JP4236397B2

JP4236397B2 - 縮小光学系

Info

Publication number: JP4236397B2
Application number: JP2001221852A
Authority: JP
Inventors: エムウィリアムソンデイヴィッド
Original assignee: ASML Holding NV
Current assignee: ASML Holding NV
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: KR20020008756A; DE60131603D1; US6486940B1; JP2002090626A; EP1903370A1; DE60131603T2; EP1174749A2; EP1174749B1; CA2352088A1; EP1174749A3; KR100751446B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に半導体製造装置において使用される投影光学系、及び特に短波長で使用される高い開口数を有する反射屈折投影光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造においては、ホトリソグラフィー技術がしばしば使用される。これらのホトリソグラフィー技術は、レチクルの像をウェーハ又は感光性基板に投影することを必要とする。レチクルの像をウェーハ又は感光性基板に投影するためには、しばしば比較的複雑な投影光学系が使用される。極めて小さい特徴を極めて小さい収差で正確に結像することができるように、レチクルの極めて高い品質の像を提供する投影光学系が要求される。投影光学系は、しばしば縮小された像において生じる１未満の倍率を要求する。しばしば、最良の結像品質を有する像質を有する像野の小さい部分のみが利用される。しかしながら、処理量を強化しかつ半導体デバイスの生産を増大するためにはできるだけ大きな像野を提供することが望まれる。高い処理量と組み合わせた減少した特徴寸法に対する強大な要求に伴い、新たなかつ改良された投影光学系が絶えず必要とされる。半導体製造工業により要求される常に縮小される特徴寸法のために、高い開口数を有しかつ一層短い波長で操作するように設計された投影光学系が必要とされる。慣用の光学的設計は、半導体の製造の要求を満足することができない。例えば、先行技術の光学系は、ウイルアムソン（Williamson）対して１９９０年９月４日に公告された発明の名称「縮小光学系（Optical Reduction System）」の米国特許第４,９５３,９６０号明細書に開示されている。この明細書には、２４８ナノメータの波長領域で作動しかつ０．４５の開口数を有する縮小光学系が開示されている。別の光学系は、シン他（Singh et al.）に１９９２年２月１８日に公告された名称「高解像力縮小反射屈折リレーレンズ」の米国特許第５,０８９,９１３号明細書に開示されており、これは引用することにより本願発明に組み込まれる。該明細書には、２４８ナノメータに制限されたスペクトル波長を有しかつ０．６の開口数を有する光学系が開示されている。別の投影光学系は、ウイルアムソンに対して１９９６年７月１６日に公告された名称「高い開口数を有する反射屈折縮小光学系（Catadioptric Optical Reduction System With High Numerical Aperture）」の米国特許第５,５３７,２６０号明細書に開示されており、これも引用により本願発明に組み込まれる。該明細書には、３６０〜１９３ナノメータの波長範囲で作動する異なった実施例を有する０．７の開口数を有する投影光学系が開示されている。前記光学系は十分に作動したが、慣用の系の特徴寸法よりも実質的に小さい特徴寸法を再生するために半導体製造で使用される投影光学系に対する必要性が存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、慣用の投影光学系よりも高い開口数を有する投影光学系を提供することである。
【０００４】
本発明のもう１つの目的は、投影光学系のレンズ部材を減少させることである。
【０００５】
