DE102006013560A1

DE102006013560A1 - Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006013560A1
Application number: DE102006013560A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr. Clauß
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2006-10-26
Also published as: US20060238895A1; US7679721B2

Abstract

Ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage (10) dient der Abbildung eines in einer Objektebene (22) des Projektionsobjektivs (20; 20'; 20'') anordenbaren Retikels (24) auf eine Bildebene (28). Das Projektionsobjektiv hat eine erste Linse (L5; L5'; L5''), die das bildseitig vorletzte gekrümmte optische Element ist. Sie hat bildseitig eine konkave Fläche (38; 38') und enthält einen ersten intrinsisch doppelbrechenden Kristall, der eine erste Orientierung der Kristallachsen hat. Das Projektionsobjektiv hat ferner eine zweite Linse (L6; L6'; L6''), die das bildseitig letzte gekrümmte optische Element ist und objektseitig eine konvexe Fläche (42; 42') hat. Die zweite Linse enthält einen zweiten intrinsisch doppelbrechenden Kristall, der eine zweite Orientierung der Kristallachsen hat. Diese läßt sich durch Drehung der ersten Orientierung der Kristallachsen um eine Symmetrieachse (40) der ersten Linse (L5; L5'; L5'') beschreiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv für mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlagen, wie sie zur Herstellung hochintegrierter elektrischer Schaltkreise und anderer mikrostrukturierter Bauteile verwendet werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Projektionsobjektivs.

Integrierte elektrische Schaltkreise und andere mikrostrukturierte Bauelemente werden üblicherweise hergestellt, indem auf ein geeignetes Substrat, bei dem es sich beispielsweise um einen Silizium-Wafer handeln kann, mehrere strukturierte Schichten aufgebracht werden. Zur Strukturierung der Schichten werden diese zunächst mit einem Photolack bedeckt, der für Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches empfindlich ist. Anschließend wird der so beschichtete Wafer in einer Projektionsbelichtungsanlage belichtet. Dabei wird ein Muster aus Strukturen, das sich auf einem Retikel befindet, auf den Photolack mit Hilfe eines Projektionsobjektivs abgebildet. Da der Abbildungsmaßstab dabei im allgemeinen kleiner als 1 ist, werden derartige Projektionsobjektive häufig auch als Reduktionsobjektive bezeichnet.

Nach dem Entwickeln des Photolacks wird der Wafer einem Ätz- oder Abscheideprozeß unterzogen, wodurch die oberste Schicht entsprechend dem Muster auf dem Retikel strukturiert wird. Der noch verbliebene Photolack wird dann von den verbleibenden Teilen der Schicht entfernt. Dieser Prozeß wird so oft wiederholt, bis alle Schichten auf dem Wafer aufgebracht sind.

Eines der wesentlichen Ziele bei der Entwicklung der bei der Herstellung eingesetzten Projektionsbelichtungsanlagen besteht darin, Strukturen mit zunehmend kleineren Abmessungen auf dem Wafer lithographisch definieren zu können. Kleine Strukturen führen zu hohen Integrationsdichten, was sich im allgemeinen günstig auf die Leistungsfähigkeit der mit Hilfe derartiger Anlagen hergestellten mikrostrukturierten Bauelemente auswirkt.

Die Größe der definierbaren Strukturen hängt vor allem von dem Auflösungsvermögen des verwendeten Projektionsobjektivs ab. Da das Auflösungsvermögen der Projektionsobjektive sich mit kürzer werdenden Wellenlängen des Projektionslichts verbessert, besteht ein Ansatz zur Erhöhung des Auflösungsvermögens darin, Projektionslicht mit immer kürzeren Wellenlängen einzusetzen. Die kürzesten zur Zeit verwendeten Wellenlängen liegen im tiefen ultravioletten Spektralbereich (DUV, deep ultraviolet) und betragen 193 nm und 157 nm.

Ein anderer Ansatz zur Erhöhung des Auflösungsvermögens geht von der Überlegung aus, mit Hilfe einer Immersionsflüssigkeit die numerische Apertur des Projektionsobjektivs zu erhöhen. Die Immersionsflüssigkeit wird hierzu in den Zwischenraum eingebracht, der zwischen der bildseitig letzten Linse des Projektionsobjektivs und dem Photolack oder einer anderen zu belichtenden lichtempfindlichen Schicht verbleibt. Projektionsobjektive, die für den Immersionsbetrieb ausgelegt sind und deswegen auch als Immersionsobjektive bezeichnet werden, können numerische Aperturen von mehr als 1, z. B. 1.3 oder 1.4, erreichen.

Die bildseitig letzte Linse hochaperturiger Immersionsobjektive ist objektseitig meist stark konvex gekrümmt und bildseitig plan, um die möglichen Strahleinfallswinkel kleiner als 90° zu halten und damit eine unerwünschte Totalreflexion zu unterbinden. Da diese Linse in der Regel recht dick ist, besteht sie meist aus Flußspat (CaF₂) oder einem anderen kubisch kristallinen Material, z. B. BaF₂, LiF₂ oder Mischkristallen wie etwa Ca_1-xBa_xF₂. Diese Kristalle sind, im Gegensatz zu herkömmlichen Linsenmaterialien wie etwa synthetischem Quarzglas, auch für DUV-Projektionslicht noch ausreichend transparent.

