JP2005519348A - 液浸リソグラフィ用の屈折投影対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 液浸リソグラフィに適しており、妥当な全体寸法であると共に、液浸リソグラフィに適した高開口数、ウェハステッパまたはウェハスキャナに実際に使用するのに十分な大きさの像フィールド、及び良好な補正状態を備えた屈折投影対物レンズを製造する。
【解決手段】 屈折投影対物レンズにおいて、該投影対物レンズの最終光学素子と該投影対物レンズの像面との間に配置された液浸媒体を使用して、該投影対物レンズの物体面上に配置されたパターンを前記像面に投影する屈折投影対物レンズであって、前記物体面に続く、負の屈折力を有する第１レンズ群（ＬＧ１）と、該第１レンズ群に続く、正の屈折力を有する第２レンズ群（ＬＧ２）と、該第２レンズ群に続く、負の屈折力を有する第３レンズ群（ＬＧ３）と、該第３レンズ群に続く、正の屈折力を有する第４レンズ群（ＬＧ４）と、該第４レンズ群に続く、正の屈折力を有する第５レンズ群（ＬＧ５）と、前記第４及び第５レンズ群間の最大ビーム直径の領域内に配置された光学系アパーチュア（５）と、を備える屈折投影対物レンズ。

Description

本発明は、屈折投影対物レンズであって、投影対物レンズの最終光学素子と投影対物レンズの像面との間に配置された液浸媒体を使用して、投影対物レンズの物体面上に配置されたパターンを像面に投影する屈折投影対物レンズに関する。

半導体構成部品及び他の微細構造の構造部品を製造するために、フォトリソグラフィ投影対物レンズが何十年にもわたって使用されてきた。それらは、以下にマスクまたはレチクルとも呼ぶフォトマスクまたはレチクルのパターンを、感光層を塗布した物体上に超高解像度で縮小して投影するために使用される。

主に並行する３つの開発が、１００ｎｍ以下のオーダーの非常に微細な構造体の製造に貢献している。第１に、投影対物レンズの像側の開口数（ＮＡ）を、現時点で一般的な値を超えてＮＡ＝０．８以上近くに高めようとする試みが行われている。第２に、さらに短い波長、好ましくは、２６０ｎｍ未満、たとえば、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍまたはそれ以下の波長の紫外線が使用されている。最後に、解像度を高めるために、さらに他の方法が、たとえば、位相シフトマスク及び／または斜め照明が使用されている。

また、高屈折率の液浸媒体を投影対物レンズの最終光学素子と基板との間の空間に導入することによって、達成可能な解像度を改善する方法もすでに存在する。この技法を本明細書では液浸リソグラフィと呼ぶ。液浸媒体の導入により、有効波長：
λ_ｅｆｆ＝λ_０／ｎ
が得られ、λ_０は真空動作波長であり、ｎは液浸媒体の屈折率である。これによって解像度：
Ｒ＝ｋ_１（λ_ｅｆｆ／ＮＡ_０）
が得られ、焦点深度（ＤＯＦ）：
ＤＯＦ＝±ｋ_２（λ_ｅｆｆ／ＮＡ_０ ^２）
であり、ＮＡ_０＝ｓｉｎθ_０は、「ドライ」開口数であり、θ_０は、対物レンズの開口角の半分である。実験定数ｋ_１及びｋ_２は、プロセスによって決まる。

液浸リソグラフィの理論的利点は、有効動作波長が短くなること、及びそれによって向上する解像度にある。これは、変化しない真空波長と組み合わせて達成され、光の発生、光学材料の選択、塗布技術などのためにこのように確立された技法は概ね、適切な波長を変化させることなく、採用することができる。しかし、ＮＡ＝１以上付近の非常に高い開口数を有する投影対物レンズを提供する方法が必要とされている。また、適当な液浸媒体も入手できなければならない。

Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．第１９巻（６）２００１年１１月／１２月、ｐ．１以降のＭ．Ｓｗｉｔｋｅｓ及びＭ．Ｒｏｔｈｓｃｈｉｌｄ著「Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｔ １５７ｎｍ（１５７ｎｍでの液浸リソグラフィ）」と題する論文は、１５７ｎｍの動作波長に対して十分な透過性を有すると共に、マイクロリソグラフィで現在使用されている幾つかのフォトレジスト材料に適合するパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）を基剤にした液浸流体を提示している。１つの試験液浸流体は、１５７ｎｍでｎ＝１．３７の屈折率を有する。この出版物はまた、ＮＡ＝０．８６の開口数と組み合わせて６０ｎｍ以下の構造体を投影できることを意図した液浸干渉リソグラフィ用の、フッ化カルシウム素子及びシリコンミラーで動作する無レンズ光学系も記載している。この光学系は、半導体などの連続生産に使用するのには適していないであろう。

米国特許明細書第５，６１０，６８３号（ＥＰ第０ ６０５ １０３号に対応）は、液浸リソグラフィ用に設けられて、投影対物レンズ及び基板間に液浸流体を導入する装置を有する投影露光装置を記載している。投影光学系用の構造は特定されていない。

米国特許明細書第５，９００，３５４号は、液浸リソグラフィの液浸媒体として、超臨界流体、たとえば、キセノンガスを使用することを提案している。適当な投影対物レンズ用の構造は示されていない。

本発明の目的は、液浸リソグラフィに適しており、妥当な全体寸法であると共に、液浸リソグラフィに適した高開口数、ウェハステッパまたはウェハスキャナに実際に使用するのに十分な大きさの像フィールド、及び良好な補正状態を備えた屈折投影対物レンズを製造することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する投影対物レンズによって達成される。好都合な実施形態が、従属請求項に特定されている。請求項すべての用語は、参照によって本記載に援用される。
米国特許明細書第５，６１０，６８３号 ＥＰ第０ ６０５ １０３号 米国特許明細書第５，９００，３５４号 Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．第１９巻（６）２００１年１１月／１２月、ｐ．１以降のＭ．Ｓｗｉｔｋｅｓ及びＭ．Ｒｏｔｈｓｃｈｉｌｄ著「Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｔ １５７ｎｍ（１５７ｎｍでの液浸リソグラフィ）」と題する論文

