DE102017203647A1

DE102017203647A1 - Spiegel mit einer piezoelektrisch aktiven Schicht

Info

Publication number: DE102017203647A1
Application number: DE102017203647.8A
Authority: DE
Inventors: Roland Lörcher; Christoph Zaczek; Kerstin Hild; Johannes Lippert; Yim-Bun-Patrick Kwan; Toralf Gruner; Peter Huber
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2018-09-13
Also published as: WO2018162231A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spiegel (10) mit einer optisch aktiven Fläche (12) zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung und mit mindestens einer piezoelektrisch aktiven Schicht (13) zur Deformation der optisch aktiven Fläche (12), wobei die piezoelektrisch aktive Schicht (13) zwischen der optisch aktiven Fläche (12) und einem Substrat (14) angeordnet ist. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der piezoelektrisch aktiven Schicht (13) um eine Gasfluss-Sputterschicht. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich mechanisch stabile Piezoschichten mit Schichtdicken zwischen einigen µm und Hunderten von µm erzeugen, die für eine Verwendung des Spiegels (10) im DUV/VUV-Wellenlängenbereich notwendig sind. Vorteilhafterweise weist der Spiegel (10) eine Parzellierung der piezoelektrisch aktiven Schicht (13) in eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen (30) auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiegel mit einer piezoelektrisch aktiven Manipulatorschicht zur Deformation einer optischen Funktionsfläche dieses Spiegels im UV-Bereich, insbesondere im tiefen Ultraviolett-Wellenbereich (DUV). Die Piezo-Manipulatorschicht dient dabei einer lateral variierenden Verformung der optischen Funktionsfläche, um Wellenfrontfehler wie beispielsweise Verzeichnungs- oder Fokusfehler korrigieren zu können.
Optische Elemente, wie sie beispielsweise in der Halbleiterlithographie zum Einsatz kommen, können schon aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten fehlerbehaftet sein, was zu Beeinträchtigungen der Qualität der lithographisch hergestellten Halbleiterbauelemente bzw. zu einer erhöhten Ausschussquote führen kann. Es können einerseits Wellenfrontfehler wie z.B. Verzeichnungs- oder Fokusfehler auftreten. Andererseits können sich die optischen Elemente während des Betriebs des Lithographiesystems durch Absorption einfallender Strahlung erwärmen, was zu Verformungen der optischen Funktionsfläche führen kann. Solche Verformungen können die Abbildungsqualität des optischen Systems ebenfalls negativ beeinflussen und sogar zum Ausfall des optischen Systems führen.
Im tiefen oder Vakuum-Ultraviolettbereich (DUV bzw. VUV) werden eventuell entstehende Nichtuniformitäten der Spiegel herkömmlicherweise durch ansteuerbare mechanische Kompensatoren korrigiert (siehe beispielsweise US7545585B2 ). Diese gestatten jedoch keine adaptiven Korrekturen der optischen Oberfläche des Spiegels selbst.
Zur adaptiven Korrektur bzw. Reduktion von Verformungsfehlern insbesondere während des Systembetriebs können weiterhin sogenannte adaptive optische Elemente eingesetzt werden. Insbesondere ist es aus der Halbleiterlithographie im extremen Ultraviolettbereich (EUV) bekannt, Fehler der optischen Oberfläche unter Verwendung des piezoelektrischen Effekts zu korrigieren. Hierzu werden Spiegel mit einer piezoelektrisch aktiven Schicht versehen, die zwischen einem Substrat und der optischen Oberfläche des Spiegels aufgebracht ist. Alternativ kann die piezoelektrisch aktive Schicht direkt in das Substrat integriert sein. Durch Anlegen einer Spannung an die piezoelektrisch aktive Schicht kann die optische Oberfläche des Spiegels lokal verschoben bzw. insbesondere lokal verformt werden. Ein solcher Spiegel für Anwendungen im EUV-Wellenlängenbereich ist beispielsweise aus DE 10 2011 084 649 A1 bekannt. Weiterhin beschreibt DE 10 2011 005 940 A1 einen parzellierten EUV-Spiegel mit einzelnen Spiegelelementen, die aus Substrat, piezoelektrischer Schicht und optischen Funktionsschichten bestehen. Durch gezielte Deformation einzelner Spiegelelemente wird eine Verformung der gesamten Spiegeloberfläche erreicht, um vor allem Wellenfrontfehler zu korrigieren.
Wie beispielsweise in DE 10 2011 007 234 A1 beschrieben, haben die im EUV-Wellenlängenbereich zum Einsatz kommenden piezoelektrisch aktiven Schichten typischerweise eine Schichtdicke von wenigen Mikrometern und werden beispielsweise mit Hilfe des Magnetronsputterns oder auch mit gepulster Laserdeposition (PLD) aufgebracht. Solche Schichtdicken sind ausreichend, um im EUV-Bereich mit Arbeitswellenlängen zwischen 5 nm und 30 nm die dort auftretenden Deformationen optischer Oberflächen zu korrigieren. Die dafür erforderlichen Hübe liegen im Bereich zwischen 5 und 10nm.
