TWI841395B

TWI841395B - 光學元件、和總成及其光學系統

Info

Publication number: TWI841395B
Application number: TW112119047A
Authority: TW
Inventors: 桑賈舒納德; 諾伯特瓦伯拉; 盧卡斯薩費德; 彼得格拉夫
Original assignee: 德商卡爾蔡司Ｓｍｔ有限公司
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2023-05-23
Publication date: 2024-05-01

Abstract

一種結合固持裝置形成用於構成光學系統（PO）的總成（BG）之光學元件（OE）包含一主體（K），該主體對於所使用波長範圍的光為透明，並在該主體上形成一第一光通道面（LF1）和一相對的第二光通道面（LF2）。該等光通道面（LF1、LF2）中的每一者具有：一光學使用區域（NB1、NB2），其設置用於配置在該光學系統的使用射束路徑中；及一邊緣區域（RB1、RB2），其位於該光學使用區域的外部，並指定為用於固持裝置的固持元件（HE）之接合區域。每個光通道面在光學使用區域（NB1、NB2）中備製達到光學品質，並且具有根據使用射束路徑中的光學元件（OE）功能所指定的使用區域規範所設計出的表面形狀。具有幾何定義的表面設計的光偏轉結構（LUS1）形成在多個光通道面（LF1）中的至少一者的邊緣區域（RB1）中，並根據偏離使用區域規範的邊緣區域規範來設計，並配置成將光偏轉結構偏轉部分光偏轉到使用射束路徑外部的目標區域（ZB）中。

Description

光學元件、和總成及其光學系統

本發明有關一種結合到固持裝置光學元件，以形成用於構成微影投影曝光裝置的光學系統之總成、一種含有光學元件和用於固持光學元件的固持裝置之總成、及一種具有至少一光學元件之光學系統。

優選的應用領域是用於構成微影投影曝光裝置的光學成像系統，特別是折射或折反射微影投影透鏡形式的光學成像系統。

如今，微影投影曝光方法主要用於生產半導體元件和其他精細結構元件。本文中，使用遮罩(光罩、倍縮光罩)，其承載或形成要成像的結構的圖案，例如半導體組件層的線圖案。在投影曝光裝置中，光罩定位在照明系統和投影透鏡之間的射束路徑中，使得圖案位於投影透鏡的物件平面的區域中。所要曝光的基材，例如塗覆輻射敏感層(抗蝕劑、光阻劑)的半導體晶圓，使得基材的輻射敏感表面配置在與物件平面光學共軛的投影透鏡的圖像平面的區域中。在曝光過程期間，藉助照明系統對圖案進行照明，該照明系統根據主輻射源的輻射形成指向圖案的照明輻射，其特徵在於特定的照明參數，並且入射在具有限定的形狀和尺寸的照明場內的圖案上。由圖案修改的輻射作為投影輻射穿過投影透鏡，投影透鏡將圖案成像到要曝光的基材上，該基材塗覆輻射敏感層。例如，微影投影曝光方法還可用於生產光罩(倍縮光罩)。

開發投影曝光裝置的目標之一是在基材上產生尺寸越來越小的微影蝕刻結構。例如，就半導體組件而言，較小的結構導致較高的集成密度，這通常對於所生產的微結構元件的性能是有益的。可生產的結構的尺寸主要取決於所使用的投影透鏡的分辨率，並且也可增加所使用的投影透鏡的分辨率，首先，將用於投影的投影輻射的波長減少，並且，其次，將製程中所使用的投影透鏡的像側數值孔徑NA增加。

投影透鏡是光學成像系統，通常包含多重光學元件，以滿足關於成像像差校正的部分衝突的要求，甚至可能在使用大數值孔徑的情況下。在微影領域中，折光或折射成像系統和折反射成像系統通常具有10或多個透明光學元件。

使用固持裝置，將光學元件固持在沿著光學系統的所用射束路徑的限定位置處。在成像系統的情況下，所使用的射束路徑通常稱為成像射束路徑。有助於成像的成像系統的光學元件具有位於成像射束路徑中的光學使用區域和位於光學使用區域外部的邊緣區域。在光學使用區域中，折射或反射表面是為了光學品質而製備。根據光學元件所需的光學效果而藉由成像系統的光學設計的設計參數來指定表面形狀，該規範通常採用定義表面形狀的多項式係數的形式。在規範中，光學使用區域通常也稱為光學元件的「有效光學直徑」或「有效孔徑」。邊緣區域不需要達到光學品質。當組裝具有透鏡元件和其他透明光學元件的總成時，分配給光學元件的固持裝置的固持元件通常接合在邊緣區域上。相應的陳述適用於照明系統中的光學元件，其中所使用的射束路徑通常稱為照明射束路徑。

用於將光學元件固定到固持元件的不同選擇已提出。專利申請案US 2003/0234918 A1揭露了固持安裝技術的實例，其中光學元件由邊緣區域中的彈性固持元件固持(軟安裝)。在其他固持裝置中，在相應分配的接觸區域中利用黏合層將固持裝置的彈性固持元件黏合到光學元件。黏合劑結合技術的實例揭露於專利申請案US 4,733,945或US 6,097,536中。

實際上，輻射不僅沿著成像所需的成像射束路徑從物件到達圖像平面，對於結構複雜的光學成像系統；相反，也可能出現對成像沒有貢獻但可能干擾成像或導致成像惡化的輻射部分。例如，在投影曝光方法的情況下，所謂的「超孔徑光」可能導致成像品質惡化。在本文中，術語「超孔徑光」表示由賦予結構的光罩繞射並以大於用於成像的物側孔徑角度所發射的光，由界定出成像射束路徑的孔徑光闌的當前直徑判定所述物件側孔徑角度。超孔徑光對成像沒有直接貢獻，因為其無法穿過孔徑光闌到達圖像平面。然而，其會加熱位於光罩和孔徑光闌之間的光學元件。這種加熱的結果是折射率和透鏡元件形狀發生變化，進而導致波前出現擾動，有助於圖像生成。替代或附加上，還可生成散射光，如果散射光到達圖像平面，則散射光通常會降低所生成的圖像的對比度。在這情況下，術語「散射光」尤其表示可能由於例如塗覆抗反射塗層的透明光學元件的表面處的殘餘反射而產生的光，其位於反射鏡背面及/或在成像射束路徑的區域中的其他位置。在指定用於成像的波長處的這些不需要的部分光，特別是散射光和超孔徑光，在本申請的範圍內也稱為「雜散光」，而與其的成因無關。

