KR101045487B1 - 광학 재생 시스템, 특히 반사굴절 축소(縮小) 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예컨대 반사굴절 영사 렌즈로서 구성될 수 있는 광학 축소 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 광축과, 상기 광축과의 관계에서 제 1 편향 각도로 편향된 제 1 편향 거울과, 상기 광축과의 관계에서 제 2 편향 각도로 편향된 제 2 편향 거울을 구비한다. 상기 편향 거울들 중 하나는 상기 편향 각도를 포함하는 입사각 범위에서 s-편광된 광에 대한 반사 계수 R_s의 p-편광된 광에 대한 반사 계수 R_p에의 비 R_sp가 1보다 더 크며, 반면 다른 편향 거울에 대해 해당하는 비율은 1보다 작다. 따라서 상기 편향 거울들은 횡단하는 광의 편광 의존 영향이 최소가 되는 것을 확실하게 한다.

반사굴절, 영사, 렌즈, 축소, 편향 거울, 편광

Description

광학 재생 시스템, 특히 반사굴절 축소(縮小) 렌즈{Optical reproduction system, in particular catadioptric reduction lens}

본 발명은 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템, 특히 반사굴절 영사 대물렌즈에 관한 것이다.

반사굴절 영사 대물렌즈는 반도체 소자 및 다른 미세 구조 소자의 생산을 위한 영사 노광 시스템, 특히 웨이퍼 스캐너 및 웨이퍼 스텝퍼에 사용된다. 그 목적은 하기(下記)에서 마스크 또는 레티클이라고도 불릴 포토마스크 또는 선이 그어진 판의 패턴을 감광성 층으로 코팅된 물체에 축소(縮小) 스케일 상 최대의 해상도를 가지고 영사하는 것이다.

더욱 미세한 구조를 만들기 위해, 한편으로는 영사 대물렌즈의 영상 면 상에서 개구수(開口數, NA: Numerical aperture)를 증가시키는 것이 바람직하며, 다른 한편으로는 더욱 짧은 파장, 바람직하게는 대략 260nm 이하의 파장을 갖는 자외선을 사용하는 것이 바람직하다.

이 파장 범위에서, 충분히 투명한 오직 몇몇 재료들만이, 특히 칼슘플로라이드와 같은 플루오라이드 결정체와 합성 석영 유리가 광학 소자들의 생산에 이용될 수 있다. 이용할 수 있는 재료들의 아베 상수(Abbe constant)가 서로 유사한 값을 갖기 때문에, 색수차(色收差, chromatic abberation)가 충분히 보정된 순수 굴절 시스템을 제공하는 것은 어렵다. 그러므로 매우 고해상도의 영사 대물렌즈를 위해, 굴절 소자 및 반사 소자가 결합된, 특히 렌즈와 거울이 결합된 반사굴절 시스템을 널리 이용한다.

영상거울표면이 이용될 때, 희미해짐 및 비네팅(vignetting) 없는 영상을 얻을 수 있도록 빔을 편향시키기 위한 소자를 채용할 필요가 있다. 물리적인 빔 스플리터를 갖는 시스템, 특히 편광에 대해 선택적으로 효과적인 거울면을 갖는 시스템 외에도, 하나 또는 그 이상의 완전히 반사하는 편향 거울에 의하여 기하학적 빔 스플리팅을 갖는 시스템이 알려져 있다. 이러한 유형의 시스템은 광축(optical axis)에 대해 상대적으로 편향된 제 1 편향 거울을 갖는데, 이는 물체 평면으로부터 오목 거울 방향으로 진행하는 복사선(輻射線)을 편향시키거나 오목 거울에 의해 하부로의 대물 부분 방향으로 반사된 복사선을 편향시키기 위해 사용된다. 제 2 편향거울이 일반적으로 제공되는데, 물체 평면과 영상 평면을 평행하게 하기 위해 반사경(folding mirror)으로서 사용된다. 이 거울들이 높은 반사율을 가지고 있는 것을 확실하게 하기 위해, 그들은 반사 코팅, 통상적으로 다중 유전체층 또는 금속층과 유전체층의 복합으로 관례적으로 코팅된다. 통과하는 광은 큰 입사각을 가지고 작동되는 유전체층을 사용함에 의해 편광 의존 영향을 받는다.

그러한 반사굴절 시스템에서 특정한 영상 조건 하에, 영상화될 패턴에 포함된 다양한 구조 선은 서로 다른 콘트라스트로 영사된다. 다양한 구조 방향에 대한 이 콘트라스트 차이는 또한 H-V 차이(수평-수직 차이, horizontal-vertical difference), 또는 최소 선폭(CD: critical dimension)에서의 편차(CD variation)라고도 언급되며, 포토리지스트에서 서로 다른 구조 방향에 대해 서로 다른 선폭(line width)으로서 관찰될 수 있다.

그러한 방향 의존 콘트라스트 차이를 방지하기 위해 다양한 제안들이 만들어져 왔다. 유럽 특허 제 964,282호는 s-편광된 광에 대한 다중 코팅된 편향 거울의 반사율이 p-편광된 광에 대한 반사율보다 더 크다는 사실에 기인하는, 편향 거울을 가진 반사굴절 영사 시스템을 광이 통과할 때 우선적인 편광 방향이 도입되는 문제점을 언급한다. 그러므로 레티클 평면에서 여전히 편광되지 않은 광은 영상 평면에서 부분적으로 편광되며, 이는 결국 영상 특성의 방향 의존성의 원인이 된다. 이 효과는 소정 정도의 잔류 편광을 가진 부분적으로 편광된 광을 발생시킴을 통해 조명 시스템에 편광 바이어스를 제공함으로써 제거될 수 있는데, 이 잔류 편광은 편광되지 않은 광이 영사 광학계의 출구(output)로부터 방출되도록 영사 광학계에 의해 보상된다.

