TWI420249B - 投影曝光裝置、投影曝光方法及投影物 - Google Patents

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Description

投影曝光裝置、投影曝光方法及投影物
本發明係關於一種投影曝光裝置，其用於使配置於投影物之影像表面之區域中的具有配置於投影物之物件表面之區域中的光罩之圖案之至少一影像的輻射敏感基板曝光，且係關於一種可借助於該投影曝光裝置來執行之投影曝光方法，及係關於一種能夠用於彼裝置及方法中之投影物。
現今，微影投影曝光方法佔優勢地用於製造半導體組件及其他精細圖案化之組件。此涉及使用載有或形成待成像之結構之圖案(例如，半導體組件之層之線狀圖案)的光罩(主光罩)。將光罩定位於投影曝光裝置中照明系統與投影物之間的投影物之物件表面之區域中且以由照明系統提供之照明光來照明。由光罩及圖案更改之光作為投影光通過設計成縮小物之投影物且將光罩之圖案以縮微比例成像於通常載有輻射敏感層(光阻)之待曝光之基板上。
在為微影製程選擇適合之投影曝光裝置及方法時，必需考慮到適應於(尤其)將在所曝光基板內製造之結構的典型結構大小的各種技術及經濟準則。將製造之半導體組件之結構可含有細小金屬軌跡及/或矽軌跡及其他結構元素，其臨界尺寸(CD)可顯著地小於用於成像之紫外光的操作波長。
大型整合式半導體組件之製造常常必須在某些條件下製造三維圖案化組件之至少一些層，關於某些條件，投影物之影像側數值孔徑NA及所用紫外光之操作波長λ足以根據方程式R＝k1 (λ/NA)以製程依賴常數k1 <1來獲得解析度R，對於關鍵層而言該解析度可(例如)小於100 nm。針對此等高解析度最佳化之投影曝光裝置通常使用操作波長λ<200 nm，詳言之λ＝193 nm或λ＝157 nm。
然而，在波長λ200 nm時，僅少許足夠透明之材料可用於製造透明光學元件。其主要包括在下至193 nm時為足夠透明之合成熔融矽土，且亦包括即使在157 nm或更小之波長時仍展現足夠低之吸收的一些氟化物晶體材料。在此種情況下，對於透鏡及其他光學元件之製造而言，主要是氟化鈣及氟化鋇具有實際重要性。然而，由於該等材料之阿貝數彼此相對接近，所以在此波長範圍中難以使用純折射方法來校正色像差。因此，對於λ＝193 nm且詳言之對於λ＝157 nm而言，使用除許多透鏡外亦含有至少一凹面鏡之反射折射投影物。
具有一或兩個中間影像之許多已知反射折射投影物具有至少一凹面鏡，該至少一凹面鏡配置於光學系統之光瞳表面之區域中，且定位至少一負透鏡使其直接鄰接於該至少一凹面鏡。靠近光瞳之負透鏡可提供可至少部分地補償其他物部分之色校正不足的色過校正。具有單個中間影像以及幾何或物理光束分裂以及至少一平面折疊鏡的此等投影物之實例展示於申請者之WO 2004/099600 A2或專利US 6,424,471 B1或US 6,665,126 B2中。
亦熟知包含三個級聯成像物部分(亦即，具有兩個中間影像)的投影物。一第一折射子系統(縮寫為"R")產生一物件之一第一真實中間影像。一具有一凹面鏡之第二反射折射子系統(縮寫為"C")由該第一中間影像產生一真實的第二中間影像。一第三折射子系統將該第二中間影像成像於影像平面中。在展示於US 2003/0011755 A1中的關於157 nm之操作波長之實例中，在此等三個物部分之間的光束路徑之偏轉由兩個彼此取向成直角之平面鏡來達成，藉此投影物之物件平面及影像平面彼此取向為平行的。
亦存在具有直線連續光軸之未折疊反射折射投影物(同線系統)，其具有一與一經指派負透鏡配置於光瞳附近的凹面鏡以及至少一另外的凹面鏡。具有一具有用於產生一中間影像之兩個凹面鏡的第一反射折射物部分及一用於將中間影像成像於影像表面上的第二折射物部分的關於193 nm之操作波長的實施例展示於EP 1 069 488 A1中。US 6,600,608揭示光瞳昏暗之同線系統，其具有靠近光瞳且刺入使用區域之兩個凹面鏡。
相反，關於具有顯著大於150 nm之典型結構大小的中等關鍵或非關鍵層的製造，按照慣例使用針對大於200 nm之操作波長而設計的投影曝光裝置。在此波長範圍中，使用純折射(折光)縮小物，其之製造歸因於其關於光軸之旋轉對稱而可容易受到控制。在此種情況下，主要用於365.5 nm±2 nm之操作波長的投影曝光裝置(所謂的i－line系統)已經使用了較長時間。其使用水銀蒸汽燈之i－line，借助於濾光器或以某其他方法來將其自然頻寬限於一較窄之使用頻寬△λ，例如，約2 nm。在此類型之光源的情況下，在投影期間使用相對寬波長帶之紫外光，結果為投影物必須實現對色像差之相對大的校正以在所求解析度下即使以此寬頻帶投影光亦確保低像差成像。
在以寬頻帶方式操作之折射投影物之情況下，關於色校正，使用具有足夠不同之阿貝數的各種透鏡材料，其適合地分散於投影物內不同光線高度比之區域中以獲得色校正。用於典型i－line投影物中之透明材料包括(詳言之)合成熔融矽土及來自公司SCHOTT(Mainz，德國)的以名稱FK5、LF5及LLF1出售的特殊玻璃。在此等光學玻璃之情況下，合成熔融矽土及FK5玻璃為具有相對低色散之玻璃(冕玻璃)的典型代表，而LF5及LLF1玻璃為具有相對高色散之玻璃(燧石玻璃)的典型代表。使用具有複數個細部及凸出之折射縮小物之已知形式。具有縮微作用的NA>0.6之三凸出系統之實例展示於德國專利申請案DE 102 21 386 A1中(對應於US 6,806,942 B2)，該等系統具有具綜合正折射力之三個凸出及具有綜合負折射力之兩個細部且在其中高色散玻璃及低色散玻璃之界定分散用於色校正。