除了投影透鏡由於其光學設計和生產而可能具有的固有成像像差之外，成像像差也可能在使用期間產生，例如在使用者操作投影曝光裝置期間。這種成像像差的原因通常是投影透鏡中使用的光學元件的變化，這是由使用過程中使用的輻射引起的。舉例來說，投影透鏡中的光學元件可吸收這種輻射中的一些。吸收的程度尤其取決於光學元件中使用的材料，例如透鏡元件材料、反射鏡材料，及/或取決於可能提供的抗反射塗層或反射塗層的性質。投影輻射的吸收可導致光學元件加熱，其結果是可在光學元件中引起表面變形，並且在折射元件的情況下，可直接和間接引起折射率的變化通過熱引起的機械應力。折射率和表面變形的變化進而導致各個光學元件的成像特性的變化，也導致整個投影透鏡的變化。這個問題領域通常在「透鏡加熱」標題下進行處理。

由於光是在照明射束路徑之外傳播，照明系統還可能會有性能下降的狀況。

為了提高客戶在高性能微影光學系統中的優勢，在深紫外(DUV)輻射微影路線圖的範圍內提高了投影曝光裝置的產量。由於這情況下需要更高的光強度，產量的增加預計會導致「透鏡加熱」效應增加。然而，在微影要求不變甚至更加嚴格的情況下，透鏡加熱效應的大幅增加是難以接受。

因此，即使在光照強度增加的情況下，似乎需要能夠有助於在可能的情況下避免「透鏡加熱」效應的負面影響或將其限制在不至於造成影響的程度的措施。

為了解決這個問題，本發明提供了一種具有請求項1的特徵的光學元件。還提供了一種具有請求項9的特徵的總成以及具有至少一此光學元件的光學系統。附屬請求項中詳細說明了有利的改良方法。所有請求項的用語通過引用併入說明書中供參考。

根據一第一態樣，本發明提供了一種用於結合到固持裝置中的光學元件，其中處於接合狀態的光學元件與固持裝置共同形成總成。該總成用來構成用於微影投影曝光裝置的光學系統，特別是投影透鏡或另一成像系統。此光學系統通常包含具有由其固持的光學元件的多重總成，這些總成在組裝狀態下共同界定出所使用的射束路徑，在成像系統的情況下所使用的射束路徑也稱為成像射束路徑。

該光學元件具有透明主體，由對所使用波長範圍的光具有高透射率或透明的材料組成該透明主體。例如，該材料可為合成熔融二氧化矽或氟化物晶體材料，例如氟化鈣。透明主體的相對側形成有光通道面，即第一光通道面和與其相對的第二光通道面。如果射線穿過光學元件，則光通道面中的一者作為光入射面，另一者作為光出射面。

例如，光學元件可為具有正折光力或負折光力的透鏡元件，或者是幾乎不具有折光力的平面平行板。

光通道面中的每一者具有光學使用區域以及位於光學使用區域之外的邊緣區域。在結合狀態下，光學使用區域配置在光學系統的使用射束路徑內。邊緣區域設置成用於固持裝置的固持元件的接合區域。在結合狀態下，其可接合在接觸區域中的邊緣區域上。光學使用區域可在不受固持裝置的固持元件損害的情況下使用。光通道面中的每一者在光學使用區域中都製備達到光學品質，這尤其意味著實際上不存在干擾光通道面的表面粗糙度。根據指定的使用區域規範來設計光學使用區域中的表面形狀，指定的使用區域規範源自所使用的射束路徑中的光學元件的期望光學效應或功能，並且因此由所謂的光學設計來指定。

通常，光學使用區域的表面形狀持續超出光學使用區域和邊緣區域之間的區域邊界，則不再對表面品質提出特別嚴格的要求。有時，由於拋光工具的過衝，使得靠近已使用區域的邊緣區域的一部分仍可能達到或多或少的光學品質，但是會隨著距使用區域和邊緣區域之間的區域邊界的距離增加而降低該品質。

在根據本發明的此一態樣的光學元件的情況下，具有幾何限定的表面設計的(一或多個)光偏轉結構，根據偏離使用區域規範的邊緣區域規範而設計的「邊緣區域」形成在至少一光通道面的邊緣區域中。光偏轉結構或其表面設計配置成偏轉到所使用的射束路徑之外的目標區域中，並且可由邊緣區域規範來指定由光偏轉結構偏轉或重新路由的部分光。

該態樣部分是基於此發現，在於光學系統的操作期間在所使用的射束路徑之外傳播的部分光，其可能入射到邊緣區域的光通道面上的光基本上不會從任意方向或隨機出現的入射方向而入射。相反地，考慮到光學系統的結構，可計算出大部分雜散光的入射方向以及雜散光能夠入射到邊緣區域的位置。例如，對於雜散光的部分，至少對於輻射的某些入射方向，這種可預測性是由於甚至高效的抗反射塗層而產生的，殘餘反射率足以反射一部分入射光，準確地說是在可預測的出射方向上。

發明人已經認識到，藉由邊緣區域所界定出的結構化，可由此獲得對於光學系統的操作的附加效益。也就是說，如果提供具有幾何定義的表面設計的光偏轉結構，其可利用邊緣區域規範來指定，那麼可通過折射及/或繞射及/或反射以目標方式將入射雜散光完全偏轉或至少偏轉其大部分到所使用的射束路徑之外的可指定的目標區域中。

因此，可藉由適當的邊緣區域規範以有針對性的方式引導雜散光，而雜散光在以前被認為是干擾源且無法被控制，進而利用所述雜散光來達到提高光學系統性能的目的。

光偏轉結構優選包含折射及/或繞射光偏轉結構。因此，在這情況下，可藉由光折射(折射)、藉由光繞射(繞射)或者藉由繞射和折射的組合來實現光偏轉結構的偏轉。部分上，構建這種光偏轉結構可在光學元件的生產過程中無需太多成本，例如與光學元件的其餘部分一體成形。在一些情況下，還可提供反射光偏轉結構，其中，即使在將這些結構結合折射及/或繞射光偏轉結構或使用這些專門作為鏡像(反射)光偏轉結構之反射光偏轉結構的情況下，選擇性是存在的。

