DE60028245T2 - Projektionsobjektiv für mikrolithographische reduzierung - Google Patents

Projektionsobjektiv für mikrolithographische reduzierung Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv von einem Typ, das eine geradzahlige Anzahl größer zwei von gekrümmten Spiegeln umfaßt und keine planaren faltenden Spiegel aufweist und eine nichtverdunkelte Blende aufweist.
  • Solche Objektive sind aus EP 0 779 528 A (3) als Varianten von reinen Spiegelobjektiven mit sechs Spiegeln und drei Linsen bekannt. Alle optischen Oberflächen sind symmetrisch zu einer gemeinsamen Achse und Objektebene und Bildebene liegen auf dieser Achse vor und hinter dem Objektiv. Alle Spiegel mit Ausnahme eines Spiegels müssen jedoch abgeschnittene Sektionen von Rotationskörpern sein, so daß Befestigen und Justieren Schwierigkeiten bereiten. Die Linsen dienen nur als korrigierende Elemente eines geringfügigen Effekts. Der am weitesten zum Bild hin gelegene Spiegel ist konkav.
  • US 4,701,035 (12) zeigt ein ähnliches Objektiv. Dieses eine weist jedoch neun Spiegel, zwei Linsen und zwei Zwischenbilder auf und Objektebene und Bildebene liegen innerhalb der Hüllkurve des Objektivs.
  • In beiden Fällen ist das Bildfeld ein außeraxialer Ringsektor.
  • Ein vollständig axialsymmetrischer Typ von Spiegellinsenobjektiv ist aus DE 196 39 586 A (US laufende Nr. 09/263788) bekannt, z.B. mit zwei gegenüberliegenden konkaven Spiegeln, auf der Achse zentriertem Bildfeld und einer zentralen Verdunkelung der Blende.
  • Eine weitere Art von Spiegellinsenobjektiven, die sich für die mikrolithographische Verkleinerungsprojektion eignen, weist nur einen konkaven Spiegel, aber mindestens einen faltenden Spiegel auf und ist unter anderem aus US 5,052,763 und EP 0 869 383 A bekannt und wird hier als „h-Design" bezeichnet.
  • US 5,323,263 A gibt ein mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv mit mehreren faltenden Spiegeln an, wobei ein Zwischenbild hinter einem ersten konkaven Spiegel und einer einmal durchlaufenen Linsengruppe angeordnet ist.
  • US 5,575,207 A und US 4,685,777 zeigen sehr ähnliche mehrfach gefaltete Spiegellinsenobjektive.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines generischen Objektivs mit guten Fähigkeiten der chromatischen Korrektion für typische Bandbreiten von Excimer-Laserlichtquellen, das eine hohe numerische Apertur auf der Bildseite gestattet und das die Komplexität des Anbringens und Justierens reduziert.
  • Die Lösung für dieses Problem findet man in den Objektiven nach Anspruch 1. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Varietäten und Optimierungen davon angegeben. In Anspruch 22 ist ein Projektionsbelichtungssystem angegeben, das ein derartiges Objektiv enthält. Alle die Merkmale der verschiedenen Ansprüche können in unterschiedlichen Kombinationen gemäß der Erfindung kombiniert werden.
  • Die Erfindung wird bezüglich der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Vorderende eines Objektivs,
  • 2 den Linsenplan einer Basisversion des Objektivs und
  • 3 eine höher entwickelte Version.
  • Die Basisidee besteht darin, das Vorderende eines Objektivs nach dem „h-Design" durch ein anderes Vorderende zu ersetzen, das ein einachsiges System ergibt.
  • In der einfachsten Version dieses neuen Vorderendes, die so eingestellt ist, daß sie Teil eines Systems mit –0,25 Verkleinerung und einem NA von 0,75 auf der Bildseite bei einer rechteckigen Bildfeldgröße von 7 mm × 26 mm ist, sehen die optischen Elemente der Linsensektion von 1 ähnlich. Dieses Spiegellinsenteilsystem liefert ein virtuelles Bild auf der rechten Seite, das ausreichend axiale chromatische Aberration aufweist, um dort eine herkömmliche fokussierende Linsengruppe, die ein Bild mit NA 0,75 bildet, zu kompensieren. Eine reale Pupillen- oder Blendenebene ist am rechten Ende des Systems ausgebildet. Das gezeigte System weist eine ausreichend große Petzval-Summe auf, so daß die fokussierende Linsengruppe aus Linsen mit überwiegend positiver Brechkraft bestehen kann.
