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WO2018184720A2 - Projektionsobjektiv, projektionsbelichtungsanlage und projektionsbelichtungsverfahren - Google Patents

Projektionsobjektiv, projektionsbelichtungsanlage und projektionsbelichtungsverfahren Download PDF

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WO2018184720A2
WO2018184720A2 PCT/EP2018/000145 EP2018000145W WO2018184720A2 WO 2018184720 A2 WO2018184720 A2 WO 2018184720A2 EP 2018000145 W EP2018000145 W EP 2018000145W WO 2018184720 A2 WO2018184720 A2 WO 2018184720A2
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lens
projection
positive
lenses
negative
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PCT/EP2018/000145
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Inventor
Alexander Epple
David Shafer
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Carl Zeiss Smt Gmbh
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Publication date
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Publication of WO2018184720A3 publication Critical patent/WO2018184720A3/de
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    • G03F7/70958—Optical materials or coatings, e.g. with particular transmittance, reflectance or anti-reflection properties

Definitions

  • the invention relates to a refractive projection objective for imaging a pattern arranged in an object plane of the projection lens into an image plane of the projection lens by means of electromagnetic radiation of a mercury vapor lamp, a projection exposure apparatus equipped with the projection lens, and a projection exposure method which can be performed with the aid of the projection lens.
  • masks for the manufacture of semiconductor devices and other fine-structured components, such as e.g. Photolithography masks, are nowadays predominantly used microlithographic projection exposure methods.
  • masks (reticles) or other pattern-generating means are used which carry or form the pattern of a structure to be imaged, e.g. a line pattern of a layer (layer) of a semiconductor device.
  • the pattern is positioned in a projection exposure apparatus between a lighting system and a projection lens in the region of the object plane of the projection lens and illuminated with a Beleuchtüngsstrahlung provided by the illumination system.
  • the radiation changed by the pattern passes through the projection lens as projection radiation, which images the pattern onto the substrate to be exposed.
  • the surface of the substrate is arranged in the image plane of the projection lens optically conjugate to the object plane.
  • the substrate is usually coated with a radiation-sensitive layer (resist, photoresist).
  • critical and uncritical structures typically divide into the exposure of critical and uncritical structures.
  • the difference between these applications can be characterized, among other things, by the typical structure widths and the requirements for exact positioning of the structures ("overlay").
  • Critical, ie fine, structures are currently produced predominantly with modern immersion systems that operate at working wavelengths in the deep ultraviolet (DUV) range, especially at about 193 nm. With immersion systems, image-side numerical apertures NA> 1 can be achieved.
  • critical structures will also be exposed to EUV systems. This is understood to mean only projection-type exposure devices constructed with reflective components which operate at a moderate numerical aperture with working wavelengths in the extreme ultraviolet range (EUV) between approximately 5 nm and 20 nm, for example at approximately 13.4 nm Purchase price.
  • EUV extreme ultraviolet range
  • Projection exposure equipment for a working wavelength of 365.5 nm ⁇ 2 nm (so-called i-line systems) in use. They use the i-line of a mercury-vapor lamp, with their natural full bandwidth being filtered by a filter or otherwise limited to a narrower bandwidth ⁇ , e.g. of about 4 nm.
  • the projection uses ultraviolet light of a relatively broad wavelength band, so that the projection lens has to perform a relatively large correction of color aberrations (chromatic aberrations) in order to ensure a defect-poor imaging even with a broadband projection light at the desired resolution.
  • i-line projection lenses different lens materials with sufficiently different dispersion properties are used for color correction (ie, correction of chromatic aberrations) which are appropriately distributed within the projection lens in regions of different beam height ratios to achieve color correction.
  • the transparent materials used in typical i-line projection lenses include in particular synthetic quartz glass (fused silica, Si0 2 ) as well as the specialty glasses marketed under the names FK5, LF5 and LLF1 by SCHOTT, Mainz, Germany.
  • the synthetic quartz glass and the glass FK5 are typical representatives for glasses with relatively small dispersion (crown glasses), while glasses LF5 and LLF1 are typical representatives of relatively large dispersion glasses (Flint glasses).
  • German Patent Application DE 102 21 386 A1 shows examples of downsizing three-shaft systems with NA> 0.6. These have three bellies, each with a total of positive refractive power and two waists within lens groups, each with a total negative Brecht force and use for color correction defined distributions of glasses of high dispersion and low dispersion glasses.
  • EP 1 855 160 A2 (corresponding to US 2008117400 A1) describes exemplary embodiments of catadioptric projection objectives which comprise a concave mirror which is arranged in the area of a pupil surface of the projection objective, wherein in the immediate vicinity of the concave mirror in a pupil near area of relatively large marginal ray heights a negative group with at least a negative lens is arranged.
  • An advantage of such systems is that it is possible in principle to realize a sufficient chromatic correction when using only a single lens material, for example Si0 2 .
  • the increased effort in the form of a catadioptric system can be evaluated.
  • the invention provides a refractive projection objective with the features of claim 1. Furthermore, a projection exposure apparatus with the features of claim 21 and a projection exposure method with the features of claim 24 are provided. Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
  • aberrations are simultaneously corrected for at least two of the three wavelength ranges of the emission lines of a mercury vapor lamp. These wavelength ranges have Center wavelengths at about 436 nm (g-line), about 405 nm (h-line) and about 365 nm (i-line).
  • a mercury-vapor lamp without spectral narrowing of the at least two emission lines used can be used for the exposure.
  • the light can be used by at least two of the spectral lines, it can be achieved that the amount of light in the system at the same power of the radiation source over a corrected only for the wavelength range of the i-line, pure i-line system increases significantly and thus the prerequisite for shorter exposure times and higher throughput.
  • the invention is based, inter alia, on the recognition that when imaging coarser structures, it may be useful to subordinate the imaging power (given, inter alia, by image-side numerical aperture NA and wavefront correction) to throughput (e.g., quantifiable in wafers / hour).
  • Reducing projection lenses i.e., reduction lenses
  • the projection lens may have a rectilinear (unfolded) optical axis and does not require curved mirrors.
  • Projection objectives according to the claimed invention have, apart from the lens groups mentioned (first to fourth lens group), no further lens groups, so that an optical basic structure results with the refractive power sequence "PNPP.”
  • P stands for a lens group with a total of positive refractive power and "N”.
  • the lenses form a local constriction or waist of the projection beam path in the region of the second lens group with a local minimum of the cross section of the projection beam path
  • the cross section of the projection beam path within the second lens group tapers to a local minimum and then increases again in the direction of the third lens group r power of refraction PNPP are also called “single-waist systems” designated.
  • the "waist” is preferably located in the object-side half of the projection objective, ie closer to the object plane than to the image plane This basic design has proved particularly advantageous with regard to the stated task.
  • the aberrations of the image are simultaneously corrected for wavelength ranges of at least two of the emission lines of the mercury vapor lamp.
  • corrected means that the correction state in the region of those emission lines for which the aberrations are corrected is sufficiently good for a defect-poor imaging of the relatively coarse structures to be imaged. also mean that the "Strehl's definition brightness is above 95% and / or that the wavefront correction is better than 35".
