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CN108700752A - 实现光的掠入射的分束器 - Google Patents

实现光的掠入射的分束器 Download PDF

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CN108700752A CN201780014590.5A CN201780014590A CN108700752A CN 108700752 A CN108700752 A CN 108700752A CN 201780014590 A CN201780014590 A CN 201780014590A CN 108700752 A CN108700752 A CN 108700752A
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Abstract

本发明涉及一种光学系统，特别是显微术的光学系统，具有分束器(100、200、300、400、500、600、700、800、900)，该分束器具有光入射表面和光出射表面，其中对于光学系统的预定工作波段，该分束器将入射在光入射表面上的少于20％的电磁辐射吸收；并且该分束器布置在光学系统中，使得当操作光学系统时，相对于相应表面法线且在光入射表面处和/或光出射表面上入射的入射角至少为70°。

Description

实现光的掠入射的分束器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年3月8日提交的德国专利申请DE 10 2016 203 749.8的优先权。该DE申请的全部内容通过引用并入本申请文本中。
技术领域
本发明涉及光学系统，特别地显微术的光学系统。本发明能够有利地用于各种应用领域，例如材料科学领域中、生物或各种其他基础研究中的显微术应用。本发明的其他可能用途是检查用于微光刻投射曝光设备中的掩模母版或掩模的掩模检查系统。
背景技术
在亮场反射光的显微术中，使用分束器照明待研究的物体，该分束器相对于从光源入射的照明光倾斜并且使光偏转到待研究的物体上。为了增加可实现的分辨率，在这种情况下变换到逐渐减小的操作波长是可期望的。
在设计用于EUV范围(即小于30nm(例如近似13nm或近似7nm)的波长处)的光学系统中，由于缺少适当的光透射折射材料的可用性，作为光学部件的反射镜用于成像过程。这还适用于设计为短波VUV辐射(例如波长低于150nm)的系统，因为这样的系统还可以优选地设计为反射镜系统。
在上述的应用中，使用分束器来透射和反射相应照明光的一定比例，一方面以便于将相关电磁辐射指引到待研究的样品上(例如布置在显微镜物镜的物平面中)并且另一方面以便于将其供应到检测器。在此存在的需求实际上通常还包含——除了使发生吸收和散射损耗最小化——在分束器处分离的比例(即电磁辐射的透射比例和反射比例)在强度方面(如果可能的话)是相同的(也就是已知的“50/50分束器”)。
为了使相应操作波长下的吸收损耗最小化，特别地分束器具有电介质层系统的实施方式是已知的，该电介质层系统具有由不同折射率的材料构成的单独层的序列。
然而，实际上频繁地出现以下问题，为了覆盖更大的波长范围，原则上超大量的多个不同电介质层的是必须的，这继而包含由于大量的界面伴随杂散光比例增加且特别地在例如小于150nm的低波长处而增加的吸收损耗。
发明内容
本发明的目的是提供光学系统，特别是显微术的光学系统，其中在相对较大波长范围的分束是可能的，同时避免了先前描述的问题。
该目的通过独立权利要求1的特征来实现。
根据本发明的一个方面，光学系统，特别是显微术的光学系统包含：
-具有光入射表面和光出射表面的分束器；
-其中分束器针对光学系统的指定操作波长将入射在光入射表面上的少于20％的电磁辐射吸收；并且
-其中分束器布置在光学系统中，使得在操作光学系统期间，相对于相应表面法线，光入射表面处和/或光出射表面处发生的入射角至少为70°。
本发明特别基于在诸如显微镜的光学系统中以相对较高的入射角(关于相应的表面法线)经过位于光学束路径中的分束器的至少一个界面的构想，致使甚至不用使用诸如电介质层系统的涂层，实现分束器处相对较高的反射率，并且因此能够获得高通过量(其可以与在可见光谱范围内的分束器相比较并且接近理论理想值25％)。
由于省略了根据本发明的分束器的(例如电介质)涂层或结构化的需求，可以避免在这样的层系统中典型地发生的层退化的问题，因此可以显著地降低制造付出和成本。此外，由于省略了由大量电介质单独层形成的层系统，可以使吸收和散射损耗最小化。
