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Die
Erfindung betrifft ein optisches Element, insbesondere für ein Objektiv
oder eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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Es
ist bekannt, dass bei einkristallinen kubischen Materialien wie
z.B. Kalziumfluorid, welches in der Mikrolithographie insbesondere
bei Arbeitswellenlängen
kleiner als 250 nm eingesetzt wird, trotz der in der Kristallstruktur
vorhandenen hohen Symmetrie der Effekt der sogenannten intrinsischen
Doppelbrechung auftritt, der bei den in der Mikrolithographie erforderlichen
hohen Auflösungen
zu Telezentriefehlern und Kontrastverlusten führt und somit die optische
Abbildung erschwert.
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Die
intrinsische Doppelbrechung in Kalzium-Fluorid-Einkristallen wurde
insbesondere in der Internet-Publikation „Preliminary Determination
of an Intrinsic Birefringence in CaF2" von John H. Burnett
et al., NIST Gaithersburg MD 20899 USA (verbreitet am 07.05.01)
nachgewiesen. Die dort präsentierten
Messungen zeigen, dass die intrinsische Doppelbrechung stark richtungsabhängig ist
und mit kleiner werdender Wellenlänge deutlich zunimmt.
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Zur
Reduzierung des Effekts der intrinsischen Doppelbrechung sind diverse
Ansätze
bekannt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Element, insbesondere
für ein
Objektiv oder eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungsanlage, sowie ein optisches System anzugeben,
welche eine Verbesserung der Abbildungsqualität trotz Vorhandensein von optischen
Elementen mit intrinsischer oder auch natürlicher Doppelbrechung ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes optisches
Element, insbesondere für
ein Objektiv oder eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungsanlage, umfasst:
ein Substrat, das für durch
das Substrat hindurchtretendes Licht einer vorgegebenen Arbeitswellenlänge eine erste
Verzögerung
zwischen zueinander senkrechten Polarisationszuständen bewirkt;
und
wenigstens eine auf dem Substrat ausgebildete Schicht,
welche aus einem Material mit nicht-kubischer Kristallstruktur hergestellt
ist, das aufgrund natürlicher
Doppelbrechung eine zweite Verzögerung
zwischen zueinander senkrechten Polarisationszuständen bewirkt,
die von entgegengesetztem Vorzeichen wie die in dem Substrat bewirkte
erste Verzögerung
ist, wobei eine optische Kristallachse des Materials der Schicht
im Wesentlichen parallel zu einer Elementachse des optischen Elements
ist;
wobei für
durch das optische Element hindurchtretendes Licht der vorgegebenen
Arbeitswellenlänge
der Maximalwert der gesamten Verzögerung zwischen zueinander
senkrechten Polarisationszuständen
im Vergleich zu einem identischen Substrat ohne die Schicht reduziert
wird.
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Erfindungsgemäß wird hierbei
durch die in ihrer Kristallstruktur nicht-kubische, natürlich doppelbrechende
Schicht die Verzögerung
im Substrat reduziert und vorzugsweise weitgehend kompensiert. Dies
wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass zum einen die beiderseitigen Materialien des Substrats
und der Schicht so gewählt
werden, dass die Vorzeichen der durch die jeweilige Doppelbrechung
bewirkten Verzögerungen
in Substrat bzw. Schicht entgegengesetzt sind, so dass sich ein
Kompensationseffekt ergeben kann. Des Weiteren wird erfindungsgemäß die Dicke
der Schicht so auf die Abmessungen des Substrats abgestimmt, dass
der Effekt der natürlichen
Doppelbrechung in der Schicht hinsichtlich der Verzögerung denjenigen der
Doppelbrechung im Substrat nicht übersteigt, sondern teilweise
oder nahezu vollständig
kompensiert.
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Vorzugsweise
ist die Schicht auf dem Substrat wenigstens bereichsweise epitaktisch
aufgewachsen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist das Substrat aus einem Material
mit kubischer Kristallstruktur hergestellt, wobei die erste Verzögerung im
Substrat durch intrinsische Doppelbrechung bewirkt wird.
