EP1490733A1 - Kollektoreinheit mit einem reflektiven element für beleuchtungssysteme mit einer wellenlänge kleiner als 193 nm - Google Patents

Kollektoreinheit mit einem reflektiven element für beleuchtungssysteme mit einer wellenlänge kleiner als 193 nm

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Publication number
EP1490733A1
EP1490733A1 EP03711910A EP03711910A EP1490733A1 EP 1490733 A1 EP1490733 A1 EP 1490733A1 EP 03711910 A EP03711910 A EP 03711910A EP 03711910 A EP03711910 A EP 03711910A EP 1490733 A1 EP1490733 A1 EP 1490733A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
collector unit
segment
unit according
mirror
collector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03711910A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Weiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
Publication of EP1490733A1 publication Critical patent/EP1490733A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/7015—Details of optical elements
    • G03F7/70166—Capillary or channel elements, e.g. nested extreme ultraviolet [EUV] mirrors or shells, optical fibers or light guides
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K2201/00—Arrangements for handling radiation or particles
    • G21K2201/06—Arrangements for handling radiation or particles using diffractive, refractive or reflecting elements
    • G21K2201/064—Arrangements for handling radiation or particles using diffractive, refractive or reflecting elements having a curved surface

Definitions

  • the invention relates to a collector unit for lighting systems with a wavelength ⁇ 193 nm, preferably ⁇ 126 nm, particularly preferably wavelengths in the EUV range with at least one mirror shell, which receives the rays of a bundle of rays emanating from an object and has an optical effect in relation on the rays of the beam.
  • the rays of the bundle of rays preferably strike at an angle of ⁇ 20 ° to the surface tangent of the mirror shell.
  • the invention also provides an illumination system with such a collector, a projection exposure system with an illumination system according to the invention and a method for illuminating microstructures.
  • No. 5,768,339 shows a collimator for X-rays, the collimator having a plurality of nested paraboloidal reflectors.
  • the collimator according to US Pat. No. 5,768,339 serves to shape an isotropically emitted beam from an X-ray light source into a parallel beam.
  • No. 5,763,930 shows a nested collector for a pinch plasma light source, which serves to collect the radiation emitted by the light source and to bundle it into a light guide.
  • No. 5,745,547 shows several arrangements of multichannel optics which are used to bundle the radiation from a source, in particular X-ray radiation, at one point by means of multiple reflections.
  • the invention proposes elliptically shaped reflectors according to US Pat. No. 5,745,547.
  • Mirrors are arranged so that the diverging x-rays are formed into a parallel output beam.
  • the arrangement of nested reflectors known from WO 99/27542 is used in an X-ray proximity lithography system to refocus the light from a light source, so that a virtual light source is formed.
  • the nested shells can have an ellipsoidal shape.
  • a nested reflector for high-energy photon sources has become known from US Pat. No. 6,064,072, which serves to shape the diverging X-rays into a bundle of rays running in parallel.
  • WO 00/63922 shows a nested collector which serves to collimate the neutron beam.
  • a nested collector for X-rays has become known from WO 01/08162, which is characterized by a surface roughness of the inner, reflecting surface, of the individual mirror shells of less than 12 arm.
  • the collectors shown in WO 01/08162 also include systems with multiple reflection nen, especially Woltersysteme, and are characterized by a high resolution, as required for example for X-ray lithography.
  • zirconium transmission filters can be used to filter out such undesired radiation.
  • such filters have the disadvantage of high light losses. Furthermore, they can be very easily destroyed by thermal stress.
  • Another problem with illumination optics for EUV lithography is that the light losses increase rapidly with the number of optical components.
  • the object of the invention is therefore to provide a collector unit for an illumination system for microlithography with wavelengths ⁇ 193 nm, preferably ⁇ 126 nm, particularly preferably for wavelengths in the EUV range, which on the one hand meets the requirements for uniformity and telecentricity for illumination optics are required, is sufficient, and on the other hand enables spectral filtering to the useful wavelength.
  • the aim is to prevent radiation of wavelengths other than the useful wavelength from entering the lighting system.
  • the component should be compact and the light losses occurring there should be minimized when used in an EUV lighting system.
  • a collector unit with at least one mirror shell according to the preamble of claim 1, which is characterized in that a periodic structure with at least one grating period is applied to at least part of the mirror shell.
  • a periodic structure By applying a periodic structure to the mirror shell, the bundle of rays hitting the mirror shell is diffracted.
  • the focus of the different diffraction orders are on different levels. If you arrange in one level, in one If the diffraction order is focused, for example at a diaphragm, then the other diffraction orders which are deflected into other solid angle elements cannot pass through the diaphragm and thus cannot reach the subsequent lighting system.
  • Another advantage of the collector according to the invention is that the effective exit space of the diffracted light bundle is longer than in a system in which the nested collector and the flat grid are two separate components.
  • the distance in the light path from the light source to the collector can be shortened with a comparable line density compared to a flat grating element, and an illumination system can thus be constructed in a very compact manner.
  • an optical element in the lighting system can be omitted, so that the
  • Transmission of the lighting system can be increased by approximately 30%.
  • an advantageous embodiment provides for the grating to be designed as a blaze grating with a blaze angle ⁇ .
  • the collector unit comprises a plurality of mirror shells which are arranged rotationally symmetrically to an axis of rotation. JE a ring aperture element of the object-side aperture is then assigned to the mirror shell.
  • Rotationally symmetrical collectors have further advantages.
  • the uniformity of the illumination in one plane and the shape of the pupil to be illuminated can be better controlled than in the case of lighting systems with, for example, a flat grating element.
  • rotationally symmetrical components in an illumination system have advantages in aligning the individual components with one another. Another advantage is the symmetrical behavior, for example with
  • the area illuminated by the collector unit lies, for example, in one plane and consists of ring elements, with a ring aperture element preferably being assigned to each ring element.
  • ring elements do not overlap and the ring elements close to one another largely continuously in the plane.
  • the nested collector unit according to the invention With the nested collector unit according to the invention, largely uniform illumination can be achieved in one plane.
  • the optical, for example collecting, effect of the collector for the radiation emitted by the light source and the filtering on the useful wavelength in a single component according to the invention the transmission in lighting systems can be increased and the overall length of the lighting system can be considerably reduced.
  • the mirror shells can preferably be an annular segment of an ellipsoid, a paraboloid or a hyperboloid. For a paraboloid there is a completely parallel bundle of rays and thus an infinite light source. If the shells are sections of ellipsoids, a convergent beam is formed. Collectors with shells, which are cutouts from hyperboloids, lead to a diverging beam.
  • the collector comprises as many shells as possible.
  • the collector according to the invention preferably has more than four, particularly preferably more than seven and particularly preferably more than ten reflectors in a shell-shaped arrangement.
  • a further advantage is that the divergence of the partial beam tufts of the respective mirror shell diffracted into the diaphragm plane is reduced with an increasing number of mirror shells, and thus a better separation of the different diffraction orders in the diaphragm plane is achieved.
  • the plurality of mirror shells arranged around a common axis of rotation are designed in such a way that multiple reflections occur on a mirror shell.
  • the reflection angles can be kept small by multiple reflections on a dish.
  • Systems with an even number of reflections in particular are insensitive to misalignments, in particular tilting with respect to the optical axis, which is the axis of rotation in rotationally symmetrical systems.
  • the reflectivity behaves almost linearly with the angle of incidence relative to the surface tangent, so that the reflection losses for a reflection under 16 ° or two reflections below 8 ° are approximately the same.
  • the maximum achievable aperture of the collector it is advantageous to use more than one reflection.
  • Collectors with two reflections can, for example, as Woltersystems with a first segment of a mirror shell, which is an annular section of a hyperboloid, and one second segment of a mirror shell, which is an annular section of an ellipsoid.
  • Woltersystems are known from the literature, for example from Wolter, Annalen der Physik 10, 94-114, 1952.
  • Woltersystems with a real focal length i.e. H.
  • a collection aperture of, for example, NA max ⁇ 0.985 corresponding to an aperture angle of 80 ° can be selected, whereby one is still in the highly reflective range of reflection under grazing incidence with a reflectivity> 70%.
  • the periodic grating is applied to the second segment of a shell of a winter system.
  • the first segment is preferably a section of a hyperboloid with a virtual focus.
  • the second segment is designed such that it has a focusing effect. This can be achieved in that, in the case of a linear grating with a constant line density, the surface of the second segment is concavely curved in the meridional section.
  • a meridional section is understood to mean a section that includes the optical axis.
  • the focusing effect of the second segment can also be achieved by varying the line density.
  • the surface in the meridonal section can be flat or convex.
  • the second segment which is rotationally symmetrical about the optical axis, then has the shape of a truncated cone.