発明を実施するための形態

本発明の１つの態様によれば、屈折投影対物レンズにおいて、投影対物レンズの最終光学素子と投影対物レンズの像面との間に配置された液浸媒体を使用して、投影対物レンズの物体面上に配置されたパターンを像面に投影する屈折投影対物レンズが、
物体面に続く、負の屈折力を有する第１レンズ群と、
それに続く、正の屈折力を有する第２レンズ群と、
それに続く、負の屈折力を有する第３レンズ群と、
それに続く、正の屈折力を有する第４レンズ群と、
それにに続く、正の屈折力を有する第５レンズ群と、
第４レンズ群及び第５レンズ群間の最大ビーム直径の領域内に配置された光学系アパーチュアと、
を備えている。

この屈折力分布は、２つの胴部及びその間のウエストを有する投影対物レンズを形成し、それにより、像面の湾曲を良好に補正することができる。光学系アパーチュアは、像面に隣接した胴部の最大ビーム直径の領域に設けられ、好ましくは、最大ビーム直径の少なくとも９０％または９５％が、像に近い胴部内で光学系アパーチュアの位置に存在する。一定の実施形態では、光学系アパーチュアは、像に近い最大ビーム直径の平面と像面との間に、したがって、対物レンズの徹照直径がすでに像面に向かって減少している領域内に位置することができる。このことは、光学系アパーチュアが、像に近い胴部の最大ビーム直径の領域から前方に比較的大きく離れて物体側に位置する従来の屈折投影対物レンズと大きく異なっている。

この構造により、像側の開口数ＮＡ≧０．９が可能であり、好適な実施形態の場合、ＮＡ＝１．１以上を達成することが可能である。好適な投影対物レンズは、動作波長で屈折率ｎ＞１．３を有する液浸流体に適応する。その結果、液浸式でない光学系と比較して、有効動作波長を３０％以上も減少させることができる。

投影対物レンズは、液浸媒体によって満たされる空間の軸方向厚さが非常に小さく、そのため、液新媒体での透過損が、貫通光強度の１０〜２０％にすぎない。したがって、２００μｍ未満、特に、１００μｍ未満の像側動作距離が好都合である。他方、最終光学素子と基板表面とのタッチコンタクトを回避する必要があるので、１０〜２０μｍである動作距離の下限を下回ってはならない。適当な透過性の液浸媒体を設ければ、約１ｍｍ以上の大きい動作距離も可能である。

好適な投影対物レンズは、対物レンズが液浸対物レンズとして適するために単独でまたは組み合わせて必要とされる多くの好都合な構造的及び光学的特徴によって特徴付けられる。

たとえば、レンズ群の屈折力が、光学系アパーチュアの両側で同程度の大きさであることが好ましい。特に、第４レンズ群の焦点距離及び第５レンズ群の焦点距離の比を、約０．９〜約１．１にすることができる。同様に、物体付近のレンズ群及び像付近のレンズ群の焦点距離または屈折力を同様の大きさにすることが好ましいであろう。特に、第１レンズ群及び第５レンズ群の焦点距離の大きさの比を、約０．７〜約１．３、好ましくは約０．９〜約１．１にすることができる。さらに、強い正の屈折力が像の近くの領域に集中する時、像側開口数を高くすることが好都合であろう。好適な実施形態では、投影対物レンズの全長と光学系アパーチュアに続く第５レンズ群の焦点距離との比が、５より大きく、特に６、７、さらには８より大きい。本明細書では、物体面及び像面間の軸方向距離を全長と呼ぶ。

良好な補正状態を得るために、好適な実施形態では、第１レンズ群が、少なくとも１つの非球面を有するようになっている。好ましくは、複数の、たとえば、２つの非球面を設けることもできる。この領域内の非球面は、ゆがみ及び非点収差の補正に特に有効に役立つ。さらに、コマ収差及び非点収差の補正のために、ウエストの領域内に位置する第３レンズ群が、少なくとも１つの非球面を有することが好ましく、複数の非球面、たとえば、２つの非球面が好ましい。好適な実施形態の場合、投影対物レンズの補正状態の微設定を容易にするために、各レンズ群内に少なくとも１つの非球面が設けられる。レンズの製造を簡単にする観点から、好適な実施形態の場合のように、非球面の数を、たとえば、９個未満か、または７個未満にすべきである。

本発明に従った投影対物レンズの好都合な投影特性、特に、開口数が非常に高い場合の良好な補正状態は、使用するレンズの形式及び配置に関連した幾つかの特別な特徴によって高められる。たとえば、負の屈折力を有する、物体面に対して凸状の少なくとも１つのメニスカスレンズを物体面の近傍域に、特に第１レンズ群内に配置することが好都合である。このレンズは、たとえば、対物レンズの第３レンズを形成することができ、接線非点収差の補正に好都合である。

第２レンズ群は好ましくは、物体面に対して凹状で、物体面に面する側に正の屈折力を有する少なくとも１つの、特に複数のメニスカスレンズを有する。これらは好ましくは、第２レンズ群の、物体面に対して凸状であって、像面に面する出射側に正の屈折力を有する少なくとも１つの、好ましくは複数のメニスカスレンズと組み合わされる。好ましくは、少なくとも１つの両凸正レンズが、逆に湾曲したメニスカスまたはメニスカス群間に位置する。その結果、物体面に対して凹状の少なくとも１つの正メニスカスレンズ、両凸正レンズ、及び像面に対して凹状の少なくとも１つの正メニスカスレンズの連続配列が、第２レンズ群内に形成される。第１胴部の比較的大きいビーム直径の領域のこのレンズ連続配列は、光学面の低い面応力と共に、この領域内の主光線の強い「変形」に好都合である。これは、投影対物レンズの低い全非点収差に好都合である。光学面に衝突する光線の入射角ができる限り小さく、臨界値を超えない時は常に、本出願の意味で好都合な面応力が生じる。本明細書で、入射角とは、光線が光学面に衝突する方向と、光線の衝突点で光学面に垂直な表面との間の角度のことである。入射角が小さいほど、したがって、面応力が低いほど、適当な反射防止膜の開発が容易であり、調節に対する設計の許容差が大きくなる。

