KR100991584B1 - 반사굴절식 투영 대물렌즈 - Google Patents

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Abstract

투영 대물렌즈의 물체 표면에 배열된 비축상의(off-axis) 유효 물체 필드를 투영 대물렌즈의 이미지 표면에 배열된 비축상의 유효 이미지 필드에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈는: 광축; 상기 광축의 완전히 바깥쪽에 위치하는 것으로, 상기 유효 물체 필드를 둘러싸는 최소 면적의 원형 영역이 (I) 에 따라 상기 유효 물체 필드의 반경 REOF 를 정의하도록 제 1 방향으로 길이 A를 갖고 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 폭 B를 갖는 유효 물체 필드; 및 설계 물체 필드 반경 RDOF를 갖는 광축을 중심으로 하는 원형 설계 물체 필드;를 구비하며, 상기 투영 대물렌즈는 RDOF보다 작은 방사상 좌표(radial coordinate)를 갖는 구역에서의 이미지 수차에 대하여 기본적으로 보정되고, 상기 투영 대물렌즈는 RDOF보다 큰 방사상 좌표를 갖는 구역에서는 완전히 보정되지 않는다. 상기 조건은: RDOF = γREOF 및 1 ≤ γ < 1.4 를 만족한다. NA > 1 의 매우 높은 이미지측 개구수가 컴팩트한 디자인으로 가능하다. 바람직하게는 활 모양의 유효 물체 필드가 사용된다.

Description

반사굴절식 투영 대물렌즈{Catadioptric projection objective}
본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 표면에 배열된 비축상의(off-axis) 유효 물체 필드(effective object field)를 투영 대물렌즈의 이미지 표면에 배열된 비축상의 유효 이미지 필드(effective image field)에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 관한 것이다.
반사굴절식 투영 대물렌즈는, 예컨대, 투영 노광 시스템, 특히 반도체소자 및 그 밖의 마이크로 소자들을 제조하는 데 사용되며 포토마스크 또는 레티클(이하에서는 포괄적으로 "마스크" 또는 "레티클"이라고 한다) 상의 패턴을 감광성 코팅을 갖는 물체 위에 매우 높은 해상도로 축소된 스케일로 투영하는 역할을 하는 웨이퍼 스캐너 또는 웨이퍼 스텝퍼에서 사용된다.
보다 미세한 구조를 형성하기 위하여, 투영 대물렌즈의 이미지측 개구수(NA) 를 증가시키는 것과 보다 짧은 파장, 바람직하게는 약 260nm 보다 작은 파장을 갖는 자외선 광을 사용하는 것이 모두 추구되고 있다. 그러나, 매우 소수의 재료들, 특히 합성 수정 유리 및 불화물 결정만이 광학소자를 제조할 수 있을 정도로 상기 파장 대역에서 충분히 투명하다. 사용 가능한 상기 재료들의 아베 수(Abbe number)가 서로 상당히 가깝게 놓여 있기 때문에, 충분히 우수하게 색-보정된(색수차가 보 정된) 순수 굴절식 시스템을 제공하는 것이 어렵다.
큰 렌즈를 제조하기에 충분히 큰 크기에서 관련 재료들의 높은 가격과 불화칼슘 결정의 제한된 입수 가능성은 문제들을 대표한다. 따라서, 사용된 렌즈의 개수 및 크기를 감소시키는 동시에 결상 정확성을 유지하거나 또는 심지어 향상시키는 데 기여하는 수단이 요구된다.
광학적 리소그래피에서, 높은 해상도와 우수한 보정 상태는 상대적으로 크고 거의 평평한 이미지 필드에 대해 얻어져야 한다. 광학적 설계에 대해 요구할 수 있는 가장 어려운 요구사항은, 특히 완전 굴절식 구조라면, 평평한 이미지를 갖는 것이라는 점이 지적되어 왔다. 평평한 이미지를 제공하는 것은 상반되는 렌즈 굴절력을 요구하고, 또한 보다 강력한 렌즈들, 보다 긴 시스템 길이, 보다 큰 시스템 유리 질량, 및 보다 강력한 렌즈 곡률에 기인하는 보다 높은 정도의 이미지 수차들을 가져올 것을 요구한다. 마이크로리소그래피용 투영 대물렌즈에서 이미지 필드를 평평하게 하기 위한, 즉 페츠발 합(Petzval sum)을 보정하기 위한 통상적인 수단은 E. Glatzel의 논문 "New lenses for microlithography"(SPIE Vol.237 (1980), pp. 310-320)에서 논의되었다.
색 보정 및 이미지 평면화(flattening)의 문제들을 해결하기 위해 한동안 오목 미러들이 사용되었다. 오목 미러는 포지티브 렌즈와 같이 포지티브 굴절력을 갖지만, 반대 부호의 페츠발 곡률을 가진다. 그러므로, 굴절 및 반사소자들, 특히 렌즈들과 하나 이상의 오목 미러들을 조합한 반사굴절식 시스템이 상술한 타입의 고해상도 투영 대물렌즈에 주로 이용되었다. 불행하게도, 오목 미러는 방사광을 그것 이 온 방향으로 되돌려 보내기 때문에, 광학적 구조에 통합시키기가 어렵다. 기구적인 문제 또는 빔의 비네팅(vignetting)이나 동공의 암흑화(obscuration)로 인한 문제들 없이 오목 미러를 통합시키는 뛰어난 설계가 요구된다.
추가적인 설계의 목적은 주어진 개구수에서 비네팅 없이 투영 대물렌즈에 의해 효과적으로 결상될 수 있는 물체 필드의 크기 및 형태를 최적화하는 것이다. 그에 해당하는 물체 필드는 이하에서 "유효 물체 필드(effective object field)"라고 표시할 것이다. 유효 물체 필드의 크기 및 그에 대응하는 유효 이미지 필드의 크기는 투영 대물렌즈의 배율과 전적으로 관련이 있다. 투영 대물렌즈와 관련된 제조 공정의 생산성을 향상시키기 위해 유효 필드의 크기를 최대화하는 것이 종종 요구된다. 주어진 물체측 개구수에 대하여, 유효 물체 필드의 크기는, 유효 물체 필드를 포함하는 최소 크기를 갖는 원의 반경 REOF와 물체측 개구수의 곱으로서 정의되는 "기하학적 유효 광전도 값"(또는 "유효 에턴듀(effective etendue)")에 대응한다.
투영 대물렌즈를 설계할 때 관찰될 추가적인 파라미터는 물체 필드의 크기인데, 상기 물체 필드의 크기에 대해서 투영 대물렌즈는 소망하는 성능을 얻기 위해 이미지 수차가 충분히 보정되어야 한다. 수차는 색수차, 이미지 만곡 수차, 왜곡, 구면 수차, 비점수차 등을 포함한다. 투영 대물렌즈가 충분히 보정되어야만 하는 상기 필드는 이하에서 "설계 물체 필드(design object field)"라고 표시할 것이다. 설계 물체 필드의 크기가 증가된다면, 통상적으로 광학소자의 개수 및 크기가 급격 하게 증가하기 때문에, 일반적으로 설계 물체 필드의 크기를 최소화하는 것이 요구된다. 주어진 물체측 개구수에서, 투영 대물렌즈는 "설계 에턴듀(design etendue)"에 대한 특정한 값에 의해 특징지워질 수 있는 데, 상기 설계 에턴듀는 여기서 물체측 개구수와 상기 설계 물체 필드의 외측 반경 RDOF, 즉 설계 물체 필드 반경 사이의 곱으로서 정의된다.
순수 굴절식 투영 대물렌즈에서는, 광축을 중심으로 배치된 유효 물체 필드가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 중심 배치된 유효 물체 필드는 물리적인 빔스플리터, 예컨대 편광 선택적 빔스플리터 표면을 갖는 빔스플리터를 구비하는 반사굴절식 투영 대물렌즈에서 또는 중심 동공 암흑화를 갖는 시스템에서 사용될 수 있다. 그러한 시스템에서, 유효 에턴듀는 최적의 크기의 유효 필드가 최소 크기의 설계 물체 필드와 함께 사용될 수 있음을 나타내는 설계 에턴듀와 같다(즉, REOF = RDOF). 그러나, 높은 개구수의 굴절식 투영 대물렌즈에서 색 보정이 점차적으로 어려워지게 되고 물리적인 빔스플리터를 갖는 구조가 편광 제어의 관점에서 다루기가 어려울 수 있기 때문에, 대안적으로 반사굴절식 설계(비축 시스템(off-axis system)가 개발되었는 데, 이는 하나 이상의 평면 폴딩 미러로 기하학적 빔 분리를 하는 설계와 모든 광학소자들에 공통인 하나의 직선(절곡되지 않은) 광축을 갖는 소위 "직선형 시스템(in-line system)"으로 재분리될 수 있다.
이러한 비축 시스템에서, 비네팅을 회피하기 위하여 비축상의 유효 물체 필드, 즉 광축의 완전히 바깥쪽에 위치하는 유효 물체 필드가 사용되어야 한다. 직사 각형 형태의 유효 물체 필드 및 통상적으로 "환형 필드" 또는 "링형 필드"라고 부르는 활의 형태를 갖는 유효 물체 필드가 모두 이러한 타입의 설계에서 제안되었다.
동공면(pupil surface)에서 또는 그 근처에서 오목 미러를 가지며 상기 오목 미러의 전방에서 네가티브 굴절력을 갖는 단일한 반사굴절 그룹과 함께 평면 폴딩 미러를 사용하는 절곡된 반사굴절식 투영 대물렌즈의 대표적인 예는 US 2003/0234912 A1 또는 US 2004/0160677 A1 에서 주어져 있다. 이러한 타입의 설계는 통상적으로 직사각형의 유효 물체 필드와 함께 사용된다.
다양한 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈가 제안되었다. 광학적 관점에서, 직선형 시스템은 편광 효과와 같이 평면 폴딩 미러를 사용함으로써 발생하는 광학적 문제들을 회피할 수 있기 때문에 선호될 수 있다. 또한, 제조의 관점에서, 직선형 시스템은 광학소자에 대한 통상적인 장착 기술들이 사용될 수 있고, 그럼으로써 투영 대물렌즈의 기구적인 안정성을 향상시킬 수 있도록 설계될 수 있다.
미국특허 US 6,600,608 B1 은, 투영 대물렌즈의 물체 평면에 배치된 패턴을 제 1 중간상으로 결상시키는 제 1 순수 굴절식 대물렌즈부, 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상시키는 제 2 대물렌즈부 및 제 2 중간상을 직접, 즉 추가적인 중간상 없이 이미지 평면에 결상시키는 제 3 대물렌즈부를 구비하는 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈를 개시한다. 제 2 대물렌즈부는 중심 보어(bore)를 갖는 제 1 오목 미러와 중심 보어를 갖는 제 2 오목 미러를 구비하는 반사굴절식 대물렌즈부로서, 상기 오목 미러들은 서로 대향하는 미러면들을 가지며 그들 사이에서 미러간 공간 또 는 반사굴절식 공동(cavity)을 형성한다. 제 1 중간상은 물체 평면 다음에 있는 오목 미러의 중심 보어 내에 형성되는 반면, 제 2 중간상은 물체 평면 다음에 있는 오목 미러의 중심 보어 내에 형성된다. 상기 대물렌즈는 축 대칭이며 광축을 중심으로 배치된 필드를 가지며 축 방향 및 측면 방향으로 우수한 색 보정을 제공한다. 그러나, 방사광에 노출되는 오목 미러들의 반사 영역들이 보어에서 가려지기 때문에, 시스템의 동공이 암흑화된다.
유럽특허 EP 1 069 448 B1 은 서로 대향하는 두 개의 오목 미러와 비축상의 물체 및 이미지 필드를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시한다. 오목 미러들은 오목 미러에 인접하여 위치하는 중간상으로 물체를 결상시키는 제 1 반사굴절식 대물렌즈부의 일부이다. 이는 단 하나의 중간상이며, 상기 중간상은 제 2 순수 굴절식 대물렌즈부에 의해 이미지 평면으로 결상된다. 상기 반사굴절식 결상 시스템의 이미지뿐만 아니라 물체도 서로 대향하는 미러들에 의해 형성된 미러간 공간 외부에 위치한다. 두 개의 오목 미러들, 공통의 직선형 광축 및 반사굴절식 결상 시스템에 의해 형성되며 상기 오목 미러들 중 하나의 곁에 위치하는 하나의 중간상을 구비하는 유사한 시스템이 미국 특허 출원 US 2002/0024741 A1 에 개시되어 있다.
미국 특허 출원 US 2004/0130806(유럽 특허 출원 EP 1 336 887 에 대응)은 비축상의 물체 및 이미지 필드, 하나의 공통된 직선 광축과, 제 1 중간상을 형성하기 위한 제 1 반사굴절식 대물렌즈부, 상기 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상을 형성하기 위한 제 2 반사굴절식 대물렌즈부 및 상기 제 2 중간상으로부터 이미지를 형성하기 위한 굴절식 제 3 대물렌즈부를 차례로 구비하는 반사굴절식 투영 대물렌 즈를 개시한다. 각각의 반사굴절식 시스템은 서로 대향하는 두 개의 오목 미러들을 갖는다. 중간상들은 상기 오목 미러들에 의해 형성된 미러간 공간들의 바깥에 놓인다.
일본 특허 출원 JP 2003114387 A 및 국제 특허 출원 WO 01/55767 A 는 하나의 공통된 직선 광축을 갖는 비축상의 물체 및 이미지 필드, 중간상을 형성하기 위한 제 1 반사굴절식 대물렌즈부 및 시스템의 이미지 평면에 상기 중간상을 결상시키기 위한 제 2 반사굴절식 대물렌즈부를 구비하는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시한다. 오목 및 볼록 미러들이 함께 사용된다.
미국 특허 출원 US 2003/0234992 A1 은 하나의 공통된 직선 광축을 갖는 비축상의 물체 및 이미지 필드, 중간상을 형성하기 위한 제 1 반사굴절식 대물렌즈부 및 상기 중간상을 이미지 평면에 결상시키기 위한 제 2 반사굴절식 대물렌즈부를 구비하는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시한다. 각각의 반사굴절식 대물렌즈부에서, 오목 및 볼록 미러들이 하나의 단일 렌즈와 함께 사용된다.