「使用」偏轉雜散光有不同的選擇性。一種選擇性包含設置目標區域，如此，受光偏轉結構影響的雜散光被引導至對光學系統的性能不重要的區域，例如入射到吸收結構上，該吸收結構吸收雜散光並因此使其對光學系統的功能不具有有害影響。

在具有固持裝置和所固持的光學元件的組裝總成的情況下，固持裝置包含接合在邊緣區域中的接觸區域中的固持元件。其中接觸區域是固持元件和光學元件之間存在直接或間接機械接觸的區域。如果雜散光入射到接觸區域中，則這可能導致接觸區域加熱並因此導致可能的不期望的透鏡加熱效應。在固持夾緊的情況下，可能例如由於固持元件被雜散光直接加熱並且產生的熱量藉由接觸區域傳遞到光學元件的材料中而產生這些情況。固持裝置的固持元件黏合到相應分配的接觸區域中的光學元件的組件的情況下，黏合材料可能會因雜散光的作用而被加熱，因此可能會間接導致透鏡加熱效應。在接觸區域中設置有黏合劑保護層，用於保護可固化黏合劑免受所使用波長的光的損害，替代或附加上，局部加熱可由於黏合劑保護層中的吸收效應而在接觸區域中產生。如果光偏轉結構設計成使得光的偏轉部分被偏轉到接觸區域之外的目標區域中，則應用本發明可避免或顯著減少此類問題。

將雜散光定向偏轉到指定的目標區域也使得憑藉偏轉到目標區域中的雜散光強度的分量以有針對性的方式使用來獲得成像系統性能的改進，以加熱位於此處的組件，便於獲得光學系統內(特別是成像系統內)的熱誘導操縱。

這種方法的使用可理解如下。雜散光在位置空間和角度空間的分佈以及分佈內雜散光的強度分佈取決於體現在光學系統的光學設計上，還取決於生產操作期間的使用類型。例如，投影曝光裝置的投影透鏡中的雜散光分佈取決於用於成像的光罩(倍縮光罩)的光罩結構。替代或附加上，雜散光分佈還取決於照射光罩的方式，也就是說，取決於所謂的照明設置。因此，具有可指定西格瑪值(Sigma value)(軸向照明)的同調照明設置會導致與離軸照明(諸如偶極照明設置)顯著不同的雜散光分佈，例如，其中主要從彼此傾斜相對的兩方向對於光罩進行照射。

更重要的是，雜散光分佈和所使用的光分佈受到(有效)像場的形狀和位置的影響。所使用的光分佈可具有矩形形狀或弓形彎曲形狀(「環場」)。像場可以相對於光軸居中(「軸向場」)或者可位於光軸之外偏離中心的位置(「離軸場」)。

可針對光罩結構和照明設置的典型組合來計算光學系統中雜散光強度的空間分佈。現在，光偏轉結構可將雜散光偏轉，進而構建熱致動操作機，使得熱致動操作機設計成使其效果能抵消在所使用的射束路徑的區域中透鏡加熱的不利影響，因此至少能夠部分補償這些。

這種熱致動操作機是被動式，也就是說其沒有專用的驅動器或致動器。其是由有針對性偏轉的雜散光進行「控制」。

A*:高度

AR:長寬比

B*:寬度

BG:總成

CM:凹面反射鏡

CU:中央控制裝置

ES:出射平面

FM1:平面第一偏光反射鏡/折疊反射鏡

FM2:平面第二偏光反射鏡/折疊反射鏡

FP:覆蓋區

HE:固持元件

HE1:固持元件

HE2:固持元件

HE3:固持元件

HE4:固持元件

HE5:固持元件

HE6:固持元件

HE7:固持元件

HE8:固持元件

IF:像場

ILL:照明系統

IMI1:真實中間圖像

IMI2:真實中間圖像

IS:圖像平面

K:主體

KL:黏合層

KSS:黏合保護層

KZO:接觸區域

L1-1:透鏡元件

L1-1M:透鏡元件

LF1:入射側光通道面

LF2:光通道面

LS:光源

LUE:光學光偏轉元件

LUS1:光偏轉結構

LUS2:光偏轉結構

LUS3:光偏轉結構

LUS4:光偏轉結構

LUS5:光偏轉結構

LUS6:光偏轉結構

M:遮罩/光罩

NB1:光學使用區域

NB2:光學使用區域

NG:負群組

OA:光軸

OE:參考標誌

OF:有效物場

OP1:第一透鏡部分

OP2:第二透鏡部分/折反射透鏡部分

OP3:第三透鏡部分/折射透鏡部分

OS:物件平面

P1:光瞳表面

P2:光瞳表面/光瞳平面

P3:光瞳表面/光瞳平面

PAT:結構

PN:法線方向

PO:投影透鏡

PP:平面平行板

RB:邊緣區域

RB1:邊緣區域

RB2:邊緣區域

REF:單層或多層反射鍍膜(反射鏡鍍膜)

RS:裝置

SS:感光基材表面

ST1:射線

UAP:超孔徑射線

UAP’:斷裂的超孔徑射線

W:基材

WS:裝置

WSC:微影投影曝光裝置

ZB:目標區域

從申請專利範圍和本發明的示例性實施例的描述中可清楚理解本發明的附加優點和態樣，以下將參考附圖來解釋本發明的示例性實施例。

圖1示出微影投影曝光裝置的示例性實施例；圖2示出折反射投影透鏡的實施例的示意性透鏡元件剖面圖，其旁邊示出用於說明所使用的射束路徑的覆蓋區；圖3A示出從物件平面OS正後方的區域觀察到的圖2的投影透鏡的放大部分，並且在圖3B示出固持元件和透鏡元件之間的接觸區域中的放大細節；圖4A和4B示出示例性實施例，其中藉助透鏡元件的邊緣區域中的繞射光偏轉結構利用繞射來實現超孔徑光的偏轉；圖5A和圖5B示出在邊緣區域中具有方位角結構化繞射結構的實例性實施例的透鏡元件頂側的橫剖面圖(5A)和平面圖(5B)；圖6A和圖6B示出示例性實施例的透鏡元件頂側的橫剖面圖(6A)和平面圖(6B)，其中在邊緣區域中具有折射光偏轉結構，折射光偏轉結構在徑向方向上折射，並且是單獨製造的稜鏡的形式；圖7A和7B示出示例性實施例的橫剖面圖(7A)和透鏡元件頂側的平面圖(7B)，其中在邊緣區域中具有折射光偏轉結構，該折射光偏轉結構在圓周方向上折射，並且是單獨製造的稜鏡的形式；圖8A和8B示出熱操作機的實例，藉由已經以目標方式偏轉的雜散光運行熱操作機；及圖9示出在朝向邊緣傾斜的透鏡元件表面上具有反射光偏轉結構的實例性實施例。

