DE4203464B4

DE4203464B4 - Katadioptrisches Reduktionsobjektiv

Info

Publication number: DE4203464B4
Application number: DE19924203464
Authority: DE
Inventors: Gerd FÜRTER; Wilhelm Ulrich
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2012-02-08
Also published as: DE4203464A1

Abstract

Katadioptrisches Reduktionsobjektiv mit Hohlspiegel (15), Strahlteiler (300) und mehreren Linsengruppen (100, 200, 400), dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg zwischen Hohlspiegel (15) und Strahlteiler (300) frei von Linsengruppen angeordnet ist, und daß der Hohlspiegel (15) einen wesentlich verkleinernden Abbildungsmaßstab hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein katadioptrisches Reduktionsobjektiv mit Hohlspiegel, Strahlteiler und mehreren Linsengruppen. Aus EP 0 350 955 A , US-Anmeldung Ser. No. 223 968/1988, ist ein solches bekannt. Dieses weist vier Linsengruppen auf, wobei die dritte zwischen Strahlteiler und Hohlspiegel angeordnet ist. Diese soll Koma niedriger Ordnung und sphärische Aberration des Spiegels sowie den Gaußfehler korrigieren. Ihre Anordnung zwischen Strahlteiler und Spiegel und die daraus resultierende zweimalige Passage des Lichts bedingen jedoch eine hohe Toleranzempfindlichkeit auf Dezentrierung mit Einfluß auf die Koma-Korrektion. Die Brechkraft dieser dritten Linsengruppe ist nahezu Null, um eine breitbandige spektrale Korrektion nicht zu gefährden.
Bei einer deutlichen Vergrößerung der bildseitigen Apertur bedingt der Platzbedarf dieser dritten Linsengruppe die Forderung nach einem sehr großen Abstand der vierten Linsengruppe vom Spiegel, der im Extremfall größer als deren Brennweite werden kann. Dies ergibt zusätzlich zu wesentlich erhöhtem Fertigungsaufwand auch eine enorme Vergrößerung der Schwierigkeiten für die optische Korrektion.

Aus US 3 698 808 , dort insbesondere Anspruch 6 und 4 ist ein mikrolithographischer Projektionsapparat bekannt mit einer ersten Linsengruppe, einem teildurchlässigen Planspiegel unter 45 Grad, einem konkaven Spiegel und einer unter 90 Grad zur Achse von erster Linsengruppe und konkavem Spiegel angeordneten zweiten Linsengruppe. Die Aufteilung des Projektionsobjektivs und die Einführung des Planspiegels dient der Überlagerung einer zweiten Lichtquelle mit sichtbarem Licht zur Positionskontrolle über das UV-Licht einer ersten Licht quelle, das die eigentliche Lithographie bewirkt. Der Vergrößerungsmaßstab ist minus Eins bei gleich hoher Apertur beider Linsengruppen. Der Übergang zu einem Objektiv mit wesentlicher Verkleinerung ist jedoch schwierig, wie auch in der Einleitung von US 4 953 960 angegeben.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 41 10 296 A1 ist ein katadioptrisches Reduktionsobjektiv mit polarisierendem Strahlteilerspiegel bekannt.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 69 44 528 U ist ein katadioptrisches Objektiv mit einer Vergrößerung von 1,5 : 1 bekannt, bei dem zwischen Strahlteiler und Konkavspiegel eine plankonvexe Linse vorgesehen ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einem gattungsgemäßen Reduktionsobjektiv, deutlich höhere bildseitige Apertur bei reduzierter Justierempfindlichkeit und günstiger Konstruktion darzustellen. Das Objektiv soll für die Projektions-Mikrolithografie geeignet sein.

Diese Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Reduktionsobjektiv dadurch gelöst, daß zwischen Hohlspiegel und Strahlteiler keine Linsengruppe angeordnet ist und daß der Hohlspiegel eine erhebliche Reduktionswirkung hat.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 11.

Näher erläutert wird die Erfindung an den in der Zeichnung und den Tabellen dargestellten Ausführungsbeispielen.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel im schematischen Schnitt;

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel im schematischen Schnitt;

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel im schematischen Schnitt;

4 zeigt schematisch einen mikrolithographischen Projektionsapparat, bekannt als Wafer Stepper, mit dem katadioptrischen Reduktionsobjektiv der 3.