Zur Korrektur von Verzeichnungs- oder Fokusfehlern auf optischen Elementen zur Verwendung im DUV-/VUV-Wellenlängenbereich sind aufgrund der dort geforderten Lastfälle allerdings wesentlich dickere piezoelektrisch aktive Schichten (mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von mehr als 10 µm) vonnöten, um höhere Durchschlagsfestigkeiten gewährleisten zu können. Damit können höhere Spannungen an die piezoelektrische Schicht angelegt und größere Hübe erreicht werden. Die hier erforderlichen Hübe liegen im Bereich zwischen 20 und 150nm. Beim Versuch, unter Verwendung der in DE 10 2011 007 234 A1 beschriebenen Beschichtungsverfahren solche für den DUV-/VUV-Wellenlängenbereich geeigneten piezoelektrisch aktiven Schichten mit größerer Schichtdicke zu erzeugen, hat sich jedoch herausgestellt, dass magnetrongesputterte Schichten dieser Dicke aufgrund eines zu hohen Schichtstresses schnell abplatzen. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass bei Piezoschichten, die mit PLD (Pulsed Laser Deposition) hergestellt wurden, ab einer gewissen Dicke das piezoelektrische Material nicht mehr in hinreichend kristalliner Form aufwächst und die Aktuierungswirkung der piezoelektrischen Schicht nachlässt. Die gängigen, aus dem EUV-Wellenlängenbereich bekannten Verfahren zum Aufbringen piezoelektrisch aktiver Schichten sind somit auf Anwendungen im DUV-/VUV-Wellenlängenbereich nicht ohne weiteres übertragbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Spiegel mit einer piezoelektrisch aktiven Schicht bereitzustellen, mit deren Hilfe größere Fehler und Verformungen der optischen Oberfläche, beispielsweise Verzeichnungs- und Wellenfrontfehler, korrigiert werden können. Der Spiegel soll insbesondere für Anwendungen im DUV- und VUV-Wellenlängenbereich geeignet sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Spiegel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Spiegel weist eine optisch aktive Fläche zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung auf, die auf einem Substrat angeordnet ist. Zwischen Substrat und optisch aktiver Fläche befindet sich eine piezoelektrisch aktive Schicht, die mit Hilfe des Gasflusssputterns aufgebracht ist. Ein solches Sputterverfahren ist beispielsweise in DD 294 511 A5 und in DE 11 2010 005 558 B4 beschrieben. Beim Gasflusssputtern wird in einer Hohlkathode ein Fluss von auf das Substrat aufzutragendem piezoelektrischem Material erzeugt und mittels eines Gasstroms durch eine Spule auf das Substrat geleitet. Dabei wird durch das Zuführen eines Inertgases im Innenraum der Hohlkathode eine Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugt, durch die Kathodenmaterial von der Hohlkathode abgestäubt wird. Dieses abgestäubte Kathodenmaterial gelangt durch den Ausgang auf das Substrat, wo es sich ablagert. Beim reaktiven Gasflusssputtern wird zusätzlich ein reaktives Gas eingeleitet, so dass das von der Hohlkathode abgestäubte Material mit dem reaktiven Gas reagieren kann.
Mit Hilfe des Gasflusssputtern ist es möglich, dichte und strukturell hochwertige Schichten mit hoher Homogenität und Reinheit abzuscheiden, wobei keine (oder nur eine sehr geringe) Temperaturbelastung des Substrates erfolgt. Es hat sich herausgestellt, dass das Gasflusssputtern gut geeignet ist, um aus piezoelektrisch aktiven Materialien wie z.B. PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) mechanisch stabile Schichten mit einer Schichtdicke von bis zu einigen 100 µm auf ein Substrat aufzusputtern. Mit piezoelektrisch aktiven Schichten dieser Schichtdicke können durch Anlegen einer Spannung Hübe in der Größenordnung bis zu 150 nm erzeugt werden, die für die Korrektur von Wellenfront-Fehlern und Verformungen in optischen Elementen in Lithographieanlagen des DUV-/VUV-Wellenlängenbereichs notwendig sind. Ein Spiegel mit einer durch Gasflusssputtern erzeugten piezoelektrisch aktiven Schicht eignet sich daher insbesondere für Anwendungen im DUV/VUV-Bereich mit Wellenlängen in der Größenordnung von 100 nm - 300 nm.
Die piezoelektrisch aktive Schicht ist an ihrer dem Substrat zugewandten Seite und ihrer der optisch aktiven Fläche zugewandten Seite mit Elektroden versehen, mit denen an der piezoelektrisch aktiven Schicht eine Spannung angelegt werden kann. Durch diese Spannung wird ein elektrisches Feld erzeugt, durch das die Schichtdicke der piezoelektrisch aktiven Schicht variiert werden kann, wodurch die auf die piezoelektrisch aktive Schicht aufgebrachte optisch aktive Fläche lokal verschoben werden kann. Das kristalline aktive Schichtmaterial durchläuft dabei keine Phasenumwandlung, sondern es findet lediglich eine Verlagerung von positiven und negativen Ladungsschwerpunkten innerhalb der Kristallstruktur des elektrisch nichtleitenden Schichtmaterials statt.
