DE69933973T2

DE69933973T2 - Katadioptrisches optisches system und damit ausgestattete belichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69933973T2
Application number: DE69933973T
Authority: DE
Inventors: David R. Fairfield Schafer; Helmut Beierl; Gerhard Fürter; Karl-Heinz Schuster; Wilhelm Ulrich
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: US6717722B2; JP4693947B2; US20060007532A1; KR100615068B1; US6985286B2; EP0989434B1; US20020196533A1; KR20000011933A; US6496306B1; EP0989434A3; JP2000047114A; TW466349B; EP0989434A2; US20040169914A1; DE69933973D1

Description

Allgemeiner Stand der Technik
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Projektionsbelichtungsobjektiv in einer Projektionsbelichtungsvorrichtung wie zum Beispiel einem Wafer-Scanner oder einem Wafer-Stepper, die zur Herstellung von Halbleiterelementen oder sonstigen mikrostrukturierten Bauelementen mittels Fotolithografie verwendet werden, und insbesondere ein katadioptrisches optisches Projektionsobjektiv mit einem objektseitigen katadioptrischen System, einem Zwischenbild und einem brechenden Linsensystem zur Verwendung in einer solchen Projektionsbelichtungsvorrichtung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
US-Patent Nr. 4,779,966 an Friedman ist ein frühes Beispiel eines solchen Objektivs, wobei jedoch das katadioptrische System auf der Bildseite angeordnet ist. Es wird seine Entwicklung ausgehend vom Prinzip eines Schupmann-Achromaten beschrieben. Es ist eine Aufgabe dieses Patents, ein zweites Linsenmaterial zu vermeiden, so dass folglich alle Linsen aus Quarzglas bestehen. Eine Lichtquelle wird nicht spezifiziert, und die Bandbreite ist auf 1 nm begrenzt.
US-Patent Nr. 5,052,763 an Singh ( EP 0 475 020 ) ist ein weiteres Beispiel. Hier ist relevant, dass ungerade Aberrationen im Wesentlichen durch jedes Teilsystem separat korrigiert werden, wofür es bevorzugt ist, dass das katadioptrische System ein 1:1-System ist und keine Linse zwischen dem Objekt und dem ersten Ablenkspiegel angeordnet ist. Zwischen dem ersten Ablenkspiegel und dem Hohlspiegel ist in einer Position näher zu dem Ablenkspiegel hin ein Gehäuse angeordnet. In allen Beispielen werden nur Quarzglaslinsen verwendet. Die NA ist auf 0,7 erweitert, und ein 248 nm-Excimer-Laser oder andere werden vorgeschlagen. Eine Verringerung der Strichbreite des Lasers wird als ausreichend vorgeschlagen, um eine chromatische Korrektur durch Verwendung unterschiedlicher Linsenmaterialien zu vermeiden.
US-Patent Nr. 5,691,802 an Takahashi ist ein weiteres Beispiel, wo eine erste Gruppe optischer Elemente mit einer positiven Brechkraft zwischen dem ersten Ablenkspiegel und dem Hohlspiegel erforderlich ist. Das dient dazu, den Durchmesser des Spiegels zu verringern, weshalb sich diese positive Linse nahe dem ersten Ablenkspiegel befindet. Alle Beispiele weisen eine große Anzahl von CaF₂-Linsen auf.
EP 0 736 789 A an Takahashi ist ein Beispiel, wo es erforderlich ist, dass zwischen dem ersten Ablenkspiegel und dem Hohlspiegel drei Linsengruppen mit plus-minus-plus-Brechkraft angeordnet sind, ebenfalls mit dem Ziel der Verringerung des Durchmessers des Hohlspiegels. Darum befindet sich die erste positive Linse recht nahe dem ersten Reflexionsspiegel. Des Weiteren werden viele CaF₂-Linsen zur Achromatisierung verwendet.
DE 197 26 058 A an Omura beschreibt ein System, wo das katadioptrische System ein Verkleinerungsverhältnis von 0,75 < /β₁/ < 0,95 aufweist und auch eine bestimmte Beziehung für die Geometrie dieses Systems erfüllt ist. Des Weiteren werden viele CaF₂-Linsen zur Achromatisierung verwendet.
Für rein brechende Linsen von Mikrolithografieprojektionsbelichtungssystemen ist ein Linsendesign, bei dem der Lichtstrahl zweimal stark verbreitert wird, einschlägig bekannt, siehe zum Beispiel Glatzel, E., Zeiss-Information 26 (1981), Nr. 92, Seiten 8-13. Ein jüngstes Beispiel eines solchen Projektionsobjektivs mit "+ – + – +"-Linsengruppen findet sich in EP 0 770 895 an Matsuzawa und Suenaga.