光線の最狭くびれ領域をウエストと呼ぶ。ウェスト領域内の第３レンズ群は、第１胴部の下流側で集束する放射光線を、できる限り小さい非点収差で、再拡大するという仕事を行う。この目的のため、第３レンズ群が、負の屈折力を有するレンズだけを有することが好都合である。第３レンズ群内に位置する対称面に関して、第３レンズ群がほぼ対称構造であることが、特に好都合であることがわかった。これは特に、同一形式の互いに対応したレンズが、対称面の物体側及び像側に配置されていることによって特徴付けられる。レンズ形式の対称性は好ましくは、第２及び第４レンズ群の境界領域にも拡大されて、第２レンズ群の、第３レンズ群に面する出射領域、及び第４レンズ群の、第３レンズ群に続く入射領域を、第３レンズ群内に位置する対称面に関してほぼ対称的に構成することができる。負及び正のメニスカスレンズの対称配置については、実施形態に関連してさらに詳細に説明する。対称性は、非点収差を少なくすると共に、レンズの面応力の減少を促進する。

両凸正レンズ、及び像側に続いた、物体側に凹状のレンズ面を有するメニスカス形負レンズを有する少なくとも１つの二重レンズが好ましくは、光学系アパーチュアのすぐ上流側に、すなわち、第４レンズ群内に設けられている。互いに直接的に続くことができる２つのそのような二重レンズを有する実施形態が特に好ましい。像面に対して凸状の正の空気レンズが、それぞれ二重レンズのレンズ間に配置されている。集光両凸レンズ及び発散メニスカスからなるそのような二重レンズは、補正状態に対して積極的な効果を与え、光学系アパーチュアの下流側の強い正の回折力を有するレンズによって導入される非点収差を打ち消すことができる。さらに、面応力を低くすると共に、ウエストから出る放射光線を集めるために、第４レンズ群の物体側入射領域に、物体側に凹状であって正の屈折力を有する少なくとも１つのメニスカスレンズを配置することが好都合であろう。

非常に高い開口数を得るために、第５レンズ群が正レンズだけを有することが好都合である。たとえば、開口絞り及び像面間に４つ以上の正レンズを配置することができる。この場合、正の屈折力を有して像側に凹状の少なくとも１つのメニスカスレンズを第５レンズ群内に設ける時はいつも、好適な表面負荷を達成することができる。特に、２つ以上のそのようなレンズを設けることができる。最終光学素子は、好ましくは球形の入射面及びほぼ平坦な出射面を備えた平凸レンズによって形成されることが好ましい。これにより、一方では、球面収差及びコマ収差の良好な補正を達成することができ、また他方では、ほぼ平坦な出射面が、液浸リソグラフィに好都合である。好適な実施形態では、平凸レンズは、非半球状であって、球面の中心が、レンズの外に位置している。この形式の切頭半球レンズは、動作距離のばらつきに対して感受性を低くすることができる。

これらの設計原理の一部またはすべてを適用することにより、レンズの表面負荷を低く保持し、それにより、ＮＡ＝０．９または１を超える開口数であっても、正弦が、像側の開口数の約９０％、さらには約８５％を超えるような入射角が光学面のいずれにも発生しない好適な実施形態で成功することができ、これにより、レンズのコーティング及び対物レンズの調節が容易になる。

好適な実施形態では、投影対物レンズのすべてのレンズが、同一材料からなる。たとえば、１９３ｎｍの動作波長用には合成石英ガラスを、１５７ｎｍの動作波長用にはフッ化カルシウムを、材料として使用することができる。一種類の材料だけを使用することにより、製造が容易になると共に、対物レンズ構造を他の波長に簡単に適応させることができる。たとえば、色収差の補正を助けるために、複数種類の材料を組み合わせることも可能である。ＢａＦ_２、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＳｒＦ、ＭｇＦ_２などの他の紫外線透過材料を使用することもできる。

特許請求の範囲に加えて、説明及び図面も上記及びさらなる特徴を開示しており、本発明の実施形態及び他の分野で、個々の特徴が、それぞれ単独に、または複数が部分的組み合わせの形で実現され、また、本質的に保護することができる好都合な構造を構成することができる。

好適な実施形態の以下の説明で、「光学軸」という用語は、光学部品の曲率中心を通る直線を意味する。方向及び距離は、像面、またはその位置にあって露光されるべき基板の方向に並んでいる時、像側または像の方に向かうものとし、また、それらが光学軸を基準にして物体の方に向かう時、物体側または物体の方に向かうものとして記載される。例示では、物体は、集積回路のパターンを有するマスク（レチクル）であるが、他のパターン、たとえば、格子でもよい。例示として、像は、基板として機能するウェハ上に形成され、ウェハにはフォトレジスト層が設けられているが、他の基板、たとえば、液晶ディスプレイまたは光学格子用の基板用の部品も可能である。特定の焦点距離は、空気を基準にした焦点距離である。