Unter dem Einfluss einer angelegten Spannung senkrecht zur lateralen Ausdehnung der piezoelektrisch aktiven Schicht erfährt diese also eine Dickenänderung in Richtung des elektrischen Feldes. Diese Dickenänderung geht einher mit einer Längenänderung parallel zur lateralen Ausdehnung der piezoelektrisch aktiven Schicht. Diese Längenänderung parallel zur Oberfläche führt zu einer Schichtspannungsänderung und Querkräften, die auf das Substrat wirken und es deformiert. Eine solche Deformation kann insbesondere eine Durchbiegung („Bending“) des Substrats beinhalten und/oder mit einem Einsinken („Indentation“) eines ausgelenkten Bereichs der piezoelektrischen Schicht in das weiche Substrat aufgrund lateraler Spannungen verbunden sein (sogenannter „Bending bzw. Indentation Effect“). Je weicher das Substrat ist, desto stärker ist die Deformation.
Diese Effekte sollen im Folgenden kurz anhand von 8a und 8b erläutert werden. 8a zeigt ein optisches Element 210 mit einem Substrat 214 und einer homogenen piezoelektrisch aktiven Schicht 213, die mit einer unteren Elektrode 215 und einer oberen Elektrode 216 versehen ist. Wird zwischen den Elektroden 215, 216 eine elektrische Spannung angelegt, so führt dies zu einer Dickenänderung eines zwischen den Elektroden 215, 216 angeordneten Bereiches der piezoelektrisch aktiven Schicht 213 und zu einer Deformation des Substrats 214, was in 8a durch eine gestichelt angedeutete Außenkontur 220 angedeutet ist. Laterale Spannungen bauen sich dabei vornehmlich durch eine Verbiegung (Bending) des Substrats 214 ab. Hinzu kommt ein lokales Einsinken der piezoelektrisch aktiven Schicht 213 in das Substratmaterial (Indentation). Die Pfeile 221 geben die wirkenden mechanischen Spannungen in lateraler Richtung an.
8b zeigt ein optisches Element 210' mit einer homogenen piezoelektrisch aktiven Schicht 213' auf einem Substrat 214', das mittels Klebung oder Schweißen starr an die Außenwelt angebunden ist, wodurch die Biegesteifigkeit des Substrats 214' erhöht wird. Wird in diesem Fall zwischen den Elektroden 215', 216' eine elektrische Spannung angelegt, so führt dies - ebenso wie im Beispiel der Figur 8a - zu einer Dickenänderung des zwischen den Elektroden 215', 216' angeordneten Bereiches der piezoelektrisch aktiven Schicht 213' und zu einer Deformation des Substrats 214' (siehe die gestrichelte Außenkontur 220'). Aufgrund der Substratfixierung bauen sich die mechanischen Spannungen in diesem Fall allerdings vornehmlich über Indentation ab.
Um solche globalen Spannungen zwischen piezoelektrisch aktiver Schicht und Substrat zu minimieren, ist es vorteilhaft, die piezoelektrisch aktive Schicht in eine Vielzahl separater, nebeneinander angeordneter piezoelektrischer Elemente zu strukturieren. Diese Aufteilung der piezoelektrisch aktiven Schicht wird im Folgenden auch „Parzellierung“ genannt. Die piezoelektrischen Elemente (Parzellen) können insbesondere einen kreisförmigen oder hexagonalen Querschnitt haben. In lateraler Richtung liegt die Ausdehnung der piezoelektrischen Elemente in der Größe zwischen einigen µm bis in den niedrigen mm-Bereich.
Die nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Elemente haben die Gestalt von im Wesentlichen senkrecht zur optischen Oberfläche angeordneten Säulen, die dicht nebeneinander oder beabstandet angeordnet sein können. Beim Anlegen einer Spannung in Säulenrichtung nimmt die Länge der Säulen zu, während gleichzeitig die Dicke der Säule abnimmt. Bei Säulen geringer Querschnittsfläche sind die dabei auftretenden absoluten Querschnittsänderungen nur sehr gering, so dass nur geringe Kräfte auf das Substrat ausgeübt werden. Auf diese Weise kann eine Verformung (Durchbiegung bzw. Einsinken) des Substrats aufgrund von Querkräften durch die Piezoschicht vermieden bzw. stark reduziert werden. Mit anderen Worten sorgt die Parzellierung dafür, dass das Verhältnis d_{31_eff}/d_{33_eff} zwischen dem effektiven, pieozoelektrischen Koeffizienten d_{31_eff}, der ein Maß für die laterale Verzerrung (hier: Kontraktion) bei senkrecht dazu angelegtem Feld darstellt, und dem effektiven, piezoelektrischen Koeffizienten d_{33_eff}, der ein Maß für die Verzerrung (hier: Ausdehnung) parallel zum angelegten Feld darstellt, für jede Säule kleiner wird. Der Einfluss von lateralen mechanischen Spannungen nimmt ab, das Einsinken (Indentation) des Substrats aufgrund der auf es wirkenden mechanischen Spannungen lässt nach, der effektiv erzielte Piezohub wird größer.