국제 특허 출원 WO 2004/107011 A1 은 광축으로부터 떨어진 필드 중심을 갖는 원호 형상의 유효 물체 필드를 사용하여 액침 리소그래피용으로 설계된 하나의 공통된 직선 광축을 갖는 비축상의 물체 필드 및 이미지 필드를 갖는 다양한 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시한다. 상기 투영 대물렌즈는 두 개, 네 개 또는 여섯 개의 만곡된 미러들을 갖는 다양한 종류의 미러 그룹들을 포함한다. 두 개 내지 네 개의 중간상들을 갖는 실시예들이 개시되어 있다. 미국 특허 출원 US 2004/0218164 A1 은 원호 형상의 조명 필드를 제공하도록 설계된 조명 시스템을 개시한다. 편광 선택성 물리적 빔스플리터를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈도 함께 개시되어 있다.
본 출원인에 의해 2004년 1월 14일에 출원된 출원번호 60/536,248의 미국 가출원은 매우 높은 개구수(NA)를 가지며 NA > 1 에서의 액침 리소그래피에 적당한 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시하고 있다. 상기 투영 대물렌즈는: 물체 평면 내에 제공된 패턴을 제 1 중간상으로 결상시키기 위한 제 1 대물렌즈부, 상기 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상시키기 위한 제 2 대물렌즈부, 및 상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 직접 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함한다. 제 2 대물렌즈부는 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 연속 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 구비하며, 상기 오목 미러면들은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성한다. 모든 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 위치한다. 상기 시스템은 적당한 렌즈 중량으로 매우 높은 개구수에 대한 가능성을 갖는다.
본 발명의 목적은 상대적으로 적은 양의 투명한 광학 재료로 만들어질 수 있는 컴팩트한 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 NA > 1 의 개구수에서 액침 리소그래피(immersion lithography)를 허용하는 값까지 연장될 수 있는 매우 높은 이미지측 개구수의 가능성을 갖는, 진공 자외선(VUV) 범위에서의 사용에 적당한 마이크로리소그래피용 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 투영 대물렌즈 내의 포지티브 굴절력을 갖는 렌즈들에 의해 유발되는 이미지 만곡 수차를 보상하는 데 효과적인 미러들의 컴팩트한 축방향 배열을 갖는 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 투영을 위해 사용하기에 효과적인 물체 필드의 크기와 투영 대물렌즈가 이미지 수차들에 대해 보정되어야만 하는 필드의 크기 사이의 유리한 비율을 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 투영 대물렌즈가 이미지 수차들에 대해 보정되어야만 하는 필드의 크기를 최소화하기 위해 투영용으로 사용하기에 효과적인 물체 필드의 최적의 형상을 허용하는 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들에 대한 해결책으로서, 한 유형에 따르면, 투영 대물렌즈의 물체 표면에 배열된 비축상의 유효 물체 필드를 투영 대물렌즈의 이미지 표면에 배열된 비축상의 유효 이미지 필드상에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈로서,
광축;
상기 광축의 완전히 바깥쪽에 위치하며 제 1 방향으로 길이 A를 갖고 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 폭 B를 갖는 것으로, 유효 물체 필드를 둘러싸는 최소 면적의 원형 영역이 유효 물체 필드의 반경 REOF 를:
Figure 112006081416886-pct00001
에 따라 정의하는 유효 물체 필드;
설계 물체 필드 반경 RDOF를 갖는 광축을 중심으로 배치된 원형의 설계 물체 필드;를 포함하는 투영 대물렌즈가 제공되며, 상기 투영 대물렌즈는 RDOF보다 작은 방사상 좌표(radial coordinate)를 갖는 구역에서의 이미지 수차에 대하여 기본적으로 보정되고, 상기 투영 대물렌즈는 RDOF보다 큰 방사상 좌표를 갖는 구역에서는 완전히 보정되지 않으며, 다음의 조건:
RDOF = γREOF 및
1 ≤ γ < 1.4 가 만족된다.
본 발명의 상기 유형에 따른 투영 대물렌즈는 큰 유효 물체 필드를 사용하는 것을 허용하는 동시에, 반경 방향의 크기에 있어서 컴팩트한, 즉 작은 렌즈 및 미러 직경을 갖는 투영 대물렌즈를 가지고 액침 리소그래피용의 NA > 1 의 이미지측 개구수가 가능해지도록, 투영 대물렌즈가 충분히 보정되어야만 하는 물체 필드의 반경이 높은 개구수에서도 상대적으로 작을 수 있다.
바람직한 실시예에서, γ 가 1.3 보다 작을 수 있도록 심지어 1.2 보다 작을 수 있도록 γ에 대한 보다 작은 값이 얻어진다. 1 로부터 약 5% 이하 만큼 벗어난 γ을 갖는 실시예가 아래에서 논의된다.
큰 NA-값을 얻는 데 특히 적당한 몇몇 실시예에서, 광학적 설계는 원호 형상의 비축상의 링형 필드에 대해 최적화되는 데, 상기 링형 필드는 특히, 길이 방향에 수직한 폭 방향으로의 유효 물체 필드의 측면 에지 영역들이 광축을 통과하는 횡단-자오선 평면(cross-meridional plane)과 중첩하는 동시에, 내측 에지의 중심부가 광축으로부터 길이 방향으로의 반경 거리 D1을 갖도록 하는 크기가 될 수 있다. 상기 거리는 보다 작게 될 수도 있다. 즉, 유효 물체 필드가 광축에 매우 가깝게 위치할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 거리 D1은 설계 물체 필드의 반경 RDOF의 60% 이하로 된다.
바람직한 실시예들은 짝수 개의 미러들, 특히 짝수 개의 만곡된 미러들을 가지며, 모든 만곡된 미러들은 오목 미러이다. 몇몇 실시예에서, 정확하게 두 개의 오목 미러들이 미러 그룹 내에 제공된다. 다른 실시예에서, 정확하게 네 개의 오목 미러들이 미러 그룹 내에 제공된다. 수차, 특히 동공 구면수차의 향상된 보정을 위하여 적어도 하나의 오목 미러는 비구면 미러일 수도 있다.
다른 유형에 따르면, 투영 대물렌즈의 물체 표면에 배열된 비축상의 유효 물체 필드를 투영 대물렌즈의 이미지 표면에 배열된 비축상의 유효 이미지 필드상에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈는 광축을 따라 순서대로:
유효 물체 필드로부터 오는 방사광을 미러 그룹의 미러 그룹 입구를 향해 집광시키기 위한 포지티브 굴절력을 갖는 전방 렌즈 그룹;
물체측의 미러 그룹 입구와 이미지측의 미러 그룹 출구를 갖는 미러 그룹; 및
상기 미러 그룹으로부터 나오는 방사광을 유효 이미지 표면상에 포커싱하기 위한 포지티브 굴절력을 갖는 후방 렌즈 그룹;을 포함하며,
상기 미러 그룹은 적어도 두 개의 만곡 미러들을 포함하고, 만곡 미러는 제 1 반사 영역에서 유효 물체 필드로부터 유효 이미지 필드로 진행하는 투영 빔의 방사광을 수광하기 위한 만곡된 미러면을 가지며, 상기 만곡된 미러면은 미러면을 포함하며 만곡 미러의 에지를 넘어 연장되는 곡률면을 정의하고;
상기 투영 빔은 제 1 반사 영역에 대해 오프셋된 제 2 영역에서 적어도 한번 상기 곡률면에 입사하고;
모든 만곡 미러들에 대해 다음의 조건들:
(1) |RCRH| < 1/α 또는 |RCRH| > α 및
(2) α = 1.4 가
제 1 반사 영역에서의 주광선(chief ray)의 제 1 주광선 높이 CRH1과 제 2 영역에서의 동일한 주광선의 제 2 주광선 높이 CRH2 사이의 주광선 높이 비율 RCRH = CRH1/CRH2에 대해 만족된다.
오목 미러들의 영역 내에서의 투영 빔의 부분들이 서로 인터리빙되거나 혼합될 수 있도록 투영 빔의 단면이 제어된다면, 높은 개구수에서 상대적으로 작은 설계 물체 필드를 위한 설계에 대해 큰 비축상의 유효 물체 필드를 얻을 수 있다는 것이 발견되었다. 이는, 투영 빔이 오목 미러로 또는 오목 미러로부터 가이드되거나 오목 미러의 에지를 지나는 영역에서의 축 방향 위치에서 투영 빔의 주광선 높이가 크게 다르도록 투영 빔을 가이드하거나 성형함으로써 이루어질 수 있다는 것이 발견되었다. 주광선 높이에 있어서의 큰 차이는 필드 자취(footprint)들(예컨대, 필드면(field surface)의 근처에서의 빔 단면)의 크기를 크게 다르게 하여 자취들의 인터리빙된 배열이 가능하다.
위에서 주어진 조건 (1) 및 (2)는 어떠한 오목 미러들에 대해서도 조건 1/α < |RCRH| < α 및 α = 1.4 가 만족되어서는 안된다는 것을 또한 의미한다. 다른 말로, |RCRH| 의 값이 1과 같거나 1에 가까운 것은 피해야 한다.
본 발명은 또한 광원으로부터의 광을 수광하고 조명 시스템의 출사면에서 조명 시스템의 광축 바깥에 배치된 비축상의 조명 필드를 형성하는 조명 시스템 및 상기 조명 시스템이 본 발명에 따른 반사굴절식 투영 대물렌즈의 한 실시예에 적용된 반사굴절식 투영 대물렌즈를 포함하는 투영 노광 시스템에 관한 것이다. 바람직하게는, 상기 조명 시스템은 원호 형상의 조명 필드를 형성하도록 설계되며, 몇몇 실시예에서 길이 방향에 수직한 폭 방향의 조명 필드의 측면 에지 영역들이 광축을 통과하는 횡단-자오선 평면과 중첩하는 동시에, 내측 에지의 중심부가 광축으로부터 길이 방향으로의 반경 거리를 갖도록 상기 조명 필드의 크기가 정해진다.
상술한 특징들 및 다른 특징들은 특허청구범위에서 뿐만 아니라 명세서 및 도면에서도 볼 수 있으며, 개개의 특징은 본 발명 및 다른 영역에서의 한 실시예로서 그 자체로 또는 부조합들로 사용될 수도 있으며 개별적으로 이점이 있으며 특허 받을 수 있는 실시예를 나타낼 수 있다.
도 1은 원호 형상의 조명 필드를 형성하도록 설계된 조명 시스템과 네 개의 오목 미러들을 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 구비하는 마이크로리소그래피용 투영 노광 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 유효 물체 필드의 형태 및 위치, 관련된 유효 물체 필드의 반경 및 관련된 설계 물체 필드의 반경 사이의 관계를 나타낸다.
도 3은 네 개의 오목 미러들을 갖는 미러 그룹을 구비하는 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈의 한 실시예의 자오선 방향의 렌즈 단면을 도시한다.
도 4는 (a)에서 도 3의 투영 대물렌즈의 또 다른 형태를 도시하며 (b)에서 이미지측 미러(M2, M4)들의 영역에서 투영 빔의 자취들의 형태 및 위치를 도시하며 (c)에서 물체측 미러(M1,M3)에서의 투영 빔의 자취들의 형태 및 위치를 도시한다.
도 5는 여러 가지 주광선 높이 비율 RCRH에 대한 미러 그룹의 오목 미러의 소정의 곡률면에서의 자취들의 대표적인 예를 도시한다.
도 6은 여러 가지 만곡(bending) 정도를 갖는 활 형태의 유효 물체 필드의 자취들을 도시한다.
도 7은 유효 물체 필드의 만곡 B = b/a 및 에턴듀 비율 γ = RDOF/REOF의 함수로서 유효 물체 필드의 자취들의 여러 가지 형태들을 개략적으로 도시하고 있다.
도 8은 서로 대향하는 정확히 두 개의 오목 미러들을 갖는 미러 그룹을 구비하는 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈의 또 다른 실시예를 관통한 자오선 방향의 단면을 도시한다.
도 9는 (a)에서 도 8의 투영 대물렌즈의 다른 형태를 도시하며 (b)에서 이미지측 제 1 미러의 근방에서 투영 빔의 자취들의 형태 및 위치를 도시하고 (c)에서 물체측 제 2 미러의 근방에서 투영 빔의 자취들의 형태 및 위치를 도시한다.
도 10은 도 8 및 도 9의 투영 대물렌즈의 광학소자들에 의해 정의된 광학 채널을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 11 및 도 12는 인터리빙된 자취들의 형태 및 위치에 대한 주변광선 및 주광선 높이의 영향을 도시하기 위하여 반사 및 투과에서 자취들의 형태를 개략적으로 도시한다.
도 13은 서로 대향하는 정확히 두 개의 오목 미러들을 갖는 미러 그룹을 구비하는 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈의 또 다른 실시예를 관통한 자오선 방향의 단면을 도시한다.
본 발명의 양호한 실시예들에 대한 이하의 설명에서, 용어 "광축"은 광학소자의 곡률 중심을 관통하는 하나의 직선 또는 일련의 직선 부분들을 나타낸다. 여기서 제시된 실시예들의 경우에, 물체는 집적회로의 패턴을 갖고 있는 마스크(레티클)이거나 또는 다른 패턴, 예컨대 격자 패턴이다. 여기서 제시된 실시예들에서, 물체의 이미지는 감광성 층으로 코팅된 기판(액정 디스플레이의 부품과 같은 다른 형태의 기판 또는 광학 격자를 위한 기판들도 가능하다)으로서 역할을 하는 웨이퍼 위에 투영된다.
다수의 미러들을 갖는 실시예들이 기술된다. 다른 설명이 없다면, 미러들은 방사광이 미러에서 반사되는 순서에 따라 참조번호가 매겨질 것이다. 다른 말로 표현하자면, 미러들의 번호는 그 기하학적 위치에 따라서가 아니라, 방사광의 광학적 경로를 따른 위치에 따라 미러들을 지시한다.
용어 "전방" 및 "후방" 뿐만 아니라 용어 "상류" 및 "하류"는 광학적 경로를 따른 상대적 위치와 관련된 것으로, 여기서 "전방" 및 "상류"는 물체 표면에 더 가까운 위치와 관련된다.
적당한 경우, 상이한 실시예들에서 동일한 또는 유사한 특징부들 또는 특징 그룹들은 유사한 참조 부호에 의해 지시된다. 참조 번호가 사용되는 경우, 실시예들 사이에 100 또는 수 100 만큼 참조 번호가 증가한다.
도면에 도시된 구조의 상세한 사항을 명시하기 위하여 표가 제공되는 데, 표(들)은 각각의 도면들과 동일한 번호로 표기된다.
