DE102011079837A1 - Optical system for microlithographic projection exposure system for manufacturing e.g. LCDs, has beam-splitting optic element arranged such that degree of polarization of incident light beam is lesser than specified value - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches System einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, sowie ein mikrolithographisches Belichtungsverfahren.The invention relates to an optical system of a microlithographic projection exposure apparatus, and to a microlithographic exposure method.
Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z. B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.Microlithography is used to fabricate microstructured devices such as integrated circuits or LCDs. The microlithography process is carried out in a so-called projection exposure apparatus which has an illumination device and a projection objective. In this case, the image of a mask (= reticle) illuminated by the illumination device is projected onto a substrate (eg a silicon wafer) coated with a photosensitive layer (photoresist) and arranged in the image plane of the projection objective to project the mask structure onto the mask transfer photosensitive coating of the substrate.
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, in der Beleuchtungseinrichtung zur Optimierung des Abbildungskontrastes gezielt bestimmte Polarisationsverteilungen in der Pupillenebene und/oder im Retikel einzustellen. Dabei ist der sogenannte IPS-Wert (IPS = „Intensity in Preferred State”), welcher den Grad der Polarisation in einem gewünschten Zustand beschreibt, von grundlegender Bedeutung. In der Praxis kann eine unerwünschte Verringerung des IPS-Wertes zum Beispiel aus auftretender Spannungsdoppelbrechung in den optischen Elementen bzw. Linsen der Beleuchtungseinrichtung resultieren, welche insbesondere dazu führen kann, dass der Polarisationszustand elliptisch wird bzw. zwar immer noch die gewünschte Polarisationsvorzugsrichtung, jedoch mit einen nicht in der gewünschten Richtung polarisierten Lichtanteil aufweist. In diesem Falle kann eine Erhöhung des IPS-Wertes durch Kompensation dieser Elliptizität erfolgen.Various approaches are known for selectively adjusting specific polarization distributions in the pupil plane and / or in the reticle in the illumination device for optimizing the imaging contrast. Here, the so-called IPS value (IPS = "Intensity in Preferred State"), which describes the degree of polarization in a desired state, is of fundamental importance. In practice, an undesirable reduction of the IPS value may result, for example, from stress birefringence occurring in the optical elements or lenses of the illumination device, which may in particular lead to the polarization state becoming elliptical or indeed still the desired preferred polarization direction, but with one does not have in the desired direction polarized light component. In this case, the IPS value can be increased by compensating for this ellipticity.
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, ausgehend von bereits polarisiertem Licht (z. B. infolge der Verwendung einer bereits polarisiertes Licht liefernden Laserlichtquelle) ein gewünschtes polarisiertes Beleuchtungssetting durch Drehung der Polarisationsrichtung zu erzielen und die Intensitätsverteilung in der Pupillenebene aus entsprechend polarisierten Lichtanteilen zusammenzusetzen. Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf die
In der Praxis kann jedoch auch die Situation auftreten, dass zumindest Teile des Beleuchtungslichtes unpolarisiert sind. Dies ist insbesondere in Systemen der Fall, bei denen die Lichtquelle von vorneherein unpolarisiertes Licht erzeugt, also etwa in einer für EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage oder auch bei einem die i-Linie (mit einer Wellenlänge von ca. 365 nm) als Beleuchtungslicht ausnutzenden Beleuchtungssystem.In practice, however, the situation may arise that at least parts of the illumination light are unpolarized. This is the case in particular in systems in which the light source generates unpolarized light from the outset, ie in a projection exposure system designed for EUV or also in an illumination system utilizing the i-line (with a wavelength of approximately 365 nm) as illuminating light.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage sowie ein mikrolithographisches Belichtungsverfahren bereitzustellen, welche die möglichst effiziente Erzeugung eines gewünschten polarisierten Beleuchtungssettings aus zumindest teilweise unpolarisiertem Licht ermöglichen.It is an object of the present invention to provide an optical system of a microlithographic projection exposure apparatus and a microlithographic exposure method which enable the most efficient generation of a desired polarized illumination setting from at least partially unpolarized light.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is achieved according to the features of the independent claims.
Ein erfindungsgemäßes optisches System einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage weist auf:
- – eine Lichtquelle;
- – ein strahlaufspaltendes optisches Element, welches eine Aufspaltung eines im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage auf dieses Element auftreffenden Lichtstrahls in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl bewirkt, wobei der erste und der zweite Teilstrahl zueinander orthogonale Polarisationsrichtungen aufweisen; und
- – wenigstens einem strahlablenkenden optischen Element zur Erzeugung eines gewünschten polarisierten Beleuchtungssettings aus dem ersten Teilstrahl und dem zweiten Teilstrahl;
- – wobei das strahlaufspaltende optische Element derart angeordnet ist, dass im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage auf dieses strahlaufspaltende optische Element auftreffendes Licht einen Polarisationsgrad kleiner als Eins aufweist.