わかりやすくするために、以下ではさまざまな実施形態の同一または相互に同等の特徴を同一の参照記号で示す。

本発明に従った純粋屈折縮小対物レンズ１の実施形態の典型的な構造が、図１に示されている。それは、実質的に均質な液浸と組み合わせて、物体面２上に配置されたレチクルなどのパターンを像面３に、たとえば、５：１の縮尺で縮小して投影する働きをする。これは、物体面及び像面に垂直な光学軸４に沿って配置された５つのレンズ群を有する回転対称の単一ウエスト光学系であり、５つのレンズ群は、物体側胴部６、像側胴部８及びその間のウエスト７を形成している。物体面２に続く第１レンズ群ＬＧ１は、負の屈折力を有し、焦点距離が−１６６ｍｍである。それに続く第２レンズ群ＬＧ２は、正の屈折力を有し、焦点距離が１２１ｍｍである。それに続く第３レンズ群ＬＧ３は、負の屈折力を有し、焦点距離が−３３ｍｍである。それに続く第４レンズ群ＬＧ４は、正の屈折力を有し、焦点距離が１６６ｍｍであり、したがって、それは、大きさの点では、第１レンズ群の焦点距離と同じである。それに続く第５レンズ群ＬＧ５は、正の屈折力を有し、焦点距離が１７０ｍｍであり、これは、大きさの点では、第４レンズ群及び第１レンズ群ＬＧ１の焦点距離のオーダーである。像付近の最大ビーム直径の、すなわち、対物レンズの第２胴部８内の領域において、第４レンズ群ＬＧ４及び第５レンズ群ＬＧ５間に光学系アパーチュア５が配置されている。

物体面２に続く第１レンズ群ＬＧ１は、光束を拡大して第１胴部６を生じる役割を実質的に果たしている。それは、負の屈折力を有する３つのレンズ１１、１２、１３を有し、第１レンズ１１及び第２レンズ１２は、両凸負レンズとして構成されている。第３レンズ１３は、発散メニスカスであり、その場合、固有の特徴として、凹面側が、物体２の方ではなく、像面３の方に向いている。この配置は、接線非点収差を補正するのに非常に好ましい。そうでなければ、第１レンズ群は、特に第２及び第３レンズの入射側に２つの非球面を有する。非球面は、ゆがみ及び非点収差の非常に良好な補正に積極的な効果を有する。

第２レンズ群ＬＧ２は、凹面側がレチクルすなわち物体面２に面する４つの集光メニスカス１４、１５、１６、１７と、両凸正レンズ１８と、凹面側がウェハすなわち像面３に面する２つの集光メニスカス１９、２０とを有する。メニスカス面の湾曲が、両凸レンズ１８の物体側及び像側で逆方向になって、凹面が互いにそらされているこの構造では、メニスカス及び正レンズ１８に対する面応力を確実に小さくし、したがって、収差をほとんどなくすことができる。両凸正レンズ１８及び次のメニスカスレンズ１９間の両凹空気レンズは、それの強い非点収差不足補正で、ウエスト７の上流の光学系における前部分内の非点収差のつりあいに好都合な影響を有する。

第３レンズ群ＬＧ３は、専ら発散レンズで、詳しく言うと、像側に凹面を有する負のメニスカスレンズ２１、それに続く両凹負レンズ２２、それに続くさらなる両凹負レンズ、及びそれに続く、物体側に凹面を有する負のメニスカスレンズ２４で構成されている。これらの４つのレンズは、レンズ２２及び２３間に位置する対称面９に関して、レンズの形式（メニスカスレンズまたは両凹レンズ）及び光学面の湾曲方向の点で鏡像対称に構成されている。第２レンズ群の最後の２つのレンズ１９、２０、及びそれに続く第４レンズ群ＬＧ４の最初の２つのレンズ２５、２６と共に、一連の２つの集光メニスカス１９、２０及び１つの発散メニスカス２１が設けられており、これらの３つはすべて、ウエストすなわち対称面９に面する凹面を有する。反対の鏡像方向に、すなわち、対称面９の像側に、ウエスト位置すなわち最小直径領域内で、やはり２つの両凹負レンズ２２、２３に第４レンズ群の発散メニスカス２４及び２つの集光メニスカス２５、２６が続く。対称面９に関して鏡像対称であるこの構造は、低緊張状態、すなわち光学面の低面応力を支え、したがって収差がほとんどない。

第３レンズ群は、最小レンズ２２の出射面及び負のメニスカスレンズ２４の出射面の形で、２つの非球面を有し、これらは、コマ収差及び非点収差の補正に大きく貢献する。

第４レンズ群ＬＧ４は、入射側に２つの正メニスカスレンズ２５、２６を有し、これらは、物体面側が凹面であり、それらに続いて２つの二重レンズ２７、２８及び２９、３０が設けられている。二重レンズの各々は、物体側にそれぞれ集光両凸レンズ２７及び２９を、その下流側にそれぞれ発散メニスカス２８及び３０を有し、凹面は物体面に面している。強く球面過補正された２つの発散メニスカス２８（ｆ’＝−７２８ｍｍ）及び３０（ｆ’＝−９８１ｍｍ）は、光学系アパーチュア５の下流側に続く第５レンズ群ＬＧ５の強い不足補正の集光レンズの影響を打ち消す。二重レンズ内の集光両凸レンズ及び発散メニスカスの組み合わせは、第２胴部８の領域での像誤差の補正に非常に積極的な効果を有する。接線非点収差の強い過補正により、２つのメニスカス２８、３０、特に肉厚のメニスカス２８が、第５レンズ群ＬＧ５内の不足補正の影響を打ち消す。

光学系アパーチュア５の下流側に位置する第５レンズ群ＬＧ５は、高開口数の生成に大きい役割を果たす。この目的のために、専ら集光レンズが設けられ、具体的には、光学系アパーチュア５の領域に配置されて、像側に凹面を有する正のメニスカスレンズ３１と、それに続く、わずかに湾曲した入射側及びより強く湾曲した出射側を有する両凸正レンズ３２と、それに続く、像側に凹面を有する正のメニスカスレンズ３３と、同様に像側に凹面を有するさらなる正メニスカスレンズ３４と、球面入射側及び平面出射側を有する最終段の平凸レンズ３５とが設けられている。正レンズ３１、３２、３３及び３４は、強い球面不足補正状態にあると共に、コマ収差に関して過補正状態にある。したがって、この構造の場合、球面収差及びコマ収差の補正は実質的に、光学系アパーチュア５の上流側に位置してこれらの収差の対応の埋め合わせを行う第４レンズ群ＬＧ４の構造と組み合わせて行われる。