Dabei wird dieser positive Effekt nicht nur bei gasflussgesputterten piezoelektrischen Schichten erreicht. Es ist grundsätzlich auch möglich und vorteilhaft, parzellierte piezoelektrische Schichten zu verwenden, welche nicht durch Gasflusssputtern erzeugt wurden. Die nachfolgend dargestellten Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung, welche parzellierte piezoelektrische Schichten betreffen, lassen sich prinzipiell auch auf herkömmlich hergestellte piezoelektrische Schichten übertragen.
In einer ersten Ausgestaltung umfasst die Parzellierung nicht nur die piezoelektrische Schicht, sondern auch die obere Elektrode bzw. auch die optische Schicht. Der Spiegel enthält somit eine Vielzahl nebeneinander angeordneten Spiegelelementen, die gemeinsam auf dem Substrat angeordnet sind und deren optisch aktive Oberflächen gemeinsam eine Spiegelfläche bilden. Die Spiegelelemente können beispielsweise in Reihen und Spalten im Wesentlichen flächenfüllend oder aber mit gegenseitigem Abstand nebeneinander angeordnet sein. Die lateralen Dimensionen können je nach Anwendungsfall z.B. im Bereich von wenigen µm bis hin zu mehreren mm liegen.
Eine solche Parzellierung des Spiegels in Form von Spiegelelementen kann beispielsweise durch eine entsprechende Maskierung während der Beschichtung oder durch Laserablation nach dem Sputtern erzeugt werden. Bei ebenen Substraten kann die Parzellierung auch lithographisch erzeugt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung beschränkt sich die Parzellierung auf die piezoelektrisch aktive Schicht. In diesem Fall kann etwa im Zuge des Gasflusssputterns durch die Wahl bestimmter Beschichtungsparameter eine säulenartige Struktur gebildet werden. Dabei können säulenartige Strukturen von piezoelektrischen Materialien auch mittels anderer Beschichtungsverfahren wie etwa PLD erzeugt werden. Der Durchmesser dieser Säulen liegt im nm-Bereich, die Abstände benachbarter Säulen liegen ebenfalls im nm Bereich. Alternativ kann mittels Gasflusssputtern eine durchgängige piezoelektrisch aktive Schicht erzeugt werden, die in einem Folgeschritt z.B. durch Laserablation, parzelliert wird. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht auch durch Beschichtung mittels Schattenmaske strukturiert werden.
In beiden Ausführungsarten ist vorteilhafterweise zwischen der parzellierten piezoelektrisch aktiven Schicht und der oberen Elektrode eine Glättungsschicht vorgesehen. Eine solche Glättungsschicht ist beispielsweise in DE 102011007234 A1 beschrieben. Mittels einer solchen Glättungsschicht können Oberflächenunregelmäßigkeiten der parzellierten piezoelektrischen Elemente ausgeglichen und die Aufwachsbedingungen für die nachfolgenden oberen Elektroden und die optisch wirksame Funktionsschicht verbessert werden. Ein typisches Material für eine solche Glättungsschicht ist hinreichend leitfähiges Si. Typische Schichtdicken liegen bei < 300nm, besser < 200nm.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die piezoelektrischen Elemente in einer solchen Weise zu gestalten, dass sich die Querschnittsfläche des piezoelektrischen Elements entlang seiner Längsachse ändert.
Dabei können die piezoelektrischen Elemente zumindest abschnittsweise eine pyramidenförmige oder frustokonische Form haben, mit einem breiteren Basisquerschnitt an ihrer dem Substrat zugewandten Seite und einem schmaleren oberen Querschnitt an ihrer der optisch aktiven Fläche zugewandten Seite. Auf diese Weise kann die Kontaktfläche zwischen der piezoelektrischen Schicht und benachbarten Schichten verringert und eine Verformung der optischen Funktionsschicht durch Durchbiegung weiter reduziert werden. Es ist ebenso denkbar, dass sich die Querschnittsflächen der piezoelektrischen Elemente zu beiden Seiten hin verringern, so dass sich sowohl im Substrat als auch in der optischen Funktionsschicht der Effekt der Durchbiegung bzw. des Eindrückens verringert.
Alternativ zum parzellierten Aufbau der piezoelektrisch aktiven Schicht kann die piezoelektrisch aktive Schicht auch als durchgängige Schicht ausgebildet sein.
Die piezoelektrisch aktive Schicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 10 µm und 50 µm auf. Die Streckgrenze für piezoelektrisch aktive Materialien liegt typischerweise in der Größenordnung zwischen 1% und 5%. Damit lassen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Schicht Hübe in einer Größenordnung erreichen, wie sie für die Korrektur von Verzeichnungs- oder Fokusfehlern im DUV- und VUV-Wellenlängenbereich erforderlich sind.
Um eine mechanische Anbindung der durch Gasflusssputtern aufzubringenden piezoelektrisch aktiven Schicht zu den darunterliegenden Schichten zu verbessern, ist es vorteilhaft, die unmittelbar unterhalb der piezoelektrischen Schicht liegende Schicht mit einer Anwachsschicht zu versehen, die als Basis für die Erzeugung der piezoelektrisch aktiven Schicht dient. Dies kann auch durch ein geeignetes Elektrodenmaterial wie beispielsweise LaNiO₃ erreicht werden, das einerseits eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit besitzt und andererseits als Anwachsschicht für die piezoelektrische Schicht dient. Alternativ kann man eine separate Elektrodenschicht verwenden und darauf die Anwachsschicht (z.B. aus LaNiO₃) aufbringen. Beispiele für Elektrodenschichtmaterialien sind Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit wie Pt, Cr, AI, Pd etc.