- A light source;
- A beam-splitting optical element which effects a splitting of a light beam impinging on this element during operation of the projection exposure apparatus into a first partial beam and a second partial beam, the first and second partial beams having mutually orthogonal polarization directions; and
- - At least one beam deflecting optical element for generating a desired polarized Beleuchtingssettings from the first partial beam and the second partial beam;
- - Wherein the beam splitting optical element is arranged such that in the operation of the projection exposure system incident on this beam splitting optical element light has a polarization degree less than one.
Der Erfindung liegt das Konzept zugrunde, in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage ausgehend von unpolarisiertem oder einen geringen Polarisationsgrad aufweisendem Eingangslicht unter möglichst geringem Lichtverlust den Polarisationsgrad zu erhöhen. Diese Erhöhung des Polarisationsgrades erfolgt über die Aufspaltung des Eingangslichtes in zwei zueinander orthogonal polarisierte Teilstrahlen, welche wiederum so „weiterverarbeitet” werden, dass letztendlich das gewünschte polarisierte Beleuchtungssetting erzielt wird. Auf diese Weise wird der Polarisationsgrad erhöht, womit zugleich die mit der herkömmlicherweise üblichen Verwendung eines Polarisators einhergehenden Lichtverluste (die typischerweise in der Größenordnung von 50 liegen können) vermieden werden.The invention is based on the concept of increasing the degree of polarization in a microlithographic projection exposure apparatus starting from unpolarized input light or having a low degree of polarization with as little loss of light as possible. This increase in the degree of polarization takes place via the splitting of the input light into two mutually orthogonally polarized partial beams, which are in turn "further processed" so that ultimately the desired polarized illumination setting is achieved. In this way, the degree of polarization is increased, which at the same time avoids the light losses associated with the conventionally customary use of a polarizer (which can typically be on the order of 50).
Die Erfindung verfolgt insbesondere nicht etwa das in herkömmlichen bekannten Ansätzen in der Regel realisierte Konzept, lediglich eine bereits vorhandene Polarisationsvorzugsrichtung zu drehen und damit bei gleichbleibendem Polarisationsgrad (DoP = „Degree of Polarization”) nur die Polarisationsreinheit (PP = „polarization purity”) zu steigern, also innerhalb des Diagramms von
Der Zusammenhang zwischen den genannten Größen Polarisationsgrad und Polarisationsreinheit ist gegeben durch
Die Erfindung ist nicht auf die Erhöhung des Polarisationsgrades von 0% (entsprechend unpolarisiertem Licht) auf im Wesentlichen 100% (entsprechend vollständig polarisiertem Licht mit konstanter Polarisationsrichtung) beschränkt. Vielmehr besteht eine weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung auch darin, den Polarisationsgrad z. B. nach einem im Beleuchtungsstrahlengang vorhandenen Spiegel (welcher ja bereits eine teilweise Polarisation bewirkt) zu erhöhen, also für lediglich teilweise polarisiertes Licht. Dies erfolgt erfindungsgemäß ebenfalls durch Aufteilung des Lichtstrahls in zwei Teilstrahlen mit zueinander orthogonalen Polarisationszuständen.The invention is not limited to increasing the degree of polarization from 0% (corresponding to unpolarized light) to substantially 100% (corresponding to fully polarized light of constant polarization direction). Rather, a further advantageous application of the invention is also the degree of polarization z. B. after a present in the illumination beam mirror (which already causes a partial polarization) to increase, so for only partially polarized light. This is done according to the invention also by dividing the light beam into two partial beams with mutually orthogonal polarization states.
Gemäß einer Ausführungsform ist das strahlaufspaltende optische Element derart angeordnet, dass im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage auf dieses strahlaufspaltende optische Element auftreffendes Licht einen Polarisationsgrad kleiner als 0.5, insbesondere kleiner als 0.3, weiter insbesondere kleiner als 0.1, aufweist.According to one embodiment, the beam splitting optical element is arranged such that light incident on this beam splitting optical element during operation of the projection exposure apparatus has a degree of polarization of less than 0.5, in particular less than 0.3, more particularly less than 0.1.
