WO2024240604A1 - Optisches element für den ultravioletten wellenlängenbereich - Google Patents

Abstract

Zur Erhöhung der Transmission bzw. Reflexion wird ein optisches Element für den ultravioletten (UV-)Wellenlängenbereich vorgeschlagen, aufweisend ein Substrat und eine als dielektrisches Schichtsystem ausgebildete optische Beschichtung, wobei das dielektrische Schichtsystem Schichten (56, 57) aus mindestens zwei verschiedenen Basismaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV-Wellenlängenbereich aufweist, die alternierend angeordnet sind, wobei das optische Element an der Position mindestens einer Schicht (57) aus dem Basismaterial mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem (71, 72) aufweist.

Description

Optisches Element für den ultravioletten Wellenlängenbereich

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element für den ultravioletten (UV-)Wellenlängenbereich, aufweisend ein Substrat und eine als dielektrisches Schichtsystem ausgebildete optische Beschichtung, wobei das dielektrische Schichtsystem Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Basismaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV-Wellenlängenbereich aufweist, die alternierend angeordnet sind. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein optisches System mit einem solchen optischen Element. Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102023204 746.2 vom 22. Mai 2023 in Anspruch, auf die vollumfänglich Bezug genommen wird.

Optische Elemente für den UV-Wellenlängenbereich müssen insbesondere für Anwendungen im kurzwelligeren UV-Wellenlängenbereich, beispielsweise ca. 100 nm bis 300 nm, hohen Anforderungen genügen. So sollte, je nachdem ob es sich um reflektive oder transmissive optische Elemente handelt, die Reflexion oder die Transmission möglichst gut sein. Außerdem sollte auch die Lebensdauer möglichst im Bereich mehrere Jahre liegen. Üblicherweise weisen optische Elemente für den UV-Wellenlängenbereich ein Substrat und eine als dielektrisches Schichtsystem ausgebildete optische Beschichtung auf, wobei das dielektrische Schichtsystem Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Basismaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV-Wellenlängenbereich aufweist, um die Transmission oder Reflexion des optischen Elements zu verbessern. Diese optische Beschichtung kann auch in gewissem Umfang zur Erhöhung der Lebensdauer beitragen. Insbesondere für den Einsatz in Reflexion kann die optische Beschichtung substratseitig zusätzlich eine Metallschicht aufweisen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, optische Elemente für den insbesondere kurzwelligeren UV-Wellenlängenbereich vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element für den UV-Wellenlängenbereich, aufweisend ein Substrat und eine als dielektrisches Schichtsystem ausgebildete optische Beschichtung, wobei das dielektrische Schichtsystem Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Basismaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV-Wellenlängenbereich aufweist, die alternierend angeordnet sind, wobei das optische Element an der Position mindestens einer Schicht aus dem Basismaterial mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass sowohl die Reflexion bzw. Transmission als auch die Lebensdauer durch das Vorsehen von mindestens einem Nanolagensystem und zwar an der Position einer Schicht aus höherbrechendem Basismaterial verbessert werden können. Im Gegensatz zu den bekannten dielektrischen Schichtsystemen, bei denen bei optischen Schichtdicken von im Wesentlichen des Viertels der eingestrahlten Wellenlänge die Transmission oder Reflexion mittels Interferenz erhöht wird, handelt es sich bei Nanolagensystemen um Strukturen, die aus einer Mehrzahl von Lagen mit Dicken im Nanometerbereich aufgebaut sind und mit deren Hilfe unmittelbar die Brechzahl und die Absorption des jeweiligen Nanolagensystem beeinflusst werden können. Um die optischen Eigenschaften der zumindest teilweise ersetzten Schicht zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn zumindest ein Teil der Nanolagen ebenfalls aus einem oder mehreren Materialien hergestellt ist, die eine vergleichbare oder höhere Brechzahl wie die des ersetzten Materials aufweisen. Eine geringere Absorption erhöht die Transmission bzw. die Reflexion eines optischen Elements mit durch Nanolagensysteme modifiziertem dielektischen Schichtsystem. Indem weniger Strahlung im jeweiligen dielektrischen Schichtsystem absorbiert wird, wird außerdem weniger Energie im optischen System deponiert, die ansonsten zu einer Beeinträchtigung des dielektrischen Systems durch Ausdehnung einzelner Schichten mit entsprechender Änderung optischer Parameter und Auftreten von Spannungen bis zu Aufplatzen einzelner Schichten führen könnte.

Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Schicht aus dem Basismaterial mit höherer Brechzahl zumindest teilweise durch das Nanolagensystem ersetzt. In besonderen Ausführungen können eine oder mehr Schichten aus dem höherbrechenden Basismaterial sogar vollständig durch ein Nanolagensystem ersetzt sein, um Transmission bzw. Reflexion des optischen Elements wie auch dessen Lebensdauer zu verbessern.

In bevorzugten Ausführungsformen ist das optische Element für eine Wellenlänge zwischen 190 nm und 300 nm, bevorzugt zwischen 190 nm und 200 nm ausgelegt. In diesem UV- Wellenlängenbereich hat das Vorsehen von einem Nanolagensystem an der Position mindestens einer Schicht aus höherbrechendem Basismaterial einen besonders positiven Effekt auf die Transmission bzw. Reflexion des optischen Elements einerseits und dessen Lebensdauer andererseits.

