeben. Der Öffnungswinkel θR eines Strahls wird dabei zwischen der Strahlrichtung und der optischen Achse in der Bildebene, der Azimutwinkel αR zwischen der in die Bildebene projizierten Strahlrichtung und einer festen Bezugsrichtung innerhalb der Bildebene bestimmt. Weist nun das Objektiv mindestens zwei Linsen oder Linsenteile aus Fluorid-Kristall auf, so ist es vorteilhaft, wenn die Linsenachsen dieser Linsen oder Linsenteile in eine Hauptkristallrichtung weisen und die Linsen oder Linsenteile derart gegeneinander um die Linsenachsen verdreht angeordnet sind, daß die Verteilung ΔOPL(αR, θR) der optischen Wegunterschiede wesentlich reduzierte Werte im Vergleich zu einer Anordnung aufweist, bei der die Linsenachsen in die gleiche Hauptkristallrichtung weisen und die Linsen oder Linsenteile gleich orientiert eingebaut sind. Da die Doppelbrechungsverteilungen der Linsen jedoch eine azimutale Abhängigkeit aufweisen, kann durch die verdrehte Anordnung der Linsen der Maximalwert der Verteilung ΔOPL(αR, θR) um bis zu 20%, insbesondere um bis zu 25% im Vergleich zu einem gleich orientierten Einbau reduziert werden.
Unter Linsenteilen sind beispielsweise einzelne Linsen zu verstehen, die durch Ansprengen optisch nahtlos zu einer einzelnen Linse gefügt werden. Ganz allgemein bezeichnen Linsenteile die Bausteine einer einzelnen Linse, wobei die Linsenachsen der Linsenteile jeweils in Richtung der Linsenachse der einzelnen Linse weisen.
Durch den verdrehten Einbau der Fluorid-Kristall-Linsen kann insbesondere die Abhängigkeit der Verteilung ΔOPL(αR, θR) vom Azimutwinkel αR deutlich reduziert werden, so daß sich eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung ΔOPL(αR, θR) ergibt.
Zeigt die Linsenachse in eine Hauptkristallrichtung, so weist die Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) der Linse eine k-zählige Azimutalsymmetrie auf. Beispielsweise zeigt die Doppelbrechungsverteilung einer (100)-Linse, bei der die Linsenachse in <100<-Kristallrichtung weist, eine 4-zählige Azimutalsymmetrie, die Doppelbrechungsverteilung einer (111)-Linse, bei der die Linsenachse in <111<- Kristallrichtung weist, eine 3-zählige Azimutalsymmetrie, und die Doppelbrechungsverteilurig einer (110)-Linse, bei der die Linsenachse in <110<- Kristallrichtung weist, eine 2-zählige Azimutalsymmetrie. Je nach der Zähligkeit der Azimutalsymmetrie werden nun die einzelnen Linsen oder Linsenteile einer Gruppe um vorgegebene Drehwinkel γ gegeneinander um die Linsenachsen verdreht angeordnet. Die Drehwinkel γ werden dabei zwischen den Bezugsrichtungen von je zwei Linsen oder Linsenteilen gemessen. Für die Linsen einer Gruppe weisen die Linsenachsen in die gleiche Hauptkristallrichtung oder eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung. Die Bezugsrichtungen der Linsen einer Gruppe sind so mit den Linsen verknüpft, daß die Doppelbrechungsverteilungen Δn(αL, θ0) für einen vorgegebenen Öffnungswinkel θ0 den gleichen azimutalen Verlauf aufweisen. Somit treten für alle Linsen einer Gruppe die azimutalen Bereiche mit maximaler Doppelbrechung bei den gleichen Azimutwinkeln auf. Für n Linsen einer Gruppe sind die Drehwinkel zwischen je zwei Linsen folgendermaßen gegeben:
k gibt dabei die Zähligkeit der Azimutalsymmetrie, n die Zahl der Linsen einer Gruppe und m eine beliebige ganze Zahl an. Die Toleranz von ±10° berücksichtigt die Tatsache, daß unter Umständen die Drehwinkel von den theoretisch idealen Winkeln abweichen, um andere Randbedingungen bei der Objektivjustage berücksichtigen zu können. Eine Abweichung vom idealen Drehwinkel führt zu einem nicht optimalen azimutalen Ausgleich der optischen Wegunterscheide der Linsen einer Gruppe. Dies kann jedoch in gewissen Grenzen toleriert werden.
Für (100)-Linsen ergibt sich somit folgende Vorgabe für die Drehwinkel:
Umfasst die Gruppe zwei (100)-Linsen, so beträgt der Drehwinkel zwischen diesen beiden Linsen idealerweise 45°, beziehungsweise 135°, 225°, . . .
Für (111)-Linsen ergibt sich somit folgende Vorgabe für die Drehwinkel:
Für (110)-Linsen ergibt sich somit folgende Vorgabe für die Drehwinkel:
Die Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPLG(αR, θR) kann dabei aber auch für den Einfluß einer einzelnen Gruppe von Linsen angegeben werden, indem nur diese Linsen bei der Doppelbrechungsauswertung betrachtet werden und die anderen Linsen als nicht doppelbrechend angenommen werden.
Die Linsen einer Gruppe werden beispielsweise dadurch bestimmt, daß ein äußerster Aperturstrahl eines Strahlenbüschels innerhalb dieser Linsen jeweils ähnliche Öffnungswinkel aufweist, wobei vorteilhafterweise die Öffnungswinkel des äußersten Aperturstrahls innerhalb dieser Linsen größer 15°, insbesondere größer 20° sind. Als äußerster Aperturstrahl wird ein Strahl bezeichnet, der von einem Objektpunkt ausgeht, dessen Strahlhöhe in der Blendenebene dem Radius der Blende entspricht und der somit in der Bildebene einen Winkel gemäß der bildseitigen numerischen Apertur aufweist. Die äußersten Aperturstrahlen werden deshalb zur Definition der Gruppen herangezogen, weil sie üblicherweise innerhalb der Linsen die größten Öffnungswinkel aufweisen und damit die größte Störung durch die Doppelbrechung erfahren. Die Bestimmung der optischen Wegdifferenz für zwei zueinander orthogonalen linearen Polarisationszuständen für die äußersten Aperturstrahlen ermöglicht somit Aussagen über die maximale Störung einer Wellenfront durch die Doppelbrechung.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der äußerste Aperturstrahl in diesen Linsen jeweils einen gleichen Strahlweg zurückgelegt. Durch diese Maßnahmen ergibt sich ein guter Ausgleich der azimutalen Beiträge zur Verteilung der optischen Wegdifferenzen, die von den einzelnen Linsen einer Gruppe hervorgerufen werden, so daß die resultierende Verteilung der optischen Wegdifferenzen nahezu rotationssymmetrisch ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der äußerste Aperturstrahl in jeder Linse einer Gruppe bei gleicher Orientierung der Linsen ähnlich große optische Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände erfährt. Ist diese Bedingung erfüllt, tritt bei verdrehter Anordnung dieser Linsen ein optimaler Ausgleich der azimutalen Beiträge auf.
Im Fall von planparallelen benachbarten (100)- oder (111)-Linsen gleicher Dicke oder von vier planparallelen benachbarten (110)-Linsen gleicher Dicke erhält man eine rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL durch Drehung der Linsen gemäß obigen Formeln. Auch bei Linsen mit gekrümmten Oberflächen läßt sich durch geschickte Auswahl der Linsen einer Gruppe oder durch eine entsprechende Wahl der Dicken und der Radien der Linsen bereits durch Drehen von zwei Linsen eine näherungsweise rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede erzielen. Bei (100)-Linsen oder (111)-Linsen ist es vorteilhaft, wenn eine Gruppe zwei Linsen aufweist. Bei (110)-Linsen stellt sich eine näherungsweise rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegdifferenzen für vier Linsen in einer Gruppe ein.
Besonders effektiv wird die Verdrehung der Linsen dann, wenn die Linsen benachbart angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, eine Linse in zwei Teile aufzuteilen und die Linsenteile gegeneinander verdreht optisch nahtlos zu fügen, beispielsweise durch Ansprengen.
Bei einem Projektionsobjektiv mit einer Vielzahl von Linsen ist es günstig, mehrere Gruppen von Linsen zu bilden. Dabei sind die Linsen einer Gruppe derart um die Linsenachsen verdreht angeordnet, daß die resultierende Verteilung ΔOPL(αR, θR) vom Azimutwinkel nahezu unabhängig ist.
Während nun die von den einzelnen Gruppen hervorgerufenen Verteilungen AOPLG(αR, θR) durch das gegenseitige Verdrehen der Linsen einer Gruppe nahezu unabhängig vom Azimutwinkel sind, kann der Maximalwert der Gesamtverteilung ΔOPL(αR, θR) des gesamten Objektivs dadurch deutlich reduziert werden, daß das Projektionsobjektiv sowohl mindestens eine Gruppe mit (100)-Linsen als auch mindestens eine Gruppe mit (111)- Linsen aufweist. Eine gute Kompensation ist auch möglich, wenn innerhalb des Objektivs neben einer Gruppe mit (100)-Linsen eine Gruppe mit (110)-Linsen angeordnet ist.