Die partiellen Brechungsobjektive der bekannten katadioptrischen Objektive des generischen Typs der Erfindung sind jedoch viel einfacher aufgebaut.
Der Inhalt dieser Dokumente wird durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen. Sie enthalten Hintergründe und beschreiben Umstände des erfindungsgemäßen Systems.
3. Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein katadioptrisches optisches System mit neuen Konstruktionsprinzipien bereitzustellen, das eine große numerische Apertur, ein großes Bildfeld, genügend Laserbandbreite und eine solide und stabile Konstruktion bietet und die derzeitigen Beschränkungen bei der Verfügbarkeit von CaF₂ in Menge und Qualität berücksichtigt. Dies trifft auf ein DUV-Projektionsobjektiv zu und bildet die Basis für eine aus einem einzigen Material bestehende Linse für VW (157 nm).
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Projektionsbelichtungsobjektiv gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Vorteilhafte Versionen erhält man, wenn Merkmale nach einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 2 bis 24 integriert werden.
Eine vorteilhafte Projektionsbelichtungsvorrichtung nach Anspruch 25 erhält man durch Integrieren eines Projektionsbelichtungsobjektivs nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 28 in eine bekannte Vorrichtung.
Ein Verfahren zum Herstellen mikrostrukturierter Bauelemente durch Litografie (Anspruch 26) gemäß der Erfindung ist durch die Verwendung einer Projektionsbelichtungsvorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch 25 gekennzeichnet. Anspruch 27 enthält einen vorteilhaften Modus dieses Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen besser verstanden. Sie dienen lediglich der Veranschaulichung und dürfen nicht so verstanden werden, als würden sie die vorliegende Erfindung einschränken. Ein breiteres Anwendungsspektrum der vorliegenden Erfindung geht aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor. Es versteht sich jedoch, dass die detaillierte Beschreibung und die konkreten Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, sie aber lediglich der Veranschaulichung dienen, weil dem Fachmann beim Studium dieser detaillierten Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifikationen im Rahmen des Geltungsbereichs der Ansprüche einfallen.
4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht, welche die Anordnung einer Belichtungsvorrichtung zeigt, auf die ein katadioptrisches optisches System gemäß der vorliegende Erfindung Anwendung finden kann.
2 ist eine Schnittansicht der Objektivanordnung eines ersten Vergleichsbeispiels.
3 ist eine Schnittansicht der Objektivanordnung einer ersten Ausführungsform.
4 ist eine Schnittansicht der Objektivanordnung einer zweiten Ausführungsform.
5 ist eine Schnittansicht der Objektivanordnung einer dritten Ausführungsform.
6a ist eine Schnittansicht der Objektivanordnung einer vierten Ausführungsform.
6b ist eine Darstellung eines Abbildungsfehlers der vierten Ausführungsform.
7 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils der Objektivanordnung einer fünften Ausführungsform.
Die schematisch in 1 gezeigte Projektionsbelichtungsvorrichtung enthält eine Excimer-Laserlichtquelle 1 mit einer Anordnung 11, welche die Bandbreite schwach verringert. Ein Beleuchtungssystem 2 erzeugt ein großes Feld, das scharf begrenzt und sehr homogen ausgeleuchtet ist, was den Telezentrizitätsanforderungen des Projektionsobjektivs entspricht, und mit einem wählbaren Beleuchtungsmodus. Ein solcher Modus kann eine herkömmliche Beleuchtung von variablem Kohärenzgrad, eine Ring- oder Quadrupolbeleuchtung sein.
Eine Maske 3 wird im Beleuchtungsbereich durch eine Maskenhalte- und -handhabungssystem 31 verschoben, das den Scan-Antrieb im Fall einer Waferscanner-Projektionsbelichtungsvorrichtung enthält. Anschließend folgt das katadioptrische Projektionsbelichtungsobjektiv 4 gemäß der Erfindung, was weiter unten noch näher beschrieben wird.
Dieses Objektiv 4 erzeugt ein maßstabsverkleinertes Bild der Maske 3 auf einem Wafer 5. Der Wafer 5 wird durch die Einheit 51 gehalten, gehandhabt und schließlich gescannt.
Alle Systeme werden durch die Steuereinheit 6 gesteuert. Eine solche Einheit und die Art und Weise ihres Gebrauchs sind auf dem Gebiet der mikrolithografischen Projektionsbelichtung einschlägig bekannt.