本發明之一目標為提供一種投影曝光裝置，其能夠確保在操作波長λ>200 nm時以相對寬頻帶投影輻射達成光罩結構之大部分無色像差之縮微成像，且其同時可在窄品質容差內被經濟地製造。
為達成本發明之此目標及其他目標，根據本發明之一表述，提供一種投影曝光裝置，其用於用配置於一投影物之一物件表面之區域中的一光罩之一圖案之至少一影像，對配置於該投影物之一影像表面之區域中的一輻射敏感基板進行曝光，該投影曝光裝置包含：一光源，其用於發射來自一波長帶的紫外光，該波長帶具有在中央操作波長λ>200 nm周圍的頻寬△λ>10 pm；一照明系統，其用於接收來自該光源之光且用於成形導引至光罩之圖案上之照明輻射；及一投影物，其用於藉由來自具有在中央操作波長λ>200 nm周圍之頻寬△λ>10 pm之波長帶的投影光以影像側數值孔徑NA>0.6將光罩之結構縮微成像至光敏感基板上；其中該投影物為一反射折射投影物，且含有配置於該投影物之光瞳表面之區域中的至少一凹面鏡，及一具有直接鄰接於該凹面鏡而配置於靠近光瞳表面之區域中之至少一負透鏡的負透鏡群，其中成像之邊部光線高度(MRH)大於主光線高度(CRH)。
專家先前假定在來自波長範圍λ>200 nm之光源以相對寬頻帶之方式來輻射的投影曝光裝置中，折射投影物為較佳的，因為關於色散及折射率充分不同之眾多透鏡材料可用於色校正且因此有可能與在製造工程方面容易控制之純折射投影物一起使用，以建構(例如)色校正之i－line物(亦即，用於約365 nm之操作波長的物)。然而，現今，此假定不再正確或僅為部分正確的。因為近年來已相當大規模地建構用於來自深紫外線範圍(DUV)之波長(例如，193 nm或157 nm)之投影物，因此在較高波長下適合於消色差化(色校正)之玻璃的市場不再以此等類型之玻璃可以足夠數量及品質來購得之規模存在。發明者已認識到，若使用具有至少一凹面鏡之色校正之反射折射投影物來替代一色校正之折射投影物，則可避免由此產生之問題。
此反射折射設計方法使得有可能(尤其)提供展現足夠高程度之色像差之校正的投影物，其不需要用於色校正之不同透鏡材料。如已知的，有可能藉由將一由具有相對低色散之材料製成的會聚透鏡與一由具有相對高色散之第二材料製成的經指派發散透鏡組合來達成消色差化。在此種情況下，消色差化變得愈簡單，色散差異愈大。材料選擇之總限制可藉由本發明來避免。藉由實例，投影物之所有透鏡之至少90%或所有透鏡有可能由具有本質上相同色散之一種或複數種材料製造。可能存在之色散差異可小於10%，詳言之小於5%。藉由實例，在熔融矽土系統中，替代由合成熔融矽土製成之透鏡，亦有可能提供由FK5製成之透鏡，其在193 nm時僅具有約3%更高之色散。
在一些實施例中，假定投影物之所有透鏡之至少90%由同一材料製成。較佳地，所有透明光學組件由同一材料組成。特定言之，將合成熔融矽土用於多數或所有透明光學組件被認為係有利的，因為在下至193 nm時足夠透明之此材料現在可高品質大規模地購得。
若合成熔融矽土用作透鏡材料，則其可用於以下透鏡：曝光於尤其高之輻射負荷下且(例如)在不由合成熔融矽土而是由不同透鏡材料(諸如氟化鈣)製成之影像表面附近具有小直徑，以(例如)避免歸因於折射率之輻射誘發改變之問題(例如，壓縮)。在此種情況下，第二材料不用於色校正，而是用以改良整個投影物之長期穩定性。
在許多實施例中，凹面鏡配置於投影物之光瞳表面之區域中，且一具有至少一負透鏡之負透鏡群直接鄰接於凹面鏡而配置於靠近光瞳之區域中。"靠近光瞳之區域"在此意義上係(詳言之)由在靠近光瞳之區域中成像之邊部光線高度(MRH)大於主光線高度(CRH)之事實來辨別的。較佳地，在負透鏡群之區域中，邊部光線高度為主光線高度之至少兩倍大，詳言之至少5至10倍大。在大邊部光線高度之區域中負透鏡群可尤其有效地有助於色校正，詳言之有助於縱向色像差CHL之校正，因為薄透鏡之縱向色像差CHL與在透鏡之位置處的邊部光線高度之平方成比例(且與折射力成比例且與透鏡之色散成反比例)。此外是投影輻射在相反之通過輻射方向上兩次通過直接鄰接於凹面鏡來配置之負透鏡群的事實，結果為使用了負透鏡群之色過校正效應兩次。負透鏡群可(例如)由單個負透鏡組成或含有至少兩個負透鏡。負透鏡群亦有可能含有至少一繞射光學元件(DOE)(見(例如)美國申請案第60/699483號，尚未公開)。
已發現，若負透鏡群之至少一光學元件之直徑及折射力經設計成使得負透鏡群對色校正之過校正貢獻之總和為投影物之剩餘光學元件之校正不足貢獻之總和的至少60%，較佳為至少65%或至少70%，則為有利的。
一配置於光瞳附近之凹面鏡與一配置於鏡表面正前方之負透鏡群的組合－以"Schupmann消色差"方式來起作用(比較US 620,978)－可用於具有多種構造之反射折射系統中。具有至少一中間影像之折疊反射折射投影物之代表實例展示於(例如)US 6,909,492 B2或US 2004/0160677 A1或US 2003/0011755 A1中，該折疊反射折射投影物具有與可用於消色差化之單個反射折射群組合的一或多個平面折疊鏡。具有一配置於光瞳附近之凹面鏡且具有另一凹面鏡之未折疊投影物(同線系統)展示於(例如)EP 1 069 448 A1中。部分地具有四個或六個凹面鏡之其他同線系統展示於專利US 6,636,350或US 6,995,918中。此種類之系統類型原則上在相應調適後可用於本發明之環境中。
