DE68927423T2

DE68927423T2 - Optisches Verkleinerungssystem

Info

Publication number: DE68927423T2
Application number: DE68927423T
Authority: DE
Inventors: David M Williamson
Original assignee: SVG Lithography Systems Inc
Current assignee: SVG Lithography Systems Inc
Priority date: 1988-07-15
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2009-07-15
Also published as: EP0350955B1; US4953960A; DE68927423D1; EP0350955A3; CA1320375C; JPH0266510A; EP0350955A2; JPH07117648B2

Description

GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG

Der Entwurf von Halbleiterfertigungsausrüstung wird durch die Entwicklung zu integrierten Schaltungen höherer Dichte getrieben. Bei einem optischen Projektionssystem ist die Verringerung in der Strukturgröße theoretisch nur durch die Fähigkeit des Systems begrenzt, bei kurzen Wellenlängen betreibbar zu sein, d.h je weiter das Spektrum der Projektionslichtquelle in den UV-Bereich reicht, umso Kleiner wird die Strukurgröße sein In der Praxis ist die Strukturgröße jedoch durch die Auflösungsfähigkeit des optischen Systems beschränkt, d.h. die Fähigkeit des optischen Systems, den Gegenstand als ein Bild zu übertragen, das im wesentlichen keine durch die Optik erzeugte Aberrationen aufweist. Das Problem des Aufrechterhaltens einer hohen Auflösung, d.h eines optischen Systems, das im wesentlichen keine Aberrationen aufweist, wird weiter verschlimmert, wenn das Projektionssystem den zusätzlichen Vorteil der Verkleinerung in seinem Entwurf aufweist, d.h. einer Verkleinerung der Größe des Gegenstands bei der Abbildung.
Die vorliegende Erfindung stellt einen großen Fortschritt bei optischen Projektionssystemen dar und kann im tiefen UV mit der Fähigkeit zur Auflösung von Strukturen von weniger als 0,35 Mikrometer betrieben werden. Die vorliegende Erfindung weist den zusätzlichen wichtigen Vorteil der Kompaktheit auf, d.h. ihre Länge ist kürzer als ein halber Meter, unter gleichzeitiger Beinha]tung einer numerischen Apertur von 0,45 und unter Abdeckung eines relativ großen Bildfelds.
Die vorliegende Erfindung ist zu dem optischen System mit Einheitsvergrößerung verwandt, das von C.G. Wynne in dem US- Patent Nr. 4 796 984 offenbart wurde und das auf dem von Dyson (Quelle: J. Dyson, "Unit Magnification Optical System Without Seidel Aberrations", J. Opt. Soc. Am. 49(7), 713-716 (1959)) beschriebenen System basiert.
Ein monozentrisches katadioptrisches Verkleinerungssystem ist aus der DE-A-1 957 628 bekannt. Dieses System enthält einen unter einem Verhältnis von 1:1 arbeitenden Spiegel, wogegen die Verkleinerung des Systems durch monozentrische Linsen erzielt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein katadioptrisches optisches Verkleinerungssystem zu schaffen, das ein beliebiges von 1:1 abweichendes Verkleinerungsverhältnis ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem katadioptrischen System gemäß Anspruch 1 gelöst.
In einer Ausführungsform besteht die vorliegende Erfindung aus einem katadioptrischen optischen Verkleinerungssystem mit einer ersten Linsengruppe, einem dünnen verkippten Strahlteiler, einer zweiten Linsengruppe, einem sphärischen Spiegel und einer dritten Linsengruppe bei Betrachtung vom langen konjugierten Ende aus. Das System ist so angeordnet, daß es parallele Objekt- und Bildebenen aufweist und an dem kurzen konjugierten Ende telezentrisch ist. Alle refraktiven Elemente sind aus dem gleichen Material, nämlich synthetischem oder Schmelzquarz (fused silica) hergestellt. Koma geringer Ordnung, sphärische Aberration und Verzeichnung des Verkleinerungsspiegels werden durch die zweite Linsenqruppe korrigiert. Astigmatismus wird in allen Ordnungen vorzugsweise durch die zweite und dritte Linsengruppe korrigiert. Die Luftabstände der dritten Gruppe schaffen eine Korrektur für Koma höherer Ordnung und Verzeichnung. Eine Verzeichnung niederer Ordnung der ersten und dritten Linsengruppe werden gegeneinander ausgeglichen.
Ein verbleibender axialer Farbfehler wird durch den chromatischen Unterschied der Feldkrümmung ausgewogen. Ein lateraler Farbfehler der ersten Gruppe wird gegen den der dritten Gruppe ausgewogen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 8 umfaßt ein katadioptrisches optisches Verkleinerungssystem von dem langen konjugierten Ende zu dem kurzen konjugierten Ende eine vierte Linsengruppe, eine erste Linsengruppe, einen Strahlteiler, eine zweite Linserigruppe, einen Verkleinerungsspiegel und eine dritte Linsengruppe. Das System ist so angeordnet, daß die Gegenstands- und Bildebenen parallel sind. Das System ist an beiden Enden telezentrisch. Alle refraktiven Elemente sind aus dem gleichen Material, nämlich Schmelzquarz, hergestellt. Der Strahlteiler ist ein Würfel, ebenfalls aus Schmelzquarz.
Koma niederer Ordnung und sphärische Aberration des Verkleinerungsspiegels werden durch die zweite Linsengruppe korrigiert. Ein Astigmatismus wird in allen Ordnungen hauptsächlich durch die dritte Linsengruppe korrigiert, deren Luftabstände zudem eine Korrektur von Koma höherer Ordnung und von Verzeichnung schaffen. Eine Verzeichnung niederer Ordnung wird hauptsächlich durch Auswahl eines optimalen Stärkenverhältnisses zwischen der ersten und dritten Gruppe korrigiert.
Ein axialer Farbfehler (chromatischer Unterschied im Brennpunkt) wird gegen den chromatischen Unterschied der Feldkrümmung ausgewogen. Ein lateraler Farbfehler (chromatischer Unterschied in der Vergrößerung) der ersten Gruppe wird gegen den der dritten Gruppe ausgewogen.
Die vorliegende Erfindung weist allgemein Anwendbarkeit in der Projektionslithographie auf und ist bei Schrittwiederhol- (step-and-repeat), Schrittabtast- (step-and-scan) oder Vollfeldabtastsystemen nützlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems; und
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems.