Für die Belichtung von Strukturen im Regime von etwa 0,2 μm und geringerer Auflösung bei hohem Durchsatz besteht jedoch Bedarf an verschiedenen Projektionsbelichtungsobjektiven, die mit 193 nm, vielleicht auch mit 248 nm oder 157 nm Excimer-Laserwellenlängen mit hinreichend verfügbaren Bandbreiten (zum Beispiel 15 pm bei 193 nm) bei hoher bildseitiger numerischer Apertur von 0,65 bis 0,8 oder mehr und mit hinreichend großen rechteckigen oder kreisförmigen Scan-Bildfeldern von zum Beispiel 7 × 20 bis 10 × 30 mm² arbeiten können.
Katadioptrische Systeme des oben genannten Typs sind im Prinzip dafür geeignet.
Es wurde jedoch gemäß der Erfindung festgestellt, dass eine Reihe von Maßnahmen und Merkmalen diese Systeme verbessern.
Das in der Schnittansicht von 2 gezeigte Vergleichsbeispiel hat die in Tabelle 1 angegebenen Objektivdaten und arbeitet ausschließlich mit Quarzglaslinsen. Da nur ein einziges Linsenmaterial verwendet wird, kann dieses Design problemlos an andere Wellenlängen wie 248 nm oder 157 nm angepasst werden.
Das Zwischenbild IMI ist frei zugänglich, so dass es auf einfache Weise möglich ist, eine Feldblende einzufügen. Die Aperturblende AP befindet sich zwischen den Linsenoberflächen 139 und 140 und ist ebenfalls gut zugänglich.
Die Ablenkspiegel DM1 und DM2 in dem katadioptrischen System CS sind in ihrer Geometrie durch die Erfordernisse der Trennung der Lichtstrahlen zu und von dem Hohlspiegel 209 und des Abstands von der Linse 201, 202 definiert. Es ist von Vorteil, dass sich der Spiegelwinkel des Spiegels DM1 von 45° unterscheidet, dergestalt, dass der Strahlablenkwinkel größer als 90° ist. Dies hilft, einen großen freien Arbeitsabstand sowie einen breiten Freiraum für den Lichtstrahl relativ zu dem ersten Linsenelement 201, 202 zu schaffen, und verschafft außerdem einen uneingeschränkten Abstand des Objektivtubus' des katadioptrischen Systems CS von der Objektebene 0.
Die Anordnung der zwei Ablenkspiegel DM1, DM2 ermöglicht eine gerade optische Achse und eine parallele Anordnung der Ursprungsebene 0 und der Bildebene IM, d. h. Maske und Wafer sind parallel und können problemlos gescannt werden. Jedoch kann einer der Ablenkspiegel DM1, DM2 weggelassen oder eventuell durch einen Ablenkspiegel in dem Brechungsobjektiv RL ersetzt werden, zum Beispiel in dem Luftraum zwischen den Linsenoberflächen 225 und 226. Es ist auch klar, dass die Ablenkspiegel durch andere optische Ablenkelemente (wie zum Beispiel das Prisma in Ausführungsform 6 oder andere) ersetzt werden können.
Eine schwache positive Linse 201, 202 ist nahe der Ursprungsebene 0 in dem Bereich mit einfachem Strahldurchgang angeordnet. Ihre Brennweite ist ungefähr gleich ihrer Entfernung von dem Hohlspiegel 209. Dadurch befindet sich der Hohlspiegel 209 in einer Pupillenebene, wodurch der benötigte Durchmesser minimiert wird.
Eine zweite positive Linse befindet sich in dem Bereich mit doppeltem Strahldurchgang zwischen den Ablenkspiegeln DM1, DM2 und dem Hohlspiegel 209. Da die Produktionsbedingungen von Hohlspiegeln von 200 mm bis 300 mm Durchmesser kleinere Einheiten nicht besonders bevorzugen – im Gegensatz zu Linsen, und zwar solchen, die aus CaF₂ hergestellt sind, wo Inhomogenitäten usw. erhebliche Beschränkungen auferlegen –, besteht keine Notwendigkeit, diese positive Linse 203, 204 zur Verkleinerung des Radius' des Hohlspiegels 209 zu verwenden. Sie befindet sich näher am Hohlspiegel 209 als am ersten Reflexionsspiegel DM1 an einer Stelle, wo sie Bildfehler am besten minimieren kann.
Die zwei negativen Menisken 205, 206; 207, 208 wirken mit dem Hohlspiegel 209 in einer bekannten Weise zusammen, wodurch größere Einfallswinkel und eine stärkere Krümmung und somit ein stärkerer Korrektureinfluss des Hohlspiegels 209 entstehen.
Es ist wichtig, dass die Anzahl der Linsen in dem Bereich mit doppeltem Strahldurchgang des katadioptrischen Systems CS auf drei beschränkt ist, weil hier jede Linse im Hinblick auf die Systemenergieübertragung und die Wellenfrontqualitätsverschlechterung doppelt zählt, ohne dass größere Freiheitsgrade für eine Korrektur entstehen.