Die Kompensation ist möglich, weil die Doppelbrechung nicht nur einen absoluten Wert, sondern auch eine Richtung aufweist. Die Kompensation des störenden Einflusses der Doppelbrechung ist dann optimal, wenn die Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL1(αR, θR), welche durch die Linsen oder Linsenteile von allen Gruppen mit (100)- Linsen hervorgerufen wird, und die Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL2(αR, θR), welche durch die Linsen oder Linsenteile von allen Gruppen mit (111)- Linsen oder (110)-Linsen hervorgerufen wird, ähnlich hohe Maximalwerte aufweist.
Als Material für die Linsen wird in Projektionsobjektiven vorzugsweise Kalzium-Fluorid eingesetzt, da Kalzium-Fluorid bei gemeinsamem Einsatz mit Quarz bei einer Arbeitswellenlängen von 193 nm sich zur Farbkorrektur besonders eignet, beziehungsweise bei einer Arbeitswellenlänge von 157 nm eine ausreichende Transmission bereitstellt. Aber auch für die Fluorid-Kristalle Strontium-Fluorid oder Barium-Fluorid gelten die hier getroffenen Aussagen, da es sich um Kristalle vom gleichen kubischen Kristall-Typ handelt.
Der störende Einfluss der intrinsische Doppelbrechung macht sich besonders dann bemerkbar, wenn die Lichtstrahlen innerhalb der Linsen große Öffnungswinkel aufweisen. Dies ist für Projektionsobjektive der Fall, die eine bildseitige numerische Apertur aufweisen, die größer als 0.7, insbesondere größer 0.8 ist.
Die intrinsische Doppelbrechung nimmt mit abnehmender Arbeitswellenlänge deutlich zu. So ist die intrinsische Doppelbrechung bei einer Wellenlänge von 193 nm mehr als doppelt so groß, bei einer Wellenlänge von 157 nm mehr als fünfmal so groß wie bei einer Wellenlänge von 248 nm. Die Erfindung lässt sich deshalb besonders dann vorteilhaft einsetzen, wenn die Lichtstrahlen Wellenlängen kleiner 200 nm, insbesondere kleiner 160 nm aufweisen.
Bei dem Objektiv kann es sich dabei um ein rein refraktives Projektionsobjektiv handeln, das aus einer Vielzahl von rotationssymmetrisch um die optische Achse angeordneten Linsen besteht, oder um ein Projektionsobjektiv vom katadioptrischen Objektivtyp.
Derartige Projektionsobjektive lassen sich vorteilhaft in Mikrolithographie- Projektionsbelichtunganlagen einsetzen, die ausgehend von der Lichtquelle ein Beleuchtungssystem, ein Masken-Positioniersystem, eine Struktur tragende Maske, ein Projektionsobjektiv, ein Objekt-Positionierungssystem und ein Licht empfindliches Substrat umfassen.
Mit dieser Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage lassen sich mikrostrukturierte Halbleiter-Bauelemente herstellen.
Die Erfindung stellt auch ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Objektiven bereit. Gemäß dem Verfahren werden Linsen oder Linsenteile aus Fluorid-Kristall, deren Linsenachsen in eine Hauptkristallrichtung weisen, derart um die Linsenachsen verdreht angeordnet, daß die Verteilung ΔOPL(αR, θR) wesentlich reduzierte Werte aufweist im Vergleich zu einer Linsenanordnung, bei der die Linsenachsen der Fluorid-kristall-Linsen in die gleiche Hauptkristallrichtung weisen und bei der die Linsen gleich orientiert angeordnet sind.
Das Verfahren sieht weiterhin vor, Gruppen mit (100)-Linsen und mit (111)-Linsen oder (110)-Linsen zu bilden und diese parallel einzusetzen. Das Verfahren wird dabei beispielsweise bei einem Projektionsobjektiv angewandt, das mindestens zwei Fluorid- Kristall-Linsen in <100<-Orientierung und mindestens zwei Linsen in <111<-Orientierung umfasst. Von diesen Linsen ist dabei weiterhin die Lage der Bezugsrichtungen bekannt. Das Verfahren nutzt dabei die erfinderische Erkenntnis aus, daß sich durch Drehen der Fluorid-Kristall-Linsen um die optische Achse die Maximalwerte der Verteilung ΔOPL(αR, θR) der optischen Wegunterschiede wesentlich reduzieren lassen. Durch geeignete Simulationsmethoden wird dabei ein von einem Objektpunkt ausgehendes Strahlenbüschel durch ein Projektionsobjektiv propagiert und auf Grund der bekannten optischen Eigenschaften der Fluorid-Kristall-Linsen die Verteilung ΔOPL(αR, θR) in der Bildebene bestimmt. In einem Optimierungsschritt werden nun die Drehwinkel zwischen den Fluorid-Kristall-Linsen so lange geändert, bis die Doppelbrechung tolerierbare Werte aufweist. Der Optimierungsschritt kann dabei auch weitere Randbedingungen wie beispielsweise die Kompensation von nicht rotationssymmetrischen Linsenfehlern durch Linsendrehen berücksichtigen. Durch diesen Optimierungsschritt kann der Maximalwert der Verteilung ΔOPL(αR, θR) um bis zu 30%, insbesondere bis zu 50% reduziert werden im Vergleich zu einem Projektionsobjektiv, bei dem die Fluorid-Kristall-Linsen gleich orientiert angeordnet sind. Das Optimierungsverfahren kann auch einen Zwischenschritt aufweisen. In diesem Zwischenschritt werden aus den Fluorid-Kristall-Linsen Gruppen mit Linsen, wobei die Linsen einer Gruppe für einen äußersten Aperturstrahl bei gleich orientierter Anordnung der Linsen einen ähnlichen optischen Wegunterschied zwischen zwei zueinander orthogonalen linearen Polarisationszuständen erzeugen. In dem nachfolgenden Optimierungsschritt werden dann die Linsen nur innerhalb der Gruppen gedreht, um die optischen Wegunterschiede zu reduzieren. So lassen sich zunächst die (100)-Linsen derart drehen, daß die durch die (100)-Linsen hervorgerufenen optischen Wegunterschiede reduziert werden, und dann die (111)-Linsen derart drehen, daß die durch die (111)-Linsen hervorgerufenen optischen Wegunterschiede reduziert werden. Die Verteilung der Fluorid-Kristall-Linsen auf Linsen mit (100)-Orientierung und (111)- Orientierung muß bei der Optimierung so erfolgen, daß sich die resultierende (100)- Verteilung ΔOPL100(αR, θR) und die resultierende (111)-Verteilung ΔOPL111(αR, θR) weitgehend kompensieren. Entsprechendes gilt auch für den parallelen Einsatz von (100)- Linsen und (110)-Linsen.
Die Erfindung betrifft auch ein Herstellverfahren für eine Linse, bei dem in einem ersten Schritt mehrere Platten aus Fluorid-Kristall optisch nahtlos zu einem Blank gefügt werden, und in einem zweiten Schritt die Linse aus dem Blank durch bekannte Herstellmethoden herausgearbeitet wird. Die Platten werden dabei wie zuvor für Linsen oder Linsenteile beschrieben, zueinander um die Flächennormalen verdreht angeordnet.
Platten, deren Flächennormalen in die gleiche Hauptkristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen, haben vorteilhafterweise die gleiche axiale Dicke.
Werden (100)-Platten mit (111)-Platten optisch nahtlos gefügt, so sollte das Verhältnis der Summe der Dicken der (111)-Platten zu der Summe der Dicken der (100)-Platten = 1.5 ± 0.2 betragen.
Werden (100)-Platten mit (110)-Platten optisch nahtlos gefügt, so sollte das Verhältnis der Summe der Dicken der (110)-Platten zu der Summe der Dicken der (100)-Platten = 4.0 ± 0.4 betragen.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Fluorid-Kristall-Block senkrecht zu den {100}- Kristallebenen zusammen mit einer Linse eines Projektionsobjektives in schematischer Darstellung;
Fig. 2A-C zeigen je eine planparallele (100)-, (111)- und (110)-Linse in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 3 zeigt ein Koordinatensystem zur Definition des Öffnungswinkels und des Azimutwinkels;
Fig. 4A-F zeigen die Doppelbrechungsverteilung für (100)-Linsen in verschiedenen Darstellungen, sowie die Doppelbrechungsverteilung für zwei gegeneinander um 45° verdrehte (100)-Linsen;
Fig. 5A-F zeigen die Doppelbrechungsverteilung für (111)-Linsen in verschiedenen Darstellungen, sowie die Doppelbrechungsverteilung für zwei gegeneinander um 60° verdrehte (111)-Linsen;
Fig. 6A-G zeigen die Doppelbrechungsverteilung für (111)-Linsen in verschiedenen Darstellungen, sowie die Doppelbrechungsverteilung für zwei gegeneinander um 90° verdrehte (110)-Linsen, beziehungsweise für vier gegeneinander um 45° verdrehte (110)-Linsen;
Fig. 7 zeigt den Linsenschnitt eines refraktiven Projektionsobjektivs;
Fig. 8 zeigt den Linsenschnitt eines katadioptrischen Projektionsobjektivs; und
Fig. 9 zeigt eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage in schematischer Darstellung.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Fluorid-Kristall-Block 3. Der Schnitt ist so gewählt, daß die {100}-Kristallebenen 5 als einzelne Linien zu sehen sind, so daß die {100}-Kristallebenen 5 sich senkrecht zur Papierebene befinden. Der Fluorid-Kristall- Block 3 dient als Blank oder Ausgangsmaterial für die (100)-Linse 1. In diesem Beispiel ist die (100)-Linse 1 eine Bikonvex-Linse mit der Linsenachse EA, die zugleich Symmetrieachse der Linse ist. Die Linse 1 wird nun so aus dem Fluorid-Kristall-Block herausgearbeitet, daß die Linsenachse EA senkrecht auf den {100}-Kristallebenen steht.