독일 특허 제 19,851,749호(유럽 특허 제 1,001,295호에 해당)는 두 개의 상호 수직인 편향 거울을 갖는 기하학적 빔 스플리터를 가진 반사굴절 영사 대물렌즈에 대한 것이다. 반사 평면에 대한 상대적인 편광 방향의 함수로서 반사에서의 차이에 기인하는 것과 같은 빔의 기하 및 상(phase)에 관련된 편광 의존 효과는 일 구현예에서 편향 거울에서의 부가적인 편향에 의해 보상되는데, 입사 평면은 빔 스플리터의 편향 거울에서의 입사 평면과 동일 평면상에 있지 않고 그 대신 수직을 이루게 향해져 있다. 다른 구현예에서는, 빔 편향 소자의 편향 거울은 편향 거울에서의 반사 동안 편광 특유 효과에 대한 보상을 제공하기 위한 얇은 상-수정(phase-correcting) 유전체층을 갖는다. 이 층의 구조에 대한 어떠한 세부 설명도 주어지지 않았다.

본 발명의 목적은 광축에 대해 상대적으로 편향된 적어도 두 개의 편향 거울을 갖는 광학 영상화 시스템을 제공하는 것인데, 이는 광이 통과하는 편향 거울에 기인한 편광 의존 효과를 예방하거나 제거한다. 특히, 기하학적 빔 스플리터를 갖는 반사굴절 영사 대물렌즈를 제공하는 것을 목적으로 하는데, 이는 패턴의 서로 다른 구조 방향에 대해 본질적으로 구조 방향 의존 차이가 없는 영상 구현을 가능케 한다.

이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 광학 영상화 시스템에 의해 달성된다. 바람직한 세부 사항은 종속 청구항들에서 특정되었다. 모든 청구항들의 표현은 설명의 내용에 참고로서 포함된다.

영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면에 영사하는 데 사용되며, 특히 반사굴절 영사 대물렌즈로서 배치되는 광학 영상화 시스템은, 광축과, 제 1 편향 각도를 갖도록 광축에 대해 상대적으로 편향된 제 1 편향 거울과, 제 2 편향 각도를 갖도록 광축에 대해 상대적으로 편향된 제 2 편향 거울을 갖는다. 바람직하게는, 편향 거울들은 그 시스템의 광축에 대해 상대적으로, 평행한 편향 축들 주위로 편향되어 있고, 물체 평면 및 영상 평면이 평행하게 배열되도록 배열되어 있다. 배열된 편향 각도를 포함하는 입사각 범위에서 s-편광된 광을 위한 편향 거울의 반사율 R_s와 p-편광된 광을 위한 편향 거울의 반사율 R_p 사이의 비율 R_sp가 편향 거울들 중 하나에 대해서 1 보다 크고 다른 편향 거울에 대해서 1 보다 작도록 편향 거울들이 배치된다.

여기서, 편향 거울들의 편향 각도는 편향 거울에서의 광축과 평판 거울 표면의 표면에의 법선 사이의 각으로 정의된다. 입사각은 편향 거울에의 입사광의 방향과 그 표면에의 법선 사이의 각으로 정의된다. 광축에 평행하게 입사하는 광에 대해서는, 그러므로 입사각은 편향 거울의 편향 각도에 해당한다. s-편광을 가진 광에 대해서는, 전기장 벡터가 입사 방향과 편향 거울의 표면에의 법선을 포함하는 입사 평면에 수직으로 진동하는 한편, p-편광된 광에 대해서는 전기장 벡터가 이 입사 평면에 평행하게 진동한다.

그러므로 서로 다른 편광 방향들을 위한 거울들의 반사율은, 두 개의 편향 거울들 중 하나가 적절한 편향 각도 부근의 입사각 범위에서 p-편광보다 s-편광을 더욱 강하게 반사시키고, 반사율의 비가 다른 편향 거울에 대해 반대가 되도록 구성된다. 이것은 제 1 편향 거울 때문에 s-편광 및 p-편광에 대한 반사된 강도의 비의 변화를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 제 2 편향 거울에서의 반사를 이용하는 것을 가능하게 한다. 예컨대 이것에 의해 달성될 수 있는 효과는, 원형으로 편광된 또는 편광되지 않은 입력 광이 사용될 때 그 광의 편광 상태는, 편향 거울들에 의한 두 번의 반사 후 편향 거울들에서의 두 번의 반사에 의해 발생된 실질적인 우선적인 방향 없이, 적어도 대략 다시 원형으로 편광되거나 또는 편광되지 않는다는 것이다.