  • Man wird bemerken, daß sich in diesem System nur eine Feldlinse L1 befindet, und zwar recht nahe an dem objektseitigen (Ob) Ende des Systems. Diese Stelle sollte ein Vorteil bezüglich der Linsenerwärmungssituation sein. Keine Asphären sind in diesem Vorderende, und es werden keine benötigt. Alle Spiegel M1 bis M4 sind sphärisch und koaxial zur gemeinsamen optischen Achse. Es ist möglich, dieses Vorderendesystem hinsichtlich sphärischer Aberration der Pupille korrigiert auszuführen, doch erfordert dies einen etwas größeren konkaven Spiegel, als was hier gezeigt ist. Sie kann genauso gut in der fokussierenden Linsengruppe korrigiert werden, und deshalb wurde hier versucht, die Größe des konkaven Spiegels M3 auf ein Minimum zu reduzieren. Das Reduzieren der Größe des Spiegels M3 vereinfacht den mechanischen Aufbau des Systems. In dem Beispiel von 1 weist der konkave Spiegel M3 einen beleuchteten Bereich auf, der bei einer Bildfeldgröße von 7 mm × 26 mm etwa 165 mm breit in der Ebene der Zeichnung und etwa 500 mm in der orthogonalen Richtung ist.
  • Der größte Abstand irgendeines Strahls von der gemeinsamen optischen Achse beträgt in diesem Beispiel 370 mm. Dies ist viel weniger, als dies der Fall ist für viele Designs vom „h-Design"-Typ, wo die Dicke des konkaven Spiegels und die Halterungsdicke ab der Achse zu dem konkaven Spiegel in die seitliche Strahlwegentfernung nach dem Faltspiegel addiert werden müssen. Die Paketeinhüllende dieses neuen Designs ist eindeutig attraktiver.
  • Eine axialere chromatische Aberration und Petzval-Krümmung als im Beispiel der 1 können durch das Vorderende FE eingeführt werden, indem die negative Linse L2 in der Nähe des konkaven Spiegels M1 mehr Brechkraft erhält. Eine starke Linse L2 führt jedoch im allgemeinen zu viel überkorrigierte sphärische Aberration ein und macht die Zwischenbildaberrationen zu groß. Somit weist eine bessere Version des Designs zwei konkave Linsen in der Nähe des konkaven Spiegels auf.
  • Die Feldlinse L1 in der Nähe der Objektebene Ob kann auch in zwei schwächere Linsen unterteilt werden, um die Kontrolle der Pupillenaberration zu unterstützen. Schließlich kann der konvexe Spiegel M2, der sich in der Nähe des Retikels (Ob) befindet, von der Oberfläche der Feldlinse L1 abgetrennt werden und zu einem separaten optischen Element gemacht werden. Dies ergibt dann ein komplizierteres Design, aber eines, das zu einer besseren Leistung in der Lage ist.
  • Es ist möglich zu erreichen, daß dieses System alle Spezifikationen erster Ordnung eines typischen mikrolithographischen Objektivs erfüllt sowie eine Korrektur für die Petzval-Krümmung und eine axiale und seitliche Farbkorrektur aufweist, lediglich mit positiven Linsen in der telezentrischen fokussierenden Gruppe TFG. Ein Beispiel ist in 2 ohne jegliche andere Art von Aberrationskorrektur gezeigt. Man beachte, daß die Linsenerwärmung recht gleichförmig ist, da der Strahldurchmesser an allen der Linsen L21 bis L29 groß ist.
  • 3 zeigt ein weiterentwickeltes Beispiel. Das Vorderende FE' weist eine in drei Linsen L31 bis L33 aufgeteilte Feldlinsengruppe auf. Mit ihrer Hilfe wird eine Telezentrizität guter Qualität erhalten. Außerdem weist die fokussierende Linsengruppe FLG' nun mehr Linsen L36 bis L44 auf. Diese fokussierende Linsengruppe FLG' weist einige wenige Asphären auf. Es gibt auch einige Asphären in dem Spiegellinsen-Vorderende FE' des Designs, die die Korrektur vereinfachen, wenngleich sie nicht zwingend sind. Der große Spiegel M33 wird immer noch als eine Kugel ausgeführt, da dies die Produktion vereinfacht.
  • Bevorzugte Stellen der asphärischen Oberfläche befinden sich in der Nähe einer Blenden- oder Pupillenebene, nämlich auf dem Spiegel M31 oder auf den Linsen L34, L35, wo die Randstrahlenhöhe 80% der Höhe der benachbarten Blende übersteigt, und andererseits an einigen entfernten Stellen mit einer Randstrahlenhöhe unter 80% der Höhe der nächsten Blende. Beispiele für letztere sind Oberflächen der Feldlinsengruppe oder von den letzten zwei Linsen neben der Bildebene Im.
