投射镜头、投射曝光装置及投射曝光方法与流程

本发明有关一种折射投射镜头，其通过工作波长在大于280nm紫外线范围内的电磁辐射将配置在投射镜头的物平面中的图案成像到投射镜头的像平面中；一种具有投射镜头的投射曝光装置；以及一种能够借助于该投射镜头实现的投射曝光方法。

背景技术：

1、微光刻投射曝光方法现阶段主要用于生产半导体部件和其他精细结构化部件，例如用于光刻的掩模。在此，使用掩模(掩模版)或其他图案生成器件，其承载或形成待成像结构的图案，例如半导体部件层的线图案。该图案位于投射曝光装置中的照明系统和投射镜头之间的投射镜头的物平面的区域中，并且由照明系统提供的照明辐射进行照明。由图案修改的辐射作为投射辐射传播通过投射镜头，所述投射镜头将图案成像到待曝光的基板上。基板的表面配置在投射镜头的像平面中，像平面与物平面光学共轭。基板通常涂覆辐射敏感层(抗蚀剂、光刻胶)。

2、通常，半导体部件制造商对临界结构和非临界结构的曝光要求不同。目前，临界结构，即精细结构，主要使用折射或折反射浸没系统生产，其以深紫外线范围(duv)的工作波长工作，特别是约193nm。到目前为止，最精细的结构是使用euv系统曝光。这些是仅使用反射部件构造的投射曝光装置，其以在约5nm和20nm之间的极紫外线范围(euv)内的工作波长操作，例如约13.4mm。

3、非临界结构，即较粗糙的结构，可使用更简单且更具成本效益的系统进行曝光。

4、为了生产典型结构尺寸明显大于150nm的中临界或非临界层，通常使用设计成用于工作波长在约280nm到约400nm的紫外线范围内的投射曝光装置来进行工作。在这个波长范围内，通常使用折射(折射式)投射镜头，由于其关于光轴的旋转对称性，很容易控制其生产。

5、工作波长为365.5nm±2nm的投射曝光装置(所谓的i-line系统)特别经常用于这些应用。其使用汞蒸气灯的i-线，借助于滤波器或以任何其他方式将其自然全带宽限制成较窄的使用带宽δλ，例如约4nm。投射时使用波段较宽的紫外线，使得投射镜头必须对色差进行较强的校正，以确保即使在宽带投射光的情况下也能在所追求的分辨率下实现低像差成像。为了获得足够的成像质量，必须特别校正纵向色差(chl)。

6、对于以宽带方式操作的折射投射镜头，具有足够不同色散特性的不同透镜元件材料用于颜色校正(即，为了校正色差)，所述透镜元件材料必须在投射镜头内分布到具有不同射线高度比的区域中。典型的i-线投射镜头中使用的透明材料具体包括：合成熔融石英(sio2)和特种玻璃，其由德国美因茨的肖特公司以品名fk5、lf5和llf1进行市售。在这些光学玻璃中，合成熔融石英和fk5玻璃是色散相对较低的玻璃(冕牌玻璃)的典型代表，而玻璃lf5和llf1则是色散比较高的玻璃(燧石玻璃)的典型代表。其他制造商为其玻璃类型提供不同的品名。

7、因此，在本发明中，由冕牌玻璃制成的透镜元件称为“冕牌玻璃透镜元件”并且由燧石玻璃制成的透镜元件也称为“燧石透镜元件”。

8、如前所述，至少最低阶的纵向色差，即所谓的“初级光谱”，必须在这些系统中得到完全校正。专业文献已经揭示如何借助于冕牌玻璃透镜元件和燧石透镜元件在光学成像系统中校正最低阶纵向色差，例如从volker witt的“wie funktionieren achromat undapochromat”，sterne und weltraum 10/2005，第72-75页(http://rohr.aiax.de/suw_2005_10_s072.pdf)。从该文献可明显看出，至少使用发散燧石透镜元件和会聚冕牌玻璃透镜元件是校正成像系统的纵向色差所必需的。