Das gewünschte polarisierte Beleuchtungssetting kann z. B. eine quasi-tangentiale Polarisationsverteilung aufweisen. Des Weiteren kann das gewünschte polarisierte Beleuchtungssetting ein Quadrupol-Beleuchtungssetting oder ein Dipol-Beleuchtungssetting sein.The desired polarized illumination setting can, for. B. have a quasi-tangential polarization distribution. Furthermore, the desired polarized illumination setting may be a quadrupole illumination setting or a dipole illumination setting.
Bei der Lichtquelle kann es sich insbesondere um eine die i-Linie (mit einer Wellenlänge von ca. 365 nm) erzeugende Lichtquelle in Form einer Quecksilber-Kurzbogenlampe handeln.In particular, the light source may be a light source in the form of a mercury short arc lamp that generates the i-line (with a wavelength of approximately 365 nm).
Das strahlablenkende Element kann insbesondere ein diffraktives optisches Element (DOE) aufweisen.The beam deflecting element may in particular comprise a diffractive optical element (DOE).
Das strahlaufspaltende Element kann insbesondere einen Polarisationsstrahlteiler, ein Sub-Lambda-Gitter, eine Vielfachschichtmembran oder ein doppelbrechendes Element aufweisen.In particular, the beam splitting element may comprise a polarization beam splitter, a sub-lambda grating, a multilayer membrane or a birefringent element.
Bei der Lichtquelle kann es sich ferner auch um eine EUV-Plasmaquelle handeln. Hierbei kann das strahlaufspaltende Element wie im Weiteren noch näher erläutert z. B. eine Zirkoniumfolie aufweisen.The light source may also be an EUV plasma source. Here, the Strahlaufspaltende element as explained in more detail below z. B. have a zirconium foil.
Gemäß einer Ausführungsform ist im Strahlengang eines der beiden Teilstrahlen wenigstens ein Rotator zur Drehung des Polarisationszustandes, insbesondere um 90°, angeordnet.According to one embodiment, at least one rotator for rotating the polarization state, in particular by 90 °, is arranged in the beam path of one of the two partial beams.
Gemäß einer Ausführungsform ist im Strahlengang der beiden Teilstrahlen ein Diffusor angeordnet.According to one embodiment, a diffuser is arranged in the beam path of the two partial beams.
Die Erfindung betrifft ferner eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einer Beleuchtungseinrichtung und einem Projektionsobjektiv, wobei die Beleuchtungseinrichtung ein optisches System mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen aufweist.The invention further relates to a microlithographic projection exposure apparatus having an illumination device and a projection objective, wherein the illumination device has an optical system with the features described above.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein mikrolithographisches Belichtungsverfahren,
- – wobei mittels einer Lichtquelle erzeugtes Beleuchtungslicht einer Beleuchtungseinrichtung einer Projektionsbelichtungsanlage zur Beleuchtung einer Objektebene eines Projektionsobjektivs zugeführt wird, wobei die Objektebene mittels des Projektionsobjektivs in eine Bildebene des Projektionsobjektivs abgebildet wird;
- – wobei an einer Position innerhalb der Beleuchtungseinrichtung das die Beleuchtungseinrichtung durchlaufende Licht einen Polarisationsgrad kleiner als Eins aufweist; und
- – wobei der Polarisationsgrad in Lichtausbreitungsrichtung nach dieser Position erhöht wird, wobei das Licht in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl aufgespalten wird, und wobei der erste und der zweite Teilstrahl zueinander orthogonale Polarisationsrichtungen aufweisen.
- Wherein illuminated light generated by a light source is supplied to a lighting device of a projection exposure apparatus for illuminating an object plane of a projection lens, wherein the object plane is imaged by means of the projection lens into an image plane of the projection lens;
- - Wherein at a position within the illumination device, the light passing through the illumination device has a polarization degree less than one; and
- - Wherein the degree of polarization in the direction of light propagation is increased after this position, wherein the light is split into a first partial beam and a second partial beam, and wherein the first and the second partial beam have mutually orthogonal polarization directions.