In Fig. 2A wird mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, wie die intrinische Doppelbrechung mit den Kristallrichtungen zusammenhängt, wenn die Linsenachse EA in <100<-Kristallrichtung weist. Dargestellt ist eine kreisrunde planparallele Platte 201 aus Kalzium-Fluorid. Die Linsenachse EA zeigt dabei in <100<- Kristallrichtung. Neben der <100<-Kristallrichtung sind auch die <101<-, <110<-, <101<- und <110<-Kristallrichtungen als Pfeile dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist schematisch durch vier "Keulen" 203 dargestellt, deren Oberflächen den Betrag der intrinsischen Doppelbrechung für die jeweilige Strahlrichtung eines Lichtstrahls angeben. Die maximale intrinsische Doppelbrechung ergibt sich in den <101<-, <110<-, <101<- und <110<-Kristallrichtungen, also für Lichtstrahlen mit einem Öffnungswinkel von 45° und einem Azimutwinkel von 0°, 90°, 180° und 270° innerhalb der Linse. Für Azimutwinkel von 45°, 135°, 225° und 315° ergeben sich minimale Werte der intrinsischen Doppelbrechung. Für einen Öffnungswinkel von 0° verschwindet die intrinsische Doppelbrechung.
In Fig. 2B wird mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, wie die intrinische Doppelbrechung mit den Kristallrichtungen zusammenhängt, wenn die Linsenachse EA in <111<-Kristallrichtung weist. Dargestellt ist eine kreisrunde planparallele Platte 205 aus Kalzium-Fluorid. Die Linsenachse EA zeigt dabei in <111<- Kristallrichtung. Neben der <111<-Kristallrichtung sind auch die <011<-, <101<- und <110<-Kristallrichtungen als Pfeile dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist schematisch durch drei "Keulen" 207 dargestellt, deren Oberflächen den Betrag der intrinsischen Doppelbrechung für die jeweilige Strahlrichtung eines Lichtstrahls angeben. Die maximale intrinsische Doppelbrechung ergibt sich jeweils in den <011<-, <101<- und <110<-Kristallrichtungen, also für Lichtstrahlen mit einem Öffnungswinkel von 35° und einem Azimutwinkel von 0°, 120° und 240° innerhalb der Linse. Für Azimutwinkel von 60°, 180° und 300° ergeben sich jeweils minimale Werte der intrinsischen Doppelbrechung. Für einen Öffnungswinkel von 0° verschwindet die intrinsische Doppelbrechung.
In Fig. 2C wird mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, wie die intrinsische Doppelbrechung mit den Kristallrichtungen zusammenhängt, wenn die Linsenachse EA in <110<-Kristallrichtung weist. Dargestellt ist eine kreisrunde planparallele Platte 209 aus Kalzium-Fluorid. Die Linsenachse EA zeigt dabei in <110<- Kristallrichtung. Neben der <110<-Kristallrichtung sind auch die <011<-, die <101<-, die <101<- und die <011<-Kristallrichtungen als Pfeile dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist schematisch durch fünf "Keulen" 211 dargestellt, deren Oberflächen den Betrag der intrinsischen Doppelbrechung für die jeweilige Strahlrichtung eines Lichtstrahls angeben. Die maximale intrinsische Doppelbrechung ergibt sich zum einen in Richtung der Linsenachse EA, und zum anderen jeweils in der <011<-, <101<-, <101<- und <011<-Kristallrichtung, also für Lichtstrahlen mit einem Öffnungswinkel von 0°, beziehungsweise mit einem Öffnungswinkel von 60° und den vier Azimutwinkeln, die sich durch Projektion der <011<-, <101<-, <101<- und <011<-Kristallrichtungen in die {110}-Kristallebene ergeben. Derartig hohe Öffnungswinkel treten in Kristallmaterial jedoch nicht auf, da die maximalen Öffnungswinkel durch die Brechzahl des Kristalls auf kleiner 45° beschränkt sind.
Die Definition von Öffnungswinkel θ und Azimutwinkel α ist in Fig. 3 dargestellt. Für die (100)-Linse von Fig. 2 zeigt die z-Achse in <100<-Kristallrichtung, die x-Achse in die Richtung, die sich durch Projektion der <110<-Kristallrichtung in die {100}- Kristallebene ergibt. Die z-Achse ist dabei gleich der Linsenachse und die x-Achse gleich der Bezugsrichtung.
Aus der zitierten Internetpublikation ist bekannt, daß Messungen bei Strahlausbreitung in der <110<-Kristallrichtung einen Doppelbrechungswert von (6.5 ± 0.4) nm/cm bei einer Wellenlänge von λ = 156.1 nm für Kalzium-Fluorid ergeben haben. Mit diesem Messwert als Normierungsgröße kann die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) einer Kalzium- Fluorid-Linse in Abhängigkeit der Kristallorientierung theoretisch abgeleitet werden. Dazu werden die aus der Kristalloptik bekannten Formalismen zur Berechnung der Indexellipsoide in Abhängigkeit der Strahlrichtung herangezogen. Die theoretischen Grundlagen sind beispielsweise im "Lexikon der Optik", Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin, 1999 unter dem Stichwort "Kristalloptik" zu finden.
In Fig. 4A ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimutwinkel α = 0° für eine (100)-Linse dargestellt. Der Wert für die intrinsische Doppelbrechung von 6.5 nm/cm bei dem Öffnungswinkels θ = 45° entspricht dem Messwert. Der Kurvenverlauf wurde gemäß den aus der Kristalloptik bekannten Formeln bestimmt.
In Fig. 4B ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimutwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 45° für eine (100)-Linse dargestellt. Die vierzählige Azimutalsymmetrie ist offensichtlich.
In Fig. 4C ist die Doppelbrechungsverteilung Δn(0, α) für einzelne Strahlrichtungen im (θ, α)-Winkelraum für eine (100)-Linse dargestellt. Jede Linie repräsentiert Betrag und Richtung für eine durch den Öffnungswinkel θ und den Azimutwinkel α definierte Strahlrichtung. Die Länge der Linien ist proportional zum Betrag der Doppelbrechung, beziehungsweise der Differenz der Hauptachsenlängen der Schnittellipse, während die Richtung der Linien die Orientierung der längeren Hauptachse der Schnittellipse angibt. Die Schnittellipse erhält man, indem man das Indexellipsoid für den Strahl der Richtung (θ, α) mit einer Ebene schneidet, die senkrecht auf der Strahlrichtung steht und durch die Mitte des Indexellipsoids geht. Sowohl die Richtungen als auch die Längen der Linien zeigen die Vierzähligkeit der Verteilung. Die Länge der Linien und damit die Doppelbrechung ist bei den Azimutwinkeln 0°, 90°, 180° und 270° maximal.
Fig. 4D zeigt nun die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α), die sich ergibt, wenn zwei benachbarte planparallele (100)-Linsen gleicher Dicke um 45° gedreht angeordnet werden. Die resulierende Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) ist unabhängig vom Azimutwinkel α. Die längeren Hauptachsen der Schnittellipsen verlaufen tangential. Die resultierenden optischen Wegunterschiede zweier zueinander orthogonaler Polarisationszustände erhält man, indem man die Doppelbrechungswerte mit den physikalischen Weglängen der Strahlen innerhalb der planparallelen (100)-Linsen multipliziert. Rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilungen erhält man, wenn man n planparallele (100)-Linsen gleicher Dicke derart anordnet, daß für die Drehwinkel β zwischen je zwei Linsen gilt:
wobei n die Anzahl der planparallelen (100)-Linsen angibt und m eine ganze Zahl ist. Im Vergleich zu einer gleichorientierten Anordnung der Linsen kann der maximale Wert der Doppelbrechung für den Öffnungswinkel θ = 30° um 30% reduziert werden. Eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände ergibt sich auch für beliebige Linsen, wenn alle Strahlen eines Strahlbüschels in den Linsen jeweils ähnlich große Winkel aufweisen und ähnlich große Weglängen innerhalb der Linsen zurücklegen. Die Linsen sollten deshalb so zu Gruppen zusammengefaßt werden, daß die Strahlen die zuvor angegebene Bedingung so gut wie möglich erfüllen.
In Fig. 4E ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimutwinkel α = 0° für die zwei benachbarten planparallelen (100)-Linsen gleicher Dicke der Fig. 4D dargestellt. Der maximale Wert für die intrinsische Doppelbrechung bei dem Öffnungswinkels θ = 41° beträgt 4.2 nm/cm und ist somit um 35% zu dem Maximalwert von 6.5 nm/cm in Fig. 4A reduziert.
In Fig. 4F ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimutwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 41° für die zwei benachbarten planparallelen (100)-Linsen gleicher Dicke der Fig. 4D dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist unabhängig vom Azimutwinkel α.
In Fig. 5A ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimutwinkel α = 0° für eine (111)-Linse dargestellt. Der Wert für die intrinsische Doppelbrechung von 6.5 nm/cm bei dem Öffnungswinkels θ = 35° entspricht dem Messwert. Der Kurvenverlauf wurde gemäß den aus der Kristalloptik bekannten Formeln bestimmt.
