CN101836163A - 包括具有反射涂层的镜元件的投射物镜 - Google Patents

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Abstract

一种光学系统包括所布置的用以将波长λ的辐射从物面中的物场成像到像面中的像场的多个元件。所述多个元件包括布置在辐射路径中的多个镜元件，镜元件具有由反射涂层形成的反射表面。至少一个镜元件具有在一个或多个位置从最佳拟合旋转对称反射表面偏离约λ以上的非旋转反射表面。该元件包括切趾校正元件，相对于不具有切趾校正元件的光学系统，该切趾校正元件有效地校正光学系统的出瞳中的空间强度分布。优选地，相对于不具有切趾校正元件的光学系统，该切趾校正元件有效地增加出瞳中的空间强度分布的对称性。

Description

包括具有反射涂层的镜元件的投射物镜
技术领域
本公开涉及包括具有反射涂层的镜元件的光学系统，其用于光刻设备中的短波长。
背景技术
该类型的光学系统可以用作用于制作半导体器件和其他类型的微器件的投射曝光系统中的投射物镜，且用于以超高分辨率将光掩模(或掩模母版)上的图案投射到具有光敏感涂层的目标上。
为了允许制造甚至更精细的结构，正在追求改善投射物镜分辨力的各种方法。众所周知，可以通过增加投射物镜的像方数值孔径(NA)来提高分辨力。另一种方法是采用较短波长电磁辐射。
例如193nm的深紫外(DUV)光刻通常需要具有0.75或更高的数值孔径的投射系统以实现0.2μm或更小的特征。以该NA，焦深(DOF)是数十微米。此外，制造和装配公差使得难以建立具有诸如大NA的光学系统。
如本领域中已知，短波长紫外辐射(短于大约193nm)由于本征体吸收而与很多折射透镜材料不相容。为了减少光学系统内的辐射吸收，可以用反射元件来代替折射光学元件。目前水平的DUV系统常常使用包括折射透镜和反射元件(镜)的折反射光学系统。
通过增加数值孔径来提高分辨率有一些缺点。主要的缺点是可获得的焦深(DOF)随数值孔径的增加而减少，这是不利的，因为，例如，就要构造的基底的最大可获得的平面性和机械公差而言，期望至少1微米量级的焦深。因此，已经开发了工作在中间数值孔径且利用来自极紫外(EUV)频谱域的短波长电磁辐射而大大提高分辨力的系统。在采用13.5nm工作波长的EUV光刻的情况中，理论上，对于NA＝0.1的数值孔径，在1μm的典型焦深可以获得0.1μm量级的分辨率。
众所周知，由于在较长波长为透明的已知光学材料吸收所涉及的短波长辐射，所以利用折射光学元件不能聚焦极紫外频谱域中的辐射。因此，在EUV光刻中采用具有几个凹和/或凸曲面镜的单纯的镜系统(反射光学系统)。所利用的反射涂层是典型的多层涂层，例如钼和硅的交替层。
在美国专利5,973,826中公开了具有四镜的用于EUV光刻的反射投射物镜，四镜中的每一个都具有均匀厚层的反射涂层。
在美国专利5,153,898中示出另一个EUV光刻系统。该系统具有最多5个镜，其中的至少一个具有非球面反射表面。阐述了适用于EUV中的多层反射涂层的材料的多样组合，它们的层(膜)均具有均匀的厚度。
尽管在其中入射到所利用的镜的那些区域上的辐射的入射角θ变化的光学系统的情况中，具有相同厚度的反射涂层相对简单地布置，但由于它们的层厚最佳用于特定选择的入射角或仅入射角的窄范围，它们通常产生高的反射损失。
US 6,014,252公开了已经配置为通过提高光学元件反射率来提高辐射通过量的EUV光刻的光学系统。光学元件已经配置为辐射光束入射角尽可能垂直。入射角可接受的范围也已经被最小化以保持均匀的反射率和减少对于渐变涂层的需要，从而相同厚度的多层可以用于所有镜。
US 5,911,858公开了具有多个镜的反射EUV成像系统，该镜具有渐变反射涂层，其特征在于所述多个渐变反射涂层关于整体系统的光轴旋转对称的膜厚梯度。采用渐变反射涂层允许实现在入射角的特定范围上的反射强度的更均匀分布。
US 6,927,901公开了在物平面和像平面之间具有几个成像镜的EUV投射物镜，该成像镜限定投射物镜的光轴并具有反射涂层。那些镜中的至少一个包括具有关于涂层为轴旋转对称的膜厚梯度的渐变反射涂层，其中涂层的轴关于投射物镜的光轴偏心布置。提供至少一个偏心、渐变、反射涂层使得可以设计允许结合有高的总透过率的高均匀场照明的投射物镜。
US 2006/0076516 A1公开了用于EUV光刻中的光学系统的反射光学元件。反射光学元件具有反射涂层，该反射涂层由具有多个层的多层结构形成。为了减少表面污染的负面影响并减少反射表面的退化，采用覆层系统的厚度的空间分布的预定选择，以使覆层系统中的至少一层具有不等于零的梯度。
US 2003/0081722 A1公开了用于校正从例如在用于EUV光刻的光学系统中使用的多层而反射的辐射的波差的方法。通过将一层或多层分别添加到镜的多层膜表面和/或从镜的多层膜表面移除来校正波差。
在半导体部件及其他精细结构化部件的制作中，要成像到基底上的来自掩模的图案通常由代表要产生的部件的特定层的线以及其他结构单元来形成。对于半导体部件要产生的部件通常包括细小的金属轨线和硅轨线以及其他结构元素，这可以由临界尺寸(CD)来表征，在EUV光刻的情况中，临界尺寸可以为100nm以下的量级。当在掩模的不同部分上掩模的图案包括具有给定临界尺寸的结构特征时，期望在结构化基底中尽可能精确重现相对尺寸。但是，光刻工艺中所涉及的各种影响可能导致结构化基底中不期望的临界尺寸的变化(CD变化)，其可能消极地影响结构化部件的性能。因此，通常期望改进光刻设备和工艺以最小化CD变化，尤其是在曝光场上的横向变化。
在许多应用中，图案的线性特征在不同方向延伸。据观察，在一定条件下，光刻工艺中所获得的对比度取决于结构方向，从而导致通常所说的水平-垂直差(H-V差)，这可能消极影响结构部件的性能。因此，期望改进光刻设备和工艺以最小化H-V差。
光刻设备或步进曝光机，采取两种不同的方法将掩模投射到基底上，即“步进重复”方法和“步进扫描”方法。在“步进重复”方法的情况中，利用在掩模母版上存在的整个图案依次曝光基底的大面积。因此，相关联的投射光学系统具有足够大以允许将整个掩模成像到基底上的像场。在每一次曝光后平移基底并重复曝光步骤。在其中优选“步进扫描”方法的情况中，通过可移动狭缝将掩模上的图案扫描到基底上，其中在平行方向以速率比率等于投射物镜放大率的速率同步平移掩模和狭缝。
发明内容
本发明的一个目的是提供可以在高数值孔径工作的、能够以临界尺寸的低水平变化来成像图案的EUV投射光学系统。
本发明的另一个目的是提供可以在高数值孔径工作的、能够以小的或低的对比度方向依赖性来成像图案的EUV投射光学系统。
本发明的另一个目的是提供可以在高数值孔径工作的、具有低水平的像方远心误差的EUV投射光学系统。
根据一种表述，作为本发明的这些和其他目的的解决方案，提供一种光学系统，其包括：多个元件，布置用于将波长λ的辐射从物面中的物场成像到像面中的像场；所述元件包括镜元件，该镜元件具有布置在辐射路径的由反射涂层形成的反射表面；所述镜元件中的至少一个具有在一个或多个位置偏离最佳拟合旋转对称反射表面约λ以上的非旋转对称反射表面；所述元件包括切趾校正元件，相对于不具有该切趾校正元件的光学系统，该切趾校正元件有效地校正该光学系统的出瞳中的空间强度分布。
根据本发明这方面的光学系统包括具有非旋转对称反射表面的至少一个镜元件，该非旋转对称反射表面在一个或多个位置偏离最佳拟合旋转对称反射表面约λ以上。在本申请中，根据该条件的具有反射表面的反射元件将表示为“自由表面”。在光学系统中使用至少一个自由表面提供了附加自由参数，用以就总透过率、场照明的均匀性和其他品质参数来优化光学系统。此外，可以成形和布置自由表面，以使对于光学系统的选择区域在每一反射表面上获得光线的相对小的局部入射角Θ和/或相对小的入射角范围ΔΘ和/或相对小的平均入射角Θavg，从而减少通常与较高入射角相关联的问题。
不同于球面镜或非球面镜，自由镜表面没有旋转对称轴。一般而言，自由表面偏离最佳拟合旋转对称表面(例如，球面或非球面)。例如，自由表面可以具有从最佳拟合球面约为λ以上的最大偏离。自由表面的定义和描述以及它们在EUV光刻和用于其他应用的光学系统中的使用可以从申请人的美国专利申请US 2007/0058269A1获得。该专利申请的公开内容通过引用的方式合并于此。