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In
diesem Falle wird durch die in ihrer Kristallstruktur nicht-kubische,
natürlich
doppelbrechende Schicht die Auswirkung des Effektes der intrinsischen
Doppelbrechung im kubischen Substrat reduziert und vorzugsweise
weitgehend kompensiert, wobei wiederum die Vorzeichen der durch
die jeweilige Doppelbrechung („intrinsisch" im Substrat, „natürlich" in der Schicht)
bewirkten Verzögerungen
in Substrat bzw. Schicht entgegengesetzt sind, so dass sich ein
Kompensationseffekt ergeben kann, und wobei die Dicke der Schicht so
auf die Abmessungen des Substrats abgestimmt wird, dass der (typischerweise
um Größenordnungen
höhere)
Effekt der natürlichen
Doppelbrechung in der Schicht, hinsichtlich der Verzögerung von
das optische Element durchlaufendem Licht, denjenigen der intrinsischen
Doppelbrechung im Substrat teilweise oder nahezu vollständig kompensiert.
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Unter
dem Merkmal, dass die optische Kristallachse des Materials der Schicht „im Wesentlichen" parallel zu einer
Elementachse des optischen Elements ist, ist im Sinne der Erfindung
zu verstehen, dass ein Winkel zwischen dieser optischen Kristallachse
und der Elementachse weniger als 5°, bevorzugt weniger als 3°, noch bevorzugter
weniger als 1° beträgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird der Maximalwert der gesamten Verzögerung zwischen zueinander
senkrechten Polarisationszuständen
im Vergleich zu einem identischen Substrat ohne die Schicht bei
der vorgegebenen Arbeitswellenlänge
um wenigstens 25%, bevorzugt wenigstens 50% und noch bevorzugter
um wenigstens 75% reduziert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist das Material der Schicht ein optisch einachsiges Kristallmaterial.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat mit solchem Kristallschnitt hergestellt, dass die
Elementachse parallel zur <111>-Kristallrichtung ist,
und kann insbesondere aus Kalzium-Fluorid in (111)-Orientierung
hergestellt sein.
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Passend
hierzu weist dann das Material der Schicht bevorzugt eine hexagonale
oder trigonale Kristallstruktur auf, und kann insbesondere Lanthan-Fluorid
sein, wobei die optische Kristallachse im Wesentlichen parallel
zur <111>-Kristallrichtung im Material des Substrats
ist. In diesem Falle kann z.B. ein kristallines Aufwachsen der Schicht
erfolgen, wenn der relevante Gitterparameter der hexagonalen Struktur
insbesondere etwa a·√2·1/2 beträgt (wobei
a der relevante Gitterparameter des Substrats ist).
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat mit solchem Kristallschnitt hergestellt, dass die
Elementachse im Wesentlichen parallel zur <100>-Kristallrichtung
ist. Passend hierzu weist dann das Material der Schicht bevorzugt
eine tetragonale Kristallstruktur auf. In diesem Falle kann ein
kristallines Aufwachsen der Schicht senkrecht zur (100)-Ebene des
Substrats erfolgen, wenn die beiden gleich langen Achsen der tetragonalen
Struktur entlang der kubischen (100)- bzw. (010)-Richtung orientiert
sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat mit solchem Kristallschnitt hergestellt, dass die
Elementachse im Wesentlichen parallel zur <110>-Kristallrichtung
ist. Passend hierzu weist dann das Material der Schicht bevorzugt
eine monokline Kristallstruktur auf.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung kann das Substrat auch aus einem Material
mit nicht-kubischer Kristallstruktur hergestellt sein, wobei die
erste Verzögerung
im Substrat aufgrund natürlicher
Doppelbrechung bewirkt wird. In diesem Falle wird somit durch die
nicht-kubische, natürlich
doppelbrechende Schicht die Auswirkung des Effektes der natürlichen
Doppelbrechung im ebenfalls nicht-kubischen Substrat reduziert und
vorzugsweise weitgehend kompensiert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass zum einen die beiderseitigen Materialien des Substrats
und der Schicht so gewählt
werden, dass die Vorzeichen der durch die jeweilige natürliche Doppelbrechung
im Substrat und in der Schicht bewirkten Verzögerungen entgegengesetzt sind,
so dass sich überhaupt
ein Kompensationseffekt ergeben kann. Des Weiteren werden die Materialien
des Substrats und der darauf vorzugsweise wenigstens bereichsweise
epitaktisch aufgewachsenen Schicht so abgestimmt, dass das Material
der Schicht eine wesentlich -typischerweise um eine oder mehrere Größenordnungen-
höhere
natürliche
Doppelbrechung im Vergleich zu dem Material des Substrats aufweist, so
dass die Verzögerung
im Substrat durch den Effekt der Schicht hinreichend kompensiert
werden kann. Insgesamt werden die beiderseitigen Materialien und
Dicken so abgestimmt, dass die Verzögerung in der Schicht die Verzögerung im
Substrat nicht übersteigt,
sondern teilweise oder nahezu vollständig kompensiert. Die Dicken
skalieren dabei umgekehrt mit dem Verhältnis der Doppelbrechungen.
