KR101150037B1 - 반사굴절식 투영 대물렌즈 - Google Patents

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Abstract

투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위에 결상시키기 위한 반사굴절식 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; 상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 직접 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며, 여기서 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러와 제 2 연속 미러면을 갖는 적어도 하나의 제 2 오목 미러가 상기 제 2 중간상의 상류측에 배치되어 있으며; 동공면들이 물체 평면과 제 1 중간상 사이, 제 1 중간상과 제 2 중간상 사이, 그리고 제 2 중간상과 이미지 평면 사이에 형성되어 있고; 모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되어 있다. 상기 시스템은 적당한 렌즈 재료 소비량에서 매우 높은 개구수에 대한 가능성을 갖는다.

Description

반사굴절식 투영 대물렌즈{Catadioptric projection objective}
본 발명은 물체 평면 내에 배열된 패턴을 이미지 평면 상에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 관한 것이다.
투영 대물렌즈는 투영 노광 시스템에서 사용되는 것으로, 특히 반도체소자 및 그 밖의 마이크로 디바이스를 제조하는 데 이용되는 웨이퍼 스캐너 또는 웨이퍼 스테퍼에서 사용되며, 포토마스크 또는 레티클(이하, "마스크" 또는 "레티클"이라 고 일반적으로 부른다) 상의 패턴을 감광성 코팅을 갖는 물체 위에 매우 높은 해상도로 축소된 스케일로 투영하는 역할을 한다.
더욱 세밀한 구조를 형성하기 위하여, 관련된 투영 대물렌즈의 이미지측 개구수(numerical aperture; NA)를 증가시키고, 보다 짧은 파장, 바람직하게는 260nm 이하의 파장을 갖는 자외선 광을 사용할 것이 요구된다.
그러나, 그러한 파장 영역에서 요구되는 광학소자를 제조하기에 충분히 투명한 재료(특히, 합성 수정 유리 및 불화물 결정)는 매우 소수이다. 사용 가능한 상기 재료들의 아베수(abbe number)들은 서로 가깝기 때문에, 충분히 색보정된(즉, 색수차가 보정된) 순수 굴절식 시스템을 제공하기가 어렵다.
상술한 문제점들을 고려하여, 굴절소자와 반사소자들, 즉, 특히 렌즈와 미러들을 조합한 반사굴절식 시스템이 고해상도 투영 대물렌즈를 구성하는 데 주로 채용되고 있다.
관련 재료의 높은 가격과 대구경 렌즈를 제조하기에 충분히 큰 크기의 불화칼슘 결정의 제한된 입수 가능성은, 예컨대, NA=0.80 이상의 매우 큰 개구수(NA)를 위한 157nm 마이크로리소그래피 분야에서 특히 문제점들을 야기한다. 따라서, 사용되는 렌즈들의 개수 및 크기를 감소시킬 수 있고, 동시에 유지보수 또는 심지어 결상 정확도의 개선에 기여할 수 있는 수단이 요구되고 있다.
우수한 색보정과 적절한 렌즈량을 갖는 시스템을 제공하기 위하여 적어도 두 개의 오목 미러를 구비하는 반사굴절식 투영 대물렌즈가 제안되었다. 미국 특허 US 6,600,608 B1 호는, 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 배열된 패턴을 제 1 중간상(intermediate image)으로 결상시키기 위한 제 1 순수 굴절식 대물렌즈부, 상기 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상시키기 위한 제 2 대물렌즈부 및 상기 제 2 중간상을 직접, 즉 더 이상의 중간상 없이 이미지 평면에 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 구비하는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시하고 있다. 상기 제 2 대물렌즈부는 중심 보어(central 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 사이에 미러간 공간(intermirror space) 또는 반사굴절 공동(catadioptric cavity)을 형성한다. 제 1 중간상은 물체 평면 옆의 오목 미러의 중심 보어 내에 형성되는 반면, 제 2 중간상은 물체 평면 옆에 있는 오목 미러의 중심 보어 내에 형성된다. 상기 대물렌즈는 축 대칭이며, 축 방향으로 및 측면으로 우수한 색보정을 제공한다. 그러나, 오목 미러들의 반사면들이 보어에서 끊어지기 때문에, 시스템의 동공(pupil)이 불명료하게 된다.
유럽 특허 EP 1 069 448 B1 호는 서로 대향하는 두 개의 오목 미러를 구비하는 또 다른 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시한다. 상기 오목 미러들은 오목 미러에 인접하여 배치된 중간상 위에 물체를 결상시키는 제 1 반사굴절식 대물렌즈부의 일부이다. 이는 제 2 순수 굴절식 대물렌즈부에 의해 이미지 평면에 결상되는 유일한 중간상이다. 상기 반사굴절식 결상 시스템의 이미지뿐만 아니라 물체도 서로 대향하는 미러들에 의해 형성되는 미러간 공간의 외부에 위치한다. 두 개의 오목한 미러, 공통의 직선 광축 및 반사굴절식 결상 시스템에 의해 형성되고 오목 미러들 중 하나의 외부에 위치하는 하나의 중간상을 갖는 유사한 시스템들이 일본 특허공개 JP 2002208551 A 호 및 미국 특허공개 US 2002/00241 A1 호에 개시되어 있다.
유럽 특허출원 EP 1 336 887 호(미국 특허공개 US 2004/0130806 A1 호에 대응)는 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 제 3 굴절식 대물렌즈부를 순서대로 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시하고 있다. 각각의 반사굴절식 시스템은 서로 대향하는 두 개의 오목 미러를 구비한다. 중간상들은 상기 오목 미러들에 의해 형성되는 미러간 공간의 외부에 놓여있다. 오목 미러들은, 투영 대물렌즈의 중간상들보다 동공면(pupil surface)에 더 가깝게, 광학적으로 동공면들 근처에 위치한다.
B.W. Smith에 의해 발표된 T. Matsuyama, T. Ishiyama 및 Y. Ohmura의 논문 "니콘 투영 렌즈 업데이트(Nikon Projection Lens Update)" (Optical Micro-lithography XVII, Proc. of SPIE 5377.65 (2004))에는, 반사굴절식 투영 렌즈의 설계예가 개시되었는데, 상기 렌즈는 통상적인 굴절 광학식 DUV 시스템과 상기 DUV 시스템의 렌즈 그룹들 사이에 삽입된 6-미러 EUV 반사 광학식 시스템의 조합이다. 제 1 중간상은 볼록 미러의 상류측에 있는 반사 광학식(순수 반사식) 그룹의 제 3 미러 뒤에 형성된다. 제 2 중간상은 순수 반사식(반사 광학식) 제 2 대물렌즈부에 의해 형성된다. 제 3 대물렌즈부는, 페츠발 합 보정(Petzval sum correction)을 위한 상기 제 3 대물렌즈부 내의 최소 빔직경 마디부(waist)에서 네가티브(-) 굴절력을 특징으로 하는 순수 굴절식이다.
일본 특허공개 JP 2003114387 A 호 및 국제특허공개 WO 01/55767 A 호는 하나의 공통된 직선 광축, 중간상을 형성하기 위한 제 1 반사굴절식 대물렌즈부 및 상기 중간상을 이미지 평면 위에 결상시키기 위한 제 2 반사굴절식 대물렌즈부를 구비하는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시하고 있다. 오목 및 볼록 미러들이 함께 사용된다.
본 출원인에 의해 2003년 10월 17일자로 출원된 미국 가출원 제 60/511,673 호는 매우 큰 개구수(NA)를 가지며, NA > 1 에서 액침 리소그래피(immersion lithography)에 적당한 반사굴절식 투영 대물렌즈를 개시한다. 양호한 실시예에서, 정확히 세 개의 중간상들이 형성된다. 십자가 형태(cross-shaped)의 실시예는, 물체로부터 제 1 중간상을 형성하는 제 1 굴절식 대물렌즈부, 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상을 형성하기 위한 제 2 반사굴절식 대물렌즈부, 제 2 중간상으로부터 제 3 중간상을 형성하기 위한 제 3 반사굴절식 대물렌즈부 및 상기 제 3 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 4 굴절식 대물렌즈부를 구비한다. 상기 반사굴절식 대물렌즈부는 각각 하나의 오목 미러를 가지며, 평판형 폴딩 미러(folding mirror)들이 이에 결합되어 있다. 상기 오목 미러들은 오목 미러면들이 서로 대향하고 있다. 폴딩 미러들은 상기 오목 미러들에 의해 형성되는 미러간 공간에 또는 중간 지점에 배치되어 있다. 상기 오목 미러들은 동축일 수 있으며, 반사굴절식 대물렌즈부들의 광축들은 굴절식 결상 시스템 내에 정의된 광축에 대하여 수직이거나 비스듬할 수도 있다.
상술된 문헌들의 모든 개시 내용은 본 출원에서 참조로서 통합된다.
D. DeJager의 논문 "경사진 오목 미러 정립 소자들을 사용한 카메라 뷰파인더(Camera view finder using tilted concave mirror erecting elecments)" (SPIE. Vol. 237 (1980) p.292-298)는 1:1 망원형 정립 릴레이 시스템의 소자로서 두 개의 오목 미러들을 포함하는 카메라 뷰파인더를 개시하고 있다. 상기 시스템은 무한대의 위치에 있는 물체를, 아이피스(eyepiece)를 통해 볼 수 있는 정립된 실상(real image)으로 결상시키기 위해 설계되어 있다. 반사 광학식(catoptric) 릴레이 시스템의 상류측과 하류측에 있는 굴절식 시스템 부분의 분리된 광축들은 서로 평행하게 오프셋 되어 있다. 서로 대향하는 오목 미러들을 갖는 시스템을 형성하기 위해, 미러들은 경사져야 한다. 저자는 이러한 방식의 물리적으로 실현 가능한 시스템은 나쁜 이미지 품질을 갖는다고 결론 내렸다.
국제특허공개 WO 92/05462 및 WO 94/06047 호와 OSA/SPIE 회보(1994) 389ff 페이지의 논문 "혁신적인 광시야 쌍안경 설계(Innovative Wide-Field Binocular Design)"는 단일한, 절곡되지 않은 광축을 갖는 직렬식(in-line) 시스템으로서, 특히 쌍안경 및 다른 관측 수단용의 반사굴절식 광학 시스템을 개시하고 있다. 어떤 실시예들은 광축의 일측에 정렬된 물체측 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 상기 광축의 반대측에 정렬되고 상기 제 1 미러와 대향하는 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 구비하는데, 상기 오목 미러들의 표면 곡률이 미러간 공간을 정의한다. 전면의 굴절식 그룹은 제 1 미러 근처에 제 1 중간상을 형성하고 제 2 중간상은 대향하는 두 미러들에 의해 형성된 공간의 외부에 형성된다. 수직 방향으로 보다는 수평 방향으로 더 커지는 좁은 시야는 광축에 대해 오프셋 되어 정렬된다. 물체측 굴절식 그룹은 콜리메이팅된 입력을 가지며 이미지측 굴절식 그룹은 콜리메이팅된 출력을 갖고, 텔레센트릭(telecentric)으로부터 먼 입사동공(entrance pupil)과 사출동공(exit pupil)이 형성된다. 동공의 형태는 반원형인데, 이는 원형이며 중심이 광축에 정렬되어야 하는 리소그래피 투영 렌즈들의 동공면들과 다르다.
PCT 출원 공개 WO 01/04682 A1 호는 만진 미러(Mangin mirror)로서 설계된 하나의 오목 미러를 갖는 웨이퍼 검사용 반사굴절식 UV 결상 시스템을 개시하고 있다.
본 발명의 한 목적은, 개구수 NA > 1 에서 액침 리소그래피를 허용하는 값까지 증가될 수 있는 매우 높은 이미지측 개구수의 가능성을 갖는 진공 자외선(VUV) 영역에서의 사용에 적당한 반사굴절식 투영 대물렌즈를 제공하는 것이다. 본 발명은 다른 목적은 상대적으로 적은 양의 광학 재료를 가지고 형성될 수 있는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러와 제 2 연속 미러면을 갖는 적어도 하나의 제 2 오목 미러가 상기 제 2 중간상의 상류측에 배치되어 있으며;
동공면들이 물체 평면과 제 1 중간상 사이, 제 1 중간상과 제 2 중간상 사이, 그리고 제 2 중간상과 이미지 평면 사이에 형성되어 있고;
모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 주광선 높이가 결상 공정 중의 주변광선 높이를 초과하는 위치에 배치되어 있어도 된다.
또, 정확히 두 개의 오목 미러와 정확히 두 개의 중간상이 존재하는 것이어도 된다.
또, 제 1 대물렌즈부는 굴절광학식 결상 시스템이고;
제 2 대물렌즈부는 제 1 및 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들의 오목한 미러면은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하고;
적어도 제 1 중간상은 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것이어도 된다.
또, 제 1 중간상과 제 2 중간상은 모두 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부, 제 2 대물렌즈부 및 제 3 대물렌즈부는 하나의 공통된 직선형 광축을 공유하는 것이어도 된다.
또, 제 1 오목 미러 및 제 2 오목 미러의 만곡 표면은, 광축의 물체측 부분과 이미지측 부분에 대해 비스듬하게 경사진 광축의 반사굴절식 또는 반사광학식 부분을 정의하는 회전 대칭인 공통 축을 갖는 것이어도 된다.
또, 오목 미러의 적어도 하나의 미러면은 비구면이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 하나의 제 1 오목 미러를 포함하는 반사굴절식 대물렌즈부이고, 상기 제 2 대물렌즈부는 하나의 제 2 오목 미러를 포함하는 반사굴절식 대물렌즈부이어도 된다.
또, 서로 대향하는 상기 제 1 및 제 2 오목 미러에 의해 정의되는 미러 그룹이 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구를 가지며, 상기 미러 그룹 입구는 기하학적으로 광축을 향하는 제 2 오목 미러의 가장자리 옆에 위치하고, 상기 미러 그룹 출구는 기하학적으로 광축을 향하는 제 1 오목 미러의 가장자리 옆에 위치하며, 투영 대물렌즈의 동공면들은 상기 미러 그룹 입구의 근처와 미러 그룹 출구의 근처에 배치되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러로부터 반사된 방사광이 제 2 오목 미러에 입사하기 전에 광축을 교차하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 순수 굴절식이고, 제 2 대물렌즈부는 반사광학식 또는 반사굴절식이며, 제 3 대물렌즈부는 순수 굴절식이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 볼록 미러를 포함하지 않는 것이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함하며,
상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 미러면을 갖는 제 1 오목 미러와 제 2 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들의 오목한 미러면들은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하고;
적어도 제 1 중간상은 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 정확하게 두 개의 오목 미러와 정확하게 두 개의 중간상이 존재하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 및 제 2 미러면은 홀(hole)을 갖지 않고 중단되지 않은 면인 것이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 동공 암흑화를 갖지 않는 암흑화되지 않은 시스템인 것이어도 된다.
또, 제 1 중간상 및 제 2 중간상은 모두 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 중간상 및 제 2 중간상은 기하학적으로 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에서 상기 두 오목 미러들 사이의 중점을 중앙으로 하는 중간 영역에 위치하며, 여기서 상기 중간 영역은 제 1 및 제 2 오목 미러의 만곡 표면들의 꼭지점들 사이의 축 방향 거리의 90% 이하의 축 방향 범위를 갖는 공간 내에서 연장되는 것이어도 된다.
또, 상기 두 오목 미러들 사이의 광축 상에서의 거리가 d 이고, 상기 제 1 중간상과 제 1 오목 미러 사이의 광축 상에서의 거리가 d1 이고, 제 2 오목 미러와 제 2 중간상 사이의 광축 상에서의 거리가 d2 이며, 관계식 0.5d/2 < d1 < 1.5d/2 및 0.5d/2 < d2 < 1.5d/2 가 만족되는 것이어도 된다.
또, 축에서 가장 벗어난 필드 점의 주광선은, 상기 두 오목 미러들 사이의 광경로에서 기하학적으로 제 1 중간상의 위치 부근에서 광축을 교차하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 확대 결상 시스템으로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 1 < │β1│ < 2.5 범위의 배율 β1 을 갖는 확대 결상 시스템으로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부는 1에 가까운 배율의 광학 시스템으로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부는 0.4 < │β2│ < 1.5 범위의 배율 β2 을 갖는 시스템으로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부는 0.9 < │β2│ < 1.1 범위의 배율 β2 을 갖는 시스템으로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 3 대물렌즈부는 │β3│ < 1 인 축소 배율 β3 을 갖는 것을 특징으로하는 투영 대물렌즈.
또, 상기 제 2 중간상은 이미지 크기보다 큰 크기를 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부, 제 2 대물렌즈부 및 제 3 대물렌즈부는 하나의 공통된 직선형 광축을 공유하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러 및 제 2 오목 미러의 만곡 표면은 회전 대칭인 하나의 공통 축을 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러 및 제 2 오목 미러에 의해 정의되는 광축의 반사굴절식 또는 반사광학식 부분은, 광축의 물체측 부분과 이미지측 부분에 대해 비스듬하게 경사진 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 중 적어도 하나는 만진 미러로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 중 적어도 하나는 전면 미러(front face mirror)로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 오목 미러들 중 적어도 하나는, 반경 방향을 따라 광축으로부터 미러의 가장자리로 감소하는 곡률의 절대값을 갖는 비구면 반사면을 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 볼록 미러를 포함하지 않는 것이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 평면 폴딩 미러를 포함하지 않는 것이어도 된다.
또, 상기 오목 미러들에서의 최대 광빔 높이는 상기 제 3 대물렌즈부 내에서의 최대 광빔 높이의 1.5배 이하인 것이어도 된다.
또, 상기 오목 미러들의 직경은 제 1 및 제 2 중간상의 크기의 150% 이하인 것이어도 된다.
또, 상기 제 3 대물렌즈부의 광축 둘레의 실린더로서 정의되며, 물체 평면으로부터 이미지 평면으로 연장되고, 상기 제 3 대물렌즈부 내의 최대 빔 높이의 1.5배의 최대 반경을 갖는 공간 내에 상기 투영 대물렌즈 내의 모든 광빔이 위치하는 것이어도 된다.
또, 최대 자유 직경은 상기 제 3 대물렌즈부 내의 최대 빔 높이의 2.4배인 것이어도 된다.
또, 제 1 오목 미러의 곡률 반경 R1과 제 2 오목 미러의 곡률 반경 R2 사이에 다음의 관계식, 0.7 < │R1/R2│ < 1.3 을 만족하는 것이어도 된다.
또, 제 1 오목 미러의 곡률 반경 R1과 제 2 오목 미러의 곡률 반경 R2 및 상기 두 오목 미러들 사이의 광축상의 거리 d 사이에, 0.7 < (│R1│+│R2│)/2/d < 1.3 의 관계식을 만족하는 것이어도 된다.
또, 자유 입사면 및 자유 출사면을 갖는 적어도 하나의 렌즈가 상기 제 1 및 제 2 오목 미러 사이에 형성된 미러간 공간 내에 배치되는 것이어도 된다.
또, 상기 렌즈는, 상기 오목 미러로 및 상기 오목 미러로부터 진행하는 방사광에 의해 두 번 통과되도록 배치된 미러-관련 렌즈이어도 된다.
또, 상기 미러-관련 렌즈는 네가티브 렌즈이어도 된다.
또, 상기 미러-관련 렌즈는 네가티브 굴절력을 가지며 상기 렌즈가 할당된 오목 미러의 곡률과 유사한 곡률을 갖는 메니스커스 렌즈이어도 된다.
또, 상기 미러-관련 렌즈는, 관련 오목 미러가 위치하는 광축의 한쪽 측면에 거의 대부분 배치되는 트렁케이트 렌즈로서 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 및 제 2 오목 미러 사이에 형성된 미러간 공간 내에 적어도 하나의 렌즈가 배치되어 있으며, 상기 렌즈는 물체 평면과 이미지 평면 사이에서 광빔에 의해 세 번 통과되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러는 본질적으로 동일하거나 정확하게 동일한 만곡 표면을 갖도록 설계되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러는, 먼저 상기 제 1 및 제 2 오목 미러를 위한 미러 반제품이 미러면의 소망하는 오목한 형상을 갖도록 제조되고, 그런 후, 상기 미러 반제품이 제 1 및 제 2 오목 미러로서 사용되는 두 개의 트렁케이트 미러로 분리되도록 제조되는 것이어도 된다.
또, 제 2 대물렌즈부는 제 1 오목 미러와 제 1 미러-관련 렌즈로 구성되는 제 1 반사굴절식 서브그룹 및 제 2 오목 미러와 제 2 미러-관련 렌즈로 구성되는 제 2 반사굴절식 서브그룹을 포함하며, 상기 반사굴절식 서브그룹들은 본질적으로 동일하게 설계된 것이어도 된다.
또, 오목 미러의 적어도 하나의 미러면은 비구면이어도 된다.
또, 제 1 및 제 2 오목 미러의 오목한 표면은 비구면이어도 된다.
또, 제 1 및 제 2 오목 미러 사이에 형성된 미러간 공간 내에서, 중간상과 상기 중간상에 광학적으로 가까운 관련 오목 미러 사이에 적어도 하나의 렌즈가 배치되며, 상기 렌즈의 적어도 하나의 표면은 비구면이어도 된다.
또, 상기 렌즈의 비구면 표면은 상기 중간상과 대향하는 표면이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러가 곡률 c1([mm-1])을 갖고, 제 2 오목 미러가 곡률 c2 ([mm-1])을 갖고, D([mm])가 제 3 대물렌즈부의 렌즈소자의 최대 직경이며, 다음의 조건, 1 < D/(│c1│+│c2│)ㆍ10-4 < 6 을 만족하는 것이어도 된다.
또, 적어도 하나의 오목 미러가 조건, p < 0.22R (여기서 p = R - (R2-D2/4)0.5) 을 만족하며, 여기서 R 은 곡률 반경, D 는 비구면 미러면의 직경인 것이어도 된다.
또, 조건 D > 1.3R 을 만족하는 것이어도 된다.
또, 제 1 중간상은 기하학적으로 상기 제 1 및 제 2 오목 미러 사이에 형성된 미러간 공간 내에 위치하고, 제 2 중간상은 상기 미러간 공간 바깥에 배치되도록 설계되는 것이어도 된다.
또, 제 1 대물렌즈부는 제 1 오목 미러를 포함하는 반사굴절식 대물렌즈부이고, 제 2 대물렌즈부는 제 2 오목 미러를 포함하는 반사굴절식 대물렌즈부이어도 된다.
또, 서로 대향하는 제 1 및 제 2 오목 미러들에 의해 정의된 미러 그룹은 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구를 가지며, 상기 미러 그룹 입구는 기하학적으로 광축을 향하는 제 2 오목 미러의 가장자리에 가깝게 위치하고 상기 미러 그룹 출구는 기하학적으로 광축을 향하는 제 1 오목 미러의 가장자리에 가깝게 위치하며, 투영 대물렌즈의 동공면들은 상기 미러 그룹 입구의 근처와 미러 그룹 출구의 근처에 배치되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러로부터 반사된 방사광이 상기 제 2 오목 미러에 입사하기 전에 광축을 교차하도록 설계된 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 및 제 2 오목 미러는 광축을 중심으로 동일측에 배치된 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 및 제 2 오목 미러는 광축을 중심으로 맞은 편에 배치된 것이어도 된다.
또, 적어도 하나의 렌즈는 제 1 및 제 2 오목 미러 사이에 형성된 미러간 공간의 바깥에서, 상기 제 1 및 제 2 오목 미러에 의해 정의된 미러 그룹과 제 2 중간상 사이에 배치되는 것이어도 된다.
또, 비구면 입사면과 비구면 출사면을 갖는 적어도 하나의 양면 비구면 렌즈를 포함해도 된다.
또, 상기 제 3 대물렌즈부는 동공면을 가지며, 상기 양면 비구면 렌즈는 상기 동공면과 이미지 평면 사이에 배치되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 이미지 평면을 향하는 오목면을 갖는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 것이어도 된다.
또, 이미지 평면을 향하는 오목면을 갖는 상기 렌즈는 물체 평면과 상기 제 1 대물렌즈부의 동공면 사이에 배치된 메니스커스 렌즈인 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 동공면 및 상기 동공면과 물체 평면 사이에 배치된 제 1 렌즈 그룹을 포함하며, 상기 제 1 렌즈 그룹은 순서대로 포지티브 렌즈, 네가티브 렌즈 및 포지티브 렌즈를 포함하고, 상기 네가티브 렌즈는 이미지를 향하는 오목면을 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부의 광학소자들의 최대 직경은 상기 제 3 대물렌즈부의 렌즈들의 최대 직경보다 작거나 같은 것이어도 된다.
또, 상기 제 3 대물렌즈부는 동공면 및 상기 동공면과 제 2 중간상 사이에 배치된 네가티브 굴절력을 포함하여 빔경로 내에 얕은 마디부(waist)가 형성되며, 상기 마디부와 이미지 평면 사이에 네가티브 렌즈가 배치되지 않는 것이어도 된다.
또, 상기 제 3 대물렌즈부는 두 개 이하의 네가티브 렌즈를 포함하는 것이어도 된다.
또, NA > 0.9 의 이미지측 개구수를 갖는 것이어도 된다.
또, 마지막 광학소자와 이미지 평면 사이의 이미지측 작동 거리가 실질적으로 1 보다 큰 굴절률을 갖는 액침 매질로 채워지는, 수차들에 대해 적응된 액침 대물렌즈로서 설계된 것이어도 된다.
또, 액침 매질과 함께 사용될 때, NA > 1.1 의 이미지측 개구수를 갖는 것이어도 된다.
또, 물체측 및 이미지측 단부 모두에서 텔레센트릭한 것이어도 된다.
또, 본질적으로 공심의 입사동공을 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부 내에 개구 조리개가 제공되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부 내에 개구 조리개가 제공되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 3 대물렌즈부 내에 개구 조리개가 제공되는 것이어도 된다.
또, 약 120nm 으로부터 약 260nm 까지 연장되는 파장 범위 내에 있는 자외선광을 사용하도록 구성된 것이어도 된다.