  • the correction state outside of those wavelength ranges for which the correction is optimized may be significantly worse. This is uncritical for the imaging performance insofar as the mercury vapor lamp emits an approximately discontinuous spectrum and thereby contributes only relatively little radiant energy to the overall image in the worse or uncorrected regions outside the considered emission lines. Although filtering in the spectral regions between the emission lines is possible, it can be omitted.
  • a bandpass filter may be provided which reads all used emission lines and blocks spectral regions below the lowest used wavelength and above the highest used wavelength.
  • a sufficient correction state in the wavelength ranges of the at least two emission lines can be present, in particular, if a polychromatic RMS value of the wavefront aberration in the vicinity of the spectral lines under consideration is not more than approximately 20 mA, if appropriate also below this, for example at 15 nm or less.
  • the projection lens may e.g. be corrected simultaneously for the i-line and the h-line, or simultaneously for the h-line and the g-line, or simultaneously for the i-line and the g-line, wherein in each case for the third of the emission lines of the correction state substantially is worse.
  • the projection lens can be called achromatic.
  • Preferred embodiments are characterized in that first and second lenses are combined in such a way that aberrations of the imaging are simultaneously corrected for wavelength ranges of three emission lines of the mercury vapor lamp at approximately 365 nm, approximately 405 nm and approximately 436 nm.
  • a mercury vapor lamp without spectral narrowing of the three emission lines can be used for the exposure.
  • the amount of light in the system at the same lamp power over a pure i-line system and also with respect to an apochromatic system, which is corrected for only two of the three emission lines increases significantly. This creates good conditions for achieving shorter exposure times and higher throughput.
  • Projection objectives according to the claimed invention are designed as reduction lenses for imaging the pattern of a reticle or another pattern generation device arranged in the object plane into the image plane on a reduced magnification.
  • This makes it possible to use reticles or other pattern-generating devices whose structures are coarser than the structures to be produced on the exposed substrate.
  • the costs for the production of reticles can thereby be kept moderate.
  • the magnification is 1: 4 or less.
  • the magnification may, for example, be 1: 4 (
  • 0.25) or 1: 5 (
  • 0.2) or less. It is advantageous if the projection lens is designed so that it can be operated with conventional reticles, which can also be used for example by means of conventional i-line systems.
  • the projection lens is designed so that the image is corrected for an effective image field having an image height of 21 mm or more.
  • This makes it possible, in semiconductor production, to expose individual "dies" with standard sizes of approximately 26 mm ⁇ 33 mm in a single exposure step in a step-and-repeat method, ie without scanning.
  • greater than 25 mm or greater than 30 mm is not required in preferred applications and is not provided for most projection objectives in accordance with the claimed invention, thereby reducing the technological burden of correcting critical aberrations, such as field curvature correction. Petzval correction).
  • the chromatic correction can be influenced particularly strongly in the case of a targeted use of achromatizing positive-negative doublets in the area around the diaphragm position.
  • the type and distribution of lenses in a diaphragm area around the diaphragm position in which the condition CRH / MRH ⁇ 0.3 applies to a ratio between a main beam height CRH and a marginal beam height MRH of the imaging.
  • a plurality of positive-negative doublets having a positive lens (condenser lens) of a second material (relative crown material) and a negative lens (diverging lens) of a first material (relative flint material) are disposed within the diaphragm region.
  • Such positive-negative doublets are referred to here as Achromat Doublet because of the achromatizing effect.
  • the aperture position is usually at or near the only pupil plane of the projection lens, which is located between the object plane and the image plane where the main beam of the image crosses the optical axis.
  • the diaphragm region extends from the image-side end region of the third lens group into the object-side input region of the fourth lens group and, to that extent, comprises lenses which are arranged in an optically relatively close to the pupil plane.
  • three, four or five positive-negative doublets with a positive lens made of a second material and a negative lens made of a first material are arranged within the diaphragm region.
  • Some or all of the positive-negative doublets in the aperture area can follow one another directly without the intervention of additional lenses. It has been found that the correction of the longitudinal chromatic aberration, in particular of the secondary spectrum, is promoted by such a massive use of achromatizing positive-negative doublets.
  • the second material is calcium fluoride (CaF 2 ) or another second material (relative crown material) having an abnormal partial dispersion in the range of working wavelengths.
  • Lens materials with abnormal partial dispersion or abnormal dispersion are lens materials with unusual dispersion. This means, in particular, that the course of the refractive index over the wavelength of the radiation used in the observed wavelength range deviates significantly from that of most other lens materials.
  • the positive lens consists of calcium fluoride (as a relative crown material) and the negative lens of synthetic quartz glass (as a relative flint material).
  • the synthetic quartz glass which acts as a relative crown material in combination with typical flint glasses, acts as a relative flint material.
  • an asymmetrical distribution of positive-negative doublets is provided within the diaphragm region.
  • the number of positive-negative doublets within the fourth lens group i.e., between aperture position and image plane
  • a positive lens of a first material is disposed in the vicinity of the image plane in a region of a small peripheral beam height.
  • the condition CRH / MRH> 0.4 apply.
  • This condenser lens can e.g. be one of the last three lenses of the projection lens in front of the image plane.
  • the converging lens preferably has a convexly curved entrance surface and a concave exit surface, which may be advantageous in view of low angles of incidence at the lens surfaces in the region near the image plane.
  • the converging lens of relative flint material is the last refractive lens in front of the image plane.
  • the positive lens would be exposed to strong radiation exposure. Since many relative flint materials suitable for the condenser lens show an inclination to Jens heating, preferably an optical free diameter of the condenser lens at the entrance surface and the exit surface should be greater than at a lens with minimum optical free diameter within the projection lens. As a result, the radiation load of this converging lens can be limited.
  • a single lens of synthetic quartz glass is disposed between the condenser lens and the image plane.
  • This material is relatively resistant to Jens heating "and can therefore be used in areas of high radiation exposure without substantial disadvantages for the imaging performance
  • a plurality of the lenses are designed as aspherical lenses with at least one rotationally symmetric aspheric optical surface (lens surface). It can e.g. be provided five, six, seven, eight, nine or ten aspherical lenses.
  • at least 80% of the aspherical lenses are made of synthetic quartz glass.
  • 90% or more or all of the aspherical lenses may be made of synthetic quartz glass. This embodiment is based on the recognition that the production of aspherical surfaces is much more technologically complicated and quality-critical than the production of spherical lens surfaces. If care is taken to use particularly good machinable materials, in particular synthetic quartz glass, as a support for the aspherical surfaces, it is possible to achieve effective correction of wavefront aberrations by means of aspherical surfaces with well controllable manufacturing technologies.
  • the second lens group may for example consist exclusively of negative lenses, for example exactly three negative lenses.
  • a positive lens is disposed in the second lens group between an object-side first negative lens and an image-side second negative lens. This can help correct aberrations.
  • the positive lens is made of synthetic quartz glass, which among other things, achieves that the design can be relatively insensitive to lens heating. It is also possible that the positive lens consists of a first material, ie a relative flint material. In this way, in particular the chromatic correction can be supported.
  • the first lens group can be designed, for example, to make a relatively large contribution to the adjustment of the field size, to the correction of the distortion as well as to the optimization of the telecentricity of the projection objective.
  • a positive-negative doublet having a positive lens of a first material and a negative lens of a second material is disposed in the first lens group.
  • the positive-negative doublet can be arranged between the object plane and a region of maximum marginal ray height within the first lens group (LG), ie optically close to the object plane.