도 1은 액침 리소그래피에 의해 스텝앤스캔(step-and-scan) 모드로 대규모 집적 반도체소자를 제조하기 위해 제공되는 웨이퍼 스캐너(WS)의 형태로 마이크로리소그래피 투영 노광 시스템을 개략적으로 도시한다. 상기 투영 노광 시스템은 광원으로서 193nm의 동작 파장, 또는 예컨대 157nm 또는 248nm의 다른 동작 파장을 갖는 엑시머 레이저(L)를 포함한다. 하류측의 조명 시스템(ILL)은 그 출사면(ES)에서, 하류측의 반사굴절식 투영 대물렌즈(PO)의 텔레센트릭성에 대한 요건에 맞도록 형성된 크고, 예리한 경계의, 균질하게 조명되는 조명 필드(IF)를 형성한다. 조명 시스템(ILL)은 조명 모드의 선택을 위한 장치를 구비하며, 예컨대, 여러 가지 가간섭성도(degree of coherence)를 갖는 통상적인 축상의 조명과 비축상의 조명, 특히 (조명 시스템의 동공면(pupil surface) 내의 링 형상의 조명 영역을 갖는) 환형 조명 및 2중극 또는 4중극 조명 사이에서 변환될 수 있다.
조명 시스템의 하류측에 배열된 것은, 투영 대물렌즈(PO)의 물체 표면(OS)과 일치하는 조명 시스템의 출사면(ES) 내에 마스크가 놓이고 조명 시스템과 투영 대물렌즈에 공통인 광축(OA)(즉, Z-방향)에 수직한 스캐닝 방향(Y-방향)으로의 스캐닝 동작을 위한 평면 내에서 마스크가 움직일 수 있도록 마스크(M)를 붙잡고 조작하기 위한 장치(RS)(레티클 스테이지)이다.
축소 투영 대물렌즈(PO)는 마스크에 의해 제공된 패턴의 이미지를 포토레지스트 층으로 코팅된 웨이퍼(W) 위로 4;1의 축소 스케일로 결상시키도록 설계된다. 예컨대, 5:1 또는 8:1의 다른 축소 스케일도 가능하다. 감광성 기판으로서 역할으로서 역할을 하는 웨이퍼(W)는, 포토레지스트 층을 갖는 평평한 기판 표면(SS)이 투영 대물렌즈의 평평한 이미지 표면(IS)과 실질적으로 일치하도록 배치된다. 상기 웨이퍼는 마스크(M)와 동기하여 마스크와 평행하게 웨이퍼를 이동시키기 위하여 스캐너 장치를 포함하는 장치(WS)(웨이퍼 스테이지)에 의해 고정된다. 상기 장치(WS)는 또한 광축(OA)에 평행한 Z-방향으로 및 상기 광축에 수직한 X 및 Y-방향으로 모두 웨이퍼를 이동시키기 위한 조작기를 포함한다. 광축에 수직하게 진행하는 적어도 하나의 경사축을 갖는 경사 장치가 통합되어 있다.
웨이퍼(W)를 고정하기 위해 제공되는 장치(WS)(웨이퍼 스테이지)는 액침 리소그래피에서의 사용을 위해 구성된다. 상기 장치는 스캐너 구동기에 의해 이동될 수 있으며 바닥에 웨이퍼(W)를 수용하기 위한 편평한 홈을 갖는 수용 장치(RD)를 포함한다. 주변의 에지는 편평하고, 상방으로 개방되어 있는 액침 매질용 방수성 수용기를 형성하는 데, 상기 액침 매질(liquid immersion medium)은 도시되지 않은 장치에 의해 상기 수용기 내에 장착되거나 상기 수용기로부터 배출될 수 있다. 에 지의 높이는, 채워진 액침 매질이 웨이퍼(W)의 표면(SS)을 완전히 덮을 수 있고 대물렌즈 출구와 웨이퍼 표면 사이의 작동 거리가 정확하게 설정된 경우에 투영 대물렌즈(PO)의 출사측 말단 영역이 상기 액침 매질 내에 담가질 수 있도록 하는 정도의 크기이다.
투영 대물렌즈(PO)는 이미지 표면(IS)에 가장 가까운 마지막 광학소자로서 평볼록 렌즈(PCL)을 가지며, 상기 렌즈의 평평한 출사면은 투영 대물렌즈(PO)의 마지막 광학적 표면이 된다. 투영 노광 시스템의 동작 동안, 마지막 광학소자의 출사면은 액침 액체(IM) 내에 완전히 잠기며 상기 액체에 의해 젖게 된다. 예시적인 경우에, n1 ∼ 1.437 (193nm)의 굴절률을 갖는 순수한 물이 액침 액체로서 사용된다.
도 1의 삽입 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이, 조명 시스템(ILL)은 활 형상을 갖는 조명 필드(IF)(환형 필드 또는 링형 필드)를 생성할 수 있다. 활 형상의 조명 필드의 크기 및 형태는, 마스크 상의 패턴의 이미지를 투영 대물렌즈의 이미지 표면에 투영시키는 데 실제로 사용되는 투영 대물렌즈의 유효 물체 필드(OF)의 크기 및 형태를 결정한다. 상기 조명 필드(IF)는 스캐닝 방향에 평행한 길이 A 및 스캐닝 방향에 수직한 폭 B 를 갖는다. 광축에 보다 가까운 만곡된 내측 에지(IE)와 광축으로부터 보다 멀고 Y-방향으로 길이 A 만큼 반경 방향으로 오프셋 된 외측 에지(OE)는 동일한 에지 반경을 갖는다. 폭 방향(X-방향)으로의 측면 에지 영역들은 X-방향 및 광축(Z-방향)에 의해 정의된 횡단-자오선 평면(CMP)과 중첩하는 반면, Y-축 상의 내측 에지(IE)의 중심부는 광축으로부터의 반경 거리를 갖는 다. 조명 필드가 광축을 포함하지 않고(비축상의 조명 필드) 스캐닝 방향에 수직한 횡단-자오선 평면을 가로질러 양측으로 연장하는 것이 특징이다. 도 2 및 투영 대물렌즈의 다양한 실시예들과 함께 논의되며 컴팩트한 축 방향 및 반경 방향을 갖는 높은 개구수(NA)의 액침 대물렌즈의 사용을 가능하게 하는 투영 대물렌즈와 조명 시스템 사이의 계면에서의 특정한 조건들이 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
본 발명에 의해 해결된 문제들 중 하나에 대한 도입으로서, 도 2는 마이크로리소그래피 투영 공정에서 실제로 사용되는 유효 물체 필드(OF)가 투영 대물렌즈의 설계 물체 필드(DOF) 내에 어떻게 위치할 수 있는지를 설명하기 위하여 투영 대물렌즈의 물체 필드측에서 축 방향으로 본 다양한 개략적인 특징들을 도시한다.
도 2(a) 내지 (c)는 종래의 설계들의 예를 도시하는 반면, 도 2(d)는 본 발명의 한 실시예(도 1의 삽입 도면을 비교)를 도시한다. 용어 RDOF 및 REOF는 도 2(e)에서 설명된다. 모든 예에서, 길이 A 및 폭 B 에 관한 유효 물체 필드(OF)의 크기는 동일하며, 따라서 종횡비 AR=B/A 는 동일하다. 바람직하게는, 종횡비가 2:1 내지 10:1 의 범위 내에 있을 수 있다. 유효 물체 필드를 둘러싸는 원형 영역은 도 2의 모든 예들에서 동일한 반경 REOF 를 갖는다. 각각의 예에서, 주어진 개구수에서 유효 물체 필드 내의 모든 필드 점(field point)들이 투영 빔의 비네팅 없이 결상되도록 광축(OA)에 대하여 유효 물체 필드(OF)가 위치한다.
설계 물체 필드(DOF)는 유효 물체 필드를 둘러싸는, 광축(OA)과 동심인 최소 반경 RDOF의 원형 영역이다. 설계 물체 필드는 의도된 리소그래피 공정에 충분한 결 상 정확도로 투영 대물렌즈에 의해 투영될 수 있는 물체 표면의 모든 필드 점들을 포함한다. 다른 말로 표현하자면, RDOF보다 작은 방사상 좌표들을 갖는 구역 내에서는 모든 결상 수차들이 의도된 투영 목적에 충분하게 보정되는 반면, 상기 설계 물체 필드의 바깥쪽에 있는 필드 점들에 대해서는 상기 수차들 중 적어도 하나는 소망하는 문턱값보다 크다. 유효 물체 필드의 형태 및 위치에 따라, 광축 상의 필드 점들 및 광축에 가까운 필드 점들을 포함하는 설계 물체 필드의 모든 필드 점들은 충분하게 보정될 수 있다. 비축상의 유효 물체 필드, 특히 활 형태를 갖는 유효 물체 필드를 위해 설계된 투영 대물렌즈에서, 충분한 보정 상태를 갖는 필드 점들은 (유효 물체 필드의 위치를 포함하는) 광축 둘레의 링형 구역을 형성하지만, 광축 상의 영역 및 광축 둘레의 영역은 충분하게 보정될 필요가 없을 수 있다. 설계 물체 필드의 크기는 설계 물체 필드의 반경 RDOF에 의해 특징지워 진다. 투영 대물렌즈의 보정이 용이할수록 설계 물체 필드의 반경이 작아지기 때문에, 설계 물체 필드의 반경을 최소화하는 것이 일반적으로 요구된다.
한편, 예컨대 마이크로 구조의 반도체소자를 제조하기에 효과적인 투영 공정을 얻기 위해, 충분하게 큰 크기의 유효하게 사용된 물체 필드(OF)를 가질 것이 요구된다. 스캐닝 동작용으로 설계된 대부분의 투영 노광 시스템에서, 슬릿 형상의 물체 필드(OF)가 사용되며, 투영 단계 동안 결상될 패턴과 노광될 기판이 동기하여 스캐닝 방향(Y)으로 이동한다. 종래의 경우에는, 스캐닝 방향(Y)과 평행한 길이 A 및 스캐닝 방향에 수직한 폭 B를 갖는 직사각형의 유효 물체 필드(OF)가 사용되었 다(도 2(a) 및 도 2(b) 비교). 또한, 종종 "환형 필드" 또는 "링형 필드"라고 불리는 활 모양의 물체 필드를 사용하는 것이 알려져 있다. 도 2(c)에 도시되어 있듯이, 활 모양의 필드는 (스캐닝 방향(Y)에 수직한) 횡단-스캐닝 방향(X)으로 동일한 폭 B를 갖도록 크기가 정해질 수 있다. 광축에 보다 가까운 내측 에지(IE) 및 광축으로부터 보다 먼 외측 에지(OE)는 동일한 에지 반경 RE를 갖는 데, 상기 반경은 도 2(c)의 예에서 설계 물체 필드의 반경 RDOF에 대응하지만 유효 물체 필드의 만곡(bending)에 의존하는 반경(도 6 비교)과는 다를 수 있다. 유효 물체 필드(OF)의 길이 A는 내측 에지(IE)와 외측 에지(OE) 사이의 스캐닝 방향(Y)으로의 반경 방향 오프셋에 의해 결정된다.
상술한 바와 같이, 유효 물체 필드를 둘러싸는 원형 영역은 반경 REOF를 갖는 데, 상기 반경은 A 및 B에만 의존하며 모든 예들에 대해 다음과 같이 계산된다:
Figure 112006081416886-pct00002
예 (a)는 광축(OA)을 중심으로 배치된 유효 물체 필드(OF)를 도시하는 데, 이는 통상적으로 순수 굴절식 투영 대물렌즈, 또는 편광 빔스플리터와 같은 물리적인 빔스플리터를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈, 또는 중심 동공 암흑화를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈용이다. 여기서, 중심 배치된 유효 물체 필드의 설계 물체 필드 반경
Figure 112006081416886-pct00003
에 대하여 다음의 조건이 유지된다:
Figure 112006081416886-pct00004
여기서 "유효 에턴듀(effective etendue)"가 물체측 개구수와 유효 물체 필드의 반경 REOF의 곱으로서 정의되는 반면, "설계 에턴듀(design etendue)"가 물체측 개구수와 설계 물체 필드의 반경 RDOF의 곱으로서 정의되는 것을 고려할 때, 에턴듀 비 γ는 다음과 같이 정의된다:
γ = RDOF/REOF
중심 배치된 유효 물체 필드를 갖는 설계는 상대적으로 큰 유효 물체 필드가 상대적으로 작은 설계 물체 필드로 결상될 수 있다는 것을 나타내는 최적의 에턴듀 비 γ = 1를 갖게 된다.
본 명세서의 최소에 설명된 바와 같이, 중심 배치된 유효 물체 필드는 오목 미러로부터 및/또는 오목 미러로 방사광을 가이드 하기 위한 하나 이상의 평평한 폴딩 미러를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈에서 사용될 수 없다. 대신에, 비축상의 물체 필드가 사용되어야만 한다. 하나의 예가 도 2(b)에 도시되어 있다. 최소의 요구사항으로서, 직사각형 유효 물체 필드(OF)의 내측 에지(IE)는 Y ∼ 0 인 광축(OA) 바로 바깥쪽에 위치하여야만 할 것이다. 이 경우에, 상기 편심된(비축상의) 유효 물체 필드를 둘러싸는 설계 물체 필드의 반경
Figure 112006081416886-pct00005
은 다음의 조건을 만족할 것이다:
Figure 112006081416886-pct00006
그러나, 실제의 시스템에서, 제조 공차가 관측되어야 할 것이고 폴딩 미러 위에 중간상을 정확하게 위치시키는 것이 일반적으로 추천되지 않거나 가능하지 않기 때문에, 유효 물체 필드(OF)의 내측 에지(IF)와 광축(OA) 사이에 유한한 오프셋(OY)이 존재할 것이다. 그러므로, 실제의 경우에 직사각형의 유효 물체 필드에 대한 설계 물체 필드의 반경
Figure 112006081416886-pct00007
의 적당한 낮은 값이 다음의 조건을 따를 것으로 예상된다:
Figure 112006081416886-pct00008
도 2(a)와 도 2(b) 사이의 비교로부터, 비축상의 유효 물체 필드를 갖는 투영 대물렌즈들이 보다 큰 설계 물체 필드의 반경을 일반적으로 요구한다는 것이 명백하다. 주어진 개구수에서, 중심 배치된 유효 물체 필드를 갖는 순수 굴절식 시스템 또는 다른 시스템들과 비교할 때, 이러한 요구사항은 일반적으로 렌즈들 및 다른 광학소자들의 크기를 증가시킬 필요와 대응한다.