Die piezoelektrisch aktive Schicht kann insbesondere aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder aus PbMnNbO3 (PMN) bestehen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz piezoelektrisch aktiver Werkstoffe wie LiNiO₃ oder LiTaO₃, die eine geringe Hysterese und ein lineares Verhalten als Funktion der angelegten Spannung zeigen. Dabei hat sich kristallines LiNiO₃ als besonders geeigneter Werkstoff für die piezoelektrisch aktive Schicht herausgestellt. Dieses piezoelektrisch aktive Material weist eine höhere Linearität und eine geringere Hysterese auf als die gängigen piezoelektrischen Werkstoffe wie PZT und PMN. Allerdings ist die piezoelektrische Konstante von LiNiO₃ niedriger als die von PZT, so dass zur Erreichung eines vorgegebenen Hubes höhere Durchschlagsfestigkeiten und damit größere Schichtdicken vonnöten sind.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Spiegels mit einer durchgängigen piezoelektrisch aktiven Schicht;
2 eine schematische Schnittansicht eines Spiegels mit einer Mehrzahl von Spiegelelementen mit piezoelektrischen Elementen;
3 eine schematische Schnittansicht eines Spiegels mit einer Mehrzahl von Spiegelelementen mit konisch geformten piezoelektrischen Elementen;
4 eine schematische Schnittansicht eines Spiegels mit einer mikrostrukturierten piezoelektrisch aktiven Schicht in einer ersten Ausführungsform;
5 eine schematische Schnittansicht eines Spiegels mit einer mikrostrukturierten piezoelektrisch aktiven Schicht in einer zweiten Ausführungsform;
6 eine schematische Schnittansicht einer Weiterentwicklung des Spiegels der 5, wobei der Spiegel eine Mehrzahl von Spiegelelementen mit mikrostrukturierten piezoelektrischen Elementen umfasst,
7 eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Spiegel nach einem der 1 bis 6; und
8a und 8b schematische Darstellungen einer Substratverbiegung (Bending) und Einsinken einer piezoelektrisch aktiven Schicht in das Substratmaterial (Indentation).

Die 1 bis 6 zeigen schematische Schnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Spiegels 10, der mit einer optisch aktiven Fläche 12 zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung versehen ist. Die Spiegelfläche 12 ist mit einer optisch aktiven Beschichtung 11 versehen und kann insgesamt eben (Planspiegel) oder gekrümmt (z.B. Konvexspiegel, Konkavspiegel, Zylinderspiegel etc.) sein.
Die Spiegel 10 sollen insbesondere in Projektionsbelichtungsanlagen 100 für die Halbleiterlithographie im DUV-Wellenlängenbereich (deep ultraviolet mit Wellenlängen unterhalb 300 nm) bzw. im VUV-Wellenlängenbereich (vacuum ultraviolet mit Wellenlängen in der Größenordnung 100 - 200 nm) zum Einsatz kommen, um Verzeichnungs- oder Fokusfehler sowie thermisch bedingte Verformungen der Projektionsbelichtungsanlage 100 (siehe 7) zu korrigieren. Der Spiegel 10 kann auch für andere Anwendungen, beispielsweise im EUV-Wellenlängenbereich, verwendet werden.
Der Spiegel 10 umfasst ein Substrat 14, das beispielsweise aus Metall, Silizium, einem Glas, einem keramischen Werkstoff etc. bestehen kann. Auf dieses Substrat 14 ist mit Hilfe des Gasflusssputterns eine piezoelektrisch aktive Schicht 13 aufgebracht. Die piezoelektrisch aktive Schicht 13 besteht beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder aus Blei-Magnesium-Niobat (PMN). Alternativ kann die piezoelektrische Schicht 13 kristallines LiNiO₃ oder LiTaO₃ enthalten.
Die piezoelektrisch aktive Schicht 13 des in 1 dargestellten Spiegels 10a ist als eine monolithische, durchgängige Schicht 24 aufgebracht. Die Schichtdicke 23 dieser aktiven Schicht 13 kann unter Verwendung des piezoelektrischen Effekts reversibel verändert werden. Hierzu sind Elektroden 15, 16 vorgesehen, die beidseitig der piezoelektrisch aktiven Schicht 13 angeordnet sind; durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen diesen Elektroden 15, 16 kann somit die Schichtdicke 23 in z-Richtung (also senkrecht zur optisch aktiven Fläche 12) verändert werden. Während die untere Elektrode 15 eine durchgängige Schicht bildet, ist als obere Elektrode 16 eine Vielzahl von gegeneinander isolierten Einzelelektroden 16 vorgesehen, an die lokal unterschiedliche Spannungen zur Erzeugung eines lokal auf die piezoelektrisch aktive Schicht 13 wirkenden elektrischen Feldes angelegt werden können. Auf diese Weise können lateral variable Auslenkungen der piezoelektrisch aktiven Schicht 13 in z-Richtung durchgeführt werden. Die oberen Elektroden 16 bilden dabei eine hexagonale, rechteckige oder kreisförmige Struktur von Einzelelektroden, die durch Zwischenräume mit einer Breite im µm-Bereich elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die laterale Ausdehnung der oberen Einzelelektroden 16 variiert dabei - je nach Anwendung - zwischen einigen µm bis in den cm-Bereich hinein. Eine hierfür benötigte Elektrodenstruktur mit durchgängiger unterer Elektrode 15 und separat ansteuerbaren oberen Einzelelektroden 16 ist beispielsweise aus DE 10 2013 219 583 A1 bekannt.