同时使用一个或多个自由表面对于总透过率是有利的，例如，已经发现自由表面由于没有旋转对称性而导致显著的场依赖切趾效应。在本申请的上下文中，术语“切趾”用于表征从以下事实中产生的效应：源自物面的一个且相同场点的不同光线可以由总透过率的不同值来表征，其表征光线在物面和像面之间传播时的辐射能量损失。由于在不同方向从物场点发出的不同光线通常以不同位置和不同入射角入射到光学系统内的各个镜上，并且每个镜通常对于入射到镜的不同位置和/或以不同入射角入射的光线有不同的反射率，所以对于每一条光线可能发生透过率的显著变化。如从选择的像场点(像场中的场点)所看到的，可以在光学系统的出瞳中可以通过给定的空间强度分布表征切趾。例如，不存在切趾时，出瞳中的空间强度分布对于选择的场点可以是均匀的。但是通常而言，对于每个场点，在出瞳中存在不均匀的强度分布。此外，通常而言，对于每个场点，出瞳中的空间强度分布变化，以使每一个像场点“观察到”出瞳中的不同空间强度分布。在本申请中，该效应表示为“场依赖切趾”。已经发现场依赖切趾可能对于不期望的CD变化有贡献。
根据本发明的上述方面，提供切趾校正元件，当与不具有切趾校正元件的相同光学系统相比，该切趾校正元件可以具体设计以减少出瞳中的空间强度分布的场依赖性。结果，可以获得例如与CD变化的产生有关的光学系统的改进光学性能和源自场依赖切趾的其他效应。
与不具有切趾校正元件的相同光学系统相比，该切趾校正元件可以被设计为有效增加光学系统的出瞳中的空间强度分布的对称性。
在一些实施例中，与不具有切趾校正元件的相同光学系统相比，切趾校正元件可以设计为有效地提高出瞳中强度分布的旋转对称性。通常而言，在出瞳中强度分布关于出瞳中心成旋转对称的情形，可以避免具有结构取向的结构对比度的变化。另一方面，强度分布从旋转对称的显著偏离可能导致或贡献于来自结构取向的结构对比度的显著依赖性。其通常表示为水平-垂直差(H-V差)。
当出瞳中心或出瞳中心附近的空间位置与低孔径光线相对应时，像空间中对应于最大孔径角的那些光线与出瞳外边缘或出瞳外边缘附近的位置相对应。那些光线对在给定像方数值孔径所获得的分辨率很关键。其可能有利于定义出瞳中的强度分布的旋转对称性，或者从该旋转对称性的偏离，特别是对于源自光瞳面的外边缘或该外边缘附近的边缘区域的光线。在一些实施例中，出瞳中的空间强度分布由切趾参数APO表征，依照下式，该切趾参数APO表示出瞳边缘区域中强度的归一化方位变化：
APO＝(IMAX-IMIN)/(IMAX+IMIN)
其中，IMAX为出瞳外边缘区域中的强度的最大值，和IMIN为出瞳外边缘区域中的强度的最小值，其通常在与比最大强度值不同的另一方位(周向)位置找到。显然，对于出瞳外边缘区域中的完全旋转对称强度分布，该切趾参数等于零，且偏离旋转对称性越大则该切趾参数越大。在优选实施例中，当与不具有切趾校正元件的相同光学系统相比时，切趾校正元件有效地减少出瞳边缘区域的强度的归一化方位变化。例如，上面定义的切趾参数APO可以减少了至少1％以上或至少5％以上。
在一些实施例中，当与不具有切趾校正元件的相同光学系统相比时，切趾校正元件可以设计为有效地将出瞳中的强度分布的强度中心朝向出瞳中心移动。当出瞳中的强度分布中心显著位于出瞳中心以外时，可能发生远心误差。远心误差继而可能导致具有离焦的像位置的移动，这通常是不期望的。当出瞳中的强度分布的中心位于出瞳中心或出瞳中心附近时，可以避免或最小化与像方远心误差相关联的问题。
在一些实施例中，当与不具有切趾校正元件的相同光学系统相比时，切趾校正元件可以设计为有效地增加出瞳中相对子午平面的强度分布的镜对称性。
在一些实施例中，当与不具有切趾校正元件的相同光学系统相比时，切趾校正元件可以设计为有效地减少场依赖切趾。通常而言，当光瞳切趾对全部场点大致相同(场不变光瞳切趾)时，诸如远心误差和取向依赖对比度的对应像差将对全部场点大致相同。在那些情况中，可以通过光学系统中的改变来补偿那些像差。例如，当远心误差对于全部场点大致相同时，这样的误差可以通过倾斜入射到物场的照明辐射来补偿。另一方面，当切趾在场上显著变化时，可能产生显著的CD变化总量，这是很难补偿的。
在一些实施例中，已经发现，现在可以利用出瞳中的强度分布的旋转对称性的改进获得镜对称性和/或强度中心位置的改进。
切趾校正元件可以是除镜元件外又提供的滤波元件，该滤波元件在滤波元件的利用区域上具有透过率的空间变化分布。滤波元件可以包括在工作波长λ具有显著吸收的至少一个吸收材料层。该层可以具有在利用区域上变化的几何厚度，以使获得透过率和/或反射的空间变化。
在一些实施例中，切趾校正元件是具有反射表面的镜元件，该反射表面由设计为包括不同材料的多层叠层的非旋转对称、渐变涂层形成。多层中的至少一层具有在涂层的第一方向上依照第一渐变方程变化且在垂直于第一方向的第二方向上根据不同于第一渐变方程的第二渐变方程变化的几何层厚。
在本申请中，在反射表面上提供非旋转对称反射的非旋转对称、渐变反射涂层也将称作“自由形状涂层”。
在一些实施例中，切趾校正元件为具有反射表面的镜元件，该反射表面由包括不同材料的多层叠层的反射涂层形成，该多层包括在背离镜基底的辐射入口侧上的帽层，其中帽层具有在反射表面上根据非旋转对称渐变方程变化的几何层厚。
通常而言，诸如那些在极紫外波长范围内用作镜的多层系统可能在空气中存储期间或长期工作期间遭到污染或氧化。已经知道，在这样的多层系统的辐射入口侧上为其提供保护层以提高那些多层系统的寿命和反射率稳定性。这里，这里使用的术语“帽层”可以指代这样的保护层或多层。帽层例如可以由钌、氧化铝、碳化硅、碳化钼、碳、氮化钛或二氧化钛制成。可选地，钌、氧化铝、氮化钛或二氧化钛和其他物质的混合物、合金或化合物可以被用来形成帽层。US 6,656,575 B2公开了具有保护帽层的多层系统的示例和其生产方法，其通过引用合并于此。
例如，帽层的几何层厚可以在涂层的第一方向上根据第一渐变方程变化而在垂直于该第一方向的第二方向上根据不同于该第一渐变方程的第二渐变方程变化。
在一些实施例中，帽层的几何厚度在第一方向上从帽层中心区域中的原点朝向镜的边缘略微增加，而在第二方向上原点和边缘区域之间的增量显著更大。考虑帽层材料的强度滤波效应，可能在第二方向上在外边缘附近获得强的吸收效应而在第一方向上在外边缘获得显著更小的吸收。
在一些实施例中，帽层的层厚在中心区内大致均匀，所述中心区围绕原点，至少上至与对应于第一子孔径的区域的外边缘相应的径向坐标，第一子孔径对应于中心场点，且在所述中心区外，所述帽层的层厚在所述第一方向上略微增加并在所述第二方向上较强增加。如果帽层的层厚的空间分布通常依照本教导来设计，切趾校正元件则对源自物场中心的光线具有很少或不具有切趾变化效应，但对于源自物场边缘附近或物场边缘的光线，切趾可以以目标方式变化，由此可能减少切趾的场依赖性。
在一些实施例中，反射涂层包括布置在帽层和镜基底之间的多个中间层，其中多个中间层中的每个都具有均匀的层厚。中间层可以例如包括钼-硅双层叠层。
当仅帽层的几何厚度变化时，基本上不产生附加的干涉效应(如果多层叠层的其他层的几何厚度将在空间上变化时可能引入该干涉效应)。因此，解决帽层的几何厚度的变化的相位校正可能相对简单。
在一些实施例中，帽层的材料对波长λ的辐射有显著吸收率并对所用波长具有为1或接近1的相应折射率。在这些条件下，帽层对反射辐射的位相具有很少影响或没有影响，从而使得容易校正成像误差。
在一些实施例中，帽层的材料对波长λ的辐射具有吸收率，该吸收率大于中间层材料中的每一个的吸收率。帽层材料的吸收率大于硅的吸收率且/或大于钼的吸收率。吸收率差可以例如是10％以上(或20％以上、或30％以上、或50％以上)。
在一些实施例中，切趾校正元件具有由包括不同材料层的多层叠层的反射涂层形成的反射表面，该层形成双层叠层，其中双层包括具有第一折射率的第一材料(例如Si)的(相对厚)第一层和具有低于第一折射率的第二折射率的第二材料(例如Mo)的(相对薄)第二层，其中，至少一个双层的第一层和第二层的几何厚度之间的厚度比在第一方向上根据第一渐变方程变化而在垂直于该第一方向的第二方向上根据不同于该第一渐变方程的第二渐变方程变化。
在一些实施例中，切趾校正元件包括在帽层辐射入口侧上布置在帽层上的至少一个滤波层，其中该滤波层由对波长λ的辐射进行吸收并具有空间上变化的几何厚度的滤波层材料制成。滤波层下且包括帽层的层系统可以以传统工艺形成，而滤波层可以根据关于不具有滤波层的光学设计所估计的数据在独立的制作步骤中添加。由此可以维持工艺可靠性。
滤波层材料可以在波长λ具有比帽层材料大的吸收率。在该情况中，滤波层的几何厚度的较小变化足以获得切趾校正元件的反射率变化的相同程度。
可选地，滤波层材料可以在波长λ具有比帽层材料小的吸收率。在该情况中，滤波层的绝对层厚可以相对厚，且通过滤波层的几何层厚的适当变化可以高精度地获得该滤波层上的总吸收效应的期望变化。当使用相对厚滤波层时，期望使用具有1或接近1的折射率的材料以避免滤波层对反射辐射的相位的负效应。
可选地，滤波层材料可以在波长λ具有与帽层材料相同的吸收率。滤波层可以由帽层材料制成，从而允许形成具有空间上变化的几何层厚的帽层。
滤波层可以由钌、氧化铝、碳化硅、碳化钼、碳、氮化钛或二氧化钛制成或者滤波层可以是钌、氧化铝、氮化钛或二氧化钛和其他物质的混合物、合金或化合物。
