CN102099742A - 成像光学部件 - Google Patents

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Abstract

一种成像光学部件(7)具有多个反射镜(M1至M6)。所述多个反射镜将物面(5)上的物场成像在像面(9)上的像场。至少一个反射镜(M5、M6)上设置有让成像光(3)穿过的通孔(18、19)。所述多个反射镜(M1至M6)被设置成使主光线在物面(5)和第一下游反射镜(M1)之间沿成像光(3)光路平行或发散传播。在本发明的第一方面，所述成像光学部件(7)中设置有沿成像光(3)光路在物面(5)前5m至2000m范围内的入瞳面。在本发明的第二方面，所述成像光学部件中设置有沿成像光光路在物面(5)前100mm至5000mm范围内的入瞳面。由此改善了所述成像光学部件的成像质量。

Description

成像光学部件
发明领域
本发明涉及一种成像光学部件，特别是一种成像光学单元，其包括将物面中的物场成像在像面中的像场的多个反射镜，其中至少一个反射镜具有使成像光通过的通孔，包括使主光线在物面和第一下游反射镜之间沿成像光光路平行或发散传播的反射镜设置。此外，本发明涉及一种包括所述类型的成像光学部件的光学系统，一种包括所述类型的光学系统的投射曝光设备，一种通过使用所述类型的投射曝光设备生产微或纳米结构元件的方法，和通过所述方法生产的微或纳米结构元件。
背景技术
成像光学部件，特别是作为用于微光刻的投射曝光设备的部分的投射光学单元可EP 1093021A2、DE 102005042005A1、US 2006/0284113A1、US2006/0232867A1、EP1450196A1、EP1452899A1、EP1806610A1和US6213610B1中获知。
发明内容
本发明的目的是改善该类型的成像光学部件的成像质量。
本发明通过本发明的第一方面的具备设置于沿成像光光路在物面前5m至2000m范围内的入瞳面的成像光学部件达到了此目的。
入瞳面这样的设置方式导致了光路在投射光学单元的物面和第一反射镜之间具有最小的发散。由此可避免和位置相关的阴影对于设置在物场中要成像的结构的影响。此外，在物面区域内形成了实际上远心的光路，其具有相应的优势。举例来说，所述实际远心光路允许系统在物面上再聚焦而不由此导致成像比例的改变。在本发明的此方面，入瞳面和物面之间的距离可具体地在100m至2000m的范围内，更优选地在500m至1500m的范围内，又更优选地在800m至1200m范围内，且特别地为1000m。
该成像光学部件的像方数值孔径可在0.4至0.9的范围内，且特别地像方数值孔径为0.5。像方数值孔径的值也可为0.4、0.6、0.7、0.8或0.9。由此导致该成像光学部件的高空间分辨率。
根据另一方面，本发明根据具备设置于沿成像光光路在物面前100mm至5000mm范围内的入瞳面的成像光学部件达到了最初提及的目的。该成像光学部件在避免和位置相关的阴影效应上的优点，对应着前述关于本发明第一方面时说明的优点。此外，在该成像光学部件中，沿光路设置在投射光学单元上游的、用来在照明光学部件中照明物场所需要的元件的数量可被减少，其导致照明光线的整体损失的降低。对于将照明光学部件的一个元件直接设置在所述入瞳面区域中的设置，入瞳面和物面的距离在100mm至5000mm之间被发现在生产紧凑型光学设置时特别具有优势。特别地，入瞳面和物面之间的距离在100m至2000mm之间，优选地在500mm至1500mm之间，更优选地在800mm至1200mm之间，又更优选地为1000mm。在本发明的所述另一方面，成像光学部件的至少一个反射镜的反射表面为不能由旋转对称函数描述的自由形态表面。使用自由形态表面，而不是具有旋转对称轴的反射表面使设计具有新的自由度，从而使成像光学部件具有使用旋转对称反射表面时不能实现的多项性质。适用于根据本发明的成像光学部件的自由形态表面可从US2007/0058269A1中获知。
根据所述两方面的成像光学部件具有大于100mm、特别是大于200mm的物像偏移。
