TWI539244B - 具有波前操縱器之投射透鏡 - Google Patents

具有波前操縱器之投射透鏡 Download PDF

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Description

具有波前操縱器之投射透鏡
本發明關於一種投射透鏡，其用以藉由具有小於260奈米之操作波長的電磁輻射而將配置於投射透鏡之一物件平面中的一圖案(pattern)成像至投射透鏡的一影像平面，且本發明關於一種投射曝光方法，其可在投射透鏡的協助下實現。
目前主要使用微影投射曝光方法來製造半導體組件及其他精細結構的組件，像是例如光學微影光罩。這包含使用載有或形成所要成像之結構之圖案的光罩(遮罩)或其他圖案化裝置，例如半導體組件之一層的線圖案。圖案係定位於一投射曝光裝置中，其在照射系統及投射透鏡間之投射透鏡的物件平面區域中，且圖案由照射系統所提供的的照射輻射所照射。被圖案所改變的輻射通過投射透鏡作為預測輻射(prediction radiation)，其將縮小比例的圖案成像於要被曝光的基板上。基板的表面係配置在投射透鏡的影像平面中，該影像平面與物件平面光學共軛。基板一般塗佈輻射敏感層(抗蝕劑、光阻)。
投射曝光裝置發展的其中一目標為微影地產生尺寸越來越小的結構於基板上。越小的結構將導致越高的積體密度(如在半導體組件中)，其一般對所產生之微型化組件的效能具有有利的效果。
可產生之結構的尺寸主要取決於所使用之投射透鏡的解析 能力，且一方面可藉由降低用於投射之投射輻射的波長而增加，另一方面可藉由增加製程中所使用之投射透鏡的影像側數值孔徑NA而增加。
現今的高解析度投射透鏡係在小於260nm的波長下操作於深紫外光範圍(DUV)或極紫外光範圍(EUV)中。
在深紫外光範圍(DUV)的波長下，為了確保有足夠的像差(aberration)(例如色差(chromatic aberration)、影像場曲率(image field curvature))的校正(correction)，通常使用折反射投射透鏡，其包含具有折射能力(refractive power)的透明折射光學元件(透鏡元件)以及具有反射能力(reflective power)的反射元件(亦即曲面鏡(curved mirror)。一般來說，至少包含一個凹面鏡(concave mirror)。致能尺寸為40nm之結構之投射的解析能力在現今係以浸沒微影在NA=1.35及λ=193nm達成。
積體電路由一系列的光學微影圖案化步驟(曝光)及後續的製程步驟(如蝕刻及摻雜)而產生於基板上。個別的曝光通常以不同的光罩或不同的圖案來完成。為了使所完成的電路呈現出所希望的功能，個別的光學微影曝光步驟之間需要盡可能地彼此協調，其結果為所製造的結構(例如接觸、線路及二極體、電晶體及其他電性功能單元的構件)盡可能地接近所規劃電路佈局的理想。
可能發生製造上的錯誤，其中包含在連續曝光步驟中所產生的結構沒有足夠正確地位於另外結構的頂部時，亦即重疊準確度不足。由光學微影製程的不同製造步驟所產生之結構的重疊準確度通常由「覆蓋(overlay)」一詞所表示。這個詞表示例如兩個連續微影平面的重疊準確度。覆蓋為積體電路製造上的重要參數，因為任何類型的對準誤差都可能造成例如短路或缺少連接的製造錯誤並因而限制了電路的功能。
同樣地，在多重曝光的方法中，對連續曝光的重疊準確度有嚴格的要求。舉例來說，在雙重圖案化方法(double-patterning method)(或雙重曝光方法)中，基板(例如半導體基板)係連續曝光兩次並接著進一步處 理光阻。在第一曝光程序中，舉例來說，投射具有適當結構的正常結構。針對第二曝光程序使用第二光罩，其具有不同的光罩結構。舉例來說，第二光罩的週期結構(periodic structure)可相對第一光罩的週期結構移位半個週期。在一般的情況中，特別針對較複雜的結構，兩光罩佈局之間的差異可能會很大。雙重圖案化有可能達成基板上週期性結構之週期的降低。這只有在連續曝光的重疊準確度夠好(也就是覆蓋(Overlay)錯誤沒有超過一臨界值)時才可完成。
因此，不充分的覆蓋可能大大地降低製造過程中良好零件的產量，其結果為增加了每一良好零件的製造成本。
本發明解決了提供微影技術之投射透鏡及投射曝光方法的問題，其可實現具有小覆蓋誤差(small overlay error)的不同光學微影製程。
此問題係利用包含申請專利範圍第1項之特徵的投射透鏡以及利用包含申請專利範圍第13項之特徵的投射曝光方法來解決。
有利的發展如申請專利範圍附屬項中所指定。所有申請專利範圍的措辭在描述內容中以引用方式併入。
投射透鏡具有一波前操縱系統(wavefront manipulation system)，其用以動態地影響從投射透鏡之物件平面傳送到影像平面之投射輻射的波前。配置在投射光束路徑(projection beam path)中之波前操縱系統之組件的效應可根據控制裝置的控制信號以可變的方式設定，其結果為投射輻射的波前可針對性地改變。波前操縱系統的光學效應可例如在曝光前或在曝光過程中在特定、事先定義原因的情況下或以依賴實際情況的方式改變。
波前操縱系統具有一第一操縱器，其具有配置在投射光束路徑中的一第一操縱器表面。第一操縱器包含一第一致動裝置(actuating device)，其允許第一操縱器表面之表面形狀及/或折射率分布被可逆地改變。因此，受到第一操縱器表面影響之投射輻射的波前可動態地以目標明確的方式改變。在不將第一操縱器更換為另一操縱器的情況下，光學效應的這種改變是可能的。
在此情況中，操縱器表面為平面或曲面，其(i)配置在投射光束路徑中且(ii)在這種情況下，在其表面形狀及/或其相對投射輻射之方位的改變導致投射輻射之波前的改變。舉例來說，可相對投射透鏡之其他光學組件位移之一透鏡元件的任何曲面為操縱器表面。其他範例為透鏡元件或反射鏡的機械或熱形變表面。
在透鏡元件的局部、熱操縱的情況下，透鏡的折射率一般也將在空間上局部地變化。若(例如考量透鏡元件的厚度)可假設此變化沒有在投射輻射方向中的成分，亦即折射率僅垂直於投射輻射方向而變化，則將透鏡元件之折射率的局部變化視為發生在操縱器表面的效應是有道理的。舉例來說，這適用於薄平面板。
與前述作用在波前上之已知的位移、形變或熱操縱器(例如藉由光學元件的整體位移，像是傾斜，偏心及/或軸向平行的位移，或藉由整體的形變)相反，根據所主張之本發明的第一操縱器係組態使得在第一操縱器表面的有效直徑(effective diameter)DFP內之第一操縱器表面的光學使用區域(optically used region)上，有可能產生投射輻射之光學路徑長度變化的複數個最大值及複數個最小值。若NMAX為在所考量的方向中之光學路徑長度變化之最大值的數目且NMIN為最小值的數目，則第一操縱器在有效直徑方向中的效應可在特徵週期(characteristic period)PCHAR=DFP/((NMAX+NMIN)/2)的協助下進行描述。在此情況中，在投射輻射之受影響截面上由第一操縱器所引起之光學路徑長度變化的多個交替不必為嚴格的週期，其結果為例如光學路徑長度變化及/或其橫向距離之最大值及/或最小值的絕對值可在受影響之投射輻射的截面上變化。嚴格的週 期光學路徑長度變化(其可例如由正弦函數描述)同樣是可能的。
第一操縱器表面係配置為「光學鄰近」於投射透鏡的最近場平面(closest field plane)。此「近場配置(near-field arrangement)」特別表示相較於投射透鏡的瞳平面(pupil plane)，第一操縱器表面係配置為顯著更接近最近場平面。在此情況中，來自場平面之場點(field point)的每一光束在第一操縱器表面係照射具有子孔徑直徑SAD的一子孔徑(subaperture)，子孔徑直徑SAD顯著小於第一操縱器表面之光學使用區域的最大直徑DFP，其結果為條件SAD/DFP<0.2成立。特別地，甚至可能成立條件SAD/DFP<0.1。
在此情況中，子孔徑直徑SAD應理解為表示從個別場點出現之投射光光束的直徑。在此考量下，商SAD/DFP一般與場點的高度無關。