Wie sich inzwischen jedoch gezeigt hat, sind diese Kristalle bei Wellenlängen im tiefen ultravioletten Spektralbereich intrinsisch doppelbrechend. Als optisch doppelbrechend bezeichnet man Materialien mit anisotroper Brechzahl. Dies bedeutet, daß für einen das Material durchtretenden Lichtstrahl die Brechzahl von dessen Polarisation und dessen Orientierung bezüglich des Materials abhängt. Als Doppelbrechung im engeren Sinne bezeichnet man die maximal mögliche Brechzahldifferenz Δn eines doppelbrechenden Materials. Infolge der polarisationsabhängigen Brechzahlen wird im allgemeinen ein unpolarisierter Lichtstrahl beim Eintritt in ein doppelbrechendes Material in zwei Teilstrahlen mit zueinander orthogonaler linearer Polarisation aufgeteilt.

Tritt in einem Projektionsobjektiv Doppelbrechung auf, so führt dies, sofern keine geeigneten Gegenmaßnahmen getroffen werden, zu nicht tolerierbaren Kontrastverlusten in der Bildebene, in der die lichtempfindliche Schicht angeordnet ist.

Um die intrinsische Doppelbrechung in CaF₂ und ähnlichen kubischen Kristallen möglichst weitgehend zu verringern, ist vorgeschlagen worden, die Orientierung der Kristallachsen mehrerer Kristalle so zu wählen, daß sich zumindest annähernd rotationssymmetrische Richtungsverteilungen der Doppelbrechung ergeben oder sich die doppelbrechenden Wirkungen der einzelnen optischen Elemente sogar weitgehend gegeneinander aufheben. Im allgemeinen werden dabei die Kristallgitter um eine der Kristallachsen zueinander verdreht.

In einer Linse, die aus einem einzigen doppelbrechenden Kristall gefertigt ist, kann keine Kompensation oder Sym metrisierung der Doppelbrechungseigenschaften erzielt werden. Aus diesem Grund wird in der US 2004/0105170 A1 vorgeschlagen, Linsen konstruktiv in zwei Teillinsen aufzuspalten, die verdreht aneinander angesprengt werden. Als noch günstiger wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Linsenrohlinge aus aneinander angesprengten Einzelplatten hergestellt werden, die sich hinsichtlich der Orientierung der Kristallachsen voneinander unterscheiden. Der aus zwei oder mehreren Einzelplatten bestehende Linsenrohling wird dann als ganzer in an sich bekannter Weise gefräst und poliert.

In der US 2003/0137733 A1 wird dieses Konzept in der Weise abgewandelt, daß die Einzelplatten, aus denen der Rohling gefertigt wird, aus Kristallen mit komplementärem Doppelbrechungscharakter, wie beispielsweise Kalziumfluorid einerseits und Bariumfluorid andererseits, bestehen. Beschrieben ist dort außerdem die Aufteilung zweier planparalleler Platten, bei denen es sich um die bildseitig letzten optischen Elemente des Projektionsobjektivs handelt, in jeweils zwei Einzelplatten mit zueinander verdrehten Orientierungen der Kristallachsen.

Diese bekannten Ansätze zur Lösung der Doppelbrechungsproblematik lassen sich allerdings nicht ohne weiteres auf die bildseitig letzten Linsen von Projektionsobjektiven mit besonders hoher numerischen Aperturen übertragen, wie sie bei Auslegung für einen Immersionsbetrieb möglich sind. Der Grund hierfür liegt darin, daß an der planen Grenzfläche zwischen den Kristallen mit unterschiedlicher Orientierung der Kristallachsen sehr große Einfallswinkel auftreten können. Zumindest Strahlen mit großen Öffnungswinkeln (d. h. Strahlen, die sehr große Winkel zur optischen Achse einschließen) können dann an dieser Grenzfläche totalreflektiert werden. Dadurch wird die an sich mögliche hohe numerische Apertur wieder verringert.

Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Projektionsobjektiv für eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage anzugeben, das auch bei einer Auslegung für sehr hohe numerische Aperturen die Verwendung von intrinsisch doppelbrechenden Linsenmaterialien erlaubt. Die intrinsische Doppelbrechung soll dabei symmetrisiert werden können, ohne daß Lichtstrahlen mit großen Öffnungswinkeln totalreflektiert werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Projektionsobjektivs anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe bezüglich des Projektionsobjektivs wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage zur Abbildung eines in einer Objektebene des Projektionsobjektivs anordenbaren Retikels auf eine Bildebene, das eine erste Linse enthält, die das bildseitig vorletzte gekrümmte optische Element ist und bildseitig eine konkave Fläche hat. Die erste Linse enthält einen ersten intrinsisch doppelbrechenden Kristall, der eine erste Orientierung der Kristallachsen hat. Das Projektionsobjektiv umfaßt ferner eine zweite Linse, die das bildseitig letzte gekrümmte optische Element ist. Sie hat objektseitig eine konvexe Fläche und enthält einen zweiten intrinsisch doppelbrechenden Kristall. Dieser hat eine zweite Orientierung der Kristallachsen, die sich durch Drehung der ersten Orientierung der Kristallachsen um eine Symmetrieachse der ersten Linse beschreiben läßt.