비축상의 활 모양의 필드들이 사용되는 경우에 유사한 고려가 유지된다(도 2(c) 비교). 통상적으로, 스캐닝 방향으로의 최소의 오프셋(OY)이 비네팅을 피하기 위해 필요하다.
나중에 설명하겠지만, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈는 다음의 반경:
Figure 112006081416886-pct00009
(여기서, 1 ≤ γ < 1.4)
을 갖는 설계 물체 필드 내에 위치하는 길이 A 및 폭 B를 갖는 유효 물체 필드를 비네팅 없이 결상시키는 것을 가능하게 한다.
직사각형의 유효 물체 필드를 갖는 바람직한 설계들이 γ ≥ 1.4 또는 그 이상으로 특징지워졌다는 점을 고려할 때, 소정의 형태를 갖는 활 모양의 유효 물체 필드가 비네팅 없이 결상될 수 있도록 투영 대물렌즈를 설계함으로써 보다 바람직한 에턴듀 비율을 향한 향상이 얻어진다. 여기서, γ < 1.2 의 에턴듀 비율이 얻어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 비축상의 유효 물체 필드는 측면 에지 영역에서 횡단-자오선 평면(CMP)(도 2(d)를 볼 것)과 중첩될 수 있다. 여기서, γ < 1.1 의 에턴듀 비율이 얻어질 수 있다.
도 1과 함께 예시적으로 설명된 것과 같은 마이크로리소그래피 투영 노광 시스템에서 사용되기에 적합한 반사굴절식 투영 대물렌즈의 바람직한 실시예들을 이하에서 상세하게 설명할 것이다.
이하에서 주어진 모든 실시예에서, 모든 만곡 미러들의 곡률면들은 미러 그룹 축으로 불리는 회전 대칭인 공통의 축을 갖는다. 상기 미러 그룹 축은 투영 대물렌즈의 광축(OA)과 일치한다. 짝수 개의 미러들을 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈들, 특히 직선형 시스템으로도 불리는 축 방향으로 대칭인 시스템들이 이러한 방식으로 제공된다. 이러한 설계에서는 평평한 폴딩 미러가 사용되지 않거나 필요가 없다. 유효 물체 필드 및 이미지 필드는 비축상에, 즉 광축으로부터 반경 거리에 위치한다. 모든 시스템들은 광축을 중심으로 배치된 원형의 동공을 가지며, 따라서 마이크로리소그래피용 투영 대물렌즈로서 사용이 가능하다.
도 3은 평평한 물체 표면(OS)(물체 평면)에 배치된 레티클상의 패턴의 이미지를 평평한 이미지 표면(IS)(이미지 평면) 위에, 예컨대 4:1의 축소 스케일로 투영하는 동시에 정확히 네 개의 중간 실상(IMI1, IMI2, IMI3, IMI4)을 형성하도록 설계된 반사굴절식 투영 대물렌즈(300)의 실시예에 대한 자오선 방향의 렌즈 단면을 도시한다. 광축(OA)의 바깥쪽에 위치하는 비축상의 유효 물체 필드(OF)는 비축상의 이미지 필드(IF) 상에 투영된다. 유효 물체 필드(OF)는 도 2(d)에 따른 일반적으로 형성된 활 모양의 "링 필드"이다. 자오선 평면(도면 평면) 내에 있는 비축 물체 필드(OF)의 외측 필드 점의 주광선(CR)의 궤적은 빔 경로를 따라가기 쉽도록 굵게 도시되었다.
본 출원의 목적을 위해, (주요광선(principal ray)으로도 알려진) 용어 "주광선(chief ray)"은 유효하게 사용되는 물체 필드(OF)의 (광축으로부터 가장 먼) 최외측 필드 점으로부터 나오며 적어도 하나의 동공면 위치에서 광축을 교차하는 광선을 나타낸다. 시스템의 회전 대칭성으로 인하여, 설명의 목적을 위해 도면에 도시된 바와 같이, 주광선은 자오선 평면 내에서 물체 높이 RDOF와 동일한 필드 점으로부터 선택될 수 있다. 물체측에서 실질적으로 텔레센트릭한 투영 대물렌즈에서, 주광선은 물체 표면으로부터 광축에 평행하게 또는 광축에 대하여 매우 작은 각도로 나온다. 결상 과정은 주변광선의 궤적에 의해서도 특징지워 진다. 여기서 사용된 것과 같은 "주변광선"은 (광축상에 있는) 축상의 물체 필드 점으로부터 개구조리개(AS)의 에지로 진행하는 광선이다. 상기 주변광선은 비축상의 유효 물체 필드가 사용되는 경우에는 비네팅으로 인하여 이미지 형성에 기여하지 않을 수도 있다. 주광선과 주변광선은 투영 대물렌즈의 광학적 특성을 특징짓기 위하여 선택된다.
5개의 렌즈들에 의해 제공된 포지티브 굴절력을 갖는 물체 표면의 바로 다음에 있는 제 1 렌즈 그룹(LG1)은 제 1 중간상(intermediate image)(IMI1)을 형성하기 위한 결상 서브시스템으로서 작용을 한다. 물체 표면과 제 1 중간상 사이에 형성된 전방 동공면(FPS)은, 주광선(CR)이 광축(OA)과 교차하는 축상의 위치에 있는 상기 제 1 렌즈 그룹(LG1)의 이미지측 단부 영역에 위치한다.
광축에 수직한 미러 그룹 평면(MGP)에 대하여 거울 대칭적으로 배치된 4개의 오목 미러(M1, M2, M3, M4)들로 구성된 순수 반사식(반사광학식) 미러 그룹(MG)은 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상(IMI2)을 형성하고, 제 2 중간상으로부터 제 3 중간상(IMI3)을 형성하도록 설계된다. 모든 중간상(IMI1, IMI2, IMI3)들은 오목 미러들에 의해 형성된 반사굴절식 동공(catadioptric cavity) 내에 위치한다.
4개의 포지티브 렌즈들에 의해 제공된 포지티브 굴절력을 갖는 제 2 렌즈 그룹(LG2)은 상기 제 3 중간상(IMI3)으로부터 제 4 중간상(IMI4)을 형성하는 결상 서브시스템이다. 제 3 중간상과 제 4 중간상 사이에 형성된 후방 동공면(RPS)은 상기 제 2 렌즈 그룹의 첫번째 렌즈의 입사면과 가까운 제 2 렌즈 그룹의 입구 영역에 놓여있다.
12개의 렌즈들(단지 두 개의 네가티브 렌즈들)에 의해 제공된 포지티브 굴절력을 갖는 제 3 렌즈 그룹(LG3)은 상기 제 4 중간상(IMI4)을 이미지 표면(IS) 위에 축소된 스케일로 결상시키기 위한 축소 배율을 갖는 포커싱 렌즈 그룹으로서 설계된다.
국소적으로 최소인 빔 직경에 의해 특징지워지는 수축 영역(CON)은 제 4 중간상(IMI4)의 위치를 포함하는 제 2 및 제 3 렌즈 그룹(LG2, LG3)의 사이에서 정의된다.
제 1 렌즈 그룹(LG1)은 물체 필드로부터 온 방사광을 미러 그룹 입구를 향해 집광하도록 설계된 전방 렌즈 그룹(FLG)을 형성한다. 제 2 렌즈 그룹(LG2) 및 제 3 렌즈 그룹(LG3)은 함께 미러 그룹 출구(MGO)로부터 나오는 방사광을 이미지 표면 위로 포커싱하기 위한 후방 렌즈 그룹(RLG)으로서 역할을 한다.
순수 반사식(반사광학식) 미러 그룹(MG)은 미러 그룹의 상류측 및 하류측에 있는 렌즈들의 포지티브 굴절력의 역효과를 상쇄시키는 페츠발 합의 강력한 과보정을 제공하도록 설계된다. 이를 위하여, 미러 그룹(MG)은 물체 필드(OF)에 대하여 반대쪽에 있는 광축의 일측에 위치한 제 1 오목 미러(M1), 광축의 물체 필드측에 위치하는 제 2 오목 미러(M2), 광축의 물체 필드측에 역시 위치하는 제 3 오목 미러(M3) 및 물체 필드에 대하여 반대측에 위치하는 제 4 오목 미러(M4)로 구성된다. 오목 미러의 각각의 미러면은, 물리적인 미러면의 에지를 넘어 연장되는 수학적인 표면이며 상기 미러면을 포함하는 "곡률면(curvature surface)" 또는 "곡률의 표 면(surface of curvature)"을 정의한다. 모든 오목 미러들은 회전 대칭인 하나의 공통의 축을 광축상에서 갖는 회전 대칭 곡률면들의 일부이다.
물체측 미러(M2, M4)들은 공통의 미러 기판 위에 형성된 공통의 곡률면을 갖는 미러쌍을 형성한다. 미러 그룹 입구(MGI)는 상기 미러(M2, M4)들 사이의 광축을 포함하는 미러 기판에 있는 홀(hole)에 의해 형성된다. 미러 배치가 광축에 수직한 대칭 평면(미러 그룹 평면(MGP))에 대하여 거울 대칭이기 때문에, 출구측에서 대칭 조건이 주어지는 데, 여기서 제 3 미러(M3)와 제 1 미러(M1) 사이의 공통의 미러 기판에 있는 홀에 의해 미러 그룹 출구(MGO)가 형성된다. 미러 그룹 입구(MGI)와 미러 그룹 출구(MGO)는 모두 광축을 포함한다.
미러 그룹 입구(MGI)는 전방 동공면(FPS)에 기하학적으로 가까운 축 방향의 위치를 갖는다. 주광선 높이(즉, 광축과 주광선 사이의 반경 방향의 거리)가 전방 동공면에서 0(zero)이기 때문에, 미러 그룹 입구의 투과부에 있는 입사 주광선 높이(CRH1)는 작다. 도 3에서, 점(TI)은 주광선이 미러 그룹 입구를 통과하는 위치를 나타낸다. 주광선이 위치(R1)(점)에 입사하여 제 1 미러(M1)에서 반사된 후, 방사빔은 광축을 가로질러 제 2 미러(M2)에 입사한다. 상기 제 2 미러상의 제 2 반사 영역(자취)은 주광선이 제 2 미러에 입사하는 위치(R2)(점)를 포함한다. 이에 대응하는 제 2 주광선 높이(CRH2)는 제 1 주광선 높이보다 크다(이 경우에 상기 광선 높이는 물체 필드측을 양의 값으로 하여 광축에 대해 반경 방향으로 결정된다). 제 2 중간상을 형성하고 제 3 미러(M3)(주광선은 R3에 입사한다)에서 반사된 후에, 방사빔은 다시 광축을 가로질러 주광선이 제 4 미러에서 반사되는 위치(R4)(점)를 포 함하는 제 4 반사영역 내의 제 4 미러(M4)에 입사한다. 여기서 대응하는 제 4 주광선 높이(CRH4)는 입사 주광선 높이(CRH1)보다 작다. 또한, 제 2 및 제 4 주광선 높이(CRH2, CRH4)는 반대의 부호를 갖는다. 그리고, 빔이 미러 그룹으로부터 출사하는 위치(TO)에서 결정되는 출사 주광선 높이(CRHO)보다 제 1 주광선 높이(CRH1)는 작고 제 3 주광선 높이(CRH3)는 크다. 또한, 상기 제 1 및 제 3 주광선 높이(CRH1, CRH3)는 반대의 부호를 갖는다.
입사 주광선 높이(CRH1)의 작은 절대값은 미러 그룹 입구의 근방이 동공면에 가깝다는 것을 나타낸다. 반면, 제 2 및 제 4 반사에 대한 주광선 높이의 큰 절대값은, 이들 반사들이 동공면으로부터 광학적으로 멀리에서 일어나고 필드면(field surface)에 광학적으로 보다 가까이에서 일어난다는 것을 나타낸다(제 2 반사에 대해 IMI2, 제 4 반사에 대해 IMI3). 미러 그룹의 대칭성으로 인하여, 제 1 및 제 3 미러(M1, M3)들에서의 반사 역시 동공면보다는 필드면에 더 가까이 있으며, 이는 미러 그룹 내의 모든 반사들이 필드면에 가까이서 일어나고 동공면으로부터 광학적으로 멀리에서 일어난다는 것을 의미한다.
미러 그룹의 대칭성으로 인해, 전방 동공면(FPS)은 미러 그룹 입구 근처에 위치하는 반면, 광학적으로 공액(conjugate)인 후방 동공면(RPS)은 미러 그룹 출구 근처에 놓인다. 미러 그룹 내부에는, (필드면들에 대응하는) 세 개의 중간상들이 위치한다. 광의 진행 경로를 따라서 보았을 때, 제 1 중간상(IMI1)은 제 1 미러(M1)에서의 제 1 반사의 상류측에 위치하며, 제 2 중간상(IMI2)은 제 2 및 제 3 미러(M2, M3) 사이의 제 2 및 제 3 반사 사이에 위치하고, 제 3 중간상(IMI3)은 제 4 미러(M4)에서의 제 4 반사의 바로 하류측에 위치한다. 투영 빔은 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구 사이에서 미러 그룹 평면(MGP)을 5번 지나간다.
물체 표면에 가장 가까운 미러 꼭지점(미러(M2,M4))과 이미지 표면에 가장 가까운 미러 꼭지점(미러(M1,M3)) 사이의 축 방향의 거리로서 정의되는 축 방향의 미러 그룹 길이(MGL)는 투영 대물렌즈의 총 트랙 길이(TT)(물체 표면과 이미지 표면 사이의 축 방향의 거리)의 30% 이하이며, 이는 축 방향으로 컴팩트한 미러 그룹임을 의미한다.
제 2 중간상은, 주광선(CR)이 상기 제 2 중간상의 영역에서 광축에 거의 평행하게 진행한다는 사실로부터, 실질적으로 텔레센트릭하다. 제 2 미러의 초점에 가까운 제 2 동공면(P2)을 형성하는, 제 1 및 제 2 미러(M1,M2) 사이에 실질적으로 콜리메이팅된 빔이 존재한다. 마찬가지로, 제 3 미러(M3)의 초점에 가까운 제 3 동공면(P3)을 형성하는, 제 3 및 제 4 미러(M3,M4) 사이에 콜리메이팅된 빔이 존재한다.