在稱為"i－line系統"之實施例之情況下，光源包含一水銀蒸汽燈，其中所發射之紫外光源自具有中央操作波長λ＝365.5 nm之波長帶。此處典型頻寬在△λ＝2 nm之範圍內。作為一替代，舉例而言，有可能使用XeF雷射作為光源，該雷射在來自約351 nm周圍之範圍之中央操作波長下具有典型頻寬△λ＝0.2 nm。發光二極體(LED)亦可用作光源，該二極體(例如)發射在中央操作波長λ＝248 nm周圍頻寬△λ＝10 nm的光。在具有中央操作波長λ＝248 nm之習知KrF準分子雷射之情況下，按照慣例使用之頻寬收縮可避免，結果為尤其可使用此等光源之節省成本的寬頻帶變化。
在此種情況下，術語"光源"意欲不僅包含發射主要輻射之主要光源，且亦包含可能存在之器件，諸如濾光器、光闌、頻寬收縮模組或其類似物，其用於在由主要光源發射之主要輻射進入照明系統之前更改主要輻射之光譜。
為了使投影物在所要波長帶內之一給定波長或複數個給定波長下適當地起作用，投影物必須經組態以允許使用來自透鏡物所針對設計之波長帶之光的基板之曝光。此波長帶亦可表示為"設計波長帶"，且表示包括投影物之光學效能足夠良好以允許像差程度相對低之繞射受限成像的彼等波長之波長範圍。舉例而言，在投影物之組態使得設計波長帶包括水銀g－line、h－line及i－line時，投影物可結合高功率水銀弧燈來用作投影曝光裝置之光源。因此，校正經組態以與水銀弧燈一起使用之投影物，使得波長帶(設計波長帶)包括水銀g－line、h－line及i－line。在此種情況下，對於約365 nm(i－line)、約405 nm(h－line)及約436 nm(g－line)之水銀線中之至少一者而言，最佳化光學效能，而在設計波長帶外，光學效能可顯著地惡化。通常，專門為包括水銀g－line、h－line及i－line之設計波長帶最佳化之投影物不可經操作而用於在顯著較小波長下進行曝光，諸如在波長小於約260 nm之深紫外光(DUV)區域及/或在(例如)波長大於約500 nm之可視波長範圍內。
投影物可經設計使得在或接近波長帶中之一波長時僅存在一共聚焦點。波長可為水銀線中之一者的波長，例如，約365 nm之i－line周圍。投影物在設計波長帶之各別兩個或兩個以上波長下亦可具有兩個、三個或三個以上之共聚焦點。在針對兩個或兩個以上波長校正投影物時，此等波長可用於曝光，藉此光源之輸出功率之大部分可用於曝光，藉此可獲得每時間單位所曝光基板之較高產出。
在較佳實施例中，投影物經組態使得在波長λ>320 nm下存在至少一共聚焦點。在此種情況下，具有在約351 nm至約353 nm之範圍中之中央操作波長及0.2 nm之典型頻寬的氟化氙雷射(XeF雷射)可用作主要光源。或者，光源可包含一發射水銀g－line、h－line及i－line之水銀蒸汽燈，其中彼等線中之至少一者(諸如，約365 nm之水銀i－line)可用於曝光。
本發明亦係關於具有至少一凹面鏡之反射折射投影物之使用，其用於借助於來自具有在中央操作波長λ>200 nm周圍之頻寬△λ>10 pm之波長帶的投影光以影像側數值孔徑NA>0.6來將配置於投影物之物件表面中之光罩之圖案縮微成像於投影物之影像表面中，該影像表面相對於物件表面為光學共軛的。
雖然在折疊變化之情況下，使用反射折射設計之此可能性省去旋轉對稱、純折射投影物之生產技術優勢，但關於可用於透明光學元件之材料，因此呈現了新的自由度。若適當，則以反射折射設計方法，所有透鏡及其他透明光學元件有可能由一種及同一透鏡材料(詳言之合成熔融矽土)製成。此消除了對愈來愈難以良好品質購得之玻璃材料(諸如FK5、LF5或LL1)的依賴。
本發明亦係關於一種投影曝光方法，其用於用配置於一投影物之一物件表面之區域中的一光罩之一圖案之至少一影像，對配置於該投影物之一影像表面之區域中的一輻射敏感基板進行曝光，該方法包含：將光罩配置於投影物之物件表面之區域中；以來自具有在中央操作波長λ>200 nm周圍之頻寬△λ>10 pm之波長帶的照明光來照明光罩；借助於一反射折射投影物藉由來自具有在中央操作波長λ>200 nm周圍之頻寬△λ>10 pm之波長帶的投影光以影像側數值孔徑NA>0.6來將光罩之圖案縮微成像，該反射折射投影物含有配置於投影物之光瞳表面之區域中的至少一凹面鏡，及一具有直接鄰接於該凹面鏡而配置於靠近光瞳表面之區域中之至少一負透鏡的負透鏡群，其中成像之邊部光線高度(MRH)大於主光線高度(CRH)。
此等及其他特徵不僅自申請專利範圍而且自描述及圖式顯現，在該種情況下，個別特徵可得以實現，且在每一種情況下在本發明之實施例中及在其他領域中其自身或作為以次組合形式之複數來構成有利的及固有可保護之實施例。本發明之示範性實施例說明於圖式中且更詳細地解釋於下文中。
在對較佳實施例之以下描述中，術語"光軸"表示通過光學組件之彎曲部分之中央的一直線或一直線段序列。光軸在折疊鏡(偏轉鏡)或其他反射性表面處折疊。在實例中，物件為具有積體電路之圖案的光罩(主光罩)；亦可涉及(例如)一格柵之不同圖案。在實例中，將影像投影於具備光阻層且充當基板之晶圓上。其他基板(例如，用於液晶顯示器之元件或用於光學格柵之基板)亦為可能的。
展示於圖式之圖中的示範性實施例之詳述指定於表中，表之編號分別對應於圖式之相應圖的編號。