Erfindungsgemäß ist somit die Grenzfläche zwischen zwei aufeinanderfolgenden intrinsisch doppelbrechenden Kristallen mit unterschiedlicher Orientierung der Kristallachsen nicht plan, sondern derart gekrümmt, daß diese Grenzfläche durchtretende Lichtstrahlen selbst dann keiner Totalreflexion unterliegen können, wenn sie unter sehr großen Winkeln zur optischen Achse des Projektionsobjektivs aus der ersten Linse austreten.

Je nachdem, welche Kristallachse in Richtung der optischen Achse des Projektionsobjektivs ausgerichtet ist, führt bereits eine kleine relative Drehung der Kristallachsenorientierungen um die Symmetrieachse der ersten Linse bereits zu einer deutlichen Symmetrisierung der Doppelbrechungsverteilung. Bei geeignet gewählten Orientierungen der Kristallachsen ist es jedoch möglich, die Kristallachsen so zu verdrehen, daß eine durch den ersten Kristall hervorgerufene intrinsische Doppelbrechung zusammen mit einer durch den zweiten Kristall hervorgerufe nen intrinsischen Doppelbrechung zu einer insgesamt zumindest näherungsweise rotationssymmetrischen Verteilung der Gesamtdoppelbrechung führt.

Grundsätzlich ist es möglich, daß die erste. Linse die zweite Linse an einem Punkt, entlang einer Linie oder über eine Fläche hinweg berührt. Bei einer flächigen Berührung kommt insbesondere ein Ansprengen der beiden Linsen in Betracht. Das Ansprengen von intrinsisch doppelbrechenden Kristallen entlang gekrümmten Flächen ist allerdings schwierig, da auf diese Weise leicht unerwünschte Materialspannungen entstehen, die eine schwer korrigierbare spannungsinduzierte Doppelbrechung hervorrufen.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die erste Linse von der zweiten Linse durch einen Spalt getrennt. Auf diese Weise lassen sich die mit dem Ansprengen verbundenen Schwierigkeiten vermeiden. Allerdings ist es auch in diesem Fall erforderlich, die einander zugewandten Flächen mit hoher Präzision zu fertigen, um Abbildungsfehler zu vermeiden.

Unkritischer wird die Fertigung dieser Flächen dann, wenn der Spalt zwischen den Linsen mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, welche die Brechzahldifferenz an der Grenzfläche zwischen den beiden Linsen und damit die brechende Wirkung des Spalts verringert. Idealerweise hat die in den Spalt eingefüllte Flüssigkeit eine Brechzahl, die sich möglichst wenig, z. B. nicht mehr als 5%, von den Brechzahlen der angrenzenden Kristalle unterscheidet.

Die Krümmung der konkaven Fläche der ersten Linse kann dabei so gewählt werden, daß kein diese Fläche durchtretender Lichtstrahl totalreflektiert wird. Bei der Festlegung der Krümmung dieser Fläche wird im allgemeinen die numerische Apertur des Projektionsobjektivs, die Brechzahl des ersten Kristalls und die Brechzahl eines umgebenden Mediums zu berücksichtigen sein.

Die beiden Linsen müssen nicht unbedingt die letzten optischen Elemente des Projektionsobjektivs sein. So ist es beispielsweise möglich, auf die zweite, der Bildebene am nächsten liegende Linse noch mindestens eine planparallele Platte folgen zu lassen. Eine solche Platte soll so in ein Gehäuse des Projektionsobjektivs eingebaut sein, daß sie bei Kontamination oder Degradation auf einfache Weise gegen eine andere Platte ausgewechselt werden kann.

Grundsätzlich ist es möglich, jede der beiden Linsen aus einem eigenen Kristallrohling zu fertigen, dessen Orientierungen der Kristallachsen jeweils geeignet gewählt ist. Da die Krümmung der einander zugewandten Flächen der Linsen häufig jedoch groß sein wird, geht bei dieser Art der Herstellung relativ viel Kristallmaterial verloren.

Bei einem erfindungsgemäßen, die das Verfahren betreffende Aufgabe lösenden Herstellungsverfahren wird dieser Nachteil vermieden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Gehäuses des Projektionsobjektivs,
b) Bereitstellen eines Kristalls, der optisch doppelbrechend ist;
c) Aufteilen des Kristalls in eine erste und eine zweite Linse entlang einer gekrümmten schalenförmigen Trennfläche, die rotationssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse ist, wodurch die erste Linse eine konkave Fläche erhält;
d) Relatives Verdrehen der beiden Linsen um die Symmetrieachse;
e) Einbau der ersten und der zweiten zueinander verdrehten Linsen in das Gehäuse derart, daß die erste Linse die bildseitig vorletzte gekrümmte Linse und die zweite Linse die bildseitig letzte gekrümmte Linse des Projektionsobjektivs ist.