In der 1 und der Tabelle 1 sind für das erste Beispiel die Objektebene (O), die optischen Grenzflächen (1) bis (26) gemäß der Tabelle 1 und die Bildebene (27) dargestellt. In der Objektebene (O) liegt vorzugsweise eine Lithografievorlage (Retikel), in der Bildebene (27) ein zu belichtender Wafer. Die erste Linsengruppe (100) besteht lediglich aus einer Einzellinse mit den Grenzflächen (1) und (2). Die Grenzflächen (3) bis (12) bilden eine zweite Linsengruppe (200). Ihr Abstand zur ersten (100) ist größer als der Lichtbündeldurchmesser, so daß im Zwischenraum bei Bedarf ein Umlenkspiegel diagonal angeordnet werden kann, entsprechend der EP 0 350 955 A und nach der 3. Der Strahlteiler (300) hat die Eintrittsfläche (13), die Austrittsfläche (14) identisch mit der Wiedereintrittsfläche (16), die diagonal angeordnete teilende Spiegelfläche (17) und die Austrittsfläche (18).
Der Strahlteiler (300) hat genaue Würfelform, was fertigungstechnisch einfacher ist als der Pyramidenstumpf nach der EP 0 350 955 A . Ohne Zwischenglieder ist der Hohlspiegel (15) nahe am Strahlteiler (300) angeordnet. Der Hohlspiegel (15) definiert durch seinen Rand die Blende des Systems. Die Blende kann jedoch auch auf der Austritts- und Wiedereintrittsfläche (14, 16) des Strahlteilers (300) liegen oder durch ein gesondertes Teil im Raum zwischen diesen beiden realisiert sein. Eine dritte Linsengruppe (400) mit den Grenzflächen (19) bis (26) vervollständigt den Aufbau, Bild der Objektebene (O) ist die Bildebene (27).
Alle Glasteile sind aus dem gleichen Quarzglas mit n 1,50855 bei 248 nm gefertigt.
Das Objektiv hat so eine größte Objekthöhe von 60 mm bei telezentrischem Strahlengang. Mit der Verkleinerung von 4 : 1 ist bildseitig die Bildhöhe 15 mm, die numerische Apertur 0,52 und der Strahlengang ebenfalls telezentrisch. Der Spiegel hat einen freien Durchmesser von 139 mm, der größte Durchmesser des Strahlenbündels im Objektiv beträgt 159 mm an der Grenzfläche (3). Die Gesamtbrennweite der Linsengruppen (100) und (200) beträgt 475 mm, der Hohlspiegel (15) hat 158 mm und die nachfolgende dritte Linsengruppe (400) hat 129 mm Brennweite.
Der Abbildungsmaßstab des Hohlspiegels (15) ist 0,14. Er trägt zu einem erheblichen Teil zur gesamten Verkleinerung des erfindungsgemäßen Objektivs bei. Tabelle 4 verzeichnet bevorzugte Bereiche des Abbildungsmaßstabs des Hohlspiegels (15) für verschiedene Verkleinerungen des Gesamt-Objektivs.
Um Vignettierungen zu vermeiden, liegt die Aperturblende am Ort des Hohlspiegels. Zur Erfüllung der bildseitigen Telezentrie-Bedingung muß der Brennpunkt der dritten, dem Hohlspiegel (15) nachgeschalteten, Linsengruppe (400) in der Blende liegen, also im Hohlspiegel (15). Zugleich müssen zwischen der dritten Linsengruppe (400) und dem Hohlspiegel (17) der Strahlteiler (300) und, bei einer Ausführung nach EP 0 350 955 , die zusätzliche Linsengruppe Platz haben.
Das Objektiv nach EP 0 350 955 , 1, hat bei einer bild seitigen numerischen Apertur von 0,45, einem freien Spiegeldurchmesser von 112 mm und einer Brennweite der nachgestellten Linsengruppen von 131 mm einen auf Luft umgerechneten Mindestabstand zum Spiegel, herrührend vom Strahlteiler und der Linsengruppe zwischen diesem und dem Hohlspiegel, von 108 mm, und somit genug Spielraum zur Erfüllung der Lageforderung, wonach die Brennweite größer als die Schnittweite sein soll.
Auf Luft umgerechneter Abstand heißt die reduzierte Strecke, die als Summe der Quotienten aus den Einzelstrecken und den Brechungsindices der jeweiligen Medien definiert ist
Mit der numerischen Apertur von 0,52 und den weiteren Daten des hier gezeigten Beispiels wird jedoch der entsprechende Abstand 115 mm, so daß die erfindungsgemäße Lösung ohne weiteres realisierbar ist, die Einfügung einer Linsengruppe mit etwa 25 mm entsprechendem Luftweg jedoch zur deutlichen Überschreitung der Brennweite (129 mm) führt. Ein dann auftretendes Retrofokusverhältnis (Pupillenabstand/Brennweite) größer Eins wäre sehr nachteilig und würde erhebliche Korrekturmaßnahmen und Mehraufwand in der dritten Linsengruppe (400), z.B. starke negative Brechkräfte nahe der Bildebene bedingen.