Bevorzugt ist das mindestens eine Nanolagensystem aus mindestens zwei verschiedenen

Nanolagenmaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV- Wellenlängenbereich aufgebaut, die alternierend angeordnet sind, um möglichst gezielt und ohne zu viel Aufwand Einfluss auf Brechzahl und Absorption des resultierenden Nanolagensystems und damit des dielektrischen Schichtsystems des optischen Elements nehmen zu können.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das höher- und/oder niedrigerbrechende Nanolagenmaterial dasselbe ist wie das jeweilige höher- und/oder niedrigerbrechende Basismaterial. Damit können die Schichten des dielektrischen Schichtsystems wie auch die Lagen des oder der Nanolagensysteme ohne Umrüsten oder Transfer in eine andere Beschichtungskammer in einem kontinuierlichen Prozess auf das jeweilige optische Element aufgebracht werden.

Bevorzugt, insbesondere für die Verwendung des optischen Elements bei kurzwelligerer UV- Strahlung, ist das Basismaterial mit höherer Brechzahl ein Oxid, insbesondere eines oder mehrere der Materialien der Gruppe bestehende aus AI₂O₃, MgAI₂O₄, Lu₃AI₅0i₂, GeO₂, CaO, MgO, HfO₂, Si₃N4, Y₂O₃ und La₂O₃. Diese Materialien sind geeignet für Wellenlängen der einfallenden Strahlung im Bereich von 100 nm bis 300 nm, bevorzugt, 190 nm bis 300 nm, besonders bevorzugt 190 nm bis 200 nm.

Ebenso ist bevorzugt, insbesondere für die Verwendung des optischen Elements bei kurzwelligerer UV-Strahlung, das Basismaterial mit niedrigerer Brechzahl Siliziumdioxid und/oder ein amorphes Fluorpolymer. Diese Materialien sind geeignet für Wellenlängen der einfallenden Strahlung im Bereich von 100 nm bis 300 nm, bevorzugt, 190 nm bis 300 nm, besonders bevorzugt 190 nm bis 200 nm.

Von besonderen Vorteil ist es, wenn auch die Lagen des oder der Nanolagensysteme jeweils eines oder mehrere dieser Materialien aufweisen, insbesondere wenn das mindestens eine Nanolagensystem aus mindestens zwei verschiedenen Nanolagenmaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV- Wellenlängenbereich aufgebaut ist, die alternierend angeordnet sind, und das höher- und/oder niedrigerbrechende Nanolagenmaterial dasselbe ist wie das jeweilige höher- und/oder niedrigerbrechende Basismaterial des dielektrischen Schichtsystems des optischen Elements.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die optische Beschichtung als

Reflexionsbeschichtung ausgelegt, wobei die Reflexionsbeschichtung als rein dielektrische Beschichtung ausgeführt sein kann oder zusätzlich eine Metallschicht als Verspiegelung aufweisen kann. Vorteilhafterweise ist insbesondere im ersteren Fall die mindestens eine ein Nanolagensystem aufweisende Schicht im substratabgewandten Drittel der optischen Beschichtung angeordnet. Bevorzugt weist in diesem Fall das optische Element an der Position mindestens einer der sieben am weitesten substratabgewandt angeordneten Schichten mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem auf. Vorteilhafterweise weist in diesem Fall das optische Element an allen Positionen der jeweils drei, vier, fünf, sechs oder sieben am weitesten substratabgewandt angeordneten Schichten mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem auf. Es hat sich herausgestellt, dass im substratabgewandten Bereich des dielektrischen Schichtsystems, also im Bereich, der sich näher oder angrenzend an die äußere Umgebung des optischen Elements befindet, das Vorsehen von Nanolagensystemen einen besonders großen Einfluss auf die Erhöhung der Reflexion des optischen Elements haben kann.

Vorteilhafterweise wird bei Reflexionsbeschichtungen mit oder ohne Metallverspiegelung an mindestens einer Schicht mit höherer Brechzahl diese an der substratzugewandten Seite durch das Nanolagensystem ersetzt. In vielen Fällen, in denen man nicht die ganze Schicht durch ein Nanolagensystem ersetzen will, kann ein signifikanter Effekt des Nanolagensystems auf Transmission bzw. Reflexion und auch auf die Lebensdauer des optischen Elements erreicht werden, wenn es an der substratzugewandten Seite der betreffenden Schicht aus höherbrechendem Material angeordnet wird. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn bei mindestens einer der drei am weitesten vom Substrat entfernten Schicht mit höherer Brechzahl diese an der substratzugewandten Seite durch ein Nanolagensystem ersetzt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die optische Beschichtung als Antireflexionsbeschichtung ausgelegt, wobei das optische Element an der Position der am weitesten substratabgewandt angeordneten Schicht kein Nanolagensystem aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass zwar auch bei der Ausführung als transmissives optisches Element das Vorsehen von mindestens einem Nanolagensystem in der optischen Beschichtung von Vorteil ist, die Transmission aber besonders gesteigert werden kann, wenn an der Position der am weitesten substratabgewandt angeordneten Schicht kein Nanolagensystem angeordnet ist.

Ebenso hat es sich in Hinblick auf Transmission bzw. Reflexion sowie auf die Lebensdauer des optischen Elements als vorteilhaft erwiesen, wenn an der mindestens einen Schicht mit höherer Brechzahl diese sowohl an der substratzugewandten Seite als auch an der substratabgewandten Seite durch ein Nanolagensystem ersetzt wird. In diesem Fall sind vorzugsweise beide Nanolagensysteme aus denselben Materialien aufgebaut.