투영 대물렌즈(300)는, 대물렌즈의 출사면과 이미지 평면 사이에서 높은 굴절률의 액침 액체, 예컨대 순수한 물과 함께 사용될 때 NA = 1.35 의 이미지측 개구수를 갖는 λ = 193nm 용 액침 대물렌즈로서 설계된다. 상세한 사항은 표 3에 요약되어 있다. 가장 좌측의 컬럼은 굴절면, 반사면 또는 그 이외의 표면의 번호를 열거하고 있으며, 두 번째 컬럼은 표면의 곡률 반경 r[mm]을 열거하고 있고, 세 번째 컬럼은 광학 표면의 "두께"로 불리는 파라미터인, 현재 표면과 다음 표면 사이의 거리 d[mm]를 열거하고 있고, 네 번째 컬럼은 광학소자를 제조하는 데 사용된 재료를 열거하고 있고, 다섯 번째 커럼은 상기 재료의 굴절률을 열거하고 있다. 여섯 번째 컬럼은 광학적으로 활용 가능하며, 깨끗한 광학소자의 반경[mm]을 열거하고 있다. 표에서 곡률 반경 r=0 은 (무한대의 곡률 반경을 갖는) 평평한 표면을 나타낸다.
표 3에서 상당 수의 표면들은 비구면 표면이다. 표 3A는 상기 비구면 표면들에 대한 관련 데이터를 열거하고 있는 데, 상기 데이터로부터 높이 h의 함수로서 상기 표면 형태의 새지타(sagitta) 또는 상승 높이 p(h)가 다음의 등식을 이용하여 계산될 수 있다:
Figure 112006081416886-pct00010
여기서, 곡률반경의 역수 (1/r)는 표면의 꼭지점에서의 해당 표면의 곡률이며, h 는 광축으로부터 표면상의 한 점까지의 거리이다. 따라서, 새지타 또는 상승 높이 p(h)는 해당 표면의 꼭지점으로부터 z-방향을 따라, 즉 광축을 따라 측정된 상기 점의 거리를 나타낸다. 상수 K, C1, C2 등은 표 3A에 열거되어 있다.
도 3의 실시예에서, 물체측 미러(M2, M4)들은 두 미러들에 대해 공통의 미러 기판을 사용할 수 있도록 동일한 곡률의 표면을 갖는다. 마찬가지로, 이미지측 미러(M1, M3)들의 표면 곡률은 이들 미러들에 대해 공통의 기판을 사용할 수 있도록 동일하다. 그러나, 물체측 미러들과 이미지측 미러들의 표면 곡률은 상이하다. 다른 실시예에서는, 물체측 미러들과 이미지측 미러들이 동일한 표면 곡률을 가질 수도 있으며, 그럼으로써 미러 그룹의 미러들의 제조가 용이해질 수 있다. 또한, 네 개의 개별적인 미러 기판들이 제공될 수 있으며, 그럼으로써 각각의 미러의 표면 곡률 및 꼭지점 위치에 대해 수차 조절이 보다 유연하게 될 수 있다.
유효하게 사용된 필드에 대한 높은 기하학적 광전도 값(에턴듀, 즉 개구수와 해당 필드 크기의 곱)을 얻기 위한 몇몇 고려 사항들이 다음과 같이 존재한다. 상술한 바와 같이, 방사광은 미러 그룹 입구(MGI)에서 동공면(전방 동공면(FPS))에 기하학적으로 가깝게 4-미러-구조에 입사하며, 미러 그룹 출구(MGO)도 역시 동공면(후방 동공면(RPS))에 가까이에 있는 데, 이는 미러 그룹이 광학 시스템 내에서 동공 결상(pupil imaging)을 수행한다는 것을 나타낸다. 더욱이, 미러면들의 각각은, 미러가 광학 시스템의 동공면보다 필드면에 더 광학적으로 가깝다는 의미에서 필드면(중간상)에 광학적으로 가깝게 위치한다. 특히, 주광선 높이는 주변광선 높이보다 크며, 심지어 미러에서 주변광선 높이의 두 배보다 더 크다. 동공면의 영역에서 빔의 비네팅을 피하기 위하여, 빔은 미러 그룹 입구 또는 미러 그룹 출구를 형성하는 미러들의 기하학적으로 가장 가까운 에지를 지나가야 한다. 미러들상의 빔들의 자취(footprint)들을 고려하면, 전체 자취들이 미러의 에지를 지나는 대신에 미러의 반사 영역상에 있으며, 이는 비네팅을 초래할 수도 있다는 점을 감안해야 한다. 보다 실용적인 요구사항은, 투영 대물렌즈가 충분히 보정되어야 하는 설계 물체 필드 직경을 최소화하기 위해 광축에 가능한 가까운 충분히 큰 유효 물체 필드를 얻는 것이다. 이러한 조건들 하에서, 동공의 크기(즉, 동공면에서의 빔의 빔경)가 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구에 기하학적으로 가까운 동공면에서 가능한 작도록 광학 시스템을 설계하는 것이 유용하다는 것이 발견되었다. 상기 영역에 서 작은 동공은 미러 에지에 입사하는 빔 없이 광축에 가능한 가깝게 (인접한 미러상에 또는 그 근처에서) 기하학적으로 가까운 필드를 위치시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 근축(paraxial) 주광선 각도(CRA)와 동공 크기의 곱이 광학적 결상 시스템에서 일정하다는 것을 고려하면(Lagrange invariant), 작은 동공은 상기 동공면에서 큰 주광선 각도에 상응한다. 여기서, 최대 주광선 각도(CRAmax)가 임계값을 초과함으로써 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구의 근방에서 작은 동공과 경사진 빔 경로를 형성하는 것을 가능하게 하고, 이에 따라 높은 개구수에서도 큰 비축상의 물체 필드를 광축에 가깝게 위치시키도록 할 수 있는 것이, 여기에 도시된 타입의 미러 그룹을 갖는 반사굴절식 직선형 시스템에 유용하다는 것이 발견되었다.
미러 그룹 입구에 가까운 전방 동공면(FPS)에서 최대 주광선 각도(CRAmax)는 도 3의 경우에 약 40°이다. 최대 주광선 각도(CRAmax)의 유용한 값은 약 20° 내지 약 50° 사이의 범위내에 있을 수 있다. 낮은 값에서, 동공의 크기는 증가하고, 보정되어야 할 설계 물체 필드의 직경을 증가시키지 않고 비네팅을 피하는 것이 더 어려워진다. 상한값보다 높은 값에서, 미러면들은 광축으로부터 너무 멀리 연장되어야 하고, 그럼으로써 미러 그룹의 크기가 반경 방향으로 확대되며 미러의 제조 및 미러의 장착을 어렵게 한다.
투영 대물렌즈는 도 2(d)에 도시된 것과 유사한 원호 형상의 링 필드로부터 비네팅 없이 나오는 방사광을 투영하도록 형성된다. 결과적으로, 설계 물체 필드의 반경 RDOF은, 중심 배치된 축상의 물체 필드(도 2(a))를 갖는 시스템에서 얻을 수 있는 최소의 설계 물체 필드 반경 REOF에 매우 가깝다. 여기서, B = 26mm 및 A = 5.5mm 를 갖는 링 필드에 대해 RDOF = 56mm 의 설계 물체 필드 반경을 얻는다. 이는, REOF = 53.15 에 대해, γ = 1.05 의 에턴듀 비율에 해당한다.
원한다면, γ = 1 에 가까운 또는 심지어 γ = 1 인 보다 작은 값들을 얻을 수도 있다. 그러나, 이 경우에 보다 극단적인 형상의 링 필드가 필요하다.
이하에서, 투영 대물렌즈를 투과하는 투영 빔의 상세한 특성들이 도 4를 참조하여 설명된다. 도 4(a)에서, 미러(M1, M3)와 미러(M2, M4)들의 각각의 쌍이 하나의 미러 쌍으로서 공통의 기판 위에 형성될 수 있는 것을 보이기 위해, 도 3의 시스템은 광축을 가로질러 연장된 물체측 미러(M2, M4)와 이미지측 미러(M1, M3)들의 곡률면으로 도시되어 있다. 도 4(b) 및 4(c)에서, 투영 빔의 "자취(footprint)"들이 도시되어 있다. 투영 빔의 "자취"는 광축을 가로지르는 주어진 표면에서 투영 빔의 크기 및 형태를 나타낸다. 도면에서 빔의 자취들은, 물체측 미러들 또는 이미지측 미러들의 곡률면상에서 선택된 필드 점들의 필드 점 자취들에 대한 (Z-방향에 평행한) 축 방향 투영에 의해 얻어진다. 도 4(b)에서 투영은, 투영 빔이 미러 그룹에 입사하는 미러 그룹 입구(MGI)에 가까우며 미러 그룹 입구(MGI)를 형성하는 투과부에 있는 물체측 미러(M2, M4)들 상에서의 반사에 대한 상황을 도시한다. 반면에, 도 4(c)는 미러 그룹 출구(MGO)에 가까운 이미지측 미러(M1, M3)에서의 상황을 도시하는 것으로, 투영 빔이 미러 그룹(MG)으로부터 출사하는 광축 주위의 투과부에서 및 이미지측 미러(M1, M3)에서의 반사들에 대한 자취들을 보여준다.
양측에서, 광축을 포함하며 미러 그룹에 입사하는 또는 미러 그룹으로부터 출사하는 투영 빔을 나타내는 중심부의 자취는 Y-방향으로 광축의 양쪽에 있는 미러들에서의 반사들을 나타내는 (Y-방향으로) 위쪽 및 아래쪽에 있는 신장(kidney) 형상의 자취들과 중첩되지 않는다. (MGI 또는 MGO에서의) 투과에 관한 자취들과 M1 내지 M4에서의 반사들을 나타내는 자취들 사이에 중첩이 없기 때문에, 미러 그룹의 입구 또는 출구 근처에서 빔 비네팅을 피할 수 있다.
또한, M2, M4에서 또는 M1, M3에서의 반사들을 나타내는 위쪽 및 아래쪽의 자취가 각각 중첩되지 않는다. 자취들이 중첩되지 않고 인터리빙되는 것이 명백하다. 이는 횡단-스캐닝 방향(X-방향)으로의 반사 자취들의 크게 상이한 크기들에 의해 가능하게 된다. 각각의 경우에, x-방향으로 위쪽 반사(각각 M2 또는 M3)의 자취의 직경은 각각 M1, M4에서의 아래쪽 반사의 각각의 직경의 80% 이하 또는 70% 이하이다. 크기에 있어서의 차이는, 각각의 자취에 대해, (X-방향으로의) 측면 에지들이 광축 및 횡단-스캐닝 X-방향에 의해 놓여진 횡단-자오선 평면(CMP)을 가로질러 연장되도록 자취들을 인터리빙할 수 있게 한다. 자취들이 이러한 방식으로 중첩 없이 인터리빙될 수 있기 때문에, (X-방향으로의) 측면 에지들이 X-Z 평면(횡단-자오선 평면(CMP))을 가로질러 연장되는 방식으로 원호 형상의 유효 물체 필드(OF)가 물체 필드에 가깝게 위치할 수 있다(도 2(a) 참조). 그럼으로써, 매우 작은 반경의 설계 물체 필드(DOF)가 얻어질 수 있으며, 광학적 설계를 크게 용이하게 할 수 있다.
미러에서의 자취들이 중첩되지 않는 실시예에서, 도 4(b)(c)에 도시된 바와 같이, 미러 그룹의 각각의 미러들은 동일한 또는 유사한 꼭지점 위치들을 가질 수 있는 물리적으로 분리된 미러들로서 설계될 수 있다. 따라서, 미러 에지들의 실제 형상을 형성하는 미러들의 물리적인 분리는 비네팅을 피하기 위하여 반사될 신장-형상의 각각의 자취들에 맞게 형성되어야 한다.
광축의 양쪽 편에 있는 두 개의 미러들이 공통의 미러 기판에서 공통의 곡률면을 공유하는 실시예에서, 연관된 반사들, 예컨대 물체측에 있는 미러(M2, M4)들에서의 반사들의 자취들이 빔의 비네팅을 일으키지 않고 중첩될 수도 있다는 것을 언급할 필요가 있다.
위에서 지적한 바와 같이, 자취들이 인터리빙되는 방식으로 배치될 수 있도록, 만곡된 미러에 의해 형성된 곡률면 상에 있는 투영 빔의 자취들의 크기를 정할 때, 작은 설계 물체 필드 반경을 얻도록 하는 것이 유리하다는 것이 발견되었다. 예컨대, M2 및 M4에서의 반사들의 신장-형상의 자취들은, 미러 그룹 입구(MGI)에 있는 미러(M2, M4)들에 의해 형성된 곡률면을 통과하는 투영 빔의 투과를 나타내는 중심부의 자취들 주위에 놓여 있다. 또한, M2 및 M4에서의 반사 자취들의 상이한 크기는, 바람직하게는, 상기 자취들의 측면 에지 영역들이 횡단-자오선 평면(CMP)과 중첩하는 정도까지 자취들을 서로의 안쪽으로 위치시키는 것을 가능하게 한다.
중간상에 가까운 자취들의 크기는 광학 시스템 내의 각각의 위치에서의 투영 빔의 주광선 높이(CRH)에 의해 주로 결정된다는 것을 언급할 필요가 있다. 예컨대, 반사에 대응하는 주광선 높이 및 기하학적으로 가까운 투과에 대응하는 주광선 높이가 동일하지만 반대의 부호를 갖는다면, 자취들의 측면 에지들은 상기 측면 에지 들이 횡단-자오선 평면을 넘어 연장될 수 없도록 서로에 대해 직접 대향한다. 이러한 조건에서, 도 2(d)에 개략적으로 도시된 바와 같은 원호 형상의 유효 물체 필드는 일반적으로 가능하지 않다.
관찰될 자취들이 광학적으로 공액인 중간상들의 영역에 있는 시스템에서, 비교될 자취들은 물체 필드의 예리한 이미지들을 실질적으로 나타낼 것이다. 이 경우에, 각각의 자취들에서의 주광선 높이들의 비율은 중간상들 사이의 배율의 비율에 실질적으로 해당할 것이다. 배율의 비율이 1(unity)로부터 크게 다르다면, 크게 상이한 크기를 갖는 자취들이 얻어질 수 있으며, 이는 도 4(b) 및 4(c)에 도시된 바와 같이 자취들을 서로에 대해 인터리빙할 수 있도록 할 것이다. 그러나, 자취들의 크기를 결정하는 결정적인 표면이 중간상의 바깥쪽으로 크게 벗어나 있으면, 자취의 크기는 초점이 맞지 않는 정도 또는 다음 중간상까지의 광학적 거리를 나타내는 각각의 위치에서의 주변광선 높이에 의해서도 영향을 받을 것이다. 이 경우에도 역시, 주광선 높이에 있어서의 큰 차이가, 도 4(b) 및 4(c)와 유사하게 인터리빙된 배치를 가능하게 하는 크게 상이한 크기를 갖는 자취들을 얻기 위한 필요조건이 된다.