  • the grid can also be applied to the first segment or to both segments. Grids on both segments are preferred when a high spectral purity is desired; Grid on the first segment, if, for example, the 0th order is to be prevented from escaping from the collector, but is absorbed on the back of the adjacent mirror shell. An aperture to block the light of the unused order can then be omitted.
  • the periodic structure on the second segment which is preferably a blaze grating with a blaze depth B or a blaze angle ⁇ , can, for example, either be introduced into the core for the galvano-plastic impression of the individual mirror shells by diamond turning, or alternatively by scratching the grating into a coating applied to the mirror shells, for example a gold coating.
  • the collector unit is designed in such a way that unused diffraction orders emerge from the unit, there is the advantage over planar grating elements that the light intensity of the emerging diffraction orders is distributed over a ring element. As a result, the thermal load on a panel element can be considerably reduced compared to conventional planar grid elements.
  • the invention also provides an illumination system with such a collector unit.
  • the lighting system is preferably a double-faceted lighting system with a first optical element with first raster elements and a second optical element with second raster elements, as shown in US Pat. No. 6,198,793 B1, the disclosure content of which is fully incorporated in the application.
  • the first and / or second raster elements can be flat facets or facets with a collecting or dispersing effect.
  • the illumination system comprising the collector according to the invention is preferably used in a projection exposure system for microlithography, such a projection exposure system being shown in PCT / EP 00/07258 is, the disclosure content is fully included in the present application.
  • Projection exposure systems include a projection lens arranged downstream of the lighting device, for example a 4-mirror projection lens as shown in US Pat. No. 6,244,717 B1, the disclosure content of which is fully incorporated in the present application.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a collector with a grid that points to the second
  • FIG. 2 shows the illumination in a diaphragm plane arranged behind the collector for a shell of the collector, the illumination of the different diffraction orders being shown.
  • FIG. 3 shows a mirror shell with a first segment that forms the ring
  • FIG. 4a shows the second segment of the shell surface shown in FIG. 3 with the grid applied and the angles drawn in to derive the line number density on the grid in a meridional section
  • Figure 4b shows the first segment of the shell surface shown in Figure 3
  • FIG. 5 Detail of a blaze grating
  • FIG. 6 shows an EUV projection exposure system with a nested collector according to the invention.
  • FIG. 1 two nests of a nested collector according to the invention are shown by way of example in a meridional section, each mirror liner 100, 102 one
  • Woltersystem having a first annular segment 100.1, 102.1 with a first optical surface 100.2, 102.2 and a second annular segment 100.3, 102.3 with a second optical surface 100.4, 102.4.
  • the individual sha len 100, 102 are arranged rotationally symmetrically about the x-axis and the optical axis HA.
  • the ring aperture elements 110, 112 which are assigned to the respective mirror shells 100, 102, largely adjoin one another, ie the object-side aperture of the collector shown in FIG. 1 shows only a gap between the individual ring aperture elements due to the fini - th thickness of the mirror shells.
  • the ring aperture elements of the respective mirror shell receive a partial light bundle of the light bundle emitted by a light source 105, for example a laser plasma source.
  • a light source 105 for example a laser plasma source.
  • the first optical surface 100.2, 102.2 and the second optical surface 100.4, 102.4 also directly adjoin one another without a gap.
  • first optical surface 100.2, 102.2 and the second optical surface 100.4, 102.4 do not connect directly to one another. There is then a gap or an unused area between the optical surfaces. Cooling devices for cooling the mirror shells can then be arranged in the unused area, for example.
  • FIG. 1 also shows the diffraction orders for the grating on the second segment of the second mirror shell that are not focused in the diaphragm plane 125, namely the 0th diffraction order 131 and the +2. Diffraction order 133 shown.
  • the aperture plane 125 is defined by the z and y axes of a coordinate system, the origin of which coincides with the position of the real light source 105. This coordinate system is shown in FIG. 1.
  • the + 1st order 129 is focused in the aperture plane 125, which in the present case is the paper plane, and has a diameter ⁇ R-i.
  • Order or the O. order appear as rings in the diaphragm plane because they are defocused with respect to the diaphragm plane due to the convergent beam path. This can be seen very well in FIG. 1.
  • the focus of the O. order 150 lies in front of the aperture plane 125, the focus 151 of the +2. Order behind the aperture level 125 in the x direction.
  • the width of the circular illumination of the 0th order is ⁇ R 0 , that of
  • FIG. 3 again shows a shell of a nested collector according to the invention with two segments 102.1, 102.3.
  • the first segment 102.1 with a first optical surface is a hyperbolic surface that receives the light from the light source
  • the distance from the coordinate origin to the center Rumi point 170.1 of the first segment 102.1 projected in the meridional section on the x-axis is denoted by xi.
  • the distance from the center point 170.1 of the first segment 102.1 in the meridional section to the virtual focus 172 projected onto the x-axis is denoted by x * T. Due to the configuration of the first segment 102.1 as a hyperbola, it has a virtual focus 172 and maps the real light source 105 into a virtual light source.
  • the virtual light source is in turn emitted by the second segment 102.3 with a second optical surface on which the grating element is applied, for the +1.
  • Diffraction order 129 shown in the aperture plane 125.
  • FIG. 3 there are also the 0th diffraction order 131 and the +2.
  • Diffraction order 133 shown.
  • the distance from the virtual light source, which is in the virtual focus 172, to the center point 170.3 of the second segment 102.3 projected in the meridional section onto the x-axis is denoted by x 2 , the distance from the center point 170.3 of the second segment to the focus 127 of the +1.
  • Diffraction order projected onto the x-axis is referred to as x 2 'in the meridional section.
  • an exemplary embodiment is to be given for a nested collector with a plurality of mirror shells with two segments which are rotationally symmetrical about a common axis HA and which has a grating structure in the region of the second reflection, i. H. on the second optical surface of the second segment.
  • This is intended to filter broadband EUV radiation, such as that generated by plasma sources, for example.
  • the characteristic sizes of the system and the starting point for the subsequent calculation are given in Table 1.
  • the mapping of the source onto the panel takes place in two steps.
  • the first optical reflection surface of the first segment 102.1 is designed as a hyperboloid surface in order to create a virtual focus 172 for the second optical reflection surface of the second segment 102.3.
  • a lattice structure is introduced there that spectrally split the light.
  • the surface of the second mirror segment 102.3 is toroidally curved, ie the surface line is circular and the toroidal surface has a curvature or a radius in the meridional plane.
  • the grid line densities and the radius of the toroid surface must now be calculated so that the focus of the +1. Diffraction order comes to lie in the aperture plane.
  • the grating is advantageously designed as a blaze grating in order to achieve maximum diffraction efficiency.
  • the grid line density of the grid is chosen so that the orders are sufficiently separated to achieve a good filter function.
  • the geometry of the grid should be chosen so that the aberrations are minimal.
  • the basic geometry with the main distances are determined.
  • the grid area and the hyperboloid area are then defined with their parameters.
  • the dimensions of the surfaces are determined in such a way that the aperture is transmitted as seamlessly as possible.
  • Figure 3 is a mirror shell with a first segment 102.1 and a second
  • FIG. 4a shows in more detail the second segment 102.3 of the mirror shell with the sizes required for the derivation, and that in FIG. 4b first segment 102.1 with the sizes required for the derivation.
  • the image is divided into two approximately equal imaging steps. It is thereby achieved that the incident angle does not become excessively large for any of the reflections.
  • the diameter must be defined for every second mirror segment 102.3.
  • the radius r is defined at the center point 170.3 of the second mirror segment 102.3.
  • the center point 170.3 of the second mirror segment 102.3 was defined in FIG. 3; the radius r is the radial distance of the center point 170.3 from the optical axis HA.
  • the distances x 2 , x ' 2 and r result in the distances between the source point of the image, here the virtual focus 172 and center point 170.3, which is denoted by s 2 , and between center point 170.3 and image point, here the Focus of the 1st order 127 in the aperture plane 125, which is denoted by s 2 ' .
  • the grating line density n results from the requirement that the 0th diffraction order is separated from the 1st order in the diaphragm plane 125 by a sufficient distance g.
  • Partial light bundle and 174.0 of the partial light bundle bent into the 0th order are shown in FIG. 4a.
  • the size of the image of the light source in focus 127 of the 1st diffraction order is in the area of the diaphragm plane 125. It is now necessary to demand that the 0th diffraction order be removed from it by a multiple of the image size is.
  • z. B Assume that at ten times the distance / sufficient separation of the useful wavelength from the other radiation is achieved:
  • D denotes the diameter of the image of the light source 105 in the diaphragm plane 125.
  • the diameter D of the light source 105 is as given in Table 1.
