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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mindestens einer
ersten und einer zweiten Komponente zu einer Verbundstruktur durch „fusion bonding”, eine
Verbundstruktur, ein optisches Element und eine Haltevorrichtung
für einen
Wafer, die aus einer solchen Verbundstruktur gefertigt sind, sowie
ein Projektionsobjektiv und eine Projektionsbelichtungsanlage mit
einem solchen optischen Element.
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Bei
der Herstellung optischer Elemente, z. B. Linsen oder Phasenschiebern,
sowie bei der Herstellung mechanischer Elemente wie Haltevorrichtungen für Wafer
ist es oft erwünscht,
Komponenten mit ggf. unterschiedlichen optischen oder mechanischen
Eigenschaften zu einer Verbundstruktur zu verbinden. Hierzu ist
es bekannt, so genannte Bonding-Verfahren zu verwenden, wie zum
Beispiel Niedrigtemperatur(„low
temperature”)-Bonden,
das üblicherweise bei
Raumtemperatur oder etwas höherer
Temperatur durchgeführt
wird und bei dem zwischen den zusammenzufügenden Komponenten ein in der
Regel flüssiges
Fügemittel
eingebracht wird, welches nachfolgend ausgehärtet wird. Daneben wird auch
das so genannte Direktbonden („fusion
bonding”)
verwendet, bei dem die Materialien der Komponenten zusammengepresst
und typischerweise bis knapp unterhalb der Übergangstemperatur aufgeheizt
werden, um diese an einer Fügestelle
miteinander zu verbinden, ohne dass es hierzu eines zusätzlichen
Fügemittels
bedarf. Die Verbundstruktur wird nachfolgend in der Regel mechanisch
bearbeitet, um ein optisches Element mit der gewünschten Form zu erhalten. Am
Ende dieses Prozesses kaue ein Element aus einem Material stehen,
das in der Natur so nicht vorkommt.
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Ein
Beispiel für
ein solches optisches Element ist die Abschlusslinse eines Projektionsobjektivs
für die
Mikrolithographie, die sich z. B. aus mehreren Linsenschalen eines
kristallinen Materials, z. B. Lutetium Aluminium Granat (LuAG, Lu3Al5O12),
zusammensetzen kann, die jeweils um einen vorgegebenen Winkel zueinander
verdreht angeordnet sind, um die natürliche Doppelbrechung in dem
Material zu kompensieren.
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Daneben
ist es z. B. aus der
WO 2006/061225
A1 bekamt, polykristalline Materialien mit einer Korngröße oberhalb
der Wellenlänge
der verwendeten Strahlung als Abschlusselement eines Projektionsobjektivs
zu verwenden. Bei manchen der dort beschriebenen Materialien wie
z. B. polykristallinem Spinell (MgAl
2O
4) tritt das Problem auf, dass sich aus diesen
Materialien Komponenten nur bis zu einer Dicke von maximal ca. 40
mm herstellen lassen. Da die Abschlusslinse in der Regel wesentlich dicker
ist, müssen
mehrere solcher Spinell-Komponenten übereinander angeordnet und
bevorzugt mittels „fusion
bonding” zusammengefügt werden.
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In
der Mikrolithographie werden daneben zur Halterung eines Wafers
mechanische Vorrichtungen (wafer chuck, wafer stage, wafer table)
benötigt,
die zwar zum Teil monolithisch realisierbar, aber aufgrund der benötigten Baugrößen in der
Regel verhältnismäßig schwer
sind. Bei solchen Anwendungen ist daher häufig eine Verbundstruktur erwünscht, bei
der zur Gewichtsreduktion zwischen den zusammengefügten Komponenten
Hohlräume
gebildet sind. Ferner kann es erforderlich sein, in einem Teil der
Haltevorrichtung ein Material mit hoher Härte und damit hoher Dichte
einzusetzen, dessen Einsatz in einem anderen Teil der Verbundstruktur
nicht erforderlich ist, so dass dort zur Gewichtsreduktion ein Material mit
geringerer Dichte verwendet werden kann, sofern die Haltevorrichtung
als Verbundstruktur realisiert wird. In der Regel werden hierbei
Materialien miteinander verbunden, die einen ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
(coefficient of thermal expansion, CTE) aufweisen, wie in der
WO 2008/17449 A2 der
Anmelderin näher
beschrieben ist, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum
Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
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Für das „fusion
bonding” werden
in der Regel die zusammenzufügenden
Oberflächen
vorbereitet, indem diese aneinander angesprengt werden. Ansprengen
ist eine Verbindung zweier Materialien, bei der Oberflächen nur
durch molekulare Anziehungskräfte
gehalten werden, d. h. es handelt sich um eine „lösbare” Verbindung, die (unter Einfluss
von Feuchtigkeit oder Keilwirkung) teilweise oder vollständig gelöst werden
kann. Für
das Ansprengen müssen
die zu fügenden
Komponenten jedoch frei von Partikeln sein, was durch eine Oberflächenreinigung
erreicht wird, und auf eine nahezu perfekte Oberflächenebenheit
poliert werden. Bei den für
das oben beschriebene optische Element wie für die Haltevorrichtung in der
Regel benötigten
Durchmessern von ca. 200 mm, entsprechend einer Fläche von
ca. 400 cm2, tritt jedoch das Problem auf,
dass herkömmliche
Reinigungsmethoden wie Putzen mit Aceton oder Reiben mit Hirschleder
zwar durchgeführt
werden können, aber
dennoch die Oberflächen
nicht aneinander haften, da die Haftung von der absoluten Zahl der
auf den Oberflächen
vorhandenen verunreinigenden Partikel abhängt, die mit der Größe der Oberfläche ansteigt,
selbst wenn eine Reinigung durchgeführt wird. Ohne einen solchen
Reinigungsschritt ist ein großflächiges Ansprengen
aber in der Regel nicht möglich,
weshalb das „fusion
bonding” bei
großen Oberflächen nicht
oder nur mit mangelhaften Resultaten durchgeführt werden kam.