또한, 본 발명은 조명 시스템 및 반사굴절식 투영 대물렌즈를 구비하는 마이크로리소그래피용 투영 노광 시스템에 있어서,
상기 투영 대물렌즈는 제 1 양태에 따라 구성된 것을 특징으로 하는 투영 노광 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 소정의 패턴을 갖는 마스크를 제공하는 단계;
소정의 파장을 갖는 자외선광으로 상기 마스크를 조명하는 단계; 및
제 1 양태에 따른 반사굴절식 투영 대물렌즈를 사용하여 투영 대물렌즈의 이미지 평면 근처에 배치된 감광성 기판 위로 상기 패턴의 이미지를 투영하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 또는 다른 종류의 마이크로 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
물체 평면 내에 제공된 패턴을 제 1 중간상으로 결상시키기 위한 제 1 굴절식 대물렌즈부;
상기 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상시키기 위한 제 2 반사굴절식 또는 반사광학식 대물렌즈부;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 굴절식 대물렌즈부를 포함하며,
상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 연속 미러면을 갖는 정확히 한 개의 제 1 오목 미러 및 제 2 연속 미러면을 갖는 정확히 한 개의 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들의 오목한 미러면들은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하고;
상기 제 1 및 제 2 중간상은 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함하며,
상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들의 오목한 미러면들은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하고;
상기 제 1 대물렌즈부는 확대 결상 시스템으로서 설계된 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 굴절식이고, 제 2 대물렌즈부는 반사굴절식 또는 반사광학식이며, 제 3 대물렌즈부는 굴절식이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함하며,
상기 제 1 대물렌즈부는 순수 굴절식 부분이고;
상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 연속 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들의 오목한 면들은 서로 대향하여 절곡되지 않은 또는 절곡된 미러간 공간을 형성하고;
상기 두 오목 미러들 사이의 광경로에는 상기 오목 미러들에 의해 중간상이 형성되지 않으며;
상기 제 3 대물렌즈부는 순수 굴절식 부분인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 제 2 대물렌즈부는 순서대로, 제 1 평면 폴딩 미러, 제 1 오목 미러, 제 2 오목 미러, 제 2 평면 폴딩 미러를 포함하고,
상기 오목 미러들의 공통 축은 경사져 있으며 물체 평면 및 이미지 평면과는 거의 평행한 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함하며,
상기 제 2 대물렌즈부는 반사굴절식 또는 반사광학식 대물렌즈부이며, 순서대로 제 1 오목 미러, 제 1 평면 폴딩 미러, 제 2 오목 미러, 제 2 평면 폴딩 미러를 포함하고, 상기 두 개의 평면 미러들은 두 번 사용되는 단일한 평면 미러인 것처럼 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러와 제 2 연속 미러면을 갖는 제 2 오목 미러가 상기 제 2 중간상의 상류측에 배치되고;
상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러의 만곡 표면은 회전 대칭인 공통 축을 형성하며;
상기 회전 대칭인 공통 축은 제 1 대물렌즈부에 의해 형성된 광축의 물체측 부분과 제 3 대물렌즈부에 의해 형성된 광축의 이미지측 부분에 대해 70°와 110° 사이의 경사각으로 경사져 있고;
적어도 하나의 오목 미러는 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 주광선 높이가 주변광선 높이를 초과하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 배치되는 것이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 제 1 대물렌즈부는 순수 굴절식이고;
상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 오목 미러 및 적어도 하나의 제 2 오목 미러를 가지며 렌즈가 없는 반사광학식 대물렌즈부이며;
상기 제 3 대물렌즈부는 굴절식 대물렌즈부인 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 제 1 및 제 2 오목 미러의 오목한 미러면들은 서로 대향하며, 회전 대칭인 공통 축을 갖는 만곡 표면들을 형성하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부, 제 2 대물렌즈부 및 제 3 대물렌즈부는 하나의 공통된 광축을 공유하는 것이어도 된다.
또, 광축의 물체측 부분에 대하여 경사진 적어도 하나의 평면 폴딩 미러가 제공되며, 상기 오목 미러들의 회전 대칭인 공통 축은 상기 광축의 물체측 부분에 대하여 경사진 것이어도 된다.
또, 제 2 반사광학식 대물렌즈부는 정확히 두 개의 오목 미러를 갖는 것이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 제 1 대물렌즈부는 단일한 제 1 오목 미러를 포함하는 반사굴절식 또는 반사광학식 대물렌즈부이고, 제 2 대물렌즈부는 단일한 제 2 오목 미러를 포함하는 반사굴절식 또는 반사광학식 대물렌즈부인 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 제 3 대물렌즈부는 순수 굴절식이어도 된다.
또, 상기 제 1 오목 미러는 제 1 비구면 미러면을 가지며 제 2 오목 미러는 제 2 비구면 미러면을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 미러면은 본질적으로 동일한 비구면 형태를 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부는 두 개의 오목 미러들을 구비하며, 상기 오목 미러들은 각각 비구면 미러면을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 미러면들은 본질적으로 동일한 비구면 형태를 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부는, 본질적으로 동일한 비구면 형태를 갖는 비구면 미러면들을 갖는 단지 두 개의 오목 미러들로 구성되는 반사광학식 대물렌즈부인 것이어도 된다.
또, 제 1 및 제 2 오목 미러들 중 적어도 하나는 포물선 형태를 갖는 미러면을 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 순수 굴절식이며 포지티브 렌즈들만을 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 포지티브 렌즈들에 추가하여 본질적으로 평행한 평판 표면들을 갖는 평판이 상기 제 1 대물렌즈부에 제공되는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 순수 굴절식이며 단지 여섯 개의 렌즈들만을 구비하는 것이어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 순수 굴절식이며 렌즈소자들 및 비구면 표면들을 포함하고, 렌즈소자들의 개수와 비구면 표면들의 개수 사이의 비율은 1.6 이하인 것이어도 된다.
또, 물체 평면 바로 다음에 있는 제 1 대물렌즈부의 제 1 렌즈소자는 상기 물체 평면과 대향하는 비구면 표면을 가지며, 상기 비구면 표면은 상기 비구면 표면의 각 점에서 R > 300mm 의 국소 곡률 반경을 갖는 본질적으로 평면인 것이어도 된다.
또, 모든 네가티브 렌즈들이 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 배치되는 것이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 비구면 표면을 갖는 적어도 하나의 광학소자를 구비하며, 상기 비구면 표면은 상기 비구면 표면의 광학적 사용 영역 내에 변곡점이 없는 표면 형태를 갖는 것이어도 된다.
또, 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 다수의 광학소자들이 제공되며, 상기 비구면 표면들의 적어도 50% 에는 변곡점이 없는 것이어도 된다.
또, 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 다수의 광학소자들이 제공되며, 모든 비구면 표면들은 변곡점이 없는 표면 형태를 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 비구면 표면을 갖는 적어도 하나의 광학소자들을 구비하며, 상기 비구면 표면은 광축의 바깥쪽에서 상기 비구면 표면의 광학적 사용 영역 내에 극점이 없는 표면 형태를 갖고, 여기서 극점은
Figure 112011073655989-pat00001
및
Figure 112011073655989-pat00002
에 의해 정의되며, 파라미터 p 는 표면의 꼭지점으로부터 높이 h 에 있는 점의, 상기 광학소자의 광축에 평행하게 측정된 거리이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 다수의 광학소자들을 포함하며, 상기 비구면 표면의 적어도 50% 는 극점이 없는 표면 형태를 갖는 것이어도 된다.
또, 상기 비구면 표면은, 광학적 사용 반경 hopt 에 의해 정의된 광학적 사용 영역을 포함하며 최대 높이까지의 영역을 넘어 확장되는 hmax > hopt 인 영역 내에서 극점이 없으며, 여기서 hmax = hopt + OR 이고 OR 은 적어도 5mm 이어도 된다.
또, 적어도 하나의 극점을 갖는 비구면 표면은 전체 광학적 사용 영역에 걸쳐서 본질적으로 평평한 것이어도 된다.
또, 적어도 하나의 극점을 갖는 적어도 하나의 비구면 표면을 가지며, 상기 비구면 표면은 비구면 표면에 대한 다음의 조건:
│p(h)│ < pmax, 여기서 pmax = 0.5mm
을 만족하도록 광학소자의 전체 광학적 사용 영역에 걸쳐서 본질적으로 평평한 것이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 투영 대물렌즈에 있어서,
제 1 오목 미러 및 적어도 하나의 제 2 오목 미러를 포함하며,
상기 제 1 오목 미러는 제 1 비구면 미러면을 갖고, 상기 제 2 오목 미러는 제 2 비구면 미러면을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 미러면들은 본질적으로 동일한 비구면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 제 1 및 제 2 오목 미러의 비구면 미러면의 비구면 형태는 동일한 것이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 상기 오목 미러에 추가하여 적어도 하나의 렌즈를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 투영 대물렌즈에 있어서,
적어도 하나의 오목 미러를 포함하며,
상기 오목 미러의 미러면은 포물선 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 상기 오목 미러에 추가하여 적어도 하나의 렌즈를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 투영 대물렌즈에 있어서,
비구면 표면을 갖는 적어도 하나의 광학소자를 포함하며, 상기 비구면 표면은 비구면 표면의 광학적 사용 영역 내에서 변곡점이 없는 표면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 다수의 광학소자들이 제공되며, 상기 비구면 표면들의 적어도 50%는 변곡점이 없어도 된다.
또, 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 다수의 광학소자들이 제공되며, 모든 비구면 표면들은 변곡점이 없는 표면 형태를 가져도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 투영 대물렌즈에 있어서,
비구면 표면을 갖는 적어도 하나의 광학소자를 포함하며, 상기 비구면 표면은 광축의 바깥쪽에서 상기 비구면 표면의 광학적 사용 영역 내에 극점이 없는 표면 형태를 갖고, 여기서 극점은
Figure 112011073655989-pat00003
및
Figure 112011073655989-pat00004
에 의해 정의되며, 파라미터 p 는 표면의 꼭지점으로부터 높이 h 에 있는 점의, 광학소자의 광축에 평행하게 측정된 거리인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 적어도 하나의 극점을 갖는 적어도 하나의 비구면 표면을 가지며, 상기 비구면 표면은 비구면 표면에 대한 다음의 조건:
│p(h)│ < pmax, 여기서 pmax = 0.5mm
을 만족하도록 상기 광학소자의 전체 광학적 사용 영역에 걸쳐서 본질적으로 평평해도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 만곡된 미러면을 갖는 오목 미러 및 적어도 하나의 추가 미러를 포함하며, 상기 오목 미러 및 추가 미러의 만곡된 미러면들은 서로 대향해도 된다.
또, 상기 추가 미러는 볼록한 미러면을 가져도 된다.
또, 상기 추가 미러는 광학적으로 동공면 부근에 위치하여도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 반사굴절식이고 상기 오목 미러 및 추가 미러에 더하여 적어도 하나의 렌즈를 포함하여도 된다.
또, 상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들의 오목한 미러면들은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하여도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 정확히 세 개의 오목 미러들을 가져도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈의 모든 미러면들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되어도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부, 제 2 대물렌즈부 및 제 3 대물렌즈부는 하나의 공통된 직선형 광축을 공유하여도 된다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 확대 결상 시스템으로서 설계되어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 제 1 대물렌즈부는 만곡된 미러면을 갖는 오목 미러 및 적어도 하나의 추가 미러를 포함하며, 상기 오목 미러와 추가 미러의 만곡된 미러면들은 서로 대향하고;
제 2 대물렌즈부는 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 연속 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들은 상기 제 2 중간상의 상류측에 배치되고;
물체 평면과 제 1 중간상 사이, 제 1 및 제 2 중간상 사이, 및 제 2 중간상과 이미지 평면 사이에 동공면들이 형성되며;
상기 오목 미러들 중 적어도 하나는 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되어도 된다.
또, 상기 추가 미러는 볼록 미러이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
물체 평면 내에 제공된 패턴을 제 1 중간상으로 결상시키기 위한 제 1 굴절식 대물렌즈부;
상기 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상시키기 위한 적어도 하나의 오목 미러를 포함하는 제 2 반사굴절식 또는 반사광학식 대물렌즈부;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 굴절식 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 투영 대물렌즈는 최대 렌즈 직경 Dmax, 최대 이미지 필드 높이 Y', 이미지측 개구수 NA, NL 개의 렌즈들, 및 중간상들의 위치에서 연결되는 NOP 개의 결상 대물렌즈부들을 가지며; 여기서,
Figure 112011073655989-pat00005
이고, 다음의 조건들:
(1) COMP1 < 11
(1) COMP2 < 300
(1) COMP3 < 100
중에서 적어도 하나가 충족되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, COMP1 < 11 및 COMP2 < 300 이어도 된다.
또, COMP1 < 11 및 COMP2 < 300 및 COMP3 < 100 이어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 NA > 1 의 이미지측 개구수를 갖는 액침 대물렌즈로서 설계되어도 된다.
또, 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 연속 미러면을 갖는 적어도 하나의 제 2 오목 미러가 상기 제 2 대물렌즈부에 배치되어 있으며;
물체 평면과 제 1 중간상 사이, 제 1 및 제 2 중간상 사이, 및 제 2 중간상과 이미지 평면 사이에 동공면들이 형성되며;
모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
물체 평면 내에 제공된 패턴을 제 1 중간상으로 결상시키기 위한 제 1 굴절식 대물렌즈부;
상기 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상시키기 위한 적어도 하나의 오목 미러를 포함하는 제 2 반사굴절식 또는 반사광학식 대물렌즈부;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 굴절식 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 이미지 평면에 가장 가까운 마지막 렌즈는 불화칼슘으로 이루어진 평볼록 렌즈이며, 상기 평볼록 불화칼슘 렌즈의 평평한 출사면에 용융 실리카로 이루어진 얇은 평면 평행판이 부착된 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 판은 0.5mm 이하의 두께를 가져도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 NA > 1 의 이미지측 개구수를 갖는 액침 대물렌즈로서 설계되어도 된다.
또, 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 연속 미러면을 갖는 적어도 하나의 제 2 오목 미러가 상기 제 2 대물렌즈부에 배치되어 있으며;
물체 평면과 제 1 중간상 사이, 제 1 및 제 2 중간상 사이, 및 제 2 중간상과 이미지 평면 사이에 동공면들이 형성되며;
모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함하며,
세 개의 실상 동공면들이 물체 평면과 이미지 평면 사이에 제공되고, 상기 동공면들 중 하나에서의 최대 주광선 각도는 물체측 개구수보다 작으며, 또한 다음의 조건들:
(1) 세 개의 동공면들 중 두 개에서의 최대 주변광선 높이가 세 번째 동공면에서의 최대 주변광선 높이의 최대 50%;
(2) 동공면들 중 두 개에서의 최대 주광선 각도는 세 번째 동공면에서의 최대 주광선 각도의 적어도 두 배;
(3) 동공면들 중 두 개에서의 최대 주광선 각도는 물체측 개구수의 적어도 두 배;
중에서 적어도 하나가 충족되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 굴절광학식 대물렌즈부이며, 제 2 대물렌즈부는 적어도 하나의 오목 미러를 포함하는 반사광학식 또는 반사굴절식 대물렌즈부이고, 제 3 대물렌즈부는 굴절광학식 대물렌즈부이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 제 1 대물렌즈부는 제 1 중간상의 하류측에 있는 네가티브(허상의) 사출동공을 가지며, 상기 제 2 대물렌즈부는 제 2 중간상의 하류측에서 실상의 사출동공을 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 상기 제 1 대물렌즈부는 굴절광학식 대물렌즈부이며, 제 2 대물렌즈부는 적어도 하나의 오목 미러를 포함하는 반사광학식 또는 반사굴절식 대물렌즈부이고, 제 3 대물렌즈부는 굴절광학식 대물렌즈부이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 제 2 대물렌즈부는 상기 제 1 중간상과 제 2 중간상 사이에 실상의 형성을 수행하며, 또한 실상의 입사동공은 실상의 사출동공으로 결상되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
광축;
다수의 렌즈 및 연속적인 미러면을 갖는 적어도 하나의 오목 미러;를 포함하며,
상기 투영 대물렌즈는 동공 암흑화를 갖지 않는 암흑화되지 않은 시스템이고,
상기 투영 대물렌즈는, 광축의 한쪽 편에 배치된 물체 필드가 이미지 뒤집힘 없이 광축의 다른 편에 배치된 이미지 필드로 결상되도록 음(-)의 등방적 배율을 가지며, 그럼으로써 물체 필드와 이미지 필드 사이에 광학 이성질성(chirality)의 변화가 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
또, 모든 렌즈들과 적어도 하나의 오목 미러는 하나의 공통된 직선형 광축 을 공유하여도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈는 물체 평면 내에 제공된 패턴을 제 1 중간상으로 결상시키기 위한 제 1 굴절식 대물렌즈부;
상기 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상시키기 위한 제 2 반사광학식 또는 반사굴절식 대물렌즈부;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함해도 된다.
또, 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러 및 제 2 연속 미러면을 갖는 적어도 하나의 제 2 오목 미러가 상기 제 2 중간상의 상류측에 배치되어 있으며;
물체 평면과 제 1 중간상 사이, 제 1 및 제 2 중간상 사이, 및 제 2 중간상과 이미지 평면 사이에 동공면들이 형성되며;
모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되어도 된다.
또, 상기 투영 대물렌즈들의 광학소자들 사이의 빈 공간을 채우기 위해 적어도 하나의 충전 가스가 사용되며, 상기 충전 가스는 공기, 질소 및 헬륨 중에서 하나여도 된다.
또, 적어도 하나의 구면이 아닌 원뿔형 미러를 가져도 된다.
또, 다수의 렌즈들을 가지며, 상기 렌즈들 중 50% 이상은 비구면 렌즈들이어도 된다.
또한, 본 발명은 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
다수의 렌즈들 및 연속적인 미러면을 갖는 적어도 하나의 오목 미러를 포함하며, 상기 다수의 렌즈들과 적어도 하나의 오목 미러는 모든 렌즈들과 상기 적어도 하나의 오목 미러에 대해 공통인 하나의 직선형 광축을 따라 배열되고,
상기 투영 대물렌즈는 동공 암흑화를 갖지 않는 암흑화되지 않은 시스템이며;
상기 투영 대물렌즈의 이미지측 개구수를 효과적으로 정의하기 위한 개구 조리개를 위치시키기 위한 두 개의 가능한 위치가 제공되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈를 제공한다.
이러한 목적들에 대한 해결책으로서, 한 형태에 따른 본 발명은:
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함하며,
제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러와 제 2 연속 미러면을 갖는 적어도 하나의 제 2 오목 미러가 상기 제 2 중간상의 상류측에 배치되어 있으며; 동공면들이 물체 평면과 제 1 중간상 사이, 제 1 중간상과 제 2 중간상 사이, 그리고 제 2 중간상과 이미지 평면 사이에 형성되어 있으며; 모든 오목 미러들이 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치된 것을 특징으로 하는, 투영 대물렌즈의 물체 평면에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈를 제공한다.
본 발명의 상기 유형에 따른 설계에서, 광축 주위에 센터링된 원형 동공은 센터링된 광학 시스템 내에 제공될 수 있다. 제 2 중간상을 형성하는 데 기여하는 시스템 부분들 내에 두 개 또는 그 이상의 오목 미러들이 제공되는데, 상기 오목 미러들의 사용 영역은 축대칭적인 조명으로부터 크게 벗어나 있다. 양호한 실시예에서, 정확히 두 개의 오목 미러가 제공되며 이는 매우 우수한 결상 품질과 매우 높은 개구수를 얻기에 충분하다. 하나의 공통된 절곡되지 않은(직선형의) 광축을 갖는 시스템들이 제공되는데, 이는 포토리소그래피 노광 시스템으로의 적용과 통합 및 제조를 용이하게 한다. 어떠한 평판형 폴딩 미러들도 필요하지 않다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 평판형 폴딩 미러들이 보다 컴팩트한 설계를 얻기 위하여 활용될 수도 있다.
모든 오목 미러들은 동공면들로부터 "광학적으로 떨어져" 배치되는데, 이는 광학적으로 동공면 부근의 외부에 미러들이 배치되어 있다는 것을 의미한다. 상기 미러들은 동공면보다는 필드면(field surface)에 광학적으로 더 가깝게 배치될 수도 있다. 동공면으로부터 광학적으로 떨어진(즉, 광학적으로 동공면 부근의 외부에 있는) 양호한 위치는 광선 높이 비율(ray height ratio) H = hC/hM > 1 에 의해 특징지워 지는데, 여기서 hC 는 결상 공정의 주광선(chief ray)의 높이이며, hM 는 주변광선(marginal ray)의 높이이다. 주변광선 높이 hM 는 (광축에 가장 가까운) 내부 필드점(field point)으로부터 개구 조리개(aperture stop)의 가장자리까지의 주변광선의 높이이고, 주요광선 높이 hC 는 (광축으로부터 가장 먼) 최외곽 필드점으로부터 광축에 대하여 평행하거나 비스듬하게 진행하며 개구 조리개가 위치할 수도 있는 동공면 위치에서 광축과 교차하는 주요광선의 높이이다. 다르게 표현하면, 모든 오목 미러들은 주요광선 높이가 주변광선 높이를 초과하는 위치에 있다.
동공면으로부터 "광학적으로 떨어진" 위치는 동공면 내에서 또는 동공면 바로 근처에서 광빔의 단면 형태가 원형으로부터 크게 벗어나는 위치이다. 여기서 사용된 용어 "광빔"은 물체 평면으로부터 이미지 평면으로 진행하는 모든 광선의 다발을 나타낸다. 동공면으로부터 광학적으로 떨어진 미러 위치는 광빔의 진행 방향에 직교하는 상호 수직한 방향들에서의 광빔의 빔경들이 서로로부터 50% 또는 100% 이상 차이가 나는 위치로서 정의될 수 있다. 즉, 오목 미러 상에 조명된 영역은 원으로부터 크게 벗어나서 웨이퍼 스캐너용 리소그래피 투영 대물렌즈의 양호한 필드 형태에 대응하는 높은 종횡비(aspect ratio)의 직사각형에 가까운 형태를 가질 수 있다. 그러므로, 완전한 직사각형 또는 거의 직사각형에 가까운 형태를 갖는 작은 오목 미러는 한쪽 방향이 다른 쪽 방향보다 크게 작다. 따라서, 미러의 가장자리에서 비네팅을 발생시키지 않으면서 높은 개구의 광빔이 시스템을 통과하여 가이드 될 수 있다.
용어 "상류" 또는 "하류"가 본 명세서의 어디에서 사용되든, 이들 용어들은 투영 대물렌즈의 물체 평면으로부터 이미지 평면으로 진행하는 광빔의 광경로를 따른 상대적인 위치를 나타낸다. 그러므로, 제 2 중간상의 상류측 위치는 광학적으로 물체 평면과 제 2 중간상 사이의 위치이다.
본 발명의 또 다른 유형에 따르면:
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;
상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부;를 포함하며,
상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 연속 미러면을 갖는 제 1 오목 미러와 제 2 연속 미러면을 갖는 제 2 오목 미러를 포함하며, 상기 오목 미러들의 오목 미러면들은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하고;
적어도 상기 제 1 중간상은 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는, 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 상에 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈가 제공된다.
본 명세서에서, 상기 용어 "중간상"은 완전한 광학 시스템에 의해 형성되며 물체 평면에 대해서 광학적으로 공액(conjugate)인 평면에 위치하는 "근축 중간상(paraxial intermediate image)"을 일반적으로 나타낸다. 그러므로, 중간상의 위치에 대한 언급이 어디에서 있든지, 물체 평면에 대해 광학적으로 공액인 이 평면의 축상의 위치를 의미한다.
본 발명의 상술한 유형은 다음의 일반적인 고려를 기초로 보다 명료하게 이해될 수 있다.
Jan Hoogland 가 몇몇 간행물에서 지적하였듯이, 광학적 설계에 대해 요구할 수 있는 가장 어려운 요구사항은, 그것이 평평한 이미지를 가지며, 특히 완전-굴절식 설계인 것이다. 평평한 이미지를 제공한다는 것은 상반되는 굴절력의 렌즈를 요구하며, 보다 강력한 렌즈들, 보다 긴 시스템 길이, 보다 많은 시스템 유리 중량, 및 보다 강력한 렌즈 만곡으로 인한 보다 큰 고차(high-order) 이미지 수차들을 초래한다.
이와는 반대로, 만곡된 이미지를 갖는 시스템을 허용하는 것은, 낮은 렌즈 굴절력, 보다 약한 만곡, 훨씬 적은 유리 중량을 갖는 보다 컴팩트한 설계, 및 훨씬 작은 고차 이미지 수차를 자동적으로 가져온다.
Shafer 는 (비구면 없이) 단지 포지티브 렌즈들만을 이용하여 매우 우수한 성능을 갖는 만곡된 이미지를 갖는 렌즈 설계를 보였다. 전면에 있는 4개 또는 5개의 약한 포지티브 렌즈들의 그룹은 구면수차 및 코마수차의 보정을 제공할 수 있으며, 두꺼운 포지티브 액침 렌즈는 비점수차 보정을 제공할 수 있다. 이미지는 상당히 만곡되어 있다.
그러나, 평평한 이미지는 리소그래피에 필수적이다. 그러므로, 만곡된 이미지가 허용되는 경우, 최소 왜곡의 우수한 특성을 제공하는 방법이 문제가 된다.
Cooke Triplet 및 Double-Gauss 설계와 같은 몇몇 고전적인 렌즈 타입은 중간 지점에 강력한 네가티브 굴절력을 넣음으로써 평평한 이미지를 얻는다. 그러나 이는 만곡된 이미지를 갖는 경우에 대하여 위에서 열거되었던 모든 이점들을 훼손하며, 렌즈들의 굴절력은 강력하여야 하고 곡면들은 불량한 고차 수차들을 초래한다.
훨씬 나은 해결책은 고전적인 필드-평판화(field-flattened) 페츠발 렌즈 설계에 의해 제공되는데, 여기서는 강력한 네가티브 렌즈가 이미지의 바로 전면에 배치되어 있으며, 가까울수록 더욱 좋다. 그러면, 매우 끝 부분에 있는 상기 네가티브 렌즈는 상기 설계의 모든 이미지 평판화 수단을 제공하며, 상기 설계의 나머지 부분은 약한 곡면, 낮은 렌즈 굴절력, 작은 유리 부피 등을 갖는다. 또한, 수차 보정 능력이 대단히 높다. 그 이유는, 이러한 설계 형태가 1960년대의 극히 높은 해상도의 지역 정찰 렌즈에 사용되었기 때문이다.