  • the necessary diffraction angles a and? Can be used to separate the 0th and 1st diffraction orders, ie the distance g. with respect to the surface normal 180 in the center point 170.3 of the second segment and the tilt ⁇ of the surface normal 180 in the center point 170.3 with respect to the y axis.
  • angles ⁇ ' , ⁇ ' of the incoming and outgoing partial light bundles of the 1st order result in relation to the y-axis:
  • the radius RM of the second mirror segment in the meridional section i.e. H. the curvature of the surface which is rotationally symmetrical about the optical axis HA is determined by the
  • the hyperbolic surface results on the one hand from the condition that the source point and the virtual focus 172 of the light source 105 are equated with the focal points of the hyperbola. This is the case if the distance between the focal points of the hyperbola corresponds to 2c. On the other hand, the hyperbola applies to each point that the difference between the distances from the focal points is just 2a. Finally, the relationship applies to the hyperbola:
  • Table 2 shows a 6-shell nested collector that is rotationally symmetrical about the main axis HA according to the invention.
  • Each shell has a first and a second segment with a first and a second optical surface, which in the present case corresponds to the segments.
  • the first segment is a hyperboloidal surface and the periodic lattice structure is applied to the second segment.
  • the sizes related in Table 2 have all been previously defined.
  • the selected reference coordinate system lies with its origin (0,0,0) at the location of the light source 105.
  • xi Distance in the x-axis direction from the light source 105 to the center point 170.1 of the first mirror segment xi ' : Distance in the x-axis direction from the virtual focus 172 to the center point
  • M g reproduction scale of the entire image x * ⁇ a : x coordinate of the start of the first segment x ⁇ e : x coordinate of the end of the first segment y 1a : y coordinate of the start of the first segment y * ⁇ e : y coordinate of the end of the first segment a
  • b parameters of the hyperbola x 2a : x coordinate of the start of the second segment x 2e : x coordinate of the end of the second segment y ⁇ a : y coordinate of the start of the second segment y 2e : y coordinate of the end of the second segment
  • RM radius of the second segment in the meridonal plane
  • n line number density of the grating
  • ⁇ angle of the incident center beam relative to the normal at the center point of the second mirror shell
  • ß Angle of the center beam diffracted into the 1st order compared to the normal at the center point of the second mirror shell
  • ⁇ Blaze angle ⁇ m ⁇ n:
  • FIG. 5 shows a Blaze fan with an approximately triangular furrow profile.
  • Reference numeral 201 denotes the beam striking the blaze grating with the gating period P; 202 that reflected on the grid in the 0th order and 204 that in the +1.
  • Order diffracted beam, 206 the beam diffracted into the - 1st order, 208 denotes the grating normal, ⁇ the angle of the incident beam with respect to the normal 208 and ß the angle of the into +1.
  • Order diffracted beam The following equation results for the blaze angle depending on the quantities mentioned above:
  • the blaze depth B results for a given blaze angle ⁇ and line number density n
  • FIG. 6 The optical components and the beam path of some light beams of a projection exposure system with a nested collector according to the invention are shown in FIG. 6.
  • the collector according to the invention has a periodic lattice structure on the second segment. Together with the aperture 1202, which is in the vicinity of the intermediate image Z of the source in the +1. Diffraction order is arranged, so u ⁇ ge- desired wavelength, in the present case 13.5 nm, are prevented from entering the part of the lighting system located behind the aperture 1202.
  • the aperture 1202 can also be used to spatially and pressure-wise separate the light source 1000 comprising the space 1204 and the nested collector 1003 from the subsequent lighting system 1206.
  • a spatial or pressure-based separation can prevent contamination that comes from the light source into the rear lighting system located at the aperture 1202.
  • the lighting system shown in FIG. 6 comprises a nested collector 1003 according to the invention.
  • the first optical element 1102 comprises 122 first raster elements, each with an extension of 54 mm ⁇ 2.75 mm.
  • the second optical element 1104 has 122 second raster elements assigned to the first raster elements, each with a diameter of 10 mm.
  • the optical elements 1106, 1108 and 1110 essentially serve to shape the field in the object plane 1114.
  • the reticle in the object plane is a reflection mask.
  • the reticle can be moved in the drawn direction 1116 in the EUV projection system designed as a scanning system.
  • the exit pupil of the lighting system is largely homogeneously illuminated.
  • the exit pupil coincides with the entrance pupil of a subsequent projection lens.
  • the entrance pupil of the projection lens is not shown. It is located at the point of intersection of the main beam reflected by the reticle with the optical axis of the projection lens.
  • a projection objective 1126 for example with six mirrors 1128.1, 1128.2, 1128.3, 1128.4, 1128.5, 1128.6 according to the US patent application 09/503640, images the reticle onto the object 1124 to be exposed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kollektoreinheit für Beleuchtungssysteme mit einer Wellenlänge <= 193 nm bevorzugt im Bereich der EUV-Wellenlängen mit mindestens einer Spiegelschale, die eine optische Wirkung aufweist, wobei die Strahlen unter einem Winkel - <= 20° zur Oberflächentangente der Spiegelschale auftreffen, und auf mindestens einem Teil der Spiegelschale eine periodische Struktur mit mindestens einer Gitterperiode aufgebracht ist.

Description

KOLLEKTOREINHEIT MIT EINEM REFLEKTIVEN ELEMENT FÜR BELEUCHTUNGSSYSTEME MIT
EINER WELLENLÄNGE KLEINER ALS 193 NM
Die Erfindung betrifft eine Kollektoreinheit für Beleuchtungssysteme mit einer Wellenlänge < 193 nm, bevorzugt < 126 nm, insbesondere bevorzugt Wellenlängen im EUV-Bereich mit mindestens einer Spiegelschale, die die Strahlen eines Strahlbüschels, das von einem Objekt ausgeht, aufnimmt und eine optische Wirkung in bezug auf die Strahlen des Strahlbüschels aufweist.
Bevorzugt treffen die Strahlen des Strahlbüschels unter einem Winkel < 20° zur O- berflächentangente der Spiegelschale auf.
Des weiteren stellt die Erfindung auch ein Beleuchtungssystem mit einem derartigen Kollektor, einer Projektionsbelichtungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem sowie ein Verfahren zur Belichtung von MikroStrukturen zur Verfü- gung.
Genestete Kollektoren für Wellenlängen < 193 nm, insbesondere Wellenlängen im Bereich der Röntgenstrahlen sind aus einer Vielzahl von Schriften bekanntgeworden.
So zeigt die US 5,768,339 einen Kollimator für Röntgenstrahlen, wobei der Kollimator mehrere genestete paraboloidförmige Reflektoren aufweist. Der Kollimator gemäß der US 5,768,339 dient dazu, ein isotrop abgestrahltes Strahlbündel einer Röntgen- Lichtquelle in einen parallelen Strahl zu formen.
Aus der US-A-1865441 ist ein genesteter Kollektor für Röntgenstrahlen bekanntgeworden, der wie im Falle der US 5,768,339 dazu dient, von einer Quelle abgegebene isotrope Röntgenstrahlen zu einem parallelen Strahlbündel zu kollimieren.
Die US 5,763,930 zeigt einen genesteten Kollektor für eine Pinch-Plasma- Lichtquelle, der dazu dient, die von der Lichtquelle abgegebene Strahlung zu sammeln und in einen Lichtleiter zu bündeln. Die US 5,745,547 zeigt mehrere Anordnungen von Multikanaloptiken, die dazu dienen, durch Mehrfachreflexionen die Strahlung einer Quelle, insbesondere Röntgenstrahlung, in einem Punkt zu bündeln.
Um eine besonders hohe Transmissionseffϊzienz zu erreichen, schlägt die Erfindung gemäß der US 5,745,547 elliptisch geformte Reflektoren vor.
Aus der DE 30 01 059 C2 ist für die Verwendung in Röntgenstrahlen- Lithographiesystemen eine Anordnung bekanntgeworden, die parabolische zwischen Röntgenstrahlquelle und Maske angeordnete genestete Spiegel aufweist. Diese
Spiegel sind so angeordnet, daß die divergierenden Röntgenstrahlen zu einem parallel verlaufenden Ausgangsstrahlbüschel geformt werden.
Die Anordnung gemäß der DE 30 01 059 dient wiederum lediglich dazu, für die Röntgenstrahl-Lithographie eine gute Kollimation zu erreichen.
Die aus der WO 99/27542 bekanntgewordene Anordnung von genesteten Reflektoren dient bei einem Röntgenstrahl-Proximity-Lithographie-System dazu, daß Licht einer Lichtquelle zu refokussieren, so daß eine virtuelle Lichtquelle ausgebildet wird. Die genesteten Schalen können Ellipsoidform aufweisen.