종래의 다중 코팅이 편향 거울들에 사용될 때, 각도 범위를 통해 s-편광에 대한 반사율은 p-편광에 대해서보다 큰 것으로 알려졌으며, 큰 반사율 차이는 대략 54° 내지 60°의 범위를 갖는 브루스터 각(Brewster angle)에서 특히 발생할 수 있다. 둘 다의 편향 거울들에 대해 종래의 거울 기술을 사용할 때, 따라서 전기장의 p-성분이 s-성분보다 더욱 강하게 감쇄될 것인데, 이는 전술한 구조 방향 의존 해상도 차이의 원인이 될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 영상화 시스템에서의 편향 거울들의 하나는 적절한 입사각 범위에서 s-편광보다 p-편광을 더욱 강하게 반사시킴에 따라, 편향 거울들에 의해 반사율 차이에 대한 부분적인 또는 완벽한 보상이 달성될 수 있다.

본 발명은 바람직하게는 기하학적 빔 스플리터를 가진 반사굴절 영사 대물렌즈에 사용될 수 있다. 그러한 영사 대물렌즈에서, 물체 평면으로부터 오목 거울을 향해 가는 복사선을 편향시키거나 오목 거울로부터 물체 평면을 향해 가는 복사선을 편향시키기 위한 오목 거울 및 제 1 편향 거울을 갖는 반사굴절 대물렌즈 부분은, 물체 평면과 영상 평면 사이에 배열된다. 기능상으로 필요한 것은 아닌 제 2 편향 거울은 그 후 물체 평면과 영상 평면을 평행하게 하기 위해 사용된다. 통상적인 구현예에서, 제 1 편향 각도 및 제 2 편향 각도는 45°±15°의 범위에, 특히 45°±10°의 범위에 있다. 이러한 바람직한 편향 각도 범위는 입사하는 복사선의 입사각 역시 45°±15° 부근에 그들의 중심을 갖는다는 것, 즉 표준 브루스터 각에 가까운 또는 적어도 부분적으로 표준 브루스터 각의 범위 내에 그들의 중심을 갖는다는 것을 의미하는데, 이 범위에서 s-편광과 p-편광에 대한 반사율의 차이가 특히 커진다. 그러므로 본 발명은 이러한 차이를 보상하는데 특히 유용하다.

R_sp>1인 편향 거울에 대해, 적절한 파장 범위에 대해 적절한 구현예가 선택될 수 있는데, 예컨대 반사를 향상시키기 위해 사용될 수 있는 상부에 도포된 반사 금속층과 하나 또는 그 이상의 유전체층의 유전체 코팅을 갖는 종래의 거울이다. 일 세부사항에 따르면, 적절한 입사각 범위(R_sp<1)에서 p-편광에 대해 더 반사적이도록 의도된 다른 편향 거울은 금속층과 그 금속층 상에 배치된 유전체층으로 된 반사하는 코팅을 가지고 있다. 이 경우, 유전체층의 (기하학적) 층 두께 d_f는 편향 거울의 편향 각도를 포함하는 입사각 범위에서 비율 R_sp가 1보다 작도록 선택된다.

사용된 광을 반사하는 금속층의 사용은 큰 각도 범위에 걸쳐 편향 거울의 강하게 반사하는 효과를 달성하는데 매우 유리하다. 특히 260nm 또는 그 이하의 파장을 가진 적용예들에 있어서, 금속층이 본질적으로 알루미늄으로 이루어져 있는 것이 유리하다. 이 재료는 강력한 복사선에 관하여 충분한 안정성과 높은 반사율을 겸비하고 있다. 다른 금속들도 역시 가능한데, 예컨대 마그네슘, 이리듐, 주석, 베릴륨 또는 루테늄이다. 금속층의 사용은 단순하게 구성된 반사하는 코팅을 얻는 것을 용이하게 한다는 것이 발견되어 왔는데, 큰 각도 범위에 걸쳐 s-편광 성분보다 p-편광 성분을 더 강하게 반사시킨다. 유전체 재료의 올바른 기하학적 층 두께 d_f는 이에 관련해서 중요하다. 주어진 금속층과 유전체층의 재료 결합에 대해서, p-편광 및 s-편광에 대한 반사율은 어느 정도 주기적으로 그리고 층 두께 d_f의 함수로서 부분적으로 일치하지 않는 방향 및/또는 서로 다른 진폭을 가지고 변한다는 것이 통상적으로 발견되어 있는데, 여기서 d_f는 특정 층의 두께 범위로서 그 범위 내에서 p-편광에 대해 반사율 R_p가 s-편광에 대한 반사율 R_s보다 크다는 점에서 구분되는 특정 층의 두께 범위이다.

본질적으로 흡수가 전혀 없거나 심지어 살짝 흡수하는 유전체 재료가 사용될 수 있다. 살짝 흡수하는 재료를 선택할 때, 흡수가 거울의 효율을 현저히 저하시키지 않도록, 동작하는 파장에서 오직 광을 약간 흡수하도록 주의가 기울여져야만 한다. 적합한 재료를 가지고, 유전체 재료의 흡수 계수 k_d는 k_d≤0.6, 특히 k_d≤0.01의 범위에 있을 수 있다. k_d≤10^-6인 재료는 실질적으로 흡수가 없는 것으로 여기서 간주된다. 재료의 흡수 계수 k는 이 적용예에서 복소 굴절률 N=n-ik의 허수 부분으로서 정의되는데, 여기서 N은 복소 굴절률이고, n은 굴절율의 실수 부분이며, k는 복소 굴절율의 허수 부분이다. 때때로 감쇠 계수(extinction coefficient)로도 역시 언급되는 단위가 없는 흡수 계수 k는 k=αλ/4π라는 관계에 의해 단위가 있는 흡수 계수 α [1/㎝]와 관련되어 있다. 여기서 λ는 광의 해당하는 파장을 나타낸다.