考量到光學鄰近於最近場平面之第一操縱器表面的配置以及在光束截面上變化光學效應的可能性，波前操縱器系統能夠以場相依的方式(field-dependent manner)針對性地設定或改變影像場中投射透鏡的失真。特別地，這表示具有不同大小的失真值可針對不同場點針對性地設定。能夠根據控制信號而針對性地設定場相依失真(field-dependent distortion)的波前操縱系統係允許在每一曝光製程期間引入特定的場相依失真校正或失真變更。因此，特別地，也有可能將第二次曝光期間的場相依失真匹配先前第一次曝光期間所產生的結構，使得連續曝光步驟所產生的結構以高重疊準確度將一個置於另一個頂部。由於操縱器啟動的結果，重疊準確度可比沒有啟動的操縱器的情況下更佳。因此，覆蓋誤差可限制到能夠承受的程度。
應獲得場相依失真的此影響而沒有其他像差同時被產生至擾人的程度。此處係給予特別的注目，以消除或最小化在瞳處具有徑向至少二次相依的波前貢獻(wavefront contribution)，即焦點項(focus term)及散光項(astigmatism term)。
較佳地，投射透鏡具有一有效物件場(effective object field)，其位在光學軸(偏軸場(off-axis field))外且具有大於2：1之在長邊及短邊之間的一外觀比(aspect ratio)，其中光學使用區域具有約為具有大於2：1之一外觀比的一矩形形狀，且第一操縱器平行於長邊而作用。第一操縱器應能夠在此方向中產生投射輻射之光學路徑長度變化的複數個最大值及複數個最小值。長邊可特別簡單地用以改變路徑長度變化。
有許多可能性來實際達成新穎波前操縱系統的優點。
在一具體實施例中，波前操縱系統僅具有第一操縱器光學鄰近於場平面，且有限第一距離係被設定尺寸使得當啟動第一操縱器時，在第一操縱器表面將滿足條件：0.25 * NAM 2<SAD/PCHAR<0.48 (1)其中NAM為在第一操縱器表面之投射輻射的數值孔徑(num erical aperture)。
因此，此處只有提供一個操縱器。結果為結構設計可相對簡單且結構空間需求可以變小。
在僅使用單一個操縱器的情況下，為了獲得波前上具有足夠強度之想要的效應而不會同時地產生不想要的殘餘像差至擾人的程度，第一操縱器表面應不要配置為太接近該最近場平面、也不要配置為太遠離該最近場平面。當上述條件(1)成立時，將提供有利的第一距離。參數SAD代表投射輻射在第一操縱器表面的子孔徑直徑。此參數考慮到從在第一操縱器表面之場的場點出現的每一光束係照射具有子孔徑直徑SAD之一子孔徑的事實。子孔徑直徑可理解為從在光學表面之一場點出現之單一光束的覆蓋區直徑。在發散光束的情況中，此例中的子孔徑直徑隨著與場之間距離的增加而增加。
從上述表示的條件(1)可清楚看出子孔徑直徑應與特徵週期PCHAR具有特殊關係。在此申請案中，關係SAD/PCHAR也稱作「正規化操縱 器距離(normalized manipulator distance)」且由參數DNORM：=SAD/PCHAR表示。
若在相對特徵週期之關係中的子孔徑直徑SAD變得太高(結果為超過上限)，則雖然一般在失真的場相依性上有可能達到足夠大的影響，但同時正常不想要像差的等級(特別是失焦及/或散光的等級)上升至對成像有明顯干擾的程度。相反地，若未達下限，則雖然不想要像差(如散光)的等級可例如保持為低，但同時失真通常可能不再以場相依的方式被影響至足夠大的程度，結果為第一操縱器的效應保持限制在相對低的失真值。此外，若第一操縱器表面太靠近場平面，可能發生對失焦預算的不利貢獻。
在某些具體實施例中，最近場平面為投射透鏡的物件平面。當沒有具有折射能力的光學表面設置在物件平面與第一操縱器表面之間將特別有利，結果為在第一操縱器表面之投射輻射的數值孔徑NAM等於物件側的數值孔徑NAO。要被成像之光罩圖案的直接下游，第一操縱器的效應不能被中介光學元件的像差所干擾，結果為第一操縱器可以特別針對性的方式使用。此外，可發生沒有或沒有可存取之中間影像平面(intermediate image plane)的情況。
舉例來說，若在考量結構的先決條件下，相對場平面之所需相對小的第一距離僅能困難地實現，則由第一操縱器的失真操縱可能是困難的。此外，若對可忽略之較高階貢獻的需求將被實現，則個別操縱器的最大效應將受到限制。為此理由，某些具體實施例除了提供第一操縱器之外還提供波前操縱系統第二操縱器，其具有配置在投射光束路徑中的第二操縱器表面以及用以可逆地改變第二操縱器表面之表面形狀及/或折射率分布的第二致動裝置。
兩個操縱器較佳係可彼此獨立地設定。
使用至少兩個操縱器可得到較大之相對鄰近場平面的適當距離範圍，其可簡化操縱器插入到投射透鏡。此外，二或更多操縱器可共同地操作使得其有關場相依失真的期望效應相互地放大彼此，而所不想要 之在其他像差(如失焦及/或散光)上的效應可至少部分地相互彼此抵消。
較佳地，第一操縱器表面及第二操縱器表面係配置使得在第一操縱器表面之投射輻射的數值孔徑等於在第二操縱器表面之投射輻射的數值孔徑。為此目的，具有折射能力的光學元件應沒有位在操縱器表面之間。可藉此而達成的是，操縱器的調整(例如關於特徵週期)可特別簡單地彼此協調。
波前操縱器系統也有可能具有多於兩個(例如三個或四個)可相互獨立驅動的操縱器，其可位於近場配置且其效應可彼此協調。
若投射透鏡係組態使得在物件平面與影像平面之間產生至少一真實中間影像(real intermediate image)於一中間影像平面的區域中，則最接近第一操縱器表面的場平面也可為中間影像平面。
在此情況中，第一操縱器表面可位在輻射方向中之中間影像平面的上游或中間影像平面的下游。
在第一操縱器表面位置的數值孔徑取決於物件成像至對應中間影像的放大比例。在物件及中間影像間縮減成像的情況中，中間影像附近的數值孔徑大於物件側的數值孔徑NAO，結果為適當的第一距離D1小於物件平面附近配置的情況。相反地，若放大成像出現在物件平面與中間影像平面之間，則適合置入第一操縱器表面之相對中間影像平面的距離值將增加。因此，由於例如結構空間的理由，真實中間影像附近的配置可為有利的。
在中間影像附近配置兩個操縱器於中間影像的不同側可特別有利。在一具體實施例中，第一操縱器表面配置在中間影像平面的上游，而第二操縱器表面配置在中間影像平面的下游。相反的配置也是可能的。可由此實現的為例如奇像差(odd aberration)上的效應將放大彼此，而在偶像差的情況中，特別是失焦及散光，兩個操縱器的貢獻將部分或完全地相互抵銷彼此。
相較於僅使用單一個操縱器，在中間影像的不同側使用兩個操縱器有可能放寬距離要求。已發現第一距離及第二距離應被設定尺寸(dimensioned)使得在每一情況中在該第一操縱器表面(當啟動第一操縱器)以及在第二操縱器表面(當啟動第二操縱器)將滿足條件：0.012<SAD/PCHAR<0.85 (2)相較於條件(1)，正規操縱器距離的可允許範圍將增加。此外，下限不再取決於在操縱器表面之投射輻射的數值孔徑，結果為此變型可在投射光束路徑的高孔徑範圍中特別有利。
有可能在相對後者不同的距離於場平面的同側先後直接配置兩個操縱器。在一具體實施例中，第二操縱器表面係直接配置在第一操縱器表面的下游，其中在第一操縱器表面之投射輻射的數值孔徑等於在第二操縱器表面之投射輻射的數值孔徑，且第一距離小於第二距離，結果為子孔徑直徑在該等操縱器表面為不同，其中第一操縱器表面將滿足條件：0.25 * NAM 2<SAD/PCHAR<0.8 (3A)且第二操縱器表面將滿足條件：SAD/PCHAR<1.5 (3B)在此情況中，雖然第一操縱器表面不應移動為比僅使用單一操縱器(比照條件(1))時更靠近場平面，但可使用的距離範圍係增加至仍可承受的更大距離。
本發明可用於例如折反射投射透鏡或屈光式投射透鏡的情況中，若適當的話也可用於其他成像系統中。
本發明也關於一投射曝光方法，用以藉由配置在投射透鏡之物件表面區域中之光罩圖案的至少一影像而曝光配置在投射透鏡之影像表面區域中的一輻射敏感基板，其中使用了根據本發明的投射透鏡。
此外，本發明係關於一投射曝光裝置，用以藉由配置在投射透鏡之物件表面區域中之光罩圖案的至少一影像而曝光配置在投射透鏡 之影像表面區域中之一輻射敏感基板，投射曝光裝置包含：一主輻射源，用以發射主輻射；一照射系統，用以接收主輻射且用以產生導向光罩之照射輻射；以及一投射透鏡，用以產生圖案的至少一影像於投射透鏡之影像表面區域中，其中投射透鏡係根據本發明而設計。