像方数值孔径为0.4至0.9之间，特别地像方数值孔径为0.7的成像光学部件导致了特别好的结构分辨率。像方数值孔径的值也可为0.4、0.5、0.6、0.8或0.9。
成像光学部件的像面可平行于物面设置。这有利于将成像光学部件集成入结构环境中。这一优势在成像光学部件被用于扫描式投射曝光设备时尤其显现，因为施行的扫描方向因此可为彼此平行。
如果成像光学部件恰好具备6个反射镜，这将使成像光学部件既紧凑又对其像差做了很好的修正。
该成像光学部件可照明大于1mm2的像场。该像场可特别地为矩形或是弯曲的，且其纵横比x/y为13mm/1mm。这样的像场使该成像光学部件被用在投射曝光设备中时具备良好的处理能力。
该成像光学部件可在像方为远心的。这例如将允许系统在像面上不改变成像比例而实现再聚焦，并因此增加该成像光学部件的使用灵活性。
如权利要求10所述的光学系统的优点和如权利要求11和12所述的投射曝光设备的优点对应着以上说明的如本发明所述的成像光学部件的优点。
该投射曝光设备的光源可为宽带式的，且示例性地具备大于1nm，大于10nm，或大于100nm的带宽。在EUV光源的一个示例性实施例中，中心波长为13.5nm且带宽为在此中心波长周围2％(FWHM)的可用光传播至像场。EUV光源产生的光的剩余带宽仅由成像光学部件的反射镜少量地反射。该投射曝光设备可实现为和具备不同波长的光源一起工作。例如具备光瞳分面镜的照明光学部件可从US 2007/02231112A1中获知。
相应的优势应用在如权利要求13所述的生产方法以及如权利要求14所述生产的微或纳米结构元件。
附图说明
参见附图可对如本发明所述的发明的示例性实施例做更详细的解释，其中：
图1示意性示出了用于微光刻的投射曝光设备；
图2示出了包括彼此间隔开的场点的成像光路的纵向剖面图，通过被实现为图1的投射曝光设备的投射光学单元的成像光学部件；
图3示出了和图2类似的投射光学单元的又一实施例；和
图4示意性地示出了补充了投射曝光设备中的投射曝光设备的照明系统的光路，该投射曝光设备包括如图3的投射光学单元。
具体实施方式
用于微光刻的投射曝光设备1具有用于照明光的光源2。光源2为产生波长范围在5nm至30nm之间的光的EUV光源。其他的EUV波长也是可行的。一般来说，甚至任意波长，例如，可见光波长，也可能被用做在投射曝光设备1中引导的照明光。照明光3的光路在图1中极端示意性地示出。
实现为照明光学单元6的成像光学部件将照明光导向位于物面5中的物场4。实现为成像或投射光学单元7的成像或投射光学部件被用来将物场4以预设的缩小比例成像于位于像面9上的像场8。该投射光单元7的缩小系数是8。
也可使用其他例如4x、5x、6x或大于8x的成像比例。具体来说，对具有EUV波长的照射光而言，8x的成像比例是恰当的，因为反射掩模的物方入射角因此可被保持得小。对NA＝0.5的投射光学单元7的像方孔径，可在物方实现小于6°的照明角。此外，8x的成像比例不会导致需要使用不必要的大掩模。对投射光学单元7来说，像面9被设置为平行于物面5。在该情况，反射掩模10(也被标记为掩模母版)的和物场4重合的部分被成像。该成像在衬底11的表面上实现，该衬底为由衬底固定器12承载的晶片的形式。图1示意性地示出了，在掩模母版10和投射光学单元7之间进入所述投射光学单元的照明光3的光束13和在该投射光学单元7和衬底11之间从投射光学单元7出来的照明光3的辐射光束14。根据图2的投射光学单元7的像场方数值孔径NA为0.50。该投射光学单元7在像方是远心的。
为了便于描述投射曝光设备1，附图中给出了xyz笛卡尔坐标系，用来表示图中示出元件之间的相对位置关系。在图1中，x方向垂直延伸入绘图表面，y方向向右延伸而z方向向下延伸。
该投射曝光设备1是扫描曝光机类型的。在投射曝光设备1工作期间在y方向上扫描掩模母版10和衬底11。
图2示出了投射单元7的光学设计。该附图示出了两个由5个物场点射出的独立光线15的光路，所述物场点在y方向上彼此相距一距离，其中和所述5个物场点中一个点相关的两个独立光束各自对应着5个物场点的两个不同照明方向中的一个。所述两个照明方向由5个物场点中每个的上慧差光束和下慧差光束表示。