예컨대 157nm의 동작하는 파장을 가지고, 유전체층은 본질적으로, 마그네슘 플루오라이드(MgF₂), 알루미늄 플루오라이드(AlF₃), 키올라이트(chiolite), 크라이올라이트(cryolite), 가돌리늄 플루오라이드(GaF₃), 실리콘 다이옥사이드(SiO₂), 란타눔 플루오라이드(LaF₃) 또는 에르븀 플루오라이드(ErF₃) 중 하나 또는 이 재료들의 화합물로 이루어진다. 모든 이 재료들은 193nm에 적합하며, 예컨대 더욱이 알루미늄 옥사이드(Al₂O₃)에 적합하다. 157nm 또는 193nm에 대해 언급된 모든 층 재료들은 248nm에서 적합하며, 더욱이 예컨대 하프늄 옥사이드(HfO₂)를 사용하는 것이 가능하다.

주어진 층 재료에 대해 유전체층의 올바른 층 두께 d_f와 소정의 파장과 의도된 입사각 범위의 선택은 실험적으로 수행될 수 있다. 다음과 같은 조건이 만족되는 층 두께는 특히 적합하다.

여기서 φ_f는 층 두께 d_f 및 입사각 α₀의 함수로서의 유전체층의 상 두께(phase thickness)이고, N_f는 유전체 재료의 복소 굴절율이다. 예컨대 당연히 수학식 1에서의 분수의 값은 고 지수(high-index)의 유전체 재료에 대해서는 바람직하게는 대략 0.3 내지 1의 범위에 있는 반면, 저 지수(low-index) 재료에 대해서는 바람직하게는 대략 1 내지 1.5의 범위에 있는 것이 된다. 수학식 1에서 함수의 분자와 분모는 예컨대 대략 같을 수 있다. 이 점에서 문제의 입사각에 의존하여 R_sp<1인 다소 넓은 층 두께 범위가 있을 것이며, s-편광과 p-편광에 대한 반사율 차이와 층 두께 범위의 폭은 입사각이 커질수록 증가하는 경향이 있다는 것이 알려져 왔다.

R_sp<1인 입사각 범위는 특히 이 경우에 넓기 때문에, 특히 바람직한 층 두께는 상 두께의 함수로서 전술한 곡선의 제 1 교점 부근에 있다. 그러므로 상대적으로 얇은 유전체층이 때때로 바람직한데, 예컨대 d_f≤35nm 또는 d_f≤30nm인 것이 바람직하다. 높은 차수의 교점 부근에서의 층 두께 역시 가능한데, 예컨대 작은 입사각 범위에서 그러한 거울에 광이 입사할 때 사용될 수 있다.

본 발명은 또한 거울에 관한 것인데, 특히 거울기판과 그 거울기판 상에 배치된 반사하는 코팅을 가지며 260nm 보다 짧은 파장 범위에의 자외선에 대한 거울이고, 이 반사하는 코팅은 금속층과 그 금속층 상에 배치된 유전체 재료의 유전체층을 구비하며, 유전체층의 두께 d_f는 비율 R_sp가 거울이 의도된 입사각 범위 내에서 1보다 작도록 선택된다. 예컨대 거울이 편향 거울 (또는 반사경)으로서 사용될 때에는, 거울의 거울 표면은 평평할 수 있다. 굽은 거울 표면을 가진 거울도 역시 가능한데, 예컨대 볼록 거울 또는 오목 거울이다.

발명자는 본질적으로 흡수가 전혀 없거나 심지어 살짝 흡수하는 재료의 유전 체층의 층 두께 d_f의 적절한 선택을 통해 거울의 s-편광 및 p-편광에 대한 반사율의 비 R_sp가 신중하게 조절될 수 있다는 것을 발견했다. 그러므로 발명을 기초로, 소정의 입사각에 대해 또는 상당히 좁거나 더 넓은 입사각 범위에서, 반사율 R_s 및 R_p가 본질적으로 같거나 많아야 10% 또는 5% 차이나는 거울을 제조하는 것이 가능하다. 그러한 편광 중성 거울은 많은 적용예에 유용할 수 있다.

이러한 그리고 다른 특징들은 상세한 설명 및 도면뿐만 아니라 청구의 범위에 의해 공개되고, 개별적인 특징들은 각각 본 발명 또는 다른 기술분야에서 구현예의 서브 컴비네이션을 형성하기 위해 개별적으로 또는 함께 채용될 수 있으며, 유리하고 그 자체로서 보호 버전을 구성할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 기하학적 빔 스플리터를 가진 반사굴절 영사 대물렌즈를 구비한 리소그래피 영사 노광 시스템의 개략적인 묘사이다.

도 2는 종래의 거울의 반사율 R의 s-편광 및 p-편광에 대한 입사 복사선의 입사각 α₀에 대한 의존성을 개략적으로 보여주는 다이어그램이다.

도 3은 도 1에 도시된 영사 대물렌즈의 반사굴절 대물렌즈 부분의 자세한 개략도이다.