In Fig. 5B ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimutwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 35° für eine (111)-Linse dargestellt. Die dreizählige Azimutalsymmetrie ist offensichtlich.
Fig. 5C zeigt die Doppelbrechungsverteilung Δn(0, α) für einzelne Strahlrichtungen im (θ, α)-Winkelraum für eine (111)-Linse in der bereits mit Fig. 4C eingeführten Darstellung. Sowohl die Richtungen als auch die Längen der Linien zeigen die Dreizähligkeit der Verteilung. Die Länge der Linien und damit die Doppelbrechung ist bei den Azimutwinkeln 0°, 120° und 240° maximal. Im Gegensatz zu einer (100)-Linse dreht sich die Orientierung der Doppelbrechung um 90°, wenn ein Strahl anstatt mit einem Azimutwinkel von 0° mit einem Azimutwinkel von 180° durch eine Linse läuft. Somit kann beispielsweise durch zwei gleich orientierte (111)-Linsen die Doppelbrechung kompensiert werden, wenn die Strahlwirikel eines Strahlbilschels zwischen den beiden Linsen ihr Vorzeichen tauschen.
Fig. 5D zeigt nun die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α), die sich ergibt, wenn zwei benachbarte planparallele (111)-Linsen gleicher Dicke um 60° gedreht angeordnet werden. Die resultierende Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) ist unabhängig vom Azimutwinkel α. Die längeren Hauptachsen der Schnittellipsen verlaufen jedoch im Gegensatz zu Fig. 4C radial. Die resultierenden optischen Wegunterschiede zweier zueinander orthogonaler Polarisationszustände erhält man, indem man die Doppelbrechungswerte mit den physikalischen Weglängen der Strahlen innerhalb der (111)-Linsen multipliziert. Ebenfalls rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilungen erhält man, wenn man n planparallele (111)-Linsen gleicher Dicke derart anordnet, daß für die Drehwinkel zwischen je zwei Linsen gilt:
wobei k die Anzahl der planparallelen (111)-Linsen angibt und 1 eine ganze Zahl ist. Im Vergleich zu einer gleichorientierten Anordnung der Linsen kann der Wert der Doppelbrechung für den Öffnungswinkel θ = 30° um 68% reduziert werden. Eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände ergibt sich auch für beliebige Linsen, wenn alle Strahlen eines Strahlbüschels in den Linsen jeweils ähnlich große Winkel aufweisen und ähnlich große Weglängen innerhalb der Linsen zurücklegen. Die Linsen sollten deshalb so zu Gruppen zusammengefaßt werden, daß die Strahlen die zuvor angegebene Bedingung so gut wie möglich erfüllen.
In Fig. 5E ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimutwinkel α = 0° für die zwei benachbarten planparallelen (111)-Linsen gleicher Dicke der Fig. 5D dargestellt. Der maximale Wert für die intrinsische Doppelbrechung bei dem Öffnungswinkels θ = 41° beträgt 2.8 nm/cm und ist somit um 57% zu dem Maximalwert von 6.5 nm/cm in Fig. 5A reduziert.
In Fig. 5F ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimutwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 41° für die zwei benachbarten planparallelen (111)-Linsen gleicher Dicke der Fig. 5D dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist unabhängig vom Azimutwinkel α.
Kombiniert man nun innerhalb eines Projektionsobjektives Gruppen mit (100)-Linsen und Gruppen mit (111)-Linsen, so kann die von diesen Linsen eingebrachten optischen Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände weitgehend kompensiert werden. Dazu ist es erforderlich, daß zunächst innerhalb dieser Gruppen durch Drehung der Linsen eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede erzielt wird und sich dann durch Kombination einer Gruppe mit (100)-Linsen und einer Gruppe mit (111)-Linsen die beiden Verteilungen der optischen Wegunterschiede kompensieren. Dazu nutzt man aus, daß die Orientierungen der längeren Hauptachsen der Schnittellipsen für die Doppelbrechungsverteiluizg einer Gruppe mit gedrehten (100)-Linsen senkrecht auf den Orientierungen der längeren Hauptachsen der Schnittellipsen für die Doppelbrechungsverteilung einer Gruppe mit gedrehten (111)- Linsen steht, wie dies den Fig. 4D und 5D zu entnehmen ist. Entscheidend ist dabei, daß zum einen von den einzelnen Gruppen eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede erzeugt wird und zum anderen die Summe der Beiträge der Gruppen mit (100)-Linsen dem Betrage nach nahezu gleich groß ist zur Summe der Beiträge der Gruppen mit (111)-Linsen.
In Fig. 6A ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimutwinkel α = 0° für eine (110)-Linse dargestellt. Der Wert für die intrinsische Doppelbrechung von 6.5 nm/cm bei dem Öffnungswinkels θ = 0° entspricht dem Messwert. Der Kurvenverlauf wurde gemäß den aus der Kristalloptik bekannten Formeln bestimmt.
In Fig. 6B ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimutwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 35° für eine (110)-Linse dargestellt. Die zweizählige Azimutalsymmetrie ist offensichtlich.
Fig. 6C zeigt die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) für einzelne Strahlrichtungen im (θ, α)-Winkelraum für eine (110)-Linse in der bereits mit Fig. 4C eingeführten Darstellung. Sowohl die Richtungen als auch die Längen der Linien zeigen die Zweizähligkeit der Verteilung. Die Linie mit maximaler Länge und damit die maximale Doppelbrechung ergibt sich für den Öffnungswinkel θ = 0°.
Fig. 6D zeigt nun die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α), die sich ergibt, wenn zwei benachbarte planparallele (110)-Linsen gleicher Dicke um 90° gedreht angeordnet werden. Die resulierende Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) weist nun eine vierzählige Azimutalsymmetrie auf. Maximale Doppelbrechungswerte treten bei den Azimutwinkeln α = 45°, 135°, 225° und 315° auf, wobei der Wert der Doppelbrechung für den Öffnungswinkel θ = 40° 2.6 nm/cm beträgt.
Fig. 6E zeigt nun die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α), die sich ergibt, wenn die zwei planparallelen (110)-Linsen gleicher Dicke der Fig. 6C mit zwei weiteren planparallelen (110)-Linsen gleicher Dicke kombiniert werden. Der Drehwinkel zwischen je zwei der (110)-Linsen beträgt 45°. Die resultierende Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) ist unabhängig vom Azimutwinkel α. Die längeren Hauptachsen der Schnittellipsen verlaufen jedoch im Gegensatz zu Fig. 4C radial, also ähnlich der Verteilung von Fig. 5C. Die resultierenden optischen Wegunterschiede zweier zueinander orthogonaler Polarisationszustände erhält man, indem man die Doppelbrechungswerte mit den physikalischen Weglängen der Strahlen innerhalb der (110)-Linsen multipliziert. Ebenfalls rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilungen erhält man, wenn man 4.n planparallele (110)-Linsen gleicher Dicke derart anordnet, daß für die Drehwinkel β zwischen je zwei Linsen gilt:
wobei 4.n die Anzahl der planparallelen (100)-Linsen angibt und m eine ganze Zahl ist. Eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände ergibt sich auch für beliebige Linsen, wenn alle Strahlen eines Strahlbüschels in den Linsen jeweils ähnlich große Winkel aufweisen und ähnlich große Weglängen innerhalb der Linsen zurücklegen. Die Linsen sollten deshalb so zu Gruppen zusammengefaßt werden, daß die Strahlen die zuvor angegebene Bedingung so gut wie möglich erfüllen.
In Fig. 6F ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Öffnungswinkels θ für den Azimutwinkel α = 0° für die vier benachbarten planparallelen (110)-Linsen gleicher Dicke der Fig. 6E dargestellt. Der Wert für die intrinsische Doppelbrechung bei dem Öffnungswinkels θ = 41° beträgt 1.0 nm/cm und ist somit um 84% zu dem Maximalwert von 6.5 nm/cm in Fig. 5A reduziert.
In Fig. 6G ist der Betrag der intrinsischen Doppelbrechung in Abhängigkeit des Azimutwinkels α für den Öffnungswinkels θ = 41° für die vier benachbarten planparallelen (110)-Linsen gleicher Dicke der Fig. 6E dargestellt. Die intrinsische Doppelbrechung ist unabhängig vom Azimutwinkel α.
Kombiniert man nun innerhalb eines Projektionsobjektives Gruppen mit (110)-Linsen und Gruppen mit (100)-Linsen, so kann die von diesen Linsen eingebrachten optischen Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände weitgehend kompensiert werden. Dazu ist es erforderlich, daß zunächst innerhalb dieser Gruppen durch Drehung der Linsen eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede erzielt wird und sich dann durch Kombination einer Gruppe mit (110)-Linsen und einer Gruppe mit (100)-Linsen die beiden Verteilungen der optischen Wegunterschiede kompensieren. Dazu nutzt man aus, daß die Orientierungen der längeren Hauptachsen der Schnittellipsen für die Doppelbrechungsverteilung einer Gruppe mit gedrehten (110)-Linsen senkrecht auf den Orientierungen der längeren Hauptachsen der Schnittellipsen für die Doppelbrechungsverteilung einer Gruppe mit gedrehten (100)- Linsen steht, wie dies den Fig. 4D und 6E zu entnehmen ist. Entscheidend ist dabei, daß zum einen von den einzelnen Gruppen eine nahezu rotationssymmetrische Verteilung der optischen Wegunterschiede erzeugt wird und zum anderen die Summe der Beiträge der Gruppen mit (110)-Linsen dem Betrage nach nahezu gleich groß ist zur Summe der Beiträge der Gruppen mit (100)-Linsen.