由于根据本发明的分束器的功能原理，具有相对于可能的操作波长范围的高宽带的分束器本质上”已经是可实现的，其中取决于实施例，低于120nm(特别地还在EUV范围内，即小于30nm、特别地小于15nm)和到红外光谱范围内的操作波长是可实现的。
根据实施例，分束器布置在光学系统中，使得在操作光学系统期间，关于相应表面法线，光入射表面处和/或光出射表面处发生的入射角至少为75°、特别地至少为80°。
根据一个实施例，分束器具有平面平行的几何体。在该情况下，它可以具有小于1mm、更特别地小于0.5mm的厚度。因此，可以实现在分束器的相应材料内的相对较低或最小光学路径，致使吸收损耗、在分束器的两个界面处反射的光比例之间不可避免的束偏移，以及还有色差可以最小化。
根据其他实施例，分束器具有包含楔形形状或楔形截面形状的几何体的至少一个部件。该类型的实施方式特别地具有以下优点：在分束器内的多次反射之后，由于不同于出射的“所使用的光”的出射角而可以相对较容易挡住以束偏移出射的光比例，并且因此可以避免这样的光比例对图像结果的干扰影响。
根据其他的实施例，分束器具有棱镜形状的几何体。这样的实施方式特别地具有以下优点：随着在光学(整个)系统中并入分束器，在入射束和透射束之间的90°偏转的总体期望的实现是可能的，而不需要附加的折叠或偏转反射镜并且因此减少所需要的光学部件或反射镜的总数目。
根据一个实施例，分束器由选自以下的组的材料制成，该组包含氟化镁(MgF2)、氟化锂(LiF)、氟化铝(AlF3)、氟化钙(CaF2)和氟化钡(BaF2)。
根据一个实施例，分束器仅由这种材料构成。
根据一个实施例，分束器具有含有光入射表面和/或光出射表面的至少一个未涂层的部件。换言之，分束器优选地不具有(例如电介质)涂层，因此无论如何特别地也不可能发生层退化。
根据实施例，光学系统设计用于小于150nm、特别地小于120nm的操作波长。
根据实施例，光学系统设计用于小于30nm、更特别地小于15nm的操作波长。
根据实施例，光学系统是显微镜。
根据实施例，光学系统是检查用于微光刻投射曝光设备中的掩模母版或掩模的掩模检查系统。
可以从说明书和从属权利要求获得本发明的其他配置。
下面基于附图中所示的示例性实施例更详细地解释本发明。
附图说明
附图中：
图1-9示出了阐明用于根据本发明的光学系统的分束器的各种示例性实施例的示意图；
图10-11示出了说明用根据本发明的分束器可实现的通过量的波长依赖性的可能分布的示意图(图10)和说明s偏振光和p偏振光的反射系数和透射系数的波长依赖性的可能分布的示意图(图11)；以及
图12示出了阐明常规亮场反射光显微镜的设计的示意图。
具体实施方式
图12仅示出了阐明常规亮场反射光显微镜的设计的示意图。
在图12中示意性示出的亮场反射光显微镜的设计中，照明光入射到分束器10上，在其第一界面10a处以一比例反射并且以一比例透射。反射的比例经过显微镜物镜15到物平面OP，在位于物平面OP中的待研究的样品处反射，再次按比例透射之后通过分束器10，经由其第二界面10b到检测器20。
本发明不限于在这样的显微镜中的实现方式。例如，本发明或者具有根据本发明的设计的分束器还可以在其他应用中实现，例如用于检查用在掩模检查设备的投射曝光设备中或者在其他光学系统中的掩模母版或掩模的掩模检查系统。
下面将参考图1至9的示意图来描述根据本发明的分束器的各种实施例。
图1仅以示意图示出了实施为具有相互平行界面100a、100b的平面平板的分束器100。分束器100布置在光束路径中，使得入射在光入射表面(其由第一界面100a形成)上的电磁辐射的入射角至少为70°(在此和下文中，入射角各参考表面法线)。
图1中，正如在其他图2-8中，图示的各种情况下来自光源(未示出)的照明光从上面入射在分束器上，其中在这些图示中，待检查的样品(其上入射由分束器100透射的光)和检测器(由待研究的样品返回并且然后在第二界面100b反射的光最终通向该检测器)未在各种情况下示出。
为了使吸收损耗最小化，分束器100的厚度优选地小于1mm、特别地小于0.5mm。另外，分束器100由在相应操作波长范围充分透射或透射光的材料制造。优选地选择分束器的材料和厚度，使得分束器在光学系统的指定操作波长范围内将入射在光入射表面上的少于20％的电磁辐射吸收。在大约120nm或以下范围内的操作波长处，例如氟化镁(MgF2)是合适的材料。