도 4는 대략 20°이상의 입사각 범위에서 R_p>R_s가 만족되는, 편향 거울들 중 하나에서 p-편광 및 s-편광에 대한 반사율 R_p 및 R_s의 입사각 의존성 측정을 보여주 는 다이어그램이다.

도 5는 한 층의 실리콘 다이옥사이드가 알루미늄층에 도포된 반사층의 층 두께 d_f의 함수로서 반사율 R_p 및 R_s의 의존성을 보여주는 계산된 다이어그램이다.

도 6은 반사층에 대한 입사각의 함수로서 계산된 R_p 및 R_s 값을 보여주는 다이어그램이며, 반사층의 층 변수는 도 4에서 분석된 반사층의 층 변수에 해당한다.

도 1은 웨이퍼 스텝퍼(1)의 형태에서의 마이크로 리소그래피 영사 노광 시스템을 개략적으로 보여주는데, 웨이퍼 스텝퍼(1)는 큰 스케일의 집적된 반도체 소자들의 생산을 위한 것이다. 영사 노광 시스템은 광원으로서 엑시머 레이저(2)를 구비하는데, 이는 157nm의 동작하는 파장을 가진 자외선을 방출하는데, 다른 구현예에서는 예컨대 193nm 또는 248nm와 같이 더 높거나 더 낮을 수도 있다. 하부로의 조명 시스템(4)은 하부로의 영사 대물렌즈(5)의 텔레센트릭 요건에 적합한 크고 뚜렷하게 경계가 정해지며 균일하게 조명된 영상 필드를 발생시킨다. 조명 시스템은 조명모드를 선택하기 위한 소자를 가지고 있으며, 예컨대 가변하는 응집도(degree of coherence)를 갖는 종래의 조명과, 링 필드(ring field) 조명과, 쌍극자(dipole) 또는 4극자(quadrupole) 조명 사이에서 전환될 수 있다. 조명 시스템 뒤로, 스캐너 조작을 위한 스캔 구동장치에 의해 마스크(7)가 영사 대물렌즈의 물체 평면(8)에 위치하고 이동 방향(9)(y 방향)으로 이 평면에서 움직일 수 있도록 마스크(7)를 고정하고 조정하기 위한 소자(6)가 배치된다.

영사 대물렌즈(5)는 마스크 평면(8)을 따라가는데, 이는 축소 대물렌즈로서 작동하며 마스크 상에 배열된 패턴의 영상을 축소된 스케일 예컨대 1:4 또는 1:5의 스케일로 포토리지스트층으로 코팅된 웨이퍼(10) 상으로 영사하는데, 웨이퍼(10)는 축소 대물렌즈의 영상 평면(11)에 배치된다. 다른 축소 스케일도 가능한데, 예컨대 1:20 또는 1:200의 더 강한 축소도 가능하다. 웨이퍼(10)는 이를 레티클(7)과 동시에, 그리고 이에 평행하게 이동시키기 위한 스캐너 구동장치를 구비한 소자(12)에 의해 지지된다. 모든 시스템은 제어 유니트(13)에 의해 제어된다.

영사 대물렌즈(5)는 기하학적 빔 스플리터를 가지고 작동하며, 물체 평면(마스크 평면(8))과 영상 평면(웨이퍼 평면(11)) 사이에 제 1 편향 거울(16) 및 오목 거울(17)을 갖는 굴절감소 대물렌즈 부분(15)을 구비하는데, 평평한 편향 거울(16)은 물체평면으로부터 오는 복사선이 편향 거울(16)에 의해 오목 거울(17)의 방향으로 편향되도록 영사 대물렌즈의 광축(18)에 대해 상대적으로 편향되어 있다. 영사 대물렌즈의 기능을 위해 필요한 이 거울(16)에 더하여, 오목 거울(17)에 의해 반사된 복사선이 하부의 광 굴절 대물렌즈 부분(20)의 렌즈로 영상 평면(11)의 방향으로 편향되도록 광축에 대해 상대적으로 편향된 제 2 평평한 편향 거울(19)이 제공된다. 상호 수직인 평평한 거울 표면(16, 19)이 거울 프리즘으로서 디자인된 광 편향 소자(21)에 제공되며, 이들은 광축(18)에 수직인 평행한 편항 각을 갖는다.

오목 거울(17)은 비스듬하게 위치한 측면 암(arm)(25)에 장착된다. 측면 암의 비스듬한 배치는 특히 물체의 전 폭에 걸쳐 마스크 측면에 충분한 동작 거리를 제공한다. 따라서, 광축(18)에 대해 상대적으로 상호 수직인 평면들인 편향 거울들 (16, 19)의 편향 각도는 45°로부터 몇도 정도, 예컨대 ±2° 내지 ±10° 편향될 수 있다. 다른 구현예들에서, 편향 거울의 편향 각도는 45°이다.

보여진 예에서, 반사굴절 대물렌즈 부분은 제 2 편향 거울(19) 부근에 중간 영상을 만들도록 배치되는데, 그 영상은 바람직하게는 거울 평면과 일치하는 것이 아니라 오목 거울(17)의 방향으로 약간 뒤 또는 앞에 있을 수 있다. 중간 영상이 없는 구현예도 물론 가능하다. 더욱이, 거울들(16, 19)을 물리적으로 분리된 거울들로서 디자인하는 것도 가능하다.