切趾校正元件可以布置沿辐射光束路径的物面和像面之间的多个位置。
在一些实施例中，切趾校正元件布置在光学上远离光学系统的光瞳面。当切趾元件布置在足够远离光瞳面的位置时，通常可以彼此不同地影响不同场点，以使切趾的场依赖变化可以被校正或被减少。切趾校正元件可以布置在满足条件P(M)＜1的位置，其中：
P(M)＝D(SA)/(D(SA)+D(CR))，
其中，D(SA)是在相应表面M上的源自物面中的场点的光束的子孔径的直径；和D(CR)是在该表面M上的在光学系统参考平面中所测量的通过光学系统成像的有效物场的主光线的最大距离。参考平面可以是光学系统的对称平面。在具有子午平面的系统中，参考平面可以是子午平面。由于子孔径的直径在场面接近零，在场面中参数P(M)＝0。相反，在光瞳面中，主光线的最大距离D(CR)接近零。因此，对于正好在光瞳面上的位置，条件P(M)＝1满足。在一些实施例中，对于光学上远离光瞳面的位置，满足条件P(M)＜0.99。
在一些实施例中，切趾校正元件在光学上位于光学系统的光瞳面和场面之间的中间区域中。在那些实施例中，如果期望影响切趾的场依赖变化，切趾校正元件则既不正好位于光瞳面中也不正好位于场面中，例如诸如中间像，但位于足够远离光瞳面和场面两者的位置。正好位于光瞳面的切趾校正元件不能够彼此不同地影响不同的场点。另一方面，如果切趾校正元件位于场面或非常靠近场面，则不能显著影响光瞳面内的强度的空间分布。
在一些实施例中，切趾校正元件位于满足条件0.99＞P(M)＞0.95的位置。在该条件下，切趾校正元件既不非常靠近光瞳面也不非常靠近场面。因此，源自不同场点的光束的子孔径在切趾校正元件的位置不完全交叠，从而使得切趾校正元件能够有区别地影响不同场点的切趾。此外，切趾校正元件足够远离场面，以使切趾校正元件上的特定位置的反射率变化将对出瞳的不同位置有不同的影响，从而可以改变出瞳中的空间强度分布。
通常而言，取决于光瞳切趾的场依赖性是否显著或者光瞳切趾的场依赖性的特定程度是否可被接受来选择切趾校正元件的适当位置。
在一些实施例中，切趾校正元件光学上位于场面附近，诸如物面或像面或可选择的中间像面，例如0＜P(M)≤0.93。当切趾校正元件位于场面处或光学上位于场面附近时，可以校正场上的临界尺寸(CD变化)的变化和/或提高场均匀性，即在像场上获得更均匀的强度分布。
例如，当存在小的或基本上不存在光瞳切趾的场依赖性时，切趾校正元件可以位于光学系统的光瞳面或光学上靠近光学系统的光瞳面，例如0.98＜P(M)≤1。当切趾校正元件位于光瞳面或非常靠近光瞳面，可以校正对远心误差的场不变贡献和/或依赖结构取向的对比度变化(H-V差)。
前述和其他的特征不仅在权利要求中而在说明书和附图中能够看到，其中，单个特征可以或者单独使用或者以作为本发明的实施例的子组合和在其他领域中使用，并可以独立地代表优点和可专利性实施例。
附图说明
图1是微光刻工具的实施例的示意图。
图2是示出图1所示的微光刻工具的一部分的示意图。
图3是以子午截面示出的投射物镜的第一实施例的横截面示图。
图4是说明光瞳面附近和场面附近的镜的情况的示意图。
图5是以子午截面示出来自投射物镜的镜的一部分的横截面示图。
图6示出在不具有切趾校正元件的参考系统中对于中心场点的投射物镜的圆形出瞳中的空间强度分布的示意绘图。
图7示出在不具有切趾校正元件的参考系统中对于在x方向的矩形像场的边缘处的场点的投射物镜的圆形出瞳中的空间强度分布的示意绘图。
图8示出了图3中的镜M5上的平均入射角的空间分布的示意图。
图9示出了具有帽层的EUV反射镜使用的材料的吸收系数k(图9A)和折射率(图9B)的图示。
图10示出了镜上的局部镜坐标系统LMCS的示意图。
图11示出渐变涂层的示意图，其中各个层的几何层厚依照图11A中的抛物线函数及根据图11B中的线性渐变函数(倾斜涂层)变化。
图12示意性地示出第二镜M2上的足印(footprint)，该第二镜M2在x方向的外边缘具有无反射的边缘区域ER。
图13和14示出了当在第二镜M2上使用基本上根据图12的反射涂层时，对于中心场点FP1(图13)和边缘场点FP2(图14)的光瞳中的空间强度分布。
图15示意性地示出了对应于中心场点的子孔径SA-FP1和对应于边缘场点的子孔径的SA-FP2在镜M2上的位置。
图16示意性地示出了图16A中的镜M2上的y方向(图16B)和x方向(图16C)中的帽层的几何层厚的变化。
图17A、B、C示意性地示出对于位于矩形像场x方向的外边缘处的三个不同像场点FP2、FP3、FP4，通过切趾校正元件对出瞳中的强度空间分布的强度滤波的光学效应。
具体实施方式
现在利用折反射投射物镜作为示例更具体地描述本发明的实施例的具体方面，该折反射投射物镜可以用在例如用于制作半导体器件的投射曝光装置的微光刻设备中。
参照图1，微光刻设备100通常包括光源110、照明系统120、投射物镜101、和台130。示出笛卡尔坐标系用于参照。光源110产生波长为λ的辐射并将辐射光束112引入到照明系统120。照明系统与辐射相互作用(例如扩展和均匀化)并将辐射光束122引入到位于物平面103中的掩模母版140。投射物镜101将从掩模母版140反射的辐射142成像到位于像平面102的基底150的表面上。投射物镜101的像方的辐射描述为光线152。如图1所示，光线仅是示意性的且不用于精确描述例如关于掩模母版140的辐射路径。基底150由台130支撑，该台130相对于投射物镜101移动基底150，以使投射物镜101将掩模母版140成像到基底150的不同部分。
投射物镜101包括参考轴105。在投射物镜关于子午截面对称的实施例中，参考轴105垂直于物平面103并位于子午截面内。
光源110被选择以提供在工具100的期望工作波长λ的辐射。对于设计用于光刻工具中工作的投射物镜，波长λ通常在电磁频谱的紫外部分、深紫外部分或极紫外部分中。例如，λ可以约为200nm或更小。λ可以大于大约2nm。在该实施例中，光源110为提供λ约为13.5nm的工作波长的辐射的EUV光源。
照明系统120包括所布置的形成具有均匀强度分布的准直辐射光束的光学部件。照明系统120通常还包括光束转向光学系统以将光束122引导到掩模母版140。在一些实施例中，照明系统120还包括为辐射光束提供期望的偏振分布的部件。
像平面103与物平面102相距距离L，该距离也称作投射物镜101的长度尺寸或轨迹长度。通常而言，该距离取决于投射物镜101的具体设计和工具100的工作波长。在一些实施例中，诸如在设计用于EUV光刻的工具中，L的范围在大约1m到大约3m。
如图2所示，光线152定义光束路径圆锥体，该光束路径圆锥体在像平面102形成掩模母版的像。光线圆锥体的角度与投射物镜101的像方数值孔径(NA)相关联。像方NA能够表示为NA＝n0sinθmax，其中n0表示邻近基底150的表面的介质(例如，空气、氮、水或其他浸没液，或真空环境)的折射率，且θmax是来自投射物镜101的形成图像的光线的最大圆锥半角。
投射物镜101通常能够具有约0.1以上，例如约0.15以上、约0.2以上、约0.25以上、约0.3以上、约0.35以上的像方NA。像方数值孔径变得越大，与光瞳切趾相关联的问题通常将越难以补偿。
投射物镜101中的镜的数量可以变化。典型地，镜的数量与物镜的光学性能特征所关联的各种性能平衡有关，诸如期望的产量(例如，在像平面102形成像的来自物的辐射强度)、期望的像方NA和有关的像分辨率以及期望的最大光瞳遮拦(仅在具有光瞳遮拦的系统中)。
EUV应用的实施例通常具有三个或至少四个镜。在某些情况中可以优选正好6个镜。通常使用不多于6个、或不多于7个、或不多于8个镜。在期望物镜的全部镜位于物平面和像平面之间的实施例中，物镜101将通常具有偶数个镜。在特定实施例中，在投射物镜的全部镜位于物平面和像平面之间时，可以使用奇数个镜。例如，当一个或多个镜倾斜相对大的角度时，投射物镜可以包括奇数个镜，其中全部镜位于物平面和像平面之间。
投射物镜101中的至少一个镜具有自由表面。不同于球面镜和非球面镜，自由形状镜表面不具有旋转对称轴。自由表面通常偏离最佳拟合旋转对称表面(例如，球面或非球面)。通过首先计算镜表面的表面面积然后利用最小二乘拟合算法确定到球面或非球面的表面的最佳拟合来计算最佳拟合表面。最佳拟合球面或非球面可以关于参考轴倾斜或偏心，其中偏心和倾斜用作附加拟合参数。自由表面例如可以具有约为λ或更大的从最佳拟合球面的最大偏离。自由表面的更通常性描述和其表征特征可以从申请人的美国申请公开2007/0058269A1中获得，其通过引用合并与此。
在特定实施例中，自由形状镜表面可以通过以下等式在数学上描述：
Z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ j = 2 α C j X m Y n - - - ( 1 )