Aus der US 6,064,072 ist ein genesteter Reflektor für hochenergetische Photonenquellen bekanntgeworden, der dazu dient, die divergierenden Röntgenstrahlen zu einem parallel verlaufenden Strahlbüschel zu formen.
Die WO 00/63922 zeigt einen genesteten Kollektor, der dazu dient, den Neutronenstrahl zu kollimieren.
Aus der WO 01/08162 ist ein genesteter Kollektor für Röngtenstrahlen bekanntge- worden, der sich durch eine Oberflächenrauigkeit der inneren, reflektierenden Fläche, der einzelnen Spiegelschalen von weniger als 12 A rms auszeichnet. Die in der WO 01/08162 gezeigten Kollektoren umfassen auch Systeme mit Mehrfachreflexio- nen, insbesondere auch Woltersysteme, und zeichnen sich durch eine hohe Auflösung, wie sie beispielsweise für die Röntgenlithographie gefordert wird, aus. Ein weiteres Problem bei Beleuchtungssystemen für Wellenlängen < 100 nm neben der Kollektion der von der Lichtquelle abgegebenen Strahlung besteht darin, daß die Lichtquellen derartiger Beleuchtungssysteme auch Strahlung einer Wellenlänge emittieren, die zu einer unerwünschten Belichtung des lichtsensitiven Objekts in der Wa- ferebene des Projektionsbelichtungssystem führen kann und optische Komponenten des Belichtungssystems, wie beispielsweise Multilayer-Spiegel, durch derartige Strahlung unzulässig erwärmt werden und schnell degradieren Zum Ausfiltern derar- tiger unerwünschter Strahlung können beispielsweise Transmissionsfilter aus Zirkon verwandt werden. Derartige Filter haben aber den Nachteil hoher Lichtverluste. Des weiteren können sie sehr leicht durch Wärmebelastung zerstört werden. Ein weiteres Problem von Beleuchtungsoptiken für die EUV-Lithographie besteht darin, daß die Lichtverluste mit der Anzahl der optischen Komponenten stark wachsen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Kollektoreinheit für ein Beleuchtungssystem für die Mikrolithographie mit Wellenlängen < 193 nm, vorzugsweise < 126 nm, besonders bevorzugt für Wellenlängen im EUV-Bereich anzugeben, das zum einen den Anforderungen an die Uniformität und Telezentrie, die für Beleuchtungsoptiken erfor- derlich sind, gerecht wird, zum anderen eine spektrale Filterung auf die Nutzwellenlänge ermöglicht. Insbesondere soll verhindert werden, daß Strahlung anderer Wellenlängen als die Nutzwellenlänge in das Beleuchtungssystem gelanget. Des weiteren soll das Bauteil kompakt sein und bei einer Verwendung in einem EUV- Beleuchtungssystem die dort auftretenden Lichtverluste minimiert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kollektoreinheit mit mindestens einer Spiegelschale gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß mindestens auf einem Teil der Spiegelschale eine periodische Struktur mit mindestens einer Gitterperiode aufgebracht ist. Durch das Aufbrin- gen einer periodischen Struktur auf die Spiegelschale wird das auf die Spiegelschale auftreffende Strahlbüschel gebeugt. Die Foki der unterschiedlichen Beugungsordnungen liegen in unterschiedlichen Ebenen. Ordnet man in einer Ebene, in der eine Beugungsordnung fokussiert wird, beispielsweise eine Blende an, so können die anderen Beugungsordnungen, die in andere Raumwinkelelemente abgelenkt werden, nicht durch die Blende hindurch treten und damit nicht in das nachfolgende Beleuchtungssystem gelangen. Auf diese Art und Weise kann eine Trennung der Nutzstrahlung, die beispielsweise bei 13,5 nm liegt und Strahlung anderen Wellenlängen, insbesondere Wellenlängen > 100 nm, die in der 0. Beugungsordnung zu finden sind, verhindert werden. Des weiteren ist es möglich, durch einen solchen Aufbau das Eindringen von der Lichtquelle austretenden Partikeln in ein nachfolgendes Beleuchtungssystem zu verhindern.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kollektors ist, daß der effektive Austrittsraum des gebeugten Lichtbüschels länger ist als bei einem System, bei dem der genestete Kollektor und das ebene Gitter zwei getrennte Bauteile sind. Dies hat mehrere Vorteile. Zum einen kann bei gleicher Dispersion wie bei einem System mit ge- nestetem Kollektor und getrenntem planen Gitterelement eine geringere Bandbreite erzielt werden, zum anderen ist die Separation der unterschiedlichen Beugungsordnungen größer als bei einem System mit genestetem Kollektor und getrenntem planen Gitterelement. Bei einem Einsatz in einem Beleuchtungssystem kann dann der Abstand im Lichtweg von der Lichtquelle bis zum Kollektor bei vergleichbarer Linien- dichte gegenüber einem ebenen Gitterelement verkürzt und so ein Beleuchtungssystem sehr kompakt aufgebaut werden.
Durch die Zusammenfassung der sammelnden Eigenschaften eines Kollektors mit den filternden Eigenschaften eines Spektralfilters bei dem erfindungsgemäßen Bau- element kann ein optisches Element im Beleuchtungssystem entfallen, so daß die
Transmission des Beleuchtungssystems um ungefähr 30 % erhöht werden kann.
Um besonders hohe Beugungseffizienzen zu erreichen, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, das Gitter als Blaze-Gitter mit einem Blaze-Winkel ε aus- zubilden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kollektoreinheit eine Vielzahl von Spiegelschalen umfaßt, die rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse angeordnet sind. Je- der Spiegelschale ist dann ein Ringaperturelement der objektseitigen Apertur zugeordnet.
Rotationssymmetrisch aufgebaute Kollektoren haben weitere Vorteile. So läßt sich bei einem zu einer Rotationsachse rotationssymmetrischen Kollektor die Uniformität der Ausleuchtung in einer Ebene und die Form der auszuleuchtenden Pupille besser als bei Beleuchtungssystemen mit beispielsweise einem planen Gitterelement kontrollieren. Des weiteren haben derartige rotationssymmetrische Komponenten in einem Beleuchtungssystem Vorteile bei der Ausrichtung der einzelnen Komponenten zueinander. Ein weiterer Vorteil ist das symmetrische Verhalten, zum Beispiel bei
Erwärmung.
Der durch die Kollektoreinheit ausgeleuchtete Bereich liegt beispielsweise in einer Ebene und besteht aus Ringelementen, wobei bevorzugt jedem Ringelement ein Ringaperturelement zugeordnet ist. Die Ringaperturelemente und die zugeordneten
Ringelemente überlappen in einer vorteilhaften Ausführungsform nicht und die Ringelemente schließen in der Ebene weitgehend kontinuierlich aneinander.
Mit der genesteten Kollektoreinheit gemäß der Erfindung kann eine weitgehend gleichmäßige Ausleuchtung in einer Ebene erreicht werden. Durch die Kombination der optischen, beispielsweise sammelnden, Wirkung des Kollektors für die von der Lichtquelle ausgesandten Strahlung und der Filterung auf die Nutzwellenlänge in einem einzigen Bauelement gemäß der Erfindung kann die Transmission bei Beleuchtungssystemen erhöht und die Baulänge des Beleuchtungssystems erheblich redu- ziert werden.
Die Spiegelschalen können bevorzugt ein ringförmiges Segment eines Ellipsoids, eines Paraboloids oder eines Hyperboloids sein. Für ein Paraboloid ergibt sich ein vollständig paralleles Strahlenbündel und somit eine im Unendlichen liegende Licht- quelle. Sind die Schalen Ausschnitte von Ellipsoiden, so wird ein konvergentes Strahlbündel ausgebildet. Kollektoren mit Schalen, die Ausschnitte von Hyperboloide sind, führen zu einem divergierenden Strahlbündel.
Um eine weitgehend homogene Ausleuchtung bzw. uniforme Ausleuchtung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn der Kollektor so viele Schalen als möglich umfaßt. Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Kollektor mehr als vier, besonders bevorzugt mehr als sieben und insbesondere bevorzugt mehr als zehn Reflektoren in einer schalen- förmigen Anordnung auf. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Divergenz der in die Blen- denebene gebeugten Teilstrahlbüschel der jeweiligen Spiegelschale mit zunehmender Anzahl an Spiegelschalen reduziert wird und so eine bessere Trennung der unterschiedlichen Beugungsordnungen in der Blendenebene erreicht wird.
Bevorzugt ist es, wenn die Vielzahl der um eine gemeinsame Rotationsachse ange- ordneten Spiegelschalen so ausgebildet sind, daß an einer Spiegelschale Mehrfachreflexionen auftreten.