なお、本発明のもう１つの目的は、偏光した照明によって惹起されるレチクル回折における非対称を阻止することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、性能を改善しかつレンズ部材の数を減少させる多重の非球面を使用する反射屈折光学投影系からなる。ウェーハ又は感光性表面に最も近いレンズ群においてフッ化カルシウムレンズ部材が使用されている。レチクルの後方であって、ビームスプリッタの前方に少なくとも１つの非球面を有するレンズ群の前方に、ゼロ次の１／４波長板が配置されている。ビームスプリッタに隣接しかつレンズ群に対して垂直な表面に隣接して非球面が配置されている。ビームスプリッタに隣接し非球面凹面鏡の反対側に、フッ化カルシウムからなるレンズ部材の大部分を有しかつレチクルをウェーハ又は感光性基板に結像する別のレンズ群が配置されている。０．７５の比較的高い開口数が得られ、かつ１実施例においては１５７ナノメータの波長が使用される。
【０００７】
本発明の利点は、減少された収差が生じることである。
【０００８】
本発明のもう１つの利点は、縮小された特徴寸法を結像することができることである。
【０００９】
本発明のなおもう１つの利点は、レチクルを通過する円偏光した電磁放射線を使用することである。
【００１０】
本発明の特徴は、ウェーハの近くのレンズ群においてレンズ材料としてフッ化カルシウムを使用することである。
【００１１】
本発明のもう１つの特徴は、多重の非球面レンズ部材を使用することである。
【００１２】
本発明のなおもう１つの特徴は、レチクルの後方にゼロ次の１／４波長板を配置することである。
【００１３】
これらの及びその他の目的、利点、及び特徴は、以下の記載を見れば容易に明らかになるであろう。
【００１４】
【実施例】
図１は、本発明の第１実施例を示す。レチクル１０は、物体位置に配置され、かつ、ウェーハ又は感光性表面もしくは基板５０は像位置に配置されている。レチクル１０と、ウェーハ又は感光性基板５０は、１未満の倍率又はほぼ４〜１の縮小比を提供する。図１に示された実施例は、４０ピコメータのフル-ワイドス-ハーフ-マキシマム（full-width-half maximum：ＦＷＨＭ）のスペクトルバンド幅にわたり２４８ナノメータ波長の電磁放射線を使用する、０．７５の開口数、ウェーハもしくは感光性基板５０で２６×５ｍｍの視野を有する。レチクル１０に、第１の１／４波長板１２が引き続いている。１／４波長板１２は、有利にはゼロ次の１／４波長板である。このゼロ次の１／４波長板１２は、円偏光した光を使用してレチクルを通過させ、レチクル特徴及び光偏光ベクトルの相対的配向から生じる回折非対称を回避することを可能にする。１／４波長板１２には、平凸レンズ１４が続いている。平凸レンズ１４には、両凹レンズ１６が続いている。レンズ１６には、両凸レンズ１８、メニスカスレンズ２０、及び両凸レンズ２２が続いている。この第１レンズ群に、偏向鏡２４が続いている。偏向鏡２４に、メニスカスレンズ２６が続いている。メニスカスレンズ２６に、非球面レンズ２８が続いている。非球面レンズ２８は、球面凹面及び非球面凸面を有する。非球面レンズ２８に、球面凹面及び非球面凸面が続いている。非球面レンズ２８に、両凹レンズ３０が続いている。このレンズ群に引き続きかつ偏向鏡２４の後方に、ビームスプリッタ３１が配置されている。ビームスプリッタ３１は、部分反射面３２を有する。ビームスプリッタ３１の一方に面に隣接して１／４波長板３４が配置され、それに非球面凹面鏡３６が引き続いている。１／４波長板３４は、有利にはゼロ次の１／４波長板である。ビームスプリッタ３１の反対側の表面に隣接して、もう１つの１／４波長板３８が配置され、それに両凸レンズ４０、及びメニスカスレンズ４２が続いている。１／４波長板３８は、有利にはまたゼロ次の１／４波長板である。レンズ４０及びレンズ４２は、フッ化カルシウムからなる。レンズ４２には、シリカからなるメニスカスレンズ４４が続いている。メニスカスレンズ４４には、メニスカスレンズ４６及びメニスカスレンズ４８が引き続いている。レンズ４６及び４８は、フッ化カルシウムからなる。レンズ４８には、プレート４９が続いている。ビームスプリッタ３１とウェーハもしくは感光性基板５０の間の第３レンズ群は、レンズ４４、１／４波長板３８及びプレート４９を除き、フッ化カルシウムからなる。この実施例は、ビームスプリッタ３１の後方のこのレンズ群内のレンズ部材の大部分においてフッ化カルシウムを使用する。２４８ナノメータの波長で操作するために設計されたこの実施例は、予め決められた距離のレチクル１０とウェーハもしくは感光性基板５０の間の距離を有するパッケージにおいて高い開口数を提供するという利点を有する。この予め決められた共役距離は、この実施例を予め決められた同じ距離を有する先行技術の設計の光学系のための代用品として使用する際に有利である。
【００１５】
有利な構成において、図１に示された光学系は、以下の第１表及び第１Ａ表の構造データに基づき製造することができる。
【００１６】
【表１２】