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Aus
der
US 2005/0215028
A1 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem eine amorphe
und nicht hydrierte Zwischenschicht auf eine von zwei zu fügenden Komponenten
aufgebracht und die beiden Komponenten durch die Zwischenschicht
voneinander beabstandet angeordnet werden. Eine oder beide Komponenten
werden aufgeheizt, bevor diese miteinander in Kontakt gebracht werden.
Nachfolgend wird eine Spannung angelegt, um eine dauerhafte Verbindung
zwischen den beiden Komponenten zu erhalten.
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Die
US 2003/0211705 A1 beschreibt
ein Niedrigtemperatur-Bonding-Verfahren, bei dem die Oberflächen der
zu fügenden
Komponenten aus Materialien wie Silizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid vor
denn Bonden bei Raumtemperatur aktiviert, d. h. durch Reinigen
oder Ätzen
vorbehandelt werden. Hierzu können
so genannte geringfügig ätzende („very slight
etch”)
Verfahren angewendet werden, bei denen die Mikrorauhigkeit der Oberflächen weitgehend
erhalten bleibt, oder es kann reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen zum
Einsatz kommen.
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Unter
der Web-Adresse „www.heise.de/newsticker/meldung/76740” ist ein
so genannter Klettverschluss zur Erzeugung einer lösbaren Verbindung von
Halbleiterchips bekannt geworden, bei dem die Oberfläche eines
Silizium-Bauelements z. B. durch Ionenbeschuss aufgeraut und dadurch
eine feine Struktur aus Siliziumnadeln erzeugt wird. Durch den Klettverschluss
soll auf das Erhitzen der Komponenten zum Herstellen einer festen
Verbindung verzichtet werden können.
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Weitere
Vergehausweisen zum direkten Bonden sind bekannt aus
DE 38 29 906 A1 ,
WO 03/02597 A1 und
US 2009/0035443 A1 .
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten,
welches ein Direktbonden („fusion
bonding”)
auch großer
zusammenzufügender
Oberflächenbereiche
ermöglicht, eine
Verbundstruktur, ein optisches Element sowie eine Haltestruktur
für einen
Wafer gefertigt aus der Verbundstruktur, ein Projektionsobjektiv
und eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen optischen
Element bereitzustellen.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung gelöst
durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend die Schritte:
a) Aufbringen mindestens einer Schicht mit poröser Struktur auf eine Oberfläche jeder
der Komponenten, b) Anrauen der mindestens einen aufgebrachten Schicht,
c) Zusammenführen
der Oberfläche
der ersten Komponente mit einer Oberfläche der zweiten Komponente,
und d) Verbinden der Komponenten zu der Verbundstruktur durch „fusion
bonding”.
Die Erfinder haben erkannt, dass das üblicher Weise dem „fusion
bonding” vorausgehende
Ansprengen dadurch ersetzt werden kann, dass zwei Oberflächen aufeinander
gelegt werden, von denen zumindest eine angeraut ist, was ebenfalls
zu einer Fixierung der beiden Oberflächen relativ zueinander führt (vgl. Klettverschluss),
so dass in einem nachfolgenden Schritt das „fusion bonding” durchgeführt werden kann.
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Hierbei
wird auf das Material der ersten Komponente eine zusätzliche,
in der Regel polykristalline Schicht aufgebracht, die eine poröse Struktur
aufweist, so dass diese besonders einfach angeraut werden kann. Üblicher
Weise wird auf die weiteren zu verbindenden Komponenten ebenfalls
eine solche Schicht aufgebracht, um eine gute Fixierung der Oberflächen aneinander
zu ermöglichen.
Es ist aber alternativ ggf. auch möglich, nur die erste Komponente
mit einer solchen Schicht zu versehen.
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Bevorzugt
werden für
die Komponente und die auf diese aufgebrachte Schicht Materialien
mit derselben chemischen Zusammensetzung gewählt. Unter Materialien mit
derselben chemischen Zusammensetzung werden Materialien verstanden,
deren Aufbau (geometrische Struktur) unterschiedlich sein kann,
deren chemische Strukturformel aber identisch ist. Insbesondere
kann z. B. eine Schicht auf einer Komponente aus Spinell (MgAl2O4) durch Co-Beschichten
von MgO und Al2O3 im
Verhältnis
1:1 erzeugt werden. In diesem Fall unterscheidet sich der geometrische
Aufbau der Schicht von der Spinell-Struktur, aber das Material der
Schicht und der Komponente weisen dieselbe chemische Strukturformel
auf, so dass dennoch eine gute Haftung der Schicht an der Komponente
gewährleistet
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird für
die zu verbindenden Komponenten das gleiche Material gewählt. Dieses
Material stimmt bevorzugt mit dem Material der Schicht(en) überein.