  • LG maximum marginal ray height within the first lens group
  • Such a doublet may be provided immediately following the object plane.
  • the positive lens can be arranged on the object side of the negative lens, ie closer to the object plane. It is assumed that the doublet contributes to correcting the distortion as well as the chromatic variation of the Petzval sum by the Flint positive lens (in analogy to the penultimate lens).
  • a positive-negative doublet having a positive lens made of a second material and a negative lens made of a first material is arranged in the first lens group.
  • This positive-negative doublet can be arranged between the object plane and a region of maximum marginal ray height within the first lens group, ie relatively close to the object plane in the region of divergent radiation.
  • the negative lens can be arranged on the object side of the positive lens, ie closer to the object plane.
  • the positive-negative doublet can directly follow the object plane. It is also possible that between the object plane and the positive-negative doublet a refractive power-weak lens, such as a thin meniscus lens, is arranged.
  • An object-oriented positive-negative doublet with a diverging lens of relative flint material and a converging lens of relative crown material provides a reticle-near achromatic with which a chromatic overcorrection can be introduced, which counteracts a chromatic under-correction by the other lenses of the system and favorable the correction of the longitudinal chromatic aberration of the pupil image.
  • PNPP refractive projection objective of said structure
  • a correction of the i-line and the h-line would be detected.
  • a mean wavelength of 420 nm for example, a correction of the g-line and h-line would be recorded.
  • condition ⁇ / ⁇ > 0.1 can apply here.
  • a mean wavelength of e.g. 400 nm would thus be a regular correction of the i-line, the h-line and the g-line recorded.
  • the invention also relates to a projection exposure apparatus for exposing a radiation-sensitive substrate arranged in the region of an image plane of a projection lens to at least one image of a pattern of a mask arranged in the region of an object plane of the projection lens, comprising: a primary radiation source in the form of a mercury vapor lamp for emitting primary radiation; an illumination system for receiving the primary radiation and for producing an illumination radiation directed onto the mask; and a projection objective for generating at least one image of the pattern in the region of the image plane of the projection objective, wherein the projection objective is designed according to the invention.
  • the mercury vapor lamp is not associated with a filter for limiting the spectral narrowing of the bandwidth of one of the emission lines, so that a simplified structure results in the region of the light source.
  • the projection exposure apparatus can be designed as a wafer stepper for a step-and-repeat process, so that devices for generating synchronized scanning movements of mask and substrate can be dispensed with.
  • the invention also relates to a projection exposure method for exposing a radiation-sensitive substrate arranged in the region of an image plane of a projection lens to at least one image of a pattern of a mask arranged in the region of an object plane of the projection lens by means of electromagnetic radiation Mercury vapor lamp.
  • a projection lens according to the invention is used. With a sufficiently large effective image field, individual dies of the substrate can be exposed in a step-and-repeat process without scanning by means of light from two or three emission lines of the mercury vapor lamp at approximately 365 nm, approximately 405 nm and approximately 436 nm. whereby a high throughput per unit time can be realized.
  • Fig. 1 is a graph showing Abbe numbers and refractive indices of lens materials for the wavelength range of emission lines of a mercury vapor lamp;
  • FIG. 2 shows a schematic meridional lens section of a projection objective according to a first embodiment
  • Fig. 3 shows in Figs. 3A to 2D diagrams for explaining the correction state and the imaging performance of the embodiment of Fig. 1;
  • FIG. 4 shows a schematic meridional lens section of a projection objective according to a second embodiment
  • Fig. 5 is a graph showing the correction state and the imaging performance of the embodiment of Fig. 4 in Figs. 5A to 5D;
  • FIG. 6 shows a schematic meridional lens section of a projection objective according to a third embodiment
  • Fig. 7 shows in Figs. 7A to 7D diagrams for explaining the correction state and the imaging performance of the embodiment of Fig. 6;
  • Fig. 8 shows in the upper part of the figure the embodiment of Fig. 6 and in the lower part of the figure schematic beam paths for explaining the chromatic correction of the pupil image;
  • FIG. 9 shows a schematic meridional lens section of a projection objective according to a fourth embodiment
  • Fig. 10 is a diagram showing the correction state and the imaging performance of the embodiment of Fig. 9 in Figs. 10A to 10D;
  • Fig. 1 1 shows a schematic representation of a projection exposure apparatus according to an embodiment.
  • Chromatic aberrations are aberrations of optical systems caused by the fact that the refractive index n of transparent optical materials varies as a function of the wavelength ⁇ . This dependence ⁇ / ⁇ is called a dispersion of the optical material. In general, the refractive index of optical materials is greater for shorter wavelengths than for longer wavelengths.
  • Chromatic aberrations can be divided into different categories.
  • a first category of chromatic aberrations takes into account the fact that for each wavelength in the paraxial region (on the optical axis) a separate image is generated and that these images can vary in their position along the optical axis, their shape and / or their size.
  • Chromatic aberrations of the first category include chromatic longitudinal aberration CHL (axial chromatic aberration, axial color, AX) and chromatic aberration difference CHV (chromatic difference of magnification, lateral color LAT).
  • the longitudinal chromatic aberration is the longitudinal aberration of the image position or the paraxial focus position with the wavelength. If the refractive index is greater for shorter wavelengths than for longer wavelengths, the shorter wavelengths will be at each optical wavelength Broken surface more so that, for example, in a simple positive lens, the rays of relatively shorter wavelength are brought together in a focus position closer to the lens than the focus of the relatively longer wavelength.
  • the paraxial distance along the optical axis of the lens between the two focus points is the longitudinal chromatic aberration.
  • the longitudinal chromatic aberration is commonly referred to as "undercorrected" or "negative".
  • chromatic aberration difference can be quantified by the distance between the paraxial image heights of the different wavelengths.
  • the chromatic variation of the refractive index can also cause variations in monochromatic aberrations, which can be summarized in a second category of chromatic aberrations. These include, for example, the chromatic variation of the spherical aberrations, the chromatic aberration of the field curvature, etc.
  • chromatic aberrations can be characterized using the focus positions for the different wavelengths along the optical axis for three wavelengths within the spectral bandwidth.
  • the three wavelength components have the wavelengths ⁇ , ⁇ 2 and ⁇ 3 , where ⁇ ⁇ 2 ⁇ 3 .
  • the size of the longitudinal chromatic aberration CHL then corresponds to the maximum length of the focus area along the optical axis, in which the different wavelengths are focused. Typically, one of the wavelengths will be focused closer to the imaging system than the other wavelengths.
  • the distance between the nearest and farthest focus positions of the wavelengths corresponds to the magnitude of the longitudinal chromatic aberration of the broadband light source imaging system.
  • the focus position of the central wavelength ⁇ along the optical axis may be regarded as the image plane within the focus area.
  • this situation is also described as having a "primary spectrum.”
  • a primary spectrum By combining collecting and dispersing lenses made of different optical materials with different dispersion, it is often possible to correct the primary spectrum it is possible to correct the longitudinal chromatic aberration so that the focal planes coincide for two different wavelengths on the optical axis If the primary spectrum is corrected, for example, the wavelengths ⁇ and ⁇ 3 can be focused in a common axial position are also referred to in this application as "Achromat".