圖1示出微影投影曝光裝置WSC的實例，其可用於生產半導體元件和其他精細結構元件，並利用深紫外(DUV)範圍的光或電磁輻射進行操作，以獲得低至幾分之一微米的分辨率。工作波長λ約為193nm的ArF準分子雷射器用作主輻射源或光源LS。其他UV雷射光源，例如工作波長為157nm的F₂雷射器或工作波長為248nm的ArF準分子雷射器也是可能的。

在其出射面ES處，設置在光源LS下游的照明系統ILL產生大的、清晰界定以及基本上均勻照明的照明場，適應位於射束路徑下游的投影透鏡PO的遠心度要求。照明系統ILL具有用於設置不同照明模式(照明設置)的裝置，並例如可在具有不同相干度σ的傳統軸向照明和離軸照明之間切換。舉例來說，離軸照明模式包含環形照明或偶極照明或四極照明或任何其他多極照明。合適的照明系統的設計本身是已知的，因此本文不再詳細解釋。專利申請案US 2007/0165202 A1(對應於WO 2005/026843 A2)示出可在各種實施例的範圍內使用的照明系統的實例。

接收來自雷射器LS的光並由該光形成照明輻射的那些光學組件是投影曝光裝置的照明系統ILL的一部分，該照明輻射被引導至倍縮光罩M。

配置在照明系統下游的是用於固持和操作光罩M(倍縮光罩)的裝置RS，使得配置在光罩版處的圖案位於投影透鏡PO的物件平面OS中，其與照明系統的出射平面ES重合並且在此也稱為倍縮光罩平面OS。為了掃描操作的目的，可利用掃描儀驅動器使得光罩在垂直於光軸OA(z方向)的掃描方向(y方向)上在該平面中移動。

光罩平面OS的下游後面是投影透鏡PO，其充當縮小透鏡並且以縮小的比例對配置在光照M處的圖案的圖像進行成像，例如以1：4(|β|=0.25) 或1：5(|β|=0.20)的比例，成像到塗覆有光阻劑層的基材W上，光敏基材表面SS位於投影透鏡PO的圖像平面IS的區域中。

藉由一含有掃描儀驅動器的裝置WS固持待曝光的基材(在示例性情況下是半導體晶圓W)，以在掃描方向中垂直於光軸OA(y方向)與光罩M同步移動晶圓。裝置WS(也稱為「晶圓台」)和裝置RS(也稱為「倍縮光罩台」)是藉由掃描控制裝置所控制的掃描裝置的組成部分，在本實施例中，其集成在投影曝光裝置的中央控制裝置CU中。

由照明系統ILL生成的照明場定義了投影曝光期間使用的有效物場OF。在示例性情況下，有效物場OF是矩形，其具有平行於掃描方向(y方向)測量的高度A*且其具有垂直於掃描方向(沿x方向)測量的寬度B*，B*大於A*。一般而言，長寬比AR=B*/A*在2與10之間，特別是在3與8之間。有效物場位於y方向上靠近光軸的距離處(離軸場)。圖像平面IS中的有效像場IF與有效物場光學共軛，其高度B和寬度A與有效物場具有相同的形狀和相同的長寬比，但絕對視場尺寸會因投影透鏡的成像比例β而減小，即A=|β|A*且B=|β|B*。

如果投影透鏡被設計和操作為液體浸潤透鏡，則在投影透鏡操作期間是藉由浸沒液體的薄層傳輸輻射，該薄層位於投影透鏡的出射面和圖像平面IS之間。在液浸操作期間，像側數值孔徑NA可能大於1。也可採用乾式透鏡的組態；在這情況下，像側數值孔徑NA被限制為小於1。

圖2示出具有選定射束的折反射投影透鏡PO的實施例的示意性透鏡元件橫剖面圖，用於闡明在操作期間穿過投影透鏡的投影輻射的成像射束路徑。投影透鏡被設置為具有縮小效果的成像系統，用於以縮小的比例成像，例如，在比例為4：1的情況下，將光罩圖案配置在其圖像平面IS之上的物件平面OS中，圖像平面IS平行對齊於該物件平面。本文中，在物件平面和圖像平面之間恰好產生兩實際中間圖像IMI1、IMI2。第一透鏡部分OP1僅由透明光學元件構成，因此是折射(折光)，第一透鏡部分OP1設計成將物件平面的圖案在尺寸基本上沒有任何變化的情況下被成像到第一中間圖像IMI1中。第二折反射透鏡部分OP2 將第一中間圖像IMI1成像到第二中間圖像IMI2上，而尺寸基本上沒有任何改變。將第三折射透鏡部分OP3設計成將第二中間圖像IMI2以急遽縮小的方式成像到圖像平面IS中。

成像系統的光瞳平面或光瞳表面P1、P2、P3分別位於物件平面和第一中間圖像之間、在第一和第二中間圖像之間、以及在第二中間圖像和圖像平面之間，其中光學成像的主射線CR與光軸OA相交。系統的孔徑光闌AS可附接在第三透鏡部分OP3的光瞳表面P3的區域中。折反射第二透鏡部分OP2內的光瞳表面P2緊鄰凹面反射鏡CM。

折反射第二透鏡部分OP2包含投影透鏡的唯一凹面反射鏡CM。具有兩負透鏡元件的負群組NG直接位於凹面反射鏡的上游。在此配置中，有時稱為舒普曼消色差(Schupmann achromate)，即匹玆瓦校正(Petzval correction)，也就是說，像場彎曲的校正是藉由凹面反射鏡及其附近的負透鏡元件的曲率來實現，色度校正是由於凹面反射鏡上游的負透鏡元件的折光力以及相對於凹面反射鏡的光闌位置而進行。