其中
j = ( m + n ) 2 + m + 3 n 2 + 1 - - - ( 2 )
以及Z是平行于Z轴的表面垂度(sag)(Z轴可以平行于或不平行于投射物镜101的z轴)，c为相应于顶点曲率的常数，k是二次曲面系数和Cj是单项式Xm的系数，参数α为表示在求和中考虑的项的次数的整数。例如，值α＝66对应于包括第10次的和。通常，基于与投射物镜101有关的多个镜的期望光学特征来确定c、k和Cj的值。此外，单项式的次数m+n能够按期望变化。较高次的单项式通常能提供具有较高像差校正水平的投射物镜的设计，但是，较高次的单项式通常在计算上花费更多来确定。在某些实施例中，m+n为10或更大(例如，15或更大、20或更大)。
可以利用商业上可用的光学设计软件来确定自由镜方程的参数。在某些实施例中，m+n小于10(例如，9或更小、8或更小、7或更小、6或更小、6或更小、4或更小、3或更小)。
在图3中示出包括6镜的参考投射物镜。具体地，投射物镜300包括六个自由形状镜310、320、330、340、350和360。在表3和3A给出投射物镜300的数据。表3给出光学数据，而表3A给出每个镜表面的自由形状常数。就表3和表3A的目的而言，镜标识的关联如下：镜1(M1)相应于镜310；镜2(M2)相应于镜320；镜3(M3)相应于镜330；镜4(M4)相应于镜340；镜5(M5)相应于镜350；和镜6(M6)相应于镜360。表3和后续表格中的“厚度”指的是辐射路径中相邻元件之间的距离。表3A中给出自由形状镜的单项式系数Cj以及镜从初始投射物镜曲率偏心和旋转的量。半径R是顶点曲率c的倒数。偏心以mm给出而旋转以角度给出。单项式系数的单位是mm-j+1。N半径是无量纲比例因数(参考例如Optical ResearchAssociates的
Figure GPA00001105946700133
的操作手册)。
表3、3A
  表面   半径      厚度   模式
  物镜1镜2镜3镜4镜5镜6像   无限大    780,487-651,370  -538,725-458,973  954,889-1713,884 -788,8331822,447  1037,281300,696   -306,280406,556   351,325无限大    0,000 REFLREFLREFLREFLREFLREFL
Figure GPA00001105946700141
图3中，在子午截面中示出投射物镜300。子午平面是投射物镜300的对称平面。关于子午平面的对称性就如镜仅关于y轴偏心和关于x轴倾斜。此外，具有x坐标的奇数幂(例如，x、x3、x5等)的自由形状镜的系数为零。
投射物镜300配置为利用13.5nm辐射来工作并具有0.35的像方NA和1490mm的轨迹长度L。成像辐射的光学路径长度为4758mm。因此，光学路径长度与轨迹长度的比近似为3.19。投射物镜具有4X的缩小率、小于2nm的最大畸变、0.030λ的波前误差WRMS、和30nm的场曲。在投射物镜101的如下讨论中给出投射物镜300的附加特性。
自物平面103的辐射路径中的第一镜(凹镜310)具有正光焦度。镜330、340和360也是凹P镜。凸镜320和350具有(N)负光焦度。因此，投射物镜300的辐射路径中的镜序列为PNPPNP。
就投射物镜300中的多个镜而言，每个镜的自由表面从最佳拟合球面的最大偏离显著大于1微米。
投射物镜300将来自物平面103的辐射成像为在镜360附近的位置305的中间像。具有一个或多个中间像的实施例还包括一个或多个光瞳平面。在某些实施例中，这些光瞳平面中的至少一个物理上可达到，为了基本在光瞳平面放置孔径光阑的目的。孔径光阑用于限定投射物镜孔径的尺寸。
投射物镜100中的每个镜还可以分别通过限定镜沿辐射路径的位置的参数来表征，该位置就相邻状态或距场面或光瞳面的距离而言。参考示出投射物镜的镜M1、M2、M3的示意图4。考虑物面OS中的场点FP1。具有与物方数值孔径成比例的开度角的光束RB1(辐射锥)源自物场点FP1。随距物面(相应于场面)的光学距离增加，这样的光束的直径增加。当光束入射到光学表面上时，光束可以由光束的“子孔径”表征，其中子孔径是被投射到x-y平面上的光锥照明的光学面的面积。而在物面上横向偏离的不同场点FP1和FP2的子孔径在场面附近区域中横向分开，不同场点的子孔径在光瞳面中完全交叠。在场面中，子孔径的直径D(SA)为零，但在光瞳平面中，相应于不同场点的子孔径的直径基本相等，且子孔径完全交叠。
现在，考虑如图4所示的物面中的有效物场OF的子午截面。有效物场包括实际用于成像过程的多个场点。在扫描系统中，例如，有效物场可以为矩形或弓形，该矩形或弓形具有宽度(x-方向上)和高度(在扫描方向上即y方向上测量的)之间的高纵横比。子午平面的有效物场的直径相应于主光线在物面中的最大距离D(CR)。图4中用虚线画出相应于场点FP1和FP2的主光线CR1和CR2(在本质上关于物方远心的光学系统中，主光线名义上与物平面正交)。随着主光线传播通过光学系统，主光线之间的距离D(CR)最终在场面和后续光瞳面之间减少。光瞳面PS的光学位置可以定义为主光线CR1和CR2交叉的位置。因此，主光线之间的距离D(CR)在光瞳面附近近似为零且在光瞳面满足条件D(CR)＝0。基于这些考虑，可以定义参数P(M)：＝D(SA)/(D(SA)+D(CR))用来分别表征光学表面M的光学相邻状态或距场面或光瞳面的距离。具体地，如光学表面正好位于场面中，则D(SA)＝0，从而P(M)＝0。另一方面，如光学表面M正好位于光瞳面中，则D(CR)＝0，从而P(M)＝1。
表3B中，对于投射物镜300中的每个镜给出参数D(SA)、D(CR)和P(M)。
表3B
镜#              D(CR)D(SA)[mm]  [mm] P(M)
  123456   133,866    14,16957,437     0,612252,144    19,443185,001    18,22269,698     1,238236,567    1,985   0,9040,9890,9280,9100,9830,992
在图3的实施例中，镜350(M5，几何上最邻近像面，P(M)＝0.983)光学上在光瞳面附近。此外，几何上最邻近物面的镜320(M2)(P(M)＝0.989)和镜360(M6)(P(M)＝0.992)光学上在光瞳面附近，相对比，镜310(M1)、330(M3)和340(M4)(均P(M)＜0.93)光学上在场面附近。
当期望校正光瞳切趾的场变化的特定量时，切趾校正元件可以不精确位于光瞳位置(P(M)＝1的位置)，而是位于距此一距离处(P(M)＜1的位置)，以使源自不同场点的光束的子孔径在切趾校正元件的位置不完全不交叠。由于镜1至6中没有一个镜正好位于光瞳面中，所以可以在镜1至6中的每一个上形成切趾校正元件。当期望时，可以设计两个或多个镜来结合产生期望的切趾校正效应。
通常而言，由镜反射的λ的辐射百分比根据镜表面上辐射的入射角变化。因为成像辐射沿多个不同路径传播通过折反射投射物镜，每个镜上的辐射入射角可以变化。参照图5示出该效应，图5在子午截面中示出包括凹反射表面501的镜500的一部分。成像辐射沿多个不同路径入射到表面501上，包括由光线510、520和530所示的路径。光线510、520和530入射到表面法线不同的表面501的各部分上。分别相应于光线510、520和530，用线511、521和531示出这些部分的表面法线的方向。光线510、520和530分别以角度θ510、θ520和θ530入射到表面501上。角θ510、θ520和θ530通常可以改变。
对于投射物镜101中的每个镜，成像辐射的入射角可以用多种方式来表征。
一种表征是流经投射物镜100的子午截面的光线在镜上的最大入射角θmax。另一种表征是流经投射物镜100的子午截面的光线在每个镜上的最小入射角θmin。
投射物镜100中的每个镜也可以用投射物镜的子午截面中的光线的入射角的最大差来表征，其中最大差Δθ相应于θmax和θmin之间的差。
投射物镜100中的每个镜也可以用相应于投射物镜的中心场点的主光线在相应镜上的入射角来表征。该入射角还将表示为主光线入射角θCR。
表3C总结了上面所提到的关于投射物镜300的所有镜的值。
表3C
  镜   θCR[°]   θmax[°]   Δθ[°]
  M1   3.69   4.27   1.23
  M2   10.09   10.85   3.23
  M3   6.48   7.56   3.70
  M4   10.00   14.22   10.16
  M5   13.73   24.09   23.41
  M6   7.14   8.77   3.89