したがって、第４レンズ群ＬＧ４及び第５レンズ群ＬＧ５は協働して、非球面収差及びコマ収差の良好な補正状態を達成する役割を果たす。第１二重レンズの両凸レンズ２７の入射側の非球面が、球面収差と共に第３次のコマ収差の補正も大きく支援する。第５レンズ群ＬＧ５の入射位置の、物体側に凸状の正メニスカスレンズ３１の出射側の、光学系アパーチュア５付近に配置された非球面が主に、より高次の収差を補正し、それにより、良好な収差妥協の設定に大きな役割を果たす。開口収差及びコマ収差の補正に対する同様の積極的な影響が、平凸レンズ３５の球面凸状入射面によって与えられる。平凸レンズは、球面過補正であると共に、コマ収差に関して補正不足である。

光学系は、像側に約８．４ｍｍの動作距離を有し、これを液浸流体１０で満たすことができる。液浸液体として、１９３ｎｍでは、たとえば、脱イオン水（屈折率ｎ＝１．４５）または他の適当な透明液体を使用することができる。

光学系１の補正状態は優れている。すべての収差が補正されている。４ｍλでは、波面変形のＲＭＳ値が非常に小さい。領域内のすべてのフィールド点のゆがみは、１ｎｍ未満である。したがって、１９３ｎｍの動作波長で動作する投影対物レンズが形成され、従来のレンズ製造及び塗布技法を用いて製造することができ、１００ｎｍより相当に小さい構造物の分析が可能である。

上記構造は、均質液浸を使用することにより、近視野リソグラフィにも基本的に適している。この目的のために、たとえば、合成石英ガラスで構成することができるレンズを形成するために、最終段の平凸レンズ３５を液浸層１０と組み合わせる必要がある。エバネッセントフィールドの十分な光エネルギを結合させるために、この場合、投影対物レンズの出射面及び像面間の動作距離が約１００ｎｍ以下でなければならない。

構造の詳細が、表１に表形式で既知のように要約されている。この場合、第１欄は、屈折表面か、または別の方法で区別された表面の番号を示し、第２欄は、表面の半径ｒ（ｍｍ単位）を示し、第３欄は、次の表面からの距離ｄ（ｍｍ単位）を厚さとしてを示し、第４欄は、光学部品の材料を示し、第５欄は、入射面に続く部品の材料の屈折率を示す。レンズの使用可能自由半径、すなわち自由直径の半分（ｍｍ単位）が、第６欄に示されている。

本実施形態の場合、表面のうちの６個、すなわち、表面４、６、１５、２９、３４及び４４が非球面である。表２は、対応の非球面データを示し、非球面は、次の法則：
ｐ（ｈ）＝［（（１／ｒ）ｈ_２）（１＋ＳＱＲＴ（１−（１＋Ｋ）（１／ｒ）^２ｈ^２））］＋Ｃ１^＊ｈ^４＋Ｃ２^＊ｈ^６＋・・・
を使用して計算される。但し、半径の逆数（１／ｒ）が表面曲率を規定し、ｈは、光学軸から表面点までの距離である。したがって、ｐ（ｈ）は、いわゆる矢、すなわち、ｚ方向、すなわち、光学軸の方向において表面頂点から表面点までの距離を示す。定数Ｋ、Ｃ１、Ｃ２・・・は、表２に示されている。

これらのデータを使用して再現することができる光学系１は、約１９３ｎｍの動作波長用に構成されており、それのすべてのレンズに使用される合成石英ガラスは、屈折率ｎ＝１．５６０２９を有する。像側開口数は、１．１である。光学系は、液浸媒体１０のｎ＝１．５６の屈折率に適合し、これにより、光を液浸層１０内に実質的に理想的に結合することができる。対物レンズは、全長（像面及び物体面間の距離）が１１６２ｍｍである。像サイズが２２ｍｍの場合、２４．１ｍｍの光コンダクタンス（開口数及び像サイズの積、ｅｔｅｎｄｕｅまたは幾何学的フラックスとも呼ばれる）が得られる。

図２を使用して、図１に示された投影対物レンズの変更例を説明する。わかりやすくするために、同一形式または同一機能のレンズまたはレンズ群は同一の参照記号で示す。光学系１’は、液浸媒体の屈折率ｎ＝１．３７用に最適化されており、これは、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）を基剤にした液浸流体の屈折率の場合の、文献から既知になっている値の１５７ｎｍに対応する。

第４及び第５レンズ群は、構造の点で、図１に従ったものと異なっている。ＬＧ４において、第１図の第１二重レンズの肉厚メニスカスレンズ２８が、わずかだけ湾曲した出射側を有する物体側両凹負レンズ２８’と、それに対応してわずかだけ湾曲した入射側を有する後続の両凸正レンズ２８”とに分割されている。この分割により、この領域の光学面の面応力がさらに減少する。周縁投影光線は、物体側に凹状のメニスカス３０の入射面の上流で後続のレンズ２９、３０間に位置する空気空間に集束状態で入る。第５レンズ群ＬＧ５において、光学系アパーチュア５の下流側にあって、図１の構造の場合には分離していた入射側レンズ３１、３２が結合されて、単一の両凸正レンズ３２’を形成している。これは、光学系アパーチュア５の下流側に離して設けられ、特に容易にアクセスすることができる。さらなる固有の特徴は、光学系アパーチュア５が、像側の最大ビーム直径の平面と像面３との間、すなわち、レンズの徹照直径が像面に向かってすでに減少してる場所に位置することにある。その他のレンズは、図１の同一参照記号のレンズの形式及び順序に対応している。この構造の場合も、すべてのレンズが合成石英ガラス製である。上記表記法でのこの構造の詳細が、表３及び４に記載されている。