Von einem Gesamtverkleinerungsverhältnis von β = 0,25 trägt das katadioptrische System CS seinen Teil von β_cs = 1,008 bei.
An der Zwischenbildebene IMI wird vorzugsweise eine Feldblende FS eingefügt, die Streulicht vorteilhaft verringert.
Das Brechungsobjektiv RL, das auf das Zwischenbild IMI folgt, ist komplexer aufgebaut, als es auf diesem technischen Gebiet üblich ist. Es hat eine höhere Qualität, als vollständig brechende Projektionsbelichtungsobjektive jüngeren Entwicklungsdatums sie im Allgemeinen aufweisen.
Es ist zu erkennen, dass das Fünfer-Linsengruppen-Design verwendet wird, das aus hoch-entwickelten brechenden Mikrolitografieobjektivdesigns bekannt ist, die zwei Einschnürungen und drei Ausbauchungen mit "+ – + – +"-Linsengruppen – in dieser Reihenfolge – aufweisen. Obgleich die ersten zwei Ausbauchungen (Linsenoberflächen 210 bis 219, 224 bis 227) nicht besonders stark ausgeprägt sind, sind die zwei Einschnürungen W1, W2 deutlich ausgeprägt, und zwar jeweils durch ein Paar negativer Menisken 220, 221; 222, 223 und 228, 229; 230, 231, deren konvexe Oberflächen nach außen weisen.
Es ist bekannt, dass diese Linsengruppen an den Einschnürungen W1, W2, wie die anderen, durch Integrieren weiterer Linsen weiterentwickelt werden können, zum Beispiel um die numerische Apertur oder den Bildbereich zu vergrößern.
Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, besteht das Brechungsobjektiv RL aus einer Feldlinsengruppe (Linsenoberflächen 210 bis 219) von positiver Kraft zum Umwandeln des divergierenden Hauptstrahls in einen konvergierenden Hauptstrahl, einer bildseitigen positiven Fokussierlinsengruppe (Linsenoberflächen 232 bis 251), welche die benötigte große numerische Apertur erzeugt, und dazwischen angeordneten Linsenelementen, die Bildfehler korrigieren, insbesondere mit Gruppen von entgegengesetzt angeordneten negativen Menisken (w1, w2).
Die Dubletten mit "– +"-Kraft mit den Oberflächen 235 bis 238 und 239 bis 242 sind der Schlüssel zu der breiten Spektralbandbreite bei guter Korrektur der chromatischen Änderung in sphärischer Aberration, die die hauptsächliche Restaberration bei diesen Designs ist. Es wurde festgestellt, dass dort die alternative Anordnung von Dubletten mit "+ –"-Kraft zu einer viel schlimmeren chromatischen Änderung der sphärischen Aberration führt. Hier wird ein Wert von 0,35 μm bei 15 pm Laserbandbreite erhalten.
Dieses Vergleichsbeispiel von 2 eignet sich zum Drucken von Mikrostrukturen bei einer Auflösung von weniger als 0,2 μm über einem rechteckigen Bildfeld von 30 × 7 mm² bei 6 mm seitlich der Achse mit einer Excimer-Laserquelle von 0,015 nm Bandbreite.
3 und Tabelle 2 zeigen die erste Ausführungsform der Erfindung. Das katadioptrische System CS bleibt sehr ähnlich, doch sein Verkleinerungsverhältnis ist nun geringerer als Eins bei β_cs = 0,944.
In dem Brechungsobjektiv ist die zweite Linse 212, 213 von 2 weggelassen, während die dicke negative Linse 245, 246 in drei Einheiten 342, 343; 344, 345; 346, 347 aufgeteilt ist.
Außerdem bestehen nun zwei Linsen aus CaF₂, nämlich die Elemente mit den Oberflächen 342, 343 und 348, 349. Im Vergleich zum Durchmesser der größten Linse 330, 331 von etwa 250 mm sind ihre Durchmesser von etwa 205 mm und ungefähr 165 mm kleiner als 0,81-fach und 0,67-fach. Darum ist ihre Abmessung nicht zu groß, und es wird eine effektive Produktion erreicht.
Des Weiteren sind sie in dem konvergierenden Lichtstrahl in der fünften Linsengruppe nach der dritten Ausbauchung nahe der Bildebene angeordnet. Sie unterstützen die Achromatisierung. Die anderen Merkmale ähneln weitgehend denen des Beispiels von 2, einschließlich beispielsweise der Dubletten mit "– +"-Kraft 332 bis 339.
4 und Tabelle 3 zeigen ein weiteres Beispiel eines katadioptrischen Objektivs gemäß der Erfindung.