In Fig. 7 ist der Linsenschnitt eines refraktiven Projektionsobjektivs 611 für die Wellenlänge 157 nm dargestellt. Die optischen Daten für dieses Objektiv sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Das Ausführungsbeispiel ist der Patentanmeldung PCT/EP 00/13148 der Anmelderin entnommen und entspricht dort Fig. 7 beziehungsweise Tabelle 6. Zur näheren Beschreibung der Funktionsweise des Objektivs wird auf die Patentanmeldung PCT/EP 00/13148 verwiesen. Alle Linsen dieses Objektivs bestehen aus Kalzium-Fluorid- Kristall. Die bildseitige numerische Apertur des Objektivs beträgt 0.9. Die Abbildungsleistung dieses Objektivs ist so gut korrigiert, daß die Abweichung von der Wellenfront einer idealen Kugelwelle kleiner 1.8 mλ bezogen auf die Wellenlänge von 157 nm ist. Gerade bei diesen Hochleistungobjektiven ist es erforderlich, daß störende Einflüsse wie die der intrinsischen Doppelbrechung so weit wie möglich reduziert werden.
Für das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 wurden die Öffnungswinkel θ und Strahlwege RLL des äußersten Aperturstrahls 609 für die einzelnen Linsen L601 bis L630 berechnet. Der äußerste Aperturstrahl 609 geht dabei von dem Objektpunkt mit den Koordinaten x = 0 mm und y = 0 mm aus und weist in der Bildebene einen Winkel bezüglich der optischen Achse auf, welcher der bildseitigen numerischen Apertur entspricht. Der äußerste Aperturstrahl 609 wird deshalb herangezogen, da sich für ihn nahezu die maximalen Öffnungswinkel innerhalb der Linsen ergeben.
Tabelle 2
Neben den Öffnungswinkeln θ und den Weglängen RLL für den äußersten Aperturstrahl sind in Tabelle 2 die optischen Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisatoinszustände für verschiedene Linsenorientierungen zusammengestellt. Die optischen Wegunterschiede sind für (111)-Linsen, (100)-Linsen und (110)-Linsen zusammengestellt, wobei der Azimutwinkel αL des äußersten Randstrahl innerhalb der Linsen für eine (111)-Linse 0° und 60°, für eine (100)-Linse 0° und 45° und für eine (110)- Linse 0°, 45°, 90° und 135° beträgt.
Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß die Öffnungswinkel θ für die Linsen L608, L617, L618, L619, L627, L628, L629 und L630 größer als 25°, für die Linsen L618, L627, L628, L629 und L630 sogar größer als 30° sind. Besonders betroffen von hohen Öffnungswinkeln sind die der Bildebene am nächsten gelegenen Linsen L627 bis L630.
Durch das Design des Projektionsobjektives wurde erreicht, daß der maximale Öffnungswinkel aller Lichtstrahlen kleiner 45° ist. Der maximale Öffnungswinkel für den äußersten Aperturstrahl beträgt 39.4° bei der Linse L628. Hilfreich war der Einsatz von zwei dicken Planlinsen L629 und L630 unmittelbar vor der Bildebene.
Der Durchmesser der Blende, welche sich zwischen den Linsen L621 und L622 befindet, beträgt 270 mm. Der Durchmesser der Linse L618 beträgt 207 mm und die Durchmesser der Linsen L627 bis L630 sind alle kleiner 190 mm. Somit sind die Durchmesser dieser Linsen, welche hohe Öffnungswinkel aufweisen, kleiner als 80% des Blendendurchmessers.
Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß es für einzelne Linsen mit großen Öffnungswinkeln günstig ist, diese in (100)-Richtung zu orientieren, da die Doppelbrechungswerte insgesamt niedriger sind. Dies liegt daran, daß bei (100)-Linsen der Einfluß der <110<- Kristallrichtungen erst bei größeren Winkeln zu spüren ist wie bei (111)-Linsen. Beispielsweise bei den Linsen L608, L609 und L617 sind die optischen Wegunterschiede um mehr als 30% niedriger.
Anhand der beiden planparallelen Linsen L629 und L630 läßt sich gut zeigen, wie durch gegenseitige Drehung der Linsen die Doppelbrechung deutlich reduziert werden kann.
Beide Linsen weisen gleiche Öffnungswinkel für den äußersten Aperturstrahl von 35.3° und ähnliche Strahlwege von 27.3 mm, beziehungsweise 26.0 mm auf. Würden beide Linsen als (100)-Linsen gleich orientiert eingebaut werden, so würde sich ein optischer Wegunterschied von 30.7 nm ergeben. Verdreht man die beiden (100)-Linsen jedoch gegenseitig um 45°, so reduziert sich der optische Wegunterschied auf 20.9 nm, also um 32%. Würden beide Linsen als (111)-Linsen gleich orientiert eingebaut werden, so würde sich ein Optischer Wegunterschied von 34.6 nm ergeben. Verdreht man die beiden (111)- Linsen jedoch gegenseitig um 60°, so reduziert sich der optische Wegunterschied auf 13.6 nm, also um 61%.
Eine nahezu vollständige Kompensation der optischen Wegdifferenzen für zwei aufeinander orthogonale lineare Polarisationszustände auf Grund der intrinsischen Doppelbrechung, die durch die Linsen L629 und L630 hervorgerufen wird, kann erreicht werden, wenn die Linse L629 in die Linsen L6291 und L6292 und die Linse L630 in die Linsen L6301 und L6302 aufgespalten wird, wobei die Linse L6291 eine (100)-Linse der Dicke 9.15 mm, die Linse L6292 eine (111)-Linse der Dicke 13.11 mm, die Linse L6301 eine (100)-Linse der Dicke 8.33 mm und die Linse L6302 eine (111)-Linse der Dicke 12.9 mm ist. Die Linse L6291 und L6301 werden gegeneinander um 45°, die Linsen L6292 und L6302 um 60° gedreht. Der resultierende maximale optische Wegunterschied beträgt in diesem Fall dann 0.2 nm. Die Linsen L6291 und L6292, ebenso wie die Linsen L6301 und L6302 können optisch nahtlos, beispielsweise durch Ansprengen, gefügt werden. Dieses Prinzip ist auch anwendbar, wenn das Projektionsobjektiv nur eine Kristall-Linse enthält. Diese wird dann mindestens in zwei Linsen zerlegt, die zueinander gedreht angeordnet werden. Das Zusammenfügen ist durch Ansprengen möglich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zunächst einzelne Platten der gewünschten Kristallorientierung optisch nahtlos zu verbinden und in einem weiteren Verfahrensschritt die Linse aus den aneinandergefügten Platten zu fertigen.
Eine weitere Möglichkeit, den störenden Einfluß der intrinsischen Doppelbrechung durch die Linsen L629 und L630 zu reduzieren, besteht darin, die Linse L629 in die Linsen L6293 und L6294 sowie die Linse L630 in die Linsen L6303 und L6304 aufgespalten werden, wobei die Linse L6293 dann eine (110)-Linse der Dicke 11.13 mm, die Linse L6294 eine (110)-Linse der Dicke 11.13 mm, die Linse L6303 eine (110)-Linse der Dicke 10.62 mm und die Linse L6304 eine (110)-Linse der Dicke 10.62 mm ist. Die Linsen L6293 und L6294, sowie die Linsen L6303 und L6304 werden jeweils gegeneinander um 90° gedreht, wobei der Drehwinkel zwischen der Linse L6293 und L6303 45° beträgt. Der resultierende maximale optische Wegunterschied beträgt in diesem Fall 4.2 nm. Die Linsen L6293 und L6294, ebenso wie die Linsen L6303 und L6304 können als Linsenteile optisch nahtlos, beispielsweise durch Ansprengen, gefügt werden.
Nahezu vollständig gelingt eine Kompensation der optischen Wegdifferenzen für zwei aufeinander orthogonale lineare Polarisationszustände, welche durch die hoch belasteten Linsen L629 und L630 hervorgerufen wird, wenn jede Linse in drei Linsenteile L6295, L6296 und L6297 bzw. L6305, L6306 und L6307 aufgespalten wird, wobei die Linse L6295 dann eine (100)-Linse der Dicke 4.45 mm, die Linsen L6296 und L6297 (110)- Linsen der Dicke 8.90 mm, die Linse L6305 eine (100)-Linse der Dicke 4.25 mm und die Linsen L6306 und L6307 (110)-Linsen der Dicke 8.49 mm sind. Die Linsen L6294 und L6304 werden gegeneinander um 45°, je zwei der Linsen L6295, L6297, L6306 und L6307 um 45° gedreht. In dieser Kombination verringert sich der resultierende maximale optische Wegunterschied auf unter 0,1 nm. Die Linsen L6295 bis L6297, ebenso wie die Linsen L6305 bis L6307 können als Linsenteile optisch nahtlos, beispielsweise durch Ansprengen, gefügt werden.