BESCHREIBUNG

Fig. 1 stellt eine Ausführungsform des optischen Verkleinerungssystems 10 der vorliegenden Erfindung dar. Von seinem langen konjugierten Ende aus umfaßt es eine Objekt- oder Retide-Ebene 11, eine vierte Linsengruppe mit einer Schalenlinse 12 und einer positiven Linse 13, eine erste Linsengruppe mit einer Negativlinse 14 und einer Positivlinse 15. Ein Umlenkspiegel 16 ist zwischen der vierten und ersten Linsengruppe vorgesehen, d.h. zwischen dem Linsenpaar 12 und 13 und dem Linsenpaar 14 und 15. Wie man sehen kann, verändert der Umlenkspiegel 16 die Richtung der Strahlung um 90º und sein Zweck besteht darin, zu bewirken, daß die Gegenstands- und Bildebenen parallel sind und daß die gesamte Länge des optischen Systems verkürzt wird. Als nächstes ist ein Strahlteilerwürfel 17 vorgesehen, dem eine zweite Linsengruppe mit einer Positivlinse 18 und einer Negativlinse 19 folgt. Diese Anordnung der Linsengruppen wird manchmal als ein Dublett mit Luftabstand bezeichnet. Als nächstes kommt der konkave sphärische Spiegel 20. Schließlich kommt eine dritte Linsengruppe mit einer insgesamt positiven Verstärkung mit einer positiven Linse 21, einer geringfügig negativen Schalenlinse 22 und der positiven Linsen 23 und 24.
Bei dem Retide oder dem langen konjugierten Ende in das System eintretende Strahlung tritt durch die vierte Gruppe, nämlich die Linsen 12 und 13, wird durch den Umlenkspiegel 16 reflektiert und tritt durch die erste Linsengruppe hindurch, nämlich die Linsen 14 und 15, dann durch den Strahlteiler 17, die zweite Linsengruppe, nämlich die Linsen 18 und 19, wird durch den Spiegel 20 reflektiert und geht zurück wieder durch die Linsen 18 und 19, wird durch den Strahlteiler 17 reflektiert und geht durch die dritte Linsengruppe, weiche die Linsen 21, 22, 23 und 24 umfaßt und wird an der Bild- oder Waferebene 25 fokussiert.
Die Linsen 12 und 13 der vierten Linsengruppe und die Linsen 21, 22, 23 und 24 schaffen jeweils die Telezentrizität der Gegenstands- und Bildebenen 11 und 25.
Wie in dem verwandten Wynne-Dyson-System wird die Feldkrümmung und der Astigmatismus des sphärischen Spiegels 20 durch die gesamte Stärke der refraktiven Elemente kompensiert. Im Gegensatz zu dem Wynne-Dyson-System arbeitet der Spiegel 20 jedoch bei einem von 1:1 abweichenden Verkleinerungsverhältnis. Er erzeugt deshalb eine sphärische Aberration und Koma, die hauptsächlich durch das Luftabstandsdublett (Linsen 18, 19 der zweiten Gruppe) korrigiert werden unter wesentlicher Unterstützung von dem Strahlteilerwürfel in dem konvergenten Strahl zwischen der zweiten und dritten Gruppe. Das weitere durch ein von 1:1 abweichendes Verkleinerungsverhältnis entstehende Problem liegt darin, daß Verzeichnung korrigiert werden muß. Dies wird hauptsächlich durch die optimale Wahl der Stärke und der Lage zwischen der ersten und dritten Gruppe mit einiger Unterstützung von der vierten Gruppe und dem Strahlteilerwürfel erzielt.
Ein Problem mit dem ursprünglichen Dyson-System bestand darin, daß ein fast vernachlässigbarer kleiner Abstand zwischen der letzten optischen Oberfläche und der Bildebene besteht. Dies wird in dem Wynne-System durch die Verwendung eines zweiten brechenden Materials mit unterschiedlichem Brechurgsindex überwunden. In der vorliegenden Erfindung wird nur ein Material verwendet und die Luftabstände der dritten Gruppe (Linsen 21-24) erfüllen dasselbe Ziel. Zusätzlich schaffen sie eine Korrektur von Koma höherer Ordnung und Verzeichnung, die wiederum dann notwendig ist, wenn das Verkleinerungsverhältnis von 1:1 abweicht.