In obigem Beispiel kann so nach dem „fusion bonding” der Spinell-Schicht
mit zwei Komponenten aus Spinell eine Verbundstruktur aus einem
einzigen Material erhalten werden, des im Wesentlichen optisch homogen ist,
da sich beim „fusion
bonding” die
poröse
Schicht in eine kompakte Spinell-Schicht umwandelt.
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Bei
einer bevorzugten Variante ist das Material ausgewählt aus
der Gruppe umfassend: Spinell (MgAl2O4), Aluminiumoxid (Al2O3) und LuAG (Lu3Al5O12), Cordierit
(Mg2Al4Si5O18), Siliziumcarbid (SiC),
(Quarz-)Glas und Glaskeramik, insbesondere Zerodur, ULE oder Clearceram.
Insbesondere Spinell und Aluminiumoxid stellen neben LuAG aufgrund
ihres hohen Brechungsindex geeignete Materialien für ein Abschlusselement
eines Projektionsobjektivs für die
Mikrolithographie dar. Aufgrund der Baugröße der Abschlusslinse kann
diese – je
nach gewähltem
Material – ggf.
nicht aus einer einzelnen Komponente hergestellt werden. Beim Bonden
der bei einem solchen Abschlusselement in der Regel großflächigen zu
verbindenden Oberflächen
tritt das Problem auf, dass diese nicht hinreichend gut gereinigt
werden können,
um ein Ansprengen zu ermöglichen.
Es versteht sich, dass zur Herstellung eines optischen Elements
neben den oben genannten, für
UV-Strahlung transparenten Materialien auch andere für UV-Strahlung
transparente Materialien verwendet werden können, die insbesondere bei
der Verwendung als Abschlusselement eines Projektionsobjektivs für die Mikrolithographie
bei einer Wellenlänge
von 193 nm einen Brechungsindex größer als Quarzglas aufweisen
sollten. Aber auch für
UV-Strahlung intransparente Materialien wie Cordierit oder Siliziumcarbid sind
geeignete Materialien für
die Komponenten der Verbundstruktur, insbesondere, wenn diese als
Haltevorrichtung für
einen Wafer verwendet werden soll.
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Bei
einer weiteren Variante wird die Schicht aufgebracht mittels eines
Verfahrens ausgewählt
aus der Gruppe umfassend: Physical Vapour Deposition (PVD, physikalische
Gasphasenabscheidung), insbesondere thermisches Verdampfen, Elektronenstrahl-Verdampfen,
Sputtern (Kathodenzerstäuben), Ionized
Cluster Beam Deposition (ICVD, Clusterstrahltechnik) und Chemical
Vapour Deposition (CVD, chemische Gasphasenabscheidung). Die genannten
Verfahren betreffen Techniken zur Beschichtung von Substraten durch
Dampfabscheidung, wobei zwischen physikalischer Dampfabscheidung,
bei der keine chemische Reaktion beim Aufdampfen abläuft, und
chemischer Dampfabscheidung mit einer solchen chemischen Reaktion
unterschieden wird. Es versteht sich, dass auch Varianten der genannten Verfahren
zum Einsatz kommen können,
z. B. Magnetron-Sputtern, bei dem ein Niedertemperaturplasma in einem
Edelgas (meist Argon) benutzt wird, um ein Target-Material abzutragen
und auf einem gegenüber
liegenden Substrat abzuscheiden, oder Ionenstrahl-Sputtern, bei
dem zu diesem Zweck ein Ionenstrahl eingesetzt wird. Das Beschichten
muss hierbei anders als sonst üblich
nicht notwendiger Weise unter Vakuum erfolgen, da die Schicht porös sein soll. Zur
Herstellung einer solchen porösen
Schicht eignet sich besonders CVD bei Atmosphärendruck.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante wird das Aufbringen der Schicht
bei einer Beschichtungstemperatur von weniger als 1000°C, bevorzugt von
weniger als 300°C
durchgeführt.
Hierdurch kann erreicht werden, dass poröse, polykristalline Schichten
entstehen, was für
das spätere
Anrauen vorteilhaft ist.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante werden die Oberflächen der
Komponenten zum Aufbringen der Schicht mit einer Oberflächenrauhigkeit von
1,0 nm rms oder weniger und bevorzugt einer Oberflächenebenheit
von weniger als λ,
insbesondere weniger als λ/2
bei λ =
632 nun bereitgestellt. Hierdurch kann das nachfolgende Aufbringen
der Schicht erleichtert werden. Wenn die Verbundstruktur als optisches
Element verwendet werden soll, ist es insbesondere vorteilhaft,
wenn die Oberflächenrauhigkeit bei λ oder darunter
liegt, wobei λ die
Messwellenlänge
von 632 nm (He-Ne-Laser) bezeichnet.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante wird die Oberfläche vor
dem Beschichten gereinigt und entfettet, wodurch das Aufbringen
einer Schicht mit für
das Bonden besonders vorteilhaften Eigenschaften erleichtert werden
kann.