  • the secondary spectrum can also be selected by suitable choice of optical materials, lens dimensions, spacings and powers, etc. If necessary, the secondary spectrum can be corrected to such an extent that the focus position of all three wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3 lies at the same axial position within the wavelength range under consideration Spectrum is corrected, is referred to in this application as "Aprochromat".
  • the longitudinal chromatic aberration becomes very small for two wavelengths that are at a distance from each other (possibly down to zero).
  • the longitudinal chromatic aberration becomes very low at three spectrally spaced wavelengths (possibly down to zero).
  • the Abbe number v allows characterization of the dispersion properties of a material in a wavelength range of interest.
  • ⁇ ( ⁇ 2-1) / ⁇ - ⁇ 3 )
  • ni, n 2 and n 3 are the refractive indices of the material at the wavelengths ⁇ 2 and A 3 and Ki ⁇ k 2 ⁇ k z .
  • the Abbe number is sometimes referred to as "reciprocal relative dispersion”.
  • Lens materials for working wavelengths at emission lines of a mercury vapor lamp can be divided into three different groups depending on their refractive index and their Abbe number (see Fig. 1).
  • the materials in Group A have typical refractive indices in the range of 1.46 to 1.56.
  • the materials of group A include synthetic quartz glass (Si0 2 ) and various borosilicate glasses, such as BK7 glass or glasses K5, K7 or FK5.
  • a second group, designated Group B comprises materials with Abbe numbers greater than 70.
  • Some materials in Group B such as crystalline calcium fluoride (fluorspar or CaF 2 ), have a refractive index of less than 1.46.
  • a third group, designated Group C comprises materials with Abbe numbers less than 40.
  • the Group C materials have refractive indices of greater than about 1.56.
  • the materials of group C include i.a. typical flint glasses, e.g. LLF-6 glass, LLF-1 glass or LF-5 glass. These can be assigned to a subgroup C1 whose materials have a refractive index up to a maximum of 1.62.
  • a subgroup C2 of this group C includes very high refractive index materials greater than about 1.62. These include e.g. High index flint glasses like N-KZFS4.
  • an optical system should have lenses of at least two different dispersion or Abbe number materials.
  • first optical elements of a first material of relatively low Abbe number and second optical elements of a second material should be combined with respect to the first material of higher Abbe number.
  • first materials having a relatively low Abbe number are also referred to as "relative flint material” and second materials having a relatively higher Abbe number are also referred to as "relative crown material”.
  • Group B lens materials are typically used as relative crown materials.
  • Group C lens materials are typically used as relative flint materials.
  • Group A lens materials may function in combination with a Group C material as a relative crown material and in combination with a Group B material, as a relative flint material.
  • synthetic quartz glass Si0 2
  • group C material eg, LF5, LLF1, LLF6
  • synthetic quartz glass is combined with a group B material, for example CaF 2 , then synthetic quartz glass acts as a relative flint material.
  • optical axis denotes a straight line through the centers of curvature of the curved lens surfaces.
  • the object in the examples is a mask (reticle) with the pattern of an integrated circuit, it can also be another pattern,
  • the image is projected on a wafer provided with a photoresist layer which serves as a substrate, but other substrates such as elements for liquid crystal displays or substrates for optical gratings are also possible.
  • a main ray CR is a ray which runs parallel or at an acute angle to the optical axis from an edge point of the object field and which intersects the optical axis in the region of a pupil plane.
  • An edge beam MR in the sense of the present application leads from the center of the object field to the edge of the aperture diaphragm. The vertical distance of these rays to the optical axis gives the corresponding beam height.
  • FIG. 2 shows a schematic meridional lens section of a first exemplary embodiment of a refractive projection objective 200 with selected beam bundles for clarification of the imaging beam path or projection beam path of the projection radiation that passes through the projection objective during operation.
  • the projection objective is provided as a reducing imaging system for a reduced-scale pattern of a mask arranged in its object plane OS. wise in the scale 4: 1, on its aligned parallel to the object plane image plane IS directly, ie without generating an intermediate image to map.
  • the only pupil plane PUP of the imaging system is where the main beam CR of the optical image intersects the optical axis OA.
  • the aperture stop AS of the system is attached.
  • the position suitable for attaching the aperture diaphragm is therefore also referred to here as the diaphragm position BP.
  • a diaphragm region BB extends around the diaphragm position, in which the condition CRH / MRH ⁇ 0.3 applies to a beam height ratio between the main beam height CRH and the boundary beam height MRH of the imaging.
  • the marginal beam height is thus relatively large compared to the main beam height.
  • the optical structure can be characterized as follows.
  • a first lens group LG1 with positive refractive power and a total of six lenses L1 to L6 Immediately following the object plane OS is a first lens group LG1 with positive refractive power and a total of six lenses L1 to L6.
  • the first lens group collects the rays coming from the field points of the object plane and thereby forms a belly in the projection beam path.
  • a second lens group LG2 with negative refractive power follows.
  • This second lens group comprises the three lenses L7, L8 and L9 and generates in the projection beam path a waist around a local minimum of the edge beam height between the object plane OS and the image plane IS.
  • a third lens group LG3 with positive refractive power and a total of seven lenses L10 to L16.
  • the lenses of the third lens group are arranged between the second lens group LG2 and the diaphragm position suitable for mounting an aperture diaphragm AS.
  • the fourth lens group LG4 Between the diaphragm position and the image plane IS there is a fourth lens group LG4 with a total of positive refractive power.
  • the fourth lens group comprises nine refractive lenses L17 to L26 and a thin plane plate L27 immediately in front of the image plane IS.
  • the lenses L2, L4, L5, L7, L8, L9, L12, L20, L24, L26 and L27 are made of synthetic quartz glass (Si0 2 ), that is, a group A material in Fig. 1 having an Abbe number of v ⁇ 60.
  • the lenses L10, L1 1, L13, L15, L17, L19, L21 and L22 are made of calcium fluoride (CaF 2 ), ie a group B crystalline lens material in FIG
  • the lens L1, L3, L6, L23 and L25 are made of the lens material designated LLF1, that is, a group C lens material or subgroup C1 having a relatively small Abbe number of v « 36.
  • the lenses L16 and L18 consist of the lens material designated N-BK7, that is to say group A lens material in FIG. 1 having an Abbe number of v « 56.
  • the lens L14 is made of a lens material called LF5, So a lens material of the group C or the subgroup C1 in Fig. 1 with a relatively low Abbe number of - 31.
  • the lenses thus include first lenses of a first material of relatively low Abbe number and second lenses of a second material with respect to the first material of higher Abbe number.
  • the first material is referred to here as “relative flint material”, the second material as “relative crown material”.
  • the first and second lenses are combined such that aberrations of the image are simultaneously corrected for wavelength ranges of all three emission lines of a mercury vapor lamp. The imaging performance will be explained later with reference to FIGS. 3A to 3D.
  • achromatic doublet is a positive-negative doublet having a positive lens of a second material (relative crown material) and a negative lens of a first material (relative flint material).
  • a total of five positive-negative doublets are arranged in the aperture area BB, namely the lens pairs L11 / L12, L13 / L14, L15 / L16, L17 / L18 and L19 / L20.
  • a biconvex positive lens of a relative crown material is paired with a subsequent negative lens (either biconcave or as a meniscus lens) of a relative fl uid material.
  • all biconvex positive lenses of the positive-negative doublets consist of calcium fluoride, ie a group B relative crown material.