Das Betriebsverhalten des Wynne-Dyson-Systems ist durch Astigmatismus hoher Ordnung beschränkt. In der vorliegenden Erfindung wird dies im wesentlichen durch die vierte und Erste Gruppe korrigiert, insbesondere durch die Schalenlinse 12 und die schwache Negativlinse 14. Die hauptsächliche Korrektur von Astigmatismus niedriger Ordnung kommt durch die Stärke der dritten Gruppe.
Da der Hauptanteil der Verkleinerung durch den sphärischen Spiegel 20 geschaffen wird, sind die chromatischen Aberrationen inhärent klein. Ein verbleibender axialer Farbfehler (chromatischer Unterschied des Brennpunkts) wird nicht korrigiert, sondern mit der chromatischen Veränderung der Feldkrümmung aufgewogen, was die spektrale Bandbreite des Systems auf den Bereich von 240-256 Nanometer einschränkt. Dies ist mehr als ausreichend für eine Excimer-Laserquelle und erlaubt auch die Verwendung von gefiltertem Quecksilberbogenentladungslicht. Über diesen Bereich ist ein sekundäres Spektrum vernachlässigbar - ein Vorteil, der sich durch die Verwencung nur eines refraktiven Materials ergibt. Eine laterale Farbabweichung (chromatische Abweichung der Vergrößerung) wird durch das Aufwiegen der Stärke der ersten und dritten Gruppe korrigiert. Ein Sphärochromatismus (chromatische Abweichung der sphärischen Aberration) wird durch die zweite Gruppe minimiert.
Die Ausführungsform nach der Fig. 1 ist so entworfen, daß sie mit einer numerischen Aperatur von 0,45 bei einem Verkleinerungsverhältnis von 4:1 mit einem Bildfeld von 30 mm Durchmesser arbeitet.
Die Tabelle 1 ist ein Beispiel, das die Baudaten des entfalteten optischen Systems nach der Fig. 1 angibt. Tabelle I
Die Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt ein katadioptrisches optisches Verkleinerungssystem 30. Diese Ausführungsform ist ähnlich der nach Fig. 1, unterscheidet sich jedoch darin, daß die vierte Linsengruppe weggelassen ist und der Strahlteilerwürfel durch einen dünnen verkippten Strahlteiler ersetzt ist. Das Weglassen der vierten Linsengruppe führt zu einem Wegfall der Telezentrizität an der Seite des Objekts oder ier Reticle-Ebene, die keine Notwendigkeit darstellt. Zudem wird durch ein solches Weglassen mehrerer refraktiver Elemente wie auch die Verwendung eines dünnen Strahlteilers eine Verwendung des optischen Systems nach Fig. 2 tiefer im UV ermöglicht, da die Absorption verringert ist. Die Ausführungsfcrm der Fig. 2 ist so entworfen, daß sie mit einer numerischen Apertur von 0,45 bei einem Verkleinerungsverhältnis von 4:1 mit einer bei einer Mittenwellenlänge von 193 nm ± 1 nm angeordneten Lichtquelle arbeitet und ein Bildfeld von 20 × 5 mm aufweist.