  • Der polychromatische quadratische gemittelte Wellenfrontfehlerwert in diesem Design variiert nun zwischen 0,5 bis 0,13 Wellen über ein 26 × 7 mm Feld bei einer NA von 0,75 in einem 4×-Design.
  • Das Spiegellinsen-Vorderende FE' ist nun etwas komplizierter als in 1 und 2. Das Design ist beidseitig telezentrisch und ist hinsichtlich Pupillenaberration und -verzerrung korrigiert. Die Arbeitsentfernung beträgt 34 mm an dem Retikelende (Ob) und 12 mm an dem Waferende (Im). Die Systemlänge beträgt etwa 1.200 mm.
  • Die fokussierende Linsengruppe FLG' besteht fast nur aus positiven Linsen (mit Ausnahme von L41) mit keinen starken Kurven. Das sehr große Ausmaß an Aberration an dem Zwischenbild besteht, weil die beiden konkaven Linsen L31, L35 neben dem konkaven Spiegel M31 bei diesem Aspekt nicht die optimale Biegung aufweisen.
  • Tabelle I liefert eine Aufstellung von Linsendaten dieser Ausführungsform.
  • Der mechanische Aufbau des Linsentubus für diese Art von Objektiv ist im Vergleich zu Spiegellinsensystemen mit einem Falten der optischen Achse (wie beim „h-Design" usw.) sehr vorteilhaft. Hier können nur die Spiegel M32 und M33 keine vollständigen Scheiben sein. Der Spiegel M33 jedoch kann zu einem vollständigen ringförmigen Körper erweitert werden, der an einer rotationssymmetrischen Struktur befestigt werden kann. Der Tubus muß zwischen den Linsen L33 und L36 an la-Unterseite der Zeichnung von 3 beschnitten werden, um dem Lichtstrahl einen Durchgang zu geben, kann aber allgemein zylindrisch sein. Nur der Spiegel M33 muß außerhalb dieses zylindrischen Tubus positioniert werden, aber in einer sehr moderaten Entfernung.
  • Bei „h-Designs" erfordert ein ähnlicher Effekt eine zusätzliche Faltung. Faltende Spiegel sind im allgemeinen nicht erwünscht, da sie Intensitätsverluste und eine Qualitätsverschlechterung des Lichtstrahls, Produktionskosten und Justieraufwand ohne Nutzen für die Bildqualität verursachen.
  • Es ist durchaus möglich, den Spiegel M33 als einen ringförmigen Rohling zu produzieren, und er kann als dieser Ringteil in einem zylindrischen Tubus befestigt werden, der in diesem Bereich hinsichtlich des Durchmessers erweitert ist.
  • Es ist leicht zu sehen, daß der konkave sphärische Spiegel M33 der einzige Spiegel ist, der aus einer zylindrischen Hüllkurve hinausreicht, die um alle die Linsen herum beschrieben ist, die den Radius der Linse mit dem größten Radius aufweist. Dies zeigt wieder, daß sich diese Art von Objektiv zur Befestigung in einem kompakten zylindrischen Tubus mit hoher Eigensteifigkeit eignet.
  • Das Linsenmaterial in den gegebenen Beispielen ist Calciumfluorid, Flußspat. Andere Materialien können für sich oder in Kombinationen verwendet werden, nämlich bei anderen Wellenlängen von Excimerlasern. Quarzglas, schließlich geeignet dotiert, und Fluoridkristalle sind solche geeigneten Materialien.
  • Vier, sechs und acht oder mehr Spiegelobjektivdesigns, die auf dem Gebiet der EUV-Lithographie bekannt sind, eignen sich im allgemeinen als Ausgangsdesigns für die Vorderendengruppe der Erfindung, mit der schließlichen Abweichung, daß ein virtuelles Bild anstelle eines realen Bilds bereitgestellt wird. Diese Ausführungsformen beschränken nicht den Schutzbereich der Erfindung. Die Ansprüche und ihre Kombinationen ergeben den ganzen Schutzbereich. Zusätzlich zu den in den Ansprüchen angeführten gekrümmten Spiegeln können gelegentlich planare faltende Spiegel in das System eingebaut werden.
  • Tabelle 1
    Figure 00080001
  • Figure 00090001

Claims (22)

  1. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv, das nacheinander von der Objektseite (Ob) zur Bildseite (Im) aus einer Spiegellinsengruppe (L31–L35, M31, M32) besteht, das ein reales Zwischenbild (Imi) liefert, einer Spiegel- oder Spiegellinsengruppe (M33, M34), die ein virtuelles Bild liefert, und einer Linsengruppe (FLG'), die ein reales Bild (Im) liefert.