投射曝光裝置較佳具有用以控制投射曝光裝置之功能的一中央控制器，其中控制裝置係被分配一控制模組用以驅動波前操縱系統(WFM)，且一操縱器或複數個操縱器可在投射曝光裝置操作過程中由控制模組(例如藉由電子信號)協調其他控制信號而驅動。
不僅可從申請專利範圍且亦可從描述及圖式明白以上及其他特徵，其中個別特徵各可藉由個別特徵來實現，或以本發明具體實施例及其他領域中之子組合的形式實現為複數個特徵，並可構成有利且原本即受保護的具體實施例。本發明例示性具體實施例以圖式圖解並在下文中更詳細地解釋。
1600‧‧‧折反射投射透鏡
1700‧‧‧投射透鏡
1850‧‧‧操縱器
1950‧‧‧操縱器元件
1952‧‧‧框架式座台
1955‧‧‧板
1960‧‧‧板
1970‧‧‧液體
1980‧‧‧壓力裝置
1990‧‧‧致動器
2100‧‧‧操縱器
2155‧‧‧平板
2190‧‧‧致動器
A*‧‧‧高度
B*‧‧‧寬度
CM‧‧‧凹面鏡
CM1‧‧‧凹面鏡
CM2‧‧‧凹面鏡
CR‧‧‧主光線
CU‧‧‧中央控制裝置
d‧‧‧光學元件厚度
D1‧‧‧第一距離
D2‧‧‧第二距離
DFP‧‧‧最大直徑
DR1‧‧‧致動裝置
ES‧‧‧出光面
FM1‧‧‧第一偏向鏡
FM2‧‧‧第二偏向鏡
FP‧‧‧照射區域
FP1‧‧‧第一覆蓋區
FP2‧‧‧第二覆蓋區
ILL‧‧‧照射系統
IMI‧‧‧真實中間影像
IMI1‧‧‧第一中間影像
IMI2‧‧‧第二中間影像
IMI3‧‧‧第三中間影像
IMIS‧‧‧中間影像平面
IS‧‧‧影像平面
L1‧‧‧第一透鏡元件
LS‧‧‧光源
M‧‧‧光罩
MAN1‧‧‧第一操縱器
MAN2‧‧‧第二操縱器
ME1‧‧‧第一操縱器元件
ME2‧‧‧第二操縱器元件
MS1‧‧‧第一操縱器表面
MS2‧‧‧第二操縱器表面
OA‧‧‧光學軸
OF‧‧‧物件場
OP1‧‧‧第一透鏡部
OP2‧‧‧第二透鏡部
OP3‧‧‧第三透鏡部
OP4‧‧‧第四透鏡部
OS‧‧‧物件平面
P1‧‧‧瞳表面
P2‧‧‧瞳表面
P3‧‧‧瞳表面
PCHAR‧‧‧特徵週期長度
PO‧‧‧投射透鏡
RS‧‧‧遮罩台
SAD‧‧‧子孔徑直徑
SS‧‧‧感光基板表面
UR‧‧‧距離範圍
W‧‧‧半導體晶圓
WFM‧‧‧波前操縱系統
WS‧‧‧晶圓台
WSC‧‧‧微影投射曝光裝置
圖1顯示根據本發明一具體實施例之微影投射曝光裝置的示意圖；圖2顯示在光罩及直接接續之第一操縱器元件之區域中的x-z平面縱切面示意圖；圖3顯示平行於光學軸之圖2中第一操縱器元件的平面圖；圖4到圖8描述定位在近場配置中之第一操縱器元件對在投射透鏡之影像場中的波前校正狀態的效應，其作為各種影響參數的一函數；圖9示意地顯示波前操縱系統的元件，其具有在中間影像平面之上游及下游的操縱器元件；圖10顯示(類似於圖4及圖5的描述)不同Zernike係數對在中間影像平面兩側之正規化操縱器距離的相依性； 圖11示意地顯示波前操縱系統的元件，其具有在場平面下游的兩個緊密相鄰的操縱器元件；圖12到15顯示每一例子的長條圖以闡明在所選像差上操縱的效果，其中在每一例中的長條高度表示對x軸上所指示之個別像差(由zernike係數表示)的貢獻；圖16及圖17顯示配備有近場操縱器元件之折反射投射透鏡具體實施例之透鏡元件的示意縱剖面；以及圖18到圖21示意性地顯示可動態調整之操縱器的範例具體實施例，其可在波前操縱系統環境中之投射透鏡內的近場位置使用。
圖1顯示微影投射曝光裝置WSC之範例，其可用於製造半導體組件以及其他精細結構組件，並以深紫外光範圍(DUV)的光或電磁輻射操作，而得到低至零點幾個微米的解析度。具有操作波長λ約193nm的ArF準分子雷射(excimer laser)用作為主輻射源或光源LS。亦可使用其他UV雷射光源，例如具有操作波長157nm的F2雷射或具有操作波長248nm的ArF準分子雷射。
設置於光源LS下游的照射系統ILL在出光面(exit surface)ES產生大又清晰界定且實質均勻照射的照射場(illumination field)，其符合設置在光路徑下游的投射透鏡PO的遠心要求(telecentricity requirement)。照射系統ILL具有用於設定不同照射模式(照射設定)的裝置，且可在例如具有同調σ變化度的傳統軸上照射與偏軸照射間切換。偏軸照射模式包含例如環形照射、或雙極照射、或四極照射、或一些其他多極照射。合適照射系統的架構為已知，因而於此不再詳細說明。專利申請案US 2007/0165202 A1(對應於WO 2005/026843 A2)揭露可用於各種實施例範圍的照射系統的範例。
接收來自雷射LS之光線並將光線塑形成照射輻射的光學組 件，係屬於投射曝光裝置之照射系統ILL，其中照射輻射被導向到光罩M。
用於支托及操縱光罩M(遮罩)的裝置RS係設置於照射系統的下游，而使得設置於遮罩的圖案位在投射透鏡PO的物件平面OS，其與照射系統的出光面ES相同且於此亦稱為遮罩平面OS。在掃描裝置的協助下，針對在垂直於光學軸OA(z方向)的掃描方向(y方向)之掃描器操作，光罩可移動於此平面。
遮罩平面OS的下游接著是投射透鏡PO，投射透鏡PO作用為縮減式透鏡，並以縮小比例(例如1：4的比例(|β|=0.25)或1：5的比例(|β|=0.20))，將光罩M上所設置的圖案影像成像到覆蓋光阻層的基板W上，基板的感光基板表面SS位在投射透鏡PO之影像平面IS的區域。
要曝光的基板(於此範例為半導體晶圓W)由包含掃瞄器驅動器之裝置WS所固定，以將晶圓與遮罩M同步在掃描方向(y方向)垂直於光學軸OA移動。裝置WS亦稱為「晶圓台(wafer stage)」，而裝置RS亦稱為「遮罩台(reticle stage)」，兩者皆為掃瞄器驅動器的一部份，於此實施例中，係利用整合於投射曝光裝置之中央控制裝置CU的掃描控制裝置來控制掃瞄器驅動器。
照射系統ILL所產生的照射場定義投射曝光期間所使用的有效物件場OF。於此範例中，該物件場OF為矩形並具有平行於掃描方向(y方向)量測的高度A*以及垂直於掃描方向量測(x方向量測)的寬度B*，其中B*>A*。外觀比(aspect ratio)AR=B*/A*通常在2至10之間，尤其是在3至6之間。有效物件場於y軸方向上在光學軸旁一段距離(偏軸場(off-axis field))。在影像表面IS的有效影像場選擇性地與有效物件場光學共軛，且具有與有效物件場相同形式及在高度A及寬度B方面有相同外觀比，但是絕對場尺寸以投射透鏡的成像比例β降低了，亦即A=|β|A*且B=|β|B*。
若投射透鏡係設計並操作為浸潤透鏡，則在投射透鏡操作過程中，輻射通過位於投射透鏡出光面與影像平面IS之間的一浸潤液體薄 層。於浸潤式操作，影像側數值孔徑NA可能大於1，即NA>1。亦可使用乾透鏡架構，於此狀況下，則影像側數值孔徑NA受限於NA<1的值。在典型高解析度投射透鏡的這些條件下，具有相對大數值孔徑的投射輻射(例如具有大於0.15或大於0.2或大於0.3的數值)係出現於投射透鏡的某些或全部場平面(物件平面、影像平面、可能的一或多個中間影像平面)區域中。
投射透鏡或投射曝光裝置配備有波前操縱系統WFM，其係組態以動態調整從物件平面OS傳送到影像平面IS之投射輻射的波前，也就是可藉由控制信號而以可變的方式設定波前操縱系統的光學效應。在範例具體實施例中的波前操縱系統包含具有第一操縱器元件ME1的第一操縱器MAN1，第一操縱器元件ME1係配置為在投射光束路徑中直接鄰近投射透鏡的物件平面且具有第一操縱器表面MS1，其配置在投射光束路徑中且其表面形狀及/或折射率分布可在第一致動裝置DR1的協助下可逆地調整。
為進一步闡明，圖2顯示光罩M區域及直接接續之第一操縱器元件ME1在x-z平面的縱切面示意圖。第一操縱器元件ME1為板狀的光學元件，其由對投射輻射為透明的材料所組成，例如由合成的石英玻璃所組成。面對物件平面OS的入光側係作為第一操縱器表面MS1，且對面的出光表面為一平面表面。
第一致動裝置包含多個互相獨立的可驅動致動器(圖未示)，其作用在板形操縱器元件ME1上使得第一操縱器表面MS1的表面形狀可成為具有定義外形的波形。在此情況中，在平行z方向量測的波「振幅」(即操縱器表面在z方向的偏斜)及在x方向量測之鄰近波峰間的距離(即波圖形的波長或週期)可設定為不同值。在本例的情況中，設定在x方向的正弦波形側影，其在x方向的(平均)波長可由特徵週期PCHAR特徵化。