Insgesamt hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn an der mindestens einen Schicht mit höherer Brechzahl diese mindestens zur Hälfte durch ein Nanolagensystem ersetzt wird, insbesondere wenn die betreffende mindestens eine Schicht im substratabgewandten Drittel angeordnet ist, um besonders stark auf die Transmission bzw. Reflexion sowie die Lebensdauer des optischen Element Einfluss nehmen zu können.

Bei Reflexion einer Wellenlänge im UV-Wellenlängenbereich bildet sich eine stehende Welle eines elektrischen Feldes im optischen Element, speziell im dielektrischen Schichtsystem aus. In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist das optische Element an der mindestens einen Schicht mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem an einer Stelle extremaler Feldintensität der stehenden Welle auf. Dadurch kann besonders wirkungsvoll auf die Absorption des dielektrischen Schichtsystems Einfluss genommen werden und damit sowohl auf Transmission bzw. Reflexion als auch auf die Lebensdauer des optischen Elements.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein optisches System, das ein optisches Element wie beschrieben aufweist. Derartige optische System eigenen sich u.a. gut als Bestandteile von Lithographievorrichtungen sowie von Wafer- und/oder Maskeninspektionssystemen, aber auch von optischen Systemen für die Verwendung von Lasern, insbesondere zum Einsatz im UV-Wellenlängenbereich.

Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dazu zeigen

Figur 1 eine schematische Prinzipskizze einer UV-Lithographievorrichtung;

Figur 2 eine schematische Prinzipskizze eines Inspektionssystems;

Figur 3 schematisch ein optisches Element mit dielektrischem Schichtsystem;

Figur 4 schematisch ein Schichtenpaars mit Nanolagensystem; Figur 5 schematisch ein Schichtenpaar mit zwei Nanolagensystemen;

Figur 6 die Reflexion an einem ersten optischen Element bei 193 nm in

Abhängigkeit vom Einfallswinkel;

Figur 7 den Aufbau des dielektrischen Schichtsystems des ersten optischen

Elements;

Figur 8 die sich bei Reflexion an dem ersten optischen Element ausbildende stehende Welle;

Figur 9 die Reflexion an einem zweiten optischen Element bei 193 nm in

Abhängigkeit vom Einfallswinkel;

Figur 10 den Aufbau des dielektischen Schichtsystems des zweiten optischen

Elements;

Figur 11 den Aufbau des dielektischen Schichtsystems eines dritten optischen

Elements; und

Figur 12 die Reflexion an dem dritten optischen Element bei 193 nm in

Abhängigkeit vom Einfallswinkel.

Figur 1 zeigt eine schematische Prinzipskizze einer Vorrichtung 1 für die UV-Lithographie, insbesondere für Wellenlängen im Bereich von 190 nm bis 300 nm. Die UV- Lithographievorrichtung 1 weist als wesentliche Bestandteile insbesondere zwei optische Systeme 12, 14 auf, ein Beleuchtungssystem 12 und Projektionssystem 14. Für die Durchführung der Lithographie ist eine Strahlungsquelle 10 notwendig, besonders bevorzugt ein Excimerlaser, der beispielsweise bei 193 nm oder 248 nm emittiert und der integraler Bestandteil der UV-Lithographievorrichtung sein kann. Die von der Strahlungsquelle 10 emittierte Strahlung 11 wird mit Hilfe des Beleuchtungssystems 12 so aufbereitet, dass damit eine Maske 13, auch Retikel genannt, ausgeleuchtet werden kann. Im hier dargestellten Beispiel weist das Beleuchtungssystem 12 transmissive und reflektive optische Elemente auf. Stellvertretend sind hier das transmissive optische Element 120, das die Strahlung 11 beispielsweise bündelt, und das reflektive optische Element 121 dargestellt, dass die Strahlung beispielsweise umlenkt. In bekannter Weise können im Beleuchtungssystem 12 verschiedenste transmissive, reflektive und sonstige optische Elemente in beliebiger, auch komplexerer Weise miteinander kombiniert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass auch die Maske 13 als reflektives oder transmissives optisches Element wie hier vorgeschlagen ausgeführt sein kann.

Die Maske 13 weist auf ihrer Oberfläche eine Struktur auf, die auf ein zu belichtendes Element 15, beispielsweise einen Wafer im Rahmen der Produktion von Halbleiterbauelementen, mithilfe des Projektionssystems 14 übertragen wird. Im vorliegenden Beispiel ist die Maske 13 als transmissives optisches Element ausgebildet. In weiteren Ausführungen kann sie auch als reflektives optisches Element ausgestaltet sein. Das Projektionssystem 14 weist im hier dargestellten Beispiel mindestens ein transmissives optisches Element auf. Im hier dargestellten Beispiel sind stellvertretend zwei transmissive optische Elemente 140, 141 dargestellt, die beispielsweise insbesondere dazu dienen, die Strukturen auf der Maske 13 auf die für die Belichtung des Wafers 15 gewünschte Größe zu verkleinern. Auch beim Projektionssystem 14 können u.a. reflektive optische Element vorgesehen sein und verschiedenste optische Elemente in bekannter Weise beliebig miteinander kombiniert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass auch optische Systeme ohne transmissive optische Elemente vorgesehen werden können, insbesondere bei optischen Systemen, die für Wellenlängen von weniger als 200 nm optimiert sind.