도 5에서, 제 1 반사 영역에서의 제 1 주광선 높이와 그와 관련된 제 2 (반사 또는 투과) 영역에서의 동일한 주광선의 제 2 주광선 높이(CRH2) 사이의 주광선 높이 비율 RCRH = CRH1/CRH2와 자취들의 상대적인 크기들 사이의 관계를 보이기 위하여, 미러 그룹의 한 오목 미러의 소정의 곡률면에 있는 자취들의 대표적인 예들이 도시된다. 주광선(CR)의 입사 위치들이 도 5(c)에서 각각 CR1 및 CR2로 표시되어 있다. 각각의 경우에, 유효 물체 필드는 일반적으로, 극단적인 링 필드를 위해 γ이 1에 가깝게 되거나 γ=1 이 되도록 도 2(d)(에지들이 횡단-자오선 평면(CMP)과 중첩)에 따라 성형되고 위치한다. 관찰된 표면이 중간상에 의해 정의된 표면 내에 정확하게 있지 않다는 사실로 인해, 초점 불일치(defocus)를 나타내는 원에 의해 둘러싸인 각각의 필드 점에 대한 주광선을 나타내는 다수의 개별적인 필드 점들에 의해 자취들이 형성된다.
RCRH = 1 (도 5(a))인 경우에, 자취들은 실질적으로 동일한 크기를 갖는 데, 이는 자취들이 측면 에지 영역들에서 중첩하게 한다. 양쪽의 자취들이 하나의 미러 쌍의 동일한 미러면에서의 반사에 해당하는 것이 아니라면 빔 비네팅이 발생한다. RCRH = 1.3 (도 5(b))에서 자취 중첩이 여전히 발생한다. 도 5(c)에서, 주광선 높이 비율이 약 RCRH = 1.6 까지 증가하면 제 2 영역 내의 아래측 자취의 크기는 더욱 감소한다. 중첩이 발생하지 않는 것이 명백하며 인터리빙된 자취들 사이에 충분한 거리(측면 거리)가 얻어지고, 그 결과 비네팅 없는 이미지가 가능하다. 거리 및 크기의 차이는 주광선 높이 비율이 예컨대, 도 5(d)에서 약 RCRH = 8.0 까지 증가할수록 증가하게 된다. 미러면이 중간상에 더 가깝게 위치하도록 허용되거나 및/또는 유효 물체 필드의 길이 A가 상술한 실시예에서 보다 더 작게 선택된다면, RCRH 에 대한 보다 작은 값에 대해서도, 예컨대 RCRH = 1.4 에서도, 자취의 분리가 얻어질 수 있 다.
따라서, 투영 빔이 제 1 주광선 높이(CRH1)에 의해 표시된 미러 그룹의 만곡된 미러의 제 1 반사 영역 내의 소정의 크기의 자취를 생성하고, 투영 빔이 상기 제 1 반사 영역에 대해 오프셋된 투과 또는 반사의 제 2 영역 내의 동일한 곡률면에 입사한다면, 상기 제 2 영역 내의 주광선 높이에 해당하는 제 2 주광선 높이(CRH2)는, 비네팅을 유발하지 않고 각각의 자취들의 가까운 근접을 허용하기 위하여 제 1 반사 영역 내의 제 1 주광선 높이와 크게 상이하여야 한다. 주광선 높이에 있어서의 차이는 모든 만곡된 미러들에 대해 얻어져야 한다. 바람직하게는, 제 1 반사 영역 내의 제 1 주광선 높이와 그와 관련된 제 2 영역 내의 제 2 주광선 높이(CRH2) 사이의 주광선 높이의 비율 RCRH = CRH1/CRH2 에 대해 다음의 조건들:
|RCRH| < 1/α 또는 |RCRH| > α 및
α = 1.4
이 만족되어야 한다. 제 2 영역은 제 1 반사가 발생한 만곡 미러에 의해 정의된 곡률면을 투영 빔이 통과하는 투과 영역일 수도 있다. 상기 제 2 영역은 또한 제 1 반사가 발생한 만곡 미러에 의해 정의된 곡률면에 가까운 미러면을 갖는 미러 그룹의 또 다른 만곡 미러의 반사 영역과 연관될 수도 있다. 바람직하게는, α ≥ 1.6 이며, 더 바람직하게는 α ≥ 1.8 이고, 보다 더 바람직하게는 α ≥ 2.0 이다. 도 3의 실시예에서, TO에서의 출사빔과 제 3 미러에서의 반사(R3) 사이의 이미지측에서 α = 2.92 로 결정되었다.
도 3 및 도 4의 실시예에서, 투영 대물렌즈의 각각의 필드면(중간상)들의 근방에서의 반사를 나타내는 자취들이 서로에 대해 크게 떨어져 있는 것이 명백하다. 마찬가지로, 중심부의 자취(동공 자취)와 (반사에 대응하는) 이웃한 필드 자취들 사이에도 큰 측면 거리가 존재한다. 이는 도 4(b)에 도시된 자취들의 개략적인 표시인 도 6(a)에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 조건들에서, 링 필드의 크기는, 예컨대 길이 A를 증가시킴으로써 10% 또는 20% 또는 30% 만큼 증가될 수 있다. 이 경우에, 보다 큰 유효 물체 필드가 얻어질 수 있으며, 그럼으로써 제조 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
(예컨대, 필드의 내측 및 외측 에지의 에지 반경을 증가시킴으로써) 활 형상의 필드의 곡률(만곡)을 감소시키는 것도 가능하다. 이는 도 6(b) 및 6(c)에 개략적으로 도시되어 있다. 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 활 형상의 필드의 곡률 또는 "만곡(bending)"(B)은 B = b/a 에 의해 결정될 수 있는 데, 여기서 a 는 유효 물체 필드와 설계 물체 필드(DOF)의 에지 사이의 접점들을 통과하는 할선(secant)의 반경 방향의 거리이며, b 는 상기 할선과 상기 유효 물체 필드의 외측 에지 사이의 반경 방향의 거리이다. 여기서, 직사각형의 유효 물체 필드에 대해 B=0 이며, 대응하는 설계 물체 필드와 같게 만곡된 외측 에지를 갖는 유효 물체 필드에 대해 B=1 이다. 0 < B < 1 인 경우에, 자오선 방향의 단면에서의 자취들은 서로 가깝게 이동하는 반면, (X-방향으로의) 필드의 측면 에지들에서의 필드 점들은 실질적으로 변하지 않은 채 있다. 이러한 타입의 납작한 링 필드를 이용하는 것은 보다 간단한 조명 시스템을 사용할 수 있도록 하거나 오버스캔(overscan)을 감소시키기 위해 활 용될 수 있다.
도 7은 7(a) 내지 7(c)에서 만곡 파라미터 B의 여러 가지 값들 및 원호 형상의 유효 물체 필드들의 에턴듀 비율γ에 대한 오목 미러의 곡률면에서의 자취들의 형태를 개략적으로 도시하고 있으며, 비교를 위해 7(e)에서 B = 0 을 갖는 직사각형의 유효 물체 필드에 대한 자취의 형태를 개략적으로 도시하고 있다.
도 8은 서로 대향하고 광축의 양쪽 편에 위치하는 단지 두 개의 오목 미러들을 갖는 미러 그룹(MG)을 구비하는 투영 대물렌즈(800)를 도시한다. 상세한 사항은 표 8 및 8A에 주어져 있다. 상기 투영 대물렌즈는 제 1 중간상(IMI1)을 형성하기 위한 결상 서브시스템으로 작용하는 전방 렌즈 그룹(FLG)을 갖는다. 제 2 반사광학식 서브시스템은 미러 그룹(MG)에 의해 형성되며 상기 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상(IMI2)을 형성하도록 설계된다. 후방 렌즈 그룹(RLG)은 상기 제 2 중간상을 이미지 표면(IS) 위에 축소된 스케일로 결상시키는 결상 서브시스템으로서 설계된다. 미러 그룹(MG)은 물체측과 대향하는 연속적인(중단 없는) 미러면을 갖는 제 1 오목 미러(M1)와 이미지측과 대향하는 연속적인 미러면을 갖는 제 2 오목 미러(M2)로 구성된다. 상기 제 2 미러(M2)에 의해 정의된 곡률면이 광축(OA)과 교차하는 영역에서 미러 그룹 입구(MGI)가 형성되며, 제 1 미러(M1)의 곡률면이 광축과 교차하는 영역에서 미러 그룹 출구(MGO)가 형성된다. 두 개의 중간상들(또는 이들의 적어도 근축 부분)은 상기 오목 미러들에 의해 정의된 미러간 공간 내에 위치한다. 두 개의 미러들은 중간상에 광학적으로 가까이 있으며, 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 있다. 미러 그룹 입구는 전방 렌즈 그룹(FLG)의 출사 렌즈 근처의 전방 동공 면(FPS)과 제 1 중간상 사이의 기하학적으로 중간 영역 내에 위치한다. 미러 그룹 출구(MGO)는 광학적으로 제 2 중간상의 근처에 있으며 개구 조리개(AS)가 위치하는 후방 동공면(RPS)으로부터 광학적으로 떨어져 있다.
제 2 중간상(IMI2)을 이미지 표면(IS) 위에 크게 축소된 스케일로 결상시키는 역할을 하는 굴절식 결상 서브시스템(RLG)은 수축 영역(CON) 근처에서 작은 직경을 갖는 세 개의 네가티브 렌즈들에 의해 제공되는 네가티브 굴절력을 갖는다. 이들 렌즈들은 페츠발 합 보정에 기여한다.
도 8의 실시예는 본 출원인에 의해 2004년 1월 14일에 출원된 미국 가출원(출원번호 60/536,248)에 개시된 기본적인 설계를 갖는 2-미러 직선형 반사굴절식 투영 대물렌즈 또는 본 출원인에 의해 2005년 2월 23일에 "반사굴절식 투영 대물렌즈(Catadioptric projection objective)"라는 명칭으로 출원된 미국 가출원에 개시된 시스템의 변형이다. 상기 문서들의 개시 사항들은 여기서 참조로 통합된다.
활 형상의 물체 필드(OF)와 축소된 이미지 필드 사이에서 투영 대물렌즈를 통과하는 투영 빔의 상세한 특성들이 도 9를 참조하여 이하에서 설명된다. 도 9(a)에서, 도 8의 시스템은 미러상의 반사 영역들의 위치 뿐만 아니라 투영 빔이 미러들의 에지를 지나는 투과 영역들의 위치를 보여주기 위하여 광축을 지나서 연장되는 물체측 미러(M2) 및 이미지측 미러(M1)의 곡률면으로 도시되어 있다. 도 9(b)에서 미러(M1)의 출구측에 있는 자취들이 도시되며, 도 9(c)는 입구측에 있는 자취들을 나타낸다. 미러 그룹 입구(MGI)에서의 작은 직경의 빔 단면 및 필드면에 가까울 것으로 예상되는 신장-형상과 동공면에 가까운 원형 형상 사이의 중간 형태는 전방 동공면(FPS)과 제 1 중간상(IMI1) 사이의 중간에 있는 미러 그룹 입구의 위치를 나타낸다. 반면에, 유효 물체 필드의 형태(도 2(d))에 유사한 제 2 미러(M2)에서의 반사의 만곡된 형상은 제 2 미러(M2)에서의 반사와 제 2 중간상 사이의 광학적 부근을 의미한다. 상황은 도 9(b)에 도시된 출구측에서 달라진다. 여기서, 제 1 미러(M1)에서의 반사는 필드면에 광학적으로 가까이에서 일어나며, 링 형상의 자취로 나타난다. 입구측과 반대로, 미러 그룹 출구(MGO)에 가까운 빔 단면은 또한, 미러 그룹 출구(MGO)가 제 2 중간상(IMI2)에서의 필드면에 광학적으로 가깝고 개구 조리개(AS)가 위치하는 그 다음의 동공면(RPS)으로부터 광학적으로 떨어져 있음을 의미하는, 물체 필드의 형상에 매우 유사한 형태를 갖는다.
미러(M1, M2)들에서의 반사들 사이 및 상기 미러들의 각각의 곡률면을 통과하는 투영 빔의 기하학적으로 가장 가까운 투과들 사이에 어떠한 중첩도 발생하지 않으며, 그럼으로써 비네팅이 회피된다는 것이 도 9(b) 및 9(c)로부터 명백하다. 또한, 미러(M1, M2)들에서의 반사 자취들의 측면 에지 영역들이 횡단-자오선 평면(CMP)를 넘어 연장되며, 이는 도 2(d)에 도시된 것과 같은 대응하는 물체 필드가 유사한 특성을 갖는다는 것을 의미한다. 반사에서 및 투과에서의 대응하는 자취들 사이의 주광선 높이 비율에 관해서는, 미러 그룹의 이미지측에서 값 α = 1.67 이 얻어지며, 이는 반사 및 그에 대응하는 투과에서의 주광선 높이들이 작은 설계 물체 필드 반경에서 비네팅 없이 투영하기에 충분할 정도로 크게 다르다는 것을 의미한다. 광축과 대향하는 미러(M1, M2)들의 에지들의 가능한 형상은 도 9(b) 및 9(c)에서 점선으로 주어져 있다. (X-방향으로의) 측면 미러 에지들이 빔 비네팅을 일으 키지 않고 횡단-자오선 평면(CMP)을 넘어 연장될 수 있다는 것이 명백하다. 또한, 자취들이 인터리빙되며, 이는 반사에 대한 자취들(큰 것)와 그에 대응하는 투과에 대한 자취들(작은 것)의 큰 크기 차이에 의해 가능하게 된다. 여기서, B = 26mm 및 A = 5.5mm 를 갖는 링 필드에 대해 RDOF = 56mm의 설계 물체 필드 반경이 얻어진다. REOF = 53.15 의 경우, 이는 γ = 1.05 의 에턴듀 비율에 해당한다.