Durch Mehrfachreflexionen an einer Schale können die Reflexionswinkel klein gehalten werden. Besonders Systeme mit gerader Anzahl von Reflexionen sind unempfindlich gegenüber Dejustagen, insbesondere Verkippungen gegenüber der opti- sehen Achse, die bei rotationssymmetrischen Systemen die Rotationsachse ist.
Die Reflektivität verhält sich bei Reflexion unter streifendem Einfall mit kleinen Einfallswinkeln von weniger als 20° relativ zur Oberflächentangente bei Materialien wie Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Kohlenstoff oder Gold nahezu linear mit dem Einfallswinkel relativ zur Oberflächentangente, so daß die Reflexionsverluste für eine Reflexion unter beispielsweise 16° oder zwei Reflexionen unter 8° annnähernd dieselben sind. Für die maximal erreichbare Apertur des Kollektors ist es jedoch vorteilhaft, mehr als eine Reflexion zu verwenden.
Besonders bevorzugt sind Systeme mit zwei Reflexionen. Kollektoren mit zwei Reflexionen können beispielsweise als Woltersysteme mit einem ersten Segment einer Spiegelschale, das ein ringförmiger Ausschnitt eines Hyperboloides ist, und einem zweiten Segment einer Spiegelschale, die ein ringförmiger Ausschnitt eines Ellipsoi- des ist, ausgebildet sein.
Woltersysteme sind aus der Literatur, beispielsweise aus Wolter, Annalen der Physik 10, 94 - 114, 1952, bekannt. Betreffend Woltersysteme mit einer reelen Schnittweite, d. h. einem reellen Zwischenbild der Quelle, die durch die Kombination einer Hyperboloidfläche mit einer Ellipsoidfläche gebildet wird, wird auf J. Optics, Vol. 15, 270 - 280, 1984 verwiesen.
Ein besonderer Vorteil von Woltersystemen ist, daß bei einem Woltersystem mit zwei
Reflexionen mit Einfallswinkeln kleiner 20° relativ zur Oberflächentangente eine Kollektionsapertur von beispielsweise NAmax ~ 0.985 entsprechend einem Aperturwinkel von 80° gewählt werden kann, wobei man sich immer noch im hochreflektierenden Bereich der Reflexion unter streifendem Einfall mit einer Reflektivität > 70 % befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das periodische Gitter auf das zweite Segment einer Schale eines Woltersystems aufgebracht ist.
In einem derartigen Fall ist das erste Segment bevorzugt ein Ausschnitt eines Hyperboloids mit einem virtuellen Fokus. Das zweite Segment ist derart ausgebildet, daß es eine fokussierende Wirkung aufweist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß bei einem linearen Gitter mit konstanter Liniendichte die Fläche des zweiten Segmentes im Meridonalschnitt konkav gekrümmt ist. Unter einem Meridonalschnitt wird in vorliegender Anmeldung ein Schnitt, der die optische Achse umfasst, verstanden. Die fokussierende Wirkung des zweiten Segmentes kann auch durch eine Variation der Liniendichte erreicht werden. In einem solchen Fall kann die Fläche im Meridonalschnitt eben oder auch konvex sein. Bei beispielsweise ebener Fläche im Merdionalschnitt hat das zweite um die optische Achse rotationssymmetrische Seg- ment dann die Form eines Kegelstumpfes. Alternativ kann das Gitter auch auf das erste Segment aufgebracht sein oder auf beide Segmente. Gitter auf beiden Segmenten sind bevorzugt, wenn eine große spektrale Reinheit angestrebt wird; Gitter auf dem ersten Segment, wenn beispielsweise verhindert werden soll, daß die O.-te Ordnung aus dem Kollektor austritt, son- dern auf der Rückseite der benachbarten Spiegelschale absorbiert wird. Eine Blende zum Abblocken des Lichts der nicht genutzten Ordnung kann dann entfallen.
Die periodische Struktur auf dem zweiten Segment, die bevorzugt ein Blaze-Gitter mit einer Blaze-Tiefe B bzw. einem Blaze-Winkel ε ist, kann beispielsweise entweder in den Kern für die galvano-plastische Abformung der einzelnen Spiegelschalen durch Diamantdrehen eingebracht werden oder alternativ durch Ritzen des Gitters in eine auf die Spiegelschalen aufgebrachte Beschichtung, beispielsweise eine Gold- beschichtung.
Wird die Kollektoreinheit so ausgebildet, daß nicht genutzte Beugungsordnungen aus der Einheit austreten, so ergibt sich gegenüber planaren Gitterelementen der Vorteil, daß die Lichtintensität der austretenden Beugungsordnungen auf ein Ringelement verteilt wird. Hierdurch kann die Wärmebelastung auf einem Blendenelement gegenüber herkömmlichen planaren Gitterelementen erheblich verringert werden.
Neben der Kollektoreinheit stellt die Erfindung auch ein Beleuchtungssystem mit einer derartigen Kollektoreinheit zur Verfügung. Das Beleuchtungssystem ist bevorzugt ein doppelt facettiertes Beleuchtungssystem mit einem ersten optischen Element mit ersten Rasterelementen und einem zweiten optischen Element mit zweiten Raster- elementen, wie in der US 6,198,793 B1 gezeigt, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die Anmeldung mit aufgenommen wird.
Die ersten und/oder zweiten Rasterelemente können Planfacetten oder Facetten mit sammelnder bzw. zerstreuender Wirkung sein.
Das Beleuchtungssystem umfassend den erfindungsgemäßen Kollektor findet bevorzugt in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie Verwendung, wobei eine derartige Projektionsbelichtungsanlage in der PCT/EP 00/07258 gezeigt ist, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird. Projektionsbelichtungsanlagen umfassen ein der Beleuchtungseinrichtung nachgeordnetes Projektionsobjektiv, beispielsweise ein 4-Spiegel- Projektionsobjektiv wie in der US 6,244,717 B1 dargestellt, deren Offenbarungsge- halt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben werden.
Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipskizze eines Kollektors mit einem Gitter, das auf die zweite
Spiegelschale aufgebracht ist
Figur 2 die Ausleuchtung in einer hinter dem Kollektor angeordneten Blendenebene für eine Schale des Kollektors, wobei die Ausleuchtung der verschiedenen Beugungsordnungen gezeigt ist Figur 3 eine Spiegelschale mit einem ersten Segment, das das ringförmige
Segment einer Hyperbel ist, und einem zweiten Segment, das als Mantellinie einen Kreis hat, und auf das ein Gitter aufgebracht ist im Meridonalschnitt
Figur 4a das zweite Segment der in Figur 3 gezeigten Schalenfläche mit aufge- brachtem Gitter und eingezeichneten Winkeln zur Herleitung der Li- nienzahldichte auf dem Gitter im Meridonalschnitt
Figur 4b das erste Segment der in Figur 3 gezeigten Schalenfläche zur
Herleitung des Radius bzw. der Krümmung der Hyperboloidfläche im Meridonalschnitt Figur 5 Ausschnitt eines Blaze-Gitters
Figur 6 ein EUV-Projektionsbelichtungssystem mit einem erfindungsgemäßen genesteten Kollektor.
In Figur 1 sind von einem genesteten Kollektor gemäß der Erfindung exemplarisch zwei Schalen im Meridonalschnitt gezeigt, wobei jede Spiegelschale 100, 102 ein
Woltersystem mit einem ersten ringförmigen Segment 100.1 , 102.1 mit einer ersten optischen Fläche 100.2, 102.2 und einem zweiten ringförmigen Segment 100.3, 102.3 mit einer zweiten optischen Fläche 100.4, 102.4 aufweist. Die einzelnen Scha- len 100, 102 sind rotationssymmetrisch um die x-Achse bzw. die optische Achse HA angeordnet. Wie man aus Figur 1 erkennt, grenzen die Ringaperturelemente 110, 112, die den jeweiligen Spiegelschalen 100, 102 zugeordnet sind, weitgehend aneinander an, d. h. die objektseitige Apertur des in Figur 1 gezeigten Kollektors zeigt zwischen den einzelnen Ringaperturelementen nur eine Lücke bedingt durch die fini- te Dicke der Spiegelschalen. Die Ringaperturelemente der jeweiligen Spiegelschale nehmen ein Teillichtbüschel des von einer Lichtquelle 105, beispielsweise einer Laser-Plasma-Quelle, abgestrahlten Lichtbüschels auf. Durch geeignete Wahl der Parameter der auf das zweite Segment 100.3, 102.3 aufgebrachten periodischen Struk- turen bzw. Gitterelemente ist es wie nachfolgend aufgezeigt möglich, daß für sämtliche Schalen unabhängig von dem aufgenommenen Ringaperturelement und der Schale die Teillichtbüschel unterschiedlicher Schalen für eine bestimmte Beugungsanordnung, hier der +1. Beugungsanordnung 129, in ein und denselben Fokus 127 der Blendenebene 125 gebeugt werden.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform schließen auch die erste optische Fläche 100.2, 102.2 und die zweite optische Fläche 100.4, 102.4 ohne Lücke direkt aneinander an.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß die erste optische Fläche 100.2, 102.2 und die zweite optische Fläche 100.4, 102.4 nicht direkt aneinander anschließen. Zwischen den optischen Flächen gibt es dann je eine Lücke bzw. einen ungenutzten Bereich. Im ungenutzten Bereich können dann beispielsweise Kühleinrichtungen zur Kühlung der Spiegelschalen angeordnet werden.