反射偏轉裝置的作用是將從物件平面OS傳遞到凹面反射鏡CM、或對應部分射束路徑的射束分離於在凹面反射鏡處反射之後在凹面反射鏡和像平面IS之間通過的射束或部分射束路徑。為此，該偏轉裝置具有一平面第一偏光鏡FM1，其具有一用於將來自物件平面的輻射反射到凹面反射鏡CM的第一反射鏡表面MS1；及一平面第二偏光鏡FM2，其係與第一偏光鏡FM1成直角排列並具有一第二反射鏡表面MS2，其中該第二偏光鏡使得從凹面反射鏡反射的輻射沿圖像平面IS的方向偏轉。由於光軸在偏光鏡處折疊，因此在本申請中偏光鏡也稱為折疊反射鏡。偏光鏡相對於投影透鏡的光軸OA圍繞垂直於光軸並平行於第一方向(x方向)延伸的傾斜軸傾斜，例如45°。當配置投影透鏡進行掃描操作時，第一方向(x方向)垂直於掃描方向(y方向)，進而垂直於光罩(倍縮光罩)和基材(晶圓)的移動方向。為此目的，偏轉裝置實施為稜鏡，稜鏡的外部反射式塗覆的內反射面彼此垂直排列，以用作偏光鏡。

中間圖像IMI1、IMI2分別位於最接近光學鄰近折疊反射鏡FM1和FM2處，但與其保有最小光學距離，使得反射鏡表面上可能存在的缺陷不會清晰地成像到圖像平面中，並且平面偏轉反射鏡(平面反射鏡)FM1、FM2位於中等輻射能量密度的區域中。

(近軸)中間圖像的位置定義了系統的場平面，其分別與物件平面和圖像平面光學共軛。因此，偏光鏡在光學上接近系統的場平面，在本發明上下文中也稱為「近場」。在這情況下，第一偏光鏡配置在光學上接近於屬於第一中間圖像IMI1的第一場平面，並且第二偏光鏡配置在光學上接近於第二場平面，並與第一場平面光學共軛且屬於第二中間圖像IMI2。

在本發明中，由所謂的子孔徑比SAR來描述光學表面相對於參考平面(例如，場平面或光瞳平面)的光學接近度或光學距離。出於本發明的目的，光學表面的子孔徑比SAR定義如下：SAR=sign h(|r|/(|h|+|r|))

其中r表示邊緣射線高度，h表示主射線高度，符號函數sign x表示x的符號，根據慣例sign 0=1。將主射線高度理解為是指在幅度方面具有最大場高度的物場的場點的主射線的射線高度。射線高度應該理解為帶符號的。將邊緣射線高度理解為是指從光軸與物件平面之間的交點出發的具有最大孔徑的射線的射線高度。該場點不需要有助於轉移配置在物件平面中的圖案--特別是在離軸像場的情況下。

子孔徑比是一帶符號的變量，其是場或光瞳與射束路徑中平面的接近度的度量。根據定義，子孔徑比標準化為-1到+1之間的值，其中在每個場平面中子孔徑比為零，並且其中在光瞳平面中的子孔徑比從-1跳躍到+1，或者反之亦然。因此，光瞳平面是由絕對值為1的子孔徑比決定。

如果光學表面或平面的子孔徑比在數值方面相當，則將光學表面或平面指定為「(光學)接近」光學參考表面。

具體來說，如果光學表面或平面的子孔徑比接近0，則其被指定為「(光學)近場」。如果光學表面或平面的子孔徑比的絕對值接近1，則該光學表面或平面被指定為「(光學)近光瞳」。

投影透鏡的使用射束路徑也稱為成像射束路徑或投影射束路徑，從有效物場OF延伸到有效像場IF。使用的射束路徑是三維空間中的體積(「R³的子集」)，其定義為所述空間中的每個點都有至少一連續射線從物側使用光圈內的物場OF到像側使用光圈內的像場IF而穿過其。過程期間成像射束路徑的形狀和位置通常取決於當前的場大小和繞射級。

由來自有效物場OF的投影射束路徑的射線照明的光學表面的區域在本申請案中也稱為「覆蓋區(Footprint)」。在此處，投影輻射在光學表面上的覆蓋區域表示投影射束與由投影射束照射的表面之間的相交部的尺寸和形狀。在透鏡元件部分旁邊，圖2示意性地示出了沿著投影射束路徑的不同位置處的覆蓋區域FP。藉由基本上為矩形形式的有效物場OF的覆蓋區域，可以識別出最近場平面的光學鄰近區域，邊緣區域稍微呈圓形(例如，參見近場透鏡元件L1-1或中間圖像附近的偏光鏡上)。覆蓋區位於光軸OA之外，就像物場一樣。相比之下，在相對於場平面進行傅立葉轉換的光瞳平面的區域中照明基本上圓形的區域，導致光瞳區域中的覆蓋區的形狀至少近似於圓形(參見折射第一透鏡部分OP1中的P1或凹面反射鏡CM的光學附近的P2)。覆蓋區特別可提供關於輻射引起的加熱的空間分佈的資訊。

在操作期間，通常存在不屬於所使用射束路徑的一部分的射線。其中尤其包括所謂的「超孔徑射線」。在本文中，瞭解到是指被賦予結構光罩繞射並以大於用於成像的物側孔徑角度所發射的那些射線，由界定出投影射束路徑的孔徑光闌的當前直徑判定所述物側孔徑角度。該物側孔徑角度界定了物側使用孔徑。相對的敘述也適用於像側，即圖像與物體光學共軛的一側。

為了進一步解釋構成本發明基礎的一些問題及其解決方案，圖3A示出從緊接在物平面OS後面的區域看圖2的投影透鏡的放大部分，在操作期間，欲成像的結構PAT的光罩M位於其中。所示為緊隨物件平面的平面平行板PP(無折光力的光學元件)和透鏡元件L1-1，透鏡元件L1-1緊接在該平面平行板之後，並且作為投影透鏡的一部分，是最接近物件以及具有折射能力的第一透明光學元件。一般而言，參考標號OE應表示光學元件。

透鏡元件L1-1的主體K在紫外光下是透明(例如，由合成熔融石英製成)，主體K形成為相對厚的雙凸透鏡元件，其具有面向物面的第一光通道面LF1(光入射面LF1)和相對的第二光通道面(LF2)(光出射面LF2)。