该实施例包括不具有旋转对称性的多个反射自由表面。已经发现存在像场上的切趾的显著变化。图6和7中演示了切趾特征。图6和7给出对于两个不同像场点FP1、FP2，投射物镜的圆形出瞳中的空间强度分布的示意图。图6绘出对于在y轴上位于矩形像场IF的中心的场点FP1的分布，y轴是投射物镜的对称轴，图7绘出矩形像场边缘的场点FP2的分布。与不同等高线相关联的数字表示各个光瞳位置的强度水平作为在投射物镜的入口(在物面)的强度的分数。
相应于中心场点FP1的光瞳分布表现出相对弱的切趾，该切趾在出瞳的较下部分中具有最大值0.092且朝向上边缘具有到最小值约0.082的减少强度。强度分布本质上关于子午平面成镜对称，该子午平面形成投射物镜的对称平面。另一方面，相应于边缘场点FP2的光瞳的切趾量较大，范围从光瞳中心附近的约0.088到光瞳左边缘处的0.060。此外，强度分布不对称。图6和7的比较示出，光瞳切趾在垂直于矩形场的扫描方向(y方向)取向的扫描-交叉方向(cross-scan direction)(x方向)上在场上有相对大的变化。
从成像观点看，期望光瞳面的强度的对称分布。其例如可以避免取决于结构方向的对比度差(H-V差)，当出瞳中的强度分布大致上为旋转对称时。
可以用多种方式描述出瞳中的强度分布的对称水平。例如，可以用泽尼克(Zernike)多项式
Figure GPA00001105946700181
描述空间强度分布，泽尼克多项式
Figure GPA00001105946700182
用由极坐标
Figure GPA00001105946700183
描述的单位圆形成完全正交函数系统。泽尼克多项式可以再划分成旋转对称多项式和非旋转对称多项式。从而，可以用非旋转泽尼克多项式的均方根(rms)值描述圆形出瞳中的从完全旋转对称的偏离，在理想旋转对称分布中该rms值为零且当期望旋转对称性时该rms值应当尽可能小。就这方面而言，具有有效增加旋转对称性的切趾校正元件的实施例可以通过如下事实来洞悉：当将切趾校正元件引入光学系统中时，非旋转对称泽尼克多项式的rms值减少。
描述和量化出瞳的旋转对称性的另一种方式是考虑方位角(周向)方向上的出瞳外边缘(相应于最大孔径光线)的局部强度分布。出瞳外边缘或其附近的光瞳坐标相应于以最大孔径角入射到像面上的光线。那些光线通常定义在所使用的像方数值孔径下光学系统的分辨率极限。如果出瞳的局部强度对于出瞳的外边缘或其附近的所有位置约为相同，则那些光线对图像形成具有可相比拟的强度贡献。另一方面，当出瞳外边缘的强度在周向(方位角)的方向上显著变化时，可能发生临界尺寸的显著变化。可以定义切趾参数APO，依照下式表征方位角方向上的出瞳边缘区域中的强度的归一化方位变化：
APO＝(IMAX-IMIN)/(IMAX+IMIN)
在该等式中，IMAX为出瞳外边缘区域中的最大强度，和IMIN为该外边缘区域中的强度的最小值，从而切趾参数APO的非零值表示对于源自出瞳外边缘区域的临界光线，从理想旋转对称性的偏离。
图7所示的相应于边缘场点FP2的空间强度分布可以通过出瞳的最左边缘(x方向上)的最小值IMIN＝0.47和右下边缘的最大值IMAX＝0.90来描述，从而APO＝0.314(注意，图7中的等高线和其他相应的图表示半量化的强度分布，然而上面给出的分析是基于对于光学系统所计算的真实值进行的)。下面将演示通过提供适当的切趾校正元件，特别地可以在出瞳外边缘获得旋转对称性的提高。
每一个反射镜对光瞳切趾的贡献分析表明，对场依赖切趾的相对大的贡献源自镜350(M5，)该镜几何上最靠近像面，光学上在光瞳面附近。从上面的表3C可以看到，子午截面中主光线入射角θCR以及最大入射角和子午截面中光线的最大差Δθ对镜350(镜M5)具有相对最大值。
镜350(M5)位于光瞳面的相对附近(P(M)＝0.983)。镜M5经历入射角的相对大的变化。这在图8中量化示出，图8示出图3中镜M5上的平均入射角θavg的空间分布的示意图。在图中，示出所利用的镜表面的通常椭圆形状以及连接具有相同的如每条等高线表示的平均入射角的位置的等高线。显然，平均入射角的分布关于子午平面MP对称。在下边缘获得平均入射角的最低值(θavg＜4°)，而在上边缘获得相对大的值(θavg＞20°)。平均入射角在镜的下边缘和上边缘之间在第一方向上(y-方向，位于子午平面MP中)基本上变化例如大于10°或大于15°。另一方面，在垂直于第一方向(即，垂直于子午平面)的第二方向上，存在平均入射角的相对小的变化。例如，在上边缘和下边缘之间的镜的中心区域中，平均入射角的绝对值例如在约12°和约16°之间并且变化不多于4°或3°。因此，在第一近似中，平均入射角在第一方向(y-方向，在子午平面MP中)上依照粗略线性方程剧烈地变化，而平均入射角本质上在与第一方向垂直的第二方向上不变。
如下将更具体解释的，具有平均入射角的特征变化的镜上所具体设计的渐变涂层可以应用于补偿入射角的变化对镜的反射率的某些负效应，以使镜可以仅有小的反射率变化，尽管在镜表面上的平均入射角的相对大的变化。具体地，如下将解释的，镜M5提供有非旋转对称涂层，该非旋转对称涂层设计为包括不同材料的层的多层叠层的一维渐变涂层，其中所述多层具有几何层厚，该几何层厚在涂层的(子午面中)第一方向上依照第一渐变函数变化而在垂直于第一方向的第二方向上基本上不变。在本申请中，该类型的涂层称作“线性倾斜涂层”。关于线性倾斜涂层的结构和优势，参照2006年12月4日提交的US临时专利申请号no.60/872503，其公开内容通过引用合并于此。
每个镜涂覆有包括不同材料层的多层叠层的反射涂层。这样的多层叠层能够包括大约20个以上，诸如30个以上、40个以上或50个以上的层。在该实施例中，钼和硅的多个交替层用于形成有效用于约10nm到约15nm范围内的、尤其在13nm与14nm之间的EUV辐射波长的反射涂层。
反射涂层对于以NA＝0.35的工作在13.5nm的EUV光刻系统来优化。利用表3D所示的涂层叠层(多层叠层)执行优化。
表3D
  材料   厚度[mm]  功能
  ASLayer(n＝0.99946，k＝0.0)   167.60  抗应力层(没有光学功能，不影响反射率，因为它远在上表面之下)
  SiMoSiMoMoSi   3.660.81.640.8  高反射率多层的双层结构，重复46次
  SiMoSiMoRu   3.730.81.441.5  最末层，与真空相接。保护层，钌
表3D示出从底表面(靠近基底)到上表面(与真空接触)的涂层叠层的层的次序。Si表示硅，而Mo表示钼。MoSi代表钼与硅之间的夹层，在实际的涂层叠层中，其为两个层之间相互扩散的结果。引入相互扩散层以获得从物理上而言更相关的模型。在计算中不考虑界面粗糙度。从表中明显的是，多层叠层包括相对厚的硅层和相对薄的钼层的双层结构，其在多层叠层中重复46次。抗应力层(ASL)位于双层结构和基底之间。抗应力层不具有光学功能，因为它距离对真空的界面远。其不影响反射率，但提高反射涂层的机械稳定性。
由钌制成的帽层被用在每个镜上。帽层为背离镜基底的反射涂层的辐射入口侧上的层。帽层与环境相邻，在装配的系统中，环境可以是真空而在镜的制作和存储期间环境可以是空气或其他气体。如从图9A明显的是，帽层材料钌在大约13nm和14nm之间的波长范围内具有大于0.013的消光系数k，其中在从大约13.4nm到13.6nm的波长通带的区域中，消光系数约为0.015以上。另一方面，形成帽层下的双层结构的钼和硅具有显著较小的吸收率，特征在于消光系数k＜0.008。如从9B所见，在相同的波长范围内钌的折射率通常约在0.9和0.88之间，该折射率显著小于相同波长范围内的钼的折射率(约在0.925和0.92之间)和硅的折射率(约在1.01和0.99之间)。
通过最大化光学系统的总透过率T来实现优化，如通过光线追迹所有场点的代表性样本并对全部这些光线取平均所获得的。该方式类似于对每个镜的空间反射率分布取平均。透过率频谱优化作为从13.36nm到13.64nm的带通上的积分值。
一个或多个镜可以具有均匀层厚的反射涂层。至少一个镜可以具有在镜表面的至少一个方向上具有由反射涂层的层厚的非零梯度表征的渐变涂层。
渐变涂层的层厚分布可以描述为几何(物理)层厚相对于镜表面上的局部位置(x，y)的变化。在每个位置处，可以沿表面法线(即，在相应位置垂直于镜表面的切线)测量层厚。实际(几何)的层厚d(x，y)接着可以描述为标称厚度d0和取决于位置的修正因子fac(x，y)的乘积。
在某些实施例中，多层叠层的多层的局部几何膜厚度d(x，y)依照下式从渐变方程偏离λ/100以下(或λ/1000以下)：
d(x，y)＝d0·max(0，fac(x，y))                    (3)
其中