그러나, 이미지 바로 앞에 강력한 네가티브 렌즈를 넣는 것이 텔레센트릭과는 매우 거리가 먼 사출동공 위치를 초래하기 때문에, 이러한 우수한 설계는 리소그래피에서 사용될 수 없다. 텔레센트릭한 사출동공은 리소그래피에서 항상 요구되는 것이다.
필드-평판화 페츠발 렌즈에 텔레센트릭한 사출동공이 주어질 수 있는 가능한 유일한 방법은 개구 조리개를 설계의 전면으로부터 매우 멀리 이동시키는 것인데, 이는 우수한 고차 수차 보정을 위해 요구되는 위치와는 거리가 먼 것이다. 이와는 반대로, Double-Gauss 와 같은 몇몇 다른 설계 타입들은 개구 조리개의 위치를 양호한 위치와 비교하여 너무 많이 변화시키지 않고 텔레센트릭한 사출동공을 갖도록 변형될 수 있다. 따라서, 리소그래피에서의 이러한 텔레센트릭한 사출동공 요구 때문에, 가장 우수한 설계 형태를 포기하고 훨씬 바람직하지 않은 설계 형태로 이동하도록 강제된다.
본 발명은 이러한 문제들을 고려하여 우수한 타협안을 제공한다.
이미지를 평판화하고 텔레센트릭한 사출동공을 가지며 우수한 수차 보정을 위해 가장 요구되는 위치에 개구 조리개를 가깝게 두기 위한 몇몇 방법을 찾아낼 수 있다면, 만곡된 이미지 설계의 거의 대부분의 이점들을 유지할 수 있다.
포지티브 굴절력의 렌즈에 그것이 실제로 갖는 것에 반대의 페츠발 곡률이 주어질 수 있다면 완벽할 것이다. 그것이 존재할 수 있다면, 그러한 "매직 렌즈"는 만곡된 이미지 설계의 만곡된 이미지 바로 근처에 배치될 수 있다. 그러면 이미지를 평판화할 수 있을 것이고, 더욱이 원하는 위치에 개구 조리개를 놓아두는 동시에 텔레센트릭한 사출동공을 제공하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
오목 미러는 그러한 문제에 이상적이다. 오목 미러는 포지티브 렌즈와 같이 포지티브 굴절력을 갖지만, 반대 부호의 페츠발 곡률을 갖는다. 따라서 이미지의 바로 전면에 배치된 오목 미러는 만곡된 이미지 렌즈 설계의 이미지를 평판화할 수 있으며, 텔레센트릭한 동공을 제공하는데 도움이 되도록 포지티브 굴절력을 가지며 또한 색 문제가 없다.
불행하게도, 오목 미러는 광을 그것이 지나왔던 방향으로 되돌리기 때문에, 결과적인 이미지를 완전히 접근할 수 없게 만든다. 하나의 해결책은 축에서 많이 벗어난 렌즈 시스템을 사용하는 것인데, 그러면 이미지 바로 근처에서 하나 또는 두 개의 반사를 가질 수 있으며 미러들을 "떠나서(walk-off)" 입사 광선들의 외부에 놓이는 최종 이미지를 가질 가능성이 있다. 그러나, 많은 연구는, 이것이 높은 개구수의 설계에서 비실용적이며, 또는 주 렌즈 시스템(즉, 이미지측 포커싱 렌즈 시스템)이 매우 나쁜 성능을 가질 수 있을 정도로 축에서 벗어나 사용되도록 할 수도 있음을 밝힐 것이다.
예컨대, 약 4X 의 배율을 갖는 리소그래피 설계의 다른 단부에서 상황은 훨씬 개선된다. 그러면, 낮은 개구수의 이미지가 훨씬 앞에서 미러상을 "떠나게" 될 수 있기 때문에 주요 굴절부는 축에서 벗어나서 사용되지 않아도 된다. 하나의 미러 대신에 두 개의 오목 미러를 사용함으로써, 광은 동일 방향으로 계속 진행하게 되고 이미지는 접근 가능하게 된다. 주요 렌즈 시스템이 최소한의 양만큼 축에서 벗어나서 사용되는 경우에 최고의 성능이 발생한다. 그러나 축에서 멀리 벗어난 주요 렌즈 시스템을 사용하는 것은 비네팅을 발생시키지 않으면서 광선이 오목 미러쌍을 통과하도록 하는 것을 돕는다. 그래서 이들은 양립 불가능한 목표이다.
비네팅 문제를 최소화하고 모든 개구수에 대하여 시스템 상에서 상기 문제를 둔감하게 만들기 위하여, 반사 전후의 두 광다발들이 기하학적으로 분리되고 서로 인접하여 놓이는 모든 위치들에 인접하는 낮은 개구수를 갖는 중간상을 갖는 것이 바람직하다. 그 간격은 주로 필드 크기 및 스케일에 의해 결정되며 개구수는 거의 고려되지 않는다. 이는 진정한 높은 개구수의 반사굴절식 설계에 이르는 데 중요하다.
가장 우수한 해결책은 주요 렌즈 시스템과 그 시스템의 낮은 개구수의 물체측 사이에 두 개의 미러들을 갖지 않는 것이다. 그것은 미러들에서 비네팅을 갖지 않기 위하여 주요 렌즈를 축에서 상당량 벗어나 사용하는 것을 피한다. 미러들은 물리적으로(반드시 광학적인 것은 아니고) 낮은 개구수의 물체의 어느쪽에든 있어야 한다. 그러면 주요 렌즈 시스템은 광축에 훨씬 가까이에서 사용될 수 있다. 보다 덜 바람직한 해결책은 주요 시스템과 그 시스템의 낮은 개구수의 말단 물체의 바깥쪽에서 두 개의 미러들을 갖는 것이다. 마지막으로 언급한 두 경우 중 어느 경우든, 더 이상 완성된 시스템의 끝부분이 아니기 때문에 상기 낮은 개구수의 물체를 재 결상시킬 필요가 있다.
물체를 제 1 실중간상(real intermediate image)에 재 결상시키는 동안, 제 1 릴레이 시스템의 시스템 배율은 확대 시스템이 되도록 설계될 수도 있다. 이는 중간상에서의 개구수를 점점 더 감소시키고 따라서 비네팅 문제를 완화시킨다. 비네팅은 시스템 개구수에 점점 덜 의존한다.
바람직한 설계에서, 주요 렌즈 시스템의 낮은 개구수의 물체 평면의 (다시 광학적으로가 아닌 물리적으로) 어느 쪽에서든 두 개의 오목 미러들이 존재하며 상기 시스템은 미러 비네팅 없이 가능한 축에 가깝게 사용된다. 그러면 또 다른 굴절 시스템 또는 예컨대 약 1X 또는 1.5X 의 확대로 작동하는 반사굴절식 시스템이 이러한 매립된 물체를 다른 실상(real image) 위치로 릴레이 하는데 사용된다.
물리적으로 그리고 광학적으로 낮은 개구수의 물체의 바깥쪽에서 미러들을 갖는 다른 해결책은 이들 동일한 두 개의 미러들이 재 결상을 할 가능성을 준다. 그러나 상당히 큰 작동 거리와 두꺼운 미러 기판의 요구는, 주요 시스템을 축에서 멀리 벗어나 사용하는 것을 요구하는 비네팅 문제 없이 이를 비실용적으로 만든다. 따라서, 이 다른 해결책은 1X 또는 1.5X 의 확대 굴절식 또는 반사굴절식 릴레이 시스템을 사용하는 것으로부터 이점을 얻는다.
이들 모든 경우들에서, 오목 미러들의 쌍은 하나 또는 두 개의 굴절식 시스템의 이미지를 평판화하는 데 이용된다. 그러면 상기 굴절식 시스템은 만곡된 이미지 설계인 경우에 대해 기술하였던 이점들을 가질 수 있다.
모두 오목한 단지 두 개의 반사면들을 갖는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 설계는 종래의 기술에 비하여 많은 이점들을 갖는다.
중심에서 동공의 암흑화(obscuration)를 갖는 종래의 시스템들과는 반대로, 본 발명의 여러 실시예들에 따른 설계는 작은 미러 크기를 가지며, 암흑화가 전혀 없고, 이중 또는 삼중 통과 렌즈(triple-pass lens)들이 없으며, 강력한 미러 굴절력으로 인해 시스템의 매우 효과적인 필드 평탄화를 갖는다. 다른 실시예에서는 이중 또는 삼중 통과 렌즈들이 존재할 수도 있다.
바람직하게는 두 개의 굴절식 릴레이 그룹을 갖는 본 발명에 따른 실시예들은 웨이퍼 근처의 굴절식 그룹으로부터, 즉 제 3 대물렌즈부로부터 약 3X 또는 4X 의 축소 배율을 가질 수도 있으며 (따라서 일측 단부에서 높은 개구수), 다른 굴절식 그룹(제 1 대물렌즈부)는 양측 단부에서 개구수가 낮다. 그 결과, 소망하는 수차 보정을 얻기 위해 훨씬 적은 렌즈 굴절력이 필요하며 상대적으로 적은 소자들이 필요하다.
몇몇 종래의 시스템들은 제한된 개구수 시스템인 것으로 밝혀졌다. 반면에, 본 발명에 따른 양호한 설계는 그러한 어렴움을 갖지 않으며 액침 시스템에 대해 NA=1 또는 그 이상에 가까운 매우 높은 개구수 값을 다룰 수 있다. 바람직하게는, 두 개의 중간상들은 모두 낮은 개구수 값을 가지며 그들의 가장자리에서 서로의 공간을 간섭하는 미러들을 갖는 문제가 없다.
본 발명에 따른 몇몇 유용한 설계들이 축 방향의 색을 보정하는 것이 어렵다는 점은 유의하여야 한다. 그러나 양호한 실시예들에서 렌즈들은 충분히 작고, 그들의 굴절력은 충분히 약하기 때문에, 새로운 설계의 축 방향의 색은 허용 가능한 값에 있다.
다른 종래의 리소그래피용 높은 개구수의 반사굴절식 시스템은 설계에 있어서 적어도 하나의 볼록 미러를 요구하거나 다수의 미러들을 가지며 매우 긴 트랙 길이의 설계를 주는 경향이 있다. 오목 미러 및 몇 개의 렌즈들과 함께 볼록 미러의 사용은 반사굴절식 설계의 기초일 수 있고, 비네팅을 피하기 위하여 축에서 너무 멀리 벗어나서 사용하지 않으면서 암흑화되지 않는 설계를 가능하게 할 수 있다. 이는 평면 폴딩 미러를 갖지 않는 직렬형 시스템인 몇몇 종래의 설계의 특징이다. 반사굴절식 부분은 상기 시스템의 레티클 단부에 있다. 그러한 설계에는 적어도 두 개의 문제가 있다. 하나는, 레티클 다음에 있는 제 1 중간상이 오목 미러에서 떨어져 있어야 하고, 볼록 미러를 떠나는 광선이 비네팅 없이 오목 미러의 가장자리를 떠나기 위하여 광축에 대해 상대적으로 가파른 각도를 갖는 경향이 있다는 것이다. 그리고 몇몇 필드 렌즈들 또는 필드 미러들은 이들 광선들을 수광하여 광축 및 주요 포커싱 렌즈 그룹을 향해 광선들의 방향을 다시 절곡할 것이 요구된다. 이들 필드 렌즈 또는 미러들은 광선을 수광하고 주요 포커싱 렌즈 그룹을 향해 동공을 재 결상하기 위하여 상당히 크고 굴절력이 강해야 한다. 만약 이들이 필드 렌즈들인 경우, 직경이 크고 강력한 포지티브 굴절력을 가지며 그 결과 설계에 있어서 초과적인 유리의 사용량을 초래한다. 또한, 이들은 많은 포지티브 굴절력을 가지며 시스템의 페츠발 곡률을 보정하는 것을 더욱 곤란하게 만든다. 대신에, 필드 미러들이 사용되는 경우, 직경이 상당히 커야 하고 광선들의 비네팅을 회피하기 위한 구성을 어렵게 만든다. 그러나, 이들은 필드 렌즈들과는 반대인 부호를 갖기 때문에 페츠발 보정에는 도움이 된다. 상술한 종래의 시스템의 두 번째 문제는, 시스템 내의 볼록 미러가 이미지 평판화에 도움을 주는 데 잘못된 페츠발 곡률 부호를 갖는다는 것이다. 그래서, 부하가 주요 포커싱 렌즈 그룹에 완전하게 전가되지 않도록 대부분의 오목 미러들로부터 충분히 우수한 페츠발 보정을 시스템에 제공하기 위한 여러 미러들을 갖는 방식을 찾기 위하여 4개 또는 6개이 미러 시스템들에 도달하는 경향이 있다.
반면, 본 발명의 양호한 실시예는 어떠한 볼록 미러도 갖지 않으며 암흑화 또는 비네팅 없이 광축에 매우 가깝게 작동하게 하기 위한 몇몇 특징들을 갖는다. 이는 중간상의 크기가 그리 크지 않으며 설계에 있어서 필드 렌즈들이 너무 크지 않아도 된다는 것을 의미한다. 볼록 미러가 없고 단지 두 개의 오목 미러가 있기 때문에, 새로운 설계는 종래의 다중-미러 시스템과 비교하여 매우 단순하다. 두 개의 오목 미러는 시스템 내의 렌즈들에 대한 적당한 양의 페츠발 보정을 제공할 수 있는데, 상기 시스템은 거의 대부분 포지티브이며 결과적인 설계가 상대적으로 짧은 트랙 길이, 작은 크기의 소자, 작은 유리 부피, 매우 우수한 색보정 및 매우 높은 액침 개구수 값으로 작업할 가능성을 갖는다.
본 발명에 따른 새로운 설계에 대해 다른 특히 유용한 특징이 있다. 설계의 개구수 값이 증가하더라도, 미러들의 크기에 대한 차이 또는 설계가 광축에 얼마나 가까이에서 작업할 수 있는지에 대한 차이가 거의 없다. 종래의 기술로부터의 모든 다른 직렬형 설계들은, 개구수가 증가할수록 비네팅 및 암흑화를 피하기 위하여 점점 더 멀리 축에서 벗어나 작업을 유지하여야 한다. 이는 고차의 수차를 나쁘게 하며, 성능을 떨어뜨리고, 반사굴절식 부분에서 소자의 크기를 크게 한다. 새로운 설계는 그러한 문제를 갖지 않는 매우 예외적인 경우이다.
하나의 공통적인 직선 광축을 갖는 실시예에 대한 대안은, 적어도 하나의 평판 폴딩 미러를 갖는 반사굴절식 설계에 의해 제공된다. 그러면 광경로의 일부가 광축에 대해 예컨대 90° 절곡되고, 그러면 레티클과 웨이퍼가 평행하도록 다시 복귀되고 또 다시 절곡된다. 입력 및 출력 축(즉, 광축의 물체측 및 이미지측 부분)은 어떤 실시예에서는 동축일 수 있으며, 다른 어떤 실시예에서는 측방향으로 오프셋 되어 있다.
그러한 설계들은 시스템 내에 단지 하나의 굴절력 있는 미러, 즉 하나의 오목 미러와 두 개의 평판 폴딩 미러를 가질 수 있다. 본 출원인에 의해 2003년 10월 17일자로 출원된 미국 가출원 60/511,673 호에 개시된 설계와 같은 몇몇의 설계들은 두 개의 오목 미러와 두 개의 평판 폴딩 미러를 갖는다. 이들 절곡된 설계들은 여기서 기술되고 있는 본 발명에 따른 새로운 설계의 우수한 특성들의 많은 부분을 가질 수 있다. 그러나, 이들 폴딩 미러들은 편광 문제를 발생시킬 수도 있으며, 이는 매우 매력적인 폴딩 미러가 없는 양호한 실시예를 만들게 한다.
몇몇 실시예에서, 미러간 공간 내에 배치된 자유 입사면 및 자유 출사면을 갖는 적어도 하나의 렌즈가 있는데, 여기서 중간상과 오목 미러 사이 또는 그 역의 광경로에서 적어도 두 번 상기 렌즈를 통과한다. 그러한 미러-관련 렌즈는 네가티브 굴절력을 가질 수 있으며 상기 렌즈가 할당되어 있는 오목 미러와 유사한 정도의 곡률을 갖는 메니스커스 렌즈로서 설계될 수 있다. 색보정은 이러한 방법에 긍정적으로 영향을 받을 수 있다. 렌즈는 관련 오목 미러가 위치하는 광축의 일측에서 배타적으로 배열된 트렁케이트 렌즈(truncated lens)로서 설계될 수도 있다. 미러-관련 렌즈가 광축을 교차하여 연장되는 경우, 광선은 상기 렌즈를 세 번 통과할 수 있으며, 따라서 렌즈의 양을 크게 증가시키지 않으면서 광학적 효과를 증가시킬 수 있다. 하나 또는 두 개의 오목 미러들이 미러-관련 렌즈들을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러는 필수적으로 동일한 또는 정확하게 동일한 곡률을 갖도록 설계된다. 이는, 먼저 제 1 및 제 2 오목 미러를 위한 미러 반제품(mirror blank)을 만들고 다음으로 상기 미러 반제품을 제 1 및 제 2 오목 미러로서 사용되는 두 개의 잘라낸 미러들로 분리하는 방식으로, 동일한 반제품 재료(blank material)로부터 동시에 오목 미러들을 제조하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방법으로 제조가 용이하게 될 수 있으며 비용면에서 보다 효율적으로 될 수 있다. 마찬가지로, 두 개의 유사한 미러-관련 트렁케이트 렌즈들에 사용되는 렌즈 재료는 하나의 렌즈 반제품으로부터 제조될 수 있으며, 상기 렌즈 반제품은 먼저 성형된 후 다음에 두 개의 트렁케이트 렌즈들로 분리된다. 동일하게 또는 거의 동일하게 설계되며 서로에 대해 대칭적으로 배열될 수 있는 반사굴절식 서브그룹들을 갖는 시스템이 합리적인 제조 비용으로 이러한 방법에 의해 제공될 수 있다.
어떤 실시예에서, 오목 미러의 적어도 하나의 미러면은 비구면이다. 어떤 실시예에서, 두 오목 미러의 오목면들은 비구면이다. 비구면 오목 미러들은 광학적 보정을 용이하게 하고 렌즈의 양을 감소하게 한다.
어떤 실시예에서, 중간상과 관련 오목 미러 사이에 배치된 적어도 하나의 렌즈를 갖는 것이 유용하다는 것이 발견되었는데, 상기 렌즈의 적어도 한 면은 비구면이다. 비구면 표면은 중간상과 대향하는 면일 수 있다. 필드 수차들은 이러한 방법으로 효과적으로 보정될 수 있다.
어떤 실시예에서, 두 오목 미러들은 모두 구면 미러면들을 가지며, 따라서 제조를 용이하게 하고 광학적 성능을 향상시킨다. 다음의 조건, 즉 1 < D/(│c1│+│c2│)ㆍ10-4 < 6 을 만족하는 것이 유용하다는 것이 발견되었다. 여기서, D 는 제 3 대물렌즈부의 렌즈소자의 최대 직경[mm]이고, c1 과 c2 는 오목 미러의 곡률[mm-1]이다. 상기 조건이 만족되면, 제 3 결상 시스템의 포지티브 굴절력과 투영 대물렌즈의 오목 미러로 인한 페츠발 보정 사이에 최적의 균형이 있게 된다. 상기 조건은 구면 및 비구면 오목 미러 모두에 적용된다.
오목 미러의 기본적인 형태 및 적용 가능하다면, 비구면 특징이 광학적 성능에 크게 영향을 주기 때문에, 정의된 광학적 특성을 갖는 높은 품질의 미러를 생산하기 위한 오목 미러의 제조 방법이 요구된다. 관계식 pmax < 0.22R (여기서 pmax = R - (R2-D2/4)0.5) 를 유지한다면, 상대적으로 "평평한" 오목 미러들, 즉 오목한 측에서 상대적으로 얕은 깊이를 갖는 오목 미러가 특히 높은 광학적 품질로 제조될 수 있다. 이 관계식에서, R 은 비구면 미러면의 곡률 반경이고 D 는 비구면 미러의 직경이다. 바람직하게는, 조건 D ≤ 1.3R, 또는 보다 바람직하게는, 조건 D ≤ 1.2R 이 만족된다. 파라미터 p 는 광학면(optical surface) 상의 한 점에서의 "상승 높이(rising height)" 또는 "새지타(sagitta)"를 나타낸다. 이 파라미터는 때때로 문헌에서 SAG 로 또한 표시된다. 새지타 p 는 높이 h, 즉 광축으로부터 각각의 점의 반경 방향의 거리의 함수이다.
일반적으로, 미러면의 꼭지점에서의 오목 미러들의 곡률(꼭지점 곡률(vertex curvature))를 가능한 비슷하게 만드는 것이 제조의 관점에서 유리할 수 있다. 제 1 및 제 2 미러의 꼭지점 곡률반경이 R1 및 R2로 각각 표시되는 경우, 바람직하게는 다음의 조건, 즉 0.8 < │R1/R2│ < 1.2 을 유지한다.
몇몇 실시예들은 제 1 중간상이 기하학적으로 미러간 공간 내에 위치하는 반면 제 2 중간상이 미러 공간의 외부에 배치되도록 설계된다. 그러면, 제 1 및 제 2 대물렌즈부는 반사굴절식 대물렌즈부가 될 수 있는데, 여기서 제 1 오목 미러는 제 1 중간상을 형성하는 제 1 대물렌즈부의 일부이고, 제 2 오목 미러는 제 2 대물렌즈부에 의해 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상을 형성하는 데 기여한다.
서로 대향하는 제 1 및 제 2 오목 미러들에 의해 정의된 미러 그룹은 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구를 가질 수 있는 데, 그 각각은 가장 가까운 오목 미러 다음에 광축으로 향하게 된 오목 미러의 가장자리에 가깝게 배치된다. 투영 대물렌즈의 동공면들은, 미러 그룹이 상기 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구 사이에서 동공 결상을 수행하도록, 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구의 근처에 배치될 수 있다. 그러면, 제 1 및 제 2 오목 미러는 광축의 일측에 배치될 수 있다. 필드면들이 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구의 근처에 있는 다른 실시예에서, 제 1 및 제 2 오목 미러는 광축의 반대 측에 위치할 수도 있다.
본 발명의 다른 유형에 따르면, 투영 대물렌즈는 제 1 오목 미러 및 적어도 하나의 제 2 오목 미러를 갖도록 제공되며, 여기서 상기 제 1 오목 미러는 제 1 비구면 미러면을 가지며 제 2 오목 미러는 제 2 비구면 미러면을 갖고, 제 1 및 제 2 미러면들은 본질적으로 동일한 비구면 형태를 갖는다. 비구면 형태들은 동일할 수 있다. 즉, 동일한 비구면 상수와 기본적인 구면 반경에 의해 기술될 수 있다. 본 발명의 이러한 유형은, 모든 오목 미러들이 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되는 경우, 특히 정확히 두 개의 오목 미러들이 사용되는 경우의 실시예에서 활용될 수 있다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 오목 미러들이 동공면에 또는 광학적으로 동공면 근처에 배치되는 경우에도 상기 이점들은 투영 대물렌즈에서 이용될 수 있다. 제 1 및 제 2 미러면이 본질적으로 동일한 또는 똑같은 비구면 형태를 갖는다면, 기본적인 구면 형태로부터 재료를 제거하기 위한 본질적으로 동일한 분쇄(grinding) 및 연마(polishing) 단계 또는 그 밖의 단계들을 사용하여 비구면 형태들이 제조될 수 있기 때문에, 제조가 단순화될 수 있다. 또한, 비구면 형태를 특징짓기 위해 동일한 검사 장치가 하나 이상의 오목 미러면을 검사하는 데 사용될 수 있기 때문에, 비구면 표면들을 제조하는 과정에서 활용되는 검사 공정이 비용 효율적으로 조직화될 수 있다. 이러한 점에서, "본질적으로 동일한 비구면 형태"라는 용어는 동일한 광학적 검사 장치에 의해 검사될 수 있는 비구면 표면 형태를 포괄하는 것으로 이해되어야 한다. 적용 가능하다면, 동일한 광학적 검사 장치가 사용될 수 있지만 다른 작동 거리(working distance)를 갖는 경우에는, 표면 형태들이 유사한 것일 수 있다.
한 실시예에서, 제 2 대물렌즈부는 두 개의 오목 미러들을 갖는데, 그 각각은 비구면 표면을 가지며, 제 1 및 제 2 미러면들은 본질적으로 동일한 비구면 형태를 갖는다. 한 실시예에서, 이러한 타입의 제 2 대물렌즈부는 본질적으로 동일한 비구면 형태를 갖는 비구면 미러면들을 갖는 두 개의 오목 미러들만으로 구성되는 반사광학식(catoptric) 대물렌즈부이다. 이러한 타입의 반사굴절식 제 2 대물렌즈부도 역시 가능하다.
또 다른 유형에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 오목 미러를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 제공하는 데, 여기서 상기 오목 미러의 미러면은 포물선 형태를 갖는다. 한 실시예에서, 두 개의 오목 미러들이 제공되는 데, 여기서 상기 오목 미러들 중 적어도 하나는 포물선 형태를 갖는다. 포물선형 미러(즉, 미러의 자오선이 포물선인 오목 미러)를 사용하는 것은 미러의 비구면 표면 형태를 검사하는 데 있어서 특히 유리하다는 것이 입증되었다. 포물선형 미러는 평행한 입사광을 하나의 단일한 초점으로 집광하고, 그럼으로써 포물선형 미러면에 입사하는 평행 광선들이 하나의 초점에서 구면수차 없이 집광된다. 이러한 타입의 포물선형 미러는 평면 파면(planar wave front)을 갖는 테스트 빔을 형성하도록 설계된 비교적 간단한 광학 검사 장치들을 사용하여 광학적으로 쉽게 검사될 수 있다. 간단한 구조를 갖는 광학적 검사 장치들이 사용됨으로써, 비용-효율적으로 비구면 미러의 검사를 수행할 수 있다.