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Bevorzugt
wird die Schicht aufgebracht durch Co-Beschichten von mindestens
zwei Konstituenten des Materials. Wie bereits oben am Beispiel von
Spinell dargestellt, kann/können
die Schicht/die Schichten aufgebracht werden, indem zwei oder mehr
ihrer Konstituenten in einem solchen Verhältnis aufgedampft werden, dass
sich die chemische Zusammensetzung des gewünschten Schichtmaterials einstellt.
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In
einer vorteilhaften Variante wird die Schicht mit einer Dicke von
500 nm oder weniger, bevorzugt von 100 nm oder weniger aufgebracht.
Durch das Aufbringen einer dünnen
Schicht kann diese beim nachfolgenden Tempern während des „fusion bondings” verhältnismäßig effizient
in eine kompakte Materialschicht umgewandelt werden, so dass das Verfahren
bei geringer Prozessdauer durchgeführt werden kann.
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Bevorzugt
wird das Anrauen mittels eines Verfahrens durchgeführt, das
ausgewählt
ist aus der Gruppe umfassend: trockenes Ätzen, nasses Ätzen und
Ionenstrahl-Beschießen.
Die Oberflächen
werden bei allen Verfahren nur so weit angeraut, dass diese sich
beim anschließenden „fusion
bonding” nicht
relativ zueinander verschieben können.
Durch das Anrauen wird hierbei eine Schicht mit einer säulenartigen,
dem oben erwähnten
Klettverschluss verwandten Struktur erzeugt.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante werden die Oberflächen nach
dem Zusammenführen bei
einem statischen Druck von mehr als 1 bar fixiert, was für das nachfolgende „fusion
bonding” günstig ist.
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Vorteilhafter
Weise erfolgt das „fusion
bonding” bei
einer Temperatur von maximal 2100°C,
bevorzugt 1500°C,
besonders bevorzugt von maximal 1300°C. Durch eine nicht zu hohe
Temperatur beim Bonden kann erreicht werden, dass Deformationen durch
die Erhöhung
der Viskosität
in der Nähe
der Übergangstemperatur
möglichst
gering ausfallen. Die Temperatur beim Bonden kann so hoch gewählt werden;
dass ein Anschmelzen der Oberflächen
erfolgt, d. h. es kann z. B. bei Spinell eine Temperatur von ca.
2100°C bzw.
bei Aluminiumoxid eine Temperatur von ca. 2000°C erreicht werden. Das „fusion bonding” wird hierbei
bevorzugt unter einem Prozessgas wie z. B. Argon oder Sauerstoff
durchgeführt.
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In
einer vorteilhaften Variante erfolgt das „fusion bonding” bei einer
Temperatur von 70% oder weniger, bevorzugt von 60% oder weniger
der Schmelztemperatur der Schicht. In diesem Fall erfolgt das „fusion
bonding” durch
versteckte Diffusion bzw. Migration, so dass kein Anschmelzen der
zu verbindenden Oberflächen
notwendig ist.
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Um
die versteckte Diffusion zu erzeugen, muss in der Regel aber eine
Temperatur erreicht werden, die zumindest bei mehr als 50% der Schmelztemperatur
der Schicht liegt. Es versteht sich, dass beim Verbinden von zwei
Schichten aus unterschiedlichen Schichtmaterialien die Schmelztemperatur
der Schicht mit dem höheren
Schmelzpunkt die relevante Schmelztemperatur ist.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Verbundstruktur,
insbesondere hergestellt nach dem Verfahren wie oben beschrieben,
mit mindestens einer ersten und zweiten Komponente aus dem gleichen
Material, die an zwei Oberflächen
miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Oberflächen eine
Zwischenschicht eingebracht ist, welche durch „fusion bonding” der Komponenten
mit mindestens einer auf eine Oberfläche jeder der Komponenten aufgebrachten,
angerauten Schicht mit poröser Struktur
gebildet ist. Hierbei bestehen die Komponente und die auf diese
aufgebrachte Schicht bevorzugt aus Materialien mit derselben chemischen
Zusammensetzung. Insbesondere bestehen auch die Komponenten aus
dem gleichen Material, so dass im Falle von für UV-Strahlung transparenten
Komponenten eine optisch homogene Verbundstruktur erhalten werden
kam.
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Eine
Verbundstruktur, bei der mehrere Komponenten auf die oben beschriebene
Weise übereinander
angeordnet werden, kann zur Formung eines optischen Elements, z.
B. eines Abschlusselements eines Projektionsobjektivs für die Mikrolithographie, eingesetzt
werden. Alternativ kann aus einer solchen Verbundstruktur auch eine
Haltevorrichtung für
einen Wafer, insbesondere ein Wafer-Chuck oder ein Wafer-Tisch,
hergestellt werden.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die
Zwischenschicht über eine
Fläche
von mindestens 100 cm2, bevorzugt von mindestens
400 cm2. Derart große Flächen können nur sehr schwer durch
Ansprengen miteinander verbunden werden, so dass das Verbinden auf
die oben beschriebene Weise die einzige Möglichkeit darstellt, eine solche
Verbundstruktur zu erzeugen.