圖1示意性地展示以晶圓掃描器之形式的微影投影曝光裝置100，其經設立以用於製造大型整合式半導體組件之特定層且視設定而定來准許以下至R＝180 nm之解析度能力來成像。將中央操作波長為約351 nm且具有0.2 nm之典型頻寬的氟化氙雷射(XeF雷射)用作主要光源102。此XeF雷射具有約351 nm及約353 nm之發射線。在示範性系統中，353 nm之發射線由濾光器遮蔽掉。剩餘的、緊密鄰近之351 nm之發射線具有約200 pm之間距且在此光源中聯合地使用。
下游照明系統110接收來自主要光源102之光，且在其出射平面111中產生一大的、清晰定界的、非常均勻地受到照明之照明場，該照明場經調適以適於下游投影物120之焦闌性要求且以照明系統之光軸112為中心。照明系統110具有用於選擇照明模式之器件且在該實例中可在具有可變程度之相干、環形照明之習知照明與偶極或四極照明之間轉換。
配置於照明系統之出射側最末光學元件與投影物之入口之間的器件116係用於固持及操縱光罩115，使得待製造之半導體組件之特定層的圖案(配置於光罩上－)係於投影物之物件平面111中，該物件平面與照明系統之出射平面重合。照明系統之光軸112與投影物之光軸124相對於彼此而橫向地偏移，以產生相對於投影物之光軸124的軸外場。用於固持及操縱光罩之器件116(通常稱為"主光罩台")含有一掃描器驅動器，該掃描器驅動器使光罩能夠在掃描方向118上平行於投影物之物件表面111或垂直於投影物及照明系統之光軸來移動。
投影物120在亦名為光罩平面之平面111之光路下游而行，作為縮小物之該投影物經設立用於以縮小比例(例如，4：1或5：1或10：1之比例)將由光罩承載之結構之縮微影像成像於塗佈有光阻層之晶圓130上。充當光敏感基板之晶圓130係以使其平坦基板表面與投影物120之影像平面121重合的方式來配置。晶圓由器件126(晶圓台)固持，器件126包含一掃描器驅動器以使晶圓以平行於光罩115之方式與光罩115同步地移動。
投影物120具有作為最靠近影像平面121之最末、透明光學組件之平凸透鏡122，作為投影物之最末光學表面的該平凸透鏡之平坦出射表面係以一氣體填充間隙位於該投影物之出射表面與晶圓之基板表面(乾燥系統)之間的方式而配置於該基板表面上方幾毫米之工作距離處。
充當縮小物之投影物120除了複數個示意性指示之透鏡(透鏡之典型數目常常為10個以上或15個以上之透鏡)外(且若適當)具有其他透明光學組件、一(至少一個)凹面鏡125，其在該實例之情況下經配置而鄰接於投影物之光瞳表面。對於第一重要之應用而言，投影物之影像側數值孔徑為NA>0.6，且在許多實施例中，其在約NA＝0.65與NA＝0.85之間。結果，在由光源102預定之操作波長下，下至R＝180 nm之典型解析度為可能的。
圖2展示可用於根據圖1之投影曝光裝置中之反射折射投影物200的第一實施例。其經提供以用於將一光罩之圖案－配置於其物件平面OS中－以4：1之縮小比例來成像於其經取向而平行於物件平面之影像平面IS上。在此種情況下，正好兩個真實中間影像IMI1及IMI2產生於物件平面與影像平面之間。一第一、純折射物部分OP1係以使位於物件平面中之圖案以約β1 ＝－0.8之比例來成像於第一中間影像IMI1中之方式而設計。一反射折射第二物部分OP2將第一中間影像IMI1成像於第二中間影像IMI2中，實質上未改變大小(成像比例|β2 |1：1)。一第三、純折射(折光)物部分OP3經設計成將第二中間影像IMI2以極大縮微(|β3 <<1)來成像於影像平面IS中。
投影物200為具有各自經組態為成像系統且經由中間影像鏈接之複數個級聯物部分的"串聯式"投影物之實例，由光路中前面成像系統產生之影像(中間影像)用作用於光路中後繼成像系統之物件，該後繼成像系統可產生另一中間影像(如在第二物部分OP2之情況下)或形成投影物之最末成像系統，該最末成像系統在投影物之影像平面中產生影像場(如同第三物部分OP3)。圖2所示之類型的系統亦稱為R－C－R系統，其中"R"表示折射成像系統且"C"表示反射折射成像系統。
成像系統之光瞳表面位於物件平面與第一中間影像之間、第一中間影像與第二中間影像之間，以及第二中間影像與影像平面之間，其中光學成像之主光線CR與光軸OA相交。第一物部分OP1之光瞳表面P1為可自由存取的。由具有兩個負透鏡N1、N2且被通過兩次之負透鏡群NG直接在上游居於前之凹面鏡CM配置於反射折射物部分OP2內第二光瞳表面P2之區域中。負透鏡群之兩個透鏡N1、N2經配置而與凹面鏡同軸。無光學元件配置於負透鏡群中之透鏡與凹面鏡之間。位於第三物部分之最大光束直徑之區域與影像平面IS之間的可調整孔徑光闌AS配置於第三物部分OP3內第三光瞳表面P3之區域中。
在本申請案中只要提及"邊部光線高度"(MRH)或"主光線高度"(CRH)，則此意謂近軸邊部光線高度及近軸主光線高度。
表2以表之形式總結了設計之詳述。在此種情況下，行1指定折射表面或以某其他方式來辨別之表面的編號，行2指定表面之半徑r(mm)，行4指定表面與隨後表面之間的距離d－作為厚度－(mm)，且行5指定光學組件之材料。行6指示材料之折射率，且行7指定透鏡之可用自由半徑或自由半直徑或透鏡高度(mm)。半徑r＝0對應於平坦表面。在行3中識別非球面。表2A指定相應非球面資料，根據以下規範來計算非球面表面：p(h)＝[((1/r)h2 )/(1＋SQRT(1－(1＋K)(1/r)2 h2 ))]＋C1*h4 ＋C2*h6 ＋..