第一操縱器表面係配置在與投射透鏡之物件平面OS相距一有限第一距離D1，該物件平面為最接近第一操縱器表面的場平面。從光學的角度來看，第一操縱器表面MS1係配置直接鄰近物件平面OS，亦即在「近 場位置(near-field position)」。這可特別由圖3來理解。圖3顯示平行於光學軸OA(在z方向)之第一操縱器表面MS1或第一操縱器元件ME1的平面圖。在此情況中，具有圓角的矩型區域FP係表示由來自有效物件場OF之射線所照射之第一操縱器表面的區域。此區域亦表示為「覆蓋區(footprint)」。
在此例中，投射輻射的覆蓋區表示投射光束與區域(此處為第一操縱器表面MS1)之間交叉區域的尺寸及形狀，投射光束係穿過此區域。從覆蓋區實質上具有矩形的物件場OF、轉角區域約為圓角的事實可理解光學鄰近物件平面OS。此外，與物件場十分相似的覆蓋區在光學軸OA外。雖然投射輻射在場的光學鄰近所使用的光學區域實質上具有照射場區域的形狀，在相對場平面之瞳平面傅立葉轉換的區域中係照射一實質圓形區域，結果為覆蓋區在瞳平面區域中具有至少近似圓形的形狀。
在第一操縱器表面MS1所照射的區域在x方向具有一等效直徑DFP。圖2及圖3示意地顯示第一操縱器表面在此方向的表面形狀具有複數個局部最大值(由圖2的波峰及圖3的「+」符號所表示)及複數個介於其間的局部最小值(由波谷及圖3的「-」符號所表示)。因此，產生了在x方向或在等效直徑方向的「波浪狀」。
在投射透鏡的情況中，光束從物件平面的每一場點出現，該光束的直徑隨著與物件平面距離的增加而增加。在此例中，物件側數值孔徑NAO對應每一光束之孔徑角α的正弦。從場點出現的每一光束在第一操縱器表面MS1照射一圓形子孔徑，其直徑係標示為子孔徑直徑SAD。從圖2可明白看出子孔徑SAD隨著第一距離D1增加以及隨著影像側數值孔徑增加而增加。第一操縱器係配置為接近物件平面而使得複數個子孔徑符合照射區域FP，其在x方向彼此並排靠攏且不互相重疊。較佳地，應滿足條件SAD/DFP<0.2，尤其是更滿足條件SAD/DFP<0.1。
若這些條件符合，則有可能在動態第一操縱器的協助下，以位置相依的方式影響投射透鏡之影像場中的失真，使得場相依失真校正 成為可能。這藉由第一操縱器能夠對從不同場點出現之光束的光學路徑長度引入不同改變的事實而達成。本文將光學路徑長度中的改變(其亦簡稱為光學路徑長度改變)標示為參數△OPL。
有許多原因造成在穿過由折射率n及厚度d的材料所組成的的透明光學元件(輻射經其傳輸)時射線之光學路徑長度的改變。若△d為輻射所傳輸通過的光學元件的厚度d在z方向的改變，則在輻射的垂直傳輸情況中，成立△OPL=△d * n-1。若在輻射所傳輸通過的光學元件中，折射率變化△n上升(例如因為加熱或冷卻)，則成立△OPL=△n * d。這些原因可能交替或累積地產生作用。通常會有一個主要原因。兩種效應都可用於本發明的情況中。
在圖2的範例中，第一光束從第一場點FP1出現，第一光束的主射線(以虛線表示，此主射線平行於光學軸)撞擊「波谷」區域，即局部最小板厚度的區域。在例如第二光束的例子中，其從相對第一場點橫向偏移的第二場點FP2出現，主射線(以虛線表示)撞擊波峰區域，即局部最大板厚度的區域。因此，從兩個場點出現的光束將遭遇不同的光學路徑長度變化。
X方向之光學路徑長度變化的局部分布可藉由第一操縱器之致動裝置的驅動而變化，如此可設定具有不同波浪狀的不同變形表面形狀，結果為波前校正的場相依性也可被設定。在此例中，波前改變的形式及強度係取決於在關聯於光束的子孔徑內由第一操縱器表面MS1所造成之光學路徑長度變化的輪廓。舉例來說，在子孔徑直徑上之光學路徑長度變化的線性上升或下降將導致波前的傾斜，且二次輪廓將影響到聚焦及散光。
參考圖4到圖8，現在將解釋定位在近場配置中之第一操縱器元件對在投射透鏡之影像場IF中的波前校正狀態的效應，其作為各種影響參數的一函數。在幾何光學的領域中，通常使用Zernike多項式來表示波前，其描述光學系統的成像像差。在此例中，個別成像像差可由Zernike多項式 的係數來描述，亦即Zernike係數或其數值(單位為nm)。在本文所選擇的表示中，Zernike係數Z2及Z3分別表示波前在x方向及y方向的傾斜，其結果為產生如失真的像差。Zernike係數Z4描述波前的曲率，藉此可描述失焦錯誤。Zernike係數Z5描述波前的鞍形失真(saddle-shaped deformation)及波前失真的散光成分。Zernike係數Z7及Z8表示彗形像差(coma)，Zernike係數Z9表示球形像差，且Zernike係數Z10及Z11表示三葉苜蓿草(three leaf clover)。
參考圖4到圖8，首先將描述波前操縱器系統的一範例，其僅具有包含第一操縱器表面的單一第一操縱器，其配置為光學鄰近於物件平面。在此例中，圖4到圖7描述此一操縱器之敏感度為軸向位置的函數，亦即為與最近場平面之距離的函數。在此例中，「敏感度」一詞表示在操縱器之定義「偏向(deflection)」的情況中，操縱器對波前的影響，其中「偏向」可例如由最大光學路徑長度變化△OPL=1nm所給定。
在圖4到圖7的每一例中，與最近場平面的「正規化操縱器距離」DNORM(即關係式SAD/PCHAR)係標示於x軸上。數值SAD/PCHAR=0.0表示直接在場平面中的位置。正數值表示在輻射傳輸方向中之場平面下游的位置，而負數值表示場平面上游的位置。在每一例中，在所考慮的場上之個別Zernike係數的最大值ZMAX(單位為nm)係繪示於y軸上。圖4顯示NAM=0.3375時的數值，而圖5顯示NAM=0.675時的對應數值。因此，在圖5的例子中之第一操縱器表面之投射輻射的數值孔徑為在圖4例子中的兩倍大。
很明顯地，失真相差(Z2/3)上的效應為奇函數，因為在場平面上游位置例子中的效應與在場平面下游位置例子中的效應具有相反的符號。敏感度曲線Z2/3在場平面具有一反曲點。相反地，失焦(Z4)及散光(Z5)之敏感度為偶函數，因為其形狀相對場平面為鏡像對稱且在場平面中具有一局部極值(在失焦的情況為最大值，在散光的情況為最小值)。此外，散光項及失真項消失在場平面中，而失焦項Z4具有直接在場平面中的局部最大 值且僅在場平面外一特定距離消失。(實線表示較高階像差，即彗形像差(Z7/8)、球形像差(Z9)及三葉苜蓿草(Z10/11)。本文最初將不考慮這些像差)。在較高數值孔徑例子(圖5)中的關係為類似的，很明顯地，失焦項目的範圍隨著在操縱器表面之數值孔徑的增加而增加。
在例示的情況中，第一操縱器的目的為以場相依的方式影響失真像差。該失真相差也由數值Z3描述，因此其表示意圖要被影響的像差，即「所需的像差(desired aberration)」。其他像差(特別是Z4(失焦)及Z5(散光))則希望盡可能不要被影響、或被影響的範圍小到所產生像差具有通常可忽略的量級。
為了說明操縱器表面的定位一方面如何影響所需的像差(Z2、Z3)且另一方面如何影響不想要的殘餘像差(Z4、Z5等)，在圖6及圖7中再次畫出對應圖4及圖5的數值，其中敏感度係繪示成在y軸上相對1nm之Z3敏感度的正規化數值。此繪圖顯示要產生最大1nm Z3量級的(期望)失真校正所要付出的「代價」(此處指不想要的殘餘像差)。
在此正規化繪圖中，可明顯看出在距離場平面的有限距離，有一個有限寬度的距離範圍UR(有用範圍)，其中失焦項及散光項維持在低於被認為對這些像差貢獻為關鍵的界限內。舉例來說，在最大限度設定之Z2=1的失真貢獻的例子中，若假設失焦項Z4的絕對值預期不大於0.2nm，則明顯地在此例中，第一操縱器表面不應比在正規化操縱器距離值DNORM=0.03更靠近場平面。若第一操縱器表面比此限制值更靠近場平面，因為在失焦項此位置的奇異點，將導致失焦貢獻有非常大的上升。往更遠的距離，簡單有用的距離範圍UR係受限於對散光的貢獻。在本案中一般係假設在多數情況能夠容忍小於0.4nm的散光項，而散光貢獻(Z5)不應高於此限制值。限制值Z5=0.4nm係關聯於約為0.48的正規化操縱器距離DNORM。
這些限制為圖6針對數值NAM=0.3375的結果。針對大小為在第一操縱器表面兩倍大之數值孔徑的對應繪圖係繪示於圖7。有用距離範 圍UR的對應評估顯示相對場平面之較大的正規化操縱器距離現在應該符合對場平面附近之失焦項較大上升的考量，而正規化操縱器距離的下限現在約為DNORM=0.12。由散光項所決定的上限係獨立於操縱器表面的數值孔徑。