  2. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es keine planaren faltenden Spiegel aufweist und eine Blendenebene auf der Bildseite des am weitesten zum Bild hin gelegenen gekrümmten Spiegels (34) umfaßt.
  3. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem am weitesten zum Bild hin gelegenen gekrümmten Spiegel (34) der Strahl divergiert.
  4. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 4 gekrümmten Spiegeln (M31–M34) und mehr als 8 Linsen (L31–44) besteht.
  5. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein System mit einer nicht verdunkelten Pupille ist, umfassend eine gerade Symmetrieachse aller der Krümmungen aller optischen Elemente, wobei nicht mehr als zwei optische Elemente beschnitten sind, um im wesentlichen von der Scheibenform abzuweichen.
  6. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach Anspruch 4, das nicht mehr als ein optisches Element (M3) umfaßt, das in einer im wesentlichen nicht-rotationssymmetrischen Form geschnitten ist.
  7. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das hintereinander von der Objektseite (Ob) zur Bildseite (Im) eine Feldlinsengruppe (L31–L32), eine Spiegellinsengruppe (L34, L35; M31, M32) mit einer oder mehreren negativen Linsen (L34, L35) und einen konkaven Spiegel (M31), die eine axiale chromatische Aberration erzeugen, eine Gruppe aus einer ungeraden Anzahl gekrümmter Spiegel (M32–M34) und eine positive Linsengruppe (FLG') umfaßt.
  8. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die hintereinander von der Objektseite (Ob) zur Bildseite (Im) eine Spiegellinsengruppe (L31–L35; M31) mit einem gekrümmten Spiegel und einem negativen Verkleinerungsverhältnis, eine Gruppe mit einer ungeraden Anzahl gekrümmter Spiegel (M32–M34) und mit einem positiven Verkleinerungsverhältnis und eine Linsengruppe (FLG') mit einem negativen Verkleinerungsverhältnis umfaßt.
  9. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegellinsengruppe (L31–L35, M31, M32) eine positive Feldlinsengruppe (L31, L32) und eine negative Linsengruppe (L34, L35) neben dem Spiegel (M31) umfaßt und wobei die Linsengruppe (FLG') mehr positive (L36, L37, L39, L40, L42, L43, L44) als negative (L38, L41) Linsen umfaßt.
  10. Mikrolithographisches Verkleinerungsprojektions-Spiegellinsenobjektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am weitesten zum Bild hin gelegene gekrümmte Spiegel (M34) konvex ist.
  11. Objektiv nach einer Kombination von mindestens zwei der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine gerade Symmetrieachse aller Krümmungen aller optischen Systeme umfaßt.
  13. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Zwischenbild (Imi) umfaßt, wobei mindestens zwei gekrümmte Spiegel (M31, M32) stromauf im Strahlweg angeordnet sind.
  14. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die numerische Apertur auf der Bildseite NA = 0,7 oder größer bei einem Bildfeld von 5 mm × 20 mm bis 8 mm × 30 mm ist.
  15. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsen (L31–L44), wenn sie als vollständige Scheiben eingebaut sind, den Strahlweg nicht verdunkeln.
  16. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das mindestens einen sphärischen Spiegel (M33) umfaßt.
  17. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Oberflächen der gekrümmten Spiegel (M31–M34) Sektionen von oder ganze Rotationsflächen sind, alle mit einer gemeinsamen Achse (OA).
  18. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Teilsystem mit vier gekrümmten Spiegeln (M31–34) umfaßt, wobei hintereinander vom Ende der Objektebene (Ob) der erste (M31) und dritte (M33) gekrümmte Spiegel konkav sind und der vierte (M34) konvex ist.
  19. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Blendenebene umfaßt, die innerhalb einer eine chromatische Aberration erzeugenden Spiegellinsengruppe liegt, die aus mindestens einer negativen Linse (L35) und einem konkaven Spiegel (M31) besteht.
  20. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Feldlinsengruppe (L31, L32) neben der Objektebene (Ob) umfaßt und auf der Objektseite telezentrisch ist.
  21. Objektiv nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsen (L31–L44) innerhalb einer zylindrischen Hüllkurve mit kleinstem Radius liegen, wobei mit Ausnahme von einem Spiegel alle gekrümmten Spiegel (M31, M32, M34) innerhalb der gleichen Hüllkurve liegen.
  22. Projektionsbelichtungsvorrichtung, die eine Excimerlichtquelle, ein Beleuchtungssystem, ein Reticle-Handhabungs-, Positionier- und Scansystem, ein Projektionsobjektiv gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Wafer-Handhabungs-, Positionier- und Scansystem umfaßt.
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