Eine weitere Möglichkeit, den störenden Einfluß der intrinsischen Doppelbrechung durch die Linsen L629 und L630 zu reduzieren, besteht darin, zwei (110)-Linsen mit einer (100)- Linse zu kombinieren. Die beiden (110)-Linsen sind dabei um 90° gegeneinander verdreht einzubauen, während der Drehwinkel zwischen der (100)-Linse und den (110)-Linsen 45° + m.90° beträgt, wobei m eine ganze Zahl ist. Dazu werden die Linse L629 in die Linsen L6298 und L6299 sowie die Linse L630 in die Linsen L6308 und L6309 aufgespalten, wobei die Linse L6298 dann eine (110)-Linse der Dicke 17.40 mm, die Linse L6299 eine (110)-Linse der Dicke 4.87 mm, die Linse L6308 eine (110)-Linse der Dicke 12.53 mm und die Linse L6309 eine (100)-Linse der Dicke 8.70 mm ist. Der resultierende maximale optische Wegunterschied liegt bei 3,1 nm. Die Linsen L6298 und L6299, ebenso wie die Linsen L6308 und L6309 können als Linsenteile optisch nahtlos, beispielsweise durch Ansprengen, gefügt werden.
In Fig. 8 ist der Linsenschnitt eines katadioptrischen Projektionsobjektivs 711 für die Wellenlänge 157 nm dargestellt. Die optischen Daten für dieses Objektiv sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Das Ausführungsbeispiel ist der Patentanmeldung PCT/EP 00/13148 der Anmelderin entnommen und entspricht dort Fig. 9 beziehungsweise Tabelle 8. Zur näheren Beschreibung der Funktionsweise des Objektivs wird auf die Patentanmeldung PCT/EP 00/13148 verwiesen. Alle Linsen dieses Objektivs bestehen aus Kalzium-Fluorid- Kristall. Die bildseitige numerische Apertur des Objektivs beträgt 0.8.
Für das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 wurden die Öffnungswinkel θ und Strahlwege RLL des oberen äußersten Aperturstrahls 713 und des unteren äußersten Aperturstrahls 715 für die einzelnen Linsen L801 bis L817 berechnet. Die äußersten Aperturstrahlen 713 und 715 gehen dabei von dem Objektpunkt mit den Koordinaten x = 0 mm und y = -82.15 mm aus und weisen in der Bildebene Winkel bezüglich der optischen Achse auf, welche der bildseitigen numerischen Apertur entsprechen. Der obere und der untere äußerste Aperturstrahl wurden berechnet, da es sich um ein achsfernes Objektfeld handelt und somit die Aperturstrahlen nicht symmetrisch zur optischen Achse verlaufen, wie dies für den äußersten Aperturstrahl des Ausführungsbeispiels der Fig. 7 der Fall war.
In Tabelle 4 sind die Daten für den oberen äußersten Aperturstrahl und in Tabelle 5 für den unteren äußersten Aperturstrahl zusammengestellt. Neben den Öffnungswinkeln θ und den Weglängen RLL für den äußersten Aperturstrahl sind in Tabelle 4 und Tabelle 5 die optischen Wegunterschiede für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisatoinszustände für verschiedene Linsenorientierungen zusammengestellt; und zwar für (111)-Linsen, (100)-Linsen und (110)-Linsen, wobei der Azimutwinkel αL des äußersten Randstrahl innerhalb der Linsen für eine (111)-Linse 0° und 60°, für eine (100)-Linse 0° und 45° und für eine (110)-Linse 0°, 45°, 90° und 135° beträgt.
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 4 und Tabelle 5 ist zu entnehmen, daß die Öffnungswinkel θ für die Linsen L815 bis L817 größer als 25° sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weisen die der Bildebene am nächsten gelegenen Linsen L815 bis L817 große Öffnungswinkel auf. Durch das Design der Linsen L815 bis L817 wurde erreicht, daß der maximale Öffnungswinkel kleiner gleich
ist. Der maximale Öffnungswinkel für den äußersten Aperturstrahl beträgt 30.8° für die Linse L817.
Der Durchmesser der Blende, welche sich zwischen den Linsen L811 und L812 befindet, beträgt 193 mm. Die Durchmesser der Linsen L815 bis L817 sind alle kleiner als 162 mm. Somit sind die Durchmesser dieser Linsen, welche hohe Öffnungswinkel aufweisen, kleiner als 85% des Blendendurchmessers.
Tabelle 4 und Tabelle 5 ist zu entnehmen, daß es für Linsen mit großen Öffnungswinkeln günstig ist, diese in (100)-Richtung zu orientieren, da die Doppelbrechungswerte insgesamt niedriger sind. Beispielsweise bei den Linsen L815 bis L817 sind die optischen Wegunterschiede um mehr als 20% niedriger.
Anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 8 soll im folgenden gezeigt werden, wie durch den parallelen Einsatz von Gruppen mit gegeneinander verdrehten (100)-Linsen und Gruppen mit gegeneinander verdrehten (111)-Linsen die intrinsische Doppelbrechung weitgehend kompensiert werden kann.
Zunächst werden alle Kalzium-Fluorid in (111)-Orientierung ohne gegenseitiges Verdrehen der (111)-Linsen eingebaut. In diesem Fall ergibt sich ein maximaler optischer Wegunterschied für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände von 136 nm. Durch Drehen der (111)-Linsen kann der maximale optische Wegunterschied auf ca. 38 nm reduziert werden. Dazu werden die Linsen L801 und L804 zu einer Gruppe und die Linsen L802 und L803 zu einer weiteren Gruppe zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen den Linsen jeweils 60° beträgt. Zu je einer Dreier-Gruppe werden die Linsen L808, L809 und L810, sowie die Linsen L815, L816 und L817 zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 40° beträgt. Die Linsen L811, L812, L813 und L814 werden zu einer Vierer-Gruppe zusammengefaßt mit einem gegenseitigen Drehwinkel von 30°.
Werden alle Kalzium-Fluorid in (100)-Orientierung ohne gegenseitiges Verdrehen der (100)-Linsen eingebaut, so ergibt sich ein maximaler optischer Wegunterschied für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände von 90.6 nm. Durch Drehen der (100)-Linsen kann der maximale optische Wegunterschied auf ca. 40 nm reduziert werden. Dazu werden die Linsen L801 und L804 zu einer Gruppe und die Linsen L802 und L803 zu einer weiteren Gruppe zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen den Linsen jeweils 45° beträgt. Zu je einer Dreier-Gruppe werden die Linsen L808, L809 und L810, sowie die Linsen L815, L816 und L817 zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 30° beträgt. Die Linsen L811, L812, L813 und L814 werden zu einer Vierer-Gruppe zusammengefaßt mit einem gegenseitigen Drehwinkel von 22.5°.
Eine maximalen optischen Wegunterschied für zwei zueinander ofthogonale lineare Polarisationszustände von 7 nm erhält man, wenn man nun Gruppen mit (100)-Linsen mit Gruppen mit (111)-Linsen kombiniert. Dazu werden die Linsen L801 und L804 zu einer Gruppe von (111)-Linsen zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen den Linsen 60° beträgt. Die Linsen L802 und L803 werden zu einer Gruppe von (100)-Linsen zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen den Linsen 45° beträgt. Zu einer Dreier- Gruppe von (100)-Linsen werden die Linsen L808, L809 und L810 zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 30° beträgt. Zu einer Dreier-Gruppe von (111)-Linsen werden die Linsen L815, L816 und L817 zusammengefaßt, wobei der Drehwinkel zwischen je zwei dieser Linsen 40° beträgt. Die Linsen L811, L812, L813 und L814 werden zu einer Vierer-Gruppe von (100)-Linsen zusammengefaßt mit einem Drehwinkel von 22.5°. Die Linsenachsen der nicht zu einer Gruppe zusammengefaßten Linsen L805 und L807 sind in <111<-Kristallrichtung orientiert, während die Linsenachse der Linse L806 in <100<-Kristallrichtung orientiert ist. Die Gruppen können gegenseitig beliebig um die optische Achse verdreht angeordnet sein. Diese Drehfreiheitsgrade lassen sich zur Kompensation nicht rotationssymmetrischer Aberrationen ausnützen, die beispielsweise durch die Fassung der Linsen erzeugt werden.
Um Doppelbrechung von Kristallen im UV zu kompensieren, kann man, wie oben beschrieben, Kristall-Elemente mit verschiedenen Orientierungen der Kristallachsen hintereinander anordnen. Wenn man in einem optischen System Linsen mit verschiedenen Kristallrichtungen hintereinander anordnet, hat man das Problem, daß vielfach Linsen mit verschiedenen Winkeln durchstrahlt werden, die Kompensation dann möglicherweise nur eingeschränkt möglich ist. Bei Optiken, die nur eine Kristalllinse enthalten, ist diese Art der Kompensation überhaupt nicht möglich.
Ein Lösungsmöglichkeit ist es, eine Linse konstruktiv in zwei aufzuspalten, die verdreht gegeneinander anzusprengen sind. Praktisch leidet dieses Verfahren an Spannungen, die die Passe verformen und daran, daß die beiden Hälften lateral mit einer Genauigkeit von Mikrometern positioniert werden müssen.
Vorgeschlagen wird, Blanks aus aneinander angesprengten, hinsichtlich der Orientierung der Kristallachsen gegeneinander verdrehten Einzelplatten herzustellen, die dann zu einer Linse gefräst und poliert werden. Alles obengesagte über die Orientierung gilt auch hierfür. Außer dem klassischen Ansprengen (wringing) der Optik-Fertigung sind auch alle anderen Fügetechniken mit innigem Kontakt und geringstmöglichem Spannungseintrag möglich und von der Erfindung umfaßt. Das Ansprengen kann insbesondere durch Schichten, z. B. aus Quarzglas, unterstützt werden. Wichtig ist, daß an der Fügestelle keine Brechung oder Reflexion auftritt, die störend wäre.