Ist also die Doppelbrechung 100-mal größer, so reicht eine Schicht
mit einem Hundertstel der Dicke des Substrats (diese Dicke ist ggf.
noch bei unterschiedlichen Brechungsindizes mit der geometrischen
Weglänge
der Strahlen zu skalieren).
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein optisches System mit
einer Mehrzahl von Linsen, wobei auf wenigstens einer Linse mindestens
eine Schicht aus einem Material mit nicht-kubischer Kristallstruktur
ausgebildet ist, welches aufgrund natürlicher Doppelbrechung für durch
die Schicht hindurchtretendes Licht einer vorgegebenen Arbeitswellenlänge eine
Verzögerung
zwischen zueinander senkrechten Polarisationszuständen bewirkt,
wobei eine optische Kristallachse dieses Materials im Wesentlichen
parallel zu einer optischen Achse des optisches Systems ist, und
wobei für
durch das optische System hindurchtretendes Licht der Maximalwert
der Verzögerung
zwischen zueinander senkrechten Polarisationszuständen im
Vergleich zu einem entsprechenden optischen System ohne die Schicht
reduziert wird.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Beleuchtungssystem, ein Projektionsobjektiv
sowie eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit
einem erfindungsgemäßen optischen
Element und/oder einem erfindungsgemäßen optischen System.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische, nicht maßstabsgetreue
Darstellung des Aufbaus eines optischen Elements gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2a–c eine
Veranschaulichung des Effekts der intrinsischen Doppelbrechung in
einer planparallelen (100)-Linse (2a), (111)-Linse
(2b) und (110)-Linse (2c) in
schematischer, dreidimensionaler Darstellung;
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3 eine
schematische, nicht maßstabsgetreue
Darstellung des Aufbaus eines optischen Elements gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
schematische, nicht maßstabsgetreue
Darstellung des Aufbaus eines optischen Systems gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
Darstellung zur Erläuterung
des Prinzips der Ausbildung eines optischen Elements gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 den
Linsenschnitt eines refraktiven Projektionsobjektivs; und
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7 eine
schematische Darstellung einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage.
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1 zeigt
in schematischer, nicht maßstabsgetreuer
Darstellung den Aufbau eines optischen Elements 100 gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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Das
optische Element 100 umfasst ein Substrat 110 in
Form einer planparallelen Platte aus Kalzium-Fluorid, welche eine
Dicke d1 aufweist und in (111)-Orientierung
hergestellt ist, d.h. die Elementachse EA steht senkrecht auf der
{111}-Kristallebene
und damit parallel zur <111>-Kristallrichtung des
Substrats 110. Der Durchmesser der planparallelen Platte
ist beliebig und kann beispielsweise 20 cm betragen. Die Dicke d1 ist ebenfalls grundsätzlich beliebig und kann in
dem Ausführungsbeispiel
zu d1 = 2 cm angenommen werden.
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Auf
dem Substrat 110 ist eine Schicht 120 aus Lanthan-Fluorid
aufgebracht. Die Schicht 120 ist so in definierter Weise
und in kristalliner Form aufgewachsen, dass die optische Kristallachse
in der hexagonalen Kristallstruktur des Lanthan-Fluorid-Materials, üblicherweise
und im Folgenden als „c-Achse" bezeichnet, parallel
zur Elementachse EA und somit senkrecht auf der {111}-Kristallebene
des Kalzium-Fluorid-Materials
des Substrats 110 steht.