투영 대물렌즈의 소망하는 기능을 얻기 위한 광학적 특성들이 필수적인 반면, 상기 광학 시스템을 제조하는데 관련된 비용에 관한 다른 요소들 및/또는 광학 시스템의 전체적인 크기 및 모양에 영향을 주는 요소들은 중요할 수도 있다. 또한, 렌즈 마운팅 및 렌즈 조작기의 결합의 측면도 고려되어야 한다. 실시예의 한 분류는, 특히 제 1 대물렌즈부에서 적은 수의 렌즈소자들을 갖는 투영 대물렌즈들이 제공된다는 점에서 이러한 면에 특히 유리하다. 한 실시예에서, 제 1 대물렌즈부는 포지티브 렌즈들만을 갖는다. 여기서 사용된 용어 "렌즈"는 실질적으로 굴절력을 갖는 광학소자들을 지칭하는 것이다. 그러한 점에서, 기본적으로 평행한 평판면들을 갖는 평판(plate)은 렌즈가 아니며, 따라서 포지티브 렌즈들에 추가하여 삽입될 수도 있다. 포지티브 렌즈들만을 사용하는 것은 상대적으로 작은 최대 렌즈 직경을 갖는 축방향으로 컴팩트한 제 1 대물렌즈부를 제공할 수 있게 한다. 한 실시예에서, 제 1 대물렌즈부는 실질적으로 굴절력을 갖는 단 여섯 개의 렌즈들을 구비한다. 하나 또는 그 이상의 비구면 표면들이 상기 제 1 대물렌즈부에 제공될 수도 있다. 비구면 렌즈면들의 적절한 비구면 형태를 사용함으로써, 컴팩트한 설계를 얻을 수 있다. 추세에 따라, 제 1 대물렌즈부는 보다 많은 비구면 표면들이 사용될수록 보다 컴팩트하게 설계될 수 있다. 양호한 실시예에서, 렌즈소자의 개수와 비구면 표면들의 개수 사이의 비율은 1.6 이하이다. 한 실시예에서, 물체 평면 바로 다음에 있는 제 1 대물렌즈부의 제 1 렌즈소자는 물체 평면과 대향하는 비구면 표면을 가지며, 상기 비구면 표면은 비구면 표면의 각 지점에서 R > 300mm 인 국소 반경 R 의 곡률을 갖는 본질적으로 평판이다. 물체측 텔레센트릭성(telecentricity) 및 왜곡과 같은 필드 수차의 효율적인 보정이 이러한 방법으로 얻어질 수 있다.
모든 네가티브 렌즈들(즉, 실질적으로 네가티브 굴절력을 갖는 렌즈들)이 동공 평면으로부터 광학적으로 떨어져 배치된다면, 굴절광학식 시스템의 컴팩트한 형태가 역시 촉진될 수 있다. 즉, 컴팩트한 형태의 관점에서 설계가 최적으로 되어야 한다면, 광학적으로 동공 평면의 부근에 있는 네가티브 렌즈들이 회피되어야 한다.
렌즈, 미러 및/또는 본질적으로 평판의 평면, 프리즘, 기타 등등과 같은 광학소자들에 제공된 비구면 표면은 광학 시스템의 전체적인 크기와 재료 소비 및 보정 상태 모두를 향상시키는 데 활용될 수 있다. 비구면 표면의 최적의 표면 형태는 이론적인 고려 및/또는 수치적인 계산으로부터 도출될 수 있다. 그러나, 어떤 광학 시스템이 제조될 수 있을지 여부는, 문제가 되는 다른 요소들 중에서 필요한 광학적 품질을 갖는 소망하는 형태로 비구면 표면이 실제로 제조될 수 있을지 여부에 의존한다. 본 발명자들의 실행 가능성에 대한 연구는, 광학 시스템, 특히 마이크로리소그래피에 적당한 고해상도 투영 대물렌즈에서 비구면 표면들의 사용을 결정하는 몇몇 필수적인 규칙을 밝혔다.
한 실시예에 따르면, 투영 대물렌즈는 비구면 표면의 광학적 사용 영역에서 변곡점(inflection point)이 없는 표면 형태를 갖는 비구면 표면을 갖는 적어도 하나의 광학소자를 구비한다. 회전 대칭인 비구면 표면에서, "변곡점"은 비구면 표면의 국소 곡률(local curvature)에 있어서 부호가 변하는 자오선 방향을 따른 점으로서 특징지워 진다. 즉, 변곡점은 기하학적으로 비구면 표면의 국소적으로 볼록한 표면 영역과 국소적으로 오목한 표면 영역 사이에서 발견된다. 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 다수의 광학소자들이 제공되는 경우, 모든 비구면 표면들이 변곡점이 없는 표면 형태를 갖는 것이 바람직하다. 타협으로서, 비구면 표면의 적어도 50% 또는 60% 또는 70% 또는 80% 또는 90% 가 변곡점이 없도록 시스템을 설계하는 것이 유용할 수 있다. 비구면 표면에서 변곡점을 피하는 것은, 변곡점을 포함하는 비구면 표면과 비교할 때, 완성된 비구면 표면의 광학적 품질을 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 변곡점이 회피된다면, 표면 준비 도구의 재료 제거 효과가 보다 균일하게 이루어질 수 있도록 한다. 즉, 변곡점을 포함하는 표면 영역에 연마 도구가 작동한다면, 상기 변곡점의 양측에서 상기 도구의 재료 제거 작용은 상당히 다를 수 있으며, 따라서 최종적인 표면의 광학적 품질에 있어서 불규칙성을 가져올 수 있다.
본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 투영 대물렌즈는 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 다수의 광학소자들을 포함하며, 여기서 모든 비구면 표면들은 광축 외부에서 극점(extremal point)이 없는 표면 형태를 갖는데, 여기서 극점은 다음의 수식에 의해 정의된다:
Figure 112011073655989-pat00006
및
Figure 112011073655989-pat00007
상기 수식에서, 파라미터 "p" 는, 앞서 주어진 비구면 표면들에 대한 수학적 기술을 나타내는 수식과 관련하여 설명된 바와 같이, (광축 상에 위치하는) 표면의 꼭지점으로부터의 높이 h 에 있는 점의, 광학소자의 광축에 평행하게 측정된, 거리를 나타낸다. 파라미터 p(h)는 또한 광학면 상의 한 점의 "새지타" 또는 "상승 높이"로서 정의된다. 이러한 고려를 기초로, "극점"은 각각 함수 p(h)의 최대값 또는 최소값이다. 본 발명자들의 연구는, 극점들의 영역에서, 마무리에 사용되는 도구의 재료 제거 작용이 극점 둘레의 영역에서 부과되는 작용과는 크게 다를 수 있고 그 결과 불균일한 광학면 품질을 가져올 수 있기 때문에, 광축(여기서 h=0) 외부에 있는 극점들은 비구면 표면들을 제조하는 동안 위험할 수도 있다는 점을 밝혔다.
이러한 조건은, (광학적으로 사용되는 반경 hopt 에 의해 정의되는) 광학적 유효 영역을 포함하지만 그 영역을 넘어 최대 높이 hmax > hopt 까지 진행하지는 않는 영역에서 만족되어야 한다. 여기서 hmax = hopt + OR 이고, OR 은 광학적으로 사용되는 영역의 주변이 연마될 때 회전 도구가 광학면과 접촉하게 될 광학적 유효 영역에 인접하는 "초과 영역(overrun area)"의 반경 방향의 폭이다. 초과 영역의 통상적인 폭은 도구의 치수에 의존하며 5mm 내지 15mm 정도일 수 있다.
비구면 표면에 있는 극점이 제조의 관점에서는 위험할 수도 있지만, 광학적 관점에서 극점은 반경 방향(자오선 방향)으로의 비구면 표면의 굴절력의 소망하는 변화를 제공하는 데 있어서 바람직할 수 있다. 타협안으로서, 적어도 하나의 극점을 갖는 비구면 표면들이 전체 사용 직경을 가로지르는 본질적으로 평판인 것이 유리하다는 점이 발견되었다. 즉, 적어도 하나의 극점을 갖는 비구면 표면의 기본적인 형태는 평면이어야 하거나 평면으로부터 단지 약간의 변형만을 가져야 한다. 이러한 관점에서, 투영 대물렌즈는 적어도 하나의 극점을 갖는 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 것이 바람직하며, 여기서 이러한 비구면 표면들은 다음의 조건을 유지한다:
│p(h)│ < pmax, 여기서 pmax = 0.5 이고, 보다 바람직하게는 pmax = 0.25 이다.
위에서 주어진 비구면 표면들에 대한 바람직한 조건들은 본 발명의 특정 실시예에서 수행된 실행 가능성 연구로부터 유도되었다. 그러나, 상기 조건들은 비구면 표면을 갖는 광학소자를 구비하는 다른 타입의 광학 시스템에서도 역시 유용할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이들 유형은 본 발명의 바람직한 실시예의 다른 특징들에 관계없이 유용하다.
본 발명의 다른 유형에 따르면, 제 1 대물렌즈부는 만곡된 미러면을 갖는 오목 미러 및 적어도 하나의 추가 미러를 포함하며, 상기 오목 미러 및 추가 미러의 만곡된 미러면은 서로 대향하고 있다. 본 실시예에서, 만곡된 미러면을 갖는 두 개의 미러는 제 1 중간상의 형성에 기여한다. 바람직하게는, 이러한 타입의 제 1 대물렌즈부는 반사굴절식이다(즉, 오목 미러와 추가 미러에 더하여 적어도 하나의 렌즈가 제공된다). 상기 오목 미러와 추가 미러는 바람직하게는, 모든 대물렌즈부가 공통된 직선형 광축을 공유하도록, 제 2 및 제 3 대물렌즈부의 광축과 일치하는 공통된 직선형 광축을 공유한다. 바람직하게는, 이러한 타입의 제 1 대물렌즈부는 확대 결상 시스템으로서 설계된다. 몇몇 실시예에서, 상기 추가 미러는 상기 대물렌즈부의 오목 미러의 효과를 적어도 부분적으로 보상하는 볼록한 미러면을 갖는 볼록 미러이다. 바람직하게는, 이러한 타입의 제 1 대물렌즈부는, 오목한 미러면들이 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하는 제 1 및 제 2 오목 미러를 포함하는 제 2 대물렌즈부와 결합된다. 이러한 실시예에서 통상적으로 제 1 중간상이 상기 미러간 공간 외부에 위치하는 반면, 제 2 중간상은 상기 미러간 공간 내에 위치할 수 있다. 두 개의 대물렌즈부(제 1 대물렌즈부 및 제 2 대물렌즈부) 내에 분포된 적어도 세 개의 오목 미러, 바람직하게는 정확하게 세 개의 오목 미러를 갖는 실시예는 모든 오목 미러들이 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 배치되도록 설계될 수 있다. 그러나, 소망하는 경우, 적어도 하나의 오목 미러, 특히 제 1 대물렌즈부에 위치하는 오목 미러가 광학적으로 동공면 부근에 위치하는 것도 역시 가능하다.
이러한 타입의 실시예에서, 유리하게는, 오목 미러에 의해 제공되는 보정 능력은 중간상에 의해 분리되는 두 개의 대물렌즈부 사이에 분포될 수 있으며, 그럼으로써 보정 작용들 사이의 우수한 균형과 보상을 얻을 수 있다. 오목 미러에 의해 뒷받침되는 어떤 보정 효과들이 광경로 내에서 두 번 존재하도록 제 1 및 제 2 대물렌즈부를 설계하는 것도 가능하다. 그러나, 주요광선(주광선)과 주변광선의 높이가 상이한 대물렌즈부의 상이한 오목 미러들에 따라 다를 수 있기 때문에, 상이한 광학적 효과들을 갖는 광학적 위치들에 보정 수단이 배치될 수도 있다. 광학소자들의 직렬형 배치(하나의 공통된 직선형 광축)에 의해 제공되는 모든 이점들이 제공될 수 있다.
상술한 그리고 그밖의 특징들은 청구범위에서 뿐만 아니라, 각각의 특징들이 본 발명 및 다른 영역에서의 실시예로서 독자적으로 또는 부조합(sub-combination)으로 사용될 수 있으며, 또한 유리한 그리고 특허 받을 수 있는 실시예들을 개별적으로 나타낼 수 있는 명세서 및 도면에서도 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 개구수 NA > 1 에서 액침 리소그래피를 허용하는 값까지 증가될 수 있는 매우 높은 이미지측 개구수의 가능성을 갖는 진공 자외선(VUV) 영역에서의 사용에 적당한 반사굴절식 투영 대물렌즈를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 상대적으로 적은 양의 광학 재료를 가지고 형성될 수 있는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 제 1 실시예의 종방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 시스템을 통과하는 내측 축외(off-axis) 빔을 나타낸다.
도 3은 도 1의 시스템을 통과하는 외측 축외 빔을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 제 2 실시예의 종방향 단면도이다.
도 5 및 6은 도 4에 도시된 실시예의 오목 미러들 상의 빔 자국을 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 7, 8 및 9는 상이한 개구수 값과 상이한 위치의 개구 조리개를 갖는 도 4의 실시예의 변형을 도시한다.
도 10 및 11은 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 제 3 실시예의 개략적인 형태와 렌즈 단면을 각각 도시한다.
도 12 및 13은 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 제 4 실시예의 개략적인 형태와 렌즈 단면을 각각 도시한다.
도 14는 미러의 기하학적 형상을 보이기 위한 제 3 실시예의 반사굴절식 대물렌즈부의 사시도이다.
도 15는 오목 미러들과 경사진 필드(도 15a) 사이에서 이중-통과 렌즈들을 갖는 다른 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 16은 도 15에 따라 구성된 한 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 17은 도 15에 도시된 원리에 따라 구성된 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 18은 오목 미러들 사이에 삼중-통과 렌즈들을 갖는 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 19는 도 18에 도시된 원리에 따라 구성된 한 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 20은 오목 미러들 중 하나에 인접한 미러-관련 렌즈를 갖는 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 21은 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 22는 유사한, 얕은 오목 미러들을 갖는 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 또 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 23은 유사한, 얕은 오목 미러들을 갖는 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 또 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 24는 오목 미러의 패인 깊이를 정의하기 위한 다이어그램을 도시한다.
도 25는 미러 그룹의 입구 및 출구에 인접한 미러간 공간 및 동공 평면들 내에서 단 하나의 중간상을 갖는 본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 또 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 26은 도 25에 도시된 실시예의 물체 평면과 제 1 중간상 사이에서의 확대 단면을 도시한다.
도 27은 반사광학식 제 2 대물렌즈부가 정확하게 동일한 비구면 형태를 갖는 두 개의 오목 미러들을 갖는, 본 발명의 한 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 28은 제 1 오목 미러가 포물선형 미러로서 설계된, 반사광학식 제 2 대물렌즈부를 갖는 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 29는 포물선형 미러를 광학적으로 검사하기 위한 검사 장치를 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 30~32는 상이한 개수의 비구면 표면들과 단지 포지티브 렌즈들만을 갖는 컴팩트한 제 1 대물렌즈부를 구비하는 투영 대물렌즈의 실시예들을 도시한다.
도 33은 변곡점을 갖는 통상적인 비구면 표면의 개략적인 다이어그램을 도시한다.
도 34는 모든 비구면 표면들에 변곡점이 없는 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 35는 극점을 갖는 비구면 표면을 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 36은 극점의 존재로 인한 문제들을 회피한 투영 대물렌즈의 한 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 37은 적은 수의 비구면 표면들을 갖는 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 38은 적은 수의 비구면 표면들을 갖는 또 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 39는 두 개의 만곡된 미러를 포함하는 반사굴절식 제 1 대물렌즈부 및 두 개의 오목 미러를 갖는 반사굴절식 제 2 대물렌즈부를 구비하는 한 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
도 40은 두 개의 만곡된 미러를 갖는 제 1 대물렌즈부 및 두 개의 오목 미러를 갖는 반사굴절식 제 2 대물렌즈부를 구비하는 다른 실시예의 렌즈 단면을 도시한다.
본 발명의 양호한 실시예에 대한 이하의 설명에서, 용어 "광축"은 관련 광학소자들의 곡률 중심을 통과하는 직선 라인 또는 직선 라인 세그먼트들의 연속을 나타낸다. 광축은 폴딩 미러(편향 미러) 또는 그 밖의 반사면들에 의해 절곡된다. 여기서 제시되는 실시예들의 경우, 관련 물체는 집적회로의 패턴 또는, 예컨대, 회절 패턴과 같은 다른 패턴을 담고 있는 마스크(레티클)이다. 여기서 제시된 실시예에서, 물체의 이미지는 포토레지스트의 층으로 코팅된 기판(액정 디스플레이의 구성요소와 같은 다른 타입의 기판 또는 광학 격자용 기판들도 역시 가능하지만)으로서 역할을 하는 웨이퍼 위로 투영된다.
도면에 도시된 설계의 상세한 내용을 개시하기 위한 표들이 제공되며, 상기 표들은 대응하는 도면들과 동일한 번호로 표기된다.
도 1은 ca. 193nm 의 UV 작업 파장용으로 설계된 본 발명에 따른 반사굴절식 투영 렌즈(100)의 제 1 실시예를 도시한다. 상기 렌즈는, 정확히 두 개의 실중간상(real intermediate image)(103,104)을 형성하면서, 물체 평면(object plane)(101) 내에 배치된 레티클 상의 패턴의 이미지를 축소된 스케일로, 예컨대 4:1 로, 이미지 평면(image plane)(102)에 투영시키도록 설계되었다. 제 1 굴절식 대물렌즈부(110)는 물체 평면 내의 패턴을 확대된 스케일로 제 1 중간상(103)으로 결상시키도록 설계되며, 제 2 반사굴절식 대물렌즈부(120)는 상기 제 1 중간상(103)을 1:1 에 가까운 배율로 제 2 중간상(104)으로 결상하며, 제 3 굴절식 대물렌즈부(130)는 상기 제 2 중간상(104)을 강력한 축소 비율로 이미지 평면(102)에 결상시킨다. 제 2 대물렌즈부(120)는 물체측과 대향하는 오목한 미러면을 갖는 제 1 오목 미러(121) 및 이미지측과 대향하는 오목한 미러면을 갖는 제 2 오목 미러(122)를 포함한다. 상기 미러면들은 모두 연속적이며 중단되지 않았다. 즉, 상기 미러면들은 홀(hole)이나 보어(bore)를 갖지 않는다. 서로 대향하는 미러면들은, 오목 미러들에 의해 정의된 만곡된 표면들로 둘러싸이는 미러간 공간(intermirror space)(125)으로 불리는 반사굴절 공동(catadioptric cavity)(125)을 형성한다. 중간상(103,104)들은 모두 상기 반사굴절 공동(125) 내부에 위치하며, 적어도 근축(paraxial) 중간상들은 미러면들로부터 충분히 떨어진 상기 공동의 거의 중간 지점에 있다.
오목 미러의 각각의 미러면은 물리적인 미러면의 가장자리를 넘어 연장되며 미러면을 포함하는 수학적인 표면인 "곡률면" 또는 "곡률의 표면"을 정의한다. 제 1 및 제 2 오목 미러는 공통된 회전 대칭축을 갖는 회전 대칭인 곡률면의 일부이다.
광학 시스템을 통과하는 빔 경로를 보다 명확하게 하기 위해, 도 2 및 도 3은 축에서 벗어난 물체 필드로부터 시작하는 두 개의 구별되는 빔다발을 도시한다. 도 2에서 빔다발은 광축에 가장 가까운 물체점(object point)으로부터 시작하는 반면, 도 3에서 광다발은 광축에서 가장 먼 물체점으로부터 시작한다. 오목 미러들 사이의 거의 중간 지점에 있는 중간상들의 위치는 본 도면에서 명확하게 알 수 있다. 도 2에서, 미러들 사이에서 교차하는 광빔들의 교차점들의 위치는 근축 중간상들의 위치에 가깝다. 반면, 도 3에서, 미러들 사이에서 교차하는 광빔들의 교차점들의 위치 또는 지역은 근축 중간상의 위치로부터 보다 더 오프셋 되어 있다.
상기 시스템(100)은 회전 대칭이며 모든 굴절 및 반사 광학요소들에 대해 공통되는 하나의 직선형 광축을 가진다. 어떠한 폴딩 미러(folding mirror)도 없다. 오목 미러들은 상기 오목 미러들을 서로 가까이 가져올 수 있도록 작은 직경을 가지며 그들 사이에 놓이는 중간상에 보다 가깝다. 오목 미러들은 모두 축방향으로 대칭인 표면들의 축에서 벗어난 일부분으로서 구성되며 조명된다. 광빔은 광축을 향하는 오목 미러의 가장자리 옆을 비네팅 없이 통과한다(예컨대, 도 4 또는 도 7-9 를 비교).
오목 미러에서 최대 광빔 높이는 제 3 대물렌즈부 내에서의 최대 광빔 높이와 거의 동일하다. 바람직하게는, 오목 미러에서의 최대 광빔 높이는 제 3 대물렌즈부 내에서의 최대 광빔 높이의 1.5배 이하 또는 1.2배 이하이다. 이는, 투영 대물렌즈 내의 모든 광빔이, 상기 제 3 대물렌즈부의 광축 둘레의 실린더로서 정의되며, 물체 평면으로부터 이미지 평면으로 연장되고 상기 제 3 대물렌즈부 내의 최대 빔 높이의 1.5배, 바람직하게는 1.2배의 최대 반경을 갖는 공간 내에 위치하도록 하는 구성을 가능하게 한다.
상기 시스템은 우수한 측방향(lateral) 색 보정을 갖는 반면, 축방향(axial) 색은 거의 보정되지 않는다. 본 실시예에서, 오목 미러들은 모두 만진 미러(Mangin mirror)로서 설계된다. 각각의 만진 미러는 미러화된 볼록한 표면을 갖는 네가티브 메니스커스 렌즈로 구성된다. 미러의 부족보정된(undercorrected) 구면 수차는 네가티브 렌즈의 과보정된(overcorrected) 구면 수차에 의해 상쇄된다. 오목 미러들은 모두 매우 약한 굴절력을 가진다. 상기 오목 미러들은 또한 간단한 미러로서 설계될 수도 있다(도 4 비교). 만약 미러들이 (메니스커스 렌즈가 없는) 간단한 미러라면, 투명 광학 재료의 양이 줄겠지만 미러를 잘라낼 필요가 있을 수도 있다.
상기 투영 대물렌즈는 액침 렌즈(immersion lens)로서 설계된다. 보정 상태는 1.1 의 개구수에서 26ㆍ5.0㎟ 의 필드에 걸쳐서 약 9 milliwaves 이다. 1.0 mm 보다 큰 최적의 구로부터의 이탈(변형)을 갖는 어떠한 비구면 표면도 필요하지 않다. 최대 소자들의 220mm 의 최대 직경은 낮은 렌즈 재료 소비에 대한 가능성을 보여준다. 상기 설계는 1160mm 의 트랙 길이(물체 평면과 이미지 평면 사이의 축상의 거리)와 작은 유리 사용량을 가진다. 이미지 평면 옆의 마지막 렌즈는 액침을 위해 불화칼슘으로 제조된다.
이러한 새로운 설계는 매우 우수한 측방향 색 보정을 갖지만, 축방향 색 보정은 갖지 않는다. 그러나 작은 렌즈 크기는 동일한 개구수의 완전 굴절식 설계 보다 작은 축방향 색을 준다. 동공 수차는 잘 보정되며, 주광선들은 양측 단부에서 거의 정확하게 텔레센트릭 하다.
단지 두 개의 반사 및 작은 유리 사용량을 갖는 설계는 암흑화(obscuration)와 관련된 문제를 갖지 않으며, 따라서 미러들은 - 그리 크지 않은 - 양호한 크기일 수 있고 이들의 강력한 굴절력은 시스템의 거의 모든 페츠발 보정을 제공한다. 본 실시예에서, 두 개의 중간상은 반사굴절 공동의 거의 정확한 중간 지점에 있다.
여기서 도시되지 않은 변형예는 본 출원인에 의해 2003년 10월 17일자로 출원된 미국 가출원 제 60/511,673 호에 개시된 것과 매우 유사한 제 1 굴절식 대물렌즈부 및 제 3 굴절식 대물렌즈부를 갖는다. 이에 해당하는 상세한 내용은 참고로서 통합된다.
이러한 기본적인 설계는, 특히 만진 미러에서 유리가 제거된다면, 광학적 재료의 더욱 적은 사용량을 얻을 가능성을 갖는다(도 4 비교).
도 4에는, 제 2 실시예가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것과 구조 및/또는 기능이 동일하거나 유사한 특징부 또는 특징부 그룹은 100 만큼 증가한 유사한 번호로 표시된다.
투영 대물렌즈(200)는, 대물렌즈의 출사면과 이미지 평면 사이에서 매우 높은 굴절률의 액침 유체, 예컨대 순수한 물과 함께 사용될 때 NA = 1.20 의 이미지측 개구수를 갖는 λ = 193nm 용 액침 렌즈로서 설계된다. 필드 크기는 26ㆍ5.0㎟ 이다. 본 설계에 대한 상세한 내용은 표 4에 요약되어 있다. 가장 좌측의 행은 굴절, 반사 또는 다른 표면의 번호를 나타내며, 두 번째 행은 그 표면의 곡률 반경 r [mm]을 나타내며, 세 번째 행은 그 표면과 다음 표면 사이의 거리 d[mm], 즉 광학소자의 "두께"로 기재되어 있는 파라미터를 나타내고, 네 번째 행은 그 광학소자를 제조하기 위해 사용된 재료를 나타내며, 다섯 번째 행은 그 제조를 위해 사용된 재료의 굴절률을 나타낸다. 여섯 번째 행은 광학소자의 광학적으로 유효하고 깨끗한 반지름[mm]을 나타낸다. 표에서 곡률 반경 r = 0 은 (무한대의 곡률 반경을 갖는) 평탄한 표면을 나타낸다.
본 특정 실시예의 경우에서, 12개의 표면들, 즉 표 4에서 표면(2, 3, 8, 12, 15, 16, 17, 19, 22, 30, 33 및 35)은 비구면 표면이다. 표 4A는 이들 비구면 표면들에 관한 관련된 데이터를 열거하고 있는데, 여기서 높이 h 의 함수로서 표면들의 특징들인 새지타 또는 상승 높이 p(h)는 다음의 수식을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure 112011073655989-pat00008
여기서, 곡률반경의 역수 (1/r)는 표면 꼭지점에서 표면의 곡률이며, h 는 광축으로부터 표면 상의 점의 거리이다. 새지타 또는 상승 높이 p(h)는 z-축, 즉 광축을 따라 측정된, 표면의 꼭지점으로부터의 표면 상의 점의 거리를 나타낸다. 상수 K, C1, C2 등은 표 4A에 열거되어 있다.