fac(x，y)＝c0+cly·y+c2·r(x，y)2                 (4)
其中
Figure GPA00001105946700211
在反射表面的局部坐标系统中，y为第一方向上的坐标，x为第二方向上的坐标，d0是与垂直于x和y方向的反射表面正交的z方向上的测量的标称厚度。引入max()函数避免函数d(x，y)获得小于零的值。在fac(x，y)的这个多项式表达中，渐变分布可以理解为常数值(c0)和y方向上涂层的“倾斜”(相应于子午平面内该方向上层厚的线性变化)及旋转对称抛物项的叠加。因此，在根据线性渐变方程(倾斜涂层)的渐变中，项cly从0偏离且抛物常数c2＝0。在抛物涂层中，cly＝0且c2≠0。具有cly≠0且c2≠0的混合渐变涂层是可能的。
在设计用于反射EUV辐射的镜中，反射涂层通常由所谓双层的叠层形成，其中双层包括具有第一折射率的第一材料(诸如硅)的相对厚层和具有高于第一折射率的第二折射率的第二材料(诸如钼)的相对薄的第二层。通常而言，第一层和第二层的厚度之间的厚度比(y因子)在这样的双层中应当大致上保持不变，尽管在渐变涂层中双层的绝对厚度可以在镜表面上变化。在使用这样的双层的情况中，上述条件还适用于双层的几何厚度d(x，y)。
参数c0、cly和c2的绝对值可以根据光学系统的设计来变化。具体地，那些参数将根据投射物镜的数值孔径NA来变化，该数值孔径NA还确定经过光学系统的光线的入射角和有关特性。在一些实施例中，条件0.90≤c0≤1.2或条件0.95≤c0≤1.05适用，优选0.98≤c0≤1.02。在一些实施例中，参数cly的量可以为0.1以下，例如0.01以下。有时，条件0.001≤cly≤0.002适用。在一些实施例中，参数c2的绝对值为10-5以下，诸如10-6以下。参数c2的绝对值可以为10-8以上，诸如10-7以上。
这些值适用于标称厚度d0＝6.9nm并允许依照各个渐变方程计算渐变涂层的真实物理厚度。如果使用不同的标称厚度d0，则利用参数cx、cly和c2的值的不同组可以获得渐变涂层的相同物理厚度。因此，这些示范参数值也应当涵盖根据不同值的转变。
在镜的局部坐标系中定义修正因子fac(x，y)。局部坐标系的原点可以与光学系统的参考轴相一致或不一致，即，其可以关于参考轴居中或偏离中心。参考轴可以与光学系统的光轴相一致。但是，也可以利用不具有光轴的系统。
表3E表示对于每个镜，等式(4)的参数c0、cly和c2，根据该等式(4)计算多层叠层的单个层的几何层厚d(x，y)。此外，对于每个镜给出通过在整个镜上取平均而获得从13.26到13.64nm的带通内的最大反射率Rmax[％]。获得平均透过率TAVG＝7.33％和最大透过率TMAX＝8.86。
表3E
Figure GPA00001105946700221
鉴于系数cly代表指示y方向(第一方向，子午平面中)上层厚的增加或减少的线性项且参数c2代表抛物线项的事实，可以看出，镜M1、M2和M6的每一个都具有所有层为均匀厚度的反射涂层。相对比，镜M3、M4和M5的每一个都具有在子午方向上具有非均匀层厚的渐变反射涂层。具体地，镜M3和M4的每一个都具有为抛物线形状的旋转对称渐变涂层。光学上靠近光瞳面的镜M5具有一维上渐变的涂层，其中层厚根据系数cly沿第一方向(在子午截面中)线性增加，但沿垂直于第一方向(在图3中垂直于图画平面)的第二方向不变化。
在图10中，示出镜M上具有轴x’、y’和z’的局部镜坐标系LMCS的示意图。LMCS的原点在y方向上相对于参考轴RA偏离中心DEC并具有沿参考轴的距光学系统的坐标系CS的原点一距离D。
图11A示出基底SUB上的渐变反射涂层COAT的示意图，其中，多层叠层的单个层的几何层厚根据抛物线方程绕z’轴旋转对称变化。这样的抛物线涂层例如可以应用于镜M3和镜M4。
图11B示出依照线性渐变方程的一维渐变涂层COAT的示意图。这样的线性倾斜涂层的实施例应用于光瞳镜M5。
已经发现，诸如镜M5上形成的倾斜渐变涂层例如在提高总体透过率方面具有优势，倾斜渐变涂层趋于打破光学系统的旋转对称性，因此可以基本上对产生场依赖切趾作出贡献。
基于该分析，设计修正的投射物镜100，该投射物镜100包括有效地减少切趾的场依赖性的切趾校正元件。设计这样的切趾校正元件的方法可以包含以下步骤：
(步骤1)对于分布在像场上的多个场点，计算通过在光学系统出瞳的空间强度分布表示的光瞳切趾；
(步骤2)对于多个场点，计算每个镜元件上的子孔径，该多个场点包括在像场边缘附近或像场边缘的以及在像场中心附近或像场中心的多个场点；
(步骤3)从该多个镜中选择一个镜，在该镜，在场边缘附近或场边缘的有问题的场点的子孔径彼此相对布置，从而光瞳的要减少强度的表面不与其他场点的子孔径交叠。在存在那些“可自由接近”的子孔径的情形，出瞳中的强度分布可以通过改变子孔径面积中的镜元件的相对反射率来改变；
(步骤4)改变临界(critical)场子孔径的区域中的镜表面的反射率，从而增加出瞳中的空间强度分布的对称性。
对于很多应用，可能期望出瞳中的完全均匀的强度分布，其可以认为是高对称强度分布。在很多实际情况中，提高对称性足以使得强度分布和出瞳更旋转对称，如不具有切趾校正元件的情况。可以在某些情况中使用第一切趾校正元和至少一个第二切趾校正元件。例如，第一切趾校正元件可以被优化以最小化光瞳切趾的场变化，和与该第一切趾校正元件相适的第二切趾校正元件可以用于实现进一步的校正。例如，布置在非常靠近光瞳面或在光瞳面的切趾校正元件可以用于校正对光瞳切趾的贡献，该贡献在整个场上大致不变。因此，在实施例中，可以使用至少两个相互之间相适的切趾校正元件的结合。
从步骤3可知，用作影响切趾的场依赖性的切趾校正元件的镜元件可以不正好位于光瞳中，因为全部场点的子孔径在光瞳面中实质重叠。在很多情况中，要改变的反射镜也可以不恰好位于场面中或非常靠近场面，因为在该情形，光束的所有光线将入射到一个公共入射点，以使入射点位置处的反射率变化以相同方式影响出瞳中的全部位置，从而使得不可能改变光瞳的不同位置的相对强度水平。
分析揭示了镜320(镜M2)可以用于被改变，以使镜形成或包括切趾校正元件。如从表3C中可知，对于镜320，P(M)＝0.989，这表明镜在光瞳面附近且距光瞳面一足够的光学距离。
结合图6和图7所描述的场依赖切趾可以更总体地被描述，以使对于像场左右较短边缘附近或像场左右较短边缘的边缘场点而言，光瞳强度分布呈现显著非对称性，而在像场的中心以及通常沿对称平面的两侧的中心区域，切趾相对小。
可以选择改变为切趾校正元件的镜元件，以使临界边缘场点(示出光瞳切趾的显著非对称性)和其相对的非临界的接着的相邻点(靠近对称平面)对应于镜的外边缘的可自由接近的区域(即，具有很少或不具有相应子孔径重叠的区域)。
图12示意性地示出第二镜M2上的“足印”，其中镜的右边缘附近的相对窄的边缘区域ER(图12中经描黑的)已经标识为对应于就光瞳切趾而言关键的场点。如这里所使用的，术语“足印”表示实际用于反射辐射光束的镜上的区域。通常而言，镜的物理形状和大小大致相应于相应的足印，以使入射到镜上的全部光线实际上从镜反射。足印的形状可以描述为具有圆角边缘的矩形形状，其中y方向(扫描方向)上足印的直径Dy显著小于扫描-交叉方向(x方向)上的直径Dx。在该实施例中，足印的纵横比Dy/Dx约为0.55。考虑到辐射光束的横截面恰好在物面或像面中为具有高纵横比的矩形并且在光瞳面中大致为圆形，足印形状表明镜M2光学上在最靠近场面和光瞳面之间。
现在，为了示范的目的，靠近右边缘(图12中黑色所示)的窄边缘区域ER中的第二镜M2的局部反射率R减少到R＝0％(无反射)用以从量上示出局部反射率的改变是如何可以用于影响投射物镜的出瞳中的空间强度分布。图13和14示出对于中心场点FP1(图13)和边缘场点FP2(图14)的出瞳中的各自的空间强度分布。从图13和6的比较中显然的是，关于子午平面的强度分布的镜对称保持不变。但是，光瞳不同位置的强度总量略微减少，因为第二镜M2的右边缘的反射损失影响第二镜M2的上部分和下部分中的相应子孔径。相反，相应于图14所示的边缘场点FP2的光瞳的强度分布显著变化，当与图7的分布相比较时。具体地，无反射边缘区域ER的形状再现成C的形状的边缘区域，在光瞳的右边缘具有无透过率T＝0的强度水平。
从结合图12至14解释的效应中可知，如果改变选择的镜(不太靠近光瞳面)的反射率以影响投射物镜的出瞳中的强度分布，随像场中的位置的光瞳切趾的变化则可以以目标方式有效改变。
现在将结合图15至17解释包括由具有反射率的目标空间分布的镜元件形成的切趾校正元件的投射物镜的实施例。基本光学设计如关于图3中的参考系统所描述的，唯一的结构差异是镜M2的布局，其被优化以形成或包括切趾校正元件。