Von dem langen konjugierten Ende aus, nämlich beginnend bei dem Gegenstand oder der Retide-Ebene 31 des optischen Systems nach Fig. 2, ist ein Umlenkspiegel 32 vorgesehen, der das in das System eintretende Licht oder die Strahlung umlenkt, wodurch ermöglicht wird, daß die Objekt- und Bildebene parallel sind. Auf den Umlenkspiegel 32 folgt eine erste Linsengruppe mit einer Positivlinse 33, einer Negativunse 34 und einer Positivlinse 35, ein dünner Strahlteiler 36 mit parallelen Ebenen, eine zweite Linsengruppe mit nur einer Negativlinse 37, ein konkaver sphärischer Spiegel 38 und eine dritte Linsengruppe mit einer Positivlinse 39, einer Schalenlinse 40, einer Positivlinse 41, einer Schalenlinse 42 und einer Positivlinse 43. Diese letzte Gruppe schafft neben anderen Funktionen auch die Telezentrizität an der Bild- oder Waferebene 44.
Die erste Linse 33 der ersten Linsengruppe kollimiert die in den Strahlteiler 36 eintretenden Strahlen, der anderenfalls einige Aberrationen hervorrufen würde.
Wie in der ersten Ausführungsform wird die Feldkrümnung urd der Astigmatismus des sphärischen Spiegels 38 durch die gesamte Stärke der refraktiven Elemente aufgewogen. Der Spiegel 38 arbeitet wieder bei einem von 1:1 abweichenden Verkleinerungsverhältnis. Er erzeugt daher sphärische Aberrationen und Koma, die hauptsächlich durch die Linse 37 korrigiert werden. Die Verzeichnung wird hauptsächlich durch die optimale Wahl der Stärke und Lage der ersten und dritten Gruppen korrigiert.
Die Luftabstände in der dritten Gruppe (Linsen 39-43) erlauben einen begrenzten Freiraum zwischen der letzten optischen Oberfläche und der Bildebene. Zusätzlich schaffen sie eine Korrektur für Koma höherer Ordnung und Verzeichnung, die wieder bei einem von 1:1 abweichenden Verkleinerungsverhältnis notwendig ist.
Die Korrektur von Astigmatismus niederer Ordnung kommt vorherrschend von der Stärke der dritten Gruppe. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform ist eine Korrektur von Astigmatismus höherer Ordnung in der dritten Gruppe enthalten, was den Grund dafür darstellt, warum die Gruppe ein Element mehr als die dritte Gruppe nach der ersten Ausführungsform aufweist.
Ein verbleibender axialer Farbfehler (chromatische Abweichung im Brennpunkt) wird erneut durch die ohromatische Veränderung der Feldkrümmung aufgewogen, was die spektrale Bandbreite des Systems auf den Bereich von 192-194 Nanometer beschränkt. Dieser spektrale Bereich ist geringer als bei der ersten Ausführungsform, da sich die Dispersion von Schmelzguarz bei kürzeren Wellenlängen rasch erhöht. Er bleibt jedoch für eine Excimer-Laserquelle ausreichend, erlaubt jedoch nicht mehr die Verwendung einer gefilterten Quecksilberbogenentladungslampe.
Die Konstruktionsdaten der Ausführungsform nach Fig. 2 in entfalteter Form sind in Tabelle II angegeben. TABELLE II
Der Hauptunterschied zwischen den oben diskutierten beiden optischen Verkleinerungssystemen besteht darin, daß eines zum Betrieb bei 248 nm und das andere bei 193 nm entworfen war. Man sollte jedoch erkennen, daß die optischen Systeme zum Betrieb bei anderen Wellenlängen modifizierbar sind. Beide optischen Systeme sind ungewöhnlich kompakt, beispielsweise weist das optische System nach Fig. 1 eine Länge von weniger als 0,5 Meter auf. Bei Verkleinerung der Objektfelder kann das System noch kompakter gemacht werden.
Diese und andere Abwandlungen sind im Lichte der obigen Beschreibung möglich, die nicht dahingehend angesehen werder sollte, daß über die Ansprüche hinausgehende Beschränkungen dadurch geschaffen werden sollen.