更準確的分析顯示在失焦貢獻的預定義上限值以良好近似的例子中，有用距離範圍的下限與在操縱器表面的數值孔徑的平方成比例。為此，圖8所示的圖式在x軸顯示操縱器表面的數值孔徑NAM，且在y軸顯示針對失焦項之預定義限制值的正規化操縱器距離，其中Z4/Z3=0.2。虛線在此顯示在每一例子中前述圖式所述的模擬結果；實線由0.25 * NAM 2給定。
因此，若使用位在近場配置中的單一動態可操縱操縱器表面，則一良好運作之操縱器的正規化操縱器距離的可用距離範圍將得到以下不等式：0.25 * NAM 2<SAD/PCHAR<0.48 (1)在此例子中，上限由比例Z5/Z3=0.4所決定。對應的數值SAD/PCHAR>0.48係獨立於NAM。NA-相依的下限係由0.25 NAM 2給定。
經由例示的方式，以下將描述具有可彼此獨立操作之複數個操縱器的波前操縱系統。為了清楚的說明，將描述範例，其中除了第一操縱器之外只提供一個第二操縱器，其具有配置在投射光束路徑中之包含第二操縱器表面的第二操縱器元件以及用以可逆地改變第二操縱器表面之表面形狀及/或折射率分布的第二致動裝置。波前操縱系統也可包含多於兩個操縱器(其可彼此獨立地設定)，例如三或四個操縱器。
在圖9之範例具體實施例的情況中，投射透鏡係組態使得中間影像平面IMIS位在物件平面OS與影像平面IS之間，一真實中間影像IMI係產生於該中間影像平面中。為此目的，投射透鏡具有位在物件平面OS與中間影像平面IMIS之間的複數個光學元件，其共同地形成一光學成像系統 而構成投射透鏡的第一透鏡部份。根據第一透鏡部份的設計，中間影像可相對位於物件平面OS中的有效物件場放大或縮小、或可具有與該物件場相同的尺寸。中間影像係直接地或經由至少一個另外的中間影像而成像於影像平面IS上，其通常具有大幅降低的成像比例。
波前操縱系統具有包含第一操縱器元件ME1的第一操縱器MAN1，ME1的第一操縱器表面MS1係配置在中間影像平面下游的第一距離D1，亦即在後者與影像平面之間。第二操縱器MAN2具有包含第二操縱器表面MS2的第二操縱器元件ME2，MS2係配置在中間影像平面上游的有限第二距離D2，亦即在後者與物件平面之間。具有相同距離D1=D2的配置(其係相對中間影像平面對稱)是有利的，因為可將不想要偶像差完全抵銷。在每一例子中，板狀操縱器元件位在相對中間影像平面的近場配置中，其結果為條件SAD/DFP<0.2將適用於各別的操縱器表面。
每一操縱器元件可驅動以在x方向上產生光學路徑長度變化上多個交替的效果。用以設定光學路徑長度變化△OPL的圖形彼此為反向。這由符號「+」以及「-」表示，其中「+」表示光學路徑長度變化△OPL的局部最大值且「-」表示光學路徑長度變化△OPL的局部最小值。因此，可達成的是由兩個操縱器所產生之對偶像差(例如失焦及散光)的貢獻將彼此互相抵銷，結果為兩操縱器的組合實際上對失焦與散光沒有產生貢獻。
為此，類似於圖4及圖5所示，圖10顯示在SAD/PCHAR=0的例子中在中間影像平面兩側之正規化操縱器距離DNORM上各個Zernike係數的相依性。數值係針對NAM=0.3375而計算。
由於在相對中間影像平面為相反驅動及相同距離的例子中對失焦及散光的貢獻可相互抵銷，將在中間影像平面的上游及下游產生比在僅有單一個操縱器的例子中更大的有用距離範圍。為了獲得針對所要操縱之像差(Z2/3)之足夠高的操縱器敏感度而不會使操縱器變形或加載過大的程度，個別操縱器表面與中間影像平面之間有一定的最小距離是必須 的。若假設針對這些像差所想要的校正範圍的量級為2nm且若追求高達50nm的校正範圍為每一操縱器表面的最大可允許變形，則條件SAD/PCHAR>0.012的結果作為正規化操縱器距離之下限的條件。若目的是為了避免對彗形像差及三葉苜蓿草有過大的貢獻，則有用距離範圍的上限可由條件SAD/PCHAR<0.85方便地描述。因此，較佳成立以下式子：0.012<SAD/PCHAR<0.85 (2)
還有其他的可能性用以組態具有可在投射光束路徑中彼此獨立操作之兩個操縱器的波前操縱系統。為此，圖11顯示一範例具體實施例的示意描述，其中波前操縱系統具有兩個操縱器MAN1、MAN2，其在相距投射透鏡之場平面(此處為物件平面OS)的不同距離處配置為一個直接在另一個之後，其中場平面係配置在輻射傳輸方向的上游。第一及第二操縱器元件ME1、ME2(其為實質板形設計)係配置為一個直接在另一個之後，而無在分流光束路徑中介入具有折射能力的光學元件，使得在兩個操縱器表面(第一操縱器表面MS1、第二操縱器表面MS2)之投射輻射的數值孔徑為相同。第一操縱器元件較靠近最近的場平面OS，其結果為第一距離D1小於第二距離D2。
由於光束所個別出現之相對場點的不同距離，在每一例子中，子孔徑直徑在第一操縱器表面比在第二操縱器表面小。這導致有關所要改變的目標變數(此處為失真Z2/3)以及有關其餘不想要的像差之不同敏感度。相較於只有一個操縱器的例子(參考圖2)，可藉由適當驅動兩個操縱器，而以對目標變數的相同作用達成降低不想要的像差。
這導致對操縱器元件的定位有較為寬鬆的距離要求，其中特別是有可能將操縱器元件配置為比僅有單一操縱器元件的情況更遠離場平面。
以下所更詳細解釋的分析係顯示較靠近場平面的第一操縱器不應比僅有單一操縱器的情況更靠近場平面，以對此操縱器在足夠高的 敏感度與對不想要的像差之足夠小的貢獻之間獲得良好的折衷。在此例中，若有可能，正規化操縱器距離不應小於0.25 *NAM 2。然而，將第一操縱器表面配置為比單一操縱器的例子更為遠離場平面是可能的。在對應的邊界條件下，上限0.8對正規化操縱器距離似乎是可行的。第二操縱器表面可更顯著地遠離最近場平面，其中正規化操縱器距離較佳應小於1.5。
為闡明對像差的作用，圖12到15顯示每一例子的長條圖，其中在每一例中的長條高度表示對x軸上所指示之個別像差Zi[nm]的貢獻。第一範例係描述於圖12及圖13中。分別位在左側具有較深灰色陰影的長條表示參考例子，其中只有單一操縱器配置在與最近場平面相距正規化操縱器距離SAD/PCHAR=0.5。分別位在右側具有較淺灰色陰影的長條表示具有兩個直接連續之操縱器元件的範例情況，其中較靠近場平面的第一操縱器元件與最近場平面相距相同的正規化操縱器距離(0.5)，而較遠的操縱器元件係配置在SAD/PCHAR=0.7。在所有圖式中的長條高度係正規化為所需像差Z3之1nm數值。這表示操縱器係驅動使得其對波前的傾斜產生1nm的貢獻。
首先只考慮圖12及圖13中較深的長條，其描述單一操縱器的情況。很明顯地，對量級為1nm Z3之失真校正的期望貢獻產生了各種不想要的像差，其中失焦(Z4)及散光(Z5)為主要的殘餘像差。這對應至已經在圖6中所說明的情況。
相反地，若除了在SAD/PCHAR=0.5的第一操縱器之外，也直接在下游設置第二操縱器於SAD/PCHAR=0.7，則殘餘像差(特別是失焦(Z4)及散光(Z5)的情況)可大大地降低。以對所追求像差(Z3)相同的敏感度，對失焦的貢獻可從約-0.18降低至-0.03。針對散光(Z5)，產生約為1/4比較值的降低，亦即從0.4到約0.09。因此，相較於配置在與最近場平面相距一相當距離之一個別操縱器的例子，一個直接設置於另一個之後的兩操縱器之組合對失焦及散光將產生顯著較小的貢獻。
為了評估相對最近場平面之距離的可實行上限，圖14及圖15以對應的繪圖顯示像差貢獻，其係針對較靠近場平面的第一操縱器元件配置在正規化操縱器距離SAD/PCHAR=0.8且較為遠離的第二操縱器元件配置在SAD/PCHAR=1.0的例子。在每一例子中左側較深色的長條顯示針對僅使用位置最為靠近之第一操縱器元件之情況的像差貢獻。較淺色的長條顯示在反向驅動兩個操縱器元件(一個直接配置在另一個之後)之情況中的對應結果。很明顯地，在所需敏感度Z3=1nm之例子中的個別操縱器元件在失焦(Z4)及散光(Z5)兩個情況中產生的貢獻將大於此處假設能夠承受之的容忍度上限值(Z4=0.2nm且Z5=0.4nm)。兩個操縱器的組合可降低這些貢獻至對失焦(現在約為-0.08)以及對散光(現在約為0.2)的貢獻低於此處所假設之上限值的這樣一個顯著程度，結果為不再產生擾人的此類型像差。奇像差(例如彗形像差(Z8)及三葉苜蓿草(Z11))仍位在量級約為0.3nm之可承受容忍度的範圍中。此範例顯示，若對奇像差的貢獻不應該太高，則不應超過此處所指的距離上限。總之，若條件0.25 * NAM 2<SAD/PCHAR<0.8對第一操縱器表面成立且條件SAD/PCHAR<1.5對第二操縱器表面成立，則將認為是有利的。