图15示意性地示出第二镜M2的照明区域上的两个选择的子孔径SA-FP1和SA-FP2的位置，其中该区域相应于相应的足印F2。镜上的子孔径是镜上由源自特定场点的光锥照明的区域。当光学表面恰好位于场面中时，全部相对应的子孔径近似为点且空间分离的场点的全部子孔径空间上彼此分离。另一方面，当光学表面位于光瞳面中时，通常可以为圆形的相应子孔径可能完全重叠。当镜位于距光瞳面一距离处时，在场面中彼此分离的不同场点的子孔径不完全重叠。在图15所示的实施例中，相应于中心场点的第一子孔径SA-FP1实质关于镜居中布置，而相应于x方向上场的边缘(相比较图7)处的边缘场点的第二子孔径SA-FP2在x方向上横向偏离第一子孔径。然而第一子孔径SA-FP1(实线)在x方向上不延展到足印F2的外边缘的边缘区域ER内，第二子孔径SA-FP2(粗虚线)延展到边缘区域ER内。
子孔径的空间分离表示可以操纵源自彼此分离且独立的不同场点的辐射锥，例如通过改变边缘区域ER内的镜的反射率，这可以通过适当的强度滤波元件来实现。如果期望独立操纵子孔径，滤波元件的滤波效应则不应延展到两足印SA-FP1和SA-FP2覆盖的交叉区域。而是，如果不期望对应于中心场点的强度分布变化，通过滤波元件等的强度操纵则应当位于对应于中心场点的第一子孔径SA-FP1外。在图15(比较图12)中用较小的虚线示出边缘区域ER中影响边缘场点的第二子孔径SA-FP2而不影响中心场点的第一子孔径的滤波区域FR的示例。
如结合图6和7所解释的，在参考系统中，对中心场点，仅呈现相对小量的不均匀切趾(图6)，但对边缘场点FP2有高的非对称光瞳切趾。作为总体趋势，已经发现沿x方向从中心场点FP1向边缘场点FP2增加切趾的非对称性。从该分析总结出，朝向出瞳中强度分布的增加的对称性的提高可以通过对强度进行滤波来实现，该强度滤波对应于在滤波元件的中心附近或中心具有很少或没有滤波作用的滤波方程，和在足印SA-FP1和SA-FP2交叠的区域中大致为零且在x方向上向边缘区域RE所在的外边缘明显增加的滤波效应。
图16A至16C的示意图被用于进一步描述设计为强度滤波器的切趾校正元件的实施例，该强度滤波器仅影响边缘场点的第二子孔径SA-FP2而不影响中心场点的第一子孔径SA-FP1。就此，图16A示出通常椭圆形状的第二镜M2，图16B示出通过z-y平面(子午平面)中镜的截面(y-切面)，在所述镜的原点O和y方向上的外边缘之间，以及图16C示出x方向上从原点到x方向的外边缘的截面(x-切面)，图15所示的边缘区域ER位于该外边缘。
如结合表3D所解释的，例如，第二镜M2上的反射涂层包括多层叠层MSL，该多层叠层MLS具有由多个双层形成的双层叠层BS，其中每个双层包括相对厚的硅层和相对薄的钼层。双层结构形成在插入到双层结构和基底之间的抗应力层(图16中未示出)上。由钌形成的帽层CL形成在双层叠层BS上并形成辐射入口侧上朝向环境的反射涂层的界面。在上面讨论的图3的参考示例中，帽层具有均匀厚度。帽层形成保护层用以保护双层叠层免受污染物等影响。此外，根据帽层的几何厚度和帽层材料的吸收系数k，帽层吸收特定量的辐射能量。显然，如果帽层的几何厚度在镜表面上变化，则可以获得帽层吸收效率的空间变化。
通常而言，帽层的几何层厚根据非旋转对称渐变方程变化。图16B中的广切面示意地示出子午平面中第一方向(y方向)上的厚度变化，该厚度变化可以用第一渐变方程描述。图16C示出第二方向(x方向，扫描-交叉方向)上的厚度变化，该厚度变化可以通过第二渐变方程描述。显然，第一渐变方程不同于第二渐变方程。在第一方向上，几何厚度从原点O朝向镜的边缘略微增加，而中心和边缘区域之间的增量在第二方向上显著大，以使在x轴上的边缘区域ER内获得比与x轴相垂直的方向上的更强的吸收。第一和第二渐变方程两者都是连续方程，该连续方程表示在自原点的不同径向方向中几何层厚连续分布(无厚度阶梯)。层厚通常是均匀的，或仅在中心区中有略微变化，所述中心区围绕原点，至少上至与对应于第一子孔径SA-FP1的区域的外边缘相应的径向坐标，第一子孔径SA-FP1相应于中心场点，从而源自该中心场点的全部光线“看到”近似相同的几何层厚，由此对于源自中心场点的光线而言，实现滤波作用的无明显变化。具有大致均匀帽层厚的中心区域在相应方向上可以延展为距原点的最大径向距离多于20％或多于50％或多于70％。中心区域外，相应于图15所示的边缘区域ER，帽层的层厚在y方向上略微增加而在x方向上锐利地增加。图16B和16C的图示未按比例。
帽层CL具有关于原点O成非旋转对称的几何厚度的空间变化。已经发现，有利地，依照下式利用x和y非旋转对称多项式描述帽层的几何层厚g(x，y)：
g(x，y)＝cly*y+b1x10+b2x8(y-y0)2+b3x6(y-y0)4           (5)
+b4x4(y-y0)6+b5x2(y-y0)8+b6(y-y0)10
可见，多项式不具有x坐标的奇数幂，这表明该方程关于子午平面(对应于yz平面)成镜对称。换句话说，镜的左半部分和右半部分关于子午平面MP彼此成镜对称。此外，多项式不包含y坐标的奇数幂，这表明要通过帽层的滤波作用实现的期望的强度衰减具有朝向镜的边缘的平稳变化而没有转折点。在所优化的以至少部分补偿第五镜M5上的倾斜涂层的影响的实施例中，镜M2的帽层的厚度分布可以利用以下系数描述：
cly＝7.33e-3      y0＝33.46
b1＝2.316e-17     b2＝3.976e-16
b3＝-1.61e-15     b4＝9.896e-15
b5＝-5.029e-15    b6＝3.209e-15
在该公式表示中，方程g(x，y)描述镜表面上帽层的层厚的空间变化，y0描述层相对于基底的局部坐标系原点O的偏心，以及系数cly和b1至b6相应于横向层厚变化的多项式描述的系数，其可以用作对于特定光学系统优化的自由参数。
在该实施例中，可以通过d0’＝d0*1.025描述原点O处帽层CL的层厚的绝对值，其中d0＝6.9nm为上述用于计算多层叠层MLS的层的真实物理厚度的实施例中所使用的标称厚度。被帽层CL覆盖的多层叠层MLS的厚度值与图3中所描述的参考示例相同。
现在将结合图17A、17B和17C解释通过由改变的镜M2形成的切趾校正元件对强度进行滤波的光学效应。类似于图6和图7，这些图演示切趾特征并呈现投射物镜的圆形出瞳中的空间强度分布的示意图。在该情况中，对于三个不同像场点FP2、FP3和FP4，示出该强度分布，每一个像场点位于x方向上的矩形像场的外边缘。FP2位于x轴上该边缘的中间(图17A)，FP3位于该边缘的上角(图17B)和FP4位于该边缘的下角(图17C)。
显然，当与不具有图7所示的校正的切趾相比较时，对应于这些边缘场点中的每一个的光瞳中的强度分布仅表现出相对弱的切趾。通常而言，强度值在大的中心区域中约为0.085±0.001的最小值和光瞳外边缘小于0.050的值之间变化。
值得注意的是，当与不具有切趾校正元件的相同投射物镜相比较时，就旋转对称性而言显著提高了光瞳切趾。
为了演示旋转对称性的提高，现在就包括切趾校正元件(比较图17A)的系统计算结合图7对于边缘场点FP2所计算的切趾参数APO。切趾校正是有效的，从而对于在出瞳边缘的所有坐标的强度最小值的左侧的光瞳边缘事实上没有局部强度的变化。最小强度值IMIN＝0.47变化不显著。但是在图7的分布中发现最大值的区域中，出瞳的边缘区域中的强度最大值IMAX被减少到出瞳右下边缘区域中的值IMAX＝0.83。相应的切趾参数为APO＝0.277，该参数小于不具有切趾滤波器的参考系统的切趾参数(APO＝0.314)约10％。因此，尤其在出瞳外边缘的旋转对称性通过切趾校正元件的效应而显著提高。
与不具有切趾校正元件的光学系统相比较，出瞳中基本旋转对称的强度分布允许利用不依赖于结构取向的大约相同的对比度成像具有不同取向的结构特征，从而可以减少H-V差。
此外，光瞳中强度分布的能量中心非常靠近光瞳的中心移动，从而提高像方远心性。
仅由多个镜组成的光学系统(反射系统)的实施例可以设计用于多个波长范围，例如约193nm以下的DUV波长(例如，利用ArF光源工作)。某些实施例设计用于2nm＜λ＜20nm和/或10nm＜λ＜15nm和/或13nm＜λ＜14nm的EUV波长。可用于微光刻投射曝光系统的实施例典型设计用以提供例如诸如小于1μm或小于0.5μm或小于100nm的高分辨率。
作为示例给出优选实施例的上述描述。从给出的公开内容，本领域的那些技术人员将不仅理解到本发明及其所附优势，还将获得所公开的结构和方法的明显的各种变化和改变。因此，试图涵盖落入本发明的精神和范围内的所有变化和改变，本发明的精神和范围由所附权利要求和其等价物限定。
通过引用将全部权利要求的内容结合到说明书中。

Claims (35)

1.一种光学系统，包括：
多个元件，布置用于将波长λ的辐射从物面中的物场成像到像面中的像场；
所述元件包括镜元件，该镜元件具有布置在辐射路径的由反射涂层形成的反射表面；