Des weiteren ist beim Kollektor gemäß Figur 1 eine im Inneren der innersten Spiegelschale angeordnete Blende 130 gezeigt. Genestete, reflektive Kollektoren weisen wegen der endlichen Größe der Spiegelschalen notwendigerweise eine zentrale Abschattung auf, d. h. unterhalb eines bestimmten Aperturwinkels NAmin kann die Strah- lung der Quelle nicht aufgenommen werden. Die Blende 130 verhindert, daß direkt durch die zentrale Schale gelangendes Licht nicht als Falschicht in das nachfolgende Beleuchtungssystem gelangt. In Figur 1 dargestellt sind auch die nicht in die Blendenebene 125 fokussierten Beugungsordnungen für das Gitter auf dem zweiten Segment der zweiten Spiegelschale, nämlich die 0. Beugungsordnung 131 und die +2. Beugungsordnung 133, gezeigt.
In Figur 2 ist die Ausleuchtung mit einem erfindungsgemäßen Kollektor für eine
Spiegelschale hier der zweiten Spiegelschale 102 in der Blendenebene 125 gezeigt.
Die Blendenebene 125 wird durch die z- und y-Achse eines Koordinatensystems, dessen Ursprung mit der Lage der reellen Lichtquelle 105 zusammenfällt, definiert. Dieses Koordinatensystem ist in Figur 1 gezeigt.
Wie aus Figur 2 zu erkennen, ist in der Blendenebene 125, die vorliegend die Papierebene ist, die +1.Ordnung 129 fokussiert und weist einen Durchmesser ΔR-i auf. Andere Ordnungen als die +1.Ordnung, beispielsweise die +2. Ordnung oder die O.Ordnung erscheinen als Ringe in der Blendenebene, da sie aufgrund des konver- genten Strahlengang gegenüber der Blendenebene defokussiert sind. Dies ist in Figur 1 sehr gut zu erkennen. Der Fokus der O.Ordnung 150 liegt vor der Blendenebene 125, der Fokus 151 der +2. Ordnung hinter der Blendenebene 125 in x-Richtung. Die Breite der kreisförmigen Ausleuchtung der O.Ordnung beträgt ΔR0 , die der
+2. Ordnung ΔR2 . Der mittlere Abstand der jeweiligen Beugungsordnung zur opti- sehen Achse beträgt R2 bzw. Ro.
Durch Einbringen einer kreisförmigen Blende154 mit Radius R3 kann die 0. und
2. Ordnung in der Blendenebene 125 ausgeblendet werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die in anderen Ordnungen enthaltenen Wellenlängen vollständig aus- zubienden und zu verhindern, daß diese in ein hinter dem erfindungsgemäßen Kollektor angeordnetes Beleuchtungssystem eintreten.
In Figur 3 ist nochmals eine Schale eines erfindungsgemäßen genesteten Kollektors mit zwei Segmenten 102.1, 102.3 dargestellt. Das erste Segment 102.1 mit einer ersten optischen Fläche ist eine Hyperbel-Fläche, die das Licht von der Lichtquelle
105 aufnimmt. Dort liegt auch der Ursprung des für die weitere Ableitung benutzten Referenzkoordinatensystems. Den Abstand vom Koordinatenursprung zum Zent- rumspunkt 170.1 des ersten Segmentes 102.1 im Meridonalschnitt projeziert auf die x-Achse wird mit xi bezeichnet. Der Abstand vom Zentrumspunkt 170.1 des ersten Segmentes 102.1 im Meridonalschnitt zum virtuellen Fokus 172 projeziert auf die x- Achse wird mit x*T bezeichnet. Aufgrund der Ausgestaltung des ersten Segmentes 102.1 als Hyperbel weist diese einen virtuellen Fokus 172 auf und bildet die reelle Lichtquelle 105 in eine virtuelle Lichtquelle ab. Die virtuelle Lichtquelle wiederum wird von dem zweiten Segment 102.3 mit einer zweiten optischen Fläche, auf das das Gitterelement aufgebracht ist, für die +1. Beugungsordnung 129 in die Blendenebene 125 abgebildet. In Figur 3 sind auch die 0. Beugungsordnung 131 und die +2. Beugungsordnung 133 gezeigt. Den Abstand von der virtuellen Lichtquelle, die im virtuellen Fokus 172 liegt, zum Zentrumspunkt 170.3 des zweiten Segmentes 102.3 im Meridonalschnitt projeziert auf die x-Achse wird mit x2 bezeichnet, der Abstand vom Zentrumspunkt 170.3 des zweiten Segmentes zum Fokus 127 der +1. Beugungsordnung projeziert auf die x-Achse wird im Meridonalschnitt mit x2' bezeichnet.
Nachfolgend soll für einen genesteten Kollektor mit einer Vielzahl von um eine gemeinsame Achse HA rotationssymmetrischen Spiegelschalen mit zwei Segmenten ein Ausführungsbeispiel gegeben werden, das eine Gitterstruktur im Bereich der zweiten Reflexion, d. h. auf der zweiten optischen Fläche des zweiten Segmentes, trägt. Dadurch soll erreicht werden, daß breitbandige EUV-Strahlung, wie sie beispielsweise von Plasmaquellen erzeugt wird, gefiltert wird. Die charakteristischen Größen des Systems, die Ausgangspunkt für die nachfolgende Berechnung sind in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1:
Charakteristische Größen des Systems
Bei den Systemen mit zwei Segmenten geschieht die Abbildung der Quelle auf die Blende in zwei Schritten. Die erste optische Reflexionsfläche des ersten Segmentes 102.1 ist als Hyperboloid-Fläche ausgebildet, um eine virtuellen Fokus 172 für die zweite optische Reflexionsfläche des zweiten Segmentes 102.3 zu schaffen. Dort ist eine Gitterstruktur eingebracht, die das Licht spektral aufspalten. Die Fläche des zweiten Spiegelsegmentes 102.3 ist dabei toroidal gekrümmt, d. h. die Mantellinie ist kreisförmig und die Toroidfläche weist in der Meridonalebene eine Krümmung bzw. einen Radius auf. Die Gitterliniendichten und der Radius der Toroidfläche muß nun so berechnet werden, daß der Fokus der +1. Beugungsordnung in der Blendenebene zu liegen kommt. Alle anderen Ordnungen, sowie die 0. Beugungsordnung erscheinen in der Blendenebene als konzentrische Ringe um diesen Fokus und werden durch die Blende aufgehalten. Günstigerweise wird das Gitter als Blaze-Gitter ausgeführt um ein maximale Beugungseffizienz zu erreichen. Die Gitterliniendichte des Gitters wird so gewählt, daß die Ordnungen ausreichend getrennt sind, um eine gute Filterfunktion zu erreichen. Schließlich soll die Geometrie des Gitters möglichst so gewählt sein, daß die Aberrationen minimal sind.
Nachfolgend werden die Formeln, aus denen sich die Gitterkonstante, der Blaze- Winkel, der Radius der Toroidfläche des zweiten Segmentes im Meridonalschnitt und die Parameter der Hyperboloidfläche ergeben, hergeleitet.
Zunächst werden die grundsätzliche Geometrie mit den Hauptabständen festgelegt. Daran anschließend werden die Gitterfläche und die Hyperboloidfläche mit ihren Parametern festgelegt. Schließlich werden die Ausdehnungen der Flächen so bestimmt, daß sich eine möglichst lückenlose Übertragung der Apertur ergibt.
Die Abstände zwischen Quelle, erster Abbildung und zweiter Abbildung werden wie nachfolgend beschrieben festgelegt. Die in der nachfolgenden Ableitung angegebenen Größen können sämtlich Figuren 3, 4a und 4b entnommen werden.
In Figur 3 ist eine Spiegelschale mit einem ersten Segment 102.1 und einem zweiten
Segment 102.3 gezeigt. In Figur 4a ist detaillierter das zweite Segment 102.3 der Spiegelschale mit den für die Ableitung erforderlichen Größen und in Figur 4b das erste Segment 102.1 mit den für die Ableitung erforderlichen Größen dargestellt.