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Die
Ausbildung der Schicht 120 auf dem Substrat 110 erfolgt
vorzugsweise durch epitaktisches Aufwachsen mittels eines niederenergetischen
PVD-Verfahrens (PVD = „Physical
Vapour Deposition"),
wozu sowohl thermisches Verdampfen (mittels Elektronenstrahlverdampfung
oder Widerstandsheizung) als auch Molekularstrahlepitaxie (MBE = „Molecular
Beam Epitaxy") geeignet
sind. Beispielsweise können
für ein
epitaktisches Aufwachsen mittels thermischem Verdampfen – bei vorgereinigtem
Substrat – geeignete
Beschichtungstemperaturen zwischen Raumtemperatur und 350°C, vorzugsweise
im Bereich von 150°C
bis 300°C,
am meisten bevorzugt im Bereich von 200°C bis 250°C gewählt werden. Die Beschichtungsraten
vom LaF3 sollten im Bereich von 0.01 bis
2 nm/s, bevorzugt von 0.1 und 0.5 nm/s liegen. Der Basisdruck sollte
im Bereich unterhalb von 10–5 mbar liegen, bevorzugte
von 10–6 bis
10–7 mbar
liegen.
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Beim
Aufwachsen der Schicht 120 auf dem Substrat 110 ist
es für
die Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile
nicht hinderlich, wenn einzelne kleinere monokristalline Bereiche
oder Inseln von zueinander unterschiedlicher Orientierung in der
Schicht 120 vorliegen, wenn also die Schicht 120 nicht über die
gesamte Oberfläche
des Substrats 110 monokristallin ist, solange die Ziehrichtung
senkrecht auf der Oberfläche
des Substrats steht.
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Das
Kalzium-Fluorid-Material des Substrats 110 zeigt abhängig vom
Einfallswinkel α relativ
zur Elementachse EA den Effekt der intrinsischen Doppelbrechung,
wie im Folgenden zunächst
allgemein erläutert wird.
Die Schicht 120 weist eine Dicke d2 auf,
die so auf die Dicke d1 des Substrats 110 abgestimmt
ist, dass dieser Effekt der intrinsischen Doppelbrechung im optischen
Element 100 reduziert wird.
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In 2a wird
zunächst
mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, wie die
intrinsische Doppelbrechung im Kalzium-Fluorid-Material 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.
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In 2b wird
mit einer dreidimensionalen Darstellung veranschaulicht, wie die
intrinsische 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.
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In 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°,
bzw. 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.
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Unter
Bezugnahme wiederum auf 1 verschwindet demnach die intrinsische
Doppelbrechung für einen
parallel zur Elementachse EA auftreffenden und sich somit in der <111>-Kristallrichtung ausbreitenden Strahl,
und wird für
Strahlausbreitung in der <110>-Kristallrichtung,
welche unter einem Winkel α1 = 35° zur <111>-Kristallrichtung und
somit zur Elementachse EA steht, maximal. Die aus dieser bei Strahlausbreitung
in der <110>-Kristallrichtung maximalen
intrinsischen Doppelbrechung resultierende Verzögerung beträgt im Kalzium-Fluorid-Material
bei einer im vorliegenden Ausführungsbeispiel
zugrundegelegten Arbeitswellenlänge von
193 nm etwa r1 = –3.4 nm/cm. Mit „Verzögerung" wird die Differenz
der optischen Wege zweier orthogonaler (senkrecht zueinander stehender)
Polarisationszustände
bezeichnet.
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Das
Lanthan-Fluorid-Material der Schicht 120 ist bedingt durch
die niedere Symmetrie seiner hexagonalen Kristallstruktur und die
hieraus folgende optische Anisotropie „natürlich doppelbrechend", wobei die Differenz
zwischen den Brechzahlen no für den ordentlichen
Strahl und ne für den außerordentlichen Strahl etwa n0 – ne = 0.0094 beträgt.
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In
dem Lanthan-Fluorid-Material der Schicht 120 ergibt sich
abhängig
vom Winkel α2 der Strahlausbreitung α relativ zur optische Kristallachse
und damit vorliegend zur Elementachse EA bedingt durch den Effekt
der natürlichen
Doppelbrechung eine Verzögerung
r2(α2), die etwa durch r2 ≈ (no – ne)·d·sin2(α2) gegeben ist und somit bei Strahlausbreitung
parallel zur optischen Kristallachse verschwindet und bei Strahlausbreitung senkrecht
zur optischen Kristallachse maximal wird.
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Betrachtet
man einen Strahl, der sich im Kalzium-Fluorid-Material des Substrats 110 unter
einem Winkel α1 = 35° zur <111>-Kristallrichtung und
somit zur Elementachse EA, also in <110>-Kristallrichtung
ausbreitet, so ergibt sich für
diesen Strahl nach dem oben gesagten die maximale intrinsische Doppelbrechung.