【００１７】
【表１３】

【００１８】
非球面定数は、以下の方程式及び第１Ａ表に基づき提供される：
【００１９】
【数５】

【００２０】
【表１４】

【００２１】
図２は、２５ピコメータのフル-ワイドス-ハーフ-マキシマムのスペクトルバンド幅にわたり１９３ナノメータ波長の電磁放射線を使用する、０．７５の開口数、ウェーハでの２６×５ｍｍの視野を有する投影光学系の第２実施例を示す。レチクル１０に、ゼロ次の１／４波長板１１２、平凸レンズ１１４、両凹レンズ１１６、メニスカスレンズ１１８、メニスカスレンズ１２０及び両凸レンズ１２２が続いている。この第レンズ群の後方に、偏向鏡１２４が配置されている。偏向鏡１２４に、メニスカスレンズ１２６、非球面レンズ１２８及びメニスカスレンズ１３０が続いている。非球面レンズ１２８は、球面凹面及び非球面凸面を有する。このレンズ群に引き続き、偏向鏡１２４の後方に、ビームスプリッタ１３１が配置されている。ビームスプリッタ１３１は、部分反射面１３２を有する。ビームスプリッタ１３１の一方の表面に隣接して、第２の１／４波長板１３４が配置されている。第２の１／４波長板１３４は、有利にはゼロ次の１／４波長板である。第２のビームスプリッタ１３４には、非球面凹面鏡１３６が引き続いている。ビームスプリッタ１３１の反対側の面に隣接して、第３の１／４波長板１３８が配置されている。この第３の１／４波長板も、有利にはゼロ次の１／４波長板である。第３の１／４波長板１３８には、両凸レンズ１４０、メニスカスレンズ１４２、メニスカスレンズ１４６、メニスカスレンズ１４８、及びプレート１４９が引き続いている。レンズ１４０，１４２，１４４，１４６及び１４８はフッ化カルシウムからなる。プレート１４９に隣接して、像位置にウェーハ５０が配置される。この実施例においては、第２の１／４波長板１３８とプレート１４９の間にフッ化カルシウムレンズ又は部材を使用することは、コンパクション及び放射線により誘導される屈折率の変化を著しく小さくする。このレンズ群は、比較的小さいビーム寸法及び高いフラックス密度に基づきコンパクションに一部影響されやすい。この実施例は、２つの非球面を利用する。非球面の使用は、レンズ部材の数が減少されている点で有利である。
【００２２】
有利な構成において、図２に示された光学系は、以下の第２表及び第２Ａ表の構造データに基づき製造することができる。
【００２３】
【表１５】