9、如果将此教导应用于投射镜头，可推断，利用使用至少一个正折射力的冕牌玻璃透镜和至少一个负折射力的燧石透镜的组合，可校正纵向色差。该透镜元件应配置在光学成像系统的成像边缘射线具有尽可能大的射线高度(marginal ray height)的区域中。通常，这是在系统光阑附近的光阑区域中的情况。

10、追踪折射i-线投射镜头的不同设计数量几乎是不可能的。专利文献us 6,806,942和us 5,930,049已揭示多个实例。

11、专利文献中已知的许多i-线投射镜头实例的共同点是，其中既没有指定玻璃的类型也没有指定玻璃的色散，只有设计表中出现了玻璃的主折射率。其中部分使用了许多具有不同折射率的非常不同玻璃。根据所用材料的折射率对系统进行分析，并假设折射率高的玻璃是类似燧石玻璃，而折射率较低的玻璃是类似冕牌玻璃。假设这种划分为冕牌玻璃和燧石玻璃是合理的，似乎可确认的是，为了校正纵向色差，在系统光阑附近系统使用了主要具有正折射率的冕牌玻璃透镜元件和至少一个具有更大负折射率的燧石透镜元件。

12、此外，可确定一趋势，其中许多分析的投射镜头包含许多具有高折射率的其他透镜元件(即，假定为燧石透镜元件)；例如，在专利文献us 5,930,049的投射镜头中的31个透镜元件中，只有8个透镜元件由较低折射率(n＝1.488)材料构成(可能是熔融石英；n365＝1.47455)，而其余23个透镜元件由较高折射率(n＝1.613)材料的制成(可能是lf5，n365＝1.619262)。

技术实现思路

1、本发明的一目的是提供一种投射镜头，一种投射曝光装置和一种投射曝光方法，其使用工作波长在大于280nm的紫外线范围内的uv辐射进行操作，特别是汞i-线的紫外线辐射，可实现高通量率。

2、为了解决这个问题，本发明提供了一种具有如权利要求1所述的特征的折射投射镜头。此外，提供具有如权利要求11所述的特征的投射曝光装置以及具有如权利要求14所述的特征的投射曝光方法。有利的改善结构在从属权利要求中说明。所有权利要求的用语通过援引并入说明书的内容中供参考。

3、根据所要求保护的本发明的用语，提供一种折射投射镜头，其实施为利用工作波长在大于280nm的紫外线范围内的电磁辐射将配置在投射镜头的物平面中的图案成像到投射镜头的像平面中。所有具有折射能力的光学元件都是透镜元件，即折射光学元件。换句话说。投射镜头仅包含透镜，且不包括具有光功率(optical power)的衍射光学元件(doe)。沿光轴将透镜配置在物平面和像平面之间，透镜整体实施以进行该成像。适合安装孔径光阑的光阑位置位于物平面和像平面之间，成像的主射线在光阑位置与光轴相交。所述透镜元件包含至少一个燧石透镜元件，其由具有相对较低阿贝数的第一材料制成；以及至少一个冕牌玻璃透镜元件，其由阿贝数高于第一材料的第二材料制成。至少一个具有正折射力的冕牌玻璃透镜和至少一个具有负折射力的燧石透镜元件，但不超过两个具有负折射力的燧石透镜元件配置在光阑位置周围的光阑区域中。

4、光阑区域的区别在于，成像的主射线高度crh和边缘射线高度mrh之间的射线高度比crh/mrh符合条件|crh/mrh|<1。因此，光阑区域是边缘射线高度大于主射线高度的区域。

5、因此，在光阑区域中配置不超过两个由第一材料制成的负透镜元件，除了至少一个由第二材料制成的正透镜元件之外，必须存在至少一个由第一材料制成的负透镜元件。

6、本发明特别基于以下考虑：镜头的各个透镜元件必须由燧石材料制造以校正通用成像光学系统的色差，例如投射镜头，特别是校正其纵向色差。然而，燧石材料具有许多不良特性。举例来说，燧石玻璃通常使得其所用光的透射率降低，这等同于增加吸收率。这可能会导致不需要的副作用，例如透镜加热和/或材料压实。此外，目前在365nm左右的波长范围透明的燧石材料都含有相当大比例的铅和其他重金属，因此只有获得特别授权才能使用这些玻璃。目前几乎没有等效的无铅替代玻璃。因此，相较于现有技术，开发使用更少燧石透镜元件的通用投射镜头是有利的。