図３には、投影対物レンズ１”の、１５７ｎｍの動作波長用に構成された第３実施形態が示され、それの詳細が、表５及び６に示されている。レンズの順序及び形式から、この構造が図１及び図２によって説明した設計原理に基づくことがわかり、そのため、対応機能を有するレンズ及びレンズ群には同一の参照記号を使用する。図１に従った実施形態の場合と同様に、対物レンズの第１両凹負レンズ１１の上流側には、光学素子がまったく配置されていない。図２に従った実施形態の場合と同様に、第４レンズ群ＬＧ４で、図１では一体部品である肉厚のメニスカス２８が、両凹負レンズ２８’及びその直後の両凸正レンズ２８”に分割されている。図２に従った実施形態の場合とまったく同様に、図１に従った実施形態の入射側レンズ３１、３２の機能を、単一の両凸正レンズ３２’が引き継ぎ、これは、像面に向かう光線の結合を開始する。図２に従った実施形態の場合と同様に、光学系アパーチュア５は、第２胴部８内で最大ビーム直径の領域の下流側に、すなわち、ビーム直径が像面に向かって再び減少している場所に位置している。

液浸媒体の屈折率は、ｎ＝１．３７に設定され、これは、１５７ｎｍで十分な透過性を有するＰＦＰＥを基剤にした液浸流体用の、文献から既知になっている値に対応する。像側動作距離は、約５０μｍに設定され、これは、実際の使用では、液浸層の厚さに相当する。適当な液浸流体は、この薄さの場合には９０％を超える高い透過率の値を有し、そのため、無視できる程度の低い透過率損が液浸領域に発生するだけであると仮定することができ、これは、満足できるウェハ生産量を達成するのに好ましい。７０ｎｍ未満のパターン幅を、この純粋屈折投影対物レンズによって優れた補正状態で分析することができ、これは、従来手段を使用して実施することができる。

表７及び８は、図３に従った実施形態から派生した投影対物レンズの実施形態（図示せず）の詳細を示し、図３との違いは実質的に、物体側に凹状の肉厚メニスカス１７が、同一方向に湾曲したより薄いメニスカスレンズに置き換えられていることである。表５及び６の比較から、結果的に、等しく良好な光学特性を有しながら、レンズ直径が小さいと共に全長が短いよりコンパクトな構造が可能であることがわかる。

１９３ｎｍの動作波長用に構成され、その詳細が表９及び１０に示されている投影対物レンズ１’”の第４実施形態が、図４に示されている。この実施形態は、４：１の投影縮尺を有し、像側開口数ＮＡ＝０．９である。残りの実施形態と比較すると、同一基本光学原理に関連して必要なレンズ材料が少ないことがわかる。他の実施形態の場合では２５個のレンズであるのに対して、２３個のレンズが必要なだけであり、さらに、平均及び最大レンズ直径も、先行の実施形態の場合より小さい。特に、第２レンズ群ＬＧ２では、物体側に凹状の３つのメニスカス１４、１５、１６が設けられているだけであって、その他の実施形態のメニスカス１７に対応するレンズが存在しない。その他の実施形態と比較して、第４レンズ群ＬＧ４には、１つの二重レンズ２７及び２８が設けられているだけであり、そのため、このレンズ群でも１つのレンズの節約が行われている。第３レンズ群ＬＧ３及びそれと隣接するレンズ対、すなわち、第２レンズ群の１９、２０及び第４レンズ群の２５、２６の対称構造は、その他の実施形態の場合と同様である。図４に従った実施形態は、本発明の範囲内で、比較的大きい投影縮尺かつ比較的大きいフィールド用に好都合な構造の解決策を実行することも可能であることを実証している。

図示のすべての実施形態の補正状態は、優れている。すべての収差が補正されている。波面変形の最大ＲＭＳ値が非常に低く、図１及び図２に従った実施形態では４．５ｍλ未満、表７及び８に従った実施形態では６．５ｍλ未満、図４に従った実施形態では５．２ｍλ未満である。すべての光学系内で、ゆがみは、すべてのフィールド点において約１ｎｍ未満である。

当該技術分野の専門家であれば、以上の例示から、本発明の範囲内において構造のさまざまな変更が可能であることがわかるであろう。たとえば、個々のレンズを２つ以上の個別レンズに分割することができ、あるいは、個別レンズを組み合わせて、ほぼ同一機能を有する単一レンズを形成することができる。

２つ以上のレンズ材料を用いた実施形態も、可能である。たとえば、１９３ｎｍ用の実施形態の場合、色補正を容易にすると共に、フッ化カルシウムレンズを使用することによる高放射エネルギ密度の領域での圧密化による屈折率の変化を避けるために、合成石英ガラス及びフッ化カルシウムから製造されたレンズを組み合わせることが可能である。また、フッ化バリウム、フッ化ナトリウム、フッ化リチウム、フッ化ストロンチウム、フッ化マグネシウムなどの、使用する紫外線を透過する他の材料を使用することも可能である。

本明細書に示した実施形態の、特に像の近くの、第２胴部及び開口絞りの領域の本質的形状特徴を使用して、液浸リソグラフィの反射屈折光学系を構成することもできる。

さまざまな実施形態によって説明されている本発明の技術的教示から、液浸リソグラフィ、特にそのようなコンパクトな構造のものに適した光学系の設計を目的とする時、一定範囲の設計境界条件を考慮に入れなければならないことがわかる。以下の特徴は、個別または組み合わせて有益であろう。像フィールドの直径が、全長の約１％より大きい、特に約１．５％より大きい液浸対物レンズが好都合である。好ましい光インダクタンス（像フィールド直径及び開口数の積）は、全長の約１％を超える、特に２％を超える。開口絞りと像面との間に４つ以上の集光レンズを設けることが好ましく、この領域に集光レンズだけを設けることが好ましい。第２レンズ群内には、好ましくは４個、５個または６個を超える連続集光レンズが好都合である。この場合、好ましくは、物体側に凹面を有する２つ以上の集光メニスカスレンズを第２レンズ群の入射領域に設け、像側に凹面を有する２つ以上の集光メニスカスレンズを第２レンズ群の最後に設けるのが好都合である。第１胴部すなわち第２レンズ群の領域では、最大ビーム直径が、好ましくは物体フィールド直径の１．８倍を超える、特に２倍を超える大きいビーム拡大が有益である。第２レンズ群内での最大レンズ直径は、くびれ領域内の第３レンズ群の最小自由レンズ直径の約２倍にすることができる。くびれ領域に続く第２胴部内の最大レンズ直径は好ましくは、同程度の大きさであり、特に、第３レンズ群内の最小自由直径の２倍を超えることができる。第３レンズ群の領域、すなわち、光学系のウエスト領域では、好ましくは２つの凹面が互いに直接的に向き合い、同一方向に湾曲した２つの表面によって包囲されている。それぞれ物体側及び像側に隣接するレンズも好ましくは、このような構成にして配置されている。