Die Auswahl der Orientierungen erfolgt nach den oben beschriebenen Regeln.
Als Ausführungsbeispiele werden Blanks angegeben, aus denen sich beispielsweise die Linse L816 für das Projektionsobjektiv der Fig. 8 fertigen läßt. Die Linse L816 weist eine konvexe asphärische Vorderfläche mit dem Scheitelradius 342.13 mm und eine konkave sphärische Rückfläche mit dem Scheitelradius 449.26 mm auf. Die axiale Dicke beträgt 37.3 mm. Das Linsenmaterial ist Kalzium-Fluorid. Der Linsendurchmesser beträgt 141 mm. Das Blank, aus dem die Linse herausgearbeitet werden soll, benötigt mindestens eine Gesamtdicke von 45 mm und einen Durchmesser von 150 mm. Das Blank kann dabei aus zwei gegeneinander um 45° gedrehten (100)-Platten der Dicke 9.0 mm und zwei gegeneinander um 60° gedrehten (111)-Platten der Dicke 13.5 mm bestehen, die optisch nahtlos gefügt sind. Die (100)-Platten und die (111)-Platten sollten dabei jeweils benachbart angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform werden sechs jeweils gegeneinander um 45° gedrehte (100)-Platten der Dicke 3.0 mm und sechs jeweils gegeneinander um 60° gedrehte (111)- Platten der Dicke 4.5 optisch nahtlos gefügt, wobei jeweils nach zwei (100)-Platten zwei (111)-Platten folgen.
In einer weiteren Ausführungsform werden vier jeweils gegeneinander um 45° gedrehte (110)-Platten der Dicke 9.0 mm und zwei gegeneinander um 45° gedrehte (100)-Platten der Dicke 4.5 optisch nahtlos gefügt, wobei die zwei (100)-Platten auf die vier (110)-Platten folgen.
In einer weiteren Ausführungsform werden acht jeweils gegeneinander um 45° gedrehte (110)-Platten der Dicke 4.5 mm und vier gegeneinander um 45° gedrehte (100)-Platten der Dicke 2.25 optisch nahtlos gefügt, wobei nach vier (110)-Platten jeweils zwei (100)-Platten folgen.
Anhand von Fig. 9 wird der prinzipielle Aufbau einer Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage beschrieben. Die Projektionsbelichtungsanlage 81 weist eine Beleuchtungseinrichtung 83 und Projektionsobjektiv 85 auf. Das Projektionsobjektiv 85 umfaßt eine Linsenanordnung 819 mit einer Aperturblende AP, wobei durch die Linsenanordnung 89 eine optische Achse 87 definiert wird. Ausführungsbeispiele für die Linsenanordnung 89 sind in Fig. 6 und Fig. 7 gegeben. Zwischen der Beleuchtungseinrichtung 83 und dem Projektionsobjektiv 85 ist eine Maske 89 angeordnet, die mittels eines Maskenhalters 811 im Strahlengang gehalten wird. Solche in der Mikrolithographie verwendeten Masken 89 weisen eine Mikrometer-Nanometer Struktur auf, die mittels des Projektionsobjektives 85 beispielsweise um den Faktor 4 oder 5 verkleinert auf eine Bildebene 813 abgebildet wird. In der Bildebene 813 wird ein durch einen Substrathalter 817 positioniertes lichtempfindliches Substrat 815, beziehungsweise ein Wafer, gehalten.
Die noch auflösbaren minimalen Strukturen hängen von der Wellenlänge λ des für die Beleuchtung verwendeten Lichtes sowie von der bildseitigen numerischen Apertur des Projektionsobjektives 85 ab, wobei die maximal erreichbare Auflösung der Projektionsbelichtungsanlage 81 mit abnehmender Wellenlänge λ der Beleuchtungseinrichtung 83 und mit zunehmender bildseitiger numerischer Apertur des Projektionsobjektives 85 steigt. Mit den in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispielen lassen sich Auflösungen kleiner 150 nm realisieren. Deshalb müssen auch Effekte wie die intrinsische Doppelbrechung minimiert werden. Durch die Erfindung ist es gelungen, den störenden Einfluß der intrinsichen Doppelbrechung gerade bei Projektionsobjektiven mit großen bildseitigen numerischen Aperturen stark zu reduzieren.
Tabelle 1
ASPHAERISCHE KONSTANTEN
Asphäre der Linse L601
Asphäre der Linse L604
Asphäre der Linse L605
Asphäre der Linse L607
Asphäre der Linse L609
Asphäre der Linse L613
Asphäre der Linse L616
Asphäre der Linse L622
Asphäre der Linse L624
Asphäre der Linse L625
Asphäre der Linse L628
Tabelle 3
ASPHAERISCHE KONSTANTEN
Asphäre der Linse L801
Asphäre der Linse L803
Asphäre der Linse L803'
Asphäre der Linse L805
Asphäre der Linse L806
Asphäre der Linse L811
Asphäre der Linse L813
Asphäre der Linse L815
Asphäre der Linse L816
Asphäre der Linse L817

Claims (47)

1. Objektiv (611, 711), insbesondere ein Projektionsobjektiv für eine Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage (81), mit einer Mehrzahl von Linsen (L601-L630, L801-­ L817), mit mindestens einer Linse (1) aus Fluorid-Kristall, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Linse (1) eine (100)-Linse mit einer Linsenachse (EA) ist, welche annähernd senkrecht auf den {100}-Kristallebenen oder auf den dazu äquivalenten Kristallebenen des Fluorid-Kristalls steht.
2. Objektiv nach Anspruch 1, wobei die (100)-Linse eine rotationssymmetrische Linse mit einer Symmetrieachse ist und die Symmetrieachse mit der Linsenachse der (100)- Linse zusammenfällt.
3. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2 mit einer optischen Achse (OA), wobei die Linsenachse der (100)-Linse mit der optischen Achse des Objektivs zusammenfällt.
4. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei innerhalb des Objektives Lichtstrahlen von einer Objektebene (O) zu einer Bildebene (O') verlaufen und mindestens ein Lichtstrahl (609, 713, 715) innerhalb der (100)-Linse einen Strahlwinkel bezüglich der Linsenachse aufweist, der größer als 25°, insbesondere größer als 30° ist.
5. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei innerhalb des Objektives Lichtstrahlen von einer Objektebene zu einer Bildebene verlaufen und alle Lichtstrahlen innerhalb der (100)-Linse Strahlwinkel bezüglich der Linsenachse aufweisen, die maximal 45°, insbesondere maximal
betragen, wobei NA die bildseitige numerische Apertur bezeichnet und nFK die Brechzahl des Fluorid- Kristalls.
6. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Blendenebene, wobei die Blendenebene einen Blendendurchmesser aufweist und wobei die (100)-Linse einen Linsendurchmesser aufweist und wobei der Linsendurchmesser kleiner als 85%, insbesondere kleiner als 80% des Blendendurchmessers ist.
7. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Bildebene, wobei die (100)-Linse (L630, L817) die der Bildebene nächste Linse ist.
8. Objektiv (611, 711), insbesondere Projektionsobjektiv für eine Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage, mit mindestens zwei Linsen oder Linsenteilen aus Fluorid-Kristall,
wobei die Linsen oder die Linsenteile Linsenachsen aufweisen, welche jeweils annähernd in eine Hauptkristallrichtung weisen,
wobei auf einen Bildpunkt in einer Bildebene ein Strahlbüschel mit Strahlen trifft, welche jeweils einen Azimutwinkel αR, einen Öffnungswinkel θR und einen optischen Wegunterschied ΔOPL für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder die Linsenteile gegeneinander um die Linsenachsen derart verdreht angeordnet sind, daß die Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL(αR, θR) des Strahlbüschels als Funktion des Azimutwinkels αR und des Öffnungswinkels θR wesentlich reduzierte Werte aufweist im Vergleich zu Linsen oder Linsenteilen, deren Linsenachsen in die gleiche Hauptkristallrichtung weisen und die nicht gegeneinander um die Linsenachsen verdreht angeordnet sind.
9. Objektiv nach Anspruch 8, wobei die optischen Wegunterschiede ΔOPL als Funktion des Azimutwinkels αR für einen vorgegebenen Öffnungswinkel θ0 weniger als 30%, insbesondere weniger als 20% variieren.
10. Objektiv nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Linsen oder Linsenteile jeweils eine Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) aufweisen, deren Doppelbrechungswerte Δn von Azimutwinkeln αL bezüglich einer zur Linsenachse senkrecht stehenden Bezugsrichtung und von Öffnungswinkeln θR bezüglich der Linsenachse abhängen,
wobei die Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) eine k-zählige Azimutalsymmetrie aufweist,
wobei zwischen den Bezugsrichtungen der einzelnen Linsen oder Linsenteile Drehwinkel γ definiert sind,
wobei eine Anzahl von n Linsen oder n Linsenteilen eine Gruppe bilden, innerhalb derer die Linsenachsen in die gleiche Hauptkristallrichtung oder eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und innerhalb der die Doppelbrechungsverteilungen Δn(αL, θL) bezüglich der Bezugsrichtungen den gleichen azimutalen Verlauf aufweisen, wobei für den Drehwinkel γ zwischen je zwei Linsen oder Linsenteilen einer Gruppe gilt:
wobei m eine ganze Zahl ist.