Ausgehend vom Abstand xg projeziert auf die x-Achse zwischen Quelle 105 und dem Fokus 127 in der Blendenebene 125 wird die Abbildung in zwei ungefähr glei- ehe Abbildungsschritte aufgeteilt. Dadurch wird erreicht, daß die inzidenten Winkel für keine der Reflexionen übermäßig groß wird.
Für den ersten Abbildungsschritt wird die axiale Objektweite x und Bildweite definiert, bzw. für den zweiten Abbildungsschritt: x2 und x'2 ■ Diese sind die auf die op- tische Achse projizierten Schnittweiten, wie in Figur 3 eingezeichnet. Damit gilt:
Die Abbildungsmaßstäbe der einzelnen Abbildungsschritte sind:
M. = ^_xl -ι M2 __ _xJ,
*1 x2
und der gesamten Abbildung ist:
Mg =MlM2
Schließlich muß für jedes zweite Spiegelsegment 102.3 der Durchmesser festgelegt werden. Hierzu wird der Radius r am Zentrumspunkt 170.3 des zweiten Spiegelsegmentes 102.3 definiert. Der Zentrumspunkt 170.3 des zweiten Spiegelsegmentes 102.3 wurde in Figur 3 definiert; der Radius r ist der radiale Abstand des Zentrumspunktes 170.3 von der optischen Achse HA.
Aus den Abständen x2 , x'2 und r ergeben sich die Abstände zwischen Quellpunkt der Abbildung, hier dem virtuellen Fokus 172 und Zentrumspunkt 170.3, der mit s2, bezeichnet wird sowie zwischen Zentrumspunkt 170.3 und Bildpunkt, hier dem Fokus der 1. Ordnung 127 in der Blendenebene 125, der mit s2 'bezeichnet wird. Es gilt:
s 2 = X22 + r2 i s2'= jx2 '2+r2
s2 und s2 ' bezeichnet somit die nicht projezierten Abstände.
Die Gitterliniendichte n ergibt sich aus der Forderung, daß die 0. Beugungsordnung mit ausreichenden Abstand g von der 1. Ordnung in der Blendenebene 125 getrennt ist. Der Abstand g für die Zentrumsstrahlen 174.1 des in die I .Ordnung gebeugten
Teillichtbüschels und 174.0 des in die O.Ordnung gebeugten Teillichtbüschels sind in Figur 4a gezeigt.
Ausgehend von der Quellgröße und unter Beachtung des Abbildungsmaßstabes er- gibt sich die Größe des Bildes der Lichtquelle im Fokus 127 der 1. Beugungsordnung im Bereich der Blendenebene 125. Es gilt nun zu fordern, daß die 0. Beugungsordnung um ein Vielfaches der Bildgröße davon entfernt ist. Hier kann z. B. angenommen werden, daß bei zehnfachem Abstand / eine ausreichende Trennung der Nutzwellenlänge von der sonstigen Strahlung erreicht wird:
g = f - d"
D" bezeichnet den Durchmesser des Bildes der Lichtquelle 105 in der Blendenebene 125. Der Durchmesser D der Lichtquelle 105 ist wie in Tabelle 1 angegeben.
Nun kann aus dieser Bedingung für die Trennung der 0. und 1. Beugungsordnung, d. h. den Abstand g die notwendigen Beugungswinkel a und ? gegenüber der Flächennormalen 180 im Zentrumspunkt 170.3 des zweiten Segmentes sowie der Verkippung γ der Flächennormalen 180 im Zentrumspunkt 170.3 gegenüber der y- Achse bestimmt werden. Dazu wird zunächst der Winkel δ zwischen den Zentrums- strahlen 174.1, 174.0 zwischen 0. und 1. Beugungsordnung berechnet, der wie folgt mit dem geforderten Abstand g in der Blendeneben 125 korreliert ist:
r (r — g) δ = arctan arctan- — x'2 x'2
außerdem ergeben sich die Winkel α', ß' der einfallenden und ausfallenden Teillichtbüschel der 1. Ordnung bezogen auf die y-Achse:
= arctan ^***- ; ß - arctan —-=- r r
Nun können die gesuchten Winkel bestimmt werden: a = (a'-ß'-δ)/2 γ = -a' ß = ß-r Unter Zuhilfenahme der Beugungsformel:
sin a + sin ß - n - k - λ
kann nun die Linienzahldichte n für die Nutzwellenlänge berechnet werden für die +1.Beugungsordnung mit k = 1. Außerdem ergibt sich der Blaze-Winkel zu:
ε = (\ a \ - \ ß \)/2
Der Radius RM des zweiten Spiegelsegmentes im Meridonalschnitt, d. h. die Krüm- mung der um die optische Achse HA rotationssymmetrischen Fläche wird über die
Fokusbedingung für Toroidgitter bestimmt. Die Fokusbedingung fordert F20=0. Diese Bedingung kann Handbook on Synchrotron Radiation, Vol. 2, Kap. 4. „Diffraction grating optics", edited by G.V. Marr, Elsevier Science auf S.69 entnommen werden.
Aus der Bedingung F2o=0 folgt dann für den Radius RM der Toroidfläche im Merido- nalschnitt:
cos a + cos ß
Ä„ = ■ cos a/s2 + cos ß/s'2
Nachdem die charakteristischen Größen für das zweite Spiegelsegment, das das
Gitter trägt, berechnet wurden, sollen nunmehr die charakteristischen Größen für das erste Spiegelsegment 170.1 mit einer hyperbelförmigen Fläche 200 im Meridonalschnitt abgeleitet werden. Bezüglich der Bezeichnungen wird auf Figur 4b verwiesen. Die allgemeine Gleichung für eine Hyperbel im Meridonalschnitt, d. h. in der x- y-Ebene wie in Figur 4b dargestellt mit dem einen Scheitel am Koordinatenursprung ist:
(x + c)2 y1 a2 b2
Die hyperbolische Fläche ergibt sich einerseits aus der Bedingung, daß der Queil- punkt und der virtuelle Fokus 172 der Lichtquelle 105 mit den Brennpunkten der Hyperbel gleichgesetzt wird. Dies ist dann der Fall, wenn der Abstand zwischen den Brennpunkten der Hyperbel gerade 2c entspricht. Andererseits gilt für jeden Punkt der Hyperbel, daß die Differenz der Abstände zu den Brennpunkten gerade 2a ist. Schließlich gilt für die Hyperbel der Zusammenhang:
Damit können die Konstanten der Hyperbel bestimmt werden. Zunächst berechnet man 2c = x + x . Nun geht man von dem Randpunkt der Gitterfläche aus, an der die Hyperbel anschließen soll, woraus sich a , und damit auch b ergeben.
Betreffend die Grundsätze der Beugung an Gittern wird auf Handbook on Synchrotron Radiation, Vol. 2, Kap. 4. „Diffraction grating optics", edited by G.V. Marr, Elsevier Science verwiesen. In Tabelle 2 ist ein 6-schaliger genesteter, um die Hauptachse HA rotationssymmetrischer Kollektor gemäß der Erfindung angegeben. Jede Schale weist ein erstes und ein zweites Segment auf mit einer ersten und einer zweiten optischen Fläche auf, die vorliegend mit den Segmenten übereinstimmt. Das erste Segment ist eine hyperbo- loidförmige Fläche und auf das zweite Segment ist die periodische Gitterstruktur aufgebracht ist.
Die in Tabelle 2 verwandten Größen sind sämtlich zuvor definiert worden. Das gewählte Referenzkoordinatensystem liegt mit seinem Ursprung (0,0,0) am Ort der Lichtquelle 105.