在所有使用條件下，透鏡元件必須在射束路徑中盡可能地執行其指定的光學功能。因此，光通道面LF1、LF2中的每一者具有光學使用區域NB1、NB2，其中包括光軸區域，光軸區域從其徑向向外延伸，以使在所有操作條件下，投影射束路徑的所有射線都穿過入射側和出射側上的光學使用區域。示出在投影射束邊緣傳播的射線ST1。每個透鏡元件表面在光學使用區域的徑向外側具有邊緣區域RB1、RB2，且邊緣區域RB1、RB2以環狀環圍相對的光學使用區域。

在組合狀態下，光學元件或透鏡元件L1-1由固持裝置或安裝座承載，該固持裝置或安裝座包含分佈在透鏡元件的圓周上的數個固持元件HE並且在投影透鏡垂直定向的情況下，透鏡元件放置在固持元件HE之上。安裝或固持裝置，以及安裝或固持在其中的透鏡元件一起形成總成BG，該總成BG與含有其他光學元件的其他總成一起形成投影透鏡。

固持元件和出射側光通道面LF2之間的接觸區域KZO以方位角分佈的方式位於透鏡元件的邊緣區域中，並且各自在接觸區域KZO中與透鏡元件接觸。從圖3B中接觸區域KZO的放大細節可明顯看出，透鏡元件的光出射側LF2黏合至固持元件HE。黏合連接的區域具有多層結構。由黏合材料組成的黏合層KL施加至固持元件的支撐表面。在接觸區域中建立黏合連接之前，將配置在黏合層和光出射面LF2之間的黏合保護層KSS施加到光出射側LF2的邊緣區域。吸收UV輻射的黏合保護層可保護相鄰的黏合層KL免受UV輻射的影響，避免UV輻射可穿過邊緣區域中的透鏡元件到達黏合層，並因此提高黏合連接的使用壽命。

光通道面中的每一者在光學使用區域NB1、NB2中製備達到光學品質並且具有根據使用區域規範設計的表面形狀。接著又將所使用的射束路徑中的光學元件的功能指定所使用的區域規範。所使用的區域規範在計算光學設計的範圍內定義出的。在示例性情況下，兩透鏡元件表面LF1、LF2在使用區域中均呈球面彎曲。

相反地，希望邊緣區域RB1、RB2不會參與成像。儘管在傳統透鏡元件的情況下，但是邊緣區域中的表面形狀仍然對應於使用區域中的表面形狀的數學延續，然而至少在距使用區域和邊緣區域(虛線)之間的轉變處徑向距離的區域中，光學表面明顯更為粗糙，並且在這方面光學品質較差，因為成像不需要這些表面部分。

光學元件L1-1的特性涉及其對在投射射束路徑之外行進並且照射在光學使用區域的徑向外部的邊緣區域的射線的影響。圖3A示出所謂的超孔徑射線UAP，其中指定結構的光罩M將其中傳播的光偏轉，並以大於用於成像的物側孔徑角度將該光射出。物側孔徑角度由孔徑光闌的直徑指定。

圖3中的實線示出了超孔徑射線UAP的路線，超孔徑射線UAP穿過光通道面LF1進入入射側邊緣區域RB1內的透鏡元件材料中，穿過該透鏡元件材料並穿過出射側的光通道面LF2到達接觸區域KZO。黏合保護層KSS可吸收輻射，這可使相鄰透鏡元件和相鄰固持元件的加熱，並且可選擇性使安裝件的相鄰區域的加熱。由於局部產生的熱量，可能會產生不需要的透鏡加熱效應。

在所示實施例中，由於入射側光通道面LF1的邊緣區域不是所使用區域中的光入射側的表面形狀的簡單外推，而是在製程中被賦予幾何定義的表面設計，所述邊緣區域是根據偏離所使用的區域規範的邊緣區域規範來設計的，因此避免了該問題。在示例性情況下，選擇在光入射側的邊緣區域RB1中的光入射面的特定形狀，以使入射側邊緣區域RB1具有旋轉對稱的非球面形狀。從使用區域和邊緣區域之間的轉變區域中的使用區域的表面形狀平滑或連續性出現所述旋轉對稱的非球面形狀，也就是說沒有邊緣或跳越，然而在邊緣區域中明顯偏離所述使用區域的數學延續，其由虛線描繪。

在示例性情況下，入射側光通道面LF1在光學使用區域中為凸球面彎曲，並且隨著距光軸的距離增加，凸曲率在反曲點之後的邊緣區域變成具有凹曲率的狹窄區域，然後在更遠的地方再次出現凸曲率。這建立了折射光偏轉結構LUS1，其確保利用繞射偏轉的超孔徑光UAP能到達所使用的射束路徑之外的目標區域ZB，可由邊緣區域規範指定該目標區域。在當前情況下，界定了目標區域使得其位於接觸區域KZO的(徑向)外部。換句話說：利用折射光偏轉結構LUS1保護接觸區域免受超孔徑射線的影響，因為所述超孔徑射線被偏轉經過外側的接觸區域並進入接觸區域外部的非關鍵區域，這由用虛線繪製的斷裂超孔徑射線UAP’來說明。

繞過接觸區域的偏轉超孔徑射線所入射的目標區域ZB應該相當大或者具有相當大的質量，以在輻射入射的情況下只會經歷相對較小的溫度變化。再者，該區域應當與外部具有良好的熱連接，使得熱量不會經由固持元件流回到透鏡元件中。

從製造的角度來看，可相對容易藉由透鏡元件的光入射側的邊緣區域中的非球面表面來實現超孔徑射線的目標偏轉，這是因為能夠在單一工作步驟中將旋轉對稱非球面(光偏轉結構LUS1)與光學使用區域中的旋轉對稱設計一起製造出來。

在圖3A的實例中，光偏轉結構LUS1在整個邊緣區域中具有連續彎曲的表面形狀，所述表面形狀在至少一區域中具有負曲率半徑，因此，曲率中心位於光入射側。這會產生發散功能、或環形周向發散透鏡元件、或發散區域。