下文將根據特定範例具體實施例來描述可使用之投射透鏡及操縱器裝置的不同組合。
圖16顯示折反射投射透鏡1600具體實施例之透鏡元件的示意縱剖面，其以選定的光束來說明操作過程中通過投射透鏡之投射輻射的成像光束路徑。投射透鏡提供作為具有縮圖效果的成像系統，用以將設置在其物件平面OS之光罩圖案以縮減比例(例如4：1比例)成像到平行於物件平面之其影像平面IS上。於此例子中，在物件平面與影像平面之間產生恰好兩個實際中間影像IMI1、IMI2。第一透鏡部OP1僅以透明光學元件建構因而為純折射式(折光式)，且設計為以尺寸實質無變化方式將物件平面的圖案成像到第一中間影像IMI1。第二折反射式透鏡部OP2以尺寸實質無變化方式將 第一中間影像IMI1成像到第二中間影像IMI2。第三純折射式透鏡部OP3係設置為以較強的縮減尺寸方式將第二中間影像IMI2成像到影像平面IS。
在物件平面與第一中間影像之間、在第一中間影像與第二中間影像之間、以及在第二中影像與影像平面之間，成像系統之瞳表面P1、P2、P3分別位在光學影像之主光線CR與光學軸OA相交之處。系統的孔徑光闌AS置入第三透鏡部OP3之瞳表面P3的區域中。折反射式第二透鏡部OP2內部的瞳表面P2位在凹面鏡CM緊鄰附近。
若投射透鏡設計及操作成浸潤式透鏡，則於投射透鏡操作期間，輻射傳輸通過浸潤液薄層，其位在投射透鏡之出光面與影像平面IS之間。具有相仿基本設計之浸潤式透鏡顯示於例如國際專利申請案WO 2004/019128 A2號。浸潤式操作過程中，可能的影像側數值孔徑NA>1。亦可組態成乾式透鏡，而於此影像側數值孔徑限制在NA<1的值。
圖16的範例性具體實施例在光學結構上(不含操縱器元件係對應美國專利公開案US 2009/0046268 A1之圖6的具體實施例。該文件有關投射透鏡基本架構(光學規格)的揭露內容係併入本文內容作為參考。
折反射式第二透鏡部OP2包含投射透鏡之單一凹面鏡CM。位在此凹面鏡直接上游的是具有兩個負透元件之負群組NG。於此配置中，匹玆瓦校正(Petzval correction)(有時表示為Schupmann消色差(Schupmann Achromat))，亦即影像場曲率的校正，是藉由凹面鏡的曲率及其附近之負透鏡來產生，而色彩校正是藉由凹面鏡上游之負透鏡的折射能力及光圈相對於凹面鏡之定位來產生。
反射式偏向裝置用於將從物件平面OS到凹面鏡CM或對應部分光束路徑之光束，與在凹面鏡反射後行進於凹面鏡與影像平面IS間之光束或部分光束路徑分開。為達此目的，偏向裝置具有平的第一偏向鏡FM1以及第二偏向鏡FM2，其中第一偏向鏡FM1用於將來自物件平面的輻射反射到凹面鏡CM，而第二偏向鏡FM2以直角與第一偏向鏡FM1對準並將凹面鏡 所反射的輻射偏向到影像平面IS的方向。由於光學軸在偏向鏡折疊，因此於本案中偏向鏡亦稱為折疊鏡。相對於投射透鏡的光學軸OA，偏向鏡繞著垂直光學軸並平行第一方向(x方向)延伸之傾斜軸傾斜，例如45°。針對掃描操作之一種投射透鏡設計中，第一方向(x方向)垂直於掃描方向(y方向)，因而垂直於光罩(遮罩)與基板(晶圓)的移動方向。為達此目的，偏向裝置實施成稜鏡，其外部反射塗佈的直角面彼此垂直對準並做為偏向鏡。
中間影像IMI1、IMI2分別位在折疊鏡FM1及FM2之光學鄰近，位在最靠近折疊鏡但仍相距有最小光學距離，使鏡表面可能有的錯誤不會清晰地成像到影像平面，而平偏向鏡(平面鏡)FM1、FM2位在中等輻射能密度區域。
(平行軸(paraxial))中間影像之位置定義系統之場平面，其分別與物件平面及影像平面光學共軛。因此。偏向鏡位在系統之場平面的光學鄰近，在本案範疇中此亦稱為「近場(near-field)」。於此，第一偏向鏡設置在關聯於第一中間影像IMI1之第一場平面的光學鄰近，而第二偏向鏡設置在第二場平面的光學鄰近，其中第二場平面與第一場平面光學共軛且關聯於第二中間影像IMI2。
舉例而言，子孔徑比SAR可用以量化在光束路徑中之光學元件或光學表面的位置。
根據一說明性定義，在投射光束路徑中之光學元件的光學表面的子孔徑比SAR係依據SAR：=SAD/DCA而定義為子孔徑直徑SAD與光學自由直徑(optically free diameter)DCA之間的商。子孔徑直徑SAD由被從一給定場點出現之光束光線所照射之光學元件之局部表面的最大直徑所給定。光學自由直徑DCA為環繞光學元件參考軸之最小圓圈的直徑，其中圓圈包含由來自物件場的所有光線所照射之光學元件的表面區域。
在場平面(物件平面或影像平面或中間影像平面)中，SAR=0成立。在瞳平面中，成立SAR=1。「近場」表面因此具有接近0的子孔徑比， 而「近瞳」表面具有接近1的子孔徑比。
於本案中，光學表面相對於參考平面(例如場平面或瞳表面)的光學鄰近或光學距離以所謂子孔徑比SAR來描述。針對本案目的，光學表面之子孔徑比SAR定義如下：SAR=sign CRH(MRH/(| CRH |+| MRH |))其中MRH表示邊緣光線高度，CRH表示主光線高度，而signu m函數sign x為x的sign，其中藉由轉換使sign 0=1。主光線高度為物件場之場點之主光線高度，具有絕對值為最大場高度。光線高度於此具有符號。邊緣光線高度為從光學軸與物件平面之交點射出之光線(具有最大孔徑)之高度。此場點不一定對設置在物件平面之圖案的傳輸有影響，尤其是對偏軸影像場而言。
子孔徑比為變數，其具有符號且為光束路徑中之一平面鄰近到場或瞳的度量。以定義而言，子孔徑比係正規化為-1與+1之間的值，在各場平面中子孔徑比為0，而子孔徑比於瞳平面從-1跳到+1，或反之亦然。因此，絕對值為1的子孔徑比判定為瞳平面。
因此，近場平面具有接近0的子孔徑比，而近瞳平面具有絕對值接近1的子孔徑比。子孔徑比的符號表示平面的位置是在參考平面的上游或下游。
波前操縱系統的第一操縱器元件ME1(該第一操縱器元件對投射輻射為透明)在投射光束路徑中直接配置在物件平面OS下游之一小的有限距離。操縱器元件實質具有矩形板的形狀，其較長側在x方向且較短側在y方向(掃描方向)。此板在光學軸旁的一距離處完全位在光學軸之外(偏軸配置)。由左側所示之軸向平面圖可看出，操縱器元件的尺寸及配置係使得投射輻射的覆蓋區(FP，以虛線方式描述，其在此區域中主要為矩形)位在輻射可傳輸通過之操縱器元件的區域上(亦參考圖3)。在致動裝置(圖未示)的協助下，第一操縱器元件所形成之第一操縱器表面的表面形狀及/或折射率分 布可被可逆地改變，其改變方式為投射輻射之光學路徑長度改變的複數個最大值及鄰近最小值可在x方向橫跨光學使用區域而產生。最大及最小值的輪廓係以在y方向的實線示意性地描述。
平行光學軸所量測之主動操縱器表面與物件平面之間的距離夠小，使得小於0.1的子孔徑比SAR出現在操縱器表面的位置且條件SAD/DFP<0.1成立。
第一操縱器元件ME1係配置於物件平面OS與投射透鏡的第一透鏡元件L1之間，該透鏡元件表現出折射能力，精確的說是該第一操縱器元件係配置為比該透鏡元件更接近物間平面。
在此類型的投射透鏡中，有更多的位置(作為近物件操縱器元件的替代或補充)可配置操縱器元件於投射光束路經中。一位置在幾何上係位於具有折疊鏡FM1、FM2之稜鏡與凹面鏡CM之間，更精確的說是靠近折疊鏡FM1、FM2。第一操縱器元件ME1’的圖式位置係位在第一中間影像的直接下游而直接光學鄰近於第一中間影像IMI1，並在第二中間影像的直接上游而直接光學鄰近於第二中間影像IMI2。子孔徑比SAR在兩例子中都小於0.2；條件SAD/DFP<0.2在每一例中都成立。較佳的位置為從物件平面通往凹面鏡(在於第一偏斜鏡FM1反射之後)的部分光束路徑與從凹面鏡經由第二折疊鏡FM2通往影像平面第二部分光束路徑在空間上為分離。第一覆蓋區FP1出現在第一部分光束路徑中操縱器的位置，而第二覆蓋區FP2出現在第二部分光束路徑中。覆蓋區係相對光學軸OH而彼此正為相對，其細節如左下方所示。
在所繪示的位置中，現在將有可能配置操縱器元件而使其僅在部分光束路徑的其中一者中作用，亦即僅在第一部分光束路徑(在物件平面與凹面鏡之間)中或僅在第二部分光束路徑(在凹面鏡與影像平面之間)中。也有可能在此位置放入一操縱器元件，輻射在不同的方向通過其中且其在兩個部分光束路徑中作用。