  • the biconcave negative lenses L12 and L20 are made of synthetic quartz glass, while the biconcave negative lenses L16 and L18 consist of N-BK7.
  • calcium fluoride acts as a material with an abnormal partial dispersion and can be in the specified wavelength range, for example, with N-BK7 pair such that the secondary spectrum is corrected precisely for the three wavelength ranges considered here of the g, h and i lines of the mercury vapor lamp.
  • the positive-negative doublet L13 / L14 uses a negative meniscus lens L14 made of the relative flint material LF5 (a material of group C).
  • Petzval sum P is given by the power of refraction ⁇ of the lens divided by its refractive index n :
  • the change in the Petzval contribution of a lens is therefore proportional to the change in the refractive index (dispersion). Accordingly, the contribution of the negative (overcorrecting) flint lenses to the Petzval sum increases more than that of the positive (undercorrecting) crown lenses. As a consequence, the Petzval sum will vary with wavelength.
  • This undesirable effect is counteracted in the exemplary embodiment by replacing collecting lenses (positive lenses) with lenses made of a relatively flint material at those points within the projection lens where they have little effect on the longitudinal chromatic aberration.
  • Such areas are characterized by relatively low marginal ray heights and are therefore either relatively close to the object plane or close to the image plane.
  • a high-refractive, collecting positive lens is located from a relative flint material, namely the penultimate refractive positive meniscus lens L25, which consists of LLF1 (a group C1 material).
  • the area between the collecting flint lens L25 and the image plane becomes a larger part with a low-power lens from a lens heating resistant lens material filled, in the example by a thick lens L26 made of synthetic quartz glass.
  • the first lens group LG1 there are two collecting flint lenses, ie positive lenses made of a relative flint material, namely the lenses L1 and L3. These collecting flint lenses in the front part of the projection lens mainly correct the chromatic transverse aberration (CHV).
  • CHV chromatic transverse aberration
  • FIG. 3 the imaging performance of the viewed projection lens is shown.
  • Figure 3A top left
  • the RMS value of the wavefront aberration is plotted versus wavelength for four field points (midfield, half field, 87% field height, and field cap). It can be seen that the wavefront aberration in the vicinity of the considered spectral lines is at most about 15 ⁇ m to 18 ⁇ m and is therefore sufficiently corrected for the application in the foreseeable future.
  • the next characteristic is that the deviation from the telecentricity at all field points depends strongly on the wavelength.
  • the main ray of the field edge diverges at the reticle (in the object plane) at short wavelengths (negative entrance pupil position) while converging towards the optical axis at long wavelengths (positive entrance pupil position).
  • the CaF 2 close to the diaphragm can also be replaced by another suitable material of group B with anomalous partial partial dispersion, for example by N-FK51, S-FPL51 or S-FPL53.
  • FIG. 4 shows a schematic meridional lens section of a second exemplary embodiment of a refractive projection objective 400.
  • the sequence of lens groups and powers is the same as in the first embodiment, for which reason reference is made to the description there.
  • achromatizing positive-negative doublets with a positive lens of relative crown material (in the example calcium fluoride) and a subsequent negative lens of relatively flat flint material, namely the lens pairs L12 / L13, in the projection objective 400 , L14 / L15, L16 / L17, L18 / L19 and L20 / L21.
  • the negative-meniscus lens L15 of the second positive-negative doublet is made of LLF1 rather than LF5.
  • the LF5 used in the first embodiment is more favorable in terms of the correction of the chromatic aberrations, it has a much higher sensitivity to lens heating.
  • the second embodiment is more stable to aberrations caused by lens heating.
  • a collecting quartz glass lens L8 object-side concave positive meniscus lens
  • the second lens group LG2 acting overall with negative refractive power has a relatively stable lens material in the region of smallest edge beam heights, which lens lens is relatively stable in combination with the other lenses (negative lenses) of the second lens group LG2 further supports the correction of aberrations.
  • FIG. 5 in the subfigures 5A to 5D, the parameters characteristic of the imaging performance are plotted in an analogous manner as in FIG. 3. It can be seen that in particular the RMS value of the wavefront correction (FIG. 5A) and the main beam distortion (FIG 5B) have slightly improved over the first embodiment.
  • FIG. 6 shows a schematic meridional lens section of a third exemplary embodiment of a refractive projection objective 600, which can be regarded as a modification of the first and second exemplary embodiments.
  • the basic structure with the sequence of lens groups and powers (power of refraction PNPP) and the design as a waist system are clearly visible.
  • the entrance pupil of a projection objective is the image of the system stop (defined by the aperture stop AS) in the object space.
  • This image is made primarily by the lenses between the object plane OS and the diaphragm position, in which the main beam (corresponding to the marginal ray of the pupil image) has a relatively large beam height.
  • the main beam corresponding to the marginal ray of the pupil image
  • FIG. 8 shows schematically in the lower part of Fig. 8. If one now considers the illustration more precisely, it can be seen that the main beam CR is imaged by the plurality of converging lenses within the first lens group LG1 in a subcorrected manner into the object space.
  • a slightly dissipative positive-negative doublet (lenses L1 and L2) is arranged, in which the negative lens (diverging lens) is made of a relative crown material (K) and the positive lens (positive lens) is made of a relative flint material (F) exists.
  • This achromatic doublet (ie this achromatic positive-negative doublet) leads to a further, distinct chromatic under-correction of the pupil image.
  • the longer wavelength principal ray (symbol r in Fig. 8) in the object space will cause a real entrance pupil position, while the shorter wavelength principal ray (symbol b in Fig. 8) will cause a virtual entrance pupil position.
  • this chromatic variation is to be corrected, it should be overcorrected chromatically in the vicinity of the object plane.
  • This can be realized by using a doublet in optical proximity to the object plane, which has a relative flint material in the diverging lens and a relative crown material in the condenser lens.
  • FIG. 9 shows a meridional lens section through a projection objective 900 according to a fourth embodiment.
  • the first lens group LG1 consists of a total of six lenses L1 to L6.
  • the second lens group LG2 consists of five lenses L7 to L11.
  • the third lens group consists of four lenses L12 to L15.
  • the fourth lens group LG4 consists of the lenses L16 to L28.
  • a positive lens L9 is made of a relative flint material of the group C, namely LF5.
  • a relatively cheaper crown material lens for example Si0 2
  • this possible advantage is omitted here, as this lens makes a strong contribution to the chromatic correction of the Petzval sum can be, by providing relatively high Flintbrechkraft with small marginal beam height.
  • FIG. 10 the imaging performance of the fourth embodiment with reference to the sub-figures 10A to 10D in an analogous manner to FIGS. 3, 5 and 7 is shown. It can be seen that, in particular in the case of the chromatic variation of the telecentricity deviation (FIG. 10C), clear improvements result compared to the other exemplary embodiments.
  • group A lens materials such as N-BK7 and / or N-FK5 and / or synthetic silica glass (Si0 2 ) in diverging lenses within the aperture region (as a relative flint material) appears advantageous.
  • group A lens materials such as N-BK7 and / or N-FK5 and / or synthetic silica glass (Si0 2 ) in diverging lenses within the aperture region (as a relative flint material) appears advantageous.
  • Si0 2 or N-FK5 as flint material is possible, but offers less possibilities in terms of chromatic correction than the material N-BK7 of the same group with higher refractive index.