【００２４】
【表１６】

【００２５】
非球面定数は、以下の方程式及び第２Ａ表に基づき提供される：
【００２６】
【数６】

【００２７】
【表１７】

【００２８】
図３は、本発明の第３実施例を示す。この実施例は、０．７５の開口数、ウェーハでの２６×５ｍｍの視野を有し、かつ２５ピコメータのフル-ワイドス-ハーフ-マキシマムのスペクトルバンド幅にわたり１９３ナノメータ波長の電磁放射線で使用するために設計されている。この第３実施例は、収差を減少させるために５つの非球面を有する。レチクル１０に隣接し又は引き続き、１／４波長板２１２が配置されている。１／４波長板２１２に、平凸レンズ２１４，及び非球面レンズ２１６が続いている。非球面レンズ２１６は、凹面及び非球面を有する。非球面レンズ２１６に引き続き、両凸レンズ２１８、メニスカスレンズ２２０及び両凸レンズ２２２が配置されている。この第１レンズ群に偏光鏡２２４が引き続いている。偏光鏡２２４に引き続き、メニスカスレンズ２２６及び非球面レンズ２２８が存在する。非球面レンズ２２８は非球面凹面及び非球面凸面を有する。非球面レンズ２２８に、メニスカスレンズ２３０が引き続いている。偏光鏡２２４の後方のこのレンズ群に、ビームスプリッタ２３１が引き続いている。ビームスプリッタ２３１は、部分反射性面２３２を有する。ビームスプリッタ２３１に１つの側面に隣接して、第２の１／４波長板２３４が存在する。第２の１／４波長板２３４に引き続き非球面凹面鏡２３６が存在する。ビームスプリッタ２３１の反対側の面に隣接して、第３の１／４波長板２３８が存在し、それに両凸レンズ２４０、メニスカスレンズ２４２、非球面レンズ２４４が引き続いている。非球面レンズ２４４は、非球面凹面を有する。非球面レンズ２４４に引き続き、非球面レンズ２４６が存在する。非球面レンズ２４６は、メニスカスレンズ２４８に隣接して配置されている。レンズ２４０，２４２，２４４，及び２４６及び２４８は、フッ化カルシウムからなる。レンズ２４８に隣接して、プレート２４９が存在する。プレート２４９に引き続いた像面に、ウェーハ５０が配置される。この実施例、第３実施例では、５つの非球面が使用されている。その第１の非球面はレチクル１０と偏光鏡２２４の間のレンズ群内の非球面レンズ２１６、第２は偏光鏡２２４とビームスプリッタ２３１の間のレンズ群内にある非球面レンズ２２８にある。第３の非球面は、凹面鏡２３６に配置されている。第４の非球面は非球面レンズ２４４に配置され、第５の非球面はレンズ２４６に配置されており、それらの両者はビームスプリッタ２３１とウェーハもしくは感光性基板５０の間のレンズ群内にある。この本発明の第３実施例における５つの非球面の使用は、収差を著しく減少させる。
【００２９】
有利な構成においては、図３に示された光学系は、以下の第３表及び３Ａの構造データに基づき製造することができる：
【００３０】
【表１８】

【００３１】
【表１９】

【００３２】
非球面定数は、以下の方程式及び第３Ａ表に基づき与えられる：
【００３３】
【数７】

【００３４】
【表２０】

【００３５】
第４表は、図２及び図３に示された本発明の実施例のための像高さの関数として波面収差を示す。波形もしくは線５２は、２つの非球面を有する図２に示された実施例のための像高さの関数としての収差を示す。波形もしくは破線５４は、図３に示された５つの非球面を有する実施例の像高さの関数としての波面収差を示す。図４によって容易に認識することができるように、波面収差は５つの非球面を有する実施例においては著しく減少される。
【００３６】
図５は、０．７５の開口数、ウェーハで２６×５ｍｍの視野を有し、かつ１．５ピコメータのフル-ワイドス-ハーフ-マキシマムのスペクトルバンド幅にわたり１５７ナノメータ波長の電磁放射線で使用するために設計されている本発明び第４実施例を示す。この実施例は２つの非球面を使用しかつ全体がフッ化カルシウムから形成されている。レチクル１０に引き続いて、１／４波長板３１２、平凸レンズ３１４、両凹レンズ３１６，両凸レンズ３１８、メニスカスレンズ３２０、及び両凸面レンズ３２２が存在する。このレンズ群に、偏光鏡３２４が引き続いている。偏光鏡３２４に引き続き、メニスカスレンズ３２６，非球面レンズ３２８、及びメニスカスレンズ３３０が存在する。非球面レンズ３２８は、非球面凹面を有する。偏光鏡３２４の後方のこのレンズ群に引き続き、ビームスプリッタ３３１が存在する。ビームスプリッタ３３１は、部分反射面３３２を有する。ビームスプリッタ３３１の一方の面に隣接して、第２の１／４波長板３３４が存在する。該第２の１／４波長板に引き続き、非球面凹面鏡３３６が存在する。ビームスプリッタ３３１の、第２の１／４波長板３３４の反対側の面に隣接して第３の１／４波長板３３８が配置されている。該１／４波長板３３８に引き続き、両凸面レンズ３４０、メニスカスレンズ３４２、メニスカスレンズ３４４、メニスカスレンズ３４６及びメニスカスレンズ３４８が存在する。メニスカスレンズ３４８に隣接して、プレート３４９が配置されている。フレート３４９は、ウェーハもしくは感光性基板５０が配置された像面に隣接している。
【００３７】
図５に示された、光学系の有利な構成は、以下の第４表及び第４Ａ表の構造データに基づき製造することができる：
【００３８】
【表２１】