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Bei
einer vorteilhaften Variante ist das Material der Komponenten polykristallin.
Polykristalline Materialien können
zur Herstellung von optischen Elementen in der Mikrolithographie
verwendet werden, wie in der eingangs zitierten
WO 2006/061225 A1 im
Detail dargestellt ist, welche durch Bezugnahme zum Inhalt dieser
Anmeldung gemacht wird. Insbesondere können hierzu polykristalliner
Spinell oder polykristallines Aluminiumoxid verwendet werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einen optischen
Element, welches gefertigt ist aus einer Verbundstruktur wie oben
beschrieben. Das optische Element wird hierbei typischer Weise durch
mechanische Bearbeitung aus der z. B. zylinderförmigen Verbundstruktur geschnitten,
um die gewünschte
Form für
die jeweilige Anwendung zu erhalten.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Haltevorrichtung
für einen
Wafer, insbesondere einen Wafer-Chuck oder Wafer-Tisch, der aus
der oben beschriebenen Verbundstruktur gefertigt ist. In solchen
aus mehreren Komponenten zusammengefügten Haltevorrichtungen können auf
besonders einfache Weise Hohlräume
gebildet werden. Ferner können
unterschiedliche Bereiche der Haltevorrichtungen aus verschiedenen,
an die Erfordernisse des jeweiligen Bereichs angepassten Materialtypen
hergestellt werden.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einem Projektionsobjektiv
für die
Mikrolithographie zur Abbildung einer Struktur auf ein lichtempfindliches
Substrat mit mindestens einem solchen optischen Element, welches
bevorzugt ein Abschlusselement des Projektionsobjektivs darstellt. Derartige
Abschlusselemente weisen insbesondere bei Projektionsobjektiven
für die
Immersionslithographie eine große
Dicke auf, um die Strahlung des Projektionsobjektivs in die Immersionsflüssigkeit
einzukoppeln. Abschlusselemente aus Materialien, welche nicht in
der hierfür
erforderlichen Dicke erhältlich sind,
wie z. B. Spinell oder Aluminiumoxid, können auf die oben beschriebene
Weise aus einer Verbundstruktur erzeugt werden.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Projektionsbelichtungsanlage
für die
Immersionslithographie mit einem Projektionsobjektiv wie oben beschrieben,
bei dem das optische Element dem lichtempfindlichen Substrat gegenüber liegend angeordnet
ist, wobei zwischen dem lichtempfindlichen Substrat und dem optischen
Element eine Immersionsflüssigkeit
eingebracht ist. Wie bereits erwähnt,
weist das optische Element in diesem Fall eine besonders große Dicke
auf, so dass dieses vorteilhafter Weise aus einer Verbundstruktur
gefertigt wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche
Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale
können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante
der Erfindung verwirklicht sein.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Es zeigen:
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1a–d eine
schematische Darstellung mehrerer Verfahrensschritte einer Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Erzeugen einer Verbundstruktur,
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2 eine
schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage mit
einem aus einer solchen Verbundstruktur gefertigten optischen Element,
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3 eine
schematische Darstellung einer Verbundstruktur, welche als Wafer-Chuck (Wafer-Spannvorrichtung)
ausgebildet ist, sowie einer Vakuumquelle zur Erzeugung eines Unterdrucks,
und
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4 eine
schematische Darstellung eines Wafer-Tisches als Verbundstruktur
mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Komponenten.
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In 1a–d ist schematisch
ein Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten 1, 2 aus
polykristallinem Material, z. B. aus Spinell (MgAl2O4), gezeigt, welche jeweils eine Dicke von
ca. 40 mm aufweisen. Die Oberflächen 1a, 2a der
Komponenten 1, 2 werden zu Beginn des Verfahrens
mittels eines geeigneten Glättungsverfahrens,
z. B. Polieren, auf eine Oberflächenrauhigkeit
von weniger als 1,0 nm rms und eine Oberflächenebenheit von weniger als λ gebracht
und entfettet sowie gereinigt. Auf die so vorbehandelte Oberfläche 1a der
ersten Komponente 1 wird in einem ersten Schritt (vgl. 1a)
durch thermisches Bedampfen unter Vakuum eine Schicht 3 mit einer
Dicke von ca. 100 nm aufgebracht, welche ebenfalls aus Spinell besteht.
Es versteht sich, dass zum Beschichten auch andere Dünnschichtverfahren eingesetzt
werden können,
welche insbesondere auf dem Prinzip physikalischer oder chemischer
Gasabscheidung beruhen. Ferner können
an Stelle von Spinell als Beschichtungsmaterial auch Magnesiumoxid MgO
und Aluminiumoxid Al2O3 verwendet
werden, welche in einer Co-Beschichtung im Verhältnis 1:1 auf die Oberfläche 1a aufgebracht
werden. In beiden Fällen
bildet sich auf der Oberfläche 1a eine
Schicht 3 aus, deren chemische Zusammensetzung mit derjenigen
der Komponente 1 übereinstimmt.
Hierbei wird eine Beschichtungstemperatur TB gewählt, die bei
weniger als 300°C
liegt, um eine möglichst
poröse,
polykristalline Struktur der Schicht 3 zu erreichen.