Claims

1. Ein katadioptrisches optisches Verkleinerungssystem (30), das von dem langen konjugierten Ende zu dem kurzen konjugierten Ende hin umfaßt:

eine erste Linsengruppe (33, 34, 35; 14, 15);

einen Strahlteiler (36; 17);

eine zweite Linsengruppe (37; 18, 19);

einen Spiegel (38; 20);

eine dritte Linsengruppe (39-43; 21-24);

die derart angeordnet sind, daß in das System eintretende Strahlung durch die erste Linsengruppe (33, 34, 35; 14, 15), den Strahlteiler (36; 17), die zweite Linsengruppe (37; 18, 19) hindurchtritt und durch den Spiegel (38; 20) zurück durch die zweite Linsengruppe (37; 18, 19) reflektiert wird und durch den Strahlteiler (36; 17) reflektiert wird und durch die dritte Linsengruppe (39-43; 21-24) hindurchgeht,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Spiegel (38; 20) ein Verkleinerungsspiegel mit einem von 1:1 abweichenden Verkleinerungsverhältnis ist, und daß der Spiegel sphärische Aberration, Koma und Verzeichnung erzeugt, die korrigiert werden durch die zweite Linsengruppe, die entweder durch ein Luftabstandsdublett (18, 19) oder eine Negativlinse (37) gebildet wird, und durch Luftabstände in der dritten Linsengruppe.

2. Ein optisches System gemäß Anspruch 1, wobei die Stärke der ersten Linsengruppe (33, 34, 35; 14, 15) gegen die Stärke der dritten Linsengruppe (39-43; 21-24) zur Korrektur lateraler Farbfehler und weiter von Verzeichnung ausgewogen ist.

3. Ein optisches System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste, zweite und dritte Linsengruppe und der Strahlteiler aus dem gleichen Material aufgebaut sind.

4. Ein optisches System gemäß Anspruch 3, wobei das Material Schmelzquarz ist.

5. Ein optisches System gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der Strahlteiler ein Würfel ist.

6. Ein optisches System gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der Strahlteiler (36; 17) einer verkippte dünne parallele Platte ist.

7. Ein optisches System gemäß Anspruch 6, wobei die erste Linsengruppe (33, 34, 35) eine Vorrichtung (33) zum Kollimieren von Strahlung enthält, bevor sie in den Strahlteiler eintritt.

8. Ein optisches System gemäß Anspruch 5, das weiter eine vierte Linsengruppe (12, 13) enthält, die vor der ersten Linsengruppe (14, 15) angeordnet ist und Telezentrizität an dem langen konjugierten Ende schafft.

9. Ein optisches System gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die dritte Linsengruppe (39-43; 21-24) Telezentrizität an dem kurzen konjugierten Ende schafft.