7、在较大边缘射线高度的区域中的具有负折射力燧石透镜元件可以特别有效地有助于颜色校正，特别是校正纵向色差chl，因为对于第一近似，透镜元件的纵向色差chl与透镜元件位置处的边缘射线高度的平方成正比(与折射力成正比，与透镜元件的阿贝数成反比)。然而，本发明仅教导了减少这些校正构件的应用。

8、通过限制使用燧石透镜元件，相较于具有许多燧石透镜元件的传统系统，可增加总透射率，因此可能具有更高的生产率。此外，可降低透镜加热的趋势。

9、根据一发展，利用具有大于4:1的成像比例，即(|β|>0.25)的投射镜头，实现了获得广受欢迎优势的促成因素。举例来说，成像比例可以是2:1(|β|＝0.50)或更小，也可选择1:1(|β|＝1)。这种镜头的缩小比例并不像传统的i-线投射镜头那样显著，后者的缩小比例通常设计为4:1或5:1。该方法特别基于以下考虑：相较于具有更多减少量(|β|＝0.25或更小)的投射镜头，可增加系统通量。在几何光展量llw恒定的情况下，像侧数值孔径na和瑞利(rayleigh)单位会减少，因此景深范围会增加。因此，系统对纵向像差(例如散焦、像散或场曲)变得不敏感。在某些情况下，这可能可显著减少或完全免除匹兹伐和(petzval sum)的色差校正。进而，其直接影响了镜头内绝对必要的燧石透镜元件的数量，并且将该数量维持在相对较小。

10、几何光展量llw可定义为(无尺寸)物侧数值孔径nao与利用物场高度obh(以毫米为单位)参数化的物场尺寸的乘积，即llw＝|obh*nao|。

11、物场高度obh对应于物场半径，即，包围那些光学校正满足规范，亦即足够好的物场点的最小圆的半径。这个圆需要大到能包围有效物场。

12、在许多具体实施例中，尤其是在β＝-0.5的成像尺度的情况下，像侧数值孔径na小于0.4，优选应用条件0.1<na<0.4。

13、在许多具体实施例中，几何光展量llw至少为7mm，优选应用条件10mm<llw<18mm。

14、一些具体实施例的区别在于，其仅包含由燧石材料制成的单个负透镜元件，亦即只有具有负折射力的单个燧石透镜元件。因此，仅使用该校正器件的最小燧石透镜元件需要量。

15、在一些具体实施例中甚至是这种由燧石材料制成的负透镜元件是投射镜头中唯一的燧石透镜元件的情况，因此该投射镜头仅包含恰好一个燧石透镜元件。因此，将燧石材料的使用量减少到最低限度。

16、优选地，唯一的燧石透镜元件是双凹透镜元件。在双凹透镜元件的情况下，可以利用不太大的入射角实现大折射力(或曲面)。

17、优选地，所述光阑区域内设置有负折射力的单一燧石透镜元件，特别是在适用于射线高度比|crh/mrh|<0.5的条件的区域，甚至|crh/mrh|<0.2。在大边缘射线高度区域中的负折射力燧石透镜元件可以特别有效地有助于颜色校正，特别是纵向色差chl的校正，因为透镜的纵向色差chl与透镜所在位置的边缘射线高度的平方成正比(与透镜的折射力成正比，与透镜元件的阿贝数成反比)。因此明显促成校正色差，特别是纵向色差。

18、由燧石材料制成的所有透镜元件的具体实施例都是负透镜元件。还有一些具体实施例，其中没有提供由燧石材料制成的正透镜元件。也有一些实例，其中只提供恰好两个燧石透镜元件。