由物面5射出，独立光线15首先被第一反射镜M1反射，随后沿光路顺序由标识为M2、M3、M4、M5和M6的反射镜反射。按图2所示的投射光学单元因此具备六个反射镜。在对诸如在波长在EUV范围的照明光3有必要时，这些反射镜涂有对照明光3的波长高度反射的涂层。具有互相之间区别很大的波长的辐射也可在照明光学部件6和投射光学装置7中引导，因为这些光学单元具备显著的消色差性质。因此在这些光学单元中诸如引导校准用激光或运行自动对焦系统是可行的，这些光学单元中都使用了波长和工作波长有很大区别的照明光。因此，校准用激光的波长可为632.8nm、248nm或193nm，而同时使用波长范围在10至30nm内的照明光。
反射镜M3具备凸的基本形状，即其可被描述为凸最佳匹配表面。在此后的描述中，这种反射镜被简化地标记为凸，而可被描述为凹最佳匹配表面的反射镜被简化地标记为凹。凸反射镜M3在投射光学单元7中提供了良好的Petzval修正。
图2的投射光学单元7的入瞳面沿照明光3的光路在物面5之前1000m处。图2的投射光学单元7具有2000mm的结构长度，这是指物面5和像面9之间的距离。
这些由间隔开的物场点射出且被设置为相同照明方向的独立光线15因此基本平行地在物面4和第一反射镜M1之间传播，进入投射光学单元7。该独立光束15的主光线因此在物面5和反射镜M1之间的照射光3的光路中相对于彼此形成了大致为0°的角度。
和5个物场点的具体照明方向相关的独立光线15在投射光学单元7的光瞳面16合并，与设置的反射镜M3相邻。所述反射镜M3因此被标识为光瞳反射镜。可在光瞳面16上设置限定照明光束的孔径光阑。所述孔径光阑可为可换机械式光阑或是直接涂布在反射镜M3上的相应涂层。
反射镜M1至M4将物面5成像在中间像面17上。投射光学单元7的中间像方数值孔径大约为0.2。反射镜M1至M4形成了投射光学单元7的第一部分成像光学单元，其成像缩小比例大约为3.2x。下游反射镜M5和M6形成了投射光学单元7的又一部分成像光学单元，其成像缩小比例大约为2.5x。在反射镜M4和M5之间照明光3的光路中，位于中间像面17上游且在其附近，在反射镜M6中形成了通孔18，照明或成像光3通过反射穿过该通孔从第四反射镜M4到达第五反射镜M5。第五反射镜M5继而具有中心通孔19，辐射束14在第六反射镜M6和像面9之间穿过该开口。
和第六反射镜M6一起将来自中间成像面17的照明或成像光3成像在成像面9上的第五反射镜M5，被设置在投射光学单元7的又一光瞳面20附近，该光瞳面和第一光瞳面16共轭。位于成像光光路上的又一光瞳面20在第五反射镜M5附近，使得在又一光瞳面20的位置处存在有物理可及的光阑平面。在所述光阑平面上，可替代性地或额外地设置有孔径光阑，如在结合光瞳面16区域内的孔径光阑时描述的一样。
该投射光学单元7在光瞳面16、20的其中一个的中心设置有遮蔽光阑。投射光路经过反射镜M6、M5中的中心通孔18、19的部分光束因此被遮蔽。因此，投射光学单元7的设计也被称为具有中心光瞳遮蔽的设计。
一个不同于其他的单独光线15，其连接着中心物场点与投射光学单元7的入瞳中的中心被照明点，也被称为中心场点的主光线。该中心场点的主光线，由第六反射镜M6的反射开始，和像面9形成了大致的直角，即其大致平行于投射曝光设备1的z轴传播。所述角度大于85°。
像场8是矩形的。该像场8在平行于x方向上的范围为13mm。该像场8在平行于y方向上的范围为1mm。该像场8中心地位于第五反射镜M5之后。通孔19的半径R需要满足以下无光晕成像的关系：
R ≥ 1 2 · D + d w · NA
在该情形，D为像场8的对角线。dw是反射镜M5至像面的自由工作距离。所述自由工作距离被定义为像面9和距投射光学单元7中的最近反射镜(即在图2的实施例中的反射镜M5)的被使用反射表面最近的部分之间的距离。NA是像方数值孔径。