대물렌즈가 17개의 렌즈를 갖기 때문에, 렌즈들의 50% 이상 또는 60% 이상이 비구면 렌즈들이다.
도 1의 실시예와 마찬가지로, 모든 광학소자들에 대해 공통인 직선형의 절곡되지 않은 광축을 유지하도록 폴딩 미러가 존재하지 않는다. 제 1 실시예와는 반대로, 서로 대향하는 두 개의 오목 미러(221,222)들은 만진-미러 대신에 간단한 미러들인데, 이는 시스템의 전체적인 질량을 감소하게 한다. 반사광학식(순수 반사식) 그룹(220)을 통과하는 광의 경로를 보이기 위해, 도 5 및 도 6은 오목 미러 상에서의 빔의 "자국(footprint)"을 도시한다. 도 5에는 제 1 오목 미러(221)의 위치에서의 자국이 도시되어 있다. 타원형 라인들의 아래쪽 그룹은 제 1 오목 미러(221)에서 반사된 빔들을 나타내며, 타원형 라인들의 위쪽 그룹은 제 2 오목 미러(222)로부터 와서 제 2 굴절부(230)로 향하는 빔을 나타낸다. 도 6에는 제 2 오목 미러(222)의 위치에서의 자국이 도시되어 있다. 아래쪽 부분은 제 1 굴절부(210)로부터 제 1 오목 미러(221)로 진행하는 빔을 나타내는 반면, 위쪽 타원형 라인들은 제 2 오목 미러(222)에서 반사되어 이미지 평면으로 진행하는 빔을 나타낸다. 미러에서 사용된 영역은, 탑재되기 쉬운, 예컨대 직사각형 형상의 미러로서 상기 미러들이 제조될 수 있도록, 간단한 연속적인 형태들을 가진다는 것을 알 수 있다.
오목 미러에서의 전체적인 빔의 단면 형태가 동공 위치에서 발견되는 원형의 형상과 크게 벗어나 있는 것이 특징이다. 상호 수직한 방향으로의 빔의 직경은 본 실시예에서 약 1:3의 비율을 갖는데, 주사 방향 y 로의 직경은 횡 주사 방향 x 로의 직경의 50% 또는 30% 이하이다. 빔 형상은 직사각형의 필드 형태와 닮았는데, 이는 오목 미러가 동공면보다는 필드면에 더 가깝다는 것, 즉 오목 미러가 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 위치한다는 것을 나타낸다. 따라서, 작고 좁은 미러가 오목 미러로서 사용될 수 있다. 이는, 심지어 개구수가 높은 경우에도 비네팅 없이 일측에서 오목 미러를 통과한 광속(light flux)을 가이드할 수 있게 한다.
일반적으로, 본 발명에 따른 실시예에서, 오목 미러의 크기는, 상기 미러 크기를 지나치게 증가시키지 않으면서, 예컨대, NA > 1.3 또는 NA > 1.4 의 매우 높은 개구수의 값을 얻을 수 있도록, 개구수와 직접적으로 연관되지는 않는다.
도 7 내지 도 9에는, 제 2 실시예의 몇몇 유리한 변형이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 것과 구조 및/또는 기능에 있어서 동일하거나 유사한 특징들 및 특징 그룹들은 유사한 번호로 표시되어 있다. 모든 변형들은, 대물렌즈의 출사면과 이미지 평면 사이에서 높은 굴절률의 액침 유체, 예컨대 순수한 물과 함께 사용될 때, NA ≥ 1 의 이미지측 개구수를 갖는 λ = 193nm 용 액침 렌즈로서 설계되었다. 필드 크기는 26mmㆍ5.0mm 이다. 상세한 내용은 도 7에 대해서는 표 7 및 표 7A에 주어져 있으며, 도 8 및 도 9에 대해서는 표 8 및 표 8A에 주어져 있다. 도 8 및 도 9의 설계는 동일하며, 개구 조리개(A)의 위치에 있어서만 차이가 있다.
도 7의 변형(NA = 1.1)은 도 4의 실시예에서 보다 오목 미러의 사용 영역이 더 작다는 사실을 특징으로 한다. 결과적으로, 직사각형 형상의 오목 미러들의 크기는 더욱 감소될 수 있다.
도 8의 변형(NA = 1.15)은, 개구 조리개(A)가 최대 빔 직경 영역 내의 제 3 순수 굴절부(230)에 위치한다는 사실을 특징으로 한다. 반면에, 밀접하게 관련된 도 9의 변형(NA = 1.15)에서는, 개구 조리개(A)가 제 1 굴절식 대물렌즈부(210)에 위치한다. 이는, 상기 설계들이 개구 조리개가 위치할 수 있는 영역에 관한 유연성을 제공한다는 것을 보여준다.
상술된 실시예들은 모든 광학소자들에 공통된 직선형의 절곡되지 않은 광축을 특징으로 한다. 그러한 설계의 잠재적인 문제점은, 오목 미러용으로 제공되는 마운트가 긴 트랙 길이를 가져올 수도 있고 빔경로와 간섭할 수도 있다는 것이다. 이하에서는, 컴팩트한 설계를 얻기 위한 대안으로서 적어도 하나의 평면 폴딩 미러를 포함하는 실시예들이 도시된다.
도 10에는 제 3 실시예가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것과 구조 및/또는 기능에 있어서 동일하거나 유사한 특징들 및 특징 그룹들은 200만큼 증가한 유사한 번호로 표시되어 있다. 도 11은 도 10에 도시된 기초 하에 설계된 실시예의 종방향 단면을 나타낸다.
도 10의 반사굴절식 투영 대물렌즈(300)의 실시예는, 제 1 중간상(303)을 형성하기 위한 제 1 굴절식 대물렌즈부(310), 상기 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상(304)을 형성하기 위한 제 2 반사광학식 대물렌즈부(320) 및 상기 제 2 중간상을 이미지 평면(302)으로 재결상하기 위한 제 3 굴절식 대물렌즈부(330)를 포함한다는 점에서 앞서 언급된 실시예들의 일부와 유사하다. 제 2 대물렌즈부는, 그것이 반사굴절식 대물렌즈부가 될 수 있도록 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수도 있다.
앞서 도시된 실시예들과는 반대로, 제 2 대물렌즈부(320)는 네 개의 반사면들, 즉 두 개의 평면 폴딩 미러(306,307)와 서로 대향하는 두 개의 오목 미러(321,322)를 포함한다. 이들 미러들의 오목한 미러면은, 폴딩 미러와 중간상들이 내부에 위치하는 반사광학식 공동(catoptric cavity)(325)을 형성한다.
제 1 중간상(303)에 바로 인접하여 위치하는 제 1 폴딩 미러(306)는 물체 평면으로부터의 방사광을 제 1 오목 미러(321)로 반사하도록 배치되며, 상기 제 1 오목 미러는 광을 직접, 즉 중간상 없이 제 2 오목 미러(322)로 반사한다. 제 2 오목 미러로부터 반사된 광은, 광을 물체 평면으로 반사하는 제 2 폴딩 미러(307)에 입사하며, 그럼으로써 제 2 폴딩 미러에 바로 인접하는 제 2 중간상이 형성된다. 이러한 구조에서, 오목 미러와 상기 오목 미러의 마운트는 물체 평면과 이미지 평면 사이를 진행하는 중심의 주요 부분의 바깥쪽으로 위치한다. 상기 오목 미러들은, 본 실시예에서 측방향으로 오프셋되어 있는 광축의 물체측 부분(305")과 이미지측 부분(305"')에 완전히 또는 거의 수직한 공통된 광축(305')을 갖는다. 광축에 대한 상기 폴딩 미러의 경사각은 45°이거나 그로부터 어느 정도, 예컨대, 5 또는 10°까지 벗어날 수도 있다. 그러므로, 오목 미러의 공통된 광축과 광축의 물체측 및 이미지측 부분 사이에 70°와 110° 사이의 경사각이 발생할 수 있다.
기하학적으로는 중간상이 오목 미러들 사이에 위치하지만, 광학적으로는 중간상이 오목 미러들 사이에 있지 않다는 점에 유의하여야 한다. 이러한 구성은 오목 미러 상에서 작은 스폿(spot)의 직경을 허용하는 데, 이는 기하학적 광 가이드 값(에텐듀(etendue))을 감소시키는 이점이 있다. 동공 평면(309)은 두 오목 미러들로부터 멀리, 주광선(308)이 상기 오목 미러들에 의해 정의된 광축(305')을 가로지르는 위치에 놓여 있다. 개구 조리개는 여기에 위치할 수 있다. 반경 방향을 따라 광축으로부터 미러의 가장자리까지 감소하는 곡률을 갖는 비구면 반사면을 상기 오목 미러들 중 적어도 하나가 갖는다면 유리할 수 있다.
축에서 벗어난 물체 필드를 제 1 중간상으로 변환하는 순수 굴절식 제 1 대물렌즈부(310)는 포지티브 굴절력을 갖는 제 1 렌즈 그룹(LG11)과 포지티브 굴절력을 갖는 제 2 렌즈 그룹(LG12)을 구비한다. 개구 조리개는 주광선(308)이 광축을 교차하는 이들 렌즈 그룹들 사이에 제공될 수 있다. 반사광학식 대물렌즈부(320)는 상기 제 1 중간상을 제 2 중간상으로 결상하며 오목 미러들 사이에 동공 평면을 갖는다. 순수 굴절식 제 3 대물렌즈부(330)는 포지티브 굴절력을 갖는 제 1 렌즈 그룹(LG31)과 포지티브 굴절력을 갖는 제 2 렌즈 그룹(LG32)을 구비한다. 개구 조리개의 위치는 LG31과 LG32 사이에 놓인다.
도 12는 두 개의 오목 미러(421,422)와 두 개의 중간상(403,404)을 갖는 다른 투영 대물렌즈(400)의 개략적인 형태를 도시한다. 도 10에 도시된 것과 구조 및/또는 기능에 있어서 동일하거나 유사한 특징들 및 특징 그룹들은 100만큼 증가한 유사한 번호로 표시되어 있다. 도 13은 도 12에 도시된 기초 하에 설계된 실시예의 종방향 단면을 나타낸다.
도 10 및 도 11에 도시된 실시예와는 반대로, 오목 미러(421,422)들은 공통된 직선형 광축을 공유하지 않는다. 대신에, 오목 미러(421)의 광축은 물체 평면과 이미지 평면 사이의 광축(405)에 해당한다. 오목 미러(422)의 광축은 광축(405)에 거의 수직이다. 미러 마운트를 위한 구조 공간은, 바람직하게는, 물체 평면과 이미지 평면을 연결하는 광축의 바깥에 놓여 있다. 광축의 물체측과 이미지측 부분이 동축임을 유의한다. 오목 미러들이 모두 광축(405)의 일측으로 놓여 있기 때문에, 제 1 및 제 2 폴딩 미러는 오목 미러들과 대향하는 미러면을 갖는 하나의 단일한 평면 미러(406)로서 설계될 수 있으며, 광이 두번 통과하도록 사용될 수 있다. 또한, 두 개의 분리된 오목 미러(421,422)는 두번 사용되는 하나의 단일한 오목 미러를 형성하도록 결합될 수도 있다.
도 14는 미러의 기하학적 형상을 보이기 위한 제 3 실시예의 반사광학식 대물렌즈부의 사시도를 도시한다. 조명되는 영역이 간단한 형태이고 연속적이기 때문에, 폴딩 미러와 오목 미러들이 기하학적으로 간단한 형태를 가질 수 있음을 알 수 있다. 본 실시예에서 오목 미러와 폴딩 미러들은 설치가 쉬운 직사각형의 형태를 갖는다.
도 15는 광학적 성능을 향상시키는 특징과 제조를 용이하게 하는 특징을 갖는 투영 대물렌즈(500)의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 16은 도 15에 도시된 원리에 따라 설계된 투영 대물렌즈의 렌즈 단면을 도시한다. 본 실시예의 상세한 사항은 표 16 및 16A에서 설명된다. 도 1에 도시된 것과 구조 및/또는 기능에 있어서 동일하거나 유사한 특징들 및 특징 그룹들은 400만큼 증가한 유사한 번호로 표시되어 있다.
제 1 중간상(503)을 제 2 중간상(504)으로 결상시키는 역할을 하는 제 2 대물렌즈부(520)는 제 1 오목 미러(521) 및 광학적으로 상기 제 1 오목 미러(521)의 상류측에 있는 제 2 오목 미러(522)를 포함한다. 제 1 및 제 2 오목 미러의 곡률면은 투영 대물렌즈의 모든 광학소자들에 의해 공유되는 광축을 갖는 회전 대칭인 동축의 공통 축을 갖는다. 제 1 및 제 2 오목 미러에서 사용되는 중단이 없는 미러면들은 광축(505)의 양편에 있다. 제 1 미러-관련 렌즈(551)는, 제 1 중간상과 제 1 오목 미러 사이의 광경로에서 그리고 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 광경로에서 두 번 통과되도록, 광학적으로 제 1 중간상(503)과 제 1 오목 미러(521) 사이에서 상기 제 1 오목 미러의 바로 전면에 배치된다. 제 2 오목 미러와 이미지 평면 사이의 광경로에 영향을 주는 것을 피하기 위하여, 상기 제 1 미러-관련 렌즈(551)는 광축 바깥에 배치된 트렁케이트 렌즈(truncated lens)로서 설계된다. 제 2 미러-관련 렌즈(552)는, 제 1 및 제 2 오목 미러 사이의 광경로에서 그리고 제 2 오목 미러와 이미지 평면(502) 사이의 광경로에서 두 번 사용되도록, 제 2 오목 미러(522)의 바로 전면에 배치된다. 상기 렌즈(552)는 물체 평면(501)과 제 1 오목 미러(521) 사이의 광경로로 연장되지 않도록 잘려져 있다. 제 1 및 제 2 미러-관련 렌즈(551,552)는 모두 자유 입사면과 출사면을 갖는 독립적인 렌즈(free-standing lens)이다. 특히, 각각의 오목면들과 대향하는 렌즈면들은 오목 미러의 곡률과 다른 곡률을 가지며, 이는 만진 미러를 갖는 실시예와 비교할 때 추가적인 자유도를 준다(도 1과 비교). 모든 미러-관련 렌즈(551,552)들은 관련된 오목 미러의 곡률과 유사한 곡률의 의미를 갖는, 즉 관련된 오목 미러의 오목한 미러면에 대향하는 볼록한 표면을 갖는 네가티브 메니스커스 렌즈로서 설계된다. 오목 미러의 바로 전면에 배치된 네가티브 굴절력은 색길이 수차(chromatic length aberration; CHL)의 보정을 향상시키는 역할을 한다. 제 2 대물렌즈부의 광학적으로 기능하는 모든 표면은 구면인데, 이는 제조를 크게 용이하게 하고 광학적 성능을 향상시킨다. 비구면 표면, 특히 비구면 미러면을 갖는 실시예와 비교할 때 특히 미광(stray light)이 감소될 수 있다.
교차 주사 방향(x-방향)으로의 폭 a 및 주사 방향(y-방향)으로의 보다 작은 폭 b 를 갖는 높은 종횡비의 직사각형 형상을 가지며 광축으로부터 거리 c 만큼 벗어나 배치되어 있는 필드가 도 15a에 도시되어 있다. 액침 대물렌즈는, 193nm 에서 액침 매질로서 순수한 물과 함께 사용될 때 NA = 1.2 의 이미지측 개구수를 갖는다. 상기 시스템은 물체측 및 이미지측에서 텔레센트릭 하며, 본질적으로 필드 영역 수차가 없다.
도 17에는, 도 15와 관련하여 설명된 원리에 따른 시스템의 변형예의 렌즈 단면이 도시되어 있다. NA = 1.2 를 갖는 193nm 액침 렌즈에 대한 상세한 내용이 표 17 및 17A에 주어져 있다. 도 1에 도시된 것과 구조 및/또는 기능에 있어서 동일하거나 유사한 특징들 및 특징 그룹들은 500만큼 증가한 유사한 번호로 표시되어 있다. 제 2 대물렌즈부(620)는, 구면 오목 미러(621,622)의 바로 앞에 있으며 각각의 오목 미러로/오목 미러로부터의 광경로에서 두 번 사용되는 비구면 네가티브 메니스커스 렌즈(651,652)를 갖는다. 간편함을 위하여, 오목 미러(621,622)와 각각의 오목 미러의 바로 앞에 있는 관련된 렌즈(651,652)로 구성되는 광학소자들의 각각의 그룹을 "반사굴절식 서브그룹"으로 부른다. 도 17의 실시예에서, 반사굴절식 서브그룹(621,651)과 반사굴절식 서브그룹(622,652)은 동일하게 설계되며 서로에 대해 대칭적으로 배치된다. 특히, 대칭적으로 관련된 오목 미러들 뿐만 아니라, 대칭적으로 관련된 렌즈들의 광학면들의 곡률반경, 광학면들의 축방향 거리 또는 두께 및 광학면들의 직경도 동일하다. 이는, 렌즈(651,652) 및 미러(621,622)들이 각각 동일한 반제품 재료(blank material)로부터 동시에 제조될 수 있도록 한다. 그러므로, 도 17에 예시적으로 도시된 타입의 배치는 재료의 비용 및 제 2 반사굴절식 대물렌즈부에서 사용되는 광학소자의 제조 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
트렁케이트 미러(truncated mirror)로서 설계된 제 1 오목 미러 및 제 2 오목 미러를 구비하는 투영 렌즈의 반사굴절식 또는 반사광학식 대물렌즈부를 위한 광학소자들을 제조하는 상응하는 방법에서, 먼저 제 1 및 제 2 오목 미러를 위한 미러 반제품(mirror blank)이 미러면의 소망하는 오목한 형태를 얻도록 제조되고, 다음으로 상기 성형된 미러 반제품이 제 1 및 제 2 오목 미러로서 사용될 두 개의 트렁케이트 미러로 분리되는 방식으로, 상기 제 1 및 제 2 미러들이 제조된다. 상기 미러 반제품은 표면을 준비한 후에 두 부분으로 절단되는 단일한 하나의 조각일 수 있다. 상기 미러면을 성형하기 전에, 예컨대 린징법(wringing) 또는 시멘팅법(cementing)에 의해 두 개의 분리된 반제품 부분을 함께 접합하는 것도 가능하다. 이는 표면을 준비한 후에 분리를 용이하게 한다. 미러 기판 부분들의 분리 이전에 또는 그 이후에 상기 미러 기판의 코팅이 수행될 수도 있다. 미러-관련 렌즈들은 이와 대응하여 제조될 수 있다.
도 16에 도시된 실시예와의 추가적인 차이점은 각각의 오목 미러들에 가까운 렌즈(651,652)들의 표면들 중 적어도 하나는 비구면 형태를 갖는다는 것이다. 본 실시예에서, 렌즈(651,652)들의 각각의 오목한 렌즈면은 비구면이다. 본 시스템의 필드면들인 각각의 중간상들에 가깝게 배치된 비구면 표면들은, 물체 결상에서의 왜곡 또는 동공 결상의 구면 수차와 같은 필드 의존성 수차들에 대한 강력한 작용들이 영향 받을 수 있도록 설계될 수 있다. 일반적으로, 중간상과 상기 중간상의 광학적으로 근처(상기 중간상의 상류측 또는 하류측)에 있는 관련된 오목 미러 사이에 배치된 렌즈를 적어도 하나 구비하는 것은 유용할 수 있는 데, 여기서, 상기 중간상과 오목 미러 사이에 배치된 렌즈의 적어도 하나의 표면은 비구면이다. 특히, 중간상과 대향하는 렌즈면이 비구면일 수 있다.
대안적인 실시예에서, 도 16 및 도 17의 실시예에 있는 트렁케이트 렌즈들인 미러 관련 렌즈들이, 세 번 통과될 수 있도록 광축을 가로질러 연장되는 완전한 메니스커스 형태의 네가티브 렌즈들로서 설계된다. 특히, (제 2 오목 미러(622)와 관련된) 렌즈(652)는, 물체 평면으로부터 입사하는 광이 제 1 중간상(603)을 형성하기 전에 상기 렌즈를 통과하고, 그런 후 광축의 다른 편에서 제 1 및 제 2 오목 미러 사이의 광경로 그리고 제 2 오목 미러와 이미지 평면 사이의 광경로에서 상기 렌즈를 통과하도록, 광축(605)을 가로질러 연장될 수 있다. 마찬가지로, 제 1 오목 미러(621)와 관련된 렌즈(651)는, 상기 제 1 오목 미러로의/미러로부터의 광경로에서 두 번 사용되고 제 2 중간상(604)과 이미지 평면 사이의 광경로에서 세번 째로 사용되도록, 광축을 가로질러 연장될 수 있다. 본 실시예에서는, 중간상의 상류측 및 하류측에서 세 번 통과되는 두 개의 비구면 표면들이 제공되는 데, 이는 광학적 보정을 용이하게 한다. 또한, 트렁케이트 렌즈의 설치와 비교할 때 렌즈의 설치가 향상된다(도 18 및 도 19와 비교).
도 18에는, 투과에 있어서 세 번 사용되는 두 개의 렌즈들을 구비하는 투영 대물렌즈(700)가 개략적으로 도시되어 있다. 도 19는 표 19 및 19A에 상세한 사항이 주어진 이러한 타입의 실시예를 도시한다. 도 15 내지 17과 관련하여 상세하게 설명된 특징들과 유사하거나 동일한 특징들은 각각 100 또는 200 만큼 증가된 유사한 참조번호로 표시되어 있다.
반사굴절식 제 2 대물렌즈부(720)는 제 1 중간상(703)을 제 2 중간상(704)으로 결상시키는 역할을 한다. 제 1 미러 관련 렌즈(751)는 광학적으로 제 1 중간상(703)과 제 1 오목 미러(721) 사이에 배치되어 있는 반면, 제 2 미러 관련 렌즈(752)는, 광축(705)을 중심으로 맞은 편에서, 광학적으로 제 2 오목 미러(722)와 제 2 중간상(704) 사이에 배치되어 있다. 두 개의 미러 관련 렌즈(751,752)들은 모두 광축을 가로질러 각각의 오목 미러(721,722)를 통과하는 광의 빔경로 내로 연장된다. 특히, 제 2 미러 관련 렌즈(752)는 물체 평면(701)과 제 1 오목 미러(721) 사이의 빔경로로 연장되는 반면, 제 1 미러 관련 렌즈(751)는 제 2 오목 미러(722)와 이미지 평면 사이의 빔경로로 연장된다. 그러므로, 미러 관련 렌즈(751,752)의 각각은 광학적으로 세번 사용되며, 그럼으로써 렌즈의 광학적 효과가 최대화될 수 있고, 동시에 광학 재료의 소비가 최소화될 수 있다. 또한, 트렁케이트 렌즈의 설치와 비교하여 렌즈(751,752)의 설치가 용이하게 된다.
상기 삼중 통과 렌즈(751,752)들은 바람직하게는, 광축의 한편에서 연관되며 관련 오목 미러로의/미러로부터의 광경로 내에서 두 번 통과되는 제 1 렌즈 영역과 광축의 다른 편에서 연관되며 한번만 통과되는 제 2 렌즈 영역을 갖는 다중경사(multigrade) 렌즈들로서 설계될 수 있으며, 여기서 제 1 렌즈 영역과 제 2 렌즈 영역은, 상기 다중경사 렌즈가 공통의 위치에서 작용하는 한 쌍의 상호 독립적으로 작용하는 렌즈들을 형성하도록 렌즈의 적어도 한쪽에서 상이한 렌즈 표면 곡률을 갖는다. 광축을 중심으로 맞은 편에서 상이한 광학적 굴절력을 제공하는 단일체(monolithic) 다중경사 렌즈는 단일한 렌즈 반제품으로부터 제조될 수 있으며 통상적으로 원형 마운트를 이용하여 설치될 수 있다. 광축의 양편에 있는 렌즈 영역들은 상이한 비구면 형태를 가질 수 있으며, 상기 비구면들은 바람직하게는 제조를 용이하게 하기 위하여 동일한 구면 형태를 기초로 한다. 제 1 중간상에 가장 가까운 렌즈부(752)와 제 2 중간상에 가장 가까운 렌즈부(751)는 모두, 특히 렌즈면들이 비구면으로 제조된 경우, 렌즈면들이 필드 수차들을 보정하는데 효과적이도록 필드면들에 가깝게 위치한다는 점을 유의한다.
도 19에 도시된 실시예에서, 삼중 사용을 갖는 두 렌즈(751,752)들은 관련 오목 미러에 유사한 곡률의 의미를 가지며 약한 네가티브 굴절력을 갖는 네가티브 메니스커스 렌즈들로서 설계된다. 다른 실시예에서, 상기 렌즈들은 광학적 굴절력이 거의 없을 수도 있다. 모든 경우에, 적어도 하나의 렌즈면은 광학적 보정을 뒷받침하기 위해 비구면일 수 있다.
모든 실시예에서, 제 1 굴절광학식(dioptric) 대물렌즈부는 평평한 물체 필드로부터 제 1 중간상을 형성하는 역할을 한다. 제 1 중간상에 관련된 수차들 뿐만 아니라 제 1 중간상의 크기 및 축방향 위치도 상기 제 1 대물렌즈부의 광학적 특성에 의해 결정된다. 위에서 보여준 실시예들에서와 마찬가지로, 제 1 대물렌즈부는 포지티브 굴절력을 갖는 제 1 렌즈 그룹(LG11)과 포지티브 굴절력을 갖는 제 2 렌즈 그룹(LG12)으로 재분할될 수 있으며, 여기서 시스템의 동공면(711)은 결상의 주광선(708)이 광축을 교차하는 축방향 위치의 렌즈 그룹들 사이에 배치된다. 결상 공정에서 사용되는 개구수를 결정하기 위한 개구 조리개는 상기 동공면의 근방에 제공될 수 있다. 그러나, 도 18 및 19에 도시된 실시예에서, 개구 조리개(A)는 상기 동공면과 광학적으로 공액인, 제 3 굴절광학식 대물렌즈부 내에 있는 동공면의 근방에 제공된다. 상기 동공면(711)과 제 1 중간상 사이의 제 2 렌즈 그룹(LG12)은 상기 제 1 중간상의 바로 상류측에 있는 네가티브 메니스커스 렌즈(752)를 포함한다.