Soll nun die optische Fläche 12 des Spiegels 10a lokal verändert werden, um Verzeichnungen oder Deformationen zu korrigieren, so können an die oberen Elektroden 16 mit Hilfe von diesen Elektroden 16 zugeordneten Spannungsquellen 27 unterschiedlich hohe elektrische Spannungen angelegt werden, so dass sich lokal unterschiedliche Schichtdicken 23 innerhalb der piezoelektrisch aktiven Schicht 13 einstellen. Diese Schichtdicken können in Abhängigkeit von der durch die Spannungsquellen 27 erzeugten Spannungen zwischen einem Minimalwert (in Abwesenheit eines elektrischen Feldes) und einem Maximalwert variiert werden.
Die Streckgrenze gängiger piezoelektrisch aktiver Materialien liegt typischerweise zwischen 1% und 5%. Die mit Hilfe des Gasflusssputterns aufgetragene piezoelektrisehe aktive Schicht 13 hat für Anwendungen im DUV- bzw. im VUV-Wellenlängenbereich typischerweise eine Dicke zwischen einigen wenigen µm und etwa 100 µm. Beispielsweise lassen sich mit einer piezoelektrisch aktiven Schicht 13 von 10 µm Schichtdicke durch Anlegen einer elektrischen Spannung Hübe in der Größenordnung von 50 - 150 nm erreichen, wie sie für die Korrektur von Verzeichnungen und Fokusfehlen im DUV-Wellenlängenbereich erforderlich sind.
Zwischen der unteren Elektrode 15 und der piezoelektrisch aktiven Schicht 13 ist eine Anwachsschicht 18 angeordnet, die die mechanische Verbindung der gasflussgesputterten aktiven Schicht 13 zu der darunterliegenden Elektrodenschicht 15 und zum Substrat 14 verbessern soll. Die Anwachsschicht 18 unterstützt außerdem die piezoelektrisch aktive Schicht 13 darin, in einer geeigneten Kristallrichtung aufzuwachsen. Für PZT empfiehlt sich beispielsweise eine Anwachsschicht 18 aus LaNiO₃. Die Schichtdicken typischer Anwachsschichten 18 liegen im Bereich zwischen 10 nm und 25 nm. Die in flächigem Kontakt mit dem aktiven Schichtmaterial bzw. der Anwachsschicht 18 stehenden Elektroden 15, 16 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Pt, Pd, Cr, Al etc., und sind durch elektrisch leitende Verbindungen mit einer schaltbaren oder regelbaren Spannungsquelle 27 verbunden. Die Schichtdicken der Elektroden 15, 16 betragen typischerweise mehrere nm.
Als Variation der bisher beschriebenen Ausführungsgestaltung der piezoelektrisch aktiven Schicht 13 in Form einer monolithischen, durchgängigen Schicht 24 ist es möglich, die piezoelektrisch aktive Schicht 13 in eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter, piezoelektrisch aktiver Elemente 13" zu strukturieren beziehungsweise zu parzellieren; dies ist in 1 gestrichelt angedeutet.
Eine solche Parzellierung kann beispielsweise durch lokale Laserablation der gasflussgesputterten Schicht 13 vor oder nach dem Aufbringen der oberen Elektroden 16 erfolgen. Alternativ kann die Parzellierung bereits während des Aufbringens der piezoelektrisch aktiven Schicht 13 unter Verwendung des Gasflusssputterns erzeugt werden, indem das piezoelektrisch aktive Material nur selektiv aufgetragen wird und zwischen den Einzelelementen 13" liegende Bereiche vom Sputtern ausgespart bleiben, so dass Lücken bzw. Spalte zwischen den Einzelelementen 13" gebildet werden.
Die laterale Ausdehnung der piezoelektrisch aktiven Elemente 13" entspricht vorteilhafterweise der lateralen Ausdehnung der oberen Elektroden16, so dass jeder oberen Elektrode 16 ein piezoelektrisch aktives Element 13" zugeordnet ist, dessen Ausdehnung in z-Richtung durch Anlegen einer Spannung an die ihm zugeordnete obere Elektrode 16 verändert werden kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spiegels 10b, der eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spiegelelementen 30 umfasst, die gemeinsam auf dem Substrat 14 angeordnet sind und gemeinsam eine optische Fläche 12' des Spiegels 10b bilden. Jedes Spiegelelement 30 stellt dabei einen Bruchteil der gesamten Spiegelfläche 12 dar. Die Spiegelelemente 30 haben einen rechteckigen Querschnitt und sind mit gegenseitigem Abstand 31 nebeneinander angeordnet. In der gesamten Spiegelfläche können - je nach Anwendung - nur einige wenige bis zu mehr als 1000 Spiegelelemente 30 vorgesehen sein.