Dadurch, daß die beiden Linsen durch Aufteilen eines einzigen Kristalls entlang einer gekrümmten schalenförmigen Trennfläche erzeugt werden, läßt sich eine erhebliche Materialersparnis erzielen. Dies ist insofern bedeutsam, als die hier in Betracht kommenden intrinsisch doppelbre chenden Kristalle wie etwa Kalziumfluorid oder Bariumfluorid äußerst teuer und nur in geringen Mengen verfügbar sind.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei hochbrechenden Linsenmaterialien einsetzbar, die man in Betracht ziehen kann, um im Hinblick auf die erzielbare Auflösung das Potential hochbrechender Immersionsflüssigkeiten vollständig ausschöpfen zu können. Diese Linsenmaterialien haben üblicherweise auch eine sehr hohe intrinsische Doppelbrechung. So hat LuAG beispielsweise eine annähernd fünfmal so hohe intrinsische Doppelbrechung wie CaF₂. Andere Beispiele für solche hochbrechenden Linsenmaterialien sind MgAl₂O₄ sowie Materialien gemäß den folgenden Strukturformeln:

X₃Al₅O₁₂	mit X = Sc oder einer Mischung aus Sc und Lu,
X₃Y₂Z₃O₁₂	mit X = Mg, Ca; Y = Al, Ga, Sc, Y, Lu; und Z = Ge, Si

Wegen der großen Doppelbrechung dieser Linsenmaterialien ist es besonders wichtig, durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen unerwünschte Auswirkungen auf die Abbildungsqualität und den Kontrast möglichst gering zu halten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

1 einen Meridionalschnitt durch eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Projektionsobjektiv in stark vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung;

2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der 1, in dem weitere Einzelheiten im Bereich des bildseitigen Endes des Projektionsobjektivs erkennbar sind;

3a und 3b Orientierungen der Kristallachsen von Kristallen, aus denen die bildseitig letzten Linsen des Projektionsobjektivs gefertigt sind;

4 eine Doppelbrechungsverteilung, die durch die beiden bildseitig letzten Linsen gemeinsam erzeugt wird;

5 ein Diagramm zur Erläuterung der Begriffe Öffnungswinkel und Azimutwinkel;

6a einen Schnitt durch einen Linsenrohling aus einem Kalziumfluorid-Kristall;

6b den Kalziumfluorid-Kristall aus der 6a, der mit Hilfe einer Trennvorrichtung in zwei Linsen unterteilt wird;

6c die beiden durch Aufteilen entstandenen Linsen nach Erzeugen einer weiteren gekrümmten Fläche;

7 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem bildseitigen Ende eines Projektionsobjektivs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