도 19의 실시예에서, 제 1 렌즈 그룹(LG11)은 이미지측 오목면과 약한 광학적 굴절력을 갖는 포지티브 메니스커스 렌즈(781), 이미지측 오목면과 약한 네가티브 굴절력을 갖는 네가티브 메니스커스 렌즈(782), 물체측 오목면을 갖는 포지티브 메니스커스 렌즈(783), 양면볼록 포지티브 렌즈(784), 이미지측 오목면을 갖는 포지티브 메니스커스 렌즈(785) 및 동공면(711)을 바로 향하고 있는 이미지측 오목면을 갖는 포지티브 메니스커스 렌즈(786)로 구성된다. 제 2 렌즈 그룹(LG12)은 물체와 대향하며 강하게 만곡된 오목면을 갖는 메니스커스 형상 렌즈(787), 물체측 오목면을 갖는 포지티브 메니스커스 렌즈(788), 바로 뒤에 있는 양면볼록 포지티브 렌즈(789) 및 미러 관련 제 2 렌즈의 전체 부분인 네가티브 메니스커스 렌즈(752)를 포함한다. 동공면 바로 다음에 있으며 동공 및 물체 평면을 향하고 있는 오목면을 갖는 메니스커스 렌즈(787)는 제 1 대물렌즈부에서의 구면수차, 비점수차 및 이미지 만곡을 보정하는 데 특히 유용하다. 광학적 보정은 또한, 제 1 렌즈 그룹(LG11)의 발산 빔 영역에 정렬된 네가티브 메니스커스 렌즈(782) 및 포지티브 메니스커스 렌즈(783)에 의해 형성된 네가티브-포지티브-이중렌즈에 의해 긍정적으로 영향을 받는다. 물체 평면에 광학적으로 가까운 오목한 출사면을 갖는 상기 네가티브 메니스커스 렌즈는, 주광선의 높이가 주변광선의 높이 보다 큰 영역에 배치되어 있으며, 그럼으로써 왜곡과 같은 필드 수차가 효과적으로 보정될 수 있다.
표 20 및 20A에 주어진 것과 같은 상세한 내용을 갖는 도 20에 도시된 투영 대물렌즈(800)의 실시예는 도 19에 도시된 실시예의 변형으로서 설명될 수 있다. 상기 실시예와 유사하게, 네가티브 메니스커스 렌즈(851)는 제 1 오목 미러(821)를 바로 향하도록 배치되어 있으며, 상기 렌즈(851)는 광빔에 의해 세 번 통과된다. 도 19의 실시예와는 반대로, 렌즈(851)는 광빔에 의해 세 번 통과되는 단 하나의 렌즈이다. 제 2 오목 미러(822)의 바로 전면에는 네가티브 굴절력 또는 포지티브 굴절력이 없다. 따라서, 반사굴절식 대물렌즈부에 요구되는 투명한 광학 재료이 질량은 도 19에 도시된 실시예의 경우에 비해 작다. 상기 제 1 대물렌즈부는 │β1│～1.9 의 배율을 갖는다.
도 21에는, 도 15와 관련하여 상세하게 설명된 원리에 따라 일반적으로 설계된 투영 대물렌즈(900)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 그 상세한 사항은 표 21 및 21A에 주어져 있다. 참조번호들은 유사하며, 400 만큼 증가되었다. 특히, 각각의 오목 미러(921,922)에는, 표시된 바와 같이, 광학적으로 상기 각각의 오목 미러와 상기 오목 미러의 상류측 및 하류측 중간상 사이에서 상기 오목 미러의 바로 전면에 있는 네가티브 메니스커스 렌즈(951,952)가 있다. 각각의 네가티브 메니스커스 렌즈(951,952)는, 관련 오목 미러가 위치하는 광축상의 한측에만 배치된 트렁케이트 렌즈로서 설계된다. 그러므로, 상기 미러 관련 렌즈는 광에 의해 두 번 통과된다. 제 1 대물렌즈부(910)는 두 개의 렌즈 그룹으로 재분할될 수 있는데, 렌즈 그룹(LG11)은 물체 평면과 동공 평면(911) 사이에 배치되는 반면, 렌즈 그룹(LG12)은 동공 평면과 제 1 중간상(903) 사이에 배치된다. 도 19에 도시된 실시예에서와 마찬가지로, 제 1 렌즈 그룹(LG11)은 네가티브-포지티브-이중렌즈(982,983)를 포함하며, 상기 네가티브 메니스커스(982)는 물체 평면에 가깝게 배치되며 이미지 평면을 향하는 오목한 출사면을 갖는다. 상기 네가티브 렌즈 다음에 있는 포지티브 굴절력은 두 개의 포지티브 메니스커스 렌즈들로 분할되어 있는데, 그 각각은 물체를 향하는 오목면을 갖는다. 물체를 향하는 강하게 만곡된 오목한 입사면을 갖는 메니스커스 렌즈(897)는 동공 평면(911)의 바로 하류측에 배치되어 있다. 광학적으로, 이러한 렌즈는 제 1 대물렌즈부의 구면수차, 비점수차 및 이미지 만곡을 보정하는 데 유용하다.
제 3 대물렌즈부(930)는 제 2 중간상(904)과 개구 조리개(A) 사이의 제 1 렌즈 그룹(LG31)과 개구 조리개(A)와 이미지 평면 사이에 있는 제 2 렌즈 그룹(LG32)을 포함한다. 개구 조리개는 상기 제 3 대물렌즈부의 최대 빔 직경 영역과 이미지 평면 사이에 배치된다. 상기 개구 조리개(A) 바로 다음에 있는 양면볼록 포지티브 렌즈(996)는 입사면과 출사면이 모두 비구면 표면인 양면비구면 렌즈이다. 서로에 대해 근접하여 있으며 이미지 평면의 바로 상류측의 수렴 빔 경로 내에 배치된 비구면 표면들은 수차 보정에 강한 영향을 준다. 특히, 고차수의 구면수차와 코마수차는 긍정적으로 영향을 받을 수 있다. 제 3 대물렌즈부에는 단지 하나의 네가티브 렌즈(991)가 배치되어 있다. 양면볼록 네가티브 렌즈(991)는 상기 제 3 대물렌즈부의 빔 경로 내에 얕은 마디부(waist)를 정의한다. 상기 네가티브 렌즈(991) 하류의 모든 렌즈들은 포지티브 렌즈들이다. 제 3 대물렌즈부의 증가하는 큰 빔 직경 영역에서 네가티브 렌즈를 피하는 것은, 빔직경을 작게 유지하고 따라서 제 3 대물렌즈부의 렌즈들에 사용되는 광학 재료의 요구량을 감소시킬 수 있다.
오목 미러(921,922)들은 모두 구면의 미러면을 가지며, 따라서 제조를 용이하게 하고 광학적 성능을 향상시킨다. D 가 제 3 대물렌즈부의 광학소자의 최대 직경[mm]이고 c1 과 c2 가 오목 미러(921,922)의 곡률[mm-1]이라고 할 때, 다음의 수식 1 < D/(│c1│+│c2│)ㆍ10-4 < 6 이 도 21의 실시예에 의해 만족된다. 곡률 c 는 정점(vertex)에서의 곡률 반경의 역수이다. 상기 수식이 만족되면, 제 3 대물렌즈부에서 페츠발 보정과 포지티브 굴절력 사이의 우수한 균형이 얻어질 수 있다.
도 22는 도 4에 도시된 실시예의 투영 대물렌즈와 유사한 일반적인 구조를 갖는, 즉 두 개의 오목 미러(1021,1022)로 이루어지며 굴절식 광학소자를 갖지 않는 제 2 대물렌즈부(1020)를 구비하는 투영 대물렌즈(1000)의 변형예이다. 유사한 특징부/특징 그룹들에 대한 참조번호는 유사하며, 800 씩 증가되었다. 상세한 사항은 표 22 및 22A에 주어져 있다. 제 1 중간상(1003)을 형성하기 위한 제 1 굴절광학식 대물렌즈부(1010)는 물체 평면과 동공 평면(1011) 사이에 있는 제 1 렌즈 그룹(LG11) 및 동공 평면과 제 1 중간상 사이의 제 2 렌즈 그룹(LG12)로 재분할된다. 상기 제 1 렌즈 그룹(LG11)은 양면볼록 포지티브 렌즈(1081)로 시작하며, 다음으로 이미지측 오목면을 갖는 네가티브 메니스커스 렌즈(1082)와 양면볼록 포지티브 렌즈(1083)가 이어진다. 광빔이 약간 발산하는 영역 내에 배치된 네가티브 메니스커스 렌즈(1082)의 오목한 출사면에서 특히 높은 입사각이 발생한다. 높은 입사각은 보정에 강력한 영향을 준다. 렌즈(1081,1082,1083)들에 의해 제공된 연속적인 포지티브-네가티브-포지티브는 유용한 것으로 밝혀졌다. 그러므로, 일련의 포지티브-네가티브-포지티브 렌즈들에 포함되는, 이미지와 대향하는 적어도 하나의 오목한 표면을 제 1 중간상을 형성하는 상기 제 1 대물렌즈부가 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
도 23은 도 4와 관련하여 설명된 원리에 따라 일반적으로 설계된 투영 대물렌즈(1100)의 또 다른 실시예를 도시한다. 상세한 사항은 표 23 및 23A에 주어져 있다. 제 2 대물렌즈부(1120)는 순수 반사식이며, 따라서 투명한 광학 재료를 요구하지 않는다. 제조를 용이하게 하기 위한 특징들에 관한 몇몇 유형들이 본 실시예 및 도 24와 함께 이하에서 설명될 것이다. 그러나, 상기 유형들은 다른 실시예들에서도 구현될 수 있다. 오목 미러(1121,1122)는 모두 제조를 용이하게 하고 광학적 성능을 향상시키는 유사한 표면들을 갖는다. 일반적으로, 오목 미러의 형상은 특정 수차들에 강한 영향을 준다. 특히, 이미지 만곡(페츠발 만곡)은 미러의 꼭지점 곡률(vertex curvature)에 의해 영향을 받는다. 비구면의 미러면이 사용되는 경우, 비구면 표면의 기본적인 데이타는 특정 필드 의존 수차들, 특히 y4 (y는 오목 미러에서의 빔 높이)에 비례하는 동공의 구면수차를 정의한다. 미러면의 형상에 영향을 주는 두 개의 요소들은 모두 광학적 설계에 깊이 근거를 두고 있으며 서로 의존한다. 특히, 예컨대, 오목 미러의 강한 만곡이 필드 의존 수차들을 강하게 유발할 것이기 때문에, 비구면의 타입에 관한 제 2 요소는 제 1 요소(기본 곡률)에 의해 강하게 영향을 받는다.
오목 미러의 조립성(manufacturability)과 광학적 성능 사이의 우수한 타협에 영향을 주는 중요한 요소들이 확인되었다. 오목 미러의 조립에 기인하는 하나의 파괴적인 요소는, 오목한 미러면을 형성하기 위하여 미러 기판의 재료 내부로 작업 도구가 들어가야 하는 깊이이다. 이러한 삽입 깊이는 도 24와 관련하여 "pmax" 로 표시된다. 미러의 가장자리에서의 최대 새지타 또는 상승 높이는, 오목 미러의 가장자리에 접하고 광축에 수직한 하나의 평면과 오목 미러의 꼭지점에 접하고 상기 평면에 평행한 하나의 평면의 축 방향의 간격으로서 정의될 수 있다. 도 24에 개략적으로 도시된 바와 같이, pmax 는 비구면 미러면의 곡률 반경 R 과 비구면 미러의 직경 D 에 의존한다. (비구면 형태에 대한) 첫 번째 근사법(approximation)에서, 상기 pmax 는 pmax = R - (R2-D2/4)0.5 로 주어진다. 미러의 기본적인 형태는 광학적 효과에 강하게 영향을 주지 않고 변경될 수는 없으며, 단지 미러면의 직경만이 조립성에 영향을 주는 자유로운 파라미터로서 사용될 수 있다. 조립성을 고려하는 경우, 연마(polishing) 이전에 미러 기판의 기본적인 형태를 정의하기 위해 필요한 미러 기판의 분쇄(grinding)가 특히 수행된다. 조건 pmax < 0.22R 이 만족될 수 있도록, 조건 D ≤ 1.3R 을 만족하는 것이 바람직하며, 조건 D ≤ 1.2R 을 만족하는 것이 더욱 바람직하다는 것이 밝혀졌다. 만약 두 개의 미러들에 대한 만곡된 미러면들의 꼭지점에서의 곡률 반경이 가능한 서로 유사하다면 제조가 또한 용이하게 된다. R1 이 제 1 미러의 꼭지점 곡률 반경이며 R2 가 제 2 미러의 꼭지점 곡률 반경이라 할 때, 다음의 조건, 즉 0.8 < │R1/R2│ < 1.2 를 만족하는 것이 바람직하다. 도 23에 도시된 실시예에서는, 상기 조건과 다음의 두 조건, 즉 pmax ≤ 0.22R 및 D ≤ 1.3R 을 만족한다. 곡률 반경들 사이의 관계에 관한 조건에 추가하여, 후자의 두 조건들 중 하나가 만족되는 것으로도 충분할 수 있다.
도 23에 도시된 실시예에서, 미러(1121,1122)의 곡률은 거의 동일하며(곡률 반경들의 차이가 1% 이내) 비구면 형태가 거의 동일하다. 미러(1121,1122)들은 제 2 대물렌즈부의 유일한 광학소자들이며, 따라서 이 부분은 반사광학부를 이룬다. 제 2 대물렌즈부(1120)의 광학소자들의 최대 직경은 제 3 대물렌즈부의 렌즈들의 최대 직경 보다 작거나 거의 같다. 이는 웨이퍼 스테퍼 또는 웨이퍼 스캐너 내에 축대칭인 투영 대물렌즈를 구현하는 것을 용이하게 한다. 개구 조리개(A)는 제 3 대물렌즈부 내에 제공되지만, 제 1 대물렌즈부에서 동공면(1111)의 근방에 제공되는 것도 가능하다.
도 25에는, 투영 대물렌즈(1200)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 26은 물체 평면(1201)과 제 2 중간상(1204)(제 2 중간상은 상기 제 2 중간상을 이미지 평면(1290)에 약 1:4 의 축소 스케일로 결상시키기 위한 순수 굴절식 대물렌즈부(1230)의 물체이다) 사이의 단면을 보다 상세하게 도시하고 있다.
물체 평면(1201) 내에 배치된 물체를 이미지 평면(1202) 위에 축소된 스케일로 결상시키도록 설계된 투영 대물렌즈(1200)는 전체적으로 세 개의 대물렌즈부(1210,1220,1230)들로 구성되며, 그 각각은 대물렌즈부의 상류측 필드 평면을 대물렌즈부의 하류측 필드 평면으로 결상시키도록 설계된다. 제 1 대물렌즈부(1210)는 네 개의 연속적인 렌즈(1211,1212,1213,1214)들과 이어서 제 1 중간상(1203)의 바로 상류측에 있는 제 1 오목 미러(1221)로 구성된다. 그러므로, 제 1 대물렌즈부는 반사굴절식이다. 제 2 대물렌즈부(1220)도 또한, 제 1 중간상(1203)의 바로 하류측에 있는 제 2 오목 미러(1222)와 포지티브 렌즈(1226,1227,1228,1229)들을 포함하는 반사굴절식이며, 이들은 모두 제 1 중간상(1203)을 제 2 중간상(1204)으로 재 포커싱하기 위한 작용을 한다. 제 3 대물렌즈부(1230)은 순수 굴절식이며 자유로인 접근 가능한 시스템의 개구 조리개(A)를 포함한다.
앞서 설명한 실시예들과는 반대로, 오목 미러(1221,1222)들에 의해 형성되는 미러간 공간(intermirror space) 내에는 오로지 제 1 중간상(1203)만이 위치하고, 제 2 중간상(1204)은 상기 미러간 공간의 외부에 놓인다. 서로 대향하는 두 개의 오목 미러(1221,1222)들에 의해 정의되는 미러 그룹은 미러 그룹 입구와 미러 그룹 출구를 가진다. 기하학적으로 광축(1205)을 향하는 제 2 미러(1222)의 가장자리 바로 옆에 위치하는 미러 그룹 입구에서는 물체측으로부터 오는 방사광이 상기 미러간 공간으로 입사하며, 기하학적으로 광축을 향하는 제 1 미러(1221)의 가장자리 옆에 위치하는 미러 그룹 출구에서는 상기 방사광이 오목 미러들 상에서 반사된 후 상기 미러간 공간을 통해 출사된다. 투영 대물렌즈의 제 1 동공면(PS1)은 상기 미러 그룹 입구의 근방에 놓이며 제 2 동공면(PS2)은 미러 그룹 출구의 근방에 놓이는 것을 본 실시예의 특징으로 한다. 반면에, 다른 대부분의 실시예들에서는, 예컨대, 도 1 내지 4, 도 7 내지 14에 도시된 실시예들에서는, 미러 그룹의 입구와 미러 그룹의 출구가, 투영 렌즈의 필드면들인 중간상들에 광학적으로 가까이 있다. 또한, 앞서 언급된 실시예들에서는, 제 1 오목 미러로부터 반사된 방사광이 제 2 오목 미러에 입사하기 전에 광축을 가로지르는데, 이는 광축의 양편에 있는 오목 미러들의 반사면들 위에 방사광의 자국(footprint)을 효과적으로 남긴다. 반면에, 도 25 및 26에 도시된 실시예에서는, 제 1 및 제 2 오목 미러(1221,1222)들이 광축을 중심으로 동일측에 배치되어 있다. 이러한 차이로 인하여, 앞서 언급된 실시예들에서는 상기 오목 미러들에 의해 형성되는 공간 내의 광경로가 오목 미러들의 꼭지점들 사이의 중간쯤에 있는 대칭점에 대하여 거의 점 대칭이지만, 도 25 및 도 26의 실시예에서는 광경로가, 광축에 수직하고 오목 미러들의 꼭지점들 사이의 중간쯤에 있는 미러 평면에 대하여 거의 거울 대칭이다.
광학적으로, 도 25 및 26에 도시된 실시예의 본질적인 원리에 따라 설계된 실시예들은, 물체 평면(1201)과 이미지 평면(1202) 사이의 필드 평면들 중 하나, 즉 제 2 중간상(1204)의 필드면이 오목 미러(1221,1222)들에 의해 형성된 미러간 공간의 외부에 떨어져서 자유로이 접근 가능하도록 배치되어 있기 때문에, 필드 평면들에 가까운 렌즈들의 작용에 의한 필드 수차에 영향을 주는 것이 유리할 수 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, 두 개의 필드 렌즈(1229,1235)들이 제 2 중간상의 바로 상류측(1229)에서 그리고 바로 하류측(1235)에서 상기 제 2 중간상(1204)에 가까이 배치되어 있으며, 따라서 수차 보정을 위한 필드 렌즈 그룹을 형성한다.
제 1 및 제 2 대물렌즈부(1210,1220)들은 상기 오목 미러(1221,1222)에 의해 정의되는 미러 그룹으로부터 기하학적으로 상기 미러 그룹의 뒤에 떨어져 있는 중간상(1204)을 형성하는 데 효과적이다. 동공면(PS2)이 미러 그룹의 출구 근처에 배치되어 있기 때문에, 푸리에-변환(Fourier-transforming) 렌즈 그룹으로서 함께 작용하는 렌즈(1226 내지 1228)들의 그룹은 상기 중간상(1204)을 위치시키고 그 특징을 정의하는 데 사용될 수 있으며, 그런 후 상기 중간상은 제 3 대물렌즈부(1230)에 의해 이미지 평면(1203) 위에 재 결상된다. 이러한 특성들은, 제 1 및 제 2 대물렌즈부(1210,1220)에 의해 형성되는 서브-시스템을, 광학 시스템의 광경로들을 상류측과 하류측으로 함께 연결시키기 위한 릴레이 시스템으로서 유용하게 만든다. 미러 그룹의 오목 미러(1221,1222)들의 작용으로 인하여, 이러한 릴레이 시스템은 미러 그룹의 상류측과 하류측의 포지티브 렌즈들의 상반되는 영향을 적어도 부분적으로 보상하여 이미지 만곡에 강력한 영향을 주도록 설계될 수 있다.
도 27은 도 4에 도시된 실시예의 투명 대물렌즈에 유사한 일반적인 구조를 갖는, 즉 두 개의 오목 미러(1321,1322)를 갖고 굴절식 광학소자를 갖지 않는 제 2 반사광학식 대물렌즈부(1320)를 구비하는 투영 대물렌즈(1300)의 변형을 도시한다. 유사한 특징부/특징 그룹들에 대한 참조 번호는 도 4의 경우와 유사하며, 1100 씩 증가되었다. 상세한 사항은 표 27 및 27A에 주어져 있다.
제 1 중간상(1303)을 형성하기 위한 제 1 굴절광학식 대물렌즈부(1310)는 물체 평면(1301) 바로 다음에 오는 제 1 렌즈소자(1312)를 가지며, 여기서 상기 제 1 렌즈소자의 입사면은 비구면이고 물체 평면에 대해 볼록하며, 포지티브 굴절력을 각각 갖는 렌즈 그룹들 사이의 제 1 대물렌즈부 내에 개구 조리개(A)가 제공된다. 반사광학식 제 2 대물렌즈부(1320)의 오목 미러(1321,1322)들은 각각 비구면 미러면을 갖는다. 상기 미러(1321,1322)들의 비구면 미러면들이 동일한 비구면 형태를 갖는 것이 본 설계의 특징이다. 이는 제조 과정에서 두 오목 미러들의 비구면 형태를 측정하기 위하여 정확하게 동일한 광학적 검사 장치를 사용할 수 있게 한다. 표 27, 27A 로부터 알 수 있듯이, (미러면의 기본적인 형태를 나타내는) 오목 미러들의 곡률 반경과 (표면(25,26)들의 기본적인 형태로부터 벗어난 비구면을 나타내는) 비구면 상수는 동일하다. 다른 실시예에서, 기본적인 형태와 비구면 상수들은 두 오목 미러 사이에 약간 변할 수도 있다. 이 경우에, 동일한 측정 광학기기가 두 미러면들을 측정하는 데 사용될 수 있을 정도로 미러면들이 유사한 형상을 가지면, 제조 과정에서의 비용과 관련하여 상당한 향상을 얻을 수 있다.
도 28에 렌즈 단면이 도시된 투영 대물렌즈(1400)는 도 4에 도시된 실시예의 대물렌즈와 일반적으로 유사한 구성을 갖는다. 그러므로, 유사한 특징부/특징 그룹들에 대한 참조 번호는 유사하며, 1200 씩 증가한다. 상세한 사항은 표 28 및 28A 에 주어져 있다.
개구 조리개(A)를 포함하는 제 1 굴절광학식 대물렌즈부(1410)는 제 1 중간상(1403)을 형성하기 위해 설계되어 있다. 제 2 반사광학식(순수 반사식) 대물렌즈부(1420)는, 제 1 중간상(1403)으로부터 제 2 중간상(1404)을 함께 형성하는 제 1 오목 미러(1421) 및 제 2 오목 미러(1422)로 구성된다. 굴절광학식 제 3 대물렌즈부(1430)는 제 2 중간상(1404)을 이미지 평면(1402) 위로 결상시키기 위해 설계되며, 그럼으로써 동작 중에, 방사광이 액침 유체(I)(물)의 박막을 통과한다. 설계를 최적화할 때, 미러를 제조하는 동안 비구면 비러면들의 광학적인 조사를 용이하게 하기 위한 고려가 이루어졌다. 이러한 목적을 위하여, 제 1 오목 미러(1421)의 미러면은 포물선 형태를 갖는다(표 28A의 표면(23)을 비교).
다음의 설명은 미러면의 포물선 형태가 왜 검사를 용이하게 하는 지에 대한 이해를 돕기 위해 제공된다. 일반적인 경우에, 비구면 미러면의 광학적 검사에는, 비구면 표면에 입사하는 시험파(test wave)의 국소 입사각이 비구면 표면의 각각의 국소 위치에 대해 직각이 되도록 미러면의 소망하는 비구면 표면에 적응된 왜곡된 파면(wave front)을 갖는 시험광선(testing radiation)을 형성하도록 설계된 특수하게 제조된 광학적 검사 시스템의 사용이 요구된다. 왜곡된 파면을 형성하기 위한 구면수차 지움(aplanatic) 광학 시스템, 또는 보상 시스템(K-시스템) 또는 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated hologram; CGH) 또는 이들의 조합을 사용하는 광학적 검사 장치가 통상적으로 이러한 목적을 위해 사용된다. 각각의 비구면 형태에 대하여 특별하게 설계된 검사 광학기기의 구성이 고가이기 때문에, 대안적인 방법이 요구된다.
반면에, 포물선 형태를 갖는 비구면 미러는 간단한 검사 장비로 검사될 수 있다. 보다 상세한 설명을 위해, 순수한 원뿔형의, 회전 대칭인 표면 형태가 다음의 수식에 의해 표현될 수 있음을 고려한다:
Figure 112011073655989-pat00009
여기서, p 는 표면 상의 한 점의 축 방향 좌표이고, k 는 원뿔 상수(conical constant), c 는 꼭지점(광축이 미러면과 교차하는 점)에서의 표면의 곡률(즉, 곡률반경 r 의 역수(1/r)), h 는 (광축에 수직하게 측정된) 높이이다. 상기 수식을 이용하면, 원뿔 상수 k 의 값에 따라 상이한 원뿔형의, 회전 대칭인 표면 형태들이 생성될 수 있다. 예컨대, 구형 형태는 k = 0 에 대응하며, k = -1 의 값은 포물선을 나타내고, k < -1 의 값은 쌍곡선을 나타내고 -1 < k < 0 의 값은 타원 형태를 나타낸다. 모든 이러한 형태들은, (표면의 형태에 따라) 특정 위치에 배열된 물체 점이 수차 없이 결상될(무수차(stigmatic) 결상) 것이라는 점에서 공통성을 갖는다. 그러므로, 적어도 하나의 구면이 아닌(non-spherical) 원뿔형 미러는 본 발명의 실시예에서 또는 오목 미러를 갖는 다른 투영 대물렌즈에서 유용할 수도 있다. 미러 검사의 요구 사항을 고려하면, 구면수차 없이 결상될 물체 점이 무한대의 위치에 있기 때문에, 포물선 형태(k = -1)가 특히 유용하다. 즉, 시험빔으로부터의 광 또는 포물선형 표면 상에서 광축에 평행하게 입사하는 평행 광은 포물선형 미러에 의해 단 하나의 초점에 포커싱 될 것이다. 이는, 시험파의 빔다발을 발산시키거나 수렴시키기 위한 별도의 배치가 필요 없기 때문에 유리하다. 상기 시험파는 평면 파면(planar wave front)을 갖는다.