图10和图11示出了阐明用根据本发明的分束器可实现的通过量的可能波长依赖性分布的示意图，其中分束器设计为由氟化镁(MgF2)制成的平面平板，具有在光学系统中的所述平面平板的光入射表面上的与表面法线呈79°的入射角。根据图10，平均可实现通过量D近似在22°处，其中通过量D由D＝(Rs*Ts+Rp*Tp)/2给定。该值与在可见光谱范围内用分束器可获得的值相当的并且接近理论上理想值25％。
图11示出了s偏振的比例和p偏振的比例二者的反射系数和透射系数的相应的分布。在两个偏振方向之上的反射比例和透射比例的平均值对于两个偏振比例而言各近似为期望值50％，其中偏振率(Rp+Tp)/(Rs+Ts)接近于期望值一。
在其它实施例中，分束器100还可以由甚至更低的厚度(例如包含由硅(Si)制成的薄膜)制造。有利的是厚度小于1μm、还优选地厚度小于100nm，由于吸收损耗该厚度尽可能低。
图4仅示意性示出了确保足够的稳定性或避免由于分束器的任何表面形变而造成成像质量的非期望损害的一个实施例。根据图4，分束器400的机械稳定性的改进可以通过(例如接触接合的)例如形式为环形段或框段的支撑元件来获得，该支撑元件特别地可以由与分束器400自身相同的材料构成。图4中，这样的支撑元件仅示意性指示并且用“410”和“420”表示。相对于这样的支撑元件的具体实施方式，本发明不受限制，其中例如还可以通过撑杆等提供中心支撑件。
再次参考图1，就不可避免的多次反射发生在分束器100内而言，所绘制的束路径极度简化，其中已经多次反射的对应比例在从分束器100出射之后具有束偏移。
为了简化消除这样的具有对高度精确成像的干扰效应的光比例，如图2所示，根据本发明的分束器还可以具有楔形形状或楔形截面形状的几何体。由此，由于不同于所使用光的出射角，使上述非期望的光比例的输出耦合更容易。
因为在上文所述具有楔形形状或楔形截面形状的几何体的分束器200的实现方式中界面之一(具体而言是第一界面200a)不会带来反射比例，所以在该界面处的透射比例优选地尽可能大。为此，在相关界面处的入射角优选地显著小于另一个(反射)界面，其中在相关界面处不会带来反射比例的入射角可以优选地选择为小于65°。在其它实施例中，如图6所示，反射减少涂层630(图6中由虚线示出)可以施加在分束器600中不带来反射比例的界面上。
图3示出了根据本发明的分束器300的另外的实施例，该分束器300具有棱镜形状的几何体。这样的含义首先可以通过设定透射光比例和反射光比例之间的较大角度，而具有在所述透射光比例和反射光比例之间的更加显著分离的效应。其次，通过相关棱镜的适当实施方式，由于分束器300内发生全内反射而实现整个系统中可期望的束偏转已经是可能的，例如，以便获得一方面照明光和另一方面入射到物平面上的成像光的相互正交取向，而不需要其他偏转或折叠反射镜。
在根据本发明的分束器为棱镜的先前描述实施方式中，类似地应用上面关于不会带来反射比例的界面的可能最高透射比例或者优选地在相关界面处进行对应较低入射角的选择的陈述。
图5示出了根据本发明的分束器500的另外的实施例，该分束器500具有多个楔形段形状的部分。分束器500内的光学路径和关联的吸收损耗可以由此最小化，其中界面处的不会带来反射的入射角还可以进一步最小化。
根据图7，还可以在平行于整个系统的放置表面的方向上提供附加的反射镜740，以偏转在分束器700的第二界面处反射的光，该分束器700已经相对于图1类似地设计。
图8示出了根据本发明的分束器800的另外的实施例，该分束器800具有两个棱镜截面形状的子元件801和802。以这种方法，由第一子元件801透射的束的偏转角的波长依赖的变化的校正可以通过布置具有相对于第一子元件801旋转了约180°的取向的第二子元件来实现。
此外，由于根据本发明的分束器中第二子元件的使用或者由于在分束器的界面上形成的非球面，还可以校正像散波前误差。
在其它实施例中，根据本发明的分束器还可以布置在光学系统中，使得相较于先前描述的实施例光学束路径各是反向的。图9出于图示目的示出了具有反向束路径的类似于图1的实施方式。就照明束路径中的成像质量需求较低而言，该实施方式可以是有利的，因此在分束器900(例如由于形式为薄膜的分束器900的实施方式)上存在的任何表面形变(其导致反射光比例中的波前误差)不会对成像质量产生影响。
尽管已经基于特定实施例描述本发明，但是例如通过组合和/或交换单独实施例的特征，许多的变型和替代性实施例对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，对于本领域技术人员而言更不用说，本发明附随地包含了这样的变型和替代性实施例，并且本发明的范围仅受限于所附的专利权利要求及其等同物的含义内。