Die Brennweite der Linsengruppe (400) wird im wesentlichen nur durch das Verhältnis des Spiegeldurchmessers zur bildseitigen Apertur bestimmt. Eine Verlängerung dieser Brennweite würde also einen größeren Hohlspiegel (15) und somit auch einen größeren Strahlteiler (300) bedingen. Dies ist aus konstruktiven, wirtschaftlichen und fertigungstechnischen Gründen jedoch nicht erwünscht. Außerdem vergrößert sich wegen des zusätzlichen Platzbedarfs durch die größeren Durchmesser auch die erforderliche Schnittweite dieser Linsengruppe, so daß das definierte Retrofokusverhältnis nur unwesentlich günstiger wird.
Bei höheren Aperturen ab etwa 0,50 tritt also für eine Konstruktion nach EP 0 350 955 ein Platzproblem zur Unterbringung der optischen Baugruppen auf, was durch die hier vorgestellte Lösung vermieden wird.
Vorteilhaft für die Anwendung ist die Ausbildung der dritten Linsengruppe (400) mit geringer Krümmung der letzten Linsenfläche (26) und einer Schnittweite von 5 mm zur Bildebene und einem entsprechenden Arbeitsabstand der ein einfaches Handhaben der zu belichtenden Wafer erlaubt.
In der Tabelle 1 sind die genauen Objektivdaten angegeben. Tabelle 3 zeigt Vergleichsdaten für dieses Beispiel, das der 2 und die Ausführung nach EP 0 350 955 , 1.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für gleiche Bestimmungsgrößen des Objektivs (Bildfeld, Abbildungsmaßstab, bildseitiger Arbeitsabstand, beidseitig telezentrisch, Grundwellenlänge 248 nm, eine Glassorte), bei weiter erhöhter bildseitiger Apertur von 0,58 zeigt 2. Die Daten sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Dieses Beispiel hat in der dritten Linsengruppe (400) eine Linse mehr als das Beispiel der 1.
Weiter ist der Strahlteiler (300) – wie in EP 0 350 955 , 1 – als Pyramidenstumpf ausgebildet.
Die seitlichen Flächen des Pyramidenstumpfs einschließlich der Austrittsfläche (18') sind dem von der zweiten Linsengruppe (200') zum Hohlspiegel (15') laufenden Strahlenbündel angepaßt.
So entfällt Glasvolumen und es wird das bei Beispiel 1 beschriebene Abstandsproblem Hohlspiegel (15') – dritte Linsengruppe (400) etwas entschärft.
Die dadurch auftretende Schräglage der Austrittsfläche (18') gegen die optische Achse wird durch die ebenfalls entstehende Abweichung der Spiegelfläche (17') vom 45°-Winkel kompensiert.
Auch bei dieser Lösung für die große bildseitige Apertur von 0,58 gelingt es, eine Retrofokus-Objektivausführung der dritten Linsengruppe (400') zu vermeiden. Nur eine Linse macht der Mehraufwand für die höhere Apertur aus, abgesehen von den größeren Querschnitten der optischen Elemente.
Tabelle 3 zeigt im Vergleich wichtige Kenndaten der Beispiele nach 1 und 2 neben der Ausführung nach EP 0 350 955 , 1.
Bei beiden Beispielen ist die chromatische Korrektur für die Verwendung mit einem spektral nicht eingeengten Excimer-Laser mit der Wellenlänge 248 nm ausgelegt. Diese Beispiele können sehr leicht für andere Wellenlängen desselben Lasers bzw. für andere Laser umgerechnet werden. Außerdem können beispielsweise zur Steigerung der chromatischen Korrektion auch mehrere verschiedene Materialien wie etwa Quarz und Flußspat eingesetzt werden.
Auch ist die Telezentrie speziell der Objektseite erfindungsunerheblich. Eine weitere Leistungssteigerung durch – allerdings schwer herzustellende – Asphären ist ebenfalls möglich.
Der Strahlteiler ist auch in anderer Ausführungsform, beispielsweise als Strahlteilerplättchen, möglich.
3 zeigt eine Abwandlung des Reduktionsobjektivs nach 2, wobei ein Umlenkspiegel (M) zwischen der ersten Linsengruppe (100') und der zweiten Linsengruppe (200') angeordnet ist. Damit können Objektebene (O') und Bildebene (29) parallel liegen.
4 zeigt die Integration dieses katadioptrischen Reduktionsobjektivs (41) nach 3 in einem mikrolithographischen Projektionsapparat, bekannt als Wafer Stepper. In der Objektebene des Objektivs (41) ist eine Maske (42) mit einer x-y-z-Positioniereinheit (421) positioniert. Die Maske (42) wird mit Licht einer geeigneten Wellenlänge, von einer Lichtquelle (44), z.B. einem Excimerlaser, beleuchtet. In der Bildebene des Objektivs (41) ist ein Wafer (43) mittels einer zweiten x-y-z-Positioniereinheit (431) angeordnet.
Natürlich können auch die anderen Beispiele des katadioptrischen Reduktionsobjektivs nach 1 und 2 und andere erfindungsgemäße Ausführungen in ähnlicher Weise in einem solchen mikrolithographischen Projektionsapparat integriert sein.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4