가능한 검사 장치는 도 29에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 포물선형 미러면(1421)이 그 미러면에 의해 정의되는 광축(OA)과 함께 도시되어 있다. 검사 장비는, 광축(OA)에 평행하며 상기 포물선형 미러면에 입사하는 평행 시험 광빔을 생성하도록 설계된 검사 광학 시스템(1460)을 포함한다. 상기 검사 장치는 상기 포물선형 미러(1421)의 소망하는 형상에 대응하여 성형되고 배치된 구면 미러(1470)를 더 포함하는 데, 상기 구면 미러(1470)의 곡률 중심(1490)은 포물선형 미러의 초점과 일치한다. 본 장치에서, 광학기기(1460)에 의해 제공되는 평면 파면을 가지며 포물선형 미러면(1421)에 입사하는 시험파(1495)는, 상기 구면 미러(1470)에 입사하기 전에 먼저 상기 포물선형 미러에 의해 포물선형 미러의 초점(1490)으로 집광된다. 구면 미러(1470)는 상기 시험파를 동일한 경로를 따라 다시 상기 검사 광학기기(1460)로 반사한다. 평면 참조파와 상기 포물선형 미러로부터 다시 반사된 파 사이의 경로 길이의 편차는 상기 포물선형 미러의 포물선 형태를 특징짓는 데 사용될 수 있다.
투영 대물렌즈(1400)는 물체측과 이미지측에서 텔레센트릭하다. 물체측에서의 텔레센트릭성에 기여하는 하나의 특징은 물체 평면 바로 다음에 있는 제 1 렌즈소자(포지티브 메니스커스(1412))의 입사면의 특유의 볼록한 형상이다. 물체측에 있는 처음의 두 렌즈들의 비구면 표면들은 텔레센트릭성에 기여한다. 텔레센트릭한 빔은 본질적으로 물체측과 이미지측에서 필드 영역 오차가 없다. 즉, 물체 필드 또는 이미지 필드를 가로질러 텔레센트릭성의 변화가 실질적으로 없다.
도 30 내지 32에는, 반사광학식 제 2 대물렌즈부를 구비하는 도 4에 도시된 투영 대물렌즈와 유사한 일반적인 구성을 갖는 투영 대물렌즈(1500,1600,1700)의 세 개의 추가적인 실시예들이 도시되어 있다. 유사한 특징부/특징 그룹들에 대한 참조 번호들은 유사하며, 각각 1300, 1400, 1500 씩 증가되었다. 상세한 사항은 표 30, 30A, 31, 31A 및 32, 32A에 주어져 있다. 이러한 실시예들을 설계할 때, 물체 필드를 제 1 중간상에 결상시키기 위한 릴레이 시스템으로서 역할을 하는 제 1 굴절광학식 대물렌즈부(1510,1610,1710)들에 요구되는 설치 공간 및 재료 소비의 최적화에 특히 강조점이 맞추어져 있다.
도 30, 31 및 32의 모든 실시예들에 대한 공통적인 특징으로서, 제 1 대물렌즈부는 단지 여섯 개의 렌즈소자, 즉 상당한 굴절력을 갖는 투명 광학소자들을 구비한다. 오로지 포지티브 렌즈들만이 사용되며, 그럼으로써 상대적으로 작은 최대 직경을 갖는 축 방향으로 짧은 대물렌즈부에서 강력한 수렴력을 갖는 제 1 대물렌즈부를 형성한다. 모든 실시예들에서, 평면 평행판(1519,1619,1719)은 투영 대물렌즈의 각각의 제 1 동공 평면(1511,1611,1711) 바로 다음에 위치한다. 동공면 근처에 기본적으로 적어도 하나의 평면 평행판(plane paralle plate)을 배치하는 하나의 이점은 상기 평행판이 제조 과정 또는 다른 효과(보정 비구면)들에 의해 도입되는 수차들을 보정하도록 비구면화 될 수 있다는 것이다. 상기 평행판은 교체 가능하다. 도 30의 실시예에서, 개구 조리개(A)는 제 1 대물렌즈부(1510) 내에서 평행판(1519)의 바로 앞에 있는 동공 위치에 제공된다. 도 31 및 32의 실시예에서, 개구 조리개는 제 3 대물렌즈부 내에서 제 3 동공면(1631,1731)에 있는 최대 빔 직경 영역에 각각 배치된다. 여기서 언급된 모든 실시예들은 이미지측 동공 평면과 이미지 평면 사이에 오로지 포지티브 렌즈들만을 갖는 데, 도 30의 실시예는 다섯 개의 포지티브 렌즈들을 갖고 다른 실시예(도 31, 32)들은 이미지측 동공면과 이미지 평면 사이에 단지 네 개의 포지티브 렌즈들을 가진다.
도 30 내지 32의 실시예들의 제 1 대물렌즈부들에 대한 비교는, 비구면 표면들의 사용과 물체 평면 바로 다음에 있는 제 1 렌즈소자의 입사면의 곡률 사이에 일정한 관계들을 드러낸다. 도 30의 실시예에서, 제 1 렌즈소자(1512)는 물체 평면을 향하는 비구면 입사면을 갖는 양면볼록 포지티브 렌즈이며, 여기서 상기 입사면은 단지 약간만 만곡되어 있으며 300mm 를 초과하는 곡률 반경을 가진다. (점으로 표시된) 여섯 개의 비구면 표면들이 사용된다. 제 1 중간상(1503)의 영역을 가로지르는 광선들로부터 분명하듯이, 코마수차는 상기 제 1 중간상(1503)에 있는 하나의 현저한 결상 오차이다. 상기 오차는 제 1 중간상의 하류에 있는 광학적 표면들의 설계에 의해 보상된다. 반면에, 도 31에 도시된 실시예에서, 제 1 렌즈소자(포지티브 메니스커스(1612))의 비구면 입사면은 300mm 이하의 곡률 반경(이 경우에는 R ～ 154mm)을 갖는 상대적으로 강한 볼록한 곡률을 가진다. 제 1 대물렌즈부(1610)에는 단지 네 개의 비구면 표면들이 사용된다. 상기 비구면 표면들은, 제 1 중간상(1603)이 기본적으로 코마수차가 없도록, 만곡된 입사면의 광학적 효과에 맞게 형성된다. 이는, 작은 수의 비구면 표면들을 이용하여 우수한 품질의 제 1 중간상을 얻는 데 입사면의 강한 볼록한 곡률이 유용하다는 경향을 나타낸다. 도 32에 도시된 실시예의 제 1 대물렌즈부(1710)에는, 적당한 곡률(곡률 반경 > 300mm)을 갖는 제 1 소자(양면볼록 렌즈(1712))의 입사면과 함께 중간 정도의 개수인 다섯 개의 비구면 표면들이 사용된다. 곡률이 없거나(평면 표면) 약간의 곡률(예컨대, 곡률 반경의 값 > 500mm 이상)을 갖는 투영 대물렌즈의 입사면을 제공하는 것은 대물렌즈를 대기압의 압력 요동에 상대적으로 강하게 만든다. 세 실시예들 모두에서 비구면 표면들의 개수가 제 1 대물렌즈부에 있는 포지티브 렌즈들의 개수와 같거나 그 보다 작기 때문에, 오로지 포지티브 렌즈소자들만이 사용될 때 및 굴절력을 갖는 렌즈들의 개수와 비구면 표면들의 개수 사이의 비율이 1.6 보다 작으면 컴팩트한 설계를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 30 내지 32의 실시예는, 모든 대물렌즈부 및 반사광학식 제 2 대물렌즈부에 공통되는 하나의 직선형 광축을 갖는 양호한 설계의 골격에서 제 3 대물렌즈부의 축 방향의 길이 보다 상당히 작은 축 방향의 길이를 갖는 대물렌즈(제 1 대물렌즈부)의 입사측에 릴레이 시스템을 설계하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. (물체 평면과 제 1 중간상 사이에서 측정된) 축 방향의 길이는 (제 2 중간상과 이미지 평면 사이에서 측정된) 제 3 대물렌즈부의 축 방향의 길이의 90% 보다 작거나 80% 보다 작을 수 있다. 이는, 굴절식 대물렌즈부들 사이에 있는 제 2 (반사광학식 또는 반사굴절식) 대물렌즈부가 다양한 상이한 위치를 갖도록 설계될 수 있다는 것을 나타낸다.
도 30 내지 32의 실시예에서, 이미지 평면에 가장 가까운 평볼록(plano-convex) 렌즈, 즉 대물렌즈의 가장 마지막 렌즈는 불화칼슘으로 제조된다. 상기 재료가 방사광에 의해 유도된 밀도 변화(특히, 압밀(compaction))에 덜 민감하기 때문에, 용융 실리카(fused silica)로 이루어진 마지막 렌즈를 구비하는 대물렌즈와비교할 때, 대물렌즈의 동작 수명이 증가할 수 있다. 그러나, 물로 된 액침 액체에서 동작하도록 설계된 액침 대물렌즈에서, 불화칼슘으로 된 마지막 렌즈소자들은 상기 불화칼슘이 물에 용해되기 때문에 문제가 된다. 그러므로, 상기 시스템의 수명은 줄어들 수 있다. 따라서, 공격적인 액침 액체에 의해 유발되는 열화로부터 상기 마지막 렌즈소자를 보호하는 보호층이 유용할 수 있다. 예컨대, 본 출원인에 의해 2003년 12월 19일에 출원된 미국 가출원 제 60/530,623 호에는 적당한 보호층들이 설명되어 있는데, 상기 출원에서 개시된 내용은 여기에 참조로서 통합된다. 도 30 내지 32의 실시예에는, 0.3mm 의 두께를 갖는 용융 실리카로 된 얇은 평면 평행판이 린징법(wringing)에 의해 평볼록 불화칼슘 렌즈의 평평한 출사면에 부착되어 있다. 소망한다면, 투영 대물렌즈의 출사면을 제공하는 평면 평행 수정 유리판은 교체될 수 있다. 용융 실리카 재료가 높은 방사광 부하로 인해 손상을 입거나 및/또는 용융 실리카 보호판 상의 오염 및/또는 긁힌 자국이 발생한 경우에 교체가 요구될 수 있다.
본 발명에 따른 투영 대물렌즈의 특성을 추가적으로 특징짓는 예로서 도 32의 실시예를 사용하는 것이 설명된다. 이를 위해, 광축에 본질적으로 평행하며, 결상 대물렌즈부(1710,1720,1730)들 중 하나 내에 각각 있는 세 개의 연속적인 동공면 위치(P1,P2,P3)에서 광축을 교차하고 최외곽 필드점(광축(AX)으로부터 가장 먼 점)으로부터 진행하는 주광선(CR)이 이해를 돕기 위해 굵은 선으로 도시되어 있다. 주광선을 따른 각각의 위치에서의 광축(AX)과 주광선(CR) 사이의 각도는 이하에서 "주광선 각도"로 표시된다. 주광선(CR)은 제 1 중간상(1703)의 위치에서 발산(광의 진행 방향으로 주광선 높이가 증가)한다. 제 1 중간상 이후에 증가하는 주광선 높이는 상기 제 1 중간상(1703)의 하류측에 있는 제 1 대물렌즈부(1710)의 음(-)의 주광선 교차 길이에 대응한다. 여기서, "주광선 교차 길이"는 중간상의 위치와 상기 중간상에서의 주광선(CR)에 대한 접선의 교점 사이의 축 방향의 거리로서 정의된다. 상기 교점은 제 1 대물렌즈부(1710) 내에서 제 1 중간상의 물체측에 위치한다. 제 1 중간상에 관련된 음의 주광선 교차 길이는 제 1 대물렌즈부의 네가티브(허상의(virtual)) 사출동공에 대응한다. 반면에, 수렴 주광선은 제 2 중간상(1704)에 존재하며, 상기 제 2 중간상의 하류측에서의 양(+)의 주광선 교차 길이에 대응하는데, 상기 주광선 교차 길이는 제 2 중간상의 하류측에 있는 실상의(real) 사출동공에 대응한다. 그러므로, 제 2 중간상(1704)에 관련된 제 2 대물렌즈부(1720)의 실상의 사출동공은 이미지 평면을 넘어 제 3 대물렌즈부(1730)(실상의 사출동공)의 바깥쪽에 위치한다. 제 1 대물렌즈부(1710)의 허상의 사출동공은 제 2 대물렌즈부(1720)의 실상의 입사동공과 일치한다. 이러한 조건이 주어지면, 투영 대물렌즈는 적어도 두 개의 중간상들을 갖도록 제공되는 데, 이때 하나의 결상 대물렌즈부(여기서는 굴절식 제 1 대물렌즈부와 굴절식 제 3 대물렌즈부 사이에 배치된 반사굴절식 또는 반사광학식 제 2 대물렌즈부)는 제 1 및 제 2 중간상들 사이에 실상의 형성을 수행하며, 또한 실상의 입사동공은 실상의 사출동공으로 결상된다. 굴절식 제 1 대물렌즈부 내에 접근 가능한 동공면(P1)이 있고 제 3 대물렌즈부 내에 또 다른 접근 가능한 동공면(P3)이 있기 때문에, 이러한 타입의 투영 대물렌즈들은 결상 과정에서 사용되는 개구수를 효과적으로 정의하기 위한 개구 조리개를 위치시키기 위한 두 개의 가능한 위치를 갖는다. 여기서, "접근 가능한"이라는 용어는 투영 대물렌즈를 통과하여 진행하는 광에 의해 일단 한번 통과된 대물렌즈부의 한 부분에서 가능한 개구 조리개 위치를 나타낸다.
또한, 여기서 논의된 양호한 실시예에 따른 투영 대물렌즈는 물체 평면과 이미지 평면 사이에 세 개의 실상 동공면(P1,P2,P3)들을 가지며, 상기 동공면들 중 하나에서의 최대 주광선 각도는 물체측 개구수 보다 작고, 또한 다음의 조건들, 즉 (1) 세 개의 동공면들 중 두 개에서의 최대 주변광선 높이는 세 번째 동공면(여기서는 P3)에서의 최대 주변광선 높이의 최대 50%; (2) 동공면들 중 두 개에서의 최대 주광선 각도는 세 번째 동공면에서의 최대 주광선 각도의 적어도 두 배; (3) 동공면들 중 두 개에서의 최대 주광선 각도는 물체측 개구수의 적어도 두 배; 중에서 적어도 하나를 만족한다.
이하, 여기서 사용되는 비구면 표면들의 제조 및 검사의 관점에서 최적화된 다수의 실시예들을 설명한다. 렌즈 상에 비구면 표면을 준비하는 동안 발생하는 문제들 중 하나를 보이기 위하여, 도 33(a) 및 33(b)는 각각 비구면 입사면(AS)을 갖는 얇은 포지티브 렌즈(L)을 구비하는 통상적인 대물렌즈를 관통하는 자오선 방향의 렌즈 단면의 부분 확대도를 도시한다. 도 33(a)에서, 투과되는 빔다발의 주변을 따라 진행하는 특유의 광선(R1)과 광학 시스템의 광축에 근접하여 진행하는 특유의 빔(R2)이 상기 비구면 렌즈(L)의 광학 작용을 보이기 위하여 도시되어 있다. 통상적인 시스템(CONV)에서, 비구면 표면(AS)은 광축에 근접하여 진행하는 광선에 대해서는 포지티브 렌즈로서 작용하고 광빔의 주변에 근접한 광선(광선(R1))에 대해서는 네가티브 렌즈로서 작용하도록 설계된다. 자오선 방향으로의 이러한 굴절력의 변화를 얻기 위하여, 상기 비구면 표면은 광축 주위의 영역에서는 포지티브의 곡률(C > 0)을 갖고 광선(R1)이 진행하는 주변의 영역에서는 네가티브의 곡률(C < 0)을 갖는다. 국소 곡률 C = 0 인 특징을 갖는 변곡점(IP)은 (광축 주위의) 볼록한 부분과 (주변부에서의) 오목한 부분 사이에 위치한다. 이러한 방법으로 얻어지는 곡률의 국소적인 변화가 광학적인 관점에서는 바람직할 수도 있지만, 효율적인 표면 연마를 위해 적당한 직경을 갖는 마무리 도구(도 33(b)에서 도구(T)로서 개략적으로 도시되어 있다)는 변곡점 주위의 영역에서 실질적으로 불균일한 효과를 가질 수 있기 때문에, 표면의 마무리가 고려될 때 변곡점들은 문제가 된다. 그러므로, 변곡점을 갖는 비구면 표면들이 충분한 광학적 품질을 얻기는 어렵다.
비구면 표면이 변곡점을 갖지 않는다면 이러한 문제는 피할 수 있다. 도 34에 도시된 투영 대물렌즈(1800)(상세한 사항은 표 34 및 34A에 주어짐)는 비구면 표면들이 변곡점을 갖지 않도록 설계되어 있다.
제조의 관점에서 문제가 되는 것으로서 발명자에 의해 확인된 또 다른 비구면 표면들의 특징이 도 35와 함께 설명된다. 발명자는, 광축의 바깥쪽에 있는 비구면 표면의 표면 형태에서 극점(최소 또는 최대)들이 회피될 수 있거나, 또는 그것이 가능하지 않다면, 본질적으로 평평한 기본 형태를 갖는 비구면 표면들에서만 극점들이 사용된다면, 비구면 표면들의 높은 광학적 품질을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 도 35에서, 두 개의 비구면 표면(AS1,AS2)들의 표면 형태가 함수 p(h)의 항으로서 도시되어 있다. 여기서, p 는 광축에 평행하게(z-방향으로) 측정되며, h 는 한 표면 점의 높이로서, 상기 높이는 표면 점과 광축 사이의 반경 방향의 거리에 해당한다. 여기서 사용된 파라미터 p 는, 광축에 수직하며 관련된 표면 점을 교차하는 평면의, 상기 평면에 평행하며 광축 상의 광학소자들의 꼭지점에 접하는 평면에 대한 축 방향의 간격을 나타낸다.
이러한 관점에서, 비구면 표면 상의 극점은, (상기 표면의 경사를 나타내는) 1차 도함수가
Figure 112011073655989-pat00010
이고, 2차 도함수(여기서 상기 2차 도함수는 표면 곡률을 나타낸다)가
Figure 112011073655989-pat00011
라는 사실에 의해 특징지워질 수 있다. 그러므로, 도 35의 제 1 비구면(AS1)은 제 1 극점(EX11)과 상기 2차 도함수와 반대의 부호를 갖는 제 2 극점(EX12)을 갖는 반면, 제 2 비구면(AS2)은 단지 하나의 극점(EX21)만을 갖는다. 여기서 사용된 정의들에서, 광학면의 꼭지점(V)(여기서 h = 0)은, 상기 꼭지점이 항상 여기서 고려되는 회전 대칭인 비구면 표면의 극점이기 때문에, 고려 대상에서 제외된다.
도 35에서, 표면 형태는 광축(h = 0)과, 예컨대, 연마법에 의해 도구로 마무리되는 상기 표면 영역의 외측 주변부 사이에서 개략적으로 묘사된다. 이러한 마무리 영역은 최대 높이 hmax 에 의해 특징지워진다. 동작시에 광학적으로 사용되는 최대 영역은 일반적으로 더 작아서, 광학적으로 유용한 반경이 최대 값 hopt < hmax 으로 특징지워진다. 광학적으로 사용되는 영역의 가장자리와 광학소자의 가장자리 사이에 있는 광학적으로 사용되는 영역의 외측 영역은 초과 영역(OR)으로 표시된다. 상기 영역은 일반적으로 광학소자의 설치에 사용된다. 그러나, 제조시에 상기 초과 영역은 최적의 표면 형태에 관한 고려 사항에 포함되어야 한다.
이하에서, 최적의 표면 품질이 요구되는 경우, 비구면 표면상에 극점들이 문제가 되는 이유에 대해 설명한다. 이를 위해, 적당한 크기의 직경을 갖는 회전 연마 도구(T)가 제 1 극점(EX11)이 영역에서 동작한다. 상기 극점(EX11) 주위의 "골(valley)"과 도구(T) 사이의 상대적인 치수에 따라, 오목한 골의 바닥에 있는 영역은 상기 도구가 대부분의 경우 상기 문제의 바닥 영역을 "건너기" 때문에 충분히 연마되지 않을 수 있다. 그러므로, 극점의 영역에서 표면 품질은 상기 문제의 극점으로부터 떨어진 영역들의 표면 품질과는 다를 수 있다. 반면에, 상기 극점이 비구면 표면상의 볼록한 "산(hill)"에 해당하는 경우에는, 상기 영역은 주위의 영역보다 더 강하게 연마될 수 있고, 이는 또한 극점 영역에서 표면 품질의 불규칙성을 유발할 수 있다. 비구면 표면이 극점을 갖지 않는다면(꼭지점에서 필요한 극점을 제외하고), 이러한 문제들은 회피될 수 있다. 광학적으로 사용되는 영역의 주위 영역이 처리될 때 상기 도구(T)가 최대 광학적으로 사용되는 영역(hopt)을 넘어 일반적으로 연장되기 때문에, 가장자리 영역(OR)에서도 역시 극점들이 회피되는 것이 바람직하다.
한편, 극점을 갖는 비구면 표면은 자오선 방향으로 비구면 표면의 굴절력의 변화를 얻는 데 요구될 수도 있다. 본질적으로 평평한 기본 형태를 갖는 광학면 위에 극점들이 존재한다면, 제조의 관점에서 극점을 허용할 수 있음이 본 발명자에 의해 발견되었다. 예컨대, 평볼록 또는 평오목 렌즈의 평평한 면에 또는 평면 평행판의 표면에 비구면 표면이 형성될 수도 있다. 바람직하게는, 극점을 갖는 그러한 표면들의 최대 z-변화(pmax)의 절대값은 0.5mm 를 초과하여서는 안되며, 보다 바람직하게는 0.25mm 보다 작아야 한다. 그러므로, 광학적 표면 품질에 있어서의 심각한 불규칙성 없이 비구면 표면상의 극점들의 광학적인 이점을 얻을 수 있다.
도 36에는, 광축의 외부에서 모든 비구면 표면들에 극점이 없는 투영 대물렌즈(1900)의 실시예가 도시되어 있다. 그 상세한 사항은 표 36 및 36A에 주어져 있다. 극점을 갖는 비구면 표면이 요구되어야 하는 경우에는, 본질적으로 평평한 기본 형태를 갖는, 통상적으로는, │r│ > 2000mm 의 긴 곡률 반경을 갖는 광학면 상에 극점이 형성된다.
도 37 및 39는, 도 4에 주어진 일반적인 구조에 따라 설계된, 즉 반사광학식(순수 반사식) 제 2 대물렌즈부(2020,2120)를 각각 구비하는 투영 대물렌즈(2000, 2100)의 실시예를 도시하고 있다. 유사한 특징부/특징 그룹들에 대한 참조 번호는 유사하며, 각각 1800, 1900씩 증가되어 있다. 그 상세한 사항은 표 37, 37A 및 38, 38A에 주어져 있다. 이러한 실시예들을 설계할 때, 비구면과 같은 약간의 보정 수단과 적당한 수의 렌즈소자들을 구비하는 균형있는 설계가 강조되었다. 또한, 투영 대물렌즈의 여러 부품들 사이의 굴절력의 균형있는 분포는 광학 시스템 전체에 걸쳐 조화로운 빔 편향에 기여한다. 조화로운 일반적인 구조는, 단일한 렌즈소자 또는 렌즈 그룹의 잘못된 조정에 덜 민감하게 만들고, 예컨대 단일한 렌즈 또는 렌즈 그룹을 축 방향으로, 광축에 수직한 방향으로 이동시키거나 및/또는 기울임으로써 광학 시스템의 성능에 동적으로 영향을 주는 조작장치의 통합을 용이하게 한다.
도 37의 실시예에서는, 상술한 고려 사항들에 따라 제조될 수 있으며 상대적으로 비용 효율적인 방법으로 검사될 수 있는 단지 10개의 비구면 표면들이 사용된다. 마지막 광학소자(이미지 평면(2002)의 바로 앞에 있는 평볼록 렌즈(2050))는 광학적 사용 영역의 가장자리에서 약 23mm 의 두께를 갖는 용융 실리카로 이루어진다. 전체적인 파면 오차(wave front error)는 1.6mλ 으로 감소된다. 모든 렌즈들은 용융 실리카로 이루어지며, 상기 모든 렌즈들을 제조하는 데 약 60kg 의 용융 실리카 반제품 재료가 필요하다. 반면, 도 38의 실시예의 마지막 렌즈소자를 형성하는 평볼록 렌즈(2150)는 불화칼슘으로 이루어지는 데, 상기 재료는 방사광에 의해 유발되는 밀도 변화(압밀(compaction) 및 희박화(rarefaction))에 덜 민감하다. 적당한 노력으로 제조될 수 있는 12개의 비구면 표면들을 사용하면, 2.1mλ 의 파면 오차로 특징되는 성능을 얻는 것이 가능하다. 약 63kg 의 용융 실리카와 1.5kg 의 불화칼슘으로 된 전체적인 반제품의 질량이 본 실시예에 사용된다.
도 39 및 40에는, 물체 필드를 제 1 중간상으로 결상시키는 제 1 대물렌즈부가 만곡된 미러면을 갖는 하나의 오목 미러와 하나의 추가적인 미러를 포함하는 반사굴절식 대물렌즈부인 것을 무엇보다도 특징으로 하는 두 개의 실시예가 도시되어 있다. 여기서, 상기 제 1 대물렌즈부가 모든 대물렌즈부들에 대한 하나의 공통된 직선형 광축을 갖는 양호한 실시예의 투영 대물렌즈에서 릴레이 시스템으로서 역할을 할 수 있도록, 오목 미러와 추가 미러의 만곡된 미러면은 서로 대향한다.