特別なレンズ分布が好都合であろう。特に、光学系アパーチュアの上流側には、アパーチュアの下流側より相当に多くのレンズが位置することが好都合である。アパーチュアの上流側のレンズの数は好ましくは、光学系アパーチュアの下流側のレンズの数の少なくとも４倍、特に５倍を超える。最狭くびれ領域と光学系アパーチュアすなわち開口絞りとの間に、好ましくは５つ以上の集光レンズが配置され、最狭くびれ領域の領域と例外的に像に近づけて配置された開口絞りとの間の軸方向距離は、投影対物レンズの全長の少なくとも２６％、適当であれば、３０％または３５％を超える。

さらなる特別な特徴は、投影の主光線及び周縁光線の軌跡及びその間の関係に関する。本明細書では主光線とは、物体フィールドの周縁点から光学軸に平行または鋭角をなして進み、光学系アパーチュアの領域で光学軸と交わる光線のことである。本出願の意味での周縁光線は、物体フィールドの中央から開口絞りの周縁部に進む。光学軸からこれらの光線までの垂直距離が、対応の光線高さになる。第２レンズ群の最後までは、主光線高さが周縁光線高さより絶対値で大きいことが好都合であり、この関係は好ましくは、第３レンズ群の領域内まで逆転しない。最大周縁光線高さは好ましくは、第３レンズ群の最狭くびれ領域での周縁光線高さの２倍を超え、特に２．３〜２．５倍を超える。第４及び第５レンズ群間の領域、すなわち、光学系アパーチュアの領域で、周縁光線の直径を小さく保つことが好都合である。これは、光学系アパーチュアに続く第５レンズ群の最小可能焦点距離に対応する。第５レンズ群の焦点距離は好ましくは、全長の１５％未満、特に１０％未満である。好適な光学系は、二重テレセントリック系であり、そのため、主光線は、物体面及び像面の両方にほぼ垂直である。好適な光学系では、物体フィールドから出る主光線は、少なくとも５つのレンズの後でも発散軌跡を、すなわち、光学軸から離れてさらに上昇する主光線高さを有する軌跡を有していなければならない。さらに、物体付近の対物レンズ領域内の最大主光線発散角の正弦が、物体側開口数の５０％を超えることが好都合である。好都合な補正状態を促進するために、周縁光線高さが主光線高さより大きい物体付近の領域に、複数の非球面を設けるのが好ましい。

本発明はまた、本発明に従った屈折投影対物レンズを有することを特徴とするマイクロリソグラフィ用の投影露光装置にも関する。投影露光装置は好ましくは、投影対物レンズの最終光学面と露光すべき基板との間に、液浸媒体、たとえば、適当な屈折率の液体を導入して保持するための装置も有する。半導体部品及び他の微細構造の構造部品を製造する方法も範囲に含まれ、その場合、投影対物レンズの物体面上に配置されたパターンの像が、像面の領域内に投影され、投影対物レンズと露光すべき基板との間に配置されて動作波長の光を透過する液浸媒体が、徹照されている。

１９３ｎｍの動作波長用に構成された屈折投影対物レンズの第１実施形態のレンズ断面を示す図である。 １９３ｎｍの動作波長用に構成された投影対物レンズの第２実施形態のレンズ断面を示す図である。 １５７ｎｍの動作波長用に構成された投影対物レンズの第３実施形態のレンズ断面を示す図である。 １９３ｎｍの動作波長用に構成された投影対物レンズの第４実施形態のレンズ断面を示す図である。

Claims (36)