投射光学单元7的全部6个反射镜M1至M6都被实现为不能被旋转对称函数描述的自由形态表面。M1至M6反射镜中至少一个具有该类型的自由形态表面的该投射光学单元7的其他实施例也是可行的。
该类型的自由形态表面可由可旋转对称参照面产生。用作微光刻的投射曝光设备中的投射光学单元的反射镜的反射表面的该类型的自由形态表面从US 2007-0058269A1中已知。
该自由形态表面可由下列公式数学表达：
Z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ j = 2 66 C j X m Y n
其中下面的假设成立：
j = ( m + n ) 2 + m + 3 n 2 + 1
Z为该自由形态表面在点x，y(x2+y2＝r2)处的矢。
c是对应着对应非球面的顶点曲率的常数。k是对应非球面的圆锥常数。Cj是单项式XmYn的系数。c、k和Cj的值典型地以投射光学单元7内反射镜的期望光学性质为基础决定。单项式幂数m+n可根据需要变化。高次单项式可使投射光学单元的设计具有更好的像差修正，但计算更复杂。m+n的值可在3至多于20之间。
也可使用Zernike多项式来数学表达自由形态表面，该多项式例如在光学设计软件CODE
Figure BDA0000043808080000071
做了说明。可替换地，可使用二维样条曲面来描述自由形态表面。其示例为Bezier曲线或非均匀有理基本样条曲线(NURBS)。二维样条曲面例如可由xy平面和相关的z值组成的点的网络或是这些点和与其相关的斜率进行描述。取决于各自的样条曲面的类型，整个面利用例如多项式或方程在网络点之间插值来获得，该多项式或方程具有连续性和可导性相关的具体特性。
反射镜M1至M6上涂有多层反射层，以优化对入射的EUV照明光3的反射。独立光线15在反射镜表面的入射角越接近垂直入射时，反射总体越好。投射光学单元7总体来说对所有的独立光线15都具有小反射角。
投射光学单元7的反射镜M1至M6的反射表面的光学设计数据可从下面的表中得知。第一个表给出了和光学元件的光学表面以及孔径光阑相关的，顶点曲率倒数(半径)以及和对应于由物面开始的光路上相邻元件之间的z距离的距离值(厚度)。第二个表给出了上文中给出的关于反射镜M1至M6的自由形态表面公式中的单项式XmYn的系数Cj。在该情形，Nradius代表标准化因素。第二个表之后，还给出了以mm为单位的相关反射镜相对于镜面基准设计的偏轴(Y-偏轴)和旋转(X-旋转)的数值。这对应着以上给出的关于自由形态表面设计方法的平行位移和倾斜。在这种情况下，位移沿y方向实现而倾斜关于x轴实现。此处，给出的旋转角度以度为单位。
Figure BDA0000043808080000072
Figure BDA0000043808080000081
物像偏移，即物场4的中点在像面9上的投射和像场8的中点之间的距离，在投射光学单元7中为208mm。
图3示出了投射光学单元21的又一实施例，其可用来在投射曝光设备1中替代图2的投射光学单元7。对应着上述在讨论图1和图2时已解释过的元件或参变量的数字标记相同，将不再讨论其细节。
投射光学单元21也一共具有六个反射镜，其被标识为M1至M6，由物面5开始沿照明光3的光路顺序排列。反射镜M1至M6都具备不可用旋转对称方程描述的自由形态反射表面。
投射光学单元21的缩小因数为8。投射光学单元21的像方数值孔径NA为0.70。投射光学单元21的像场8的大小对应着投射光学单元7的大小。中间像方数值孔径大约为0.2。
投射光学单元的结构长度，即，物面5至像面9的距离为0.429mm。
物像偏移在投射光学单元21中要较在投射光学单元7中显著的大，其在投射光学单元21中为389mm。
在投射光学单元21中，入瞳面沿照明光3的光路，在物面5之前1000mm处。在物面5和反射镜M之间，沿相同照明方向但和不同物场点相关的独立光线15相对于彼此发散传播。
投射光学单元21的反射镜M1至M6的反射表面的光学设计数据可从以下的表中找到，这些表的结构对应着关于图2的投射光学单元7的表的结构。
Figure BDA0000043808080000092