在此種情況下，半徑之倒數(1/r)指定表面曲率，且h指定表面點與光軸之間的距離(亦即，光線高度)。因此，p(h)指定所謂之矢，亦即在z方向(光軸之方向)上表面點與表面頂點之間的距離。在表2A中複製常數K、C1、C2...。
給定一縮微成像比例4：1(β＝－0.25)，在物件側及影像側上為焦闌之投影物具有一影像側數值孔徑NA＝0.7且針對中央操作波長λ＝351.1 nm而最佳化。所有透鏡由在λ＝351.1 nm時具有折射率nsio2 ＝1.4767之合成熔融矽土組成。影像場大小為26 mm乘5.5 mm。
在光源以寬頻帶方式來輻射之情況下，投影物必須設計成將色像差減少至使對於微影應用而言有可能實現具有足夠品質之多色成像的程度。就初步近似而言，在此處必須主要校正初級色像差，諸如縱向色像差(CHL)及色放大像差(CHV)。另外，應盡可能地使高斯像差(孔徑像差之色變化)最小化。對於色像差之校正而言很重要的主要是用於凹面鏡CM及在該鏡上游被通過兩次的發散透鏡N1及N2的直徑以及在靠近影像的後面、第三物部分中之透鏡的直徑。此等值對於縱向色像差之校正而言為關鍵的。色放大像差CHV大體上受光瞳位置之上游及下游處之透鏡之折射力分布及受與主光線高度有關之透鏡的巧妙定位影響。
投影物200展現了顯著的色校正，其中CHL＝－0.057 nm/pm、CHV＝0.009 nm/pm。色散焦像差為0 nm/pm。在具有正折射力之總系統中所要求之色過校正佔優勢地發生於在第二物部分OP2之凹面鏡正前方且在下文中亦稱為"負透鏡群"或"Schupmann透鏡"之負透鏡N1及N2的區域中。在該實施例中，關於直徑及折射力確定其尺寸，使得其對色校正之過校正貢獻的總和實質上正好平衡用作中繼系統之第一物部分OP1及用作聚焦系統之折射第三物部分OP3的校正不足貢獻的總和。由表2B，此變為清楚的，表2B展示關於投影物200個別光學表面(行1)對縱向色像差CHL(行2)及對色放大像差CHV(行3)的貢獻。若第i物部分對縱向色像差之貢獻之總和由CHLi指明(i＝1,2,3)，且對色放大像差之相應貢獻之總和由CHVi指明(i＝1,2,3)，則以下保持為真：CHL1＝－0.008057；CHV1＝－0.004255；CHL2＝0.030971；CHV2＝0.002446；CHL3＝－0.022857；CHV3＝0.001818。
根據所有貢獻之總和，此得到總縱向色像差CHL＝CHL1＋CHL2＋CHL3＝0.000057及對色放大像差之貢獻的總和CHV＝CHV1＋CHV2＋CHV3＝0.000009。因此，對於CHL，68%以上之色過校正係由Schupmann透鏡N1及N2實現，藉此很大程度上補償了所有其他子系統之貢獻。
此實例說明在此等系統中不必為了色校正而使用具有不同色散之材料。此並未排除具有至少兩種不同材料之透鏡可用於本發明之實施例中的事實。藉由實例，替代由合成熔融矽土製成之透鏡，有可能使用由特殊玻璃FK5製成之相應透鏡，其就阿貝數及色散(例如，色散約3%更高)而論具有非常類似之光學性質，結果為透鏡之配置及形式僅在此種類之變化上稍有不同。以下考慮在材料選擇中可為有用的。具有折射率n(視波長λ而定)之材料的阿貝數v大體應定義如下： 其中λ1 及λ2 <λ1 為判定用於阿貝數之計算之臨界頻寬的不同波長。n λ 1 為在λ1 下存在之折射率。在約351.1 nm且頻寬為1 nm之XeF雷射之波長範圍中，此造成阿貝數v＝2870且色散△n＝nλ2 －nλ1 ＝1.661x1Φ－4 。為FK5相應計算出的值為(例如)：v＝2956及△n＝1.712x10－4 。為了進行比較，亦應指定關於氟化鈣(CaF2 )之相應值，對於其而言，以下保持為真：v＝3904及△n＝1.143x10－4 。合成熔融矽土與FK5之間色散之小差異展示此等材料在系統中可實質上交替地使用且此等兩種材料之組合不可對色校正做出明顯貢獻。雖然石英玻璃或FK5與CaF之組合由於色散之差異而可用於色校正，但在本發明之實施例中此並非為必要的。
關於具有類似於圖2中之構造的構造且NA＝0.7之另一R－C－R系統－未說明於圖中－之詳述指定於表2'及2'A中。將此投影物設計為用於操作波長λ＝356.5±2 nm之i－line物且藉由縱向色像差CHL＝－0.03 nm/pm及0.09 nm/pm之高斯像差而辨別。
圖3展示具有偏振光束分光器之反射折射投影物300的另一示範性實施例，其針對操作波長λ＝351.2 nm±2 nm而設計且可因此或者併入於圖1中裝備有XeF雷射的投影曝光裝置中。此"立方設計"之詳述指定於表3及3A中。投影物經提供以用於將一光罩之圖案－配置於其物件平面OS中－以4：1之縮小比例來成像於其經取向而平行於物件平面之影像平面IS上，正好產生一真實中間影像IMI。在此種情況下，用以光軸OA為中心之方式來配置的物件場OF借助於第一、反射折射物部分OP1來未經顯著放大或縮微地成像於中間影像IMI中，該中間影像藉由隨後、純折射第二物部分OP2以約4：1之縮微比例來成像於居中之影像場中。第一物部分OP1含有一凹面鏡CM，一負透鏡群NG配置於該凹面鏡CM正前方，該負透鏡群NG包含兩個負凹凸透鏡N1及N2且帶來對縱向色像差之顯著比例的校正。具有相對於光軸成45°之偏振選擇光束分光器表面BSS之物理光束分光器BSC用於將自物件平面OS傳遞至凹面鏡CM之輻射與在凹面鏡與影像表面之間傳遞之輻射分離。