Nun weist das katadioptrische System CS eine wichtige Umgestaltung auf, da alle Linsen in dem Bereich mit doppeltem Strahldurchgang zu einer Einzellinsengruppe neben dem Hohlspiegel 411 kombiniert sind. Es enthält die positive Linse 403, 404 und drei negative Linsen 405 bis 410. Der Wechsel von zwei zu drei solcher negativer Linsen sorgt für eine sanftere Vergrößerung der Strahlwinkel und optimiert so die Korrektur. Somit wird die Konstruktion des Objektivtubus' des katadioptrischen Systems CS vereinfacht. Die Linsen 403 bis 410 und der Spiegel 411 können in einer kompakten Einheit von herkömmlicher Bauart montiert werden, wie man es von brechenden Projektionsbelichtungsobjektiven kennt. Die lange Distanz zu den Ablenkspiegeln DM1, DM2 kann durch einen thermisch stabilen röhrenförmigen Körper überbrück werden, der zum Beispiel aus einem Faserverbundwerkstoff, Glaskeramik oder einer Bimetallverbundstruktur hergestellt ist.
Die positive Linse 403, 404 besteht nun aus Fluorit (etwa 200 mm Durchmesser), wodurch die Achromatisierung unterstützt wird. Es ist für die Erfindung von Bedeutung, dass höchstens insgesamt drei bis vier Linsen, die aus einem zweiten Material bestehen, ausreichen, um eine gute Achromatisierung in diesem Grunddesign zu erreichen.
Das Verkleinerungsverhältnis des katadioptrischen Systems beträgt β_cs = 0,931. Das brechende Linsensystem ist sehr ähnlich dem von Tabelle 2 aufgebaut.
Eine dritte Ausführungsform ist in 5 und in Tabelle 4 gezeigt.
Nun ist das katadioptrische System CS wieder frei von jeglichen Elementen aus CaF₂. Sein grundsätzlicher Aufbau mit einer kompakten Einheit aus einer positiven (503, 504) und drei negativen Linsen (505-510) und dem Hohlspiegel 511 in einer kompakten Einheit bleibt der gleiche wie in der dritten Ausführungsform. Das Verkleinerungsverhältnis β_cs beträgt im bevorzugtesten Bereich 0,961.
Des Weiteren hat das Brechungsobjektiv RL den gleichen Gesamtaufbau wie die zuvor erwähnten Beispiele. Jedoch hat die Verwendung von CaF₂-Linsenelementen einen neuartigen Charakter:
Während das Linsenelement 544, 545 in einer bekannten Weise zur Achromatisierung dient, ist der Grund für die Verwendung von CaF₂ in den zwei Linsen 552, 553; 554, 555 neben der Bildebene IM ein anderer:
Der Grund für die Verwendung von CaF₂ besteht hier in der Verringerung des durch die Kompaktierung hervorgerufenen Verschlechterungseffekts, der bei Quarzglaslinsen bei hoher Lichtintensität und starker Asymmetrie (durch ein schmales Scan-Bildfeld verursacht) bei 193 nm Wellenlänge recht stark ist, aber mit CaF₂-Linsen (oder anderem kristallinen Material) weit geringer ist.
Bei einer Gesamtlänge – Objekt 0 zu Bild IM – von 1455 mm, einer Abweichung von der Achse des Hohlspiegel 511 von 590 mm, einem Durchmesser des Hohlspiegels 511 von 250 mm, einem größten Linsendurchmesser in dem brechenden Linsensystem RL von 240 mm (bei Linse 534, 535) und Durchmessern der CaF₂-Linsen von 195 mm (544, 545), 135 mm (552, 553) und 85 mm (554, 555) sind die Abmessungen dieser Konstruktion sehr akzeptabel. Bei Lambda = 193 nm, 15 pm Bandbreite, einem Verkleinerungsverhältnis von 0,25 und einer numerischen Apertur von 0,7 wird ein rechteckiges Bildfeld von 26 × 9 mm² mit einer Auflösung von besser als 0,20 μm abgebildet.
Eine vierte Ausführungsform ist in 6a und in Tabelle 5 wiedergegeben. Sie unterscheidet sich von Ausführungsform 4 darin, dass lediglich die letzten beiden Linsen C1, C2 (654, 655; 656, 657) aus CaF₂ bestehen, mit dem Ziel der Verringerung der langfristigen Verschlechterung durch Kompaktierung von Quarzglas unter 193 nm-Strahlung, aber es wird kein CaF₂ zum Zweck der Achromatisierung verwendet.
Das katadioptrische System CS besteht aus einer Feldlinse 601, 602 mit eine Brennweite f', die zu ihrer Entfernung B zum Hohlspiegel durch f'/B = 1,004 in Beziehung steht.