개략적인 도 10에서, 매우 작은 설계 물체 필드 반경에서 활 형상의 필드를 투영하기에 적당한 바람직한 실시예들의 추가적인 특성이 도시된다. 도 10(a)는 물체 표면에서 축 방향으로 본 것을 도시한다. 해칭된 영역(OC)은 NA = 1.35 의 이미지측 개구수에서 비네팅 없이 시스템에 의해 결상될 수 있는 모든 물체 필드 점들의 집합에 의해 정의된 광학 채널을 나타낸다. 상기 특정 광학 채널이 횡단-스캐닝 X-방향을 따른 측면 에지 영역들에서 횡단-자오선 평면(CMP)의 양쪽면으로부터 필드 점들을 결상할 수 있다는 것이 명백하다. 도 10(b) 및 (c)는 이미지측 미러(M1)의 영역에서의 자취들(b) 및 물체측 미러(M2)의 영역들에서의 자취들(c)을 각각 나타낸다. 상기 도면들로부터, 광학 채널(OC)의 외측 에지에 있는 필드 점들에 대해서도 (MGO 또는 MGI에서의) 투과 빔과 (미러(M1, M2)들에서의) 반사 빔 사이에 중첩이 일어나지 않는 것이 명백하다.
도 8의 설계를 기초로 하여, 다음의 고려 사항들이 바람직한 실시예들의 특성들을 설명하는 데 추가적인 역할을 할 수 있다. 물체가 왜곡 없이 무비점수차로(stigmatically) 중간상들로 결상된다고 가정하면, 미러상에서의 자취들은 단지 필드 점들의 초점 불일치로 인하여 변형된 형태에 있어서 유사할 것이다. 이 경우에, 자취의 형태는 각각의 위치에서 주광선 높이와 주변광선 높이에 의해 추정될 수 있다. 보다 간단한 설명을 위하여, 이하에서는 X-방향으로의 측면 에지들에 있는 최외측 필드 점들이 횡단-자오선 평면(CMP) 상에 위치한다고 가정한다(위에서 설명한 바와 같이, 측면 에지들이 횡단-자오선 평면과 중첩한다면 설계 물체 필드의 크기의 감소를 얻을 수 있다).
자취들은 기본적으로 도 11 및 도 12와 함께 이하에서 설명될 3개의 형태들 중 하나라고 가정할 수 있다. 도 11에서, 필드면에 가까운 자취(신장-형상)와 동공면에 가까운 자취(광축을 포함하는 원형 형상)가 위치할 수 있는 방법이 도시되어 있다. 비네팅에 관한 임계 위치(critical position)는, 유한한 거리 d가 자취들 사이에 존재하여야 하는 자오선 단면(Y-Z 평면)의 영역 내에 있다. 상기 임계 위치는 코마 광선(coma ray)들의 경로를 적절하게 정의함으로써 조절될 수 있다. 작은 동공, 즉 작은 주변 광선 높이(y2) 및 필드 자취들의 작은 주변 광선 높이(y1)가 비네팅을 피하는 데 유리하다.
도 2(d)와 함께 설명하였듯이, 물체 필드의 에지들이 횡단-자오선 평면을 넘어 연장된다면, 환형의 유효 물체 필드로 최소 반경의 설계 물체 필드를 얻을 수 있다. 이 경우에, 물체 표면에 광학적으로 공액인 필드면에 가까운 위치에 있는 각각의 자취도 역시 횡단-자오선 평면을 넘어 연장될 것이다. 그러므로, (예컨대, 도 9(b) 및 도 12에 도시된 바와 같이) 반사 및 그와 기하학적으로 가까운 투과가 필 드면들에 가까이에서 발생한다면, 자취들은 상기 자취들을 인터리빙할 수 있도록 상이한 크기를 가져야 한다. 도 12는 자취들이 광축(OA)의 반대편들에 위치하는 경우를 도시한다. (도시되지 않은) 또 다른 경우는, 대응하는 중간상들이 광축의 동일한 쪽에 위치하는 실시예에 해당한다. 이 경우에, 코마 광선들의 조절이 비네팅 없는 결상을 가능하게 한다.
도 12에 도시된 경우에, X-방향으로 보다 작은 내측 자취와 보다 큰 외측 자취 사이의 측면 방향 거리 d는 다음의 수식에 따라 하한값 d0를 초과하여야 한다.
d = (|Y1| - |y1|) - (|Y2| + |y2|) > d0
여기서, Yi는 각각의 위치에서의 주광선 높이이고 yi는 주변광선 높이이다. d0 > 0 의 값은 자취들 사이의 측면 거리에 해당한다. 상기 간략화 된 접근에서, 물체 필드의 에지의 주광선이 유효 물체 필드의 에지에서의 주광선과 일치한다고 가정한다. 이러한 제한된 경우는 최소 설계 에턴듀를 갖는 도 2(d)에 개략적으로 도시된 최소 구성에서만 가능하다. 보다 실제적인 접근에서, 자취들 사이의 최소 거리는 링형 필드의 경사진 필드 점들, 중간상들의 수차들의 양, 링형 필드의 형태 등등으로부터 나오는 빔속(beam bundle)들에 의해 영향을 받을 것이다. 그러나, 상기 조건에 따른 측면 방향 거리 d의 추정은 우수한 근사법이다.
이제, 광학적으로 공액인 필드면들에 가까운 두 개의 자취들이 설계 물체 필드 반경을 최소로 하도록 인터리빙되는 도 12의 경우에 대해 참조가 이루어진다. 만약
|Y1| > |Y2|
이라면, 이것이 가능하게 된다. 여기서 y1 및 y2는 작다.
비네팅에 결정적인 모든 위치에서 주변광선 높이가 작아야 한다는 것이 강조되어야 한다. 따라서, 반사굴절식 직선형 투영 대물렌즈에 대해 다음의 조건들이 만족되어야 한다.
Figure 112006081416886-pct00011
및
Figure 112006081416886-pct00012
.
여기서, 지수 i는 반사면에 해당하며 지수 j는 그와 관련된 가상의 표면(만곡된 미러에 의해 정의되는 곡률면에서의 반사면 또는 투과면)에 해당한다. 여기서, yi는 미러면에서의 주변광선 높이이고 yj는 그와 대응하는 투과 위치에서의 주변광선 높이이며, Yi 및 Yj는 각각의 주광선 높이이고, aij는 미러면과 그에 대응하는 가상 표면의 광학적 자유 직경의 최대값이며, C 및 D는 상수이다. 첫번째 관계식은 단일한 필드 점들의 자취들이 가능한 작아야 한다는 것을 의미한다. 특히, 높은 개구수에서 비네팅을 피하기 위하여 작은 동공이 유리하다. 두 번째 조건식이 만족되면, 자취들은 예컨대, 도 12에 도시된 것과 같이 인터리빙될 수 있다. 이 조건식이 만족되면, 설계 에턴듀 값은 종래의 투영 대물렌즈들에 비해 낮아질 수 있 다. 비네팅 없는 투영을 얻기 위하여 C = 0.5 또는 0.3 또는 0.2 및/또는 D = 0.5 또는 0.3 또는 0.2 인 것이 유리할 것이다.
도 13은 광축의 양쪽 편에 있는 단지 두 개의 오목 미러들을 구비하는 미러 그룹 및 세 개의 중간상들을 갖는 투영 대물렌즈(1300)의 실시예를 도시한다. 상세한 사항은 표 13, 13A에 주어져 있다. 상기 투영 대물렌즈는 제 1 중간상(IMI1)을 형성하기 위한 결상 서브시스템으로서 작용하는 제 1 렌즈 그룹(LG1)을 갖는다. 제 2 반사광학식 서브시스템은 미러 그룹(MG)에 의해 형성되며, 상기 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상(IMI2)을 형성하도록 설계된다. 제 2 렌즈 그룹(LG2)은 상기 제 2 중간상으로부터, 미러 그룹 다음에 있는 후방 렌즈 그룹(RLG)의 수축 영역(CON)에 제 3 중간상(IMI3)을 형성하기 위한 결상 서브시스템으로서 설계된다. 포지티브 굴절력을 갖는 제 3 렌즈 그룹(LG3)은 상기 중간상을 이미지 표면(IS) 위에 축소된 스케일로 결상시키는 역할을 한다. 미러 그룹(MG)은 물체측과 대향하는 미러면을 갖는 제 1 오목 미러(M1)와 이미지측과 대향하는 미러면을 가지며 광축의 다른 쪽에 있는 제 2 오목 미러(M2)로 구성된다. 미러 그룹 입구(MGI)는, 제 2 미러에 의해 정의된 곡률면이 광축(OA)과 교차하는 영역에 형성되며, 미러 그룹 출구(MGO)는 제 1 미러(M1)의 곡률면이 광축과 교차하는 영역에 형성된다. 두 개의 중간상들(이들의 적어도 근축 부분)은 오목 미러들에 의해 정의되는 미러간 공간 내에 위치한다. 모든 미러들은 중간상에 가깝게, 즉 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 배치된다. 미러 그룹 입구는 기하학적으로 제 1 렌즈 그룹(LG1)의 출사 렌즈의 하류측 전방 동공면과 제 1 중간상 사이의 중간 영역에 위치한다. 마찬가지로, 미러 그룹 출구는 제 2 중간상과 제 2 렌즈 그룹(LG2)의 입구 부분의 후방 동공면(RPS) 사이의 중간에 위치한다.
주광선(CR)과 광축 사이에 포함된 각도(즉, 주광선 각도(CRA))가, 제 1 미러와 제 2 미러의 사이에서 방사빔이 광축을 거의 직각으로 교차하는 것을 의미하는 70° 또는 80° 또는 그 이상일 수 있다는 것이 상기 타입의 2-미러 직선형 투영 대물렌즈의 특징이다. 이는 동공면에서의 작은 빔 단면에 대응한다. 주광선 각도의 높은 값은 또한 제 1 및 제 2 중간상들의 영역 내의 미러 그룹의 상류측 및 하류측에서 각각 얻어진다. 여기서, 설계 물체 필드 반경(RDOF = 54mm)은 B = 26mm 및 A = 5.5mm 를 갖는 링형 필드에 대한 REOF = 53.15와 거의 같으며, 따라서 에턴듀 비율은 γ∼1 이다.
도 8의 실시예와 비교할 때, 오목 미러(M1, M2)들이 페츠발 합 보정에 보다 큰 영향을 주도록 보다 강력한 곡률을 갖는다는 것이 명백하다. 또한, 주광선 각도가 제 2 중간상의 하류측의 미러 그룹 출구의 영역에서 더 크며, 이는 동공면에 더 가까운 상기 영역에서 작은 빔 단면을 가져온다. 후방 렌즈 그룹(RLG)에 있는 추가적인 중간상(IMI3)은 자유롭게 접근 가능하며, 원한다면 필드 조리개를 배치하도록 할 수 있다.
상술한 논의로부터, 자취들의 크기 및 형태가 결상 수차들에 의해 영향을 받는다는 것이 명백하다. 그러므로, 결상 수차들의 특별한 조절은 인터리빙된 자취들을 수용하기 위한 설계의 성능을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 보다 작은 자취들을 위한 내부 코마(스폿의 중력 중심보다 광축에 더 가까운 주광선)와 보다 큰 자취들을 위한 외부 코마를 허용하도록 설계가 최적화될 수 있다. 또한, 필드면에 가까운 각각의 자취에 대해 중간상의 접선 방향 필드 평면으로의 접근이 유리할 수 있다. 또한, 핀쿠션 왜곡(pincushion distortion)(또는 포지티브 왜곡)이 보다 큰 자취에 대해 유리할 수 있는 반면, 배럴 왜곡(barrel distortion)(또는 네가티브 왜곡)이 보다 작은 자취에 대해 유리할 수 있다. 이들 수차들이 미러 그룹 내의 결상에 적용된다면, α = 1.4 또는 그 보다 작은 α 값을 얻을 수 있다.
NA > 1 의 액침 리소그래피용으로 설계된 높은 개구수의 반사굴절식 투영 대물렌즈들을 사용하여 본 발명의 원리들이 설명되었다. 본 발명은 또한 "건식 시스템", 즉 동작하는 동안 가스로 채워진 이미지측 작업 거리를 갖는 NA < 1의 반사굴절식 투영 대물렌즈에서도 활용될 수 있다.
양호한 실시예의 상술한 설명이 예시의 방법으로 주어졌다. 주어진 개시 사항으로부터, 본 기술분야의 당업자는 본 발명 및 그 이점들을 이해할 뿐만 아니라 개시된 구조 및 방법에 대한 여러 가지 명백한 변경 및 변환도 찾을 것이다. 그러므로, 첨부된 청구항들 및 그 등가물에 의해 정의된 바와 같이, 모든 변경 및 변환들을 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 것으로 보아야 할 것이다.
모든 청구항들의 내용은 참조에 의해 본 명세서의 일부가 된다.