投影物係與線性偏振光一起操作，線性偏振光在物件平面OS與光束分光器BSC之間的光束路徑中之較佳偏振方向(電場向量之振動方向)相對於光束分光器表面BSS最初為s偏振(垂直於由折疊光軸橫跨之入射平面的電場向量之振動)，結果為輻射在凹面鏡之方向上首先自光束分光器表面反射。在光束分光器表面與凹面鏡之間，λ/4相位遲滯板RE位於鄰接負透鏡NL處，且首先將通過之輻射轉變為入射於凹面鏡上之圓偏振輻射。在凹面鏡與光束分光器之間的返迴路徑上，輻射再次通過λ/4板RE，藉此將輻射轉變為由光束分光器表面透射的在下游第二物部分OP2之方向上實質上無任何損失的p－偏振輻射。將相對於光束分光器表面成90°之平面折疊鏡FM提供於光束路徑中光束分光器BSC之正後方，且結合光束分光器表面來確保物件平面與影像平面可經取向而彼此平行。中間影像出現於該折疊鏡正後方距該折疊鏡一段光學距離處，使得鏡表面上之可能缺陷未顯著地損害成像。如在根據圖2之實施例中，可調整孔徑光闌AS位於最大光束直徑之區域與影像平面之間折射物部分OP2之末端區域中，其中輻射已具有一朝向影像平面IS之明顯會聚路線。
圖4展示反射折射投影物400之另一實施例，其包含一具有在此折疊變化(h折疊)之情況下在構造上為必要的第一、平面折疊鏡FM1以及平行定位物件平面OS及影像平面IS所需之可選、第二折疊鏡FM2的幾何光束分光器BS。詳述指定於表4及4A中。一具有一凹面鏡CM及一配置於凹面鏡CM正前方且具有兩個負凹凸透鏡N1及N2以及一配置於相對小邊部光線高度之區域中且具有物件側凹面之薄負凹凸透鏡NL的負透鏡群NG的第一、反射折射物部分OP1將軸外物件場OF低縮微地成像於位於第二折疊鏡FM2正後方且藉由折射第二物部分OP2以縮微方式成像於影像表面IS上的單獨中間影像IMI中。給定一縮微成像比例4：1，在物件側及影像側上為焦闌之投影物具有一影像側數值孔徑NA＝0.7且針對中央操作波長λ＝351.2 nm而最佳化。在此種情況下，所有透鏡由合成熔融矽土組成，因為詳言之CHL之色校正實際上可專門藉由安置於凹面鏡CM上游且配置於大邊部光線高度之區域中的負透鏡群NG之負凹凸透鏡N1及N2獲得。因此，即使給定200 pm之XeF光源頻寬，實質上無色像差之成像為可能的。
圖5所示之反射折射投影物500為所謂同線系統之一實例，在其中，所有光學組件具有一共同、直線連續(未折疊)之光軸OA。詳述指定於表5及5A中。一第一、反射折射物部分OP1以稍放大之成像比例將軸外物件場OF成像於單獨之真實中間影像IMI中，真實中間影像IMI係藉由隨後之純折射第二物部分OP2以極大縮微比例來成像於影像表面IS上。第一物部分OP1具有：一第一凹面鏡CM1，該第一凹面鏡CM1具有一面向物件平面之凹非球面鏡表面；以及一第二凹面鏡CM2，該第二凹面鏡CM2幾何配置於第一凹面鏡與物件表面之間，且該第二凹面鏡CM2之非球面鏡表面面向影像表面IS。第一凹面鏡CM1位於第一物部分之光瞳表面P1之區域中，其中成像之主光線CR與光軸OA相交；因此，其為所謂的"光瞳鏡"。光瞳鏡之受照明表面包括光軸。相反，第二凹面鏡CM2用於反射之彼區域在幾何上位於光軸OA外遠離光瞳之區域中；換言之，此鏡僅離軸地受照明。雙凹面負透鏡NL位於第一凹面鏡CM1正前方，輻射通過該雙凹面負透鏡NL兩次且其作為靠近光瞳之負透鏡群對色校正之主要部分做出了貢獻。
在本文中藉由實例來解釋之示範性實施例之一些重要性質以總結方式表示於表6中。為每一示範性實施例指定以下項：影像側數值孔徑NA、設計所基於之操作波長λ、操作波長之波前誤差之均方根(RMS)誤差、校正過之頻寬△λ、所用之整個頻寬之平均波前誤差RMSpoly 、縱向色像差CHL、高斯像差GF、凹面鏡之直徑DS、最大透鏡之直徑DL，及"軌跡長度"TL，亦即物件平面與影像平面之間的軸向距離。
由CHL及GF之非常低的值可看出，用於寬頻帶應用之投影物展現顯著之色校正。凹面鏡及最大透鏡之直徑的值展示反射折射投影物之使用使得有可能以中等透鏡直徑來建構相對細長之系統，結果為亦可經濟地使用透鏡材料。有可能在不為了色校正而使用特殊玻璃－可能在受限程度上購得－之情況下獲得此等實際優勢。所有示範性實施例專門以可高品質大規模購得之合成熔融矽土製成之透鏡來建構。
100．．．微影投影曝光裝置
102．．．主要光源
110．．．照明系統
111．．．物件平面/出射平面
112．．．光軸
115．．．光罩
116．．．器件
118．．．掃描方向
120．．．投影物
121．．．影像平面
122．．．平凸透鏡
124．．．光軸
125．．．凹面鏡
126．．．器件
130．．．晶圓
300．．．反射折射投影物
400．．．反射折射投影物
500．．．反射折射投影物
AS．．．孔徑光闌
BS．．．幾何光束分光器
BSC．．．物理光束分光器
BSS．．．偏振選擇光束分光器表面
CM．．．凹面鏡
CR．．．主光線
FM．．．平面折疊鏡
FM1．．．第一、平面折疊鏡
FM2．．．可選、第二折疊鏡
IMI．．．中間影像
IMI1．．．第一中間影像
IMI2．．．第二中間影像
IS．．．影像平面
N1．．．負透鏡/發散透鏡/負凹凸透鏡
N2．．．負透鏡/發散透鏡/負凹凸透鏡
NG．．．負透鏡群
NL．．．負透鏡/雙凹面負透鏡
OA．．．光軸
OF．．．物件場
OP1．．．第一物部分
OP2．．．第二物部分
OP3．．．第三物部分
OS．．．物件平面
P1．．．第一光瞳表面
P2．．．第二光瞳表面
P3．．．第三光瞳表面
RE．．．λ/4相位遲滯板
圖1示意性地展示根據本發明之一實施例之微影投影曝光裝置；圖2為用於根據圖1之投影曝光裝置中之反射折射投影物的第一實施例之示意性透鏡剖面；圖3為一反射折射投影物之第二實施例之透鏡剖面；圖4為一反射折射投影物之第三實施例之透鏡剖面；圖5為一反射折射投影物之第四實施例之透鏡剖面。
100．．．微影投影曝光裝置
102．．．主要光源
110．．．照明系統
111．．．物件平面/出射平面
112．．．光軸
115．．．光罩
116．．．器件
118．．．掃描方向
120．．．投影物
121．．．影像平面
122．．．平凸透鏡
124．．．光軸
125．．．凹面鏡
126．．．器件
130．．．晶圓

Claims (52)