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Die
poröse
Struktur der Schicht 3 wird in einem nachfolgenden Schritt
(vgl. 1b) ausgenützt, um diese auf einfache
Weise an ihrer Oberfläche 3a aufzurauen,
indem diese mit einem Ionenstrahl 8 beschossen wird, so
dass sich eine im Wesentlichen säulen-
bzw. nadelförmige
Oberfläche 3a an
der Schicht 3 ausbildet.
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Die
beiden in 1a, b gezeigten Verfahrensschritte
werden in analoger Weise für
die zweite Komponente 2 durchgeführt, wodurch an dieser eine in 1c gezeigte,
ebenfalls angeraute Schicht 4 gebildet wird. Die beiden
Oberflächen 1a, 2a der
Komponenten 1, 2 werden dann wie in 1c gezeigt aufeinander
gelegt, wobei die beiden Schichten 3, 4 aneinander
haften, so dass sich eine polykristalline Zwischenschicht 5 ausbildet.
Die beiden Komponenten 1, 2 werden nachfolgend
einem statischen Druck von mehr als 1 bar ausgesetzt, bevor diese
in einem in 1d gezeigten, nachfolgenden
Schritt durch „fusion
bonding” miteinander
verbunden werden, d. h. sie werden bei Temperaturen von bis zu max. 2100°C unter einem
Prozessgas wie z. B. Argon oder Sauerstoff getempert. Während des
Temperns wandelt sich die eingebettete poröse Zwischenschicht 5 aus
Spinell in eine kompakte Spinellschicht um, welche die beiden Oberflächen 1a, 2a der
Komponenten 1, 2 miteinander verbindet, so dass
eine Verbundstruktur 6 entsteht. Nach dem Abkühlen der
Verbundstruktur 6 auf Raumtemperatur ist der Verbindungsprozess
abgeschlossen. Alternativ zum „fusion
bonding” durch
Anschmelzen kann das „fusion
bonding” auch
bei niedrigeren Temperaturen, typischer Weise bei ca. 60% bis 70%
der Schmelztemperatur der Schichten 3, 4 bzw.
der Komponenten 1, 2 durchgeführt werden, wobei die Verbindung
in diesem Fall durch versteckte Diffusion zu Stande kommt.
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Es
versteht sich, dass durch die Wiederholung der oben beschriebenen
Verfahrensschritte mehrere Komponenten aufeinander gestapelt werden
können,
so dass Verbundstrukturen von nahezu beliebiger Höhe erzeugt
werden können.
Weiterhin kann die Fügestelle,
d. h. die Zwischenschicht 5 großflächig ausgeführt werden und insbesondere eine
Fläche
von mehr als 100 cm2 oder 400 cm2 überdecken.
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Neben
denn oben dargestellten Beispiel, bei dem Spinell als Material der
Verbundstruktur 6 bzw. der Komponenten 1, 2 gewählt wurde,
kann dieses Verfahren auch bei anderen Materialien angewendet werden,
z. B. bei Aluminiumoxid (Al2O3)
oder LuAG (Lu3Al5O12), wobei in diesem Fall als Schichtmaterial ebenfalls
Aluminiumoxid (Al2O3)
bzw. LuAG (Lu3Al5O12) gewählt
werden kann, um eine optisch homogene Verbundstruktur zu erhalten.
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Die
auf die oben beschriebene Weise hergestellte Verbundstruktur 6 eignet
sich insbesondere in dem Fall, dass ein hochbrechendes Material
mit einem Brechungsindex oberhalb von Quarzglas bei einer Wellenlänge von
193 mit gewählt
wird, zur Herstellung eines optischen Elements 7 für die Immersionslithographie,
wie es in 2 in einer Projektionsbelichtungsanlage 10 für die Immersionslithographie in
Form eines Wafer-Scanners zur Herstellung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen
gezeigt ist, deren Funktionsweise im Folgenden erläutert wird.
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Die
Projektionsbelichtungsanlage 10 umfasst als Lichtquelle
einen Excimer-Laser 11 mit einer Arbeitswellenlänge von
193 mn, wobei auch andere Arbeitswellenlängen, beispielsweise 248 nm,
möglich
sind. Ein nachgeschaltetes Beleuchtungssystem 12 erzeugt
in seiner Austrittsebene ein großes, scharf begrenztes, sehr
homogen beleuchtetes und an die Telezentrie-Erfordernisse eines
nachgeschalteten Projektionsobjektivs 13 angepasstes Bildfeld.
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Hinter
dem Beleuchtungssystem 12 ist eine Einrichtung 14 zum
Halten und Manipulieren einer (nicht gezeigten) Photomaske so angeordnet,
dass diese in der Objektebene 15 des Projektionsobjektivs 13 liegt
und in dieser Ebene zum Scanbetrieb in einer durch einen Pfeil 16 angedeutete
Abfahrrichtung bewegbar ist.