11. Objektiv nach Anspruch 10, wobei ein äußerster Aperturstrahl (609, 713, 715) des Strahlbüschels innerhalb der Linsen oder Linsenteile jeweils einen Öffnungswinkel θL aufweist und wobei die Öffnungswinkel θL innerhalb der Linsen oder Linsenteile der Gruppe maximal um 30%, insbesondere maximal um 20% variieren.
12. Objektiv nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei ein äußerster Aperturstrahl (609, 713, 715) des Strahlbüschels innerhalb der Linsen oder Linsenteile jeweils einen Strahlweg RLL zurücklegt und wobei die Strahlwege RLL innerhalb der Linsen oder Linsenteile der Gruppe maximal um 30%, insbesondere maximal um 20% variieren.
13. Objektiv nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die bei Drehwinkel γ = 0° für die einzelnen Linsen oder Linsenteile einer Gruppe bestimmten optischen Wegunterschiede ΔOPL für einen äußersten Aperturstrahl (609, 713, 715) des Strahlbüschels maximal um 30%, insbesondere maximal um 20% variieren.
14. Objektiv nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Gruppe 2 bis 4 Linsen oder Linsenteile umfaßt.
15. Objektiv nach Anspruch 14, wobei die Linsen (L629, L630) oder Linsenteile benachbart angeordnet sind, insbesondere aneinander angesprengt sind.
16. Objektiv nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Objektiv mindestens zwei Gruppen mit jeweils gegeneinander verdrehten Linsen oder Linsenteilen aufweist.
17. Objektiv nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei die Linsenachsen in die <111<- Kristallrichtung oder dazu äquivalente Hauptkristallrichtungen weisen und die Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) der Linsen oder Linsenteile eine 3-zählige Azimutalsymmetrie aufweist.
18. Objektiv nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei die Linsenachsen in die <100<- Kristallrichtung oder dazu äquivalente Hauptkristallrichtungen weisen und die Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) der Linsen oder Linsenteile eine 4-zählige Azimutalsymmetrie aufweist.
19. Objektiv nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei die Linsenachsen in die <110<- Kristallrichtung oder dazu äquivalente Hauptkristallrichtungen weisen und die Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) der Linsen oder Linsenteile eine 2-zählige Azimutalsymmetrie aufweist.
20. Objektiv nach einem der Ansprüche 8 bis 19, wobei die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile einer ersten Gruppe in die <100<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile einer zweiten Gruppe in die <111<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen.
21. Objektiv nach einem der Ansprüche 8 bis 19, wobei die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile einer ersten Gruppe in die <100<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile einer zweiten Gruppe in die <110<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen.
22. Objektiv nach Anspruch 20 oder 21, wobei sich die Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL(αR, θR) aus einer ersten Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL1(αR, θR), welche durch die Linsen oder Linsenteile von allen ersten Gruppen hervorgerufen wird, und einer zweiten Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL2(αR, θR) welche durch die Linsen oder Linsenteile von allen zweiten Gruppen hervorgerufen wird, zusammensetzt und sich der Betrag des Maximalwerts der ersten Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL1(αR, θR) maximal um 30%, insbesondere maximal um 20% vom Betrag des Maximalwertes der zweiten Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL2(αR, θR) unterscheidet.
23. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Fluorid Kristall ein Kalzium- Fluorid-Kristall, ein Strontium-Fluorid-Kristall oder ein Barium-Fluorid-Kristall ist.
24. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Objektiv eine bildseitige numerische Apertur NA aufweist und die bildseitige numerische Apertur NA größer als 0.7, insbesondere größer als 0.8 ist.
25. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Lichtstrahlen Wellenlängen kleiner 200 nm aufweisen.
26. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei die Lichtstrahlen Wellenlängen kleiner 160 nm aufweisen.
27. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei das Objektiv (611) ein refraktives Objektiv ist.
28. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei das Objektiv ein katadioptrisches Objektiv (711) mit Linsen und mindestens einem Spiegel (Sp2) ist.
29. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei alle Linsen aus Kalzium-Fluorid sind.
30. Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage (81), umfassend
ein Beleuchtungssystem (83),
ein Objektiv 85) nach einem der Ansprüche 1 bis 29, das eine Struktur tragende Maske (89) auf ein lichtempfindliches Substrat (815) abbildet.
31. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen mit einer Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage (81) nach Anspruch 30.
32. Verfahren zur Herstellung von Objektiven, insbesondere von Projektionsobjektiven für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, mit mindestens zwei Linsen oder Linsenteilen aus Fluorid-Kristall, wobei die Linsen oder die Linsenteile Linsenachsen aufweisen, welche jeweils annähernd in eine Hauptkristallrichtung weisen, dadurch gekennzeichnet,
daß für ein Strahlbüschel mit Strahlen, welche jeweils einen Azimutwinkel αR, einen Öffnungswinkel θR und einen optischen Wegunterschied ΔOPL für zwei zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände in einer Bildebene aufweisen, die Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL(αR, θR) für Linsen oder Linsenteile bestimmt wird,
daß die Linsen oder die Linsenteile gegeneinander um die Linsenachsen derart verdreht angeordnet werden, daß die Verteilung der optischen Wegunterschiede ΔOPL(αR, θR) des Strahlbüschels wesentlich reduzierte Werte aufweist im Vergleich zu Linsen oder Linsenteilen, deren Linsenachsen in die gleiche Hauptkristallrichtung weisen und die nicht gegeneinander um die Linsenachsen verdreht angeordnet sind.
33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Objektiv eine erste Gruppe mit Linsen oder Linsenteilen und eine zweite Gruppe mit Linsen oder Linsenteilen aufweist und die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile der ersten Gruppe in die <100<- Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile der zweiten Gruppe in die <111<- Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen.
34. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Objektiv eine erste Gruppe mit Linsen oder Linsenteilen und eine zweite Gruppe mit Linsen oder Linsenteilen aufweist und die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile der ersten Gruppe in die <100<- Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und die Linsenachsen der Linsen oder Linsenteile der zweiten Gruppe in die <110<- Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen.
35. Linsenherstellverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Platten aus gegeneinander hinsichtlich der Kristallorientierung verdrehtem Kristallmaterial, vorzugsweise Fluorid-Kristall und insbesondere Kalziumfluorid, optisch nahtlos gefügt, insbesondere angesprengt werden und anschließend als ein einheitliches Blank formgebend bearbeitet und poliert werden.
36. Linsenherstellverfahren nach Anspruch 35, wobei die Platten jeweils eine Doppelbrechungsverteilung Δn(αL, θL) aufweisen, deren Doppelbrechungswerte Δn von Azimutwinkeln αL bezüglich einer zur Linsenachse senkrecht stehenden Bezugsrichtung und von Öffnungswinkeln θR bezüglich der Linsenachse abhängen und welche eine k-zählige Azimutalsymmetrie aufweist,
wobei für eine Anzahl von N Platten die Flächennormalen in die gleiche Hauptkristallrichtung oder eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und die Doppelbrechungsverteilungen Δn(αL, θL) bezüglich der Bezugsrichtungen den gleichen azimutalen Verlauf aufweisen,
wobei zwischen den Bezugsrichtungen der einzelnen Platten Drehwinkel γ definiert sind, wobei für den Drehwinkel γ zwischen je zwei Platten gilt:
wobei m eine ganze Zahl ist.
37. Linsenherstellverfahren nach Anspruch 36, wobei zwei Platten nahtlos gefügt werden.
38. Linsenherstellverfahren nach einem der Ansprüche 36 und 37, wobei die Platten annähernd gleiche Dicke aufweisen.
39. Linsenherstellverfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, wobei bei ersten Platten die Flächennormalen in die <111<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und bei zweiten Platten die Flächennormalen in die <100<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen.
40. Linsenherstellverfahren nach Anspruch 39, wobei die ersten Platten eine annähernd gleiche erste Dicke aufweisen und die zweiten Platten eine annähernd gleiche zweite Dicke aufweisen und das Verhältnis der Summe der ersten Dicken zur Summe der zweiten Dicken 1.5 ± 0.2 ist.
41. Linsenherstellverfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, wobei bei ersten Platten die Flächennormalen in die <110<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen und bei zweiten Platten die Flächennormalen in die <100<-Kristallrichtung oder in eine dazu äquivalente Hauptkristallrichtung weisen.
42. Linsenherstellverfahren nach Anspruch 41, wobei die ersten Platten eine annähernd gleiche erste Dicke aufweisen und die zweiten Platten eine annähernd gleiche zweite Dicke aufweisen und das Verhältnis der Summe der ersten Dicken zur Summe der zweiten Dicken 4.0 ± 0.4 ist.
43. Linsenherstellverfahren nach einem der Ansprüche 41 und 42, wobei zwei erste Platten mit einer zweiten Platte optisch nahtlos gefügt werden.
44. Linsenherstellverfahren nach einem der Ansprüche 41 und 42, wobei vier erste Platten mit zwei zweiten Platte optisch nahtlos getilgt werden.
45. Linse, gekennzeichnet durch die Herstellung nach einem der Ansprüche 35 bis 44.
46. Objektiv, insbesondere ein Projektionsobjektiv (611, 711) für eine Mikrolithographie- Projektionsbelichtungsanlage (81), dadurch gekennzeichnet, daß es eine Linse nach Anspruch 45 umfaßt.
47. Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Linse nach Anspruch 45 umfaßt.
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