  1. 一種投影曝光裝置，其用於用配置於一投影物之一物件表面之區域中的一光罩之一圖案之至少一影像，對配置於該投影物之一影像表面之區域中的一輻射敏感基板進行曝光，該投影曝光裝置包含：一光源，其用於發射來自一波長帶的紫外光，該波長帶具有在一中央操作波長λ>200nm周圍的一頻寬△λ>10pm；一照明系統，其用於接收來自該光源之該光且使導引至該光罩之該圖案上之照明輻射成形；及一投影物，其用於藉由來自一波長帶的投影光，以一影像側數值孔徑NA>0.6，將該光罩之結構縮微成像至一光敏感基板上，該波長帶具有在一中央操作波長λ>200nm周圍之一頻寬△λ>10pm；其中該投影物為一反射折射投影物，且含有：至少一凹面鏡，該至少一凹面鏡配置於該投影物之一光瞳表面之一區域中；及一負透鏡群，該負透鏡群具有直接鄰接於該凹面鏡而配置於一靠近該光瞳表面之區域中之至少一負透鏡，其中該成像之一邊部光線高度(MRH)大於一主光線高度(CRH)。
  2. 如請求項1之投影曝光裝置，其中在該負透鏡群之區域中該邊部光線高度為該主光線高度之至少兩倍大及至少5倍大及至少10倍大中之至少一者。
  3. 如請求項1之投影曝光裝置，其中無光學元件配置於該 凹面鏡與該負透鏡群中之該至少一負透鏡之間。
  4. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該負透鏡群係與該凹面鏡同軸地配置。
  5. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該負透鏡群係直接鄰接於該凹面鏡來配置，使得投影輻射在相反通過輻射方向上通過該負透鏡群兩次。
  6. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該負透鏡群係由一單個負透鏡組成。
  7. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該負透鏡群包含至少兩個負透鏡。
  8. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該負透鏡群含有至少一發散凹凸透鏡。
  9. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該負透鏡群含有至少一繞射光學元件。
  10. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該負透鏡群中之該至少一光學元件之一直徑及一折射力係設計成使得該負透鏡群對色校正之過校正貢獻的一總和為該投影物之剩餘光學元件之校正不足貢獻之總和的至少60%。
  11. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該投影物之所有透鏡之至少90%或所有透鏡由具有實質上相同之色散的一種或複數種材料製成，所用材料之色散之一差異小於10%。
  12. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該投影物之所有透鏡之至少90%由同一材料製成。
  13. 如請求項1之投影曝光裝置，其中所有透明光學組件係由同一材料組成。
  14. 如請求項13之投影曝光裝置，其中該同一材料為合成熔融矽土。
  15. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該光源係設計成用於發射來自一波長帶的紫外光，該波長帶具有在一中央操作波長λ>320nm周圍之一頻寬△λ>100pm。
  16. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該光源含有一水銀蒸汽燈。
  17. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該光源為一XeF雷射。
  18. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該光源含有至少一發光二極體(LED)。
  19. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該光源係設計成用於發射來自一波長帶的紫外光，該波長帶具有在一中央操作波長λ>320nm周圍之一頻寬△λ>100pm，且其中該投影物之所有透鏡之至少90%或所有透鏡係由具有實質上相同之色散的一種或複數種材料製成，所用材料之色散之一差異小於10%。
  20. 如請求項19之投影曝光裝置，其中該投影物之所有透鏡之至少90%係由同一材料製成。
  21. 如請求項19之投影曝光裝置，其中所有透明光學組件係由同一材料組成。
  22. 如請求項21之投影曝光裝置，其中該同一材料為合成熔融矽土。
  23. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該投影物經組態使得至少一中間影像形成於該物件表面與該影像表面之間。
  24. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該投影物經組態使得正好兩個中間影像形成於該物件表面與該影像表面之間。
  25. 如請求項1之投影曝光裝置，其中該投影物包含：一第一成像物部分，其經組態以將一配置於該物件表面中之圖案成像於一第一中間影像中；一第二物部分，其經組態以將該第一中間影像成像於第二中間影像中；及一第三物部分，其經組態以將該第二中間影像成像於該影像表面中。
  26. 如請求項25之投影曝光裝置，其中該第一物部分為一折射物部分，該第二物部分為一包括該至少一凹面鏡之反射或反射折射物部分，且該第三物部分為一折射物部分。
  27. 如請求項1之投影曝光裝置，其中在一包括波長λ>320nm之設計波長帶中之一波長下該投影物具有至少一焦點。
  28. 如請求項27之投影曝光裝置，其中在一包括水銀g-line、a-line及i-line之設計波長帶中之一波長下該投影物具有至少一焦點。