可藉由在邊緣區域中具有菲涅爾透鏡環的光偏轉結構來實現為了偏轉超孔徑射線之目的而設計折射光偏轉結構的替代選擇。因此，邊緣區域中的非球面可實施為環形菲涅爾透鏡元件，由此相較於圖3A中的更大的非球面，因此可節省安裝空間。

在以下解釋的實例性實施例中，為了清楚起見，一部分與圖3A中相同的參考標號用於相同或相似的特徵件。關於透鏡元件L1-1的配置和基本形狀，請參考上述實例。

圖4A和4B示出示例性實施例，其中藉由透鏡元件的邊緣區域中的繞射結構形式的光偏轉結構LUS2利用繞射來實現超孔徑光的偏轉。在這方面，圖4A示出與圖3A類似的橫剖面圖，而圖4B示出在平面圖中面向物件平面(第一光通道面LF1)的透鏡元件頂側。由具有圓形繞射結構且相對於光軸旋轉對稱地形成的繞射光柵形成繞射光偏轉結構LUS2，導致在每種情況下，主要是在徑向方向上向外產生入射輻射的繞射。在示例性情況下，光偏轉結構LUS2具有對所使用波長的光具有繞射效應的閃耀光柵。從圖4A中可明顯看出，其具有設計成鋸齒形的橫剖面環。其徑向間距和鋸齒面的角度彼此匹配，使得對於某一繞射級，在所使用的波長下的繞射效率最大。因此，窄帶投影輻射光的大部分強度分量集中在單個所需的繞射級中，在其他級中幾乎沒有任何強度剩餘，特別是在零繞射級中，也就是指在直接穿過繞射光柵的過程中。利用這種方式可非常精確設置所需的偏轉角度，並且偏轉的超孔徑射線UAP’的光強度僅集中在狹窄的目標區域ZB中，這在複雜的安裝情況下尤其有利。此處光偏轉結構也被設計成使得重新路由偏轉的雜散光並且不會有雜散光撞擊接觸區KZO。在透鏡元件的製造範圍內，可同時並由相同的材料製造旋轉對稱閃耀光柵和透鏡元件。

考量到製造原因，建立相對於光學元件的光軸旋轉對稱的光偏轉結構可能是有利的，但是在許多情況下，考量到功能原因則變為不必要的或可能是不想要的。因此存在邊緣區域的光學有效表面形狀相對於光軸不旋轉對稱的實例性實施例。具體上，表面形狀可相對於邊緣區域中的光軸具有n折式旋轉對稱性，其中n可為例如2、3、4、6或8。以下解釋數個實例。

圖5A和5B示出示例性實施例的橫剖面圖(5A)和透鏡元件頂側的平面圖(圖5B)。其中，利用透鏡元件的入口側邊緣區域RB1中的方位角結構的繞射結構來實現超孔徑射線的偏轉。從圖5A可明顯看出，將光偏轉結構LUS3設計為繞射結構，也就是說設計為繞射光柵，確切地說是閃耀光柵的形式。然而，與圖4A、4B中的變型不同，僅在那些分別周向偏移45°的角區域中以局部限制的方式，在環形邊緣區域RB1內設置八個基本上矩形的光柵區域GB，在其下方大約中心處設有接觸區域或固持元件。再者，繞射光柵線再以均勻的曲率半徑沿圓周方向彎曲延伸，但不是在圓周方向上連續，而是僅在狹窄的角度範圍內彎曲，例如，在10°和30°的角度寬度之間。

具有鋸齒狀橫剖面的繞射結構可與透鏡元件主體的材料一體成型，並且可連同透鏡元件主體共同製造。然而，在示例性情況下，形成在單獨的光學光偏轉元件LUE上的光偏轉結構LUS3，選擇了不同的製程，光偏轉結構LUS3與光學元件的透明主體分開製造，並且在完成後僅附著到光學元件主體處的入射側邊緣區域RB1內的指定區域。此處每個光偏轉元件LUE在與光偏轉結構相反的一側具有接觸表面，接觸表面的設計與邊緣區域中透鏡元件本體的表面形狀相匹配，使其能牢固地附著，例如直接利用光學接觸黏合而無需輔助裝置或藉助於薄黏合劑層或光學黏合劑。如此，甚至可以在相對良好控制的製程的範圍內實現相對複雜的邊緣區域中的光偏轉特性分佈。選擇上，還能在為光偏轉元件提供的位置處將平面加工到邊緣區域中，因為這些特別適合於利用光學接觸黏合的方式與光偏轉元件所在的平面進行無輔助裝置的接觸。

基於圖6A和6B解釋了利用透鏡元件的邊緣區域中的稜鏡PR形式的折射光偏轉結構來偏轉超孔徑射線的變體。呈現形式與前面的實例相同。圖6B中的透鏡元件頂側的平面圖示出了總共8個三稜鏡形式的光偏轉元件LUE，其以相同的45°角度劃分分佈在圓周上，附著到邊緣區域RB1，其中每個黏合位置分配一稜鏡。從圖6A的橫剖面圖可明顯看出，具有法線方向PN的傾斜稜鏡表面在徑向方向上向內指向，使得入射的超孔徑射線在徑向方向上向外偏轉。類似於圖5的實例，設計為稜鏡的折射光偏轉結構以單獨的光偏轉元件LUE的形式製造，其中在完成透鏡元件表面之後，將其置放在邊緣區域中的適當位置並且光學中性連接到透鏡元件主體，例如藉由光學接觸黏合或是光學黏合劑。

圖7A和7B用於解釋另一實施例，其中光偏轉結構LUS5是稜鏡PR的形式，其作為單獨的稜鏡元件，最初與透鏡元件主體分開製造，然後利用光學接觸黏合或是光學黏合劑附著在透鏡元件的入口側邊緣區域RB1中的適當位置處。不同於圖6A、6B中的變型，用於光偏轉目的並且處於傾斜角度的射束路徑中的稜表面PF指向為其表面法線PN，並且不是在徑向方向而是在圓周方向(方位角方向)。從圖7A明顯看出，這使得超孔徑射線能被偏轉，使得該區域中沒有超孔徑射線入射到固持元件的接觸區域KZO上。

利用繞射結構也可實現圓周方向的光偏轉。舉例來說，可將圖5A、5B中的光偏轉元件設計成使得繞射結構的光柵線基本上對準徑向方向。因此，基本上能夠實現與偏轉角度和雜散光偏轉方向相關的較大自由度。換句話說，目標區域可位於投影透鏡中明顯不同的位置。