Der gleiche Strahl breitet sich im Lanthan-Fluorid-Material der Schicht 120 unter
Berücksichtigung
der bei 193 nm geltenden ungefähren
Brechzahlen beider Materialien von n1(Kalzium-Fluorid) ≈ 1.51 und
n2,0(Lanthan-Fluorid) ≈ 1.71 gemäß dem für den ordentlichen Strahl geltenden
Brechungsgesetz n1·sinα1 =
n2·sinα2 unter
einem Winkel von etwa α2= ≈ 30.4° zur optischen
Kristallachse und somit zur Elementachse EA aus. Bedingt durch den Effekt
der natürlichen
Doppelbrechung im Lanthan-Fluorid-Material der Schicht 120 ergibt
sich somit eine Verzögerung
r2 in Abhängigkeit von der Dicke d2 der Schicht 120 von etwa r2 ≈ (n0 – ne)·d2·sin2(α2) 0.0094·d2·0.256. Hieraus
folgt für
das Verhältnis
von Verzögerung
r2 und Dicke d2 der
Schicht 120 der Ausdruck r2/d2 2.4·10–3 ≈ 2.4 nm/μm. Die absoluten
Werte der angegebenen Brechzahlen können ggf. variieren, was jedoch
grundsätzlich
nichts an dem dargestellten Prinzip der vorliegenden Erfindung ändert.
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Da
diese durch natürliche
Doppelbrechung bedingte Verzögerung
r2 im Lanthan-Fluorid-Material der Schicht 120 von
entgegengesetztem Vorzeichen ist wie die durch intrinsische Doppelbrechung
bedingte Verzögerung
r1 im Kalzium-Fluorid-Material des Substrats 110,
ist bei geeigneter Abstimmung der Dicken d2 und d1 im optischen Element 100 erfindungsgemäß eine weitgehende
gegenseitige Kompensation und damit eine wesentliche Reduzierung
der Auswirkung des Effekts der intrinsischen Doppelbrechung im Kalzium-Fluorid-Material
des Substrats 110 auf eine gesamte Verzögerung im optischen Element 100 erzielbar:
Beträgt beispielsweise
die Dicke d1 des Substrats 110 d1 = 2 cm, so beträgt die geometrische Weglänge des o.g.
Strahls, welcher sich in dem Substrat 110 unter dem Winkel α1 =
35° ausbreitet,
d1' =
d1·cosα1 ≈ 1.64 cm, so
dass sich für
diesen Strahl eine Verzögerung
im Substrat 110 von etwa r1,max ≈ (–3.4 nm/cm)·1.64 cm ≈ –5.58 nm
ergibt. Zur Kompensation dieser Verzögerung durch eine betragsmäßig gleich
große,
jedoch im Vorzeichen entgegengesetzte Verzögerung in der Schicht 120 beträgt daher
die optimale Dicke der Schicht 120 etwa d2 = r1,max/2.4 nm/μm ≈ 5.58/2.4 nm/μm ≈ 2.325 μm. In diesem Falle beträgt somit
das Dickenverhältnis
d1/d2 = 2 cm/2.325 μm ≈ 8600.
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Entsprechend
der im obigen Beispiel erzielten weitgehenden Kompensation der durch
die intrinsische Doppelbrechung im Kalzium-Fluorid-Material des
Substrats 110 bewirkten Verzögerung weist auch die Verteilung
der Verzögerungen
in Abhängigkeit
von Einfallswinkel auf das optische Element 100 reduzierte
Werte im Vergleich zu einem optischen Element ohne die Schicht 120 auf.
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Des
Weiteren ergibt sich für
das obige Beispiel, dass immer noch eine teilweise Kompensation
der durch intrinsische Doppelbrechung im Substrat bewirkten Verzögerung durch
die Schicht 120 erfolgt, sofern deren Dicke d2 kleiner
ist als d2,max ≈ 4.65 μm. In diesem Falle beträgt somit
das Dickenverhältnis
d1/d2 = 2 cm/4.65 μm ≈ 4300. Für größere Dicken
der Schicht (bzw. kleinere Dickenverhältnisse d1/d2) ergibt sich eine Erhöhung der gesamten Verzögerung und
damit eine Verschlechterung, da die durch die Schicht 120 bewirkte Verzögerung zu
einer Gesamtverzögerung
führt,
welche den Effekt der intrinsischen Doppelbrechung im Substrat 110 (ohne
Schicht 120) übersteigt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird die Dicke d2 so auf die Dicke d1 des Substrats 110 abgestimmt,
dass sich für
einen Strahl mit maximaler Verzögerung
r1,max im Substrat 110 (gemäß dem Ausführungsbeispiel
mit (111)-Kalzium-Fluorid also einem Strahl mit Strahlausbreitung
unter 35° zur
Elementachse im Substrat 110) in der Schicht eine Verzögerung mit
entgegengesetztem Vorzeichen ergibt, deren betragsmäßiger Wert
wenigstens 50%, weiter bevorzugt wenigstens 75% und am meisten bevorzugte
genau 100% der maximalen Verzögerung
r1,max im Substrat 110 beträgt.
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Die
Erfindung ist weder auf die Materialien noch die Abmessungen und
Geometrien in dem o.g. Ausführungsbeispiel,
dass lediglich zur Erläuterung
des Prinzips der Erfindung dient, beschränkt. Vielmehr kommt es in der
o.g. Ausführungsform
lediglich darauf an, dass das Material der Schicht 120 in
solcher Weise passend zu dem Material des Substrats 110 gewählt wird,
dass zum einen die Vorzeichen der durch die jeweilige Doppelbrechung
(„intrinsisch" im Substrat 110, „natürlich" in der Schicht)
bewirkten Verzögerungen
in Substrat bzw. Schicht entgegengesetzt sind, so dass sich der
oben erläuterte
teilweise oder vollständige
Kompensationseffekt ergibt. Zum anderen sind die beiderseitigen
Materialien in Bezug auf ihre Gitterparameter so zu wählen, dass
das o.g. kristalline Aufwachsen der Schicht mit definierter Ziehrichtung,
insbesondere ein epitaktisches Aufwachsen, ermöglicht wird.
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Damit
der Beitrag der natürlichen
Doppelbrechung durch die Schicht 120 hinreichend groß ist, um
die intrinsische Doppelbrechung des Substrats 110 bereits
mit einer möglichst
geringen Schichtdicke zumindest teilweise zu kompensieren, weist
das Material der Schicht vorzugsweise eine große Differenz zwischen der ordentlichen
Brechzahl no und der außerordentlichen Brechzahl ne auf.
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In
Tabelle 1 ist eine Übersicht über beispielhafte
erfindungsgemäß geeignete
Materialien mit relativ großer
Differenz zwischen der ordentlichen Brechzahl no und
der außerordentlichen
Brechzahl ne zur Herstellung der Schicht
angegeben, wobei für
diese Materialien no größer als ne ist.
Eine aus einer dieser Materialien bestehende epitaktische Schicht
ist somit grundsätzlich
zur Kompensation der Verzögerung
in einem Substrat mit negativem Vorzeichen der intrinsischen Doppelbrechung
geeignet, beispielsweise Kalzium-Fluorid (CaF2), Strontium-Fluorid
(SrF2), Barium-Fluorid (BaF2),
Lithium-Fluorid (LiF), Natrium-Fluorid (NaF), Kalium-Fluorid (KF),
Rubidium-Fluorid (RbF) oder Cäsium-Fluorid (CsF).
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Ebenfalls
angegeben sind jeweils die ordentliche Brechzahl no sowie
die außerordentliche
Brechzahl ne jeweils für λ = 589 nm (sowie bei Kennzeichnung
* für λ = 365.5
nm, bei Kennzeichnung ** für λ = 248.338 nm
und bei Kennzeichnung *** für λ = 193.304
nm). Hierzu ist anzumerken, dass zu niedrigeren Wellenlängen und
insbesondere hin zu den für
Mikrolithographie-Anwendungen typischen Arbeitswellenlängen von
weniger als 250 nm (bevorzugt etwa 248 nm, 193 nm oder 157 nm) die
Brechzahlen jeweils ansteigen, wobei no jeweils stärker ansteigt
als ne und somit auch die Brechzahldifferenz
no – ne noch größere Werte
als bei λ =
589 nm annimmt.
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In
Tabelle 2 ist eine Übersicht über beispielhafte
erfindungsgemäß geeignete
Materialien mit relativ großer
Differenz zwischen der ordentlichen Brechzahl no und
der außerordentlichen
Brechzahl ne zur Herstellung der Schicht
angegeben, wobei für
diese Materialien no kleiner als ne ist. Eine aus einer dieser Materialien bestehende
epitaktische Schicht ist somit grundsätzlich zur Kompensation der
Verzögerung
in einem Substrat mit positiven Vorzeichen der intrinsischen Doppelbrechung
geeignet, beispielsweise Yttriumaluminiumgranat (Y3Al5O12), Magnesiumspinell
(MgAl2O4), Kalziumspinell
(CaAl2O4), Manganspinell
(MnAl2O4), Lithiumspinell (Al5O8Li) und Pyrop
(Mg3Al2Si3O12).
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Ebenfalls
angegeben sind jeweils die ordentliche Brechzahl no sowie
die außerordentliche
Brechzahl ne jeweils für λ = 589 nm.
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In 3 ist
ein optisches Element 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Das optische Element 300 unterscheidet
sich vom optischen Element 100 gemäß 1 lediglich
dadurch, dass das Substrat 310 aus zwei Elementen 310a und 310b (beispielsweise
durch nahtloses Fügen,
Ansprengen o. dgl.) zusammengesetzt ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind beide Elemente 310a und 310b aus
Kalzium-Fluorid in (111)-Orientierung hergestellt und um die Elementachse
EA gegeneinander verdreht, und zwar idealerweise um einen Winkel
von β =
60° + 1·120°, wobei 1
eine ganze Zahl ist. Infolge der charakteristischen, im Falle der
(111)-Orientierung 3-zähligen
Symmetrie der bewirkten Verzögerung
führt diese
Verdrehung in für
sich bekannter Weise dazu, dass die Verteilung der Verzögerung azimutal symmetrisch
wird und reduzierte Maximalwerte der Verzögerung im Vergleich zu einer
nicht verdrehten Anordnung aufweist.
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Die
Wirkung der auf das Substrat 310 aufgebrachten Schicht 320 aus
Lanthan-Fluorid-Material ist im Übrigen
analog zu 1, führt jedoch infolge der nunmehr
rotations- bzw. azimutalsymmetrischen Verzögerung im Substrat 310 zu
einer insgesamt noch effektiveren Kompensation des Effekts der intrinsischen
Doppelbrechung.
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In 4 ist
lediglich schematisch und zur Erläuterung des Prinzips ein optisches
System 400 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt.
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Das
optische System 400 weist eine Mehrzahl von Linsen 410–440 auf,
welche entlang einer optischen Achse OA angeordnet sind und aus
gleichem oder unterschiedlichem Material hergestellt sein können. Lediglich
beispielhaft kann z.B. die Linse 440 ebenso wie die Linsen 420 und 430 aus
Kalzium-Fluorid-Material in
(111)-Orientierung hergestellt sein, und die Linse 410 kann
beispielsweise aus Quarzglas bestehen.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist auf der Oberfläche 450 analog
zu den in 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen
eine Schicht 450 aus Lanthan-Fluorid-Material derart aufgebracht,
vorzugsweise epitaktisch aufgewachsen, dass die optische Kristallachse
der Schicht 450 parallel zur optischen Achse OA ist, also
die „c"-Richtung des Lanthan-Fluorid-Material
entlang der optischen Achse orientiert ist.
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Im
Unterschied zu den Ausführungsbeispielen
gemäß 1 und 3 soll
hier die Schicht 450 eine solche Dicke d3 aufweisen,
dass für
durch das optische System 400 hindurchtretendes Licht der
Maximalwert der Verzögerung
zwischen zueinander senkrechten Polarisationszuständen im
Vergleich zu einem entsprechenden optischen System ohne die Schicht 450 reduziert
wird. Mit anderen Worten wird die Dicke d3 der Schicht
so gewählt,
dass nicht nur die Verzögerung
infolge intrinsischer Doppelbrechung in der Kalzium-Fluorid-Linse 440,
sondern die gesamte Verzögerung
unter Berücksichtigung
auch der intrinsischer Doppelbrechung in den weiteren Kalzium-Fluorid-Linsen 420 und 430 reduziert
bzw. weitgehend kompensiert wird. Selbstverständlich können auch eine oder mehrere
der Kalzium-Fluorid-Linsen in geeigneter Weise gegeneinander um
ihre Linsenachse verdreht angeordnet oder aus gegeneinander um die
optische Achse verdreht angeordneten Elementen zusammengesetzt sein,
um analog zu den Ausführungen
zu 3 eine möglichst
azimutalsymmetrische Verteilung der Verzögerung zu erreichen.