Der Ablenkspiegel DM1 lenkt die optische Achse ab. Seine Normale ist relativ zur optischen Achse um 50° geneigt. Das schafft einen besseren Strahlfreiraum von der Feldlinse 601, 602 als die normalen 45°.
Die positive Linse 603, 604 ist mit drei negativen Linsen 605-610 und dem Hohlspiegel 611 in einer kompakten Einheit kombiniert. Die Entfernung DM1-603 beträgt 432 mm. Verglichen mit der Entfernung DM1-611 zum Hohlspiegel von 597 mm sind das 72%.
Das Verkleinerungsverhältnis des katadioptrischen Systems β_cs = 0,9608 liegt in einem bevorzugten Bereich nahe Einheit, wo der Achromatisierungseffekt des Hohlspiegels am besten ausgenutzt wird und auch andere Bildfehler (zum Beispiel Krümmung des Feldes) gering gehalten werden. Der positive Effekt der Petzval-Summe ist sehr gut.
Das Konzept der Korrektur ungerader Aberrationen (Singh am genannten Ort) wird jedoch nicht übernommen: An der Zwischenbildebene IMI übersteigen die Werte von Koma – 0,1724 – und Verzerrung – –0,0833 – bei weitem gute Korrelationswerte, während an der letzten Bildebene IM Koma (–0,00098) und Verzerrung (–0,000115) sehr gut korrigiert sind, was auch für andere typische Fehler gilt.
Ein Feldblende FS an der Zwischenbildebene IMI trennt vorteilhafterweise störendes Streulicht ab.
Gemäß der Erfindung ist das katadioptrische System mit sehr wenigen Elementen in kompakter Anordnung konstruiert, und seine Funktion konzentriert sich auf die Implementierung des Einflusses der Achromatisierung und der Petzval-Summe des Hohlspiegels 611.
Eine detaillierte Korrektur ist das Gebiet des brechenden Linsensystems RL. Es besteht aus einer Feldlinsengruppe FL (Oberflächen 612 bis 621) und einer Fokussierlinsengruppe FG (Oberflächen 634 bis 655). Korrigierende Linsenelemente sind dazwischen angeordnet, einschließlich zweier Paare entgegengesetzter negativer Menisken 622-625 und 630-633. Diese bilden zwei Strahleinschnürungen W1, W2. Auf diese Weise entsteht das "+ – + – +"-Fünfer-Linsengruppendesign, das man aus hoch-entwickelten brechenden Projektionsbelichtungsobjektiven kennt.
Die Fokussierlinsengruppe FG beherbergt die Systemapertur AP sowie zwei Linsengruppen PG1 und PG2 mit "– +"-Kraft mit den oben angesprochenen Vorteilen.
Es gibt keine achromatisierende CaF₂-Linse, sondern in Ausführungsform 4 bestehen die zwei Linsen C1, C2 (654-657), die sich neben der Bildebene IM befinden, aus den oben genannten Gründen des Vermeidens der Kompaktierung aus CaF₂.
Bei einer Länge 0-IM von 1400 mm und einer Seitwärtsabweichung von 590 mm zum Hohlspiegel 611 ist der Durchmesser des Hohlspiegels 611 (und der benachbarten Linse 609, 610) auf 252 mm beschränkt, während die größte Linse 636, 637 des brechenden Linsensystems RL einen Durchmesser von 240 mm hat und die CaF₂-Linsen nur Durchmesser von 130 mm (C1) und 85 mm (C2) haben.
Somit sind die Anforderungen an eine Produktion, die extreme Durchmesser vermeidet, bestens erfüllt.
6b zeigt die sphärische Längsaberration und ihre chromatische Änderung bei Lambda = 193,30 nm ±0,015 nm für diese Ausführungsform 5, die, wie oben erwähnt, der Restabbildungsfehler ist, der die Leistung dieses Systems beschränkt.
Es ist zu erkennen, dass mit einer geringfügig schmaler gestalteten Excimer-Laserquelle von Lambda = 193,3 nm mit 15 pm Bandbreite ein rechteckiges Feld von 26 × 9 mm mit einer Auflösung von besser als 0,2 μm abgebildet werden kann.
Eine fünfte Ausführungsform ist in 7 und in Tabelle 6 gezeigt. Hier ist ein Ablenkprisma DP zum Ablenken des Lichtweges in Richtung des Hohlspiegels 711 eingefügt.