편향 거울들(16, 19)의 거울 표면은 높은 반사율을 달성하기 위해 고도로 반사하는 반사층(23, 24)으로 코팅된다. 제 1 편향 거울의 반사층(23)은 종래처럼 구성될 수 있다. 예컨대, 알루미늄층이 거울 표면에 도포되고 다중 유전체 시스템이 반사를 향상시키기 위해 상부에 도포된다. 이러한 유형의 층들은 그 자체로서 알려져 있는데, 예컨대 미국 특허 제 4,856,019호, 제 4,714,308호 또는 제 5,850,309호로부터 알 수 있다. 물론 금속층, 예컨대 알루미늄층과 그 상부에 도포된 단일의 보호 유전체층, 예컨대 마그네슘 플루오라이드 층을 갖는 반사층을 사용하는 것도 가능하다. 그러한 층 시스템도 인용된 문헌에 기재되어 있다.

그러한 종래의 층 시스템은 s-편광과 p-편광에 대해 서로 다른 반사율을 갖는 것으로 알려져 있다. 단순한 시스템(금속/단일 유전체층)을 대표하는 입사각 α₀의 함수로서 반사율 R의 프로파일이 도 2에 개략적으로 나타나 있다. 따라서, 수직으로 입사하는(입사각 0°) s-편광과 p-편광에 대한 반사율은 동일하다. 입사각이 증가함에 따라, p-편광에 대한 반사율이 더 큰 입사각의 기울기를 가지고 다시 증가하기 전에 브루스터 각때문에 초기에 감소하는 것과 달리, s-편광에 대한 반사율은 단조롭게 증가한다. 그러므로 종래의 반사층에 있어서, s-편광에 대한 반사율이 일반적으로 p-편광에 대한 반사율보다 전 각도 범위에 있어서 더 크며, 특히 대략 45°와 80° 사이의 범위에서 강한 반사율 차가 발생한다.

예의 목적으로 제시된 기하학적 빔 스플리팅을 가진 종래의 영사 대물렌즈에서, 이는 예컨대 입력측에서 편광되지 않거나 원형으로 편광된 광의 예에서 영상 평면에 도달한 광은 더 강한 s-성분을 갖도록, 대물렌즈를 통과할 때 전기장의 p-성분이 s-성분보다 더 강하게 감쇄된다는 것을 의미한다. 이는 구조 방향 의존 해상도 차이를 유발할 수 있다.

이러한 문제점들은 비 R_sp<1가 되도록 대략 45° 근방의 적절한 입사각에서 제 2 편향 거울의 반사층(24)이 실질적으로 s-편광에 대해서 보다 p-편광에 대해 더 높은 반사율을 갖기 때문에 보여진 구현예에서 회피될 수 있다.

거울을 제조하기 위해, 대략 65nm 내지 100nm의 층 두께를 가진 광학적으로 두꺼운 알루미늄층(30)이 낮은 열팽창계수를 갖는 재료로 이루어진 거울기판에 도포된다. 알루미늄층은 대략 15nm의 층 두께를 가진 실리콘 다이옥사이드의 단일층(31)으로 덮인다. 이 거울에 의해 s-성분이 p-성분보다 훨씬 더 약하게 반사되기 때문에, 이 편향 거울의 도움으로 제 1 편향 거울에 기인하는 s-편광의 우선성에 대해 부분적으로 또는 완전히 보상하는 것이 가능하다.

이 효과를 설명하기 위해, 도 3은 제 1 편향 거울(16)에 도달하는 입사광(27)이 s-편광과 p-편광의 진폭이 실질적으로 동일한 화살표 길이로서 나타내진 것처럼 원형으로 편향된 예를 보여주고 있다. 비스듬하게 배치된 제 1 거울(16)에 의한 반사 후, 입사 평면에 대해 평행하게 진동하는 전기장 성분은 s-성분보다 더 강하게 감쇄된다. 이 부분적으로 편광된 광은 오목 거울(17) 방향으로 전파된다. 오목 거울(17)에 의한 반사 후, 편광 상태가 실질적으로 변하지 않은 채 남아 있는 동안, 그 반사된 광은 제 2 편향 거울(19)에 도달한다. 후자에서, s-편광과 p-편광에 대한 진폭 균형이 얻어지도록, 도 4를 참조하여 설명된 반사율 차이(R_p>R_s)에 기인하여, p-성분이 (더 강한) s-성분보다 더 강하게 반사된다. 다중 층들(23, 24)은 제 2 편향 거울(16) 이후 s-편광과 p-편광이 동일한 진폭이 되도록 편의적으로 구성된다. 이 광으로, 구조 방향 의존 콘트라스트 차이가 없는 영상을 얻는 것이 가능하다.

제 2 편향 거울(19)의 반사층 시스템(24)은 특히 R_p>R_s를 얻기 위해 층 두께가 신중하게 최적화된 유전체층(31)이 살짝 흡수하는 금속층(30)에 도포되었다는 점에서 구별된다. 그러한 층 두께 최적화가 주어진 재료 조합에 대해 일반적으로 가능한 방법이 후술될 것이다. 층 두께 d_f 및 입사각 α₀ 의존하는 s-편광에 대한 반사율 R_s는 하기 수학식 2에 따라 이 광에 대한 반사 계수 r_s로부터 얻어진다.