8 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem bildseitigen Ende eines Projektionsobjektivs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die 1 zeigt einen Meridionalschnitt durch eine insgesamt mit 10 bezeichnete mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage in stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 weist eine Beleuchtungseinrichtung 12 zur Erzeugung von Projektionslicht 13 auf, die eine als Excimer-Laser ausgeführte Lichtquelle 14, eine mit 16 angedeutete Beleuchtungsoptik und eine Blende 18 umfaßt. Das Projektionslicht 13 hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine im ultravioletten Spektralbereich liegende Wellenlänge von 193 nm. Auch die Verwendung von Projektions licht mit anderen Wellenlängen, z. B. 248 nm oder 157 nm, ist selbstverständlich möglich.
Zur Projektionsbelichtungsanlage 10 gehört ferner ein Projektionsobjektiv 20, das ein Gehäuse 21 sowie eine Vielzahl von Linsen enthält, von denen der Übersichtlichkeit halber in der 1 lediglich einige schematisch angedeutet und mit L1 bis L6 bezeichnet sind. Das Projektionsobjektiv 20 dient dazu, eine in einer Objektebene 22 des Projektionsobjektivs 20 angeordnete Maske 24 verkleinert auf eine lichtempfindliche Schicht 26 abzubilden. Die Schicht 26, die z. B. aus einem Photolack bestehen kann, ist in einer Bildebene 28 des Projektionsobjektivs 20 angeordnet und auf einem Träger 30 aufgebracht. Konkrete Beispiele für die Realisierung des Projektionsobjektivs 20 sind den US 2002/149855 A1 und US 2003/174408 A1 der Anmelderin zu entnehmen, deren Inhalt vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
In einen Zwischenraum 32, der zwischen der bildseitig letzten Linse L6 und der lichtempfindlichen Schicht 26 verbleibt, ist eine Immersionsflüssigkeit 34 eingebracht. Als Immersionsflüssigkeit 34 geeignet ist z. B. Wasser, dem Zusätze von Sulfaten, Phosphaten oder Alkalien wie z. B. Cäsium zugemischt sein können. Auch die Verwendung von Perfluorpolyethern oder Schwefelsäure als Immersionsflüssigkeit ist möglich. Daneben sind im Stand der Technik weitere Immersionsflüssigkeiten bekannt, die eben falls in der Projektionsbelichtungsanlage 10 eingesetzt werden können.
Die 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der 1, in dem weitere Einzelheiten im Bereich des bildseitigen Endes des Projektionsobjektivs 20 erkennbar sind. Bei der bildseitig vorletzten Linse L5 handelt es sich um eine konvex-konkave Linse mit insgesamt positiver Brechkraft. Sowohl die konvexe Vorderfläche 36 als auch die konkave Rückfläche 38 sind dabei stark gekrümmt.
Die Linse L6 hat eine konvexe Vorderfläche 42 und eine plane Rückfläche 44, die unmittelbar oder durch eine (in der 2 nicht gezeigte) Schutzschicht, die auch durch eine planparallele Platte gebildet sein kann, an die Immersionsflüssigkeit 34 an.
Zwischen der Linse L5 und der Linse L6 verbleibt nur ein schmaler Spalt 46, so daß die Linse L6 wie eine Halbkugel in einer durch die Linse L5 gebildeten Kugelschale aufgenommen erscheint. Die Rückfläche 38 der Linse L5 und die Vorderfläche 42 der Linse L6 sind bei diesem Ausführungsbeispiel sphärisch gekrümmt und haben den gleichen Krümmungsmittelpunkt M. Der Spalt 26 hat daher überall die gleiche Dicke d. Die in radialer Richtung gemessene Dicke d ist dabei gegeben durch d = r₁ – r₂, wobei r₁, r₂ die Krümmungsradien der Rückfläche 38 bzw. der Vorderfläche 42 sind. Die Krümmungsradien r₁, r₂ sind so gewählt, daß die die Linse L5 durchtretenden Lichtstrahlen an der kon kaven Rückfläche 38 der Linse L5 nicht totalreflektiert werden können.
Sowohl die Linse L5 als auch die Linse L6 bestehen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kalziumfluorid-Kristallen (CaF₂). In den 3a und 3b sind die Orientierungen der Kristallgitter durch Dreibeine wiedergegeben. Die Kalziumfluorid-Kristalle, aus denen die Linsen L5 und L6 gefertigt sind, sind so bezüglich der optischen Achse 40 ausgerichtet, daß ihre [100]-Kristallachsen, die mit [100]₅ bzw. [100]₆ bezeichnet sind, beide parallel zur optischen Achse 40 des Projektionsobjektivs 20 verlaufen. Die optische Achse 40 ist dabei gleichzeitig die Symmetrieachse der Linsen L5 und L6. Ferner sind die Kristallgitter um die [100]-Kristallachse um etwa 45° zueinander verdreht, wie dies in der 3b durch Pfeile angedeutet ist. Die Kombination der Linsen L5 und L6 hat somit insgesamt eine rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung, die entweder toleriert werden oder mit Hilfe vergleichsweise einfacher Maßnahmen kompensiert werden kann.