Es bezeichnet:
x-i : Abstand in Richtung der x-Achse von Lichtquelle 105 zum Zentrumspunkt 170.1 des ersten Spiegelsegmentes x-i ' : Abstand in Richtung der x-Achse von virtuellem Fokus 172 zum Zentrumspunkt
170.1 des ersten Spiegelsegmentes x2 : Abstand in Richtung der x-Achse von virtuellem Fokus 172 zum Zentrumspunkt
170.3 des zweiten Spiegelsegmentes x2 ' : Abstand in Richtung der x-Achse vom Fokuspunkt 127 der 1.Ordnung zum Zentrumspunkt des zweiten Spiegelsegmentes xg: Xi Abstand in Richtung der x-Achse von Lichtquelle 105 zum Fokuspunkt 127 der
1.Beugungsordnung
M*ι: erster Abbildungsmaßstab M2: zweiter Abbildungsmaßstab
Mg: Abbildungsmaßstab der gesamten Abbildung x*ιa: x-Koordinate des Beginns des ersten Segmentes xιe: x-Koordinate des Endes des ersten Segmentes y1a: y-Koordinate des Beginns des ersten Segmentes y*ιe: y-Koordinate des Ende des ersten Segmentes a, b: Parameter der Hyperbel x2a: x-Koordinate des Beginns des zweiten Segmentes x2e: x-Koordinate des Endes des zweiten Segmentes yιa: y-Koordinate des Beginns des zweiten Segmentes y2e: y-Koordinate des Endes des zweiten Segmentes RM: Radius des zweiten Segmentes in der Meridonalebene n: Linienzahldichte des Gitters α: Winkel des einfallenden Zentrumsstrahls gegenüber der Normalen im Zentrumspunkt der zweiten Spiegelschale ß: Winkel des in die 1.Ordnung gebeugten Zentrumsstrahls gegenüber der Normalen im Zentrumspunkt der zweiten Spiegelschale ε : Blazewinkel λmιn: minimale Wellenlänge, die durch die Blende hindurchtritt λmax: maximale Wellenlänge, die durch die Blende hindurchtritt
Tabelle 2: 6-schaliger genesteter Kollektor mit Gitterstruktur
In Figur 5 ist ein Blaze-Gftter mit annähernd dreieckförmigen Furchenprofil gezeigt. Die Bezugsziffer 201 bezeichnet den auf das Blaze-Gitter mit der Gitteφeriode P auftreffenden Strahl; 202 den am Gitter in die O.Ordnung reflektierten und 204 den In die +1. Ordnung gebeugten Strahl, 206 den in die - I.Ordnung gebeugten Strahl, 208 bezeichnet die Gitterπormale, α den Winkel des einfallenden Strahls gegenüber der Normalen 208 und ß den Winkel des in die +1. Ordnung gebeugten Strahls. Für den Blaze-Winkel ergibt sich in Abhängigkeit von der zuvor genannten Größen die nachfolgende Gleichung:
ff « H-Ifl
Die Blazetiefe B ergibt sich bei vorgegebenem Blaze-Winkel ε und Linizahldichte n zu
B = n tan ε
wobei der mit dem Winkel α gegenüber der Gitternormalen 208 einfallende Strahl 201 mit der zum Blaze-Winkel ε gehörenden Blaze-Effizieπz unter dem Beugungswinkel ß gegenüber der Gitternormalen 208 in die +1. Ordnung in Richtung auf die Blendenebene, die vorliegend nicht dargestellt ist, gebeugt wird.
Die optischen Komponenten und der Strahlverlauf einiger Lichtstrahlen einer Projektionsbelichtungsanlage mit einem genesteten Kollektor gemäß der Erfindung sind in Figur 6 gezeigt.
Der erfindungsgemäße Kollektor weist auf dem zweiten Segment eine periodische Gitterstruktur auf. Zusammen mit der Blende 1202, die in der Nähe des Zwischenbildes Z der Quelle in der +1. Beugungsordnung angeordnet ist, kann damit uπge- wünschten Wellenlänge, im vorliegenden Fall 13.5 nm, vom Eintritt in den Teil des hinter der Blende 1202 liegenden Beleuchtungssystems abgehalten werden.
Die Blende 1202 kann auch dazu dienen, den Raum 1204 umfassende Lichtquelle 1000 und den genesteten Kollektor 1003 vom nachfolgenden Beleuchtungssystem 1206 räumlich und druckmäßig zu trennen Durch eine räumliche beziehungsweise eine druckmäßige Trennung kann verhindert werden, daß Verschmutzungen, die von der Lichtquelle herrühren in das hinter der Blende 1202 liegende Beleuchtungssystem gelangen.
Das in Figur 6 gezeigte Beleuchtungssystem umfaßt einen genesteten Kollektor 1003 gemäß der Erfindung Das erste optische Element 1102 umfaßt 122 erste Rasterelemente mit einer Ausdehnung von jeweils 54 mm x 2.75 mm. Das zweite optische Element 1104 weist 122 den ersten Rasterelementen zugeordneten zweiten Rasterelementen mit einem Durchmesser von jeweils 10 mm auf.
Die optischen Elemente 1106, 1108 und 1110 dienen im wesentlichen dazu, das Feld in der Objektebene 1114 zu formen. Das Retikel in der Objektebene ist eine Reflexionsmaske. Das Retikel ist in dem als Scanning-System ausgelegten EUV- Projektionssystem in die eingezeichnete Richtung 1116 verfahrbar. Die Austrittspupille des Beleuchtungssystems wird weitgehend homogen ausgeleuchtet. Die Austrittspupille fällt mit der Eintrittspupille eines nachfolgenden Projektionsobjektives zusammen. Die Eintrittspupille des Projektionsobjektives ist nicht dargestellt. Sie befindet sich an der Stelle des Schnittpunktes des vom Retikel reflektierten Hauptstrahles mit der optischen Achse des Projektionsobjektives.
Ein Projektionsobjektiv 1126 beispielsweise mit sechs Spiegeln 1128.1, 1128.2, 1128.3, 1128.4, 1128.5, 1128.6 gemäß der US-Patentanmeldung 09/503640 bildet das Retikel auf das zu belichtende Objekt 1124 ab.

Claims

Patentansprüche
1. Kollektoreinheit für Beleuchtungssysteme mit einer Wellenlänge < 193 nm, bevorzugt < 126 nm, besonders bevorzugt im Bereich der EUV-Wellenlängen, auf die Strahlen eines Strahlbüschels, die von einem Objekt in einer
Objektebene ausgehend auftreffen, mit 1.1 mindestens einer Spiegelschale, die die Strahlen des vom Objekt ausgehenden Strahlbüschels aufnimmt und eine optische Wirkung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß 1.2 auf mindestens einem Teil der Spiegelschale eine periodische Struktur mit mindestens einer Gitterperiode aufgebracht ist.
2. Kollektoreinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen des Strahlbüschels unter einem Winkel < 20° zur Oberflächentangente der Spiegelschale auftreffen.
3. Kollektoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschalen rotationssymmetrisch zu eine Rotationsachse angeordnet sind.
4. Kollektoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoreinheit eine Vielzahl von rotationssymmetrischen Spiegelschalen umfaßt, welche um eine gemeinsame Rotationsachse ineinander angeordnet sind.
5. Kollektoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spiegelschale ein Ringaperturelement einer objektseitigen Apertur, die von einer in der Objektebene angeordneten Lichtquelle abgestrahltes Licht aufnimmt, zugeordnet ist und die Ringaperturelemente nicht überlappen.
6. Kollektoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschalen ringförmige Segmente von Asphären sind.
7. Kollektoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschale ein ringförmiges Segment eines Ellipsoids, oder eines Paraboloids o- der eines Hyperboloids ist.
8. Kollektoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Spiegelschale ein erstes Segment mit einer ersten optischen und ein zweites Segment mit einer zweiten optischen Fläche umfaßt.
9. Kollektoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die periodi- sehe Struktur auf das zweite Segment aufgebracht wird.
10. Kollektoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Struktur auf das erste Segment oder auf das erste und zweite Segment aufgebracht ist.
11. Kollektoreinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste ringförmige Segment ein Ausschnitt eines Hyperboloides ist.
12. Kollektoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Struktur ein Blaze-Gitter mit Blaze-Winkel ε ist.
13. Kollektoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Spiegelschalen in Richtung der Rotationsachse verschieden ist und die Ausdehnung derart gewählt wird, daß die am Gitter nicht gebeugte O.-Ordnung von der Rückseite der benachbarten Spiegelschale absorbiert wird, so daß kein Licht der O.Ordnung aus der Kollektoreinheit austritt
14. Beleuchtungssystem für Wellenlängen < 193 nm, insbesondere < 126 nm, besonders bevorzugt im EUV-Bereich, mit 14.1 einer Lichtquelle
14.2 wenigstens einer Kollektoreinheit
14.3 einer auszuleuchtenden Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß 14.4 die Kollektoreinheit eine Kollektoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
15. Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das
Beleuchtungssystem zwischen der Kollektoreinheit und der auszuleuchtenden Ebene eine zur Lichtquelle konjugierte Ebene umfaßt, in der ein Zwischenbild der Lichtquelle ausgebildet wird.
16. Beleuchtungssystem für Wellenlängen < 193 nm gemäß einem der Ansprüche
14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im oder nahe dem Zwischenbild eine Blende angeordnet ist.
17. EUV-Projektionsbelichtungsanlage mit 17.1 einem Beleuchtungssystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16,
17.2 einer Maske, die von dem Beleuchtungssystem beleuchtet wird,
17.3 ein Projektionsobjektiv zur Abbildung der Maske auf
17.4 ein lichtsensitives Objekt.
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