Jedes Spiegelelement 30 umfasst eine untere Elektrode 15' und eine obere Elektrode 16, ein zwischen den Elektroden 15', 16 angeordnetes piezoelektrisches Element 20 sowie eine optisch aktive Beschichtung 11'. Jedes Spiegelelement 30 besitzt somit eine eigene untere und obere Elektrode 15', 16, um das diesem Spiegelelement 30 zugeordnete piezoelektrische Element 20 unabhängig von den anderen Spiegelelementen mit einem elektrischen Feld vorgebbarer Stärke beaufschlagen zu können. Die laterale Ausdehnung der Spiegelelemente 30 liegt typischerweise im Bereich zwischen einigen µm bis in den cm-Bereich. Die Parzellierung des Spiegels 10b in Form von Spiegelelementen 30 kann durch eine entsprechende Maskierung oder durch Laserablation erzeugt werden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Spiegels 10c mit Spiegelelementen 30" dargestellt, die gemeinsam auf der Anwachsschicht 18 angeordnet sind und die gemeinsam die optische Fläche 12" des Spiegels 10c bilden. In diesem Ausführungsbeispiel überspannen Substrat 14, untere Elektrode 15 und Anwachsschicht 18 - analog zum Ausführungsbeispiel der 1 - durchgängig den gesamten Spiegel 10c, während die piezoelektrisch aktive Schicht 13, die obere Elektrode 16 und die optisch aktive Schicht 11" parzelliert ausgeführt sind und die Spiegelelemente 30" bilden. Die piezoelektrischen Elemente 20" der Spiegelelemente 30" weisen dabei eine konische Form mit entlang der Längsachse z variierendem Querschnitt 21 auf, so dass ihr (der Anwachsschicht 18 benachbarter) Fuß einen größeren Querschnitt hat als ihr (der optisch aktiven Schicht 11" zugewandter) Kopf.
4 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele von Spiegeln 10d, 10e und 10f, in denen die piezoelektrisch aktive Schicht 13' in Form einer Vielzahl einzelner nebeneinander angeordneter Säulen 25 mikrostrukturiert ist. Zwischen den einzelnen Säulen 25 befinden sich Zwischenräume 26, so dass die Säulen 25 sich beim Anlegen unterschiedlicher elektrischen Spannung an die Elektroden 15, 16 lateral (d.h. senkrecht zur z-Richtung) in unterschiedlichem Maße zusammenziehen können, ohne dass laterale mechanische Spannungen auf das Substrat 14 ausgeübt werden. Die Parzellierung der piezoelektrisch aktiven Schicht 13' besteht in diesen Ausführungsbeispielen somit in einer Strukturierung in Form einer Vielzahl von Einzelsäulen 25.
Die in 4 dargestellte Mikrostrukturierung der piezoelektrischen Schicht 13' in Einzelsäulen 25 wurde durch lokales Ätzen einer durchgängigen, mittels Gasflusssputtern aufgebrachten piezoelektrisch aktiven Schicht hergestellt; auf diese Weise kann eine sehr regelmäßige Anordnung gleichmäßig beabstandeter Einzelsäulen 25 erzeugt werden. Um herstellungsbedingte Oberflächenunregelmäßigkeiten auf den Oberseiten der Einzelsäulen 25 auszugleichen und die Aufwachsbedingungen für die nachfolgenden Schichten zu verbessern, ist zwischen der piezoelektrischen Schicht 13' und der oberen Elektrode 16 eine Glättungsschicht 17, beispielsweise aus amorphem Silizium, vorgesehen, deren Oberfläche dann mittels lonenstrahl glatt poliert werden kann, bevor die Elektrodenschicht 16 aufgebracht wird.
Alternativ kann die Säulenstruktur direkt im Zuge des Aufwachsens der piezoelektrisch aktiven Schicht 13' mittels Gasflusssputterns erzeugt werden. Dabei wird der Wachstumsprozess der piezoelektrisch aktiven Schicht 13' in einer solchen Weise gesteuert, dass sich ein kolumnares Wachstum in Form nebeneinander angeordneter Säulen 25' einstellt. Eine auf diese Weise erzeugte Säulenstruktur ist in 5 dargestellt. Ein nachfolgender Mikrostrukturierungs-Schritt ist in diesem Fall nicht mehr notwendig. Allerdings ist die Struktur der Säulen 25' und der Abstand 26' benachbarter Säulen 25' in diesem Fall unregelmäßiger als im Fall einer nachträglich mikrostrukturierten piezoelektrisch aktiven Schicht 13' der 4. Zum Ausgleich von Höhenunterschieden zwischen den auf diese Weise aufgewachsenen Säulen 25' ist auch hier eine Glättungsschicht 17 vorgesehen.
Es ist möglich, die mikrostrukturierte piezoelektrisch aktive Schicht 13' durch Schattenmasken oder durch Laserablation in eine Vielzahl von Spiegelelementen 32 zu strukturieren, die jeweils mehrere Säulen 25, 25' umfassen. Dies ist in 6 dargestellt. Hier entstehen somit wieder Spiegelelemente 32, die separat durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die Elektroden 15, 16 ansteuerbar sind. Eine solche Strukturierung ist im Vergleich zu den Einzelsäulen 25 der 4 prozesstechnisch einfacher herstellbar.