所述镜元件中的至少一个具有在一个或多个位置偏离最佳拟合旋转对称反射表面约λ以上的非旋转对称反射表面；
所述元件包括切趾校正元件，相对于不具有该切趾校正元件的光学系统，该切趾校正元件有效地校正该光学系统的出瞳中的空间强度分布。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中，相对于不具有该切趾校正元件的光学系统，所述切趾校正元件有效地增加所述出瞳中的空间强度分布的对称性。
3.如权利要求1或2所述的光学系统，其中，相比较不具有该切趾校正元件的相同光学系统，所述切趾校正元件有效地增加所述出瞳中的强度分布的旋转对称性。
4.如权利要求3所述的光学系统，其中，所述出瞳中的空间强度分布由表示所述出瞳的边缘中的强度的归一化方位变化的切趾参数APO表征，根据：
APO＝(IMAX-IMIN)/(IMAX+IMIN)
其中，IMAX为所述出瞳的边缘区域中的强度的最大值，和IMIN为所述出瞳的边缘区域中的强度的最小值，
其中所述切趾参数APO减少至少1％。
5.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，当与不具有所述切趾元件的相同光学系统相比较时，所述切趾校正元件有效地增加相对所述光学系统的子午平面的所述出瞳中的强度分布的镜对称性。
6.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，当与不具有所述切趾元件的相同光学系统相比较时，所述切趾校正元件有效地减少场依赖切趾。
7.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，当与不具有所述切趾元件的相同光学系统相比较时，所述切趾校正元件有效地将所述出瞳中的强度分布的强度中心朝向所述出瞳的中心移动。
8.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件是具有由反射涂层形成的反射面的镜元件，所述反射涂层设计为非旋转对称渐变涂层，该非旋转对称渐变涂层包括不同材料的多层叠层，至少一层具有几何层厚，该几何层厚在涂层的第一方向上根据第一渐变方程变化而在垂直于所述第一方向的第二方向上根据不同于所述第一渐变方程的第二渐变方程变化。
9.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件是具有由反射涂层形成的反射表面的镜元件，该反射涂层包括不同材料层的多层叠层，所述层在背向镜基底的辐射入口侧上具有帽层，其中所述帽层具有在所述涂层的第一方向上根据第一渐变方程变化而在垂直于所述第一方向的第二方向上根据不同于所述第一渐变方程的第二渐变方程变化的几何层厚。
10.如权利要求9所述的光学系统，其中，所述几何层厚在第一方向上从原点到所述镜的边缘增加第一增量，并在所述第二方向上在所述原点和边缘区域之间增加显著较大的第二增量。
11.如权利要求9或10所述的光学系统，其中，所述帽层的层厚在中心区内大致均匀，所述中心区围绕原点，至少上至与对应于第一子孔径的区域的外边缘相应的径向坐标，第一子孔径对应于中心场点，且在所述中心区外，所述帽层的层厚在所述第一方向上略微增加并在所述第二方向上较强增加。
12.如权利要求11所述的光学系统，其中，所述中心区在相应方向上延展到大于距原点最大径向距离的50％。
13.如权利要求9至12之一所述的光学系统，其中，所述帽层由选自由钌、氧化铝、碳化硅、碳化钼、碳、氮化钛、二氧化钛和钌、氧化铝、氮化钛或二氧化钛和其他物质的混合物、合金或化合物构成的组的材料制成。
14.如权利要求9至13之一所述的光学系统，其中，反射涂层包括布置在所述帽层和镜基底之间的多个中间层，其中所述多个中间层中的每一个都具有均一层厚。
15.如权利要求9至14之一所述的光学系统，其中，所述帽层的材料对波长λ的辐射具有吸收率，该吸收率大于布置在所述帽层和镜基底之间的中间层的材料中的每一个的吸收率。
16.如权利要求9至15之一所述的光学系统，其中，所述帽层的材料对波长λ的辐射具有吸收率，该吸收率大于硅和钼中的至少一个的吸收率。
17.如权利要求9至16之一所述的光学系统，其中，所述帽层的材料具有由在约13nm和14nm之间的波长范围内大于0.013的消光系数k表征的吸收率。
18.如权利要求17所述的光学系统，其中，在从大约13.4nm到13.6nm的波带的区域中，所述消光系数为0.015以上。
19.如权利要求9至18之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件包括在所述帽层的辐射入口侧上布置在所述帽层上的至少一个滤波层，其中所述滤波层由对波长λ的辐射进行吸收且具有空间变化的几何厚度的滤波层材料制成。
20.如权利要求19所述的光学系统，其中，所述滤波层由在波长λ具有比所述帽层材料大的吸收率的材料制成。
21.如权利要求19或20所述的光学系统，其中，所述滤波层由在波长λ具有比所述帽层材料小的吸收率的材料制成。
22.如权利要求19、20或21所述的光学系统，其中，所述滤波层由选自由钌、氧化铝、碳化硅、碳化钼、碳、氮化钛、二氧化钛和钌、氧化铝、氮化钛或二氧化钛和其他物质的混合物、合金或组合物构成的组的材料制成。
23.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件具有由包括不同材料的多层叠层的反射涂层形成的反射表面，所述多层形成双层叠层，其中双层包括具有第一折射率的第一材料的相对厚层和具有低于第一折射率的第二折射率的第二材料的相对薄层，其中，至少一个双层的第一层和第二层的几何厚度之间的厚度比在所述涂层的第一方向上根据第一渐变方程变化，而在垂直于所述第一方向的第二方向上根据不同于所述第一渐变方程的第二渐变方程变化。
24.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件光学上布置在远离光学系统的光瞳面的位置，在该位置满足条件P(M)＜1，其中，
P(M)＝D(SA)/(D(SA)+D(CR))，
其中，D(SA)是在相应表面M上的源自物面上的场点的光束的子孔径的直径；和D(CR)是在该表面M上的在光学系统参考平面中所测量的通过光学系统成像的有效物场的主光线的最大距离。
25.如权利要求24所述的光学系统，其中，所述参考平面是光学系统的对称平面。
26.如权利要求24或25所述的光学系统，其中，对于所述切趾校正元件的位置，满足条件P(M)＜0.99。
27.如权利要求24至26之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件光学上位于光学系统的光瞳面和场面之间的中间区域，该位置满足条件0.99＞P(M)＞0.95。
28.如权利要求24至27之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件光学上位于场面附近，满足条件0＜P(M)≤0.93。
29.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，所述切趾校正元件位于所述光学系统的光瞳面中或光学上位于所述光学系统的光瞳面的附近，满足条件0.98＜P(M)≤1。
30.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，为所述镜中的至少一个提供设计为一维渐变涂层的非旋转对称涂层，该涂层包括不同材料层的多层叠层，其中所述多层具有在所述第一方向上根据第一渐变方程变化而在垂直于所述第一方向的第二方向上基本不变的几何层厚。
31.如权利要求30所述的光学系统，其中，布置及成形所述镜，以使平均入射角在所述第一方向上根据基本线性方程强烈变化而在垂直于所述第一方向的第二方向上基本不变。
32.如前述权利要求之一所述的光学系统，其中，所述光学系统包括第一切趾校正元件和至少一个第二切趾校正元件。
33.一种用于微光刻的投射曝光系统，该投射曝光系统具有配置为从主光源接收辐射并照明投射物镜的物面中的图案的照明系统和投射物镜，其中，所述投射物镜包括如前述权利要求之一的光学系统。
34.如权利要求33所述投射曝光系统，其中，所述主光源发射波长13nm＜λ＜14nm的EUV辐射。
35.一种制作半导体器件或其他类型微器件的方法，包括：
提供具有指定图案的掩模；
利用具有指定波长λ的辐射照明所述掩模；以及
将所述图案的像投射到布置在由如前述权利要求之一所述的光学系统所形成的投射物镜的所述像平面的附近中的光敏感基底上。
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