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Hinter
der auch als Maskenebene bezeichneten Ebene 15 folgt das
Projektionsobjektiv 13, das ein Bild der Photomaske mit
reduziertem Maßstab, beispielsweise
im Maßstab
1:4 oder 1:5 oder 1:10, auf einen mit einer Photoresistschicht belegten
Wafer 17 abbildet. Der als lichtempfindliches Substrat
dienende Wafer 17 ist so angeordnet, dass die ebene Substratoberfläche 18 mit
der Photoresistschicht im Wesentlichen mit der Bildebene 19 des
Projektionsobjektivs 13 zusammenfällt. Der Wafer 17 wird
durch eine Einrichtung 20 bewegt, die einen Scannerantrieb
umfasst, um den Wafer 17 synchron zur Photomaske und in
der Regel gegenläufig
zu dieser zu verschieben. Die Einrichtung 20 umfasst auch
Manipulatoren, um den Wafer sowohl in z-Richtung parallel zu einer
optischen Achse 21 des Projektionsobjektivs, als auch in
x- und y-Richtung senkrecht zu dieser Achse zu verfahren.
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Das
optische Element 7 dient in dem Projektionsobjektiv 13 als
Abschlusselement und ist als transparente Plankonvexlinse ausgebildet,
welches einen konischen Linsenteil aufweist, dessen Stirnseite die
letzte optische Fläche
des Projektionsobjektivs 13 bildet und welche in einem
Arbeitsabstand oberhalb der Substratoberfläche 18 angeordnet
ist. Zwischen der Stirnseite und der Substratoberfläche 18 ist
als Immersionsflüssigkeit 22 Wasser
angeordnet, welches den Bereich zwischen dem optischen Element 7 und
dem Wafer 17 durchströmt.
Mittels der Immersionsflüssigkeit
kann die Abbildung von Strukturen auf der Photomaske mit einer höheren Auflösung und
Tiefenschärfe
erfolgen als dies möglich
ist, wenn der Zwischenraum zwischen dem optischen Element 7 und
dem Wafer 17 mit einem Medium mit einer geringeren Brechzahl,
z. B. Luft, ausgefüllt
ist.
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Das
optische Element
7 ermöglicht
aufgrund seiner hohen Brechzahl eine besonders gute Einkopplung
der Strahlung in die Immersionsflüssigkeit
22. Da das
optische Element
7 einen Radius von bis zu 100 mm und eine
nahezu vergleichbare Höhe
aufweist und sich Spinell-Scheiben nur bis zu einer Höhe von ca.
40 mm herstellen lassen, kann das optische Element
7 nicht
aus einem einzelnen Spinell-Rohling hergestellt werden, sondern
muss durch mechanische Bearbeitung aus einer Verbundstruktur gefertigt
werden. Durch den großen
Durchmesser des optischen Elements
7 kann diese Verbundstruktur
hierbei nicht oder nur mit sehr großem Aufwand durch ein herkömmliches „fusion
bonding”-Verfahren erzeugt
werden, bei dem die Komponenten aneinander angesprengt werden, so
dass das oben im Zusammenhang mit
1 beschriebene
Verfahren vorteilhaft angewendet werden kann. Das optische Element
7 kann
hierbei wie in der eingangs zitierten
WO 2006/061225 A1 der
Anmelderin ausgebildet sein (vgl. dort
5),
die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung
gemacht wird.
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Neben
der Herstellung von Verbundstrukturen aus für UV-Strahlung transparenten
Materialien kann das oben beschriebene Verfahren auch zur Herstellung
von Verbundstrukturen eingesetzt werden, die für UV-Strahlung nicht oder nur
teilweise transparent sind. Insbesondere ist dies bei Haltevorrichtungen
für einen
Wafer möglich,
dessen Komponenten typischer Weise aus Cordierit (Mg2Al4Si5O18), Siliziumcarbid
(SiC), Glas oder Glaskeramik, insbesondere Zerodur, ULE oder Clearceram
bestehen. Zwei Beispiele für
solche Haltevorrichtungen werden im Folgenden anhand der 3 und 4 dargestellt.
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In 3 ist
eine als Wafer-Chuck 25 ausgebildete Haltevorrichtung gezeigt.
Diese besteht in der stark vereinfachten Darstellung von 3 lediglich aus
der Verbundstruktur 6, auf welcher der Wafer 17 festgehalten
werden soll, sowie aus einer Vakuumpumpe 29. Mit der Vakuumpumpe 29 wird
zwischen dem Wafer 17 und der Verbundstruktur 6 ein
Unterdruck erzeugt, der den Wafer 17 zur Verbundstruktur 6 hin
saugt, wie in 3 durch einen Pfeil angedeutet
ist. Die Verbundstruktur 6 weist eine erste, obere Platte 26 und
eine zweite, untere Platte 27 auf, die in Form und Größe übereinstimmen.
Zwischen den Platten 26, 27 ist eine Mehrzahl
von Stützelementen angeordnet,
welche eine Rippenstruktur 28 (Gitter) mit einer wabenförmigen Struktur
bilden, die senkrecht zu den Platten 26, 27 verläuft. Durch
die Waben des Gitters 28 sowie in den Platten 26, 27 vorgesehene Öffnungen
kann das Unterdruckansaugen erfolgen. Weiterhin wird durch die wabenartige
Struktur die Verbundstruktur 6 besonders leicht und kann
z. B. weniger als ca. 30% des Gewichts aufweisen, welches bei Verwendung
einer massiven Cordierit-Komponente als Wafer-Chuck 25 entstehen
würde.