Bei dem reflektiven optischen Element 121 handelt es sich um einen Spiegel mit einer reflektiven Fläche 1210, die eine optische Beschichtung in Form eines dielektrischen Schichtsystems mit mindestens einem Nanolagensystem aufweist. Im vorliegenden Beispiel weist das reflektive optische Element 121 unter dem dielektischen Schichtsystem eine Metallverspiegelung auf. Das dielektische Schichtsystem verbessert nicht nur die Reflexion, insbesondere im Bereich einer bestimmten Wellenlänge, beispielsweise bei Verwendung eines Excimer- Lasers als Strahlungsquelle bei dessen Emissionswellenlänge, sondern kann auch die Metallverspiegelung von Oxidation und sonstigen Beeinträchtigungen schützen. Um insbesondere über einen breiten Wellenlängenbereich, beispielsweise 190 nm bis 300 nm mit guter Reflektivität eingesetzt werden zu können, hat sich als Metallverspiegelung eine Metallschicht aus Aluminium bewährt. Weitere geeignete Metalle sind insbesondere für den Einsatz bei streifendem Einfall Edelmetalle und Platinmetalle. Es sei darauf hingewiesen, dass in Verbindung mit dem in Figur 1 dargestellten Beispiel zwar nur ein reflektives optisches Element 121 für den UV-Wellenlängenbereich diskutiert wird, dass aber selbstverständlich zwei, drei, vier, fünf oder mehr derartige reflektive optische Elemente in einem optischen System für etwa die UV-Lithographie vorgesehen sein können.

Die in Figur 1 dargestellt UV-Lithgraphievorrichtung weist auch transmissive optische Elemente auf, die im vorliegenden Beispiel als Linsen 120, 140, 141 ausgebildet sind. Diese weisen auf mindestens ihrer im Strahlengang vorderen Seite ebenfalls eine optische Beschichtung in Form eines dielektrischen Schichtsystems mit mindestens einem Nanolagensystem auf. Das dielektrische Schichtsystem wirkt als Antireflexionsbeschichtung und kann damit die Transmission der jeweiligen Linse erhöhen. Insbesondere in optischen Systemen für dieUV-Lithographie können auch mehr als ein oder zwei, nämlich drei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr transmissive optische Element vorgesehen sein.

Reflektive oder transmissive optische Elemente mit dielektrischem Schichtsystem mit mindestens einem Nanolagensystem können auch in Wafer- oder Maskeninspektionssystemen sowie in optischen Systemen für Laseranwendungen eingesetzt werden. Eine beispielhafte Ausführung eines Waferinspektionssystems 2 ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Die Erläuterungen gelten ebenso für Maskeninspektionssysteme.

Das Waferinspektionssystem 2 weist eine Strahlungsquelle 20 auf, deren Strahlung 21 mittels eines optischen Systems 22 auf einen Wafer 25 gelenkt wird. Dazu wird die Strahlung von einem konkaven Spiegel 220 auf den Wafer 25 reflektiert. Bei einem Maskeninspektionssystem könnte man anstelle des Wafers 25 eine zu untersuchende Maske anordnen. Die vom Wafer 25 reflektierte, gebeugte und/oder gebrochene Strahlung wird von einem ebenfalls zum optischen System 22 gehörigen konkaven Spiegel 221 auf einen Detektor 23 zur weiteren Auswertung geleitet. Bei der Strahlungsquelle 20 kann es sich beispielsweise um genau eine Strahlungsquelle oder eine Zusammenstellung von mehreren einzelnen Strahlungsquellen handeln, um ein im Wesentlichen kontinuierliches Strahlungsspektrum zur Verfügung zu stellen. In Abwandlungen kann auch eine oder mehrere schmalbandige Strahlungsquellen eingesetzt werden. Bevorzugt liegt die Wellenlänge oder das Wellenlängenband im Bereich zwischen 190 nm bis 300 nm, besonders bevorzugt zwischen 190 nm und 200 nm. Zusätzlich zu den beiden konkaven Spiegeln 220, 221 können auch Linsen in dem Wafer- bzw. Maskeninspektionssytem vorgesehen sein. Die hier vorgeschlagenen optischen Elemente für den UV-Wellenlängenbereich weisen auf einem Substrat eine als dielektrisches Schichtsystem ausgebildete optische Beschichtung auf, wobei das dielektrische Schichtsystem Schichten mindestens zwei verschiedene Basismaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV- Wellenlängenbereich aufweist, die alternierend angeordnet sind, und wobei das optische Element an der Position mindestens einer Schicht aus dem Basismaterial mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem aufweist. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist in Figur 3 kein Nanolagensystem dargestellt, sondern wird in den Figuren 4 und 5 näher darauf eingegangen.