Figure BDA0000043808080000101
Figure BDA0000043808080000102
图4示意性地示出了使用投射光学单元21的照明光3在光源2和像场8之间的光路。用于收集光源2的可用发射的收集器被设置在光源2的下游。而继而设置在收集器22下游的是光谱滤波器23，其由掠射光操作。场分面镜24被设置在光谱滤波器23的下游。光瞳分面镜25被设置在场分面镜24的下游。作为照明光学部件6的一部分的这些分面镜24、25的构思，大体上可从例如US 7,186,983B2中得知。光瞳分面镜25被设置在投射光学单元21的入瞳面区域内，该入瞳面在图4中被标记为26。因此在光瞳分面镜25和物面5之间的距离为大约1000mm。照明光3由光瞳分面镜25引导至反射掩模母版10上。因此，在光瞳分面镜25和掩模母版10之间没有其他的影响或折射照明光3的元件。
为了生产微米或纳米结构的元件，特别是应用于微电子的半导体元件，即微芯片，采用了下列步骤：设置有掩模母版10和晶片11。掩模母版10上的结构随后在投射曝光设备1的帮助下被投射至晶片11的光敏层上。微米和纳米结构随后通过显影该光敏层被生产在晶片11上。

Claims (14)

1.一种成像光学部件(7)，其包括将物面中(5)的物场(4)成像到像面(9)中的像场(8)的多个反射镜(M1至M6)，其中所述多个反射镜中至少之一(M5、M6)具有使成像光(3)通过的通孔(18、19)，其特征在于所述成像光学部件(7)具有设置于沿所述成像光(3)的光路在所述物面(5)前5m至2000m范围内的入瞳面。
2.如权利要求1所述的成像光学部件，其特征在于像方数值孔径的范围为从0.4至0.9。
3.一种成像光学部件(21)，其包括将物面中(5)的物场(4)成像到像面(9)中的像场(8)的多个反射镜(M1至M6)，其中所述多个反射镜中至少之一(M5、M6)具有使成像光(3)通过的通孔(18、19)，
其特征在于所述成像光学部件(21)具有设置于沿所述成像光(3)的光路在所述物面(5)前100mm至5000mm范围内的入瞳面，其中所述多个反射镜(M1至M6)至少之一的反射面被实现为自由形态表面。
4.如权利要求3所述的成像光学部件，其特征在于像方数值孔径的范围为从0.4至0.9。
5.如权利要求4所述的成像光学部件，其特征在于像方数值孔径为0.7。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的成像光学部件，其特征在于所述像面(9)平行于所述物面(4)设置。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的成像光学部件，其特征在于恰好有6个反射镜(M1至M6)。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的成像光学部件，其特征在于所述像场(8)大于1mm2。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的成像光学部件，其特征在于所述成像光学部件在像方是远心的。
10.一种光学系统，包括：
如权利要求1至9中任意一项所述的成像光学部件，
引导照明光(3)至所述成像光学部件(7、21)的物面的照明光学部件(6)。
11.一种用于微光刻的投射曝光设备，
包括如权利要求10所述的光学系统；且
包括照明和成像光(3)的光源(2)。
12.如权利要求11所述的投射曝光设备，其特征在于所述照明光学部件(6)的光瞳分面镜(25)被设置在所述成像光学部件(21)的入瞳面(26)上。
13.一种用来生产微结构元件的方法，包括以下步骤：
提供掩模母版(10)和晶片(11)，
借助如权利要求11或12所述的投射曝光设备将所述掩模母版(10)上的结构投射至所述晶片(11)的光敏层上，
在所述晶片(11)上生产微结构。
14.一种微结构元件，通过权利要求13中所述的方法制造。
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