  • a relative flint material of group C e.g., LF5
  • a relative flint material of group C e.g., LF5
  • flint lenses For relatively small free optical diameter lenses, i. for lenses with relatively high radiation exposure per unit area, flint lenses should be avoided if possible because of the risk of lens heatings or the risk of radiation-induced refractive index changes (compaction). In particular, in the immediate vicinity of the image plane, it is possible, as far as possible, to resort to a material which is resistant to lens heating, for example synthetic quartz glass.
  • aspheric lenses Through the use of aspheric lenses, the wavefront correction can be strongly supported without significantly increasing the number of lenses. As far as possible, aspheric surfaces should be applied to synthetic quartz lenses for technological reasons. It is possible in the context of inventive solutions to manufacture all aspherical lenses made of synthetic quartz glass.
  • FIG. 11 shows an example of a microlithography projection exposure apparatus WST which can be used in the production of semiconductor components and other finely structured components and for obtaining resolutions down to fractions of a micron with light or electromagnetic radiation from the ultraviolet region (UV) and Visible area (VIS) works.
  • the primary radiation source or light source LS is a mercury vapor lamp.
  • An illumination system ILL connected downstream of the light source LS generates in its exit surface ES a large, sharply delimited and substantially homogeneously illuminated illumination field, which is adapted to the telecentricity requirements of the projection objective PO arranged behind the light path.
  • the illumination system ILL has facilities for setting different illumination modes (illumination settings) and can be switched, for example, between conventional on-axis illumination with different degree of coherence ⁇ and off-axis illumination.
  • Those optical components which receive the light from the light source LS and form illumination radiation from the light which is directed onto the reticle M belong to the illumination system ILL of the projection exposure apparatus.
  • a device RS for holding and manipulating the mask M is arranged such that the pattern arranged on the reticle lies in the object plane OS of the projection objective PO, which coincides with the exit plane ES of the illumination system and here also referred to as reticle plane OS becomes.
  • Behind the reticle plane OS follows the projection objective PO, which acts as a reduction objective, and an image of the pattern arranged on the mask M in a reduced magnification, for example at a scale of 1: 4 (
  • 0.25) or 1: 5 (
  • 0.20 ) is imaged onto a substrate W coated with a photoresist layer or photoresist layer whose photosensitive substrate surface SS lies in the region of the image plane IS of the projection objective PO.
  • the projection objective PO acts as a reduction objective
  • 0.25) or 1: 5 (
  • 0.20 ) is imaged onto a substrate W coated with a photoresist layer or photoresist layer whose photosensitive substrate surface SS lies in the region of the image plane IS of the projection objective PO.
  • the substrate to be exposed which in the exemplary case is a semiconductor wafer W, is held by means WS, which is also referred to as "wafer stage".
  • the illumination field generated by the illumination system ILL defines the effective object field OF used in the projection exposure. This is rectangular in the example case, has a height A * measured parallel to the y-direction and a width B * ⁇ A * measured perpendicular thereto (in the x-direction).
  • the aspect ratio AR B * / A * is approximately 26/33.
  • the effective object field is centered on the optical axis (on-axis field).
  • the field size of the image field is approximately 26 x 33 mm, so that a complete "die" can be exposed in a single exposure step without scanning
  • the term "die” in semiconductor and microsystems technology refers to a single unhoused piece of semiconductor wafer. Accordingly, the projection exposure apparatus is designed for a step-and-repeat process as a wafer stepper. Devices for carrying out scanning operations for the exposure of a die can be dispensed with.
  • the part of the spectrum of the mercury vapor lamp including the g-line, h-line and i-line can be used for exposure without spectral narrowing of the three emission lines used. Therefore, corresponding restriction devices, such as e.g. Filter, be waived.
  • the radius r 0 (in the column “RADIUS”) corresponds to a plane
  • the reciprocal (1 / r) of the radius indicates the area curvature and h the distance of a surface point from the optical axis (i.e., the beam height).
  • p (h) gives the arrowhead, i. the distance of the surface point from the surface apex in the z-direction (direction of the optical axis).
  • K, C1, C2, ... are given in the tables with the suffix "A".
  • the object height is 84 mm in all exemplary embodiments, which corresponds to a picture height of 21 mm for a reproduction scale of 4: 1.

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Abstract

Ein Refraktives Projektionsobjektiv (PO) zur Abbildung eines in einer Objektebene (OS) des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in eine Bildebene (IS) des Projektionsobjektivs mittels elektromagnetischer Strahlung einer Quecksilberdampflampe (LS) hat eine Vielzahl von Linsen, die entlang einer optischen Achse (AX) zwischen der Objektebene (OS) und der Bildebene (IS) angeordnet und derart ausgebildet sind, dass ein in der Objektebene angeordnetes Muster (PAT) mittels der Linsen in einem verkleinernden Abbildungsmaßstab in die Bildebene abbildbar ist. Die Linsen weisen erste Linsen aus einem ersten Material mit relativ niedriger Abbe-Zahl und zweite Linsen aus einem zweiten Material mit relativ zu dem ersten Material höherer Abbe-Zahl auf. Das Projektionsobjektiv weist ausschließlich die folgenden Linsengruppen auf: eine der Objektebene (OS) folgende erste Linsengruppe (LG1) mit positiver Brechkraft; eine der ersten Linsengruppe (LG1) folgende zweite Linsengruppe (LG2) mit negativer Brechkraft zur Erzeugung einer Taille um einen Bereich minimaler Randstrahlhöhen zwischen der Objektebene und der Bildebene; eine der zweiten Linsengruppe (LG2) folgende dritte Linsengruppe (LG3) mit positiver Brechkraft zwischen der zweiten Linsengruppe und einer zur Anbringung einer Aperturblende (AS) geeigneten Blendenposition (BP); und einer vierten Linsengruppe (LG4) mit positiver Brechkraft zwischen der Blendenposition (BP) und der Bildebene. Die ersten und zweiten Linsen sind derart kombiniert, dass Aberrationen der Abbildung gleichzeitig für Wellenlängenbereiche von mindestens zwei Emissionslinien der Quecksilberdampflampe korrigiert sind.

Description

Proiektionsobiektiv, Proiektionsbelichtungsanlage und Proiektionsbelichtungsverfahren
Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Patentanmeldung s.n. 62/480,625 eingereicht am 3. April 2017 sowie auf die deutsche Patentanmeldung 10 2017 207 582.1 eingereicht am 5. Mai 2017. Der Inhalt dieser Patentanmeldungen wird hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein refraktives Projektionsobjektiv zur Abbildung eines in einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in eine Bildebene des Projektipnsobjektivs mittels elektromagnetischer Strahlung einer Quecksilberdampflampe, eine mit den Projektionsqbjektiv ausgestattete Projektionsbelichtungsanlage sowie ein Projektionsbelichtungsverfahren, welches mit Hilfe des Projektionsobjektivs durchgeführt werden kann.