여기서 수평의 바(bar)는 그 값의 공액 복소수를 나타낸다. s-성분에 대해 해당하는 반사 계수는 다음과 같이 계산된다.

p-성분에 대한 반사 계수 r_p와 반사율 R_p에 대해 해당하는 표현이 얻어진다.

수학식들에서, N_fp 및 N_fs의 값은 p-편광 및 s-편광에 대한 유전체층의 유효 반사율을 나타내며, n_0p 및 n_0s는 주위 매질의 유효 굴절율을 나타내고, N_Ap 및 N_As는 금속층의 유효 굴절율을 나타내며, φ_f(d_f,α₀)는 유전체층의 상 두께를 나타낸다. 상 두께에 있어서, 하기 수학식이 적용된다.

s-편광 또는 p-편광에 대한 유효 굴절율 N_s 또는 N_p는 일반적으로 하기 수학식 7 및 8에 따라 계산된다.

여기서 N값들은 각각 N=n-ik에 다른 재료의 복소 굴절율을 나타낸다. 여기서, n은 수학식에서 매질의 복소 굴절율의 실수부이고 k는 허수부이다. 모든 공식에서, 지수 A는 기판 재료(예에서는 알루미늄)를 나타내고, f는 유전체층을 나타낸다.

예의 시스템에서, 실리콘 다이옥사이드 층의 광학 상수가 n_f=1.685 및 k_f=0.055로, 알루미늄 기판의 광학 상수가 n_A=0.143 및 k_A=1.73으로 결정된다면, 45°의 입사각을 가진 반사율 R_s 및 R_p에 대해 도 5에 보여진 것과 같은 층 두께 의존성이 얻어진다. 층 두께 d_f가 증가함에 따라 반사율 R_s 및 R_p 모두 대략 주기적으로 변하는 것으로 나타날 수 있는데, 변화 진폭은 R_p에 대해서보다 R_s에 대해서 더 크다. 곡선들은 여러 번 교차하는데, 그러므로 R_p가 R_s보다 더 큰 층 두께 범위가 많이 있다. 그러한 첫 번째 범위는 대략 10nm 내지 25nm 사이의 층 두께에서 있는데, 대략 15nm에서 최대 차이를 갖는다. 두 번째 범위는 60nm 내지 75nm 사이에 있는데, 최대 차이는 대략 67nm에 있다. 반사율의 절대값이 층 두께가 증가함에 따라 감소하는 것이 보여질 수도 있다. 이는 본질적으로 선택된 파장(157nm)에서 유전체층 재료, 즉 실리콘 다이옥사이드에 의한 약간의 흡수에 기인하는 것으로 돌릴 수 있다. 계산은 대략 15nm의 층 두께에 있어서, p-편광에 대한 반사율 R_p가 s-편광에 대한 반사율 R_s보다 대략 10%(대략 45°에서) 내지 대략 30%(대략 60°에서) 더 큰 반사층을 얻는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 여기서 R_sp<0.8이다.

만일 반사율 R_s 및 R_p의 입사각에의 의존성이 계산된 시스템에 대해 고려된다면, 도 6에 도시된 것과 같은 의존성이 얻어진다. 주어진 유전체층의 층 두께 d_f를 가진 시스템에 있어서 더 강한 p-편광 반사율과 더 약한 s-편광에 대한 반사율 사이의 차는 입사각이 더 커짐에 따라 증가하는 것이 보여질 수 있다.

실제로 제조된 시스템을 사용하여 결정된 것처럼 도 6에서의 이론적인 커브와도 4에서의 반사율을 비교하면 반사율을 나타내는 절대값들이 의미 있는 일치를 보여주는 매우 좋은 질적인 일치를 보여준다.

도면에 도시되지 않은 예시적인 시스템에서, 반사 시스템은, 실질적으로 흡수를 하지 않고(k_f=0) 157nm의 파장에서 실수 반사율 n_f=1.48인 마그네슘 플루오라이드의 단일층이 도포되는, 광학적으로 두꺼운 알루미늄층으로 이루어진다. 금속층의 광학 상수는 n_A=0.072 및 k_A=1.66인 것으로 가정한다. 금속층의 광학 상수는 일반적으로 코팅 방법에 의존하며, 예컨대 SiO₂층과 관련하여 상기 수치들을 취할 수도 있다.

45°의 입사각에서 이 반사층을 가지고, 대략 15nm 내지 대략 24nm의 두께 범위에서 R_S<R_P 조건이 만족된다. 이 범위는 입사각이 커짐에 따라 더 넓어진다. 예컨대 60°의 입사각을 가지고, R_x≤R_p 조건이 대략 13nm 내지 대략 33nm의 두께 범위에서 만족된다. 이것은, 대략 45° 근방의 중요한 입사각 범위에 대해서, 예컨대 40°와 50° 사이에서, 특히 바람직한 층 두께가 대략 15nm와 대략 30nm 사이의 범위에 있다는 것을 의미한다. 도 5에서와 유사하게, 높은 차수의 층 두께 범위들도 역시 가능하다. 높은 차수 층 두께 범위들의 단점은 일반적으로 Rp>R_x 조건이 비교적 작은 입사각 범위에 걸쳐서만 만족된다는 것이다. 이 이유로, 특히 R_p>R_x인 제 1 반사층 두께 범위로부터 작은 층 두께가 바람직하다.