Wie dies näher in der eingangs bereits erwähnten US 2004/0105170 A1 beschrieben ist, deren Inhalt vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, führt eine derartige Anordnung der Kristallgitter zu einer rotationssymmetrischen Doppelbrechungsverteilung, wie sie in der 4 gezeigt ist. Jede Linie in der 4 repräsentiert den Betrag und die Richtung für eine durch den Öffnungswinkel θ und den Azimutwinkel α definierte Strahlrichtung, mit der ein Lichtstrahl auf die Linse L5 trifft. Wie in der 5 gezeigt ist, bezeichnet der Öffnungswinkel θ den Winkel zwischen der mit der optischen Achse 40 zusammenfallenden z-Achse und der Strahlrichtung. Der Azimutwinkel α gibt den Winkel an, der zwischen einer Projektion des Lichtstrahls auf die x-y-Ebene und der x-Achse als Bezugsrichtung gebildet wird.
Die Länge der in der 4 gezeigten Linien ist proportional zum Betrag der Doppelbrechung Δn(θ,α), worunter man die maximal mögliche Brechzahldifferenz versteht. Geometrisch gesehen beschreibt die Länge der Linien die Differenz der Hauptachsenlängen einer Schnittellipse durch das Brechzahlellipsoid, während die Richtung der Linien die Orientierung der längeren Hauptachse der Schnittellipse angibt. Die Schnittellipse erhält man, indem man das Brechzahlellipsoid für den betreffenden Strahl der Richtung (θ,α) mit einer Ebene schneidet, die senkrecht auf der Strahlrichtung steht und den Mittelpunkt des Brechzahlellipsoids enthält.
Wie die 4 zeigt, ist die resultierende Doppelbrechungsverteilung Δn(θ,α) bei der in den 3a, 3b gezeigten Ausrichtung der Kristallgitter rotationssymmetrisch. Die langsamen Doppelbrechungsachsen, d. h. die längeren Hauptachsen der Schnittellipsen, entlang der für den Lichtstrahl die Brechzahl des Kristalls am größten ist, verlaufen tangential.
Die in der 4 gezeigte Überlagerung der einzelnen Doppelbrechungsverteilungen für die Linsen L5 und L6 zu einer gemeinsamen Doppelbrechungsverteilung gilt allerdings nur für den Fall, daß die Lichtstrahlen die beiden Linsen L5 und L6 unter dem gleichen Winkel durchtreten und dabei die gleichen physikalischen Weglängen zurücklegen. Für planparallele Platten gleicher Dicke ist diese Bedingung erfüllt. Bei den Linsen L5 und L6 ist dies aber immerhin noch näherungsweise der Fall, da der Spalt 46 wie eine sehr dünne Meniskuslinse wirkt und deswegen hindurchtretende Lichtstrahlen nur geringfügig bricht. Außerdem sind die Krümmungsradien r₁, r₂ so gewählt, daß ein die Linse L5 durchtretender Lichtstrahl zumindest größenordnungsmäßig die gleiche physikalische Weglänge zurücklegt wie in der Linse L6.
Grundsätzlich ist es möglich, die beiden Linsen L5, L6 aus unterschiedlichen Kalziumfluorid-Kristallen zu fertigen und diese dann so in ein Gehäuse des Projektionsobjektivs 20 einzubauen, daß die Kristallachsen der Kristallgitter in der gewünschten Weise zueinander orientiert sind. Ferner ist es möglich, die beiden Linsen L5 und L6 aus unterschiedlichen intrinsisch doppelbrechenden Materialien, z. B. aus Kalziumfluorid einerseits und Bariumfluorid andererseits, zu fertigen. Beschrieben ist dies ausführlich in der US 2003/0137733 A1 der Anmelderin, deren Inhalt ebenfalls vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Im folgenden wird mit Bezug auf die 6a bis 6c ein Verfahren zur Herstellung der Linsen L5 und L6 beschrieben, das sich durch eine besonders hohe Materialausbeute auszeichnet.
Die 6a zeigt einen axialen Schnitt durch einen scheibenförmigen Linsenrohling 50, der aus einem homogenen Kalziumfluorid-Einkristall besteht. Der Linsenrohling 50 wird nun mit Hilfe eines geeigneten Trennverfahrens entlang einer gekrümmten Trennfläche in die beiden Linsen L5 und L6 aufgeteilt, wie dies in der 6b in einem axialen Schnitt gezeigt ist. Zum Aufteilen des Linsenrohlings 50 entlang einer gekrümmten schalenförmigen Trennfläche wird hier eine insgesamt mit 52 bezeichnete Trennvorrichtung verwendet, wie sie in der US 2004/0065117 A1 ausführlich beschrieben ist. Der Inhalt dieses Dokuments wird hiermit vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Die Trennvorrichtung 52 umfaßt ein Trennwerkzeug 54, das die Form einer sphärischen Kalotte hat. Das Trennwerkzeug 54 kann mit Hilfe eines Antriebs 56 in Drehung um eine Drehachse 58 versetzt werden. Durch Verschwenken der Trennvorrichtung 52 in der mit einem gestrichelten Pfeil 59 angedeuteten Richtung kann ein sphärischer Schnitt in den Linsenrohling 50 eingebracht werden. Wird dabei gleichzeitig der Linsenrohling 50 um die spätere Symmetrieachse der Linsen L5, L6, die mit der optischen Achse 40 zusammenfällt, gedreht, so wird der Linsenrohling 50 schließlich in die beiden Linsen L5 und L6 aufgeteilt.
Anschließend kann die Vorderfläche 36 der Linse L5, sofern dies nicht bereits vor der Auftrennung geschehen ist, konvex gefräst werden. Die so vorbereiteten optischen Flächen der Linsen L5 und L6 werden schließlich in an sich bekannter Weise poliert, vermessen und ggf. nachbearbeitet.