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen, wie z.B. Photolithographiemasken, werden heutzutage überwiegend mikrolithographische Projektionsbelichtungsverfahren eingesetzt. Dabei werden Masken (Retikel) oder andere Mustererzeugungseinrichtungen verwendet, die das Muster einer abzubildenden Struktur tragen oder bilden, z.B. ein Linienmuster einer Schicht (Layer) eines Halbleiterbauelementes. Das Muster wird in einer Projektionsbelichtungsanlage zwischen einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv im Bereich der Objektebene des Projektionsobjektivs positioniert und mit einer vom Beleuchtungssystem bereit gestellten Beleuchtüngsstrahlung beleuchtet. Die durch das Muster veränderte Strahlung läuft als Projektionsstrahlung durch das Projektionsobjektiv, welches das Muster auf das zu belichtende Substrat abbildet. Die Oberfläche des Substrats ist in der zur Objektebene optisch konjugierten Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnet. Das Substrat ist in der Regel mit einer strahlungsempfindlichen Schicht (Resist, Photolack) beschichtet.
Typischerweise teilen sich die Anforderungen der Hersteller von Halbleiterbauelementen in die Belichtung von kritischen und unkritischen Strukturen auf. Der Unterschied zwischen diesen Anwendungen lässt sich unter anderem durch die typischen Strukturbreiten sowie die Anforderungen an genaue Positionierung der Strukturen („Overlay") charakterisieren. Kritische, d.h. feine, Strukturen werden zurzeit überwiegend mit modernen Immersionssystemen erzeugt, die mit Arbeitswellenlängen im tiefen Ultraviolettbereich (DUV) arbeiten, insbesondere bei etwa 193nm. Mit Immersionssystemen können bildseitige numerische Aperturen NA > 1 erreicht werden. Zukünftig werden kritische Strukturen auch mit EUV-Systemen belichtet werden. Darunter versteht man ausschließlich mit reflektiven Komponenten aufgebaute Projektionsbelichtungsanlagen, die bei moderater numerischer Apertur mit Arbeitswellenlängen im extremen Ultraviolettbereich (EUV) zwischen ca. 5 nm und 20 nm arbeiten, z.B. bei ca. 13,4 nm. Diese Systeme zeichnen sich u.a. durch einen hohen Anschaffungspreis aus.
Unkritische, d.h. gröbere, Strukturen können mit einfacheren und damit kostengünstigeren Systemen, belichtet werden.
Für die Erzeugung mittelkritischer oder unkritischer Schichten mit typischen Strukturgrößen von deutlich mehr als 150 nm wird herkömmlich mit Projektionsbelichtungsanlagen gearbeitet, die für Arbeitswellenlängen von mehr als 200 nm ausgelegt sind. In diesem Wellenlängenbereich werden meist refraktive (dioptische) Projektionsobjektive verwendet, deren Herstellung aufgrund ihrer Rotationssymmetrie um die optische Achse gut beherrschbar ist.
Seit langer Zeit sind für diese Anwendungsfälle u.a. Projektionsbelichtungsanlagen für eine Arbeitswellenlänge von 365,5 nm ± 2 nm (so genannte i-Linien-Systeme) im Einsatz. Sie nutzen die i-Linie einer Quecksilberdampflampe, wobei deren natürliche volle Bandbreite mit Hilfe eines Filters oder auf andere Weise auf eine schmalere genutzte Bandbreite Δλ, z.B. von etwa 4 nm, eingeschränkt wird. Bei der Projektion wird Ultraviolettlicht eines relativ breiten Wellenlängenbandes genutzt, so dass das Projektionsobjektiv eine relativ starke Korrektur von Farbfehlern (chromatischen Aberrationen) leisten muss, um auch mit einem breitbandigen Projektionslicht bei der angestrebten Auflösung eine fehlerarme Abbildung zu gewährleisten.
Bei breitbandig betriebenen dioptrischen Projektionsobjektiven werden zur Farbkorrektur (d.h. zur Korrektur chromatischer Aberrationen) unterschiedliche Linsenmaterialien mit ausreichend unterschiedlichen Dispersionseigenschaften verwendet, die innerhalb des Projektionsobjektivs in Bereichen unterschiedlicher Strahlhöhenverhältnisse geeignet verteilt werden, um die Farbkorrektur zu erzielen. Zu den in typischen i-Linien-Projektionsobjektiven verwendeten transparenten Materialien gehören insbesondere synthetisches Quarzglas (fused silica, Si02) sowie die unter den Bezeichnungen FK5, LF5 und LLF1 vertriebenen Spezialgläser der Firma SCHOTT, Mainz, Deutschland. Bei diesen optischen Gläsern sind das synthetische Quarzglas und das Glas FK5 typische Vertreter für Gläser mit relativ kleiner Dispersion (Krongläser), während die Gläser LF5 und LLF1 typische Vertreter für Gläser mit relativ großer Dispersion (Flint-Gläser) sind.
Bewährt haben sich u.a. refraktive Reduktionsobjektive mit mehreren Taillen und Bäuchen. In der deutschen Patentanmeldung DE 102 21 386 A1 (entsprechend US 6,806,942 B2) sind Beispiele für verkleinernd wirkende Dreibauchsysteme mit NA > 0.6, gezeigt. Diese weisen drei Bäuche mit jeweils insgesamt positiver Brechkraft und zwei Taillen innerhalb von Linsengruppen mit jeweils insgesamt negativer Brechtkraft auf und nutzen zur Farbkorrektur definierte Verteilungen von Gläsern hoher Dispersion und Gläsern niedriger Dispersion.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, für den Arbeitswellenlängenbereich λ > 200 nm breitbandig korrigierte katadioptrische Projektionsobjektive zu nutzen. Die EP 1 855 160 A2 (entsprechend US 2008117400 A1) beschreibt Ausführungsbeispiele für katadioptrische Projektionsobjektive, die einen Konkavspiegel enthalten, der im Bereich einer Pupillenfläche des Projektionsobjektivs angeordnet ist, wobei in unmittelbarer Nähe des Konkavspiegels in einem pupillennahen Bereich relativ großer Randstrahlhöhen eine Negativgruppe mit mindestens einer Negativlinse angeordnet ist. Ein Vorteil solcher Systeme besteht darin, dass es prinzipiell möglich ist, eine ausreichende chromatische Korrektur bei Verwendung nur eines einzigen Linsenmaterials, z.B. Si02, zu realisieren. Als Nachteil kann der erhöhte Aufwand in Form eines katadioptrischen Systems gewertet werden.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Projektionsobjektiv, eine Projektionsbelichtungsanlage sowie ein Projektionsbelichtungsverfahren bereitzustellen, die eine Herstellung von mittelkritischen oder unkritischen Strukturen bei hohem Durchsatz ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein refraktives Projektionsobjektiv mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin werden eine Projektionsbelichtungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 21 sowie ein Projektionsbelichtungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 24 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei refraktiven Reduktionsobjektiven gemäß der beanspruchten Erfindung sind Aberrationen gleichzeitig für mindestens zwei der drei Wellenlängenbereiche der Emissionslinien einer Quecksilberdampflampe korrigiert. Diese Wellenlängenbereiche haben Schwerpunktswellenlängen bei ca. 436 nm (g-Linie), ca. 405 nm (h-Linie) und ca. 365 nm (i- Linie). Bei Verwendung eines Projektionsobjektivs gemäß der beanspruchten Erfindung kann eine Quecksilberdampflampe ohne spektrale Einengung der mindestens zwei genutzten Emissionslinien zur Belichtung verwendet werden. Dadurch, dass das Licht von mindestens zwei der Spektrallinien genutzt werden kann, kann erreicht werden, dass die Lichtmenge im System bei gleicher Leistung der Strahlungsquelle gegenüber einem nur für den Wellenlängenbereich der i-Linie korrigierten, reinen i-Liniensystem deutlich ansteigt und somit die Voraussetzung für kürzere Belichtungszeiten und höheren Durchsatz gegeben sind.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass es bei der Abbildung gröberer Strukturen sinnvoll sein kann, die Abbildungsleistung (gegeben u.a. durch bildseitige numerische Apertur NA und die Korrektur der Wellenfront) dem Durchsatz (z.B. quantifizierbar in Wafern/Stunde) unterzuordnen.