19、在通过在光阑区域使用至少一个具有负折射力的燧石透镜元件校正最低阶纵向色差(“初级光谱”)之后，场曲的色差仍然是限制色差。因此，使用至少一个由燧石材料制成的正透镜元件可能是有利的，特别是考虑到校正场曲的色差变化(chromatic variation)。

20、像场平坦化是对于具有大像场的投射镜头的光学质量的重要要求。为此的要求在于，投射镜头的匹兹伐和(petzval sum)尽可能小，特别是零。对于主要由某种材料(例如，冕牌玻璃，如fk5或合成熔融石英)构成的光学系统具有一些由第二材料制成的透镜元件(在本例中为燧石玻璃，例如lf5)，发明人发现可以推导出在每个材料组内应尽可能校正匹兹伐和的需求。如果仅使用由燧石玻璃制成的色散负透镜元件，则无法满足这一点。因此，一些具体实施例规定投射镜头包含至少一个由第一材料制成的具有正折射力的透镜元件(会聚透镜)，即至少一个正燧石透镜元件。这可使得匹兹伐和的色差变化足够小或消失。

21、使用由燧石材料制成的正透镜元件是利用由燧石材料制成的负透镜元件校正纵向色差chl的障碍。因此，应在射束路径中边缘射线高度较小的点使用正透镜元件，为了对纵向色差的校正做出些微贡献。这是在场平面的光学附近的情况，即，在物平面附近、在像平面附近，或者如果中间像在像平面与物平面之间产生，则在中间像平面的光学附近。优选地，在区域中配置由燧石材料制成的正透镜元件，该区域中成像的射线高度比|crh/mrh|大于0.5、或者大于0.7、或者大于1、或者大于2。

22、根据一种发展，投射镜头实施为单一束腰系统。这包含接近物平面的具有正折射力的第一透镜元件组；在第一透镜组之后具有负折射力的第二透镜元件组，用于在物平面和像平面之间的最小射线高度区域周围产生束腰；在第二透镜元件组之后具有正折射力的第三透镜元件组，位于第二透镜元件组与光阑位置之间；以及具有正折射力的第四透镜元件组，位于光阑位置与像平面之间。因此，可实现折射力序列p-n-p-p，其中“p”代表整体具有正折射力的透镜元件组，“n”表示整体为负折射力的透镜元件组。可将投射镜头实施成除了上述四个透镜元件组之外不存在另外的透镜元件组。接着，第一透镜元件组紧随物平面。

23、为了获得更高的数值孔径，若物平面与第一透镜元件组之间配置前负群组，该前负群组具有至少一个具有负折射力的透镜，可能是有利的。因此，折射力序列n-p-n-p-p是可实现的。如果将投射镜头设计为单一束腰系统，则在整体结构小型化的情况下有利于匹兹伐校正(petzval correction)。

24、一种具有特别实用特性的投射镜头的特征在于，投射镜头实施成具有折射力序列n-p-n-p-p的单一束腰系统，其像侧数值孔径na的范围是0.2<na<4、成像比例量级为2:1(|β|＝0.50)或更小、且几何光展量llw的范围是10mm<llw<18mm，并且该投射镜头仅包含具有负折射力的单一燧石透镜元件。

25、优选地，投射曝光装置，以及因此投射镜头也设计成用于在汞蒸气灯(中心工作波长约365.5nm，选择性具有数nm的受限带宽)的i-线处的辐射。i-线系统使用汞蒸气灯作为光源来工作，仅使用i-线辐射进行成像。特别为了这些强大的光源设置合适的透镜涂层和良好的光刻胶，因此在这方面有可能已建立在早期发展的基础上。然而，也可使用其他光源和/或其他uv工作波长。举例来说，可同时使用汞蒸气灯的两条或三条线(在约436nm、在约405nm和在约365nm处的g-线、h-线和i-线)，如果投射镜头以相应的宽带方式进行校正的话。或者，可使用例如约355nm的三倍频nd:yag激光器。再者，还有各种发射360与400nm之间波长的led光源。可选地，发射范围也可略微进行调整。