In Figur 3 ist schematisch der Aufbau eines optischen Elements 50 für den UV- Wellenlängenbereich dargestellt, dessen optische Beschichtung auf einem dielektrischen Schichtsystem 54 basiert. Bei dem dielektrischen Schichtsystem 54 handelt es sich im hier gezeigten Beispiel um auf ein Substrat 51 alternierend aufgebrachte Schichten eines Basismaterials mit niedrigerer Brechzahl bei der Arbeitswellenlänge, bei der beispielsweise die lithographische Belichtung durchgeführt wird, (auch niedrigerbrechende Schicht 57 genannt) und eines Basismaterials mit höherer Brechzahl bei der Arbeitswellenlänge (auch höherbrechende Schicht 56 genannt), wobei ein Paar aus niedrigerbrechender und höherbrechender Schicht 57, 56 ein Schichtenpaar 55 bildet. Die optische Schichtdicke des Schichtpaares 55 wird dabei meist in der Nähe der Hälfte der eingestrahlten Wellenlänge gewählt, um die Reflexion bzw. Transmission zu erhöhen. Auf der substratabgewandten Seite des dielektrischen Schichtsystems 54 kann wie im hier dargestellten Beispiel eine Schutzschicht 53 vorgesehen sein, die dem Schutz des dielektrischen Schichtsystems 54 vor äußeren Einflüssen dient und optional aus mehr als einer Lage aufgebaut sein kann. In nicht dargestellten Varianten kann für den Fall einer Reflexionsbeschichtung zwischen dem Substrat 51 und dem dielektrischen Schichtsystem 54 eine Metallschicht vorgesehen sein, die insbesondere für eine erhöhte Reflexion über einen weiten Wellenlängenbereich von Vorteil sein kann. Je nach Material des Substrats 51 einerseits und der substratnächstgelegenen Schicht des dielektrischen Schichtsystems 54 bzw. ggf. der Metallverspiegelung andererseits kann es vorteilhaft sein, dazwischen eine Haftvermittlerschicht vorzusehen.

In den Figuren 4 und 5 ist jeweils ein Schichtenpaar 55 vergrößert dargestellt. Wie bereits in Verbindung mit Figur 3 erläutert, weist ein Schichtenpaar 55 je eine höherbrechende Schicht 56 und eine niedrigerbrechende Schicht 57 auf. Dabei ist in den hier dargestellten Beispielen die niedrigerbrechenden Schicht 56 die substratzugewandte Schicht des Schichtenpaars 55. In weiteren Varianten kann die höherbrechende Schicht 57 die substratzugewandte Schicht des Schichtenpaars 55 sein. Bei dem Substrat kann es sich bei transmissiven optischen Elementen um einen Linsenkörper handeln aus einem Material, das für die eingesetzte Strahlung transparent ist, also Strahlung im UV-Wellenlängenbereich, besonders bevorzugt im Wellenlängenbereich von 190 nm bis 300 nm, ganz besonders bevorzugt im Wellenlängenbereich von 190 nm bis 200 nm. Bei reflektiven optischen Elementen stehen bei der Materialwahl die Formstabilität und Bearbeitbarkeit mehr im Vordergrund.

In beiden in den Figuren 4 und 5 dargestellten Beispielen ist die höherbrechende Schicht 57 teilweise durch ein Nanolagensystem 71 in Figur 4 bzw. Figur 5 durch zwei Nanolagensystemen 72, 73 ersetzt, um insbesondere die Absorption der höherbrechenden Schicht 57 zu beeinflussen, insbesondere zu senken, damit die Transmission bzw. Reflexion erhöht wird und weniger Energie im dielektrischen Schichtsystem deponiert wird. Die einzelnen Lagen 75, 76 der Nanolagensysteme 71 , 72, 73 weisen Dicken im nm-Bereich auf, während die Schichten 56, 57 des dielektrischen Schichtsystems Dicken im Bereich einiger 10 nm aufweisen. In dem in Figur 4 dargestellten Beispiel ist die höherbrechende Schicht 57 an ihrer substratzugewandten Seite durch das Nanolagensystem 71 ersetzt. In dem in Figur 5 dargestellten Beispiel ist die höherbrechende Schicht 57 sowohl an ihrer substratzugewandten Seite durch das Nanolagensystem 73 als auch an ihrer substratabgewandten Seite durch das Nanolagensystem 72 ersetzt. In insbesondere herstellungsbedingt bevorzugten Ausführungsformen sind beide Nanolagensysteme 72, 73 aus denselben Materialien aufgebaut. Wählt man für beide Nanolagensysteme 72, 73 unterschiedliche Materialien, hat man mehr Möglichkeiten, auf die resultierende Absorption und auch Brechzahl der höherbrechenden Schicht 57 Einfluss zu nehmen. In beiden in den Figuren 4 und 5 dargestellten Beispielen ist die höherbrechende Schicht 57 zu über die Hälfte ihrer Dicke durch ein oder zwei Nanolagensysteme 71, 72, 73 ersetzt. In Varianten kann auch weniger der Hälfte der höherbrechenden Schicht durch Nanolagensystem ersetzt werden oder kann die höherbrechende Schicht ganz durch ein oder mehrere Nanolagensysteme ersetzt werden. Insbesondere wenn mehr als eine, die Mehrzahl oder sogar alle höherbrechende Schichten eines dielektrischen Schichtsystems ein oder mehrere Nanolagensysteme aufweist bzw. aufweisen, können verschiedene höherbrechende Schichten in einem unterschiedlichen Maß durch Nanolagensysteme ersetzt sein.

In den hier betrachteten Beispielen sind die Nanolagensysteme 71 , 72, 73 aus jeweils zwei verschiedenen Nanolagenmaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV-Wellenlängenbereich aufgebaut, deren jeweiligen Lagen 75, 76 alternierend angeordnet sind. Von großem Vorteil ist es, als höher- und/oder niedrigerbrechendes Nanolagenmaterial dasselbe Material wie das jeweilige höher- und/oder niedrigerbrechende Basismaterial des dielektrischen Schichtsystems zu wählen. Dadurch können schon substantielle Erhöhungen der Transmission bzw. Reflexion erreicht werden und dennoch der Aufwand beim Aufbringen der optischen Beschichtung möglichst gering gehalten werden.