【００３９】
非球面定数は、以下の方程式及び第４Ａ表に基づき与えられる：
【００４０】
【数８】

【００４１】
【表２２】

【００４２】
従って、本発明の実施例の全ては、レチクル１０の長い共役端部からウェーハもしくは感光性基板５０の短い共役端部に向かって、レチクル１０に引き続く１／４波長板、及び１／４波長板と第１の偏光鏡の間の第１レンズ群、及び偏光鏡とビームスプリッタの間の第２レンズ群を提供する。それぞれの実施例において、偏光鏡２４，１２４，２２４，及び３２４の前方のレンズ群は第１レンズ群と見なすことができ、かつ偏光鏡２４，１２４，２２４，及び３２４とビームスプリッタ３１，１３１，２３１，及び３３１の間のレンズ群は第２レンズ群と見なすことができる。選択的に、この第１及び第２レンズ群は、単レンズ群と見なすことができる。ビームスプリッタ上の部分反射面は、電磁放射線を第２の１／４波長板そして非球面レンズ凹面鏡に反射し、該非球面レンズ凹面鏡は電磁放射線を反対向きにビームスプリッタを通過させかつ部分反射面を通過させて第３の１／４波長板に向けてかつ第３レンズ群を通過させて感光性基板もしくはウェーハ５０に反射する。実施例の全てはレチクルに続く１／４波長板を備えかつ偏光鏡とビームスプリッタキューーブの間に非球面を有するレンズを有し、かつビームスプリッタキューブと感光性基板の間にレンズ部材を有し、それらの大部分はフッ化カルシウムから形成されている。従って、本発明は、１５７ナノメータ程度の波長で十分に形成する改良された像特徴を有する比較的高い開口数を有する投影光学系を提供する。従って、本発明は光学技術を進歩させかつ半導体デバイスの製造を著しく容易にする。
【００４３】
有利な実施例を示しかつ説明してきたが、当業者にとっては本発明の思想及び範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができることは認識されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】２４８ナノメータの波長の電磁放射線で使用するために設計された本発明の１実施例の略示図である。
【図２】１９３ナノメータの波長の電磁放射線で使用するために設計されかつ２つの非球面を有する本発明の第２実施例の略示図である。
【図３】１９３ナノメータの波長の電磁放射線で使用するために設計されかつ５つの非球面を有する本発明の第３実施例の略示図である。
【図４】図２に示された実施例と図３に示された実施例の像高さの関数として波面収差を比較するグラフである。
【図５】１９３ナノメータの波長の電磁放射線で使用するために設計されかつフッ化カルシウム材料を使用した本発明の第４実施例の略示図である。
【符号の説明】
１０レチクル、５０ウェーハもしくは感光性基板、１２第１の１／４波長板、１４平凸レンズ、１６レンズ、１８，２２，４０両凸レンズ、２０，２６，４２，４４，４６，４８メニスカスレンズ、２４偏光鏡、２８非球面レンズ、３０両凹レンズ、３１ビームスプリッタ、３２部分反射面、３４，３８１／４波長板、３６非球面凹面鏡、
４９プレート

Claims

ほぼ以下の第１表に記載の構造データに基づく構造からなり、

かつ非球面定数Ａ（１）及びＡ（２）が以下の方程式及び第１Ａ表に基づき設けられており、

それにより像野が形成されることを特徴とする縮小光学系。
ほぼ以下の第２表に記載の構造データに基づく構造からなり、

かつ非球面定数Ａ（１）及びＡ（２）が以下の方程式及び第２Ａ表に基づき設けられており、

それにより像野が形成されることを特徴とする縮小光学系。
ほぼ以下の第３表に記載の構造データに基づく構造からなり、

かつ非球面定数Ａ（１），Ａ（２），Ａ（３），Ａ（４）及びＡ（５）が以下の方程式及び第３Ａ表に基づき設けられており、

それにより像野が形成されることを特徴とする縮小光学系。
ほぼ以下の第１表に記載の構造データに基づく構造からなり、

かつ非球面定数Ａ（１）及びＡ（２）が以下の方程式及び第４Ａ表に基づき設けられており、

それにより像野が形成されることを特徴とする縮小光学系。