Figure 112006081416886-pct00013
Figure 112006081416886-pct00014
Figure 112006081416886-pct00015
Figure 112006081416886-pct00016
Figure 112006081416886-pct00017
Figure 112006081416886-pct00018

Claims (46)

  1. 투영 대물렌즈의 물체 표면에 배열된 비축상의 유효 물체 필드를 투영 대물렌즈의 이미지 표면에 배열된 비축상의 유효 이미지 필드상에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
    광축;
    상기 광축의 완전히 바깥쪽에 위치하며 제 1 방향으로 길이 A를 갖고 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 폭 B를 갖는 유효 물체 필드로서, 상기 유효 물체 필드를 둘러싸는 최소 크기의 원형 영역이:
    Figure 112010050182359-PCT00019
    에 따라 상기 유효 물체 필드의 반경 REOF를 형성하는 유효 물체 필드;
    상기 광축을 중심으로 배치된 것으로 설계 물체 필드 반경 RDOF를 갖는 원형의 설계 물체 필드를 포함하며,
    상기 투영 대물렌즈의 이미지 수차들은 RDOF보다 작은 방사상 좌표(radial coordinate)를 갖는 구역에서는 소정의 한계값들 내로 보정되고, RDOF보다 큰 방사상 좌표를 갖는 구역에서는 상기 수차들 중 하나 또는 그 이상이 소정의 한계값 보다 크게 되며, 다음의 조건:
    RDOF = γREOF 및
    1 ≤ γ ≤ 1.2 가 만족되는 것을 특징으로 하는 반사굴절식 투영 대물렌즈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 물체 필드는 활 형상을 갖는 링형 필드이며, 상기 광축과 대향하는 유효 물체 필드의 내측 에지와 상기 광축으로부터 먼 유효 물체 필드의 외측 에지는 제 1 방향에 횡방향으로 배치되며 동일한 활 형상을 갖고, 상기 내측 에지와 외측 에지가 제 1 방향으로 서로 이격되어 있으며, 상기 유효 물체 필드의 길이 A는 제 1 방향으로 상기 내측 에지와 외측 에지 사이의 거리에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 외측 에지는 상기 광축상에 곡률 중심을 갖고, 에지 반경이 상기 설계 물체 필드의 반경 RDOF와 같은 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  5. 제 3 항에 있어서,
    길이 방향에 수직한 폭 방향(제 2 방향)으로의 상기 유효 물체 필드의 측면 에지 영역들이 상기 광축을 통과하는 횡단-자오선 평면과 중첩하고 상기 내측 에지의 중심부가 상기 광축으로부터 반경 거리를 갖도록, 상기 링형 필드의 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 물체 필드는 폭 B와 길이 A 사이의 종횡비 AR = B/A를 가지며, 상기 종횡비는 2:1 내지 10:1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 짝수 개의 미러를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 짝수 개의 만곡된 미러를 가지며, 모든 만곡된 미러는 오목 미러인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 짝수 개는 2개 및 4개 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 모든 광학소자들에 공통인 하나의 직선 광축을 갖는 직선형 시스템인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    물체측 미러 그룹 입구, 이미지측 미러 그룹 출구 및 상기 광축에 횡방향으로 배치되며 상기 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구 사이에 기하학적으로 배열된 미러 그룹 평면을 갖는 적어도 하나의 미러 그룹을 더 포함하며, 상기 미러 그룹은:
    상기 미러 그룹 입구로부터 오는 방사광을 제 1 반사 영역에서 수광하기 위한 제 1 미러면을 갖는 제 1 미러;
    상기 제 1 미러로부터 오는 방사광을 제 2 반사 영역에서 수광하기 위한, 상기 제 1 미러면과 대향하는 제 2 미러면을 갖는 적어도 하나의 제 2 미러를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 미러 중에서 적어도 하나는 상기 광축상에 미러축을 형성하는 곡률면을 갖는 오목한 미러면을 갖는 오목 미러이며;
    상기 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구 사이의 미러 그룹 내에 적어도 하나의 중간상이 위치하고, 상기 미러 그룹 입구로부터 오는 방사광이 상기 미러 그룹 평면을 적어도 네 번 통과하며 상기 미러 그룹 출구에서 미러 그룹으로부터 출사하기 전에 상기 미러 그룹의 오목한 미러면에서 적어도 두 번 반사되도록, 상기 미러 그룹의 미러들이 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 미러 그룹은 순수 반사식(반사광학식) 미러 그룹인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 미러 그룹은, 상기 미러 그룹 입구로부터 오는 방사광을 제 1 반사 영역에서 수광하기 위한 제 1 미러; 상기 제 1 미러로부터 반사된 방사광을 제 2 반사 영역에서 수광하기 위한 제 2 미러; 상기 제 2 미러로부터 반사된 방사광을 제 3 반사 영역에서 수광하기 위한 제 3 미러; 및 상기 제 3 미러로부터 반사된 방사광을 제 4 반사 영역에서 수광하고 상기 미러 그룹 출구로 방사광을 반사하기 위한 제 4 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 미러는 오목 미러인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 미러 그룹은 하나의 공통 미러 기판 상에 제공된 하나의 공통 곡률면을 공유하는 미러면들을 갖는 두 개의 오목 미러들로 구성되는 적어도 하나의 미러 쌍을 포함하며, 상기 공통 미러 기판은 상기 미러 쌍의 오목 미러들 사이에 제공되는 투과부를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 투과부는 상기 광축을 포함하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 투과부는 미러 기판 내의 홀(hole)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  18. 제 1 항에 있어서,
    물체측 미러 그룹 입구와 이미지측 미러 그룹 출구를 갖는 적어도 하나의 미러 그룹을 더 포함하며, 상기 투영 대물렌즈의 축 방향 미러 그룹 길이(MGL)와 총 트랙 길이(TT) 사이의 길이의 비(LR)는 50% 미만이고, 여기서 상기 미러 그룹 길이는 물체 표면에 가장 가까운 미러 꼭지점과 이미지 표면에 가장 가까운 미러 꼭지점 사이의 축 방향 거리이고, 상기 총 트랙 길이는 물체 표면과 이미지 표면 사이의 축 방향 거리인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  19. 제 11 항에 있어서,
    물체 필드로부터 나오는 방사빔이 상기 미러 그룹 입구의 영역 내의 광축을 포함하도록, 상기 미러 그룹 입구는 투영 대물렌즈의 전방 동공면에 기하학적으로 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  20. 제 19 항에 있어서,
    하나의 단일 푸리에 변환 또는 홀수 개의 연속적인 푸리에 변환을 수행하기 위한 푸리에 렌즈 그룹으로서 설계된 전방 렌즈 그룹이 상기 물체 표면과 미러 그룹 입구 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 전방 렌즈 그룹은 순수 굴절식이며 단일 푸리에 변환을 수행하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 미러 그룹 출구는 상기 전방 동공면에 광학적으로 공액인 후방 동공면에 기하학적으로 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  23. 제 11 항에 있어서,
    두 개 또는 세 개의 중간상들 중 하나는 상기 미러 그룹 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  24. 제 11 항에 있어서,
    상기 유효 물체 필드로부터 나오는 방사빔이 상기 미러 그룹 입구의 영역 내의 광축을 포함하도록 상기 미러 그룹 입구는 상기 투영 대물렌즈의 전방 동공면에 기하학적으로 가깝게 위치하며, 여기서 상기 미러 그룹 출구는 상기 전방 동공면에 광학적으로 공액인 후방 동공면에 기하학적으로 가깝게 배치되고, 두 개 또는 세 개의 중간상들 중에서 하나는 상기 미러 그룹 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 미러 그룹 출구는 후방 동공면에 기하학적으로 가깝게 배치되고, 후방 렌즈 그룹의 수축 영역 내에 중간상을 형성하기 위한 푸리에 렌즈 그룹 및 상기 푸리에 렌즈 그룹에 의해 형성된 중간상을 축소된 스케일로 이미지 표면 위에 결상시키기 위한 결상 서브시스템으로서 설계된, 중간상의 하류측에 있는 렌즈 그룹을 포함하는 후방 렌즈 그룹이 제공되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  26. 제 11 항에 있어서,
    상기 미러 그룹의 미러들 위의 모든 반사 영역들은 상기 광축의 바깥쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  27. 제 11 항에 있어서,
    상기 미러 그룹의 미러들 위의 모든 반사 영역들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  28. 제 1 항에 있어서,
    물체측 미러 그룹 입구, 이미지측 미러 그룹 출구, 상기 미러 그룹 입구로부터 오는 방사광을 제 1 반사 영역에서 수광하기 위한 제 1 미러면을 갖는 제 1 미러, 및 상기 제 1 미러로부터 오는 방사광을 제 2 반사 영역에서 수광하여 상기 미러 그룹 출구를 향해 방사광을 반사하기 위한, 상기 제 1 미러면과 대향하는 제 2 미러면을 갖는 정확히 하나의 제 2 미러를 구비하는 미러 그룹을 더 포함하며;
    상기 제 1 및 제 2 미러는 상기 광축상에 미러축을 형성하는 곡률면을 갖는 오목한 미러면을 갖는 오목 미러이며 상기 광축의 양쪽 편에 배치되어 있고;
    상기 제 1 및 제 2 반사 영역은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 미러 그룹은 순수 반사식(반사광학식) 미러 그룹인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 유효 물체 필드로부터 나오는 방사빔이 상기 미러 그룹 입구의 영역에서 상기 광축을 포함하도록, 상기 미러 그룹 입구는 상기 투영 대물렌즈의 전방 동공면에 기하학적으로 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  31. 제 30 항에 있어서,
    하나의 단일한 푸리에 변환을 수행하기 위한 푸리에 렌즈 그룹으로서 설계된 굴절식 전방 렌즈 그룹이 상기 물체 표면과 미러 그룹 입구 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 미러 그룹 출구는 중간상에 광학적으로 가깝게 상기 광축의 바깥쪽에 배치되며, 상기 중간상을 축소된 스케일로 이미지 표면 위에 결상시키기 위한 결상 서브시스템으로서 설계된 후방 렌즈 그룹이 상기 미러 그룹 출구와 이미지 표면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  33. 제 1 항에 있어서,
    마지막 광학소자와 이미지 평면 사이의 이미지측 작업 거리가 1 보다 큰 굴절률을 갖는 액침 매질로 채워지도록, 수차에 대해 보정된 액침 리소그래피용 대물렌즈로서 설계된 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  34. 제 1 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈가 액침하여 사용될 때, NA > 1.1 의 이미지측 개구수를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  35. 투영 대물렌즈의 물체 표면에 배열된 비축상의 유효 물체 필드를 투영 대물렌즈의 이미지 표면에 배열된 비축상의 유효 이미지 필드상에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서, 광축을 따라 순서대로:
    상기 유효 물체 필드로부터 오는 방사광을 미러 그룹의 미러 그룹 입구를 향해 집광시키기 위한 포지티브 굴절력을 갖는 전방 렌즈 그룹;
    물체측의 미러 그룹 입구와 이미지측의 미러 그룹 출구를 갖는 미러 그룹; 및
    상기 미러 그룹 출구로부터 나오는 방사광을 유효 이미지 표면상에 포커싱하기 위한 포지티브 굴절력을 갖는 후방 렌즈 그룹을 포함하며,
    상기 미러 그룹은 적어도 두 개의 만곡 미러를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 만곡 미러의 각각은 상기 유효 물체 필드로부터 상기 유효 이미지 필드로 진행하는 투영 빔의 방사광을 제 1 반사 영역에서 수광하기 위한 만곡된 미러면을 가지며, 상기 만곡된 미러면은 상기 미러면을 포함하며 만곡 미러의 에지를 넘어 연장되는 곡률면을 형성하고;
    여기서 투영 빔은 상기 제 1 반사 영역에 대해 오프셋된 제 2 영역에서 적어도 한번 상기 곡률면에 입사하며;
    상기 제 1 반사 영역에서의 주광선의 제 1 주광선 높이(CRH1)와 상기 제 2 영역에서의 동일한 주광선의 제 2 주광선 높이(CRH2) 사이의 주광선 높이의 비율 RCRH = CRH1/CRH2이 모든 만곡 미러들에 대하여 다음의 조건들:
    (1) |RCRH| < 1/α 또는 |RCRH| > α 및
    (2) α = 1.4 가 만족되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  36. 제 35 항에 있어서,
    α = 1.8 인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 제 2 영역은, 투영 빔이 상기 만곡 미러의 미러 에지를 지나는 곡률면을 투과하는 상기 미러면에 대해 측면 방향으로 오프셋된 투과 영역인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 제 2 영역은, 상기 제 1 반사 영역이 존재하는 상기 만곡 미러의 곡률면과 일치하는 미러면을 갖는 미러 그룹의 또 다른 만곡 미러의 반사 영역인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  39. 제 35 항에 있어서,
    모든 만곡 미러들은 오목 미러인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  40. 제 35 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 모든 광학소자들에 대해 공통인 하나의 직선 광축을 갖는 직선형 시스템인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  41. 제 35 항에 있어서,
    마지막 광학소자와 이미지 평면 사이의 이미지측 작업 거리가 1 보다 큰 굴절률을 갖는 액침 매질로 채워지도록, 수차에 대해 보정된 액침 리소그래피용 대물렌즈로서 설계된 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  42. 제 35 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈가 액침하여 사용될 때, NA > 1.1 의 이미지측 개구수를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  43. 광원으로부터 광을 수광하여 조명 시스템의 출사면에 조명 시스템의 광축 바깥쪽에 배치된 비축상의 조명 필드를 형성하기 위한 조명 시스템;
    투영 대물렌즈의 물체 표면에 배열된 패턴 구조의 이미지를 투영 대물렌즈의 이미지 표면 위로 투영시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈로서, 상기 투영 대물렌즈의 물체 표면은 상기 조명 시스템의 출사면과 일치하며, 상기 조명 시스템의 조명 필드는 상기 투영 대물렌즈의 광축 바깥쪽에 배치된 투영 대물렌즈의 비축상의 유효 물체 필드의 크기 및 형태를 결정하는, 반사굴절식 투영 대물렌즈;
    상기 투영 대물렌즈의 광축에 수직한 스캐닝 방향으로 상기 패턴 구조를 이동시키기 위한 스캐닝 장치로서, 상기 유효 물체 필드는 스캐닝 방향의 길이 A 및 상기 스캐닝 방향에 수직한 폭 B를 가져, 상기 유효 물체 필드를 둘러싸는 최소 크기의 원형 영역이:
    Figure 112010050182359-PCT00020
    에 따라 유효 물체 필드의 반경 REOF를 형성하는, 스캐닝 장치; 및
    상기 광축을 중심으로 배치된 것으로 설계 물체 필드 반경 RDOF를 갖는 원형의 설계 물체 필드를 포함하며,
    상기 투영 대물렌즈의 이미지 수차들은 RDOF보다 작은 방사상 좌표를 갖는 구역에서는 소정의 한계값들 내로 보정되고, RDOF보다 큰 방사상 좌표를 갖는 구역에서는 상기 수차들 중 하나 또는 그 이상이 소정의 한계값 보다 크게 되며, 다음의 조건:
    RDOF = γREOF 및
    1 ≤ γ ≤ 1.2 가 만족되는 것을 특징으로 하는 투영 노광 시스템.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 유효 물체 필드는 활 형상을 갖는 링형 필드이며, 상기 광축과 대향하는 유효 물체 필드의 내측 에지와 상기 광축으로부터 먼 유효 물체 필드의 외측 에지는 스캐닝 방향에 횡방향으로 배치되며 동일한 활 형상을 갖고, 상기 내측 에지와 외측 에지가 스캐닝 방향으로 서로 이격되어 있으며, 상기 유효 물체 필드의 길이 A는 스캐닝 방향으로 상기 내측 에지와 외측 에지 사이의 거리에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 투영 노광 시스템.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 스캐닝 방향에 수직한 폭 방향으로의 상기 유효 물체 필드의 측면 에지 영역들이 상기 광축을 통과하는 횡단-자오선 평면과 중첩하고 상기 내측 에지의 중심부가 상기 광축으로부터 반경 거리를 갖도록, 상기 링형 필드의 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 투영 노광 시스템.
  46. 제 44 항에 있어서,
    상기 외측 에지는 상기 광축상에서 곡률 중심을 갖는 것을 특징으로 하는 투영 노광 시스템.
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