Insbesondere für optische Element für Wellenlängen im Bereich von 100 nm bis 200 nm, bevorzugt 190 nm bis 200 nm sind als Basismaterial mit höherer Brechzahl Oxide geeignet, bevorzugt eines oder mehrere Materialien der Gruppe bestehende aus AI₂O₃, MgAI₂O₄, LU₃AI₅0I₂, GeO₂, CaO, MgO, HfO₂, Si₃N₄, Y₂O₃, La₂O₃, vor allem in Kombination mit Siliziumdioxid und/oder einem amorphen Fluorpolymer, etwa das kommerziell erhältliche Teflon™ AF, als Basismaterial mit niedrigerer Brechzahl. Für Wellenlängen im Bereich von 200 nm bis 300 nm sind als höherbrechendes Material u.a. auch ZrO₂ und Ta₅O₅ geeignet. Sie können nicht nur mit Siliziumdioxid und/oder ein amorphes Fluorpolymer als niedrigerbrechendes Material kombiniert werden, sondern auch mit den für bis 200 nm genannten höherbrechenden Materialien. Die genannten Materialien eignen sich ebenso als höher- bzw. niedrigerbrechende Nanolagenmaterial, insbesondere wenn das höher- und/oder niedrigerbrechende Nanolagenmaterial dasselbe ist wie das jeweilige höher- und/oder niedrigerbrechende Basismaterial.

In Figur 6 ist die Winkelabhängigkeit der Reflexion an einem reflektiven optischen Element bei einer eingestrahlten Wellenlänge von 193 nm dargestellt. Die gestrichelte Kurve B ist die Reflexion eines herkömmlichen reflektiven optischen Elements, das ein dielektrisches Schichtsystem aus SiO₂ als niedrigerbrechendes Material und AI₂O₃ als höherbrechendes Material aufweist, das für die Wellenlänge von 193 nm bei quasinormalem Einfall ausgelegt ist und bis zu einem Einfallswinkel von 10° zu Flächennormale eine im wesentlichen konstante Reflexion von 97% aufweist. Die durchgezogene Kurve A hingegen ist die Reflexion eines reflektiven optischen Elements, dessen dielektrisches Schichtsystem ebenfalls SiO₂ als niedrigerbrechendes Material und AI₂O₃ als höherbrechendes Material aufweist und ebenfalls für die Wellenlänge von 193 nm bei quasi-normalem Einfall ausgelegt ist, bei dem aber eine Vielzahl von AI₂O₃-Schichten teilweise durch je ein Nanolagensystem ersetzt sind. Die Nanolagensysteme sind ebenfalls alle aus alternierend angeordneten Lagen aus SiO₂ und AI₂O₃ aufgebaut. Durch diese Maßnahme wird die Reflexion des optischen Elements auf knapp 98%, also um mehr als 1% verglichen mit dem herkömmlichen optischen Elements gesteigert. Der Aufbau dieses dielektrischen Schichtsystems mit Nanolagensystemen ist in Figur 7 dargestellt. Beginnend links am Substrat startet die optische Beschichtung mit einer höherbrechenden Schicht 57 aus AI₂O₃, auf die eine niedrigerbrechende Schicht 56 aus SiO₂ folgt. Als grobes Raster folgen insgesamt 20 Schichtenpaare aufeinander, bei denen insbesondere im substratabgewandten Drittel höherbrechende Schichten teilsweise durch Nanolagensysteme 72, 73 ersetzt sind, und zwar insbesondere im substratabgewandten Drittel um mehr als die Hälfte ihrer jeweiligen Dicke. Die allermeisten höherbrechenden Schichten 57 weisen ein Nanolagensystem 72 aus AI₂O₃ und SiO₂ an ihrer substratzugewandten Seite auf. Insbesondere im substratabgewandten Drittel der Beschichtung weisen die höherbrechenden Schichten 57 auch an ihrer substratabgewandten Seite ein Nanolagensystem 73 aus ebenfalls AI₂O₃ und SiO₂ auf. Zur Umgebung hin schließt die optische Beschichtung mit einer Schicht 72 ab, die eine höherbrechende Schicht vollständig ersetzt.

In Figur 8 ist die stehende Welle als Betragsquadrat des elektrischen Feldes über die Dicke des optischen Beschichtung aufgetragen, die sich bei Reflexion an dem optischen Element ausbildet. Die Dicke von 0 nm liegt an der Grenzfläche des dielektrischen Schichtsystems zum Substrat. Die Gesamtdicke des dielektischen Schichtsystems beträgt 1175 nm. Der Schichtaufbau aus Figur 7 ist so dimensioniert und positioniert, dass die Position der einzelnen Schichten mit dem Aufbau des optischen Elements aus Figur 8 übereinstimmt. Die Nanolagensysteme 72, 73 sind gezielt an Stellen vorgesehen, an denen das elektrische Feld innerhalb der jeweiligen höherbrechenden Schicht extremal (in der vorliegenden Auftragung maximal) ist und daher dort besonders viel Strahlungsenergie absorbiert wird. Durch diese Maßnahme wird besonders wirkungsvoll die Absorption am resultierenden optischen Element reduziert und damit nicht nur die Reflexion bzw. ggf. Transmission erhöht, sondern auch der Energieeintrag in das dielektrische Schichtsystem verringert und damit die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Strahlenschäden reduziert.