In 7 ist eine Projektionsbelichtungsanlage 100 für die Halbleiterlithographie dargestellt, in welcher die oben beschriebene Erfindung zur Anwendung kommt und welche zur Belichtung von Strukturen auf ein mit photosensitiven Materialien beschichtetes Substrat dient. Das Substrat besteht im Allgemeinen überwiegend aus Silizium und wird als Wafer 102 bezeichnet, aus welchem insbesondere Halbleiterbauelemente wie z.B. Computerchips hergestellt werden können.
Die Projektionsbelichtungsanlage 100 zeigt dabei im Wesentlichen eine Beleuchtungseinrichtung 103, eine Reticlestage genannte Einrichtung 104 zur Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer Struktur versehenen Maske, einem sogenannten Reticle 105, durch welches die späteren Strukturen auf dem Wafer 102 bestimmt werden, eine Einrichtung 106 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 102 und eine Abbildungseinrichtung, nämlich ein Projektionsobjektiv 107, mit mehreren optischen Elementen 108 bzw. 108', die über Fassungen 109 in einem Objektivgehäuse 140 des Projektionsobjektives 107 gehalten sind.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 105 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 102 abgebildet werden; die Abbildung wird in der Regel verkleinernd ausgeführt.
Die Beleuchtungseinrichtung 103 stellt einen für die Abbildung des Reticles 105 auf dem Wafer 102 benötigten Projektionsstrahl in Form elektromagnetischer Strahlung bereit. Als Quelle für diese Strahlung kann ein Laser, eine Plasmaquelle oder dergleichen Verwendung finden. Die Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 103 über optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl beim Auftreffen auf das Reticle 105 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen aufweist.
Im Ergebnis wird ein Bild des Reticles 105 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 107 entsprechend verkleinert auf den Wafer 102 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Dabei können das Reticle 105 und der Wafer 102 synchron verfahren werden, so dass praktisch kontinuierlich während eines sogenannten Scanvorganges Bereiche des Reticles 105 auf entsprechende Bereiche des Wafers 102 abgebildet werden. Das Projektionsobjektiv 107 weist eine Vielzahl von einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen 108, bzw. 108' wie z.B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen auf. Im gezeigten Beispiel finden die beiden Spiegel 108' zur Faltung des Projektionsstrahles Verwendung. Dabei kann erfindungsgemäß der anhand der 1 - 6 erläuterte Aufbau eines deformierbaren Spiegels 10 für einen der beiden Spiegel 108' oder auch für beide Spiegel 108' zur Anwendung kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7545585 B2 [0003]
DE 102011084649 A1 [0004]
DE 102011005940 A1 [0004]
DE 102011007234 A1 [0005, 0006, 0021]
DD 294511 A5 [0009]
DE 112010005558 B4 [0009]
DE 102013219583 A1 [0033]

Claims

Spiegel (10) mit einer optisch aktiven Fläche (12) zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung, mit mindestens einer piezoelektrisch aktiven Schicht (13) zur Deformation der optisch aktiven Fläche (12), welche zwischen der optisch aktiven Fläche (12) und einem Substrat (14) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der piezoelektrisch aktiven Schicht (13) um eine Gasfluss-Sputterschicht handelt.
Spiegel (10b, 10c, 10d, 10e, 10f) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrisch aktive Schicht (13) eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter piezoelektrischer Elemente (20, 20", 25, 25') umfasst.
Spiegel (10d, 10e, 10f) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der piezoelektrisch aktiven Schicht (13) und der optisch aktiven Fläche (12) eine Glättungsschicht (17) angeordnet ist.
Spiegel (10c) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der piezoelektrischen Elemente (20") derart ausgebildet ist, dass sich seine Querschnittsfläche (21) entlang seiner Längsachse (z) ändert.
Spiegel (10c) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (20") mindestens abschnittsweise konisch ausgebildet ist.
Spiegel (10a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (13, 24) als durchgängige Schicht ausgebildet ist.
Spiegel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (13) eine Dicke im Bereich von 10µm bis 50µm aufweist.
Spiegel (10a, 10b, 10c) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anwachsschicht (18) zwischen der piezoelektrischen Schicht (13) und einer unteren Elektrode (15) ausgebildet ist.
Spiegel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (13) Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder PbMnNbO3 (PMN) enthält.
Spiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (13) LiNiO₃ oder LiTaO₃ enthält.
Projektionsbelichtungsanlage (100) für die Halbleiterlithographie mit einer Vielzahl von einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen (108'), wobei mindestens eines der Elemente (108') ein Spiegel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Spiegels (10) mit einer optisch aktiven Fläche (12) zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung, mit mindestens einer piezoelektrisch aktiven Schicht (13) zur Deformation der optisch aktiven Fläche (12), welche zwischen der optisch aktiven Fläche (12) und einem Substrat (14) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrisch aktive Schicht (13) durch Gasflusssputtern erzeugt wird.