본 발명은 특정한 예시적인 구현예들을 참조하여 설명되었다. 본 발명이 기초하고 있는 아이디어 및 해당하는 공식들과 제공되는 것으로, 당업자는 이것을 특정한 동작 파장 범위에 적합한 많은 다른 시스템에 일반화할 수 있을 것이다. 금속층 및 유전체층의 주어진 재료 조합이 R_p>R_s를 달성하는데 적합한지 여부에 대한 점검은 상기 설명들의 도움으로 즉시 가능하다.

광축과, 상기 광축과의 관계에서 제 1 편향 각도로 편향된 제 1 편향 거울과, 상기 광축과의 관계에서 제 2 편향 각도로 편향된 제 2 편향 거울을 구비하며, 상기 편향 거울들 중 하나는 상기 편향 각도를 포함하는 입사각 범위에서 s-편광된 광에 대한 반사 계수 R_s의 p-편광된 광에 대한 반사 계수 R_p에의 비 R_sp가 1보다 더 크며, 반면 다른 편향 거울에 대해 해당하는 비율은 1보다 작도록 하여, 상기 편향 거울들은 횡단하는 광의 편광 의존 영향이 최소가 되도록 함으로써, 정확한 패턴의 영사가 필요한 노광 장치 등의 분야에 이용될 수 있다.

Claims (19)

1. 광축;

   상기 광축에 대해 상대적으로 제 1 편향 각도만큼 편향된 제 1 편향 거울; 및

   상기 광축에 대해 상대적으로 제 2 편향 각도만큼 편향된 제 2 편향 거울;을 구비하고,

   상기 지정된 편향 각도를 포함하는 입사각 범위에서, s-편광된 광에 대한 편향 거울의 반사율 R_s와 p-편광된 광에 대한 편향 거울의 반사율 R_p 사이의 비 R_sp가 편향 거울들 중 하나에 대해서는 1보다 크고 다른 하나에 대해서는 1보다 작은 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 편향 각도 및 상기 제 2 편향 각도는 45°±15°의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 비 R_sp는 상기 지정된 편향 각도에 대응하는 입사각에서 편향 거울들 중 하나에 대해 0.9보다 작은 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 광학 영상화 시스템은 오목 거울과 상기 제 1 편향 거울을 갖는 반사굴절 대물렌즈 부분이 상기 물체 평면과 상기 영상 평면 사이에 배치된 반사굴절 영사 대물렌즈이고, 상기 제 1 편향 거울은 상기 물체 평면으로부터 상기 오목 거울을 향해 가는 복사선을 편향시키거나 상기 오목 거울로부터 상기 영상 평면을 향해 가는 복사선을 편향시키기 위한 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제 2 편향 거울은, 상기 물체 평면과 상기 영상 평면이 상호 평행하게 정렬되도록, 상기 제 1 편향 거울에 대해 수직으로 향해지는 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 편향 거울들 중 하나는 금속층과 상기 금속층 상에 배치된 유전체 재료의 유전체층을 구비하는 반사 코팅을 구비하고, 상기 유전체층의 층 두께 d_f는 상기 비 R_sp가 상기 편향 거울의 편향 각도를 포함하는 입사각 범위에서 1보다 작도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 금속층은 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 유전체층은 단일층인 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 유전체 재료는 상기 영상화 시스템의 동작 파장에서 흡수가 없거나, 또는 상기 영상화 시스템의 동작 파장에서 흡수하며 상기 유전체 재료의 흡수 계수 k가 0.6 보다 작은 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
10. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,

    상기 유전체층은 마그네슘 플루오라이드(MgF₂), 알루미늄 플루오라이드(AlF₃), 키올라이트(chiolite), 크라이올라이트(cryolite), 가돌리늄 플루오라이드(GdF₃), 실리콘 다이옥사이드(SiO₂), 하프늄 옥사이드(HfO₂), 알루미늄 옥사이드(Al₂O₃), 란타눔 플루오라이드(LaF₃) 또는 에르븀 플루오라이드(ErF₃) 중 하나 또는 이 재료들의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
11. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,

    φ_f가 상기 유전체층의 층 두께 d_f와 입사각 α₀의 함수인 상기 유전체층의 상 두께이고, N_f는 상기 유전체 재료의 복소 굴절율일 때, 상기 유전체층의 층 두께 d_f가 하기 수학식 1을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템:

    [수학식 1]

    
12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

    상기 영상화 시스템은 260nm보다 작은 파장을 갖는 자외선을 위해 디자인된 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
13. 삭제
14. 삭제
15. 제1항에 있어서,

    상기 광학 영상화 시스템은 반사굴절 영사 대물렌즈인 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
16. 제 2항에 있어서,

    상기 제 1 편향 각도 및 상기 제 2 편향 각도는 45°±10°의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
17. 제 3항에 있어서,

    상기 비 R_sp는 상기 지정된 편향 각도에 대응하는 입사각에서 편향 거울들 중 하나에 대해 0.8보다 작은 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
18. 제 9항에 있어서,

    상기 유전체 재료의 흡수 계수 k가 동작 파장에서 0.01보다 작은 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.
19. 제 12항에 있어서,

    상기 영상화 시스템은 157nm, 193nm 또는 248nm의 동작 파장의 자외선을 위해 디자인된 것을 특징으로 하는, 영상화 시스템의 물체 평면에 배열된 패턴을 영상화 시스템의 영상 평면으로 영사(映寫)하기 위한 광학 영상화 시스템.

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