Da sich die Lichtstrahlen im Inneren des Prismas DP weniger stark auf spreizen, als sie es in Luft (oder Stickstoff oder Helium) tun, kann die Feldgröße um einen bestimmten Betrag vergrößert werden, ohne eine Abschattung der Lichtstrahlen durch die Kanten des Prismas hervorzurufen. Die Bedeutung dieser Designmodifikation nimmt bei größerer numerischer Apertur noch zu. Eine Abschattung von Strahlen begrenzt die Feldgröße, die durch die Knickungselemente gehandhabt werden kann, und selbst eine relativ geringe Zunahme der Feldgröße ist sehr wünschenswert – aus einer Vielzahl von Gründen, einschließlich der Möglichkeit, alle Linsendurchmesser für ein bestimmtes benötigtes Feld zu schrumpfen. Es stellt sich heraus, dass es nicht relevant ist, dies für den zweiten Flachspiegel DM2 auszuprobieren. Während 7 schematisch die Ablenkspiegelregion zeigt, sind beispielhafte Objektivdaten für das komplette System in Tabelle 6 gezeigt. Diese Prismaanordnung kann auch dabei helfen, den freien Arbeitsabstand zu erweitern oder andere Spiegelwinkel (zum Beispiel 45°) zu verwenden.
Ausführungsform 6, für die Designdaten in Tabelle 7 angegeben sind, zeigt die mögliche Erweiterung des Bildes mit einer seitlichen numerischen Apertur weit jenseits des Wertes von 0,7 der anderen Beispiele. Der Wert von NA = 0,8 ist für diese Art von Linse noch nicht einschränkend. Die Gesamtkonstruktion entspricht den anderen Ausführungsformen, so dass zur Erläuterung keine zusätzliche Zeichnung benötigt wird.
Ein zweites Vergleichsbeispiel 8 mit den Objektivdaten von Tabelle 8 führt zu einem reinen CaF₂-Design für 157 nm Wellenlänge als ein Beispiel, das die Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Designs zur Verwendung mit VUV-Wellenlängen zeigt. Die Gesamtkonstruktion entspricht weitestgehend 6a.
Weitere Kombinationen beanspruchter Merkmale als die, die oben ausdrücklich beschrieben sind, liegen im Geltungsbereich der Ansprüche.
Die Möglichkeiten des Schupman-Achromaten zur Achromatisierung mit nur einem einzigen Linsenmaterial werden im ersten und im zweiten Vergleichsbeispiel in vollem Umfang ausgeschöpft. Folglich stellt das zweite Vergleichsbeispiel das erste 157 nm-Design des Schupman-Achromaten dar, das sich für die VUV-Litografie eignet. Das Einfügen von Asphären und die folgliche Verringerung der Anzahl und der Dicke von Linsen optimiert dies noch weiter.
Ein neuer Aspekt der Verwendung eines zweiten Materials in einer Linse zum Vermeiden einer Kompaktierung ist in den Ausführungsformen 3 bis 6 aufgezeigt.
Zum Vereinfachen der Achromatisierung durch Verwendung eines zweiten Materials reichen sehr wenige daraus hergestellte Elemente aus, wie die Ausführungsformen 2, 3, 5 und 6 zeigen.
Vorzugsweise sind die Linsen zwischen den Ablenkelementen und dem Hohlspiegel in einer kompakten Einheit angeordnet, wie sie in den Ausführungsformen 2 bis 6 gezeigt ist. Alle Linsen sind von den Ablenkelementen weiter entfernt als von dem Hohlspiegel. Ihre kleinsten Entfernungen übersteigen nicht ihre größte Dicke (beides über den Durchmesser gemessen), oder die Länge der kompakten Einheit übersteigt nicht ihren Durchmesser, wenigstens nicht um mehr als 50%. Das hoch-entwickelte Design des hier gezeigten brechenden Linsensystems gestattet eine gute Korrektur bei vergrößerter bildseitiger numerischer Apertur im Bereich von 0,65 bis 0,85.