Claims (13)

1.一种光学系统，特别是显微术的光学系统，包括：
分束器(100、200、300、400、500、600、700、800、900)，所述分束器具有光入射表面和光出射表面；
其中对于所述光学系统的指定操作波长范围，所述分束器将入射在所述光入射表面上的少于20％的电磁辐射吸收；并且
其中所述分束器布置在所述光学系统中，使得相对于相应表面法线，在操作所述光学系统期间所述光入射表面处和/或所述光出射表面处发生的入射角至少为70°。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于所述分束器布置在所述光学系统中，使得相对于相应表面法线，在操作所述光学系统期间所述光入射表面处和/或所述光出射表面处发生的入射角至少为75°、特别地至少为80°。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于所述分束器的最大厚度小于1毫米(mm)、特别地小于0.5mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于所述分束器(100、400、600、700、900)具有平面平行的几何体。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于所述分束器(200、500、800)具有含有楔形形状或楔形截面形状的几何体的至少一个部件。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于所述分束器(300)具有棱镜形状的几何体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其特征在于所述分束器(100、200、300、400、500、600、700、800、900)由选自以下组的材料制成，所述组包含氟化镁(MgF2)、氟化锂(LiF)、氟化铝(AlF3)、氟化钙(CaF2)和氟化钡(BaF2)。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于所述分束器(100、200、300、400、500、600、700、800、900)仅由所述材料构成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其特征在于所述分束器(100、200、300、400、500、600、700、800、900)具有包含所述光入射表面和/或所述光出射表面的至少一个未涂层部件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其特征在于所述光学系统设计为用于小于150nm、特别地小于120nm的操作波长。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其特征在于所述光学系统设计为用于小于30nm、更特别地小于15nm的操作波长。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的光学系统，其特征在于所述光学系统为显微镜。
13.根据权利要求1至11中的任一项所述的光学系统，其特征在于所述光学系统是一种检查用在微光刻投射曝光设备中的掩模的掩模检查系统。
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