Da bei diesem Verfahren die beiden Linsen L5, L6 aus einem einzigen Linsenrohling 50 durch Aufteilen erzeugt werden, ergibt sich eine deutliche Materialersparnis gegenüber der Herstellung aus zwei einzelnen Linsenrohlingen. Erspart wird dabei in etwa ein Linsenrohling der Dicke der Linse L6. Da Kalziumfluorid und ähnliche geeignete kubisch kristalline Materialien sehr teuer und nur in geringen Mengen verfügbar sind, läßt sich auf diese Weise eine hohe Kostenersparnis erzielen.
Im folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung beschrieben.
So ist es beispielsweise möglich, anstelle von Kalziumfluorid-Kristallen (CaF₂) andere, im Stand der Technik als solche bekannte kubisch kristalline Materialien, z. B. BaF₂, LiF₂, SrF₂, oder auch Mischkristalle wie etwa Ca_1-xBa_xF₂ zu verwenden.
Daneben ist es möglich, die Kristallachsen der Linsen L5, L6 auch in anderer Weise zueinander zu orientieren, als dies vorstehend mit Bezug auf die 2 bis 5 erläutert wurde. So können beispielsweise zwei Kalziumfluorid-Kristalle, deren [111]-Kristallachsen (oder dazu äquivalente Hauptachsen) entlang der optischen Achse 40 orientiert sind, um einen Winkel von 60° zueinander verdreht werden, wie dies in der US 2004/0105170 A1 beschrieben ist. In Betracht kommt dabei jede Orientierung der Kristallachsen, die zu einer Annäherung der Doppelbrechungsverteilung an eine rotationssymmetrische Verteilung führt.
Die 7 zeigt in einer an die 2 angelehnten Darstellung das bildseitige Ende eines Projektionsobjektivs 20', bei dem der Spalt 46' zwischen den Linsen L5' und L6' von einer Flüssigkeit 60 ausgefüllt ist, deren Brechzahl in der Nähe der Brechzahlen der Linsen L5', L6' liegt. Bei der Flüssigkeit 60 kann es sich dabei z. B. um die gleiche Flüssigkeit handeln, die als Immersionsflüssigkeit 34 verwendet wird. Durch die Flüssigkeit 60 wird der Brechzahlquotient an der Rückfläche 38' der Linse L5' und der Vorderfläche 42' der Linse L6' verringert, so daß hindurchtretende Lichtstrahlen am Spalt 46' allenfalls geringfügig gebrochen werden. Die Flüssigkeit 60 verringert auch die Anforderungen, die an die Passe der Flächen 38', 46' gestellt werden.
Bei dem in der 7 gezeigten Projektionsobjektiv 20 findet sich zwischen der Linse L6' und der Immissionsflüssigkeit 34 ferner eine etwas dickere Abschlußplatte 62, die aus dem gleichen Kristallmaterial wie die Linse L5' besteht, wobei auch die Orientierungen der Kristallachsen übereinstimmen. Die Linse L6' ist aus diesem Grund etwas dicker, wodurch annähernd gleiche physikalische Wegstrecken in den unterschiedlich orientierten Kristallen erzielt werden.
In der 8 ist in einer ebenfalls an die 2 angelehnten Darstellung das bildseitige Ende eines Projektionsobjektivs 20'' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Projektionsobjektiv 20'' unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 gezeigten Projektionsobjektiv 20 dadurch, daß die Vorderfläche 36'' der Linse L5'' plan ist. Ferner ist die Linse L6'' unmittelbar an die Linse L5'' angesprengt, so daß zwischen den beiden Linsen L5'', L6'' kein Spalt verbleibt.
Die Anordnung der beiden Linsen L5'', L6'' wirkt somit wie eine planparallele Platte, die bezüglich der intrinsischen Doppelbrechung korrigiert ist. Da die Trennfläche, welche diese Platte in die beiden Linsen L5'', L6'' unterteilt, konkav gekrümmt ist, durchtreten selbst solche Lichtstrahlen, die mit der optischen Achse 40 große Winkel einschließen, diese Grenzfläche mit kleinen Einfallswinkeln. Auf diese Weise kann es nicht zur Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen den Kristallen mit unterschiedlichen Orientierungen der Kristallachsen kommen.
Das gleiche gilt selbstverständlich auch dann, wenn zwischen den Linsen L5'', L6'' ein sehr schmaler oder ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Spalt verbleibt.
Es versteht sich, daß bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die beiden Vorderflächen 36 und 42 sowie die Rückfläche 38 nicht notwendigerweise sphärisch sein müssen. Für die Funktion der Erfindung ist es auch nicht wesentlich, daß die Flächen 38 und 42 den gleichen Krümmungsmittelpunkt M haben. Vielmehr können die Flächen 38, 42 unterschiedlich sphärisch oder asphärisch geformt sein. Soll das anhand der 6a und 6c geschilderte Herstellungsverfahren verwendet werden, so ist die Ausbildung unterschiedlich geformter Flächen 38, 42 allerdings nur dann möglich, wenn diese nach dem Auftrennen mit anderen an sich bekannten Werkzeugen, z. B. Fräsen, in der gewünschten Weise nachbearbeitet werden.