Erfindungsgemäße verkleinernd wirkende Projektionsobjektive (d.h. Reduktionsobjektive) erreichen dieses Ziel mit ausschließlich refraktiven Mitteln, wodurch gut beherrschbare Techniken der Objektivkonstruktion genutzt werden können. Das Projektionsobjektiv kann eine geradlinige (ungefaltete) optische Achse haben und benötigt keine gekrümmten Spiegel.
Die Konstruktion der bekannten katadioptrischen Systemen für den Arbeitswellenlängenbereich λ > 200 nm bedingt die Verwendung eines außeraxialen Schlitzfeldes mit geringer Schlitzhöhe. Dies führt zwangsläufig zu einer Verwendung in einem Scanner. Dadurch kann nur ein relativ kleiner Durchsatz bei erhöhten Systemkosten realisiert werden. Diese Limitierung entfällt bei refraktiven Reduktionsobjektiven gemäß der beanspruchten Erfindung.
Projektionsobjektive gemäß der beanspruchten Erfindung haben außer den genannten Linsengruppen (erste bis vierte Linsengruppe) keine weiteren Linsengruppen, so dass sich ein optischer Grundaufbau mit der Brechkraftfolge „P-N-P-P" ergibt. Hierbei steht„P" für eine Linsengruppe mit insgesamt positiver Brechkraft und„N" für eine Linsengruppe mit insgesamt negativer Brechkraft. Die Linsen bilden im Bereich der zweiten Linsengruppe eine lokale Einschnürung bzw. Taille des Projektionsstrahlengangs mit einem lokalen Minimum des Querschnitts des Projektionsstrahlengangs. Der Projektionsstrahlengang enthält dabei die Gesamtheit aller von Objektfeldpunkten ausgehenden Strahlbündel, die zur Bilderzeugung im Bildfeld beitragen. Von der Objektebene kommend verjüngt sich der Querschnitt des Projektionsstrahlengangs innerhalb der zweiten Linsengruppe bis zu einem lokalen Minimum und vergrößert sich danach in Richtung der dritten Linsengruppe wieder. Derartige Projektionsobjektive mit der Brechkraftfolge P-N-P-P werden hier auch als„Eintaillensysteme" bezeichnet. Die „Taille" befindet sich vorzugsweise in der objektseitigen Hälfte des Projektionsobjektivs, also näher bei der Objektebene als bei der Bildebene. Dieser Grundaufbau hat sich im Hinblick auf die gestellte Aufgabe als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Aberrationen der Abbildung sind gleichzeitig für Wellenlängenbereiche von mindestens zwei der Emissionslinien der Quecksilberdampflampe korrigiert. Der Begriff „korrigiert" bedeutet, dass der Korrektionszustand im Bereich derjenigen Emissionslinien, für die die Aberrationen korrigiert sind, ausreichend gut für eine fehlerarme Abbildung der abzubildenden, relativ groben Strukturen ist. Insbesondere kann der Begriff „korrigiert" z.B. auch bedeuten, dass die „Strehlsche Definitionshelligkeit über 95% liegt und/oder dass die Wellenfrontkorrektur besser als 35ηιλ ist.
Wichtig ist hierbei, dass der Korrektionszustand außerhalb derjenigen Wellenlängenbereiche, für die die Korrektur optimiert ist, wesentlich schlechter sein darf. Dies ist insoweit für die Abbildungsleistung unkritisch, als die Quecksilberdampflampe ein annähernd diskontinuierliches Spektrum emittiert und dadurch in den schlechter oder nicht korrigierten Bereichen außerhalb der betrachteten Emissionslinien nur relativ wenig Strahlungsenergie zur Gesamtabbildung beiträgt. Eine Filterung in den spektralen Bereichen zwischen den Emissionslinien ist zwar möglich, kann aber entfallen. Es kann ein Bandpassfilter vorgesehen sein, der alle genutzten Emissionslinien durchläset und spektrale Bereiche unterhalb der niedrigsten genutzten Wellenlänge und oberhalb der höchsten genutzten Wellenlänge blockiert. Ein ausreichender Korrektionszustand in den Wellenlängenbereichen der mindestens zwei Emissionslinien kann insbesondere dann vorliegen, wenn ein polychromatischer RMS-Wert der Wellenfrontaberration in der Nähe der betrachteten Spektrallinien bei nicht mehr als ca. 20 mA liegt, gegebenenfalls auch darunter, beispielsweise bei 15 ητιλ oder weniger.
Das Projektionsobjektiv kann z.B. gleichzeitig für die i-Linie und die h-Linie korrigiert sein, oder gleichzeitig für die h-Linie und die g-Linie, oder gleichzeitig für die i-Linie und die g-Linie, wobei jeweils für die dritte der Emissionslinien der Korrekturzustand wesentlich schlechter ist. In diesen Fällen kann das Projektionsobjektiv als Achromat bezeichnet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass erste und zweite Linsen derart kombiniert sind, dass Aberrationen der Abbildung gleichzeitig für Wellenlängenbereiche von drei Emissionslinien der Quecksilberdampflampe bei ca. 365 nm, ca. 405 nm und ca. 436 nm korrigiert sind. Somit kann als Lichtquelle eine Quecksilberdampflampe ohne spektrale Einengung der drei Emissionslinien zur Belichtung herangezogen werden. Dies bedeutet insbesondere, dass die Lichtmenge im System bei gleicher Lampenleistung gegenüber einem reinen i-Liniensystem und auch gegenüber einem apochromatischen System, welches nur für zwei der drei Emissionslinien korrigiert ist, deutlich ansteigt. Dadurch werden gute Voraussetzungen zur Erzielung kürzerer Belichtungszeiten und höheren Durchsatzes geschaffen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen hat das Projektionsobjektiv eine bildseitige numerische Apertur NA im Bereich von 0,3 < NA < 0,6. NA-Werte aus diesem Bereich haben sich als besonders günstiger Kompromiss herausgestellt. Bei bildseitigen numerischen Aperturen deutlich kleiner als 0,3 kann es schwierig werden, die feinsten Strukturen innerhalb des angestrebten Strukturbereichs relativ grober Strukturen noch abzubilden. Wird die bildseitige numerische Apertur in dem Bereich von NA = 0,6 oder mehr gesteigert, so steigt damit der Aufwand zur Herstellung des Projektionsobjektivs stark an, während im Hinblick auf die angestrebten Strukturgrößen eine mögliche Steigerung des Auflösungsvermögens kaum einen praktischen Nutzen bringt.
Projektionsobjektive gemäß der beanspruchten Erfindung sind als Reduktionsobjektive dafür ausgelegt, das in der Objektebene angeordnete Muster eines Retikels oder einer anderen Mustererzeugungseinrichtung im verkleinerten Abbildungsmaßstab in die Bildