TWI471613B - 光學系統 - Google Patents

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Description

光學系統
本發明係有關於一種光學系統，且特別有關於一種顯微影成像投射曝光設備(Microlithographic Projection Exposure Apparatus)之一光學系統。
顯微影成像術(Microthography)係用來製造諸如積體電路或LCD之類的微結構元件(microstructured components)。顯微影成像術的程序是在一種稱作投射曝光設備(Projection exposure apparatus)並具有照明系統與投射目標的裝置內實施。在所述情況下，利用該照明系統所照射的遮罩影像(=描標(Reticle))，係藉由該投射目標而被投射至一基材(譬如為矽晶元(Silicon Wafer))之上，而該基材係包覆著一光敏層(光阻性)並且安置於該投射目標之影像平面內，以將遮罩結構傳送至基材上的光敏包覆物上。
有眾多不同的已知方法特別針對調整或修正照明系統或投射目標內相關的極化分佈，以使成像對比(Imaging Contrast)能最佳化。
WO 2005/069081 A2係特別揭露一種極化影響光學元件(Polarization-influencing optical element)，該光學元件係包括一光學主動晶體以及一沿晶體之光軸來作變化之厚度剖面(thickness profile)。
從US 2007/0146676 A1尤其可得知在光學系統內可安排一用來轉換極化狀態的極化操控器，其包括重複的可變光學旋轉元件，並且所照射之線性極化光線的極化角度可藉其來以可變化調整的旋轉角度來加以旋轉。
WO 2005/031467 A2係特別揭露：於一投射曝光設備中，藉由一或多個極化操控器裝置來影響極化分佈，其亦可安排於複數個位置，並且可為極化影響光學元件之型式而可被引進光束之內，其中可以藉由更改該等元件之位置，譬如是旋轉、去中心化(decentering)或偏斜，而來改變所述極化影響元件之效應。
US 6 252 712 B1係特別揭露一極化補償器包含2個雙折射元件，各具有一自由形狀的表面，以及包含彼此互相旋轉的光學晶軸。
由US 6 104 472可特別知道使用石英玻璃(Quartz Glass)或氟化鈣(Calcium Fluoride)之光學元件來控制軸向像散(Axial astigmatism)，此元件係具有互補的非球狀表面，並且關於其相對位置，其乃可彼此相對偏移來安置。
然而，事實上，會發生極化分佈隨時間而改變並可能有高頻變動之問題，譬如是應力雙折射效應(Stress Birefringence Effects)之相關情況，其會隨著使用期限而在光學元件內變動，或是在光學系統內所欲的極化分佈變動，其為照明設定改變所造成的結果(舉例而言，從所謂的x雙極照明設定到所謂的y雙極照明設定)。另一範例是極性引發雙折射(Polarization-induced Birefringence；PBR)，當照明是於相同之照明設定下其振幅會隨時間歷程而變動。
本發明之一目的在於提供一種光學系統，該光學系統能允許對於干擾之有效補償，該干擾係在極化分佈內隨時間變動。
該目的可藉由獨立項第1項之特徵來達成。
一種具有一光軸的光學系統，包括：至少一個極化操控器，其具有一第一次元件，該第一次元件具有一非平面的光學有效(Optically effective)表面，以及對於通過其中之光線係導致極化狀態之變化，其中該第一次元件所造成之沿該光軸之一最大有效延遲係小於該光學系統之四分之一的工作波長，以及一第二次元件，其中該第一次元件與該第二次元件係具有彼此相對之表面，該等表面係為互補；以及一位置操控器，用以操控該第一次元件與該第二次元件的相對位置。
上述延遲之用語係用來表示兩正交(互相垂直)極化狀態之光學路徑的差異。此外，對於所引發沿著該光軸的一有效延遲係用來表示模數(modulo)λ延遲(此意謂，並非是例如該光學系統之五分之一的工作波長λ延遲，也可能設定λ+0.2*λ、2λ+0.2λ等延遲，其僅差異工作波長λ之整數倍)。此外，以下亦作更詳細之描述，次元件與光軸相關位置的操控可能牽涉次元件之任何旋轉與偏移，以及這類移動之組合。
藉由依據本發明來操控次元件的位置，可以特別操控次元件所設定之延遲振幅，以及尤其可能補償一干擾，該干擾係相對時間而於極化分佈內變動。關於此方面，次元件之位置係由位置座標(x，y，及z)以及相對一包含該光軸及該z軸之座標系統之旋轉角度來加以定義。
根據另一方面，本發明亦與一光學系統相關，該光學系統係具有一光軸並包括至少一個極化操控器，該極化操控器係具有至少一個次元件，該次元件係具有一非平面的光學有效表面，以及對於通過其中之光線係導致極化狀態之變化，其中該第一次元件所造成之沿該光軸之一最大有效延遲係小於該光學系統之四分之一的工作波長，以及一位置操控器，用以操控該次元件之位置。
依據一實施例，該非平面表面係一非球狀表面。
依據一實施例，該極化操控器除了該第一次元件外係還包括至少一個第二次元件，其中該位置操控器係調適來改變該第一及第二次元件之相對位置。
本發明係利用下述來實施：於依據本發明之該極化操控器之內，在改變該兩彼此相對之表面之相對位置下，尤其該等表面可為非球狀並且互補或互逆，通過該兩個次元件之光線之極化動作可以利用一表示該非球狀表面之函數的導數，而依據該相對作用以描述成為一良好的近似，其中所實踐之極化操控的程度，在一特定之線性範圍之內，係與該相對作用之振幅成實質線性來標度。因此，可操控該極化操控器所設定之一延遲的振幅，並且因此可以藉由該二個次元件之相對偏移，來特別補償一於該極化分佈內相對時間變動之干擾。
依據一實施例，該彼此相對之表面兩者皆為非球面結構。更者，在較佳之情況下，該彼此相對之表面係互補。尤其是當其他表面為平面表面之形式下，該兩個次元件可以藉此來彼此補充以形成一完整的平面平行幾何結構。
依據本發明之一實施例，上述等次元件當中的至少一個次元件係藉由線性雙折射、圓形雙折射，以及/或是藉由正交及化狀態間之傳輸分裂(意即藉由與其走向相依附之垂直極化狀態之振幅關係的變化)，來造成極化狀態之變化。
依據本發明之一實施例，該極化操控器係安置於一平面，該平面內的近軸次孔徑比率(Paraxial Subaperture Ratio)係至少為0.8。依據更另一實施例，該極化操控器係安置於一平面，其中的近軸次孔徑比率係至少為0.2。關於此方面，該近軸次孔徑S係定義為：
其中r代表近軸邊緣射線高度，以及h代表近軸主要射線高度。在此公式中，sgn(x)代表所謂的正負號函數(Signum Function)，其中藉由定義可以設定sgn(0)=1。
以上主要射線之用語係用來代表一來自目標點之射線，該目標點於該目標平面內係位於相對於該光軸之最大距離處，並且於該瞳孔平面內則與該光軸相交會。以上邊緣射線之用語係用來代表一來自該目標場平面與該光軸之交會點之射線，並且其具有最大孔徑開口而通過該孔徑光闌(Aperture Stop)之邊際。在軸外目標場(Extra-axialObject Fields)之情況下，此係牽涉一概念射線，其並不貢獻影像空間內目標的成像。
該近軸次孔徑比率S係代表一包含一正負號之參數，作為關於該光學系統內之一平面之場或瞳孔之近似測量。關於此方面，依據其定義，該次孔徑比率係標準化為介於-1與+1之間的數值，其中該近軸次孔徑比率的一零點係對應每一場平面，以及其中一於該近軸次孔徑比率從-1跳躍至+1或從+1跳躍至-1之非連續點係對應至每一瞳孔平面。因此，具有至少為0.8之近軸次孔徑比率之平面係代表接近該瞳孔之平面，而具有至少為0.2之近軸次孔徑比率之平面係代表接近該場之平面。在所述情況下，該近軸次孔徑比率之正負號係規定該平面安置於一參考平面之前方或後方。舉例而言，為了定義之用，亦可能牽涉到一未知平面內一進入射線之交會點的正負號。
根據一實施例，該光學系統係具有至少兩個上述極化操控器。此設計結構係具有可能限制個別極化操控器各自的偏移行進的優點。根據一實施例，該等極化操控器的排置方式係令該等極化操控器所在位置的近軸次孔徑比率彼此差異至少0.1或較佳的情況是差異至少0.15。這樣的設計結構具有可能影響場常數瞳孔效應(field-constant pupil effects)與場變動(field variations)兩者之優點，或可能具有關於此方面來達到補償作用之優點，此優點乃藉由其中之一的該等極化操控器安置的比另外的極化操控器較為接近該場來達成。
根據一實施例，該光學系統更具有一波前補償器，即一用來改變波前之元件。此考慮到下述事實：除了對於通過光線之極化狀態達到所欲的影響外，依據本發明之該極化操控器係具有一數量作用(Scalar Action)或一波前貢獻，其一般是不被希望的，並且可利用該額外的波前補償器來加以補償。該波前補償器可為一傳統所謂的艾瓦雷茲操控器(Alvarez manipulator)、一可變形面鏡、一可變形折射元件，或一光學元件，該光學元件為可局部加熱及/或冷卻，例如利用流動的液體或氣體等手段、典型差異波長的光線照射(例如為紅外線)或經由加熱金屬線。
較佳的情況下，該額外的波前補償器係安置於一具有一近軸次孔徑比率(paraxial subaperture ratio)的一位置，該近軸次孔徑比率係牽涉一正負號並且類似相關於該極化操控器(譬如具有一差異最大值為20%的近軸次孔徑比率)，藉而可達到良好之波前修正。所包含的波前補償器並不設限為其設定為相對時間變動的波前補償器，而可能將一適合的可互換元件來適當地非球面化成為該波前補償器，以及藉由調整該極化補償器來個別地加以互換。
依據一實施例，該等彼此相對之表面當中至少之一係具有一塗層。較佳的情況下，該等表面當中至少之一係具有一低於2%之反射率(Reflectiveity)，並較佳低於1%。如此一來，可能使不想要的干擾效應降低或最小化。
依據一實施例，在該第一次元件與該第二次元件之間提供有一間隙，該間隙譬如可填充空氣或其他(譬如為惰氣)氣體或亦可填充一液態媒介。較佳的情況下，該間隙係填充一液態媒介，該液態媒介係關於其折射率來作調整，這意指該間隙內的該液態媒介係具有一折射率，該折射率在該光學系統之一工作波長下，與該第一及第二次元件之一平均折射率的差異係低於0.2，並且較佳的情況是差異低於0.15。這樣的折射率經調整的媒介讓降低或最小化該極化操控器部分上之任何不想要的波前行為成為可能，而令額外的波前補償器可在結構上簡單地加以設計或甚至可以完全忽略。
依據一結構，該光學系統係具有一光軸，其中該位置操控器係調適以達到下述於該等次元件之相對位置的改變或這類改變的組合：該等次元件當中至少之一沿著一垂直於該光軸之方向之偏移；該等次元件當中至少之一沿著一平行於該光軸之方向之偏移；該等次元件當中至少之一繞著一平行於該光軸之方向之旋轉；該等次元件當中至少之一繞著一不平行於該光軸之方向之旋轉。一光學系統之光軸的用語係用來代表通過該系統之旋轉性對稱光學元件之中心點的軸(或連續的筆直軸位置)。關於此方面，與該光軸平行的一旋轉軸可與該系統的該光軸相一致或相異。更者，不與該系統的該光軸平行之一旋轉軸(即依相對該光軸傾斜的旋轉軸)可以延伸通過該等次元件當中之一或兩者之中心，或亦不延伸通過這樣的中心。如果該光學系統為所謂的軸外系統(Extra-axial System)，該旋轉軸亦可特別通過該軸外系統之光學使用區域的中心。
依據一實施例，可於該等次元件當中至少之一提供一加熱及/或冷卻用裝置，其可提供額外的自由度來設定該等次元件的平均折射率，並且特別可能對該波前設定所欲的效應，以及亦可能因溫度之變化而最小化該極化操控器之部分上的波前作用。
依據一實施例，該第一次元件與該第二次元件沿該系統之該光軸之間距最大為0.5mm，較佳的情況是最大為0.4mm，更佳的情況是最大為0.3mm。
依據一實施例，在該第一次元件與該第二次元件之間提供有一間隙，該間隙譬如至少部分填充一流體，在此情況中，該液體可為一液態流體或亦為一(可能為高折射)氣態流體。依據一較佳實施例，該流體係一液態媒介。
依據一實施例，該第一次元件與該第二次元件可由相同材料來製造。
依據本發明另一實施例，該第一次元件與該第二次元件亦可由不同材料來製造。舉例而言，該第一次元件可由氟化鎂(Magnesium Fluoride；MgF2)來製造而該第二次元件可由藍寶石(Sapphire；Al2O3)來製造。在此範例中，該第一及第二次元件因此在其雙折射上可具有不同之正負號。
特別言之，該第一次元件與該第二次元件可分別由一光學單軸晶體材料來製造。在所述情況下，該第一次元件之一晶軸的走向可與該第二次元件之一晶軸的走向可相差一大於5。的角度，較佳的情況是相差大於10。的角度。在不同延遲分佈互相疊加的情況下，結果可能藉由適當的疊加來設定所欲的積分雙折射分佈。
依據一實施例，該至少一個次元件之一既定起點的該極化操控器係使得通過其中的光線(尤其是與該極化操控器上的光軸呈平行關係的入射光線)的極化狀態不變。
該極化操控器可同時具有至少一個正雙折射光學單軸晶體材料之次元件以及至少一個負雙折射光學單軸晶體材料之次元件。關於此方面，在目前情況下，正雙折射光學單軸晶體材料之用語係代表一光學單軸晶體材料其中的異常折射率(Extraordinary Refractive Index)ne係大於一般折射率(Ordinary Refractive Index)no，亦即ne-no的值大於零(譬如是氟化鎂(MgF2))。負雙折射光學單軸晶體材料之用語係代表一光學單軸晶體材料其中的異常折射率(Extraordinary Refractive Index)ne係小於一般折射率(Ordinary Refractive Index)no，亦即ne-no的值小於零(譬如是藍寶石(Al2O3))。
在所述情況下，於該極化操控器對於該等次元件之個別折射率之相關性中，譬如是在該極化操控器之一起點，一方面對於正雙折射材料及另一方面對於負雙折射材料的總厚度適當地加以挑選，可使得達到整體為實質上中性的行為成為可能，其中根據本發明的該兩個次元件之相關位置的變動係導致極化影響，其可以所欲方式來加以調整。
依據可與以上明確表示的設計結構或其替代的其他實施例，該兩個次元件可以不同或相同的程度來被機械性地施壓，可被以相同或不同方式來加以摻雜以及/或可以相同或不同方式來塗覆。特別言之，該塗層可為一抗反射塗層，藉其可能降低或最小化不想要的干擾效應。
依據一實施例，該極化操控器可以互換地安置，其中所牽涉的個別因素可在不同使用的情況下達到最佳適應。
依據一實施例，該極化操控器於該等次元件之一既定起點係使得通過其中之光線的極化狀態不改變。
依據一實施例，該極化操控器係結構來使通過其中的p極化光線之一波前以及通過其中的s極化光線的一波前係由彼此不同的所述極化操控器來加以操控，其中p極化光線與s極化光線的波前平均值係不同於零。
本發明更與一極化操控器相關，該極化操控器係包括一第一次元件與至少一第二次元件，其分別造成通過其中之光線的極化狀態的改變並具有互補之非球狀表面，其中藉由操控該第一及第二次元件相對彼此之相對位置，可能對該極化狀態之改變加以設定，而該極化狀態係隨該操控而變化，以及其中該第一及第二次元件之一既定起點之該極化操控器係使得通過其中的光線(特別是與該極化操控器之一元件軸平行或與其上光學系統相關之入射光)之極化狀態不改變。
原則上，依據本發明之系統可為任何光學系統，舉例而言，可為一遮罩測試裝置、一照明系統，或當中之一個別的次系統。依據一較佳使用，該光學系統係一顯微影成像投射曝光設備的這類光學系統，特別是顯微影成像投射曝光設備之一投射目標或一照明系統或當中之一次系統。
依據另一方面，本發明亦關於一極化操控器，該期化操控器係結構來使得通過其中之p極化光線的一波前與通過其中之s極化光線的一波前彼此不同，其中p極化光線與s極化光線的波前平均值係不同於零。
依據上述方法，p極化光線之波前特別可於該光學系統內來操控，該光學系統係包括該極化操控器，其相較於s極化光線之波前乃有獨立及/或不同(i.e.至另一程度)。雖然p極化光線及s極化光線之該兩個波前的平均值代表通常所謂的「波前」，該兩個波前之差值係代表通常所謂的系統之雙折射或延遲。因此，於一方面對於p極化光線之波前以及於另一方面對於s極化光線之波前所做的不同操控係意味著p及s極化光線之波前之平均值的改變。更者，該第一及第二次元件相對位置的變化並不影響雙折射，即不影響p及s極化光線之波前間的差異，反而亦影響p及s極化光線之波前的平均值。
藉由謹慎地利用p及s極化光線之波前之改變與平均值(即不單改變雙折射)，本發明於下述方法中係與極化操控器之傳統方法有所不同，於傳統方法中，只有對雙折射進行操控，以及p及s極化光線之波前的平均值改變並不被希望因而被避免(原因在於平均值通常利用另外額外的波前操控器來操控)。
依據上述方法，本發明特別使得能擔負(account for)諸如光學系統中材料品質下降之效應，這類下降通常對於p及s極化光線波前之雙折射與平均值兩者皆有影響。依據本發明之操控器可配置來分別擔負(account for)或修正這些特性/品質兩者。更具體言之，可以改變該第一及第二次元件之相對位置，方以至少部分地補償p及s極化光線波前之雙折射與平均值兩者因為光學元件材料品質下降而產生的不欲的改變。這樣的方法特別在以下情況下有其優勢：因為使用特定的照明設定、特定機械應力以及連帶的累積效應，或其他特定的操作條件，結果造成前述的材料品質下降。由於這些效應造成p及s極化光線波前之雙折射與平均值兩者產生不欲的改變，因此所述創新方法使得利用調整為適於特定操作條件的彈性方式來擔負(account for)上述兩種數值成為可能。
除此之外，下述創新方法使得下述情況成為可能：譬如是動態地增進p及s極化光線之波前之平均值及差值相關的修正量，方以擔負(account for)光學元件中譬如是因為放射中連續負載而導致的品質逐漸下降。如果W_p代表p極化光線之波前(如「相位表面」)以及W_s代表s極化光線之波前(如「相位表面」)，則該第一及第二次元件譬如為1mm的相對偏移可以表示為α*W_p+β*W_s，其中α與β之比率係一給定操控器之特定比率。除此之外，該第一及第二次元件譬如為1mm的相對偏移可以表示為2α*W_p+2β*W_s，…等等。因此，可以實現對於W_p與W_s的一動態增加操控以譬如是擔負(account for)光學元件中材料品質逐漸下降。
依據另一方面，本發明係關於一顯微影成像投射曝光設備，其具有一照明系統與一投射目標，其中該照明系統或該投射目標係具有上述特徵。
依據一實施例，該投射目標係具有一大於0.85的數值孔徑，較佳的情況是大於1.1。由於具有這種數值孔徑，顯微影成像程序可歸因於極化效應，而依據本發明之該極化效應可加以修正。該投射曝光設備可以特別來為浸沒模式(Immersion Mode)之操作來設計。浸沒模式的用語係用來表示一陷入液體係設置於該投射目標之最後表面與所欲曝光層之間。
依據一實施例，該曝光設備係包括p及s極化光線之波前之平均值之第一干擾，以及p及s極化光線之波前之差值之第一干擾，其中該第一干擾與該第二干擾係分別由該極化操控器來至少部份補償。
本發明更關於微結構元件之顯微影成像產生之程序。
以下描述與所附加之申請專利範圍係提供本發明之更多結構。
本發明係藉由所附加之圖式所示之作範例用途之實施例於以下做更詳細描述。
首先參考第1圖，其係描述一種根據本發明之極化操控器100之原則結構。極化操控器100係具有一第一次元件110及一第二次元件120，兩者在此說明實施例內皆由氟化鎂(Magnesium Fluoride；MgF2 )製成，並且分別具有互彼此相對之非球面110a及120a，而該兩非球面110a及120a係互補。如同在此實施例中，次元件110及120另外的表面分別皆為平面，次元件110及120因此互相補充以提供一完整的平面平行幾何結構。
極化操控器之兩個次元件110及120的相對位置是可變動的，而如同第1圖所示，可經由示意顯示之位置操控器150來沿所示座標系統之x方向來實現這種變動。關於此方面，第1圖中之光學系統之光軸及光線行進方向係沿z方向，方以使此處光學元件110及120之相對偏移可以垂直於光軸。然而本發明並不限制如此，關於此方面，次元件110及120之相對位置之變化亦可另選為或額外包括包含次元件110、120至少其中之一沿著光軸(z-方向)之偏移、次元件110、120至少其中之一繞著一與該光軸相平行之旋轉軸所作之旋轉、次元件110、120至少其中之一繞著一與該光軸不相平行之旋轉軸所作之旋轉。在此說明實施例中之次元件110及120之晶體材料內之光學晶體軸之走向，在此平面垂直於光學系統之光軸之每一種情況下，舉例而言，乃皆沿y方向，以令個別次元件所導致的延遲會與次元件之厚度成比例。關於此方面，第一次元件110之光學晶體軸之走向較佳的情況是與第二次元件120之光學晶體軸之走向相差一大於5°之角度，並較佳是相差一大於10°之角度。
本發明並不限制為第1圖所示的具有線性雙折射之晶體材料的次元件結構。於替代實施例中，一或兩個次元件亦可由一種牽涉圓形雙折射(Circular Birefringence)之光學主動材料(譬如為晶性石英，其光軸走向與光線行進方向相平行)及/或一種會導致極化狀態變化之材料來製造，這種極化狀態變化乃藉由垂直極化狀態間之傳輸分裂(Transmission Splitting)來達成，意即，藉由與其走向相依附之垂直極化狀態之振幅關係的變化來達成。適合此用途之材料，譬如是在190nm之工作波長，具有天生的二色向性(Dichroism)(類似於電氣石(turmalin))，舉例而言，可為晶性石英(Crystalline Quartz)、方解石(Calcite；CaCO3 )、或Ba3 (B3 O6 )2 (BBO)。
再者，在一個或兩個次元件110、120內之可能線性雙折射可使用立方光學單軸晶體材料(Cubically Crystalline Material)來實現，並且該立方光學單軸晶體材料可放置於壓縮應力(Compression Stress)或張應力(Tensile Stress)之下(譬如為CaF2 、BaF2 、LiBaF3 、Lu3 Al5 O12 、Y3 Al5 O12 或MgAl2 O4 )，或藉由使用非晶態材料來實現，並且該非晶態材料可放置於壓縮應力或張應力之下(譬如為雲英玻璃(SiO2 ))，或藉由使用MgF2 之外的光學單軸光學單軸晶體材料來實現(譬如為具有一與光行進方向不平行之晶軸的LaF3 、Al2 O3 或SiO2 )。
第13a至13e圖係示意性地顯示作為範例用之次元件之實施例，其可使用於根據本發明之光學系統之內，圖中所示之雙頭箭號係分別表示與光學系統之光軸OA相關的次元件之位置操控，而此操控可以利用位置操控器來達成(未顯示於第13a至13e圖)。
關於此方面，此次元件譬如為一具有非球狀光學主動表面(第13a圖)之次元件51。此外，此次元件亦可為一具有非平面但為球形之光學主動表面的次元件(第13b圖)。第13c及13d圖顯示包括兩個次元件53a、53b以及54a、54b之配置(arrangements)53以及54，分別具有互彼此相對的光學主動表面彼此互補並具有球形結構，其中該等次元件的相對位置變化皆可以藉由一偏移來實現(第13c圖，圖中此偏移係僅範例性地於與光軸OA垂直的一平面之內受到影響)，或亦可藉由旋轉來實現(第13d圖，圖中此旋轉係僅範例性地繞光軸OA來受到影響)。關於此方面，該次元件所導致的沿光軸之個別最大有效延遲係小於之四分之一的光學系統工作波長。
第13e圖，其係根據另一可能方案，係顯示一種包括兩個次元件55a及55b之配置55，關於此兩次元件之雙折射分佈乃分別在次元件內部沿著與光軸OA相垂直之方向來作變化，其中此變化在此乃不利用次元件之厚度變化來產生，而是利用雙折射之位置變化來產生(舉例而言，一變動的應力雙折射(Stress Birefringence)。
第2圖係顯示根據本發明之一種極化操控器200的另一實施例。首先，在一種與第1圖類似之結構內，此極化操控器200係包含兩個次元件210及220，兩者分別皆由氟化鎂(MgF2 )來製造並分別具有相對非球狀及互補之表面210a及220a，一位置操控器250，其用以改變相對位置，以及還包含一平板(plane plate)230，其乃由藍寶石(Sapphire；Al2 O3 )來製造並且安置為其光線進入表面與光線離開表面分別與次元件210及220之光線進入表面與光線離開表面相平行。由於氟化鎂(MgF2 )是一種選擇性正材料(ne -no =0.0135>0)以及藍寶石(Al2 O3 )是一種負雙折射材料(ne -no =-0.0133>0)，因此適當地選擇(邊緣)厚度d1 、d2 及d3 可提供以下結果：於極化操控器在第2圖所示之起點並且光線以z方向來行進的情況下，整個結構之部分結果不會產生雙折射效應。舉例而言，可能為了此目的而選擇厚度d1 =d2 =2.5mm以及d3 =5.973mm。繼而，如以下所述，可以經由兩個次元件之相對位置的變動，來以所欲方式調整極化的影響。
關於非球狀表面210a及220a之特定結構，其位置相關性可藉由以下稱為函數T(x,y)來描述成為分離非球面，在此所採用的基本起點是光學系統內一欲補償之既定干擾或一氟化鎂材料之適當選定的厚度輪廓，其中後提及的厚度輪廓可以藉由一厚度函數D(x,y)來描述。上述的分離球面T(x,y)可繼而由所欲得到的厚度函數D(x,y)之反導數或積分來給出，即適於以下描述：
由極化操控器100或200分別提供之延遲振幅現在則與次元件110、120以及210、220分別成比例並與分離非球面T(x,y)之振幅成比例。
第3a圖係顯示一欲加以補償之延遲分佈之範例(單位為nm)，此延遲分佈是由光學系統內極化引發之雙折射所造成，其中個別標準化瞳孔座標(standardized pupil coordinates)係在此圖及其餘圖3及圖5a至5b之軸線上繪示。第3b圖係顯示雙折射之快軸(Fast Axis)之相關走向。第4圖係顯示一種變動，其係適於根據公式(2)來補償第3a圖之干擾，而振幅則為第2圖之極化操控器之分離非球面T(x,y)。比較第5a及5b圖，可明白的是，對於一欲補償之既定干擾之雙折射的快軸走向(圖5a)，以及根據本發明之極化操控器之雙折射的快軸走向(圖5b)，係互相垂直。
具體計算顯示出，對於高達250μm的兩個次元件210及220之相對偏離而言，分離非球面T(x,y)之最大振幅大約為±193μm，以便提供約10nm的延遲。
第6圖係顯示一僅作示意用之根據本發明之一實施例的一微影成像投射曝光設備之原則結構。在所述情況下，本發明之概念可同等地應用至照明系統以及投射目標。舉位置為例，其適於根據本發明之極化操控器之結構(意即接近瞳孔之位置、接近影像或接近中間影像，或中間位置)，於第6圖中係僅示意性地以箭號來表示。
該微影成像投射曝光設備係具有一照明系統301及一投射目標302。該照明系統301係提供來照明一結構軸承遮罩(Structure-bearing Mask)(描標(Reticle))303，其具有來自一光源單元304之光線，該光源單元304譬如包含工作波長為193nm之一ArF雷射以及用來產生一平行光束的一光束整形光學裝置。此來自該光源單元304的該平行光束首先入射於一繞射光學元件305上，該繞射光學元件305係藉由個別繞射平面結構所定義之角度光束放射特性來於一瞳孔平面P1內產生一所欲之強度分佈(譬如為雙極或四極分佈)。沿光線行進方向設置於該繞射光學元件305下游的是一個光學單元306，其具有一變焦目標(zoom objective)，用以產生一具有可變直徑的平行光束，以及具有一旋轉三稜透鏡(axicon lens)。依據個別的變焦設定與該旋轉三稜鏡元件的位置，並利用與設置於上游之繞射光學元件305相關聯之變焦目標，可以於瞳孔平面P1內產生不同的照明結構。在所示實施例內之光學單元306更包含一偏向面鏡307。而設置於光線行進路線內之光束路徑瞳孔平面P1下游的則是一光線混合裝置308，正如其本身為人所知的是，譬如可具有微光學元件之配置，而這種配置係適合達成光學混合效果。光學混合裝置308其後沿著光線行進路線上係設置有一透鏡群309，其下游則設置一具有一描標遮罩系統(Reticle Masking System；REMA)之場平面F1，其係由一REMA目標310來投射，REMA目標310後方沿著光學行進路線上係設置有場平面F2內之系統軸承遮罩(描標)303，藉以限定描標上之照明區域。此系統軸承遮罩303現則利用投射目標302來被投射至一基材311或具有一光敏層之晶片上，該投射目標302在所示實施例中係具有兩個瞳孔平面PP1及PP2。此外，第7至12圖係顯示作為範例用之投射目標之特定設計，當中一或多個極化操控器可如同以上所述來加以安置。
第7圖係顯示一投射目標400之子午切面，其係揭露於WO 2003/075096 A2(參見當中之第8圖及表8)。此投射目標400係一種完全的折射系統，其具有一中段(Waist)以及第一正透鏡群、第二負透鏡群，以及第三正透鏡群。
第8圖係顯示一投射目標500之子午切面，其係揭露於WO 2004/019128 A2(參見當中之第19圖及表9及10)。投射目標500係包含一第一折射次系統510、一第二反射折射次系統530，以及一第三折射次系統540，並且因此稱作「RCR系統」。關於此方面，次系統係永遠用來表示光學元件的這類配置，真實目標可藉其來成像為一真實影像或中間影像。換言之，每一個次系統，乃由一給定之目標或中間影像表面來作開始，並永遠包含到達下一影像或中間影像之所有光學元件。
該第一折射次系統510係包含折射透鏡511至520，其後則有一第一中間影像IMI1產生於光束路徑上。該第二次系統530係包含一雙摺面鏡(double-fold mirror)，其具有兩面鏡表面531及532彼此設置為相對有一角度，其中由該第一次系統510所入射之光線首先以朝向該等透鏡533及534以及一接續的凹面鏡535之方向來從該面鏡表面531反射。該凹面鏡535係如同所知方式來對該等次系統510及540所產生之該影像場之曲率作有效補償。該凹面鏡535所反射之光線於再度通過該等透鏡534及535後乃於該雙摺面鏡之該第二面鏡表面532反射，以使結果能仿如光軸OA以90度來摺疊兩次。該第二次系統530係產生一第二中間影像IMI2及該光線由此入射到該第三折射次系統540包含折射透鏡541至555。該第二中間影像IMI2是由該第三折射次系統540投影在影像平面IP上。
參考第9圖，此圖顯示的是一投射目標600之子午切面，其係揭露於WO 2005/069055 A2(參見當中之第32圖)。此投射目標400之設計資料係提供於表1。關於此方面，欄1係提供折射或特異光學表面(Distinguished Optical Surface)之個別號碼，欄2提供表面半徑(單位為mm)，欄3係選擇性地包含表面上之一非球面之參照，欄4係提供表面相對於接續表面之間距，以厚度來表示(單位為mm)，欄5係提供個別表面之所屬材料，以及欄6則提供光學元件之光學可用之自由半直徑(Free Half Diameter)。
這些非球面常數將可於表2中得到。於第9圖中用粗點表示及表1和2所規定的平面乃以非球面之方式來作彎曲，而該等球面之曲率可以下述非球面公式來得到：
其中，P代表與光軸平行之未知平面的曲弧高度(Camber Height)、h代表距離光軸之輻射間距(Radial Spacing)、r代表未知平面之曲率半徑、cc代表圓錐常數(Conical Constant)(在表7中以K來表示)，以及C1、C2、…代表表2中所提出的非球面常數。
參考第9圖，具有一反射折射式結構(Catadioptric structure)之該投射目標600係具有一第一光學次系統610、一第二光學次系統620以及一第三光學次系統630。該第一光學次系統610係包含折射透鏡611至617之配置並將目標平面「OP」投射至一第一中間影像IMI1之內，該中間影像IMI1之近似位置於第9圖中係用一箭號表示。該第一中間影像IMI1係透過該第二光學次系統620而被投射進入一第二中間影像IMI2之內，該中間影像IMI2之近似位置於第9圖中亦用一箭號表示。該第二光學次系統620係包含一第一凹面鏡621與一第二凹面鏡622，其分別皆在沿垂直光學軸之方向被「切斷」，如此一來光線行進可分別從該等凹面鏡621、622之反射表面上發生到該影像平面IP。該第二中間影像IMI2係藉由該第三光學次系統而被投射進入該影像表面IP。該第三光學次系統630係包含折射透鏡631至643之配置。
參考第10圖，此圖顯示的是另一種折射投射目標700之子午切面，其係揭露於WO 2005/069055 A2(參見當中的第39圖與表39、39A)，並且具有總數為四之面鏡。參考第11圖，此圖顯示的是另一種折射投射目標800之子午切面，其係揭露於WO 2005/069055 A2(參見當中的第21圖與表21、21A)，並且具有兩個面鏡，兩者之間並設置有透鏡。參考第12圖，此圖顯示的是更另一種折射投射目標900之子午切面，其係揭露於EP 1 480 065 A2(參見當中的第19圖)，並且具有遠心偏斜鏡(Telecentric Deflection Mirrors)，這類遠心係由所述偏斜鏡之間的一正群來提供。更多其他具有中間影像的折射投射目標之設計，舉例而言，係於US 6 665 126 B2中揭露。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．極化操控器
110．．．第一次元件
110a．．．非球面
120．．．第二次元件
120a．．．非球面
150．．．位置操控器
200．．．極化操控器
210．．．第一次元件
210a．．．非球面
220．．．第二次元件
220a．．．非球面
230．．．平板
250．．．位置操控器
301．．．照明系統
302．．．投射目標
303．．．遮罩
304．．．光源單元
305．．．繞射光學元件
306．．．光學單元
307．．．偏向面鏡
308．．．光線混合裝置
309．．．透鏡群
310．．．REMA目標
311．．．基材
400．．．投射目標
500．．．投射目標
510．．．第一折射次系統
511-520．．．折射透鏡
530．．．第二反射折射次系統
531．．．面鏡表面
532．．．面鏡表面
534、535．．．凹面鏡
540．．．第三折射次系統
541．．．折射透鏡
600．．．投射目標
610．．．第一光學次系統
620．．．第二光學次系統
621．．．第一凹面鏡
622．．．第二凹面鏡
630．．．第三光學次系統
611-617．．．折射透鏡
631-647．．．折射透鏡
700．．．投射目標
800．．．投射目標
900．．．投射目標
51．．．次元件
52．．．次元件
53a．．．次元件
53b．．．次元件
54a．．．次元件
54b．．．次元件
55a．．．次元件
55b．．．次元件
IMI1．．．第一中間成像
IMI2．．．第二中間成像
F1、F2．．．場平面OA光學軸
IP．．．影像表面
P1．．．瞳孔平面
PP1．．．瞳孔平面
PP2．．．瞳孔平面
第1圖係顯示根據本發明之一種極化操控器之示意圖的第一實施例；
第2圖顯示根據本發明之一種極化操控器之示意圖的另一實施例；
第3a及3b圖係顯示一憑藉極化引發雙折射之欲補償延遲分佈之範例(單位為nm)以及所述雙折射之快軸之相關走向(第3b圖)；
第4圖係顯示一種適合補償第3a圖之延遲分佈的結構，其係關於第2圖之極化操控器之分離非球面之振幅；
第5a及5b圖顯示一欲被補償之一既定干擾(第5a圖)與第2圖所示的依據本發明之極性操控器的雙折射的快軸個別走向之分佈；
第6圖係顯示一僅示意用之根據本發明之一實施例的一微影成像投射曝光設備之原則結構；
第7至12圖係顯示用作範例之投射目標之子午切面的實施例；以及
第13a至13e圖係示意性地顯示次元件之實施例來作為範例，其乃可用於根據本發明之光學系統之內。
100．．．極化操控器
110．．．第一次元件
110a．．．非球面
120．．．第二次元件
120a．．．非球面
150．．．位置操控器

Claims (35)

  1. 一種具有一光軸的光學系統，包括：至少一個極化操控器(100,200)，其具有一第一次元件(110,210)，該第一次元件具有一非平面的光學有效表面，以及對於通過其中之光線係導致極化狀態之變化，其中該第一次元件所造成之沿該光軸之一最大有效延遲係小於該光學系統之四分之一的工作波長，以及一第二次元件(120,220)，其中該第一次元件與該第二次元件係具有彼此相對之非平面的表面(110a,1201；210a,220a)，該等表面係為互補；以及一位置操控器(150,250)，用以操控該第一次元件(110,210)與該第二次元件(120,220)彼此之間的相對位置；其中：於該光學系統的使用期間，該光線循一光束路徑穿越該光學系統；以及該第一與該第二次元件係於該光束路徑連續地排列。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該等彼此相對之表面(110a,1201；210a,220a)當中至少之一為非球面。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之光學系統，其特徵在於該等次元件(110,210,120,220)當中至少之一係藉由線性雙折射、圓形雙折射，以及/或是藉 由與其走向相依附之垂直極化狀態之振幅關係的變化來造成通過其中之光線的極化狀態之變化。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該極化操控器係安置於一表面，該表面內的近軸次孔徑比率係至少為0.8。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該極化操控器係安置於一表面，該表面內的近軸次孔徑比率係最大為0.2。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於其具有至少兩個這樣的極化操控器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光學系統，其特徵在於該等極化操控器的排置方式係令該等極化操控器所在位置的該近軸次孔徑比率彼此差異至少為0.1或較佳的情況是差異至少為0.15。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於其更包括一波前補償器，用來至少補償通過該光學系統之光線之該波前內之該極化補償器(100,200)所造成之一改變。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該等彼此相對之表面當中至少之一係具有一塗層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該等彼此相對之表面當中至少之一係具有一低於2%之反射率，並較佳低於1%。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於至少一次元件係由一選自一群組之材料來製造，該群組包含：一立方光學單軸晶體材料，其放置於壓縮應力或張應力之下；一非晶態材料，其放置於壓縮應力或張應力之下；或一光學單軸光學單軸晶體材料。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光學系統，其特徵在於放置於壓縮應力或張應力之下之該立方光學單軸晶體材料係選自以下的群組，包含：氟化鈣(CaF2)、氟化鋇(BaF2)、鋰氟化鋇(LiBaF3)、石榴石，特別是鎦鋁石榴石(Lu3Al5O12)以及釔鋁石榴石(Y3Al5O12)，以及尖晶石，特別是鎂尖晶石(MgAl2O4)。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之光學系統，其特徵在於該放置於壓縮應力或張應力之下之光學單軸光學單軸晶體材料係選自以下的群組，包含：氟化鎂(MgF2)、氟化鑭(LaF3)、藍寶石(Al2O3)或晶性石英(SiO2)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特 徵在於該位置操控器(150,120)係調適來實現至少一次元件(110,120；210,220)之位置之下述變化或這類變化之一組合：至少一次元件(110,120；210,220)沿著一垂直於該光軸方向之偏移；至少一次元件(110,120；210,220)沿著一平行於該光軸方向之偏移；以及至少一次元件(110,120；210,220)之旋轉。