Claims

Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage (10) zur Abbildung eines in einer Objektebene (22) des Projektionsobjektivs (20; 20'; 20'') anordenbaren Retikels (24) auf eine Bildebene (28), mit. a) einer ersten Linse (L5; L5'; L5''), die das bildseitig vorletzte gekrümmte optische Element ist, bildseitig eine konkave Fläche (38; 38') hat und einen ersten intrinsisch doppelbrechenden Kristall enthält, der eine erste Orientierung der Kristallachsen hat, und mit b) einer zweiten Linse (L6; L6'; L6''), die das bildseitig letzte gekrümmte optische Element ist, objektseitig eine konvexe Fläche (42; 42') hat und einen zweiten intrinsisch doppelbrechenden Kristall enthält, der eine zweite Orientierung der Kristallachsen hat, die sich durch Drehung der ersten Orientierung der Kristallachsen um eine Symmetrieachse (40) der ersten Linse (L5; L5'; L5'') beschreiben läßt.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Orientierung der Kristallachsen so gewählt sind, daß eine durch den ersten Kristall hervorgerufene intrinsische Doppelbrechung zusammen mit einer durch den zweiten Kristall hervorgerufene intrinsischen Doppelbrechung zu einer insgesamt zumindest näherungsweise rotationssymmetrischen Verteilung der Gesamtdoppelbrechung führt.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Linse (L5'') die zweite Linse (L6'') berührt.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 3, bei dem die erste Linse (L5'') an die zweite Linse (L6'') angesprengt ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Linse (L5; L5') von der zweiten Linse (L6; L6'') durch einen Spalt (46; 46') getrennt ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 5, bei dem der Spalt (46; 46') überall die gleiche Dicke (d) hat.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Spalt (46') mit einer Flüssigkeit (60) gefüllt ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 7, bei dem sich die Brechzahl der Flüssigkeit (60) um nicht mehr als 5% von den Brechzahlen der angrenzenden Kristalle unterscheidet.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die konkave Fläche der ersten Linse und die konvexe Fläche der zweiten Linse sphärisch sind.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 9, bei dem die konkave Fläche (38; 38') der ersten Linse (L5; L5') und die konvexe Fläche (42; 42') der zweiten Linse (L6; L6') zumindest näherungsweise den gleichen Krümmungsmittelpunkt (M) haben.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die konkave Fläche (38; 38') der ersten Linse (L5; L5') eine Krümmung hat, die derart gewählt ist, daß kein diese Fläche durchtretender Lichtstrahl totalreflektiert wird.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 11, bei dem die Krümmung in Abhängigkeit von der numerischen Apertur des Projektionsobjektivs, der Brechzahl des ersten Kristalls und der Brechzahl eines umgebenden Mediums gewählt ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Linse (L5; L5') objektseitig konvex ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das für einen Immersionsbetrieb ausgelegt ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 14, bei dem sich eine Immersionsflüssigkeit (34) zwischen der zweiten Linse (L6; L6'; L6'') und der Bildebene (28) befindet.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der zweiten Linse (L6'') und der Bildebene (28) mindestens eine planparallele transparente Platte (62) angeordnet ist.
Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem (12) und mit einem Projektionsobjektiv (20; 20'; 20'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Projektionsobjektivs einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, das zur Abbildung eines in einer Objektebene (22) des Projektionsobjektivs (20; 20'; 20'') anordenbaren Retikels (24) auf eine Bildebene (28) vorgesehen ist, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Gehäuses (21) des Projektionsobjektivs (20; 20'; 20''), b) Bereitstellen eines Kristalls (50), der optisch doppelbrechend ist; c) Aufteilen des Kristalls (50) in eine erste (L5; L5'; L5'') und eine zweite Linse (L6; L6'; L6'') entlang einer gekrümmten schalenförmigen Trennfläche, die rotationssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse (40) ist, wodurch die erste Linse (L5; L5'; L5'') eine konkave Fläche (38; 38') erhält; d) Relatives Verdrehen der beiden Linsen (L5, L6; L5'; L6', L5'', L6'') um die Symmetrieachse (40); e) Einbau der ersten und der zweiten zueinander verdrehten Linsen (L5, L6; L5'; L6', L5'', L6'') in das Gehäuse (51) derart, daß die erste Linse (L5, L5'; L5'') die bildseitig vorletzte gekrümmte Linse und die zweite Linse (L6, L6', L6'') die bildseitig letzte gekrümmte Linse des Projektionsobjektivs ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die beiden Linsen (L5, L6; L5'; L6', L5'', L6'') in Schritt d) um einen Winkel relativ zueinander verdreht werden, der so bemessen ist, daß eine durch die erste Linse (L5, L5'; L5'') hervorgerufene intrinsische Doppelbrechung zusammen mit einer durch die zweite Linse (L6, L6', L6'') hervorgerufene Doppelbrechung zu einer insgesamt zumindest annähernd rotationssymmetrischen Verteilung der Gesamtdoppelbrechung führt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem vor Schritt c) oder vor Schritt e) die der konkaven Fläche (38; 38') der ersten Linse (L5, L5'; L5'') gegenüberliegende Fläche (36) objektseitig konvex geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die erste Linse (L5, L5'; L5'') zwischen Schritt d) und Schritt e) entlang der Trennfläche an die zweite Linse (L6, L6'; L6'') angesprengt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die beiden Linsen (L5, L6; L5'; L6', L5'', L6'') in Schritt e) voneinander beabstandet in das Gehäuse (21) baut werden, so daß zwischen den beiden Linsen ein Spalt (46; 46') verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem für die Trennfläche ein Krümmungsradius derart gewählt wird, daß kein die konkave Fläche (38; 38') der ersten Linse durchtretender Lichtstrahl totalreflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Krümmungsradius in Abhängigkeit von der numerischen Apertur des Projektionsobjektivs, der Brechzahl des ersten Kristalls und der Brechzahl eines umgebenden Mediums gewählt wird.
Verfahren zur mikrolithographischen Herstellung eines mikrostrukturierten Bauelements mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Projektionsobjektivs (20; 20'; 20'') nach einem der Ansprüche 1 bis 16; b) Anordnen eines Retikels (24), das abzubildende Strukturen enthält, in einer Objektebene (22) des Projektionsobjektivs (20; 20',20''); c) Projizieren der Strukturen eine Lichtempfindliche Schicht (26).
Mikrostrukturiertes Bauelement, das nach dem Verfahren nach Anspruch 25 hergestellt ist.