In Figur 9 ist die Winkelabhängigkeit der Reflexion an einem weiteren reflektiven optischen Element bei einer eingestrahlten Wellenlänge von 193 nm dargestellt. Die gestrichelte Kurve B ist wieder die Reflexion eines herkömmlichen reflektiven optischen Elements, das ein dielektrisches Schichtsystem aus SiO₂ als niedrigerbrechendes Material und AI₂O₃ als höherbrechendes Material aufweist, das für die Wellenlänge von 193 nm bei quasinormalem Einfall ausgelegt ist und bis zu einem Einfallswinkel von 10° zu Flächennormale eine im wesentlichen konstante Reflexion von 97% aufweist. Die durchgezogene Kurve A hingegen ist die Reflexion eines reflektiven optischen Elements, dessen dielektrisches Schichtsystem ebenfalls SiO₂ als niedrigerbrechendes Material und AI₂O₃ als höherbrechendes Material aufweist und ebenfalls für die Wellenlänge von 193 nm bei quasi-normalem Einfall ausgelegt ist, bei dem aber alle AI₂O₃-Schichten des dielektrischen Schichtsystems des entsprechenden herkömmlichen optischen Elements vollständig durch je ein Nanolagensystem ersetzt sind. Die Nanolagensysteme sind alle aus alternierend angeordneten Lagen aus SiO₂ und AI₂O₃ aufgebaut. Auch durch diese Maßnahme wird die Reflexion des optischen Elements auf knapp 98%, also um mehr als 1% verglichen mit dem herkömmlichen optischen Elements gesteigert. Der entsprechende Schichtaufbau ist in Figur 10 dargestellt. Es folgen 20 Schichtenpaare aus Nanolagensystem 71, aufgebaut aus alternierend angeordneten SiO₂- und AI₂O₃-Lagen, und niedrigerbrechenden Schichten 56 aus SiO₂. Zur Umgebung hin ist eine weitere Schicht aus Nanolagensystem aus SiO₂ und AI₂O₃ angeordnet.

In Figur 11 ist der Aufbau der Beschichtung einer weiteren Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen optischen Elements dargestellt. Es ist als reflektives optisches Element ausgeführt und weist als Teil der Reflexionsbeschichtung zusätzlich eine Metallschicht 81 auf. Zur besseren Haftung ist zwischen Substrat und Metallschicht 81 eine Haftvermittlerschicht 83 vorgesehen. Im dielektrischen Schichtsystem sind niedrigerbrechende Schichten 56 und höherbrechende Schichten 57 alternierend angeordnet, wobei alle höherbrechende Schichten 57 substratseitig teilweise durch eine Nanolagensystem 71 ersetzt sind.

In Figur 12 ist die Reflektivität der in Figur 11 dargestellten Beschichtung bei einer einfallenden Strahlung von 193 nm über den Einfallswinkel aufgetragen. Es wird eine Reflektivität von über 97% in einem Einfallswinkelbereich von 0° bis 30° erreicht. Außerdem schützen die oxidischen Schichten des dielektrischen Schichtsystems die Metallschicht vor Umgebungseinflüssen.

In optischen Systemen, die mehr als ein optisches Element aufweisen, multipliziert sich die Reflexions- bzw. Transmissionssteigerung, so dass durch das hier vorgeschlagene Vorgehen der Strahlungsdurchsatz durch das jeweilige optische System sich merkbar steigern lässt. Die Wahrscheinlichkeit von Strahlungsschäden durch weniger Energieeintrag in das dielektrische Schichtsystems eines optischen Elements wird für jedes einzelne optische Element verringert. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier in Verbindung mit den Figuren 6 bis 11 diskutierten Ausführungsbeispiele auf SiO₂ als niedrigerbrechendem Material und AI₂O₃ als höherbrechendem Material beruhen. Aber auch mit anderen oxidischen Schichtmaterialien wie z.B. MgAI₂O₄, Lu₃AI₅0i₂, GeO₂, CaO, MgO, HfO₂, Si₃N₄, Y₂O₃ oder La₂O₃ als höherbrechendem Material bzw. zwei oder mehreren Materialien aus der Gruppe aus AI₂O₃, MgAI₂O₄, LU₃AI₅0I₂, GeO₂, CaO, MgO, HfO₂, Si₃N₄, Y₂O₃, La₂O₃ als Bestandteil des Materials der höherbrechenden Schichten und Lagen wie auch mit beispielsweise Teflon™ AF als niedrigerbrechendem Material bzw. SiO₂ und/oder als Bestandteil des Materials der niedrigerbrechenden Schichten und Lagen konnten die beschriebenen Effekte erreicht werden. Auch bei optischen Elementen, die für den Einsatz in Transmission statt in Reflexion ausgelegt sind, konnte ein Steigerung der Transmission beobachtet werden, insbesondere, wenn dass das optische Element an der Position der am weitesten substratabgewandt angeordneten Schicht kein Nanolagensystem aufweist. Die hier beschriebenen optischen Elemente eignen sich wegen ihrer verbesserten Transmission bzw. Reflexion und Lebensdauer insbesondere für den Einsatz in optischen Systemen für Lithographievorrichtungen oder Masken- oder Waferinspektionssysteme für den UV-Wellenlängenbereich sowie in optischen Systemen für den Einsatz mit Lasern im UV- Wellenlängenbereich.