1. 屈折投影対物レンズにおいて、該投影対物レンズの最終光学素子と該投影対物レンズの像面との間に配置された液浸媒体を使用して、該投影対物レンズの物体面上に配置されたパターンを前記像面に投影する屈折投影対物レンズであって、
   前記物体面に続く、負の屈折力を有する第１レンズ群（ＬＧ１）と、
   該第１レンズ群に続く、正の屈折力を有する第２レンズ群（ＬＧ２）と、
   該第２レンズ群に続く、負の屈折力を有する第３レンズ群（ＬＧ３）と、
   該第３レンズ群に続く、正の屈折力を有する第４レンズ群（ＬＧ４）と、
   該第４レンズ群に続く、正の屈折力を有する第５レンズ群（ＬＧ５）と、
   前記第４及び第５レンズ群間の最大ビーム直径の領域内に配置された光学系アパーチュア（５）と、
   を備える屈折投影対物レンズ。
2. 前記光学系アパーチュア（５）は、像に近い最大ビーム直径の平面と前記像面（３）との間に位置する、請求項１に記載の投影対物レンズ。
3. 像側の開口数ＮＡ≧０．９であり、該像側開口数は好ましくは、少なくともＮＡ＝１．０である、請求項１または２に記載の投影対物レンズ。
4. 動作波長で屈折率ｎ＞１．３である液浸媒体（１０）に適応させた、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
5. 像側動作距離が、約１０μｍ〜約２００μｍ、特に、約２０μｍ〜約１００μｍである、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
6. 前記第４レンズ群（ＬＧ４）の焦点距離及び前記第５レンズ群（ＬＧ５）の焦点距離の比が、約０．９〜約１．１である、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
7. 前記第１レンズ群（ＬＧ１）及び前記第５レンズ群（ＬＧ５）の焦点距離の大きさの比が、約０．７〜約１．３、特に約０．９〜約１．１である、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
8. 該投影対物レンズの全長と前記第５レンズ群（ＬＧ５）の前記焦点距離との比が、５より大きく、好ましくは６より大きく、特に８より大きい、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
9. 前記第１レンズ群（ＬＧ１）は、少なくとも１つの非球面を有し、好ましくは２つの非球面が、前記第１レンズ群内に設けられている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
10. 少なくとも１つの非球面が、前記第３レンズ群（ＬＧ３）内に設けられ、好ましくは２つの非球面が設けられている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
11. 少なくとも１つの非球面が、前記１レンズ群（ＬＧ１）内に配置され、かつ／または、９個以下の非球面が設けられ、好ましくは、７個未満の非球面が設けられている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
12. 負の屈折力を有する、物体面に対して凸状の少なくとも１つのメニスカスレンズ（１３）が、物体面（２）の近傍域に、特に前記第１レンズ群（ＬＧ１）内に配置されている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
13. 前記第２レンズ群は、正の屈折力を有する少なくとも４個の、好ましくは少なくとも５個または６個の連続したレンズ（１４〜２０）を有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
14. 前記第２レンズ群（ＬＧ２）は、物体面（２）に対して凹状で、物体面（２）に面する入射側に正の屈折力を有する少なくとも１つの、好ましくは複数のメニスカスレンズ（１４、１５、１６、１７）を有し、かつ／または、前記第２レンズ群は、物体面に対して凸状で、像面に面する出射側に正の屈折力を有する少なくとも１つの、好ましくは複数のメニスカスレンズ（１９、２０）を有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
15. 上記順序の前記第２レンズ群（ＬＧ２）は、物体面に対して凹状で、正の屈折力を有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（１４、１５、１６、１７）と、両凸正レンズ（１８）と、像面に対して凹状で、正の屈折力を有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（１９、２０）とを有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
16. 前記第３レンズ群（ＬＧ３）は、負の屈折力を有するレンズ（２１、２２、２３、２４）だけを有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
17. 前記第３レンズ群は、該第３レンズ群（ＬＧ３）内に位置する対称面（９）に関してほぼ対称構造であり、かつ／または、前記第３レンズ群（ＬＧ３）内で、２つの逆方向に湾曲した凹面が、互いに直接的に向き合い、また、互いに対して凹状の２つの凹面によって包囲されている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
18. 前記第２レンズ群（ＬＧ２）の、前記第３レンズ群（ＬＧ３）に面する出射領域、及び前記第４レンズ群（ＬＧｄ４）の、前記第３レンズ群に続く入射領域は、前記第３レンズ群内に位置する対称面（９）に対してほぼ対称的に構成されている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
19. 前記第４レンズ群（ＬＧ４）は、両凸正レンズ（２７、２９）、及び物体側に凹状のレンズ面を有する下流側の負のメニスカスレンズ（２８、３０）を有する少なくとも１つの二重レンズ（１７、２８、２９、３０）を有し、好ましくは少なくとも２つの二重レンズが設けられている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
20. 物体側入射領域において、前記第４レンズ群（ＬＧ４）は、物体面（２）に対して凹状で、正の屈折力を有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（２５、２６）を有し、好ましくは、そのようなメニスカスレンズが複数、連続的に設けられている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
21. 前記光学面に衝突する放射光線の最大入射角の正弦が、像側の開口数の９０％未満、特に８５％未満である、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
22. 前記第５レンズ群（ＬＧ５）は、正の屈折力を有するレンズだけを有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
23. 前記第５レンズ群は、少なくとも４つの正のレンズ（３１〜３５）を有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
24. 前記第５レンズ群（ＬＧ５）は、像側に凹状のレンズ面を備えて正の屈折力を有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（３３、３４）を有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
25. 最終光学素子として、前記第５レンズ群（ＬＧ５）は、好ましくは球形の入射面及びほぼ平坦な出射面を備えた平凸レンズ（３５）を有する、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
26. 前記平凸レンズ（３５）は、非半球状に構成されている、請求項２５に記載の投影対物レンズ。
27. 前記レンズはすべて、同一材料からなり、１９３ｎｍの動作波長用のレンズ材料として好ましくは合成石英ガラスが使用され、かつ／または、１５７ｎｍの波長用のレンズ材料としてフッ化カルシウムが使用される、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
28. 物体の近くの胴部（６）、物体から遠い胴部（８）及びその間のウエスト（７）を有する単一ウエスト光学系である、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
29. 像フィールド直径は、１０ｍｍを、特に２０ｍｍを超え、かつ／または、像フィールド直径は、全長の１．０％を、特に１．５％を超える、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
30. 光コンダクタンスは、全長の約１％を、特に約２％を超える、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
31. 前記光学系アパーチュア（５）の上流側には、前記光学系アパーチュア（５）の下流側より相当に多くのレンズが、好ましくは、少なくとも４倍の数のレンズが配置されている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
32. 前記ウエスト及び前記光学系アパーチュア（５）間に、正の屈折力を有する少なくとも５個のレンズが配置されている、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
33. 前記ウエスト及び前記光学系アパーチュア（５）間の距離は、全長の少なくとも２６％、好ましくは全長の３０％を超える、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
34. 最大周縁光線高さは、最狭くびれ位置での周縁光線高さの少なくとも２倍である、先行の請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
35. 先行の請求項のいずれか１項に記載の屈折投影対物レンズ（１、１’、１”）を特徴とする、マイクロリソグラフィ用の投影露光装置。
36. 半導体部品及び他の微細構造の構造部品を製造する方法であって、
    所定パターンを有するマスクを設ける段階と、
    該マスクに所定波長の紫外線を照射する段階と、
    請求項１〜３４のいずれか１項に記載の投影対物レンズを使用して、該投影対物レンズの像面の領域に配置された感光性基板上に前記パターンの像を投影する段階と、
    を含み、
    投影対物レンズの最終光学面と基板との間に配置された液浸媒体が、投影中に徹照される方法。
    
    

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