在先前實施例中，光偏轉結構主要是為了防止超孔徑射線和其他雜散光入射到出射光表面的特定區域內而設計的，具體來說例如是無論在接觸區域中設有固持元件的任何地方，以及可選擇性存在有吸收層的任何地方。因此可保護固持元件和透鏡元件之間的連接點免經受雜散光引起的加熱效應。

然而，也可藉由將雜散光有針對性地偏轉到定義的目標區域來提高投影透鏡的性能，藉由雜散光強度的某些分量或整個雜散光強度被偏轉到目標區域或多個目標區域，使得能以目標方式加熱放置在那裡的總成，進而獨立實現光學系統內期望的和可預測的熱感應操縱。

基於圖8A和8B解釋藉由以目標方式偏轉的雜散光的熱操縱的實例。具體上，建立熱操作機，其在運作期間獨立引起光學元件OE(例如透鏡元件)內的溫度分佈的一定均勻化或均衡化。圖8A和8B都示出透明光學元件OE的軸向平面圖，該透明光學元件OE光學配置在具有離軸物場和像場(離軸系統) 的投影透鏡的場平面附近。例如，光學元件可為圖2的投影透鏡的平面平行板PP或第一透鏡元件L1-1，或者配置在多個中間圖像之一者附近的透鏡元件。光學元件安裝在含有8個固持元件HE1、HE2等的固持裝置中。其均勻分佈在光學元件的圓周上，光學元件的邊緣區域RB設置在所述固持元件上。透明光學元件利用由黏合劑保護層保護的黏合劑層牢固連接至固持元件。

由於所示的光入射面(第一光通道面LF1)的近場配置，沿著投影射束路徑傳播的光在透鏡元件表面上產生照明覆蓋區FP，所述覆蓋區具有基本上為矩形的有效物場，考慮到與場平面之間的距離，角至少為稍微倒圓形。在照明相對於光軸OA不對稱的情況下，穿過的投影射線在光學元件OA內產生非旋轉對稱的、不對稱的溫度分佈。如果考慮到邊緣區域RB中的溫度分佈，則在照明場的反曲點靠近光學元件的邊緣的地方將會產生相對溫暖的區域WZ。

在成像射束路徑外部傳播的雜散光在整個邊緣區域上以大致相同的方式入射到透鏡元件上。固持元件HE1和HE3至HE7的接觸區域不受保護，使得超孔徑射線能夠稍微加熱位於其的接觸區域。對照下，藉由形成在光入口側的光偏轉結構LUS6，固持元件HE2(在兩點鐘方向)和HE8(在十點鐘方向)的接觸區域受到保護，免受入射雜散光的影響。因此與暴露於雜散光的其他固持元件的接觸區域相比，此接觸區域保持在相對較冷的溫度。由於雜散光產生的熱量在圓周方向上的不均勻熱分佈，使得可至少部分補償在覆蓋區FP的區域中出現的不對稱熱分佈，因此，相較於不具有光偏轉結構LUS5的情況，光學元件OE內的溫度分佈更均勻或更同質化。

實例中使用了將雜散光徑向向外偏轉的繞射光偏轉結構LUS6。使用折射光偏轉結構及/或使用沿圓周方向偏轉光的光偏轉結構也可實現類似的效果。

圖8B示出圖8A中配置的變型，其能夠產生不同均勻化的溫度分佈。對罩於圖8A的實例，黏合保護層KSS覆蓋所有固持元件HE3至HE7以及沿圓周方向插入的區域。在圖8B的實例中，黏合保護層KSS在圓周方向上是環狀的且在邊緣區域RB中被附著到光出射側，位於該光出射側和配置在該處的固持元件之間。如果超孔徑射線入射到該區域，則由於黏合保護層中吸收雜散光，邊緣區域在覆蓋的角度範圍(略大於180°)上被局部加熱。結合最接近覆蓋區的固持元件HE2和HE8的區域中的光偏轉結構LUS6，這甚至可導致光學元件內的溫度分佈均勻化的程度更佳。

本發明的概念不限於使用折射及/或繞射光偏轉結構。在某些情況下也可能使用根據反射原理操作的光偏轉結構，並且也是可能且有優勢。圖9示意性地示出一實例。其中的透鏡元件L1-1M具有出射側光通道面LF2，其表面形狀對應於圖3中對應的光出射面。在使用區域NB1中，入射側光通道面LF1也具有相同的表面形狀。在光入射側的邊緣區域RB1中發現了這方面的偏差。雖然圖3的實例性實施例中的選擇邊緣區域規範使其光通道面在徑向方向而向上彎曲，也就是說朝向光入射側，但在圖9的變型中恰恰相反。在這情況下，邊緣區域規範使得邊緣區域在徑向方向上的曲率顯著大於表面形狀從所使用區域的想像延伸V的情況的曲率。換句話說，具有凸曲率的入射面存在於所使用的區域中，並且鄰接的邊緣區域RB1同樣具有凸曲率，儘管其曲率半徑較小。因此，環形邊緣區域RB1的設計為徑向向外傾斜。

在邊緣區域RB1內的整個表面上施加有單層或多層反射塗層(反射鏡塗層)REF。如果超孔徑射線UAP入射到反射邊緣區域，則其傳播方向會與正常光傳播方向相反，為徑向向外向後反射到目標區域ZB中，沿光軸觀察，目標區域ZB位於透鏡元件的上游，也就是說位於透鏡元件和物件平面之間。在該目標區域中提供吸收器或任何其他光擷取結構。如此，也可保護固持元件的區域中的接觸區域免受超孔徑射線的照射。在該變型中，也是藉由邊緣區域規範來實現邊緣區域中的表面形狀的具體規範，能確保可精確計算必須如何設計反射鏡表面的表面設計，以將超孔徑射線從已知的入射角範圍準確地偏轉到所需的目標區域ZB。

以上使用微影投影透鏡形式的光學成像系統的實例描述了本發明的各態樣。本發明還可用於其他光學系統，例如用於構成微影投影曝光裝置的照明系統。由於超孔徑射線的問題也可能出現在照明系統中，例如由於輻射負載加上缺乏黏合劑保護層而對黏合劑造成損壞。