以類似於在物件平面直接下游的位置之方式，有可能設定一所需波前變化，其在x方向中最大值與最小值之間多次交替，結果為x方向中的特徵週期可分配至光學路徑長度變化。
圖17顯示配備有位於投射光束路鏡中之近場配置之第一操縱器元件ME1的投射透鏡1700的範例具體實施例。投射透鏡的光學機構(不含操縱器元件)對應美國專利US 7,446,952 B2之圖13的結構，其併入本說明書作為參考。投射透鏡具有第一折射透鏡部OP1，其產生來自於物件平面OS中之物件的第一中間影像IMI1。該第一中間影像在反射型第二透鏡部OP2的幫助下成像至第二中間影像IMI2。第二透鏡部由兩個凹面鏡CM1、CM2組成，其鏡面面對彼此且位於近場設置(靠近中間影像、遠離中介的瞳平面)中。折射型第三透鏡部OP3將第二中間影像成像至第三中間影像IMI3，其接著由折射型第四透鏡部OP4以高度縮小的方式形成最終影像於影像平面IS中。所有透鏡部具有共同、直線型(非折疊)的光學軸OS(共軸系統)。更多細節可由US 7,446,952獲得，因此本文不特別表示。
第三中間影像IMI3(其係相對物件縮小)所在的中間場平面以相對容易到達的方式位於在物件側上之第三透鏡部OP3的最後凹面鏡元件與在物件側上之第四透鏡部的第一凹面鏡元件之間。本文中，第一操縱器元件ME1可插入至投射光束路徑，而沒有與基本結構的透鏡元件相衝突的風險。若適當的話，可由用以交換及取代投射光束路徑中的操縱器元件之改變裝置作出預防。第一操縱器元件ME1可為在x方向具有長邊以及在y方向具有短邊的矩形(以軸向示意細節圖描述)，且可配置在光學軸OA之外。此處之投射輻射的覆蓋區FP(以虛線繪示)係完全位在第一操縱器元件的可用區域中。適當的致動元件使得有可能設定一光學效應，其在x方向中的最大值與最小值之間多次改變且其對應至投射輻射的不同光學路徑長度變化。替代或補充地，投射透鏡也可在其他位置具有對應的操縱器元件，例如在近場位置中物件平面OS的直接下游。除了所示的第一操縱器元件 ME1(其位在輻射傳輸方向中之第三中間影像的下游)之外，也有可能放入另一個操縱器元件，其也位在第三中間影像上游而直接光學鄰近於第三中間影像(參考圖9)。
具有直線光學軸(共軸系統)及複數個(正好兩個)中間影像的更多投射透鏡的範例具體實施例係揭露於WO 2005/069055 A2，其揭露內容併入本說明述的內容作為參考。這些投射透鏡可配備有本文所述類型之波前操縱系統的一或多個近場操縱器元件。舉例來說，在該文件之圖30到32或圖36到38中所示的其中一投射透鏡中，近場動態可變的操縱器元件可配置在物件平面的直接下游於後者與第一透鏡元件之間，在子孔徑比SAR小於0.2及/或條件SAD/DFP<0.2成立的位置。
本文所述類型的波前操縱系統的操縱器元件可根據不同的原理來操作。圖18到圖21以範例方式描述可在本文所述類型的投射透鏡中(如圖16及圖17)或可在波前操縱系統環境中之其他適合的投射透鏡中替代或組合使用的操縱器。
圖18中的操縱器1850具有兩個透明板P1、P2，其可併入於物件平面OS直接下游例如SAR<0.2的近場位置中，且其板表面在每一情況中垂直於投射透鏡的光學軸OA。各板可為矩形，其範圍可為在投射透鏡之x方向比在y方向(與其垂直)大上多倍。面對物件平面OS之第一板P1的入光側為平面。同樣地，面對影像平面之第二板P2的出光側為平面。面對彼此的每一板表面為波浪表面形狀，其中波谷及波峰平行於y方向且板厚度d在x方向週期地變化。在第一板P1出光側的波形以及在第二板P2入光側的波形在x方向上所量測的特徵週期以及在厚度變化的振幅上係彼此互補。各板可在x方向上相對彼此位移，在範例具體實施例中其係藉由第一板P1以固定方式安裝而第二板P2在致動裝置DR1的協助下可平行於x方向移動的事實而達成。然而，也有可能兩個板以可移動的方式來體現。
板P1、P2的每一者係由具有折射率n(如熔融石英或氟化鈣) 的材料組成，且在輻射的垂直傳輸的情況下引起光學路徑長度變化△OPL=△d * n-1，其中△d為輻射在z方向中傳輸通過之光學元件厚度d的變化。
此操縱器有效產生波前變化的表面面積由兩板效應之間的差異引起。若後者移置到第一板的「波峰」正好對齊第二板的「波谷」(即在z方向中一個位在另一個之後)之中立位置，則兩板的效應互相抵銷，以這樣的方式產生平面板的整體效果。第二板相對第一板在垂直輻射傳輸方向之零位置之外的相對位移係建立一波前變化，其在x方向中週期變化並在最大與最小值之間多次交替，其中所產生之波前變化的密度可藉由位移距離而持續設定(亦參考EP 0 851 304 A2)。在此情況中，有效操縱器表面面積位在形成於兩板間的空間區域。相對輻射傳輸方向多次橫向變化的所需波前效應將在此出現。
在某些情況中使用具有兩板之此類型的單一操縱器可能足夠，特別是在只需設定基本失真的那些情況中。為了增加可設定之波前變化的靈活性及多樣性，可提供二或更多個板對，其設置為一前一後，如由虛線顯示的第二操縱器所示。設置為一前一後的複數個操縱器可設計使得垂直於光學軸的不同位移方向是可能的，例如位移方向彼此垂直。藉此，可實現更有彈性的操縱器功能。
圖19及圖20示意性地顯示操縱器元件1950之不同具體實施例的剖視圖，其中圖19顯示在中立位置(零位置)且圖20顯示為在功能位置的一片段，其中光學主動厚度或光學路徑長度變化的最小值及最大值之間的多次交替係設定於x方向中。操縱器元件使用與以本申請人名義申請之美國專利7,830,611 B2不同目的及不同設計的原理。該文件的揭露內容係併入本說明書內容作為參考。
操縱器元件1950具有多層結構。相對厚、不易撓曲的透明平板1995係容納於框架式座台1952中，該平板的厚度可例如在公分範圍。另一平板1960係容納在相距該板一距離處，且明顯比相對抗扭剛性板1955 更薄。厚度可例如在1到2毫米的範圍。板1955、1960之間維持平面平行的空間，當操縱器準備好要操作時，填入對投射輻射為透明的液體1970於此空間中。空間的厚度一般為小，例如小於1毫米，特別是小於10微米。在板之間的儲液器係連接至壓力裝置1980，藉此空間中液體的液壓可設定為例如一定值。液體及板的透明材料具有非常類似的折射率，其中板的折射率與液體的折射率之間的比率較佳在0.99與1.01之間。
整體配置在軸向平面圖(平行於z方向)中為矩形且稍微大於在「覆蓋區」區域中之操縱器近場配置之情況中輻射傳輸經過的區域。在薄板1960的側邊裝有致動器1990，其在操縱器的縱向側以相互等距離成對地相對設置於輻射可傳輸通過的區域之外。舉例來說，可包含壓電致動的致動器。致動器係設計使得其可作用在薄板的外側，具有實質垂直於薄板的板表面作用的按壓力(參考圖20)。致動器的適當驅動有可能建立具有可預定義振幅之薄板1960的波狀形變，其中「波谷」平行於y方向且波狀形變的特徵週期長度PCHAR(該特徵週期長度於x方向中量測)可藉由個別驅動之致動器的選擇而設定為不同的數值。
若輻射平行於z方向(亦即垂直於抗扭剛性厚板1955)傳輸至此配置，則圖19所示在中立位置的整體配置作用像是一個平面平行板，結果為相同的光學路徑長度變化△OPL被引入在整個照明的橫截面。若在x方向中週期變化的光學路徑長度變化係有意被引入，則對應的致動器將啟動，結果為薄平面板1960在對應的位置被推壓於液體的方向。輻射所傳輸通過之總厚度d的局部最小值發生在這些區域中，而局部最大值分別發生在啟動的致動器之間。因此，在第一近似，在x方向週期變化的波長改變可以類似於在圖2及圖3所解釋的方式設定。藉由驅動不同的致動器群組，有可能設定不同的「波長」或x方向中不同的特徵週期PCHAR。
若有需要，也有可能使用此配置的修改，其中致動器不僅配置在輻射可傳輸通過之區域之外的邊緣，也配置在輻射可傳輸通過的區 域內(參考US 7,830,611 B2的圖10及圖11)。
圖21的斜角透視示意圖顯示操縱器2100之另一範例具體實施例，其可用於本文所述類型之波長操縱器系統的背景中。在可形變薄矩形平板2155的邊緣，致動器2190的群組係交替地置於平板的相對側。藉由以群組所適當驅動的致動器，有可能以波浪的方式將平板變形，其中波谷及波峰係平行於y方向行進，且波峰及個別的波谷在x方向彼此相距一距離，該距離係對應至相應之應用情況的特徵週期PCHAR。
D1‧‧‧第一距離
DR1‧‧‧致動裝置
M‧‧‧光罩
ME1‧‧‧第一操縱器元件
MS1‧‧‧第一操縱器表面
OA‧‧‧光學軸
OS‧‧‧物件平面