도 39에 도시된 상기 투영 대물렌즈(2200)의 상세한 사항은 표 39 및 39A(비구면 상수)에 주어져 있다. 상기 시스템은 액침 유체로서 물(n = 1.436677)을 사용하기 위한 것으로 193nm 용으로 설계되었다. 마지막의 이미지측 광학소자(불화칼슘으로 된 평볼록 렌즈(2260))를 제외하고 모든 렌즈들은 용융 실리카로 이루어진다. 이미지측 개구수 N = 1.2 는 광축 바깥쪽 21.8mm 에 배치된 26mmㆍ5.5mm 의 이미지 필드 크기에서 얻어진다. 트랙 길이(물체 이미지간 거리)는 1125mm 이다.
제 1 반사굴절식 대물렌즈부(2210)는 제 1 중간상(2203)을 형성하기 위해 설계된다. 상기 제 1 중간상으로부터 제 2 중간상(2204)을 형성하기 위해 설계된 제 2 반사굴절식 대물렌즈부(2220)는 서로 대향하는 오목한 미러면들을 가지며 미러간 공간을 형성하는 제 1 오목 미러(2221)와 제 2 오목 미러(2222), 및 상기 제 1 중간상의 바로 하류측에 있는 비구면의 오목한 입사면을 갖는 포지티브 메니스커스 렌즈(2229)를 포함한다. 굴절광학식 제 3 대물렌즈부(2230)는 상기 제 2 중간상을 이미지 평면(2202) 위로 결상시키도록 설계되며, 그럼으로써 물(액침 유체(I))의 얇은 막이 방사광에 의해 통과되도록 한다. 개구 조리개(A)는 제 3 대물렌즈부에 위치한다.
제 1 대물렌즈부(2210)는, 물체 필드로부터의 광학적인 순서에 따라, 강한 비구면의 입사면과 비구면의 출사면을 갖는 양면볼록 포지티브 렌즈(2211), 비구면의 오목한 입사면과 비구면의 출사면을 갖는 포지티브 메니스커스 렌즈(2212), 및 물체측에 오목한 미러면을 가지며 광축에 대해 편심되어 광축(2205)을 가로지르도록 배치된 오목 미러(2213)를 포함한다. 상기 오목 미러로부터 반사된 방사광은 물체 필드와 오목 미러(2213) 사이를 지나가는 방사광과 비교하여 광축을 중심으로 대부분 맞은 편에서 상기 포지티브 메니스커스(2212)를 반대 방향으로 통과한다. 볼록한 미러면을 갖는 추가 미러(2214)는, 볼록 렌즈(2211)의 이미지측 표면에 있는, 축에서 벗어난 미러 코팅에 의해 제공된다. 방사광은 제 1 중간상의 형성 이전에 상기 포지티브 메니스커스(2212)를 세 번 통과한다. 그러므로, 상기 렌즈(2212)는 측방으로 오프셋 된 렌즈 영역에서 세 번 사용된다.
오목 미러(2213)가 광학적으로 동공면 근처에 위치하는 반면에, 볼록 미러(2214)는 광학적으로 중간상(2203) 근방에 배치되어 있다. 그러므로, 상기 오목 및 볼록 미러(2213,2214)들의 형상에 따라 선택함으로써 필드 수차 및 동공 수차가 개별적으로 보정될 수 있다. 이는 제 1 중간상(2203)의 보정 상태를 조절하는 것을 허용하며, 반사굴절식 제 2 대물렌즈부(2220)를 포함하는 제 1 중간상의 하류측에 있는 두 개의 대물렌즈부에 의해 잔여 결상 오차가 보상될 수 있도록 한다.
제 1 대물렌즈부는 상당한 배율 │β1│ > 1 을 갖는 확대 시스템으로서 설계된다. 상기 제 1 중간상(2203)은 기하학적으로 상기 제 2 대물렌즈부의 오목 미러(2221,2222)들 사이에 형성된 미러간 공간의 외부에 있는 오목 미러(2213)의 가장 가까운 가장자리 근방에 위치하며, 그럼으로써 제 1 중간상과 제 1 오목 미러(2221) 사이의 광학적 거리는 보다 커지는 반면, 제 2 오목 미러(2222)와 제 2 중간상(2204) 사이의 광학적 거리는 보다 작아진다. 그러므로, 제 2 대물렌즈부의 오목 미러들의 크기는 크게 다르며, 제 1 오목 미러의 광학적 사용 영역은 제 2 오목 미러의 대응하는 영역보다 약 2 배 정도 크다. 두 개의 오목 미러(2221,2222)들은, 광학적으로 사용되는 미러면들이 광축과 교차하지 않도록, 모두 광축의 바깥쪽에 위치한다. 오목 미러들이 주요광선과 주변광선의 광선 높이 사이의 비율에 있어서 상이한 위치들에 위치하기 때문에, 상이한 결상 오차들에 대한 오목 미러들의 보정 효과들이 두 개의 반사굴절식 대물렌즈부(2210,2220)들 사이에 분포될 수 있다.
도 40에 도시된 투영 대물렌즈(2300)는 시스템의 설계 파장 λ(193nm) 또는 그 일부(예컨대, λ/2 또는 λ/4 또는 그 이하) 정도에서 한정된 이미지측 작동 거리(working distance)를 갖는 "고체 액침 렌즈(solid immersion lens)"로서 설계된다. 마지막 렌즈의 출사면으로부터 출사되는 소산 필드(evanescent field)가 결상에 사용될 수 있다. 상기 시스템은 광학식 근접장(near field) 리소그래피에 적용된다. 본 출원인에 의해 2003년 7월 9일자로 출원되고, 광학식 근접장 리소그래피를 위한 양호한 조건들이 상세히 설명된 독일 특허 출원 DE 10332112.8 호가 참조된다. 이 경우에, NA > 1 의 이미지측 개구수를 얻는 데 어떠한 액체 액침 유체도 필요하지 않다. 본 실시예에서, 22mmㆍ4.5mm 의 이미지 필드 크기에 대하여 NA = 1.05 이며, 여기서 상기 이미지 필드는 광축으로부터 39mm 벗어나 배치되어 있다. 전체적인 축소 비율은 1:4 이고, 트랙 길이는 1294.4mm 이다. 본 설계에서, 마지막의 이미지측 평볼록 렌즈(2360)를 포함하는 모든 렌즈들은 용융 실리카로 이루어진다. 상세한 사항은 표 40 및 40A(비구면 상수)에 주어져 있다.
확대된 스케일로 물체 필드로부터 제 1 중간상(2303)을 형성하기 위해 설계된 제 1 반사굴절식 대물렌즈부(2310)는, 광경로를 따라 순서대로, 비구면의 입사면과 비구면의 출사면을 갖는 양면볼록 포지티브 렌즈(2311), 물체측 미러면을 갖는 오목 미러(2312), 상기 오목 미러와 대향하는 약간 만곡된 볼록한 미러면을 가지며 상기 렌즈(2311)의 이미지측 렌즈면의 상승된 부분에 있는 미러 코팅에 의해 형성되는 볼록 미러(2313), 오목한 입사면을 갖는 양면구면(bispherical) 포지티브 메니스커스 렌즈(2314), 및 상기 제 1 중간상(2303)의 바로 근처에 위치하는 강한 비구면의 출사면을 갖는 양면볼록 포지티브 렌즈(2315)를 포함한다.
제 2 반사굴절식 대물렌즈부(2320)는 상기 제 1 중간상(2303)을 수광하여 기하학적으로 제 2 대물렌즈부의 제 1 오목 미러(2321)와 제 2 오목 미러(2322)에 의해 형성된 미러간 공간 내에 위치하는 제 2 중간상(2304)을 형성한다. 상기 제 2 대물렌즈부는 네가티브 메니스커스 렌즈(2325,2326)를 더 포함하는 데, 그 각각은 각각 연관된 오목 미러(2321,2322)들의 미러면 바로 앞에 위치한다. 이러한 방법으로 종방향 색수차(CHL)에 대한 강력한 보정 효과를 얻을 수 있다. 물체측 비구면 표면과 이미지측 구면 표면을 갖는 양면볼록 포지티브 렌즈(2328)는 제 1 및 제 2 오목 미러(2321,2322) 사이에서 투영 대물렌즈의 전체 직경을 가로질러 연장되며, 방사광에 의해 세 차례(즉, 제 1 중간상과 제 1 오목 미러 사이의 첫 번째, 제 1 및 제 2 오목 미러(2321,2322)들 사이의 두 번째, 그리고 제 2 오목 미러(2322)와 제 2 중간상(2304) 사이의 세 번째) 통과된다.
본 실시예에서, 세 개의 오목 미러(2312,2321,2322)들 모두는 투영 대물렌즈의 동공면으로부터 광학적으로 떨어져 위치한다. 또한, 거의 평평한 볼록 미러(2313)는 명백히 제 1 동공면(P1)의 외부에 위치한다. 이러한 설계는, 상기 반사굴절식 대물렌즈부들의 보정 효과들을 제 1 및 제 2 대물렌즈부 사이에 분포시키도록 한다.
본 발명은, 투영 노광 장치 내에의 실용적인 구현의 많은 관점에서, 일반적인 굴절식 투영 대물렌즈들과 유사한 특성들을 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈들의 제조를 가능하게 하며, 그럼으로써 굴절식 시스템과 반사굴절식 시스템 사이의 변경이 매우 용이하게 된다. 먼저, 본 발명은 하나의 직선형(절곡되지 않은) 광축을 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈들을 제조하는 것을 가능하게 한다. 또한, 광축의 일측에 배치된 물체 필드는 광축의 반대측에 배치된 이미지 필드로 결상될 수 있다. 즉, "음(-)의 배율"을 갖는 결상이 수행된다. 세 번째, 대물렌즈들은 등방적인 배율(isotropic magnification)을 갖도록 설계될 수 있다. 여기서, "등방적인 배율"이라는 용어는 "이미지의 뒤집힘(image flip)"이 없는, 즉 물체 필드와 이미지 필드 사이의 광학 이성질성(chirality)의 변화가 없는 이미지 형성을 나타낸다. 다르게 말하면, 우선성(right-handed) 좌표계에서 그려진 레티클 상의 특징들이 유사한 우선성 좌표계에서 이미지 내에 그려질 수 있다. 음의 등방적인 배율은 광축에 수직한 x- 및 y-방향들에 모두 존재한다. 이는, 굴절식 투영 대물렌즈로 결상시키는 데 사용되는 것과 동일한 타입의 레티클을 사용하는 것을 허용한다. 이러한 특징들은, 예컨대, 레티클 스테이지 및 이미지 스테이지에서 주요한 재구성을 요구하지 않기 때문에, 굴절식 투영 대물렌즈용으로 설계된 종래의 노광 장치에 본 발명에 따른 반사굴절식 투영 대물렌즈의 사용을 용이하게 한다. 또한, 굴절식 투영 대물렌즈와의 사용을 위해 설계된 레티클들이, 원리적으로, 본 발명에 따른 반사굴절식 투영 대물렌즈들과도 역시 사용될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 최종 사용자는 상당한 비용의 절감을 얻을 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 본 발명은, 특히 NA > 1 의 개구수에서 액침 리소그래피를 허용하며, 상대적으로 적은 양의 광학 재료로 제조될 수 있는, 높은 개구수를 갖는 반사굴절식 투영 대물렌즈를 제조하는 것을 허용한다. 적은 재료 소비의 가능성은, 특히 컴팩트한 투영 대물렌즈가 제조될 수 있다는 사실을 나타내는 이하의 파라미터들을 고려하여 입증된다.
일반적으로, 투영 대물렌즈의 크기는 이미지측 개구수 NA 가 커짐에 따라 급격하게 증가하는 경향이 있다. 경험적으로, 최대 렌즈 직경 Dmax 는 Dmax ～ NAk (여기서, k > 1) 에 따라 NA 의 증가와 함께 선형보다 강력하게 증가하는 경향이 있다는 것이 알려져 있다. 값 k = 2 는 본 출원의 목적을 위해 사용된 근사값이다. 더욱이, 최대 렌즈 직경 Dmax 는 (이미지 필드 높이 Y'로 표시되는) 이미지 필드 크기에 비례하여 증가한다. 선형의 의존성은 본 출원의 목적을 위해 가정된다. 이러한 고려 사항들을 기초로, 제 1 컴팩트 파라미터 COMP1은 다음과 같이 정의된다:
Figure 112011073655989-pat00012
컴팩트한 설계가 요구된다면, 이미지 필드 높이와 개구수의 주어진 값들에 대하여, 제 1 컴팩트 파라미터 COMP1 이 가능한 작아야 한다는 것은 명백하다.
투영 대물렌즈를 제공하기 위해 필요한 전체적인 재료 소비를 고려하면, 렌즈의 절대적인 개수 NL 이 또한 관련된다. 통상적으로, 적은 수의 렌즈들을 갖는 시스템은 많은 수의 렌즈들을 갖는 시스템에 비해 바람직하다. 그러므로, 제 2 컴팩트 파라미터 COMP2는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112011073655989-pat00013
.
다시, COMP2 에 대한 작은 값은 컴팩트한 광학 시스템을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 투영 대물렌즈는 입구측의 필드 평면을 광학적으로 공액인 출구측의 필드 평면에 결상시키기 위한 적어도 세 개의 대물렌즈부들을 가지며, 여기서 결상 대물렌즈부들은 중간상들의 위치에서 연결된다. 통상적으로, 투영 대물렌즈를 제조하기 위해 필요한 렌즈들의 개수 및 전체적인 재료는, 광학 시스템의 결상 대물렌즈부들의 개수 NOP 가 증가할수록 증가한다. 한 대물렌즈부 당 렌즈의 평균 개수 NL/NOP 를 가능한 작게 유지하는 것이 요구된다. 따라서, 제 3 컴팩트 파라미터 COMP3은 다음과 같이 정의된다:
Figure 112011073655989-pat00014
다시, 낮은 광학 재료 소비를 갖는 투영 대물렌즈들은 작은 값의 COMP3을 특징으로 할 것이다.
표 41은 컴팩트 파라미터 COMP1, COMP2, COMP3, 및 상세한 표(표 41의 제 1 행에 (도면과 동일한 번호에 해당하는) 표의 번호가 주어진다)로 제공된 각각의 시스템들에 대한 상기 세 개의 파라미터들의 각각의 값들을 계산하기 위해 필요한 값들을 요약하고 있다. 그러므로, 적어도 하나의 오목 미러와 적어도 세 개의 결상 대물렌즈부(즉, 적어도 두 개의 중간상)를 갖는 컴팩트한 반사굴절식 투영 대물렌즈를 얻기 위해서는, 다음의 조건들 중 적어도 하나를 따라야 한다. 즉,
COMP1 < 11
바람직하게는 COMP1 < 10.8, 더 바람직하게는 COMP1 < 10.4, 보다 더욱 바람직하게는 COMP1 < 10 을 따라야 한다.
COMP2 < 300
바람직하게는 COMP2 < 280, 더 바람직하게는 COMP2 < 250, 보다 더욱 바람직하게는 COMP2 < 230 을 따라야 한다.
COMP3 < 100
바람직하게는 COMP3 < 90, 더 바람직하게는 COMP2 < 80, 보다 더욱 바람직하게는 COMP3 < 75 을 따라야 한다.
표 41은 본 발명에 따른 양호한 실시예들이, 본 명세서에서 제시된 설계 규칙에 따라 적당한 재료 소비를 갖는 컴팩트한 설계를 얻고 있음을 나타내는 상기 조건들 중 적어도 하나를 일반적으로 따르고 있다는 것을 보여준다.
소망하는 경우, 투영 대물렌즈들의 광학소자들 사이의 빈 공간을 채우기 위하여 여러 가지 종류의 충전 가스(filling gas)가 사용될 수 있다. 예컨대, 실시예의 소망하는 특성에 따라 공기, 질소 또는 헬륨이 충전 가스로서 사용될 수 있다.
양호한 실시예는 다음의 조건들 중 하나 이상을 특징으로 한다. 제 1 대물렌즈부는 바람직하게는 1 < │β1│ < 2.5 범위의 배율 β1 을 갖는 확대 시스템으로서 설계된다. 이는, 제 1 중간상에서 낮은 개구수를 보장하며 비네팅 문제를 피하는 데도 도움이 된다. 또한, │β1│는 1:1 일 수도 있으며, 또는 약간 작은, 예컨대 0.8 ≤│β1│≤ 1 일 수도 있다. 제 2 대물렌즈부는 바람직하게는 확대나 축소가 거의 없는 1 에 가까운 배율을 갖는 시스템으로서 설계된다. 특히, 제 2 대물렌즈부는 0.4 < │β2│ < 1.5 의 범위, 보다 바람직하게는 0.8 < │β2│ < 1.25 의 범위 또는 0.9 < │β2│ < 1.1 의 범위의 배율 β2 을 갖는 시스템으로서 설계될 수 있다. 제 3 대물렌즈부는 바람직하게는 │β3│ < 1 의 촉소 배율을 갖는다. 전체적인 투영 대물렌즈는 배율 β(여기서, β = β1ㆍβ2ㆍβ3)을 갖는다. 제 2 중간상은 이미지 크기보다 큰 크기를 가질 수 있다.
바람직하게는, 제 1 중간상과 제 2 중간상은 모두 기하학적으로 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치한다. 이들은, 기하학적으로 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에서 두 오목 미러들 사이의 중점을 중앙으로 하는 중간 영역에 위치할 수도 있는데, 여기서 상기 중간 영역은 제 1 및 제 2 오목 미러의 만곡 표면들의 꼭지점들 사이의 축 방향 거리의 90% 이하의 축 방향 범위를 갖는 공간 내에서 연장된다.
두 개의 오목 미러들 사이의 광축 상에서의 거리를 d 라 하고, 제 1 중간상과 제 1 오목 미러 사이의 광축 상에서의 거리를 d1 이라 하고, 제 2 오목 미러와 제 2 중간상 사이의 광축 상에서의 거리를 d2 라 할 때, 바람직하게는 다음의 관계식 0.5d/2 < d1 < 1.5d/2 및 0.5d/2 < d2 < 1.5d/2 가 만족된다. 위에서 언급된 거리들은, 절곡될 수도 있는 광축을 따라 측정된다. 바람직하게는, 축에서 가장 벗어난 필드 점의 주광선은, 두 오목 미러들 사이의 d/4 내지 3d/4 사이의 범위 내에서 상기 제 1 중간상의 위치 부근에서 광축을 교차한다. 따라서, 동공 위치는 미러들로부터 떨어져 있다.
중간상과 그 다음의 광학면(대부분의 실시예에서는 미러면) 사이에 유한한 최소의 거리가 존재하도록 적어도 하나의 중간상, 바람직하게는 모든 중간상들이 위치하는 것이 광학 시스템을 설계하는 데 유용하다는 것이 발견되었다. 유한한 최소 거리가 유지된다면, 원하는 패턴의 이미지가 왜곡될 정도로 광학면에서의 오염이나 결함이 이미지 평면에 예리하게 결상되는 것을 피할 수 있다. 바람직하게는, 상기 유한 거리는, 중간상 다음에 있는 광학면 상에서 방사광의 서브-개구(특정 필드 점의 자국)(sub-aperture)가 적어도 3mm, 또는 적어도 5mm, 또는 적어도 10mm, 또는 적어도 15mm 의 최소 직경을 갖도록, 중간상에서의 방사광의 개구수에 따라 선택된다. 미러간 공간 내의 중간상과 상기 중간상에 광학적으로 가장 가깝게 배치된 미러면 사이의 거리에 관하여 이들 조건들이 대부분 또는 모든 실시예들에서 쉽게 만족된다는 것은 도면 및 표들로부터 명백하다. 오목 미러들 사이의 중간 영역에 배치된 중간상들을 갖는 실시예들은 이러한 점에서 특히 우수한 성질을 갖는다.
위에서 언급된 실시예들의 모든 투명한 광학소자들은 - 불화칼슘일 수도 있는 마지막에 있는 이미지측 렌즈는 예외로 할 수도 있지만 - 동일한 재료, 즉 용융 실리카(SiO2)로 제조된다. 그러나, 다른 재료, 특히 동작 파장에서 투명한 알카리 토금속 불화물 결정(crystalline alkaline earth metal fluoride)도 역시 사용될 수 있다. 필요하다면, 예컨대, 색수차에 대한 보정을 보조하기 위하여, 적어도 하나의 제 2 재료가 사용될 수도 있다. 물론, 본 발명의 이점들은 다른 파장, 예컨대, 248nm 또는 157nm 에서의 사용을 위한 시스템의 경우에도 역시 활용될 수 있다.
일부 또는 모든 조건들이 위에서 기술된 일부 또는 모든 실시예들에서 만족된다.
위에서 언급된 모든 실시예들은 실제의 물체(real object)로부터 (예컨대, 웨이퍼 위로) 실상(real image)을 형성하기 위한 완전한 시스템인 것으로 이해될 수 있다. 그러나, 상기 시스템은 보다 큰 시스템의 부분 시스템으로서 사용될 수도 있다. 예컨대, 위에서 언급된 시스템에 대한 "물체"는 물체 평면의 상류측에 있는 결상 시스템(릴레이 시스템)에 의해 형성된 이미지일 수도 있다. 마찬가지로, 위에서 언급된 시스템에 의해 형성된 이미지는 이미지 평면의 하류측에 있는 시스템(릴레이 시스템)에 대하여는 물체로서 사용될 수도 있다.
바람직한 실시예들의 상술한 내용은 예시의 방법으로 주어졌다. 주어진 개시로부터, 본 기술분야의 당업자는 본 발명 및 그에 따르는 이점들을 이해할 뿐만 아니라 개시된 구조 및 방법들에 대한 명백한 여러 가지 변화 및 변형들을 찾아낼 것이다. 따라서, 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 것으로, 첨부된 청구범위들에 의해 정의된 것과 그 균등물들로 모든 변화 및 변형들을 포함할 것이 요구된다.
모든 청구범위의 내용은 참조에 의해 본 명세서의 일부를 이룬다.
[표 4]
Figure 112011073655989-pat00015
[표 4A]
Figure 112011073655989-pat00016
[표 7]
Figure 112011073655989-pat00017
[표 7A]
Figure 112011073655989-pat00018
[표 8]
Figure 112011073655989-pat00019
[표 8A]
Figure 112011073655989-pat00020
[표 16]
Figure 112011073655989-pat00021
[표 16A]
Figure 112011073655989-pat00022
[표 17]
Figure 112011073655989-pat00023
[표 17A]
Figure 112011073655989-pat00024
[표 19]
Figure 112011073655989-pat00025
[표 19A]
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[표 41]
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200 : 투영 대물렌즈 201 : 물체 평면
202 : 이미지 평면 203 : 제1 중간상
204 : 제2 중간상 210, 220, 230 : 대물렌즈부
221, 222 : 오목 미러

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  9. 투영 대물렌즈의 물체 평면 내에 제공된 패턴을 투영 대물렌즈의 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 반사굴절식 투영 대물렌즈에 있어서,
    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;
    상기 제 2 중간상을 이미지 평면 위로 결상시키기 위한 제 3 대물렌즈부를 포함하며,
    상기 제 1 대물렌즈부는 순수 굴절식이고;
    상기 제 2 대물렌즈부는 제 1 오목 미러 및 적어도 하나의 제 2 오목 미러를 가지며 렌즈가 없는 반사광학식 대물렌즈부이며;
    상기 제 3 대물렌즈부는 굴절식 대물렌즈부이고;
    상기 투영 대물렌즈는 축외 필드(off-axis field)를 이용하고, 동공 암흑화(obscuration)를 갖지 않는 암흑화되지 않은(unobscured) 시스템인, 투영 대물렌즈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    모든 오목 미러들은 동공면으로부터 광학적으로 떨어져서 주광선 높이가 결상 공정 중의 주변광선 높이를 초과하는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 정확히 두 개의 오목 미러와 정확히 두 개의 중간상을 포함하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  12. 제 9 항에 있어서,
    제 1 대물렌즈부는 굴절광학식 결상 시스템이고;
    제 2 대물렌즈부의 상기 오목 미러들의 오목한 미러면은 서로 대향하여 미러간 공간을 형성하고;
    적어도 제 1 중간상은 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 중간상과 제 2 중간상은 모두 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 대물렌즈부, 제 2 대물렌즈부 및 제 3 대물렌즈부는 하나의 공통된 직선형 광축을 공유하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  15. 제 9 항에 있어서,
    오목 미러의 적어도 하나의 미러면은 비구면인 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 상기 제 1 오목 미러로부터 반사된 방사광이 제 2 오목 미러에 충돌하기 전에 광축을 교차하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 미러면은 중단되지 않고(unbroken), 홀을 가지지 않는 투영 대물렌즈.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 중간상과 상기 제 2 중간상 모두는 기하학적으로 상기 제 1 오목 미러와 상기 제 2 오목 미러 사이의 미러간 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  19. 제 9 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 NA > 0.9 의 이미지측 개구수를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  20. 제 9 항에 있어서,
    마지막 광학소자와 이미지 평면 사이의 이미지측 작동 거리가 1 보다 큰 굴절률을 갖는 액침 매질로 채워지는, 수차들에 대해 적응된 액침 대물렌즈로서 구성된 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  21. 제 9 항에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 액침 매질과 함께 사용될 때, NA > 1.1 의 이미지측 개구수를 갖는 것을 특징으로 하는 투영 대물렌즈.
  22. 조명 시스템 및 반사굴절 투영 대물렌즈를 갖는 마이크로리소그래피용 투영 노광 시스템에 있어서,
    상기 투영 대물렌즈는 청구항 9에 따른 투영 대물렌즈인 투영 노광 시스템.
  23. 반도체 소자 또는 다른 타입의 마이크로 소자를 제조하는 방법으로서,
    소정의 패턴을 갖는 마스크를 제공하는 단계;
    소정의 파장을 갖는 자외선광으로 상기 마스크를 조명하는 단계; 및
    청구항 9에 따른 반사굴절 투영 대물렌즈를 사용하여 투영 대물렌즈의 이미지 평면 근처에 배치된 감광 기판 위로 상기 패턴의 이미지를 투영하는 단계;를 포함하는 반도체소자 또는 다른 종류의 마이크로 소자를 제조하는 방법.
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