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之光學系統，其中該旋轉係繞這一平行於該光軸之旋轉軸。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之光學系統，其中該旋轉係繞這一非平行於該光軸之旋轉軸。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該第一次元件(110,210)與該第二次元件(120,220)之間之最大間距為一最大值0.5mm，較佳是為一最大值0.4mm，以及更佳是0.3mm。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該第一次元件(110,210)與該第二次元件(120,220)之間係提供有一間隙，該間隙隙至少部分地填充一流體。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之光學系統，其特徵在於該流體係一液態媒介。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之光學系統，其特徵在於該液態媒介係具有一折射率，該折射率在該光學系統之一工作波長下，與該第一及第二次元件之一平均折射率的差異係低於0.2，並且較佳的情況是差異低15。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該第一次元件(110,120)與該第二次元件(20,220)係由相同材料來製造。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該第一次元件(110,120)與該第二次元件(120,220)係由不同材料來製造。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之光學系統，其特徵在於該極化操控器係具有正雙折射光學單軸晶體材料與負雙折射光學單軸晶體材料兩者。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該第一次元件(110,210)與該第二次元件(120,220)可分別由一光學單軸晶體材料來製造，在所述情況下，該第一次元件(110,210)之一晶軸的走向可與該第二次元件(120,220)之一晶軸的走向可相差一大於5°的角度，較佳的情況是相差大於10°的角度。
  25. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於一互換裝置係提供來互換該極化操控器 (100,200)。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該極化操控器於至少之一該等次元件的一既定起點係使得通過其中之光線的極化狀態不改變。
  27. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於其係為一小於400nm之工作波長來設計，較佳為小於250nm。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於其係一顯微影成像投射曝光設備之光學系統。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其特徵在於該極化操控器係結構來使通過其中的p極化光線之一波前以及通過其中的s極化光線的一波前係由彼此不同的所述極化操控器來加以操控，其中p極化光線與s極化光線的波前平均值係不同於零。
  30. 一種極化操控器，其包括：一第一次元件與至少一第二次元件，其分別造成通過其中之光線的極化狀態的改變，並具有彼此之間相互互補之非球狀表面，其中藉由操控該第一及第二次元件相對彼此之相對位置，可能對該極化狀態之改變加以設定，而該極化狀態係隨該操控而變化，以及其中該第一及第二次元件之一的一既定起點之該極化操控器係使 得通過其中的光線之極化狀態不改變；其中：於該極化操控器的使用期間，該光線循一光束路徑穿越該極化操控器；以及該第一與該第二次元件係於該光束路徑連續地排列。
  31. 一種顯微影投射曝光設備，其包括一照明系統(301)以及一投射目標(302)，其中該照明系統(301)及/或該投射目標(023)係具有如申請專利範圍第1項所述之光學系統。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之顯微影投射曝光設備，其特徵在於該投射目標(302)係具有一大於0.85的數值孔徑，較佳的情況是大於1.1。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之顯微影投射曝光設備，其特徵在於其可適應為一浸沒模式操作。
  34. 如申請專利範圍第31項當中一項所述之顯微影投射曝光設備，其特徵在於其包括p及s極化光線之波前平均值的一第一干擾，以及p及s極化光線之波前差值的第二干擾，其中該第一干擾與該第二干擾係分別由該極化操控器來至少部份補償。
  35. 一種微結構元件之微影製程，包括下述步驟：提供一基材(311)，其上至少部分施加一層光敏材料； 提供一遮罩(303)，其具有欲被再製造之結構；提供一如申請專利範圍第31項所提出之顯微影投射曝光設備；以及利用該投射曝光設備的手段來投射至少該遮罩(303)之一部分至該層之一區域上。
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