Obgleich Beispiele für das Scan-Belichtungsregime gezeigt sind, eignet sich die Erfindung ebenso für Step-and-Repeat oder Stitching. Stitching ermöglicht spezifisch kleinere Optiken.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Brechungsindizes CaF₂

Claims

Projektionsbelichtungsobjektiv, das für den Einsatz mit 248-nm- oder 193-nm-Licht ausgelegt ist, mit einem objektseitigen katadioptrischen System, einem Zwischenbild und einem brechenden Linsensystem, wobei Linsen aus einem ersten Material und Linsen aus einem zweiten Material hergestellt sind, wobei nicht mehr als vier, bevorzugt nicht mehr als drei Linsen aus dem zweiten Material hergestellt sind, wobei bei dem brechenden Linsensystem alle aus dem zweiten Linsenmaterial hergestellten Linsen in einem konvergierenden Lichtstrahl neben der Bildebene angeordnet sind, wobei das erste Linsenmaterial Quarzglas und das zweite Linsenmaterial Calciumfluorid ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach Anspruch 1, wobei das katadioptrische System mindestens ein ablenkendes Element, einen konkaven Spiegel und eine Reihe von Linsen dazwischen aufweist, wobei der konkave Spiegel und alle zwischen dem ablenkenden Element und dem konkaven Spiegel angeordneten Linsen in einer kompakten Einheit angeordnet sind, wobei bevorzugt die Entfernung von einer beliebigen der Linsen zu einem ablenkenden Element größer ist als seine Entfernung zu dem konkaven Spiegel.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei das katadioptrische System mindestens ein ablenkendes Element, einen konkaven Spiegel und eine Reihe von Linsen aufweist, wobei das katadioptrische System mindestens eine positive Linse zwischen der Objektseite und dem ersten ablenkenden Element, nicht mehr als eine positive und nicht mehr als drei negative Linsen zwischen dem ersten ablenkenden Element und dem konkaven Spiegel aufweist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das brechende Linsensystem von der Zwischenbildseite aus folgendes aufweist: eine erste Linsengruppe mit positiver Brechkraft, eine zweite Linsengruppe mit negativer Brechkraft, eine dritte Linsengruppe mit positiver Brechkraft, eine vierte Linsengruppe mit negativer Brechkraft, eine fünfte Linsengruppe mit positiver Brechkraft.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens ein Dublett mit positiver Brechkraft mit einer Linse mit negativer Brechkraft und einer Linse mit positiver Brechkraft in dieser Reihenfolge von der Objektseite aus in dem brechenden Linsensystem angeordnet ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das brechende Linsensystem aus einer Feldlinsengruppe, einer dazwischenliegenden korrigierenden Linsengruppe und einer fokussierenden Linsengruppe besteht.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das katadioptrische System ein Abbildungsverhältnis größer als 0,95, aber von Eins verschieden, aufweist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das beugende Linsensystem mindestens ein Paar Menisken enthält, wobei die konvexe Oberfläche des zwischenbildseitigen Meniskus dem Zwischenbild zugewandt ist, die konvexe Oberfläche der anderen entgegengesetzt gewandt ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Paar von Menisken in der korrigierenden Linsengruppe angeordnet ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dublett mit positiver Brechkraft in der fokussierenden Linsengruppe angeordnet ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Dubletten mit positiver Brechkraft neben der Systemblende angeordnet ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß höchstens eine Linse des katadioptrischen Systems aus dem zweiten Linsenmaterial hergestellt ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser von aus dem zweiten Linsenmaterial hergestellten Linsen das 0,85-fache des Durchmessers des größten optischen Elements nicht übersteigt.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser von aus dem zweiten Linsenmaterial hergestellten Linsen 220 mm nicht übersteigt.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das katadioptrische System nicht mehr als 6, bevorzugt nicht mehr als 5 Linsen enthält.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß chromatische Längsaberration unter 0,015 μm pro Bandbreite von 1 pm bei 193 nm liegt.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß chromatische Längsaberration unter 0,05 μm pro Bandbreite von 1 pm bei 157 nm liegt.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungsverhältnis des katadioptrischen Systems größer als 0,8, bevorzugt größer als 0,95 ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß es auf beiden Seiten telezentrisch ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Strahltaille in dem brechenden Teilsystem aufweist und die Dubletten mit positiver Brechkraft hinter der letzten Strahltaille angeordnet sind.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach Anspruch 5 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Dubletten mit positiver Brechkraft derart angeordnet sind, daß der Lichtstrahldurchmesser innerhalb ihrer Linsenelemente mehr als 80% des größten Strahldurchmessers beträgt.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein reflektierendes Prisma zur Reflexion des Lichtstrahls zwischen dem Objekt und dem konkaven Spiegel eingefügt ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß exakt eine Linse zwischen dem Objekt und dem ersten ablenkenden Element plaziert ist.
Projektionsbelichtungsobjektiv nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Brennweite der Linse vor dem ersten ablenkenden Spiegel über die Entfernung von der Linse zu dem konkaven Spiegel Eins innerhalb von (+/–) 15% beträgt.
Projektionsbelichtungsvorrichtung, die folgendes umfaßt: eine Excimerlaser-Lichtquelle, ein Beleuchtungssystem, ein Maskenhandhabungs- und -positionierungssystem, ein Projektionsbelichtungsobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 24, ein Waferhandhabungs- und -positionierungssystem.
Verfahren zum Herstellen mikrostrukturierter Bauelemente durch Lithographie unter Verwendung einer Projektionsbelichtungsvorrichtung nach Anspruch 25.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß Step-and-Repeat-, Scan- oder Stitching-Belichtungsverfahren verwendet werden.