PCHAR‧‧‧特徵週期長度
SAD‧‧‧子孔徑直徑

Claims (19)

  1. 一種投射透鏡，具有一物件平面與一影像平面，該投射透鏡包含：多個光學元件，包含配置在一投射光束路徑中的多個光學表面，使得在使用該投射透鏡期間，該等光學元件藉由具有小於260奈米之一操作波長的電磁輻射將在該物件平面中的一圖案成像至該影像平面；以及一波前操縱系統，係組態使得在使用該投射透鏡期間，該波前操縱系統動態地影響該電磁輻射從該物件平面傳送到該影像平面時的一波前，該波前操縱系統包含：一第一操縱器，包含在該投射光束路徑中的一第一操縱器表面；以及一第一致動裝置，用以可逆地改變該第一操縱器表面之一表面形狀及/或該第一操縱器表面之一折射率分布；其中，在使用該投射透鏡期間，該第一操縱器具有一光學使用區域，其具有一有效直徑DFP；根據一特徵週期PCHAR，橫跨該第一操縱器的該光學使用區域，產生一光學路徑長度變化的一最大值NMAX>1；根據該特徵週期PCHAR，橫跨該第一操縱器的該光學使用區域，產生該光學路徑長度變化的一最小值NMIN>1；PCHAP=DFP/((NMAX+NMIN)/2)；該第一操縱器表面係與該投射透鏡之一最近場平面相距一有限第一距離而光學鄰近於該最近場平面，使得來自該最近場平面的一場點的每一光束在該第一操縱器表面照射具有一子孔徑直徑SAD的一子孔徑；以及在該第一操縱器表面，SAD/DFP<0.2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之投射透鏡，其中該波前操縱系統僅具有該第一操縱器光學鄰近於該最近場平面，且該有限第一距離係被設定尺寸使得當啟動該第一操縱器時，在該第一操縱器表面，滿足以下條件：0.25 * NAM 2<SAD/PCHAR<0.48，其中NAM為該電磁輻射在該第一操縱器表面的一數值孔徑。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之投射透鏡，其中該最近場平面為該物件平面。
  4. 如前述申請專利範圍第1或2項所述之投射透鏡，其中沒有任何具有折射能力的光學表面設置在該物件平面與該第一操縱器表面之間，且NAM等於一物件側數值孔徑NAO。
  5. 如前述申請專利範圍第1或2項所述之投射透鏡，其中，該波前操縱系統還包含：一第二操縱器，包含一第二操縱器表面；以及一第二致動裝置，用以可逆地改變該第二操縱器表面之一表面形狀及/或該第二操縱器表面之一折射率分布；其中，在使用該投射透鏡期間，該第二操縱器具有一光學使用區域，其具有一有效直徑D’FP；根據一特徵週期P’CHAR，橫跨該第二操縱器的該光學使用區域，產生該光學路徑長度變化的一最大值N’MAX>1；根據該特徵週期P’CHAR，橫跨該第二操縱器的該光學使用區域，產生該光學路徑長度變化的一最小值N’MIN>1；P’CHAR=D’FP/((N’MAX+N’MIN)/2)； 該第二操縱器表面係與該投射透鏡之該最近場平面相距一有限第二距離而光學鄰近於該最近場平面，使得來自該最近場平面的一場點的每一光束在該第二操縱器表面照射具有一子孔徑直徑SAD’的一子孔徑；以及在該第二操縱器表面，SAD’/D’FP<0.2。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之投射透鏡，其中該電磁輻射在該第一操縱器表面的一數值孔徑等於該電磁輻射在該第二操縱器表面的一數值孔徑。
  7. 如前述申請專利範圍第5項所述之投射透鏡，其中，該投射透鏡係組態使得在使用該投射透鏡期間，該投射透鏡具有至少一中間影像於一中間影像平面的一區域中；該中間影像平面在該物件平面與該影像平面之間；以及該最近場平面為該中間影像平面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之投射透鏡，其中該第一操縱器表面係沿著該投射光束路徑在該中間影像平面的下游，且該第二操縱器表面係沿著該投射光束路徑在該中間影像平面的上游。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之投射透鏡，其中該有限第一距離等於該有限第二距離。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之投射透鏡，其中，當啟動該第一操縱器時，在該第一操縱器表面，0.012<SAD/PCHAR<0.85；以及 當啟動該第二操縱器時，在該第二操縱器表面，0.012<SAD’/P’CHAR<0.85。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之投射透鏡，其中，該第二操縱器表面係沿著該投射光束路徑直接在該第一操縱器表面的下游；該電磁輻射在該第一操縱器表面的該數值孔徑等於該電磁輻射在該第二操縱器表面的該數值孔徑；該有限第一距離小於該有限第二距離；在該第一操縱器表面的該子孔徑直徑不同於在該第二操縱器表面的該子孔徑直徑；對於該第一操縱器表面，0.25 * NAM 2<SAD/PCHAR<0.8；以及對於該第二操縱器表面，SAD’/P’CHAR<1.5。
  12. 如前述申請專利範圍第1或2項所述之投射透鏡，其中，該投射透鏡具有位在該投射透鏡的一光學軸之外的一有效物件場；該有效物件場具有在一長邊及一短邊之間大於2：1的一外觀比；該光學使用區域具有約為一矩形形狀，其具有大於2：1之一外觀比；以及在使用該投射透鏡期間，該第一操縱器平行於該長邊而作用，使得該第一操縱器在此方向中產生該電磁輻射之該光學路徑長度變化的複數個最大值及複數個最小值。
  13. 一種投射曝光方法，包含：使用一照射系統以具有小於260奈米之一操作波長的電磁輻射照射一光罩的一圖案； 使用如申請專利範圍第1到12項之任一項所述之投射透鏡藉由該電磁輻射將該光罩之該圖案的至少一部分投射至一輻射敏感材料，該光罩位於該投射透鏡之該物件平面中，且該輻射敏感材料位於該投射透鏡之該影像平面中。
  14. 一種投射曝光方法，包含：(a)使用一照射系統以具有小於260奈米之一操作波長的電磁輻射照射一光罩的一圖案；(b)使用一投射透鏡藉由該電磁輻射將該光罩之該圖案的至少一部分投射至一輻射敏感材料，該圖案位於該投射透鏡之一物件平面中，且該輻射敏感材料位於該投射透鏡之一影像平面中；其中，步驟(b)包含藉由改變一第一操縱器之一第一操縱器表面之一形狀及/或一折射率而影響該電磁輻射的一波前，該第一操縱器表面配置在該電磁輻射位於該物件平面與該影像平面之間的一光束路徑中；該第一操縱器具有一光學使用區域，其具有一有效直徑DFP；根據一特徵週期PCHAR，橫跨該第一操縱器的該光學使用區域，產生一光學路徑長度變化的一最大值NMAX>1；根據該特徵週期PCHAR，橫跨該第一操縱器的該光學使用區域，產生該光學路徑長度變化的一最小值NMIN>1；PCHAR=DFP/((NMAX+NMIN)/2)；該第一操縱器表面係與該投射透鏡之一最近場平面相距一有限第一距離而光學鄰近於該最近場平面，使得來自該最近場平面的一場點的每一光束在該第一操縱器表面照射具有一子孔徑直徑SAD的一子孔徑；以及在該第一操縱器表面，SAD/DFP<0.2。
  15. 如申請專利範圍第13或14項所述之投射曝光方法，其中一第一曝光及一第二曝光係連續實行，其中藉由該第一操縱器的啟動，在該第二曝光期間的一場相依失真係匹配在該第一曝光期間產生的一結構，使得在該第一曝光與該第一曝光中所產生的該等結構，與沒有啟動該第一操縱器相較，以更高的疊加準確度(superimposition accuracy)將一個設置於另一個頂部。
  16. 如申請專利範圍第13或14項所述之投射曝光方法，包含影響該波前使得針對不同的場點設定不同大小的失真值。
  17. 一種投射曝光裝置，包含：如申請專利範圍第1到12項之任一項所述之投射透鏡；以及一照射系統，用以照射該投射透鏡的該物件平面。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之投射曝光裝置，更包含一光源，用以提供該電磁輻射。
  19. 如申請專利範圍第17或18項所述之投射曝光裝置，更包含一控制模組，用以驅動該波前操縱系統與至少一操縱器。
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