1 VUV-Lithographievorrichtung

2 Waferinspektionssystem

3 reflektives optisches Element

4 reflektives optisches Element

5 reflektives optisches Element

6 reflektives optisches Element

10 Strahlungsquelle

11 Strahlung

12 Beleuchtungssystem

13 Maske

14 Projektionssystem

15 zu belichtendes Element

20 Strahlungsquelle

21 Strahlung

22 optisches System

23 Detektor

25 Wafer

50 optisches Element

51 Substrat

53 Schutzschicht

54 dielektrisches Schichtsystem

55 Schichtenpaar

56 niedrigerbrechende Schicht

57 höherbrechende Schicht

60 Feldintensität

61 minimale Feldintensität

62 maximale Feldintensität

71 Nanolagensystem

72 Nanolagensystem

73 Nanolagensystem

75 Lage

76 Lage

81 Metallschicht

83 Haftvermittlerschicht 120 Linse

121 Spiegel

140 Linse

141 Linse 220 Spiegel

221 Spiegel

1210 reflektive Fläche

Claims

Patentansprüche

1. Optisches Element für den ultravioletten (UV-)Wellenlängenbereich, aufweisend ein Substrat und eine als dielektrisches Schichtsystem ausgebildete optische Beschichtung, wobei das dielektrische Schichtsystem Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Basismaterialien mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV- Wellenlängenbereich aufweist, die alternierend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3, 4, 5, 6, 13, 50, 120, 121 , 140, 141 , 220, 221) an der Position mindestens einer Schicht (57) aus dem Basismaterial mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem (71 , 72, 73) aufweist.

2. Optisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (57) aus dem Basismaterial mit höherer Brechzahl zumindest teilweise durch das Nanolagensystem (71 , 72, 73) ersetzt ist.

3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3, 4, 5, 6, 13, 50, 120, 121 , 140, 141 , 220, 221) für eine Wellenlänge zwischen 190 nm und 300 nm ausgelegt ist.

4. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanolagensystem (71 , 72, 73) aus mindestens zwei verschiedenen Nanolagenmaterialien (75, 76) mit unterschiedlicher Brechzahl bei einer Wellenlänge im UV-Wellenlängenbereich aufgebaut ist, die alternierend angeordnet sind.

5. Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das höher- und/oder niedrigerbrechende Nanolagenmaterial dasselbe ist wie das jeweilige höher- und/oder niedrigerbrechende Basismaterial.

6. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial mit höherer Brechzahl eines oder mehrere der Materialien der Gruppe bestehend aus AI₂O₃, MgAI₂O₄, Lu₃AI₅0i₂, GeO₂, CaO, MgO, HfO₂, Si₃N₄, Y₂O₃, La₂O₃ ist.

7. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial mit niedrigerer Brechzahl Siliziumdioxid und/oder ein amorphes Fluorpolymer ist.

8. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Beschichtung als Reflexionsbeschichtung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine ein Nanolagensystem aufweisende Schicht (57) im substratabgewandten Drittel der optischen Beschichtung (54) angeordnet ist.

9. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die optische Beschichtung als Reflexionsbeschichtung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3, 4, 5, 6, 13, 50, 120, 121 , 140, 141, 220, 221) an der Position mindestens einer der sieben am weitesten substratabgewandt angeordneten Schichten (57) mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem (71, 72, 73) aufweist.

10. Optisches Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3, 4, 5, 6, 13, 50, 120, 121 , 140, 141 , 220, 221) an den Positionen der allen jeweils drei, vier, fünf, sechs oder sieben am weitesten substratabgewandt angeordneten Schichten (57) mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem (71 , 72, 73) aufweist.

11. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die optische Beschichtung als Reflexionsbeschichtung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Schicht (57) mit höherer Brechzahl diese an der substratzugewandten Seite durch das Nanolagensystem (71, 72) ersetzt wird.

12. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Beschichtung als Antireflexionsbeschichtung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3, 4, 5, 6, 13, 50, 120, 121, 140, 141 , 220, 221) an der Position der am weitesten substratabgewandt angeordneten Schicht kein Nanolagensystem aufweist.

13. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Schicht (57) mit höherer Brechzahl diese sowohl an der substratzugewandten Seite als auch an der substratabgewandten Seite durch ein Nanolagensystem (72, 73) ersetzt wird.

14. Optisches Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass beide Nanolagensysteme (72, 73) aus denselben Materialien sind.

15. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Schicht (57) mit höherer Brechzahl diese mindestens zur Hälfte durch ein Nanolagensystem (71 , 72, 73) ersetzt wird.

16. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei sich bei Reflexion einer Wellenlänge im VUV-Wellenlängenbereich eine stehende Welle eines elektrischen Feldes ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3, 4, 5, 6, 13, 50, 120, 121, 140, 141 , 220, 221) an der mindestens einen Schicht (57) mit höherer Brechzahl ein Nanolagensystem (71, 72, 73) an einer Stelle extremaler Feldintensität der stehenden Welle aufweist.

17. Optisches System, aufweisend ein optisches Element (3, 4, 5, 6, 13, 50, 120, 121, 140, 141 , 220, 221) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.