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Anhand
von 5 wird ein optisches Element gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Gemäß 5a)–b
wird zur Ausbildung eines optischen Elements 500 auf einem
Substrat 510, welches aus einem Kristallmaterial mit kubischer
Kristallstruktur hergestellt ist, im Unterschied zu 1 und 3 kein
nicht-kubisches Material, sondern ebenfalls ein Material mit kubischer
Kristallstruktur aufgewachsen, dessen Gitterparameter geringfügig vom
Gitterparameter des Substrats 510 abweicht (siehe 5a). Bekanntermaßen findet in einem solchen
Falle unter geeigneten Bedingungen ebenfalls ein epitaktisches Wachstum statt,
wobei sich jedoch eine tetragonale Verzerrung der aufgewachsenen,
ursprünglich
kubischen Kristallstruktur 520 einstellt (siehe 5b, insbesondere Pfeile B und C), die
erst bei größeren Dicken
(von z.B. größenordnungsmäßig 10 μm) relaxiert.
Diese tetragonale Verzerrung führt
eine Doppelbrechung in dem aufgewachsenen Material 520 ein,
die – bei
entgegengesetztem Vorzeichen der hierdurch bewirkten Verzögerung im
Vergleich zur Verzögerung
infolge intrinsischer Doppelbrechung im Substrat, analog zu 1, 3 zu
einer Kompensation des Effektes der intrinsischen Doppelbrechung
genutzt werden kann.
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6 zeigt
einen Meridional-Gesamtschnitt durch ein vollständiges Projektionsobjektiv 600 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
Designdaten des Projektionsobjektivs
600 sind in Tabelle
3 in bekannter Weise aufgeführt;
Radien, Dicken (bezeichnen den Abstand der jeweiligen Fläche zur
nachfolgenden Fläche)
und der halbe freie Durchmesser der Linsen sind in Millimetern angegeben.
Die durch waagerechte Linien gekennzeichneten und in Tabelle 4 spezifizierten
Flächen
sind asphärisch
gekrümmt,
wobei die Krümmung
dieser Flächen
durch die nachfolgende Asphärenformel
gegeben ist:
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Dabei
sind P die Pfeilhöhe
der betreffenden Fläche
parallel zur optischen Achse, h der radiale Abstand von der optischen
Achse, r der Krümmungsradius
der betreffenden Fläche,
K die konische Konstante und C1, C2, ... die in Tabelle 4 aufgeführten Asphärenkonstanten.
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7 zeigt
eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungs anlage mit einer Beleuchtungseinrichtung und
einem Projektionsobjektiv, in welchen eine oder mehrere optische
Elemente und/oder optische Systeme gemäß der Erfindung insbesondere
eingesetzt sein können.
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Gemäß 7 weist
eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage 700 eine
Beleuchtungseinrichtung 701 und ein Projektionsobjektiv 702 auf.
Das Projektionsobjektiv 702 umfasst eine Linsenanordnung 703 mit
einer Aperturblende AP, wobei durch die lediglich schematisch angedeutete
Linsenanordnung 703 eine optische Achse OA definiert wird.
Ein Ausführungsbeispiel
für die
Linsenanordnung 703 ist in 6 gegeben.
Zwischen der Beleuchtungseinrichtung 701 und dem Projektionsobjektiv 702 ist
eine Maske 704 angeordnet, die mittels eines Maskenhalters 705 im
Strahlengang gehalten wird. Solche in der Mikrolithographie verwendeten
Masken 704 weisen eine Struktur im Mikrometer- bis Nanometer-Bereich
auf, die mittels des Projektionsobjektives 702 beispielsweise
um den Faktor 4 oder 5 verkleinert auf eine Bildebene IP abgebildet
wird. In der Bildebene IP wird ein durch einen Substrathalter 707 positioniertes
lichtempfindliches Substrat 715, bzw. 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 702 ab, wobei die maximal erreichbare
Auflösung
der Projektionsbelichtungsanlage 700 mit abnehmender Wellenlänge λ der Beleuchtungseinrichtung 701 und
mit zunehmender bildseitiger numerischer Apertur des Projektionsobjektivs 702 steigt.
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Wenn
die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde,
erschließen
sich für
den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen,
z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner
Ausführungsformen.
Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige
Variationen und alternative Ausführungsformen
von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite
der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und
deren Äquivalente
beschränkt
ist.
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Tabelle
3 (DESIGNDATEN zu Fig. 6)
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Tabelle
4: (ASPHAERISCHE KONSTANTEN zu Fig. 6)