Der Polarisationsgrad kann insbesondere um wenigstens 0.3, weiter insbesondere um wenigstens 0.6, weiter insbesondere um 0.9, und weiter insbesondere vom Wert Null auf den Wert Eins erhöht werden. The degree of polarization can be increased in particular by at least 0.3, more particularly by at least 0.6, in particular by 0.9, and more particularly by the value zero to the value one.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Further embodiments of the invention are described in the description and the dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel wird unpolarisiertes Beleuchtungslicht einer Lichtquelle (in
Die Anordnung gemäß
In weiteren Ausführungsformen kann anstelle der DOE's
Die Erfindung ist ferner auch nicht auf eine bestimmte Realisierung des Polarisationsstrahlteilers
Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Strahlaufspaltung in einer Beleuchtungseinrichtung kann ferner ein sogenanntes Sub-Lambda-Gitter (d. h. ein Gitter mit einem Abstand der Gitterstrukturen unterhalb der Arbeitswellenlänge) verwendet werden. Des Weiteren kann auch eine Vielfachschichtmembran eingesetzt werden, in welcher eine Mehrzahl von Schichten (mit einer Breite in der Größenordnung von 10 nm) eine Membran bildet, so dass bei deren Ausrichtung unter einen geeigneten Winkel (typischerweise unter 45°) die gewünschte polarisationssensitive Strahlaufbreitung erfolgt.To realize the beam splitting according to the invention in an illumination device, a so-called sub-lambda grating (ie a grating with a spacing of the grating structures below the operating wavelength) can also be used. Furthermore, a multilayer membrane may also be used in which a plurality of layers (with a width of the order of 10 nm) form a membrane, so that when they are aligned at a suitable angle (Typically below 45 °) the desired polarization-sensitive beam propagation takes place.
In weiteren Ausführungsformen kann auch ein doppelbrechendes Element zur Strahlaufspaltung eingesetzt werden, wobei die Eigenschaft doppelbrechender Materialien hinsichtlich der räumlichen Trennung zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl genutzt werden kann. Eine hierbei zunächst geringe Strahlablenkung durch das doppelbrechende Element kann durch weitere Strahlablenkung(en), z. B. eine weitere Ablenkung um ca. 90°, erhöht werden.In other embodiments, a birefringent beam splitting element may also be employed, utilizing the property of birefringent materials in terms of spatial separation between the ordinary and extraordinary beams. A first low beam deflection by the birefringent element can be achieved by further beam deflection (s), z. B. a further deflection by about 90 ° can be increased.
Die Anordnung von
Die Erfindung ist jedoch in weiteren Ausführungsbeispielen auch in Verbindung mit einer für eine Arbeitswellenlänge im EUV-Bereich (d. h. bei Wellenlängen kleiner 15 nm) ausgelegten Beleuchtungseinrichtung realisierbar, wie sie lediglich schematisch in
Gemäß
Zur Erläuterung einer Realisierung der Erfindung in einer solchen für EUV ausgelegten Beleuchtungseinrichtung zeigt die schematische Darstellung gemäß
Die Verwendung von Zirkoniumfolien in der EUV-Lithographie ist z. B. aus
Durch die im Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzte Zirkoniumfolie wird das s-polarisierte Licht weitestgehend reflektiert, und das p-polarisierte Licht weitestgehend transmittiert. Konkret kann mittels einer solchen, unter dem Brewster-Winkel angeordneten Zirkoniumfolie – unter Berücksichtung der Abschwächung infolge Absorption im Material – eine Transmission von etwa (70–80)% für den p-polarisierten Lichtanteil und eine Reflexion von ebenfalls etwa (70–80)% für den s-polarisierten Lichtanteil erzielt werden.By the zirconium foil used in the embodiment of the present invention, the s-polarized light is largely reflected, and the p-polarized light is largely transmitted. Specifically, by means of such, arranged at the Brewster angle zirconia - taking into account the attenuation due to absorption in the material - a transmission of about (70-80)% for the p-polarized light component and a reflection of about also (70-80) % for the s-polarized light component.
Um nun erfindungsgemäß wiederum einen Lichtverlust bei der Erhöhung des Polarisationsgrades zu minimieren, können die wie vorstehend beschrieben erzeugten, senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen jeweils einem von zwei parallel zueinander innerhalb ein- und derselben Beleuchtungseinrichtung vorgesehenen Teilmodulen zugeführt werden. Diese Teilmodule können z. B. jeweils einen separaten Feldfacettenspiegel aufweisen, so dass die in der Anordnung von
Alternativ können die gemäß
Der Aufbau gemäß
Hierzu weist die Anordnung gemäß
Selbstverständlich kann alternativ auch – analog zu
In weiteren Ausführungsformen kann in Abwandlung des in
In der Anordnung von
Selbstverständlich kann in der Anordnung von
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z. B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.While the invention has been described with reference to specific embodiments, numerous variations and alternative embodiments will become apparent to those skilled in the art. B. by combination and / or exchange of features of individual embodiments. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that such variations and alternative embodiments are intended to be embraced by the present invention, and the scope of the invention is limited only in terms of the appended claims and their equivalents.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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