Claims

Katadioptrisches Reduktionsobjektiv mit Hohlspiegel (15), Strahlteiler (300) und mehreren Linsengruppen (100, 200, 400), dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg zwischen Hohlspiegel (15) und Strahlteiler (300) frei von Linsengruppen angeordnet ist, und daß der Hohlspiegel (15) einen wesentlich verkleinernden Abbildungsmaßstab hat.
Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bildseitige Apertur mindestens 0,50 ist.
Objektiv nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß eine Blende am Ort des Hohlspiegels (15), auf der Aus- und Eintrittsfläche (14, 16) des Strahlteilers oder im Raum zwischen diesen angeordnet ist, und daß der Abstand der Blende zu der dem Hohlspiegel (15) nachgeordneten Linsengruppe (400) in Luft umgerechnet kleiner als deren Brennweite ist.
Objektiv nach den Ansprüchen 1, 2 und/oder 3, gekennzeichnet durch die Korrektur für Laserlicht bei einer Wellenlänge im UV- oder DUV-Bereich.
Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (300) als Strahlteilerwürfel ausgeführt ist.
Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Linsengruppen (100, 200) vor dem Strahlteiler (300) ein ebener Umlenkspiegel angeordnet ist.
Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsenelemente und der Strahlteiler (300) aus dem gleichen Material gefertigt sind.
Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch bildseitige Telezentrie.
Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Abbildungsmaßstab im Bereich 1:2 bis 1:10.
Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Abbildungsmaßstab des Hohlspiegels (15) im Bereich 0,55 bis–0,10.
Objektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 gekennzeichnet durch die Verwendung zur mikrolithografischen Projektion mit Strukturen im Submikronbereich.
Mikrolithographischer Projektionsapparat, dadurch gekennzeichnet, daß ein katadioptrisches Reduktionsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 enthalten ist.