  29. 一種投影曝光方法，其用於用配置於一投影物之一物件表面之區域中的一光罩之一圖案之至少一影像，對配置 於該投影物之一影像表面之區域中的一輻射敏感基板進行曝光，該投影曝光方法包含：將該光罩配置於該投影物之該物件表面之該區域中；以來自一波長帶的照明光來照明該光罩，該波長帶具有在一中央操作波長λ>200nm周圍之一頻寬△λ>10pm；借助於一反射折射投影物，藉由來自一波長帶之投影光，以一影像側數值孔徑NA>0.6將該光罩之該圖案縮微成像，該波長帶具有在一中央操作波長λ>200nm周圍之一頻寬△λ>10pm，該反射折射投影物包含：至少一凹面鏡，該至少一凹面鏡配置於該投影物之一光瞳表面之一區域中；及一負透鏡群，該負透鏡群具有直接鄰接於該凹面鏡而配置於一靠近該光瞳表面之區域中之至少一負透鏡，其中該成像之一邊部光線高度(MRH)大於一主光線高度(CRH)。
  30. 如請求項29之方法，其中該光罩係以來自一波長帶的照明光來照明，該波長帶具有在一中央操作波長λ>320nm周圍之一頻寬△λ>100pm。
  31. 一種投影物，其包含：複數個光學元件，其經組態來以來自一波長帶的紫外光，以一影像側數值孔徑NA>0.6，用配置於該投影物之一物件表面之一區域中的一光罩之一圖案之至少一縮微影像，對一配置於該投影物之一影像表面之一區域中的輻射敏感基板進行曝光，該波長帶具有在一中央操作波長λ>200nm周圍之一頻寬△λ>10pm； 其中該投影物為一反射折射投影物，且含有：至少一凹面鏡，該至少一凹面鏡配置於該投影物之一光瞳表面之一區域中；及一負透鏡群，該負透鏡群具有直接鄰接於該凹面鏡而配置於一靠近該光瞳表面之區域中之至少一負透鏡，其中成像之一邊部光線高度(MRH)大於一主光線高度(CRH)。
  32. 如請求項31之投影物，其中在該負透鏡群之區域中該邊部光線高度為該主光線高度之至少兩倍大及至少5倍大及至少10倍大中之至少一者。
  33. 如請求項31之投影物，其中無光學元件配置於該凹面鏡與該負透鏡群中之該至少一負透鏡之間。
  34. 如請求項31之投影物，其中該負透鏡群係與該凹面鏡同軸地配置。
  35. 如請求項31之投影物，其中該負透鏡群係直接鄰接於該凹面鏡來配置，使得投影輻射在相反通過輻射方向上通過該負透鏡群兩次。
  36. 如請求項31之投影物，其中該負透鏡群係由一單個負透鏡組成。
  37. 如請求項31之投影物，其中該負透鏡群包含至少兩個負透鏡。
  38. 如請求項31之投影物，其中該負透鏡群含有至少一發散凹凸透鏡。
  39. 如請求項31之投影物，其中該負透鏡群含有至少一繞射光學元件。
  40. 如請求項31之投影物，其中該負透鏡群中之該至少一光學元件之一直徑及一折射力係設計成使得該負透鏡群對色校正之過校正貢獻的一總和為該投影物之剩餘光學元件之校正不足貢獻之總和的至少60%。
  41. 如請求項31之投影物，其中該投影物之所有透鏡之至少90%或所有透鏡由具有實質上相同之色散的一種或複數種材料製成，所用材料之色散之一差異小於10%。
  42. 如請求項31之投影物，其中該投影物之所有透鏡之至少90%由同一材料製成。
  43. 如請求項31之投影物，其中所有透明光學組件係由同一材料組成。
  44. 如請求項43之投影物，其中該同一材料為合成熔融矽土。
  45. 如請求項31之投影物，其中該投影物經組態以關於來自一波長帶的紫外光具有至少一焦點，該波長帶具有在一中央操作波長λ>320nm周圍之一頻寬△λ>100pm。
  46. 如請求項31之投影物，其中該投影物經組態使得至少一中間影像形成於該物件表面與該影像表面之間。
  47. 如請求項31之投影物，其中該投影物經組態使得正好兩個中間影像形成於該物件表面與該影像表面之間。
  48. 如請求項31之投影物，其中該投影物包含：一第一成像物部分，其經組態以將一配置於該物件表面中之圖案成像於一第一中間影像中；一第二物部分，其經組態以將該第一中間影像成像於 第二中間影像中；及一第三物部分，其經組態以將該第二中間影像成像於該影像表面中。
  49. 如請求項48之投影物，其中該第一物部分為一折射物部分，該第二物部分為一包括該至少一凹面鏡之反射或反射折射物部分，且該第三物部分為一折射物部分。
  50. 如請求項31之投影物，其中在一包括水銀g-line、h-line及i-line之設計波長帶中之一波長下該投影物具有至少一焦點。
  51. 一種投影曝光裝置，其用於用配置於一投影物之一物件表面之區域中的一光罩之一圖案之至少一影像，對配置於該投影物之一影像表面之區域中的一輻射敏感基板進行曝光，該投影曝光裝置包含：一光源，其用於發射來自一波長帶的紫外光，該波長帶具有在一中央操作波長λ>320nm周圍之一頻寬△λ>100pm；一照明系統，其用於接收來自該光源之該光且使導引至該光罩之該圖案上之照明輻射成形；及一投影物，其用於藉由來自一波長帶的投影光，以一影像側數值孔徑NA>0.6將該光罩之結構縮微成像至一光敏感基板上，該波長帶具有在一中央操作波長λ>320nm周圍之一頻寬△λ>100pm；其中該投影物為一反射折射投影物且含有至少一凹面鏡；且 其中該投影物之所有透鏡之至少90%或所有透鏡係由具有實質上相同之色散的一種或複數種材料製成，所用材料之色散之一差異小於10%。
  52. 一種投影物，其包含：複數個光學元件，其經組態來以來自一波長帶的紫外光，以一影像側數值孔徑NA>0.6，用配置於該投影物之一物件表面之一區域中的一光罩之一圖案之至少一縮微影像，對一配置於該投影物之一影像表面之一區域中的輻射敏感基板進行曝光，該波長帶具有在一中央操作波長λ>320nm周圍之一頻寬△λ>100pm；其中該投影物為一反射折射投影物且含有至少一凹面鏡；且其中該投影物之所有透鏡之至少90%或所有透鏡由具有實質上相同之色散的一種或複數種材料製成，所用材料之色散之一差異小於10%。
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