Die obere und untere Platte 26, 27 sowie die Rippenstruktur 28 sind
jeweils durch das oben beschriebene „fusion bonding”-Verfahren
miteinander verbunden.
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Es
versteht sich, dass die Verbundstruktur 6 auch Teil eines
Wafer-Chucks sein kann, der mittels elektrostatischer Anziehung
arbeitet und bei dem eine Hochspannungsquelle zur Erzeugung eines elektrischen
Feldes zwischen der Verbundstruktur 6 und dem Wafer 17 vorgesehen
ist. Ein solcher Wafer-Chuck ist auch für Vakuum-Anwendungen geeignet.
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4 zeigt
einen Wafer-Tisch 30, welcher zur Lagerung des Wafers 17 während des
Belichtungsprozesses in einer (nicht gezeigten) Projektionsbelichtungsanlage
für die
Mikrolithographie dient. Der Wafer-Tisch 30 ist in einer
Aufnahme 31 versenkt, welche derart ausgebildet ist, dass
deren Oberkante mit dem Wafer 21 bündig abschließt. Der Wafer-Tisch 30 besteht
aus einer ersten, unteren Komponente 32a aus Cordierit,
welche mit einer zweiten, oberen Komponente 32b aus Cordierit
mittels des oben beschriebenen „fusion bonding”-Prozesses
verbunden ist, wobei beide Komponenten 32a, 32b gemeinsam
den Grundkörper
(„bulk”) des Wafer-Tisches 30 bilden.
Alternativ können
die beiden Komponenten 32a, 32b auch aus anderen
Materialien, bevorzugt aus Zerodur, gefertigt sein.
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Die
beiden Komponenten 32a, 32b des Grundkörpers weisen
einander gegenüberliegende Ausnehmungen
auf, wodurch sich zwischen den verbundenen Komponenten 32a, 32b mehrere
Hohlräume 33 ausbilden.
Die Hohlräume 33 dienen
als Kühlkanäle zum Durchleiten
einer Kühlflüssigkeit,
um die Wärme
abzuführen,
die durch Absorption der Strahlung in den Komponenten 32a, 32b bei
den hohen Strahlstärken
in der Mikrolithographie verstärkt
auftritt. Es versteht sich, dass in dem Wafer-Tisch 30 weitere
Hohlräume,
z. B. zur Aufnahme von Einbauteilen oder Heizelementen, vorgesehen
werden können
und dass dieser auch mit einer Gitterstruktur wie oben beschrieben
versehen sein kann, um eine zusätzliche
Gewichtsreduktion zur erreichen.
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Auf
der oberen Komponente 32b des Wafer-Tisches 30 sind
mehrere in gleichem Abstand voneinander angebrachte Stützstrukturen 34 („pimple”) zur Unterstutzung
des Wafers 17 angeordnet. Diese weisen jeweils eine untere
Komponente 32c aus Cordierit auf, die mit einer oberen
Komponente 32d aus Siliziumcarbid ebenfalls durch „fusion
bonding” verbunden
ist.
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Auf
den beiden einen Grundkörper
der Stützstruktur 34 bildenden
Komponenten 32c, 32d ist eine weitere Komponente 32c aus
Siliziumcarbid angebracht, welche zur punktuellen Lagerung des Wafers 17 einen
reduzierten Durchmesser aufweist. Die obere Komponente 32d und
die weitere Komponente 32e der Stützstruktur 34 sind
hierbei ebenfalls durch „fusion
bonding” verbunden,
wobei in diesem Fall aufgrund der geringen zu bondenden Flächen auch ein „fusion
bonding”-Prozess
mit Ansprengen zum Einsatz kommen kann. Es versteht sich, dass die Komponenten 32c–e der Stützstruktur 34 auch
vollständig
aus Siliziumcarbid oder einem anderen, bevorzugt besonders harten
Material bestehen können.
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Der
so gebildete Wafer-Tisch
30 kann den hohen Beschleunigungen
in der Mikrolithographie standhalten, wobei durch die Art der gewählten Komponenten
eine Leichtgewichtsstruktur realisiert und gleichzeitig eine gute
Wärmeabfuhr
sowie eine geringe Wärmeausdehnung
gewährleistet
ist, wobei die hohe Haftfestigkeit der Verbindungen eine hohe mechanische
Stabilität
sicherstellt. Es versteht sich, dass nicht zwingend alle Verbindungen
zwischen den Komponenten
32a–e des Wafer-Tischs
30 durch „fusion
bonding” gebildet
sein müssen,
vielmehr können eine
oder mehrere Verbindungen auch auf andere Weise, insbesondere wie
in der der
PCT/EP2007/006963 der
Anmelderin beschrieben, hergestellt sein.
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Erst
mittels des oben dargestellten Verfahrens wird es möglich, Komponenten
an großen
Flächen
von ca. 400 cm2 und mehr durch „fusion
bonding” miteinander
zu verbinden. Es versteht sich, dass das oben beschriebene Verfahren
bzw. die Verbundstruktur nicht nur in der Mikrolithographie, sondern
auch in anderen Gebieten vorteilhaft eingesetzt werden können, z.
B. in der Röntgen-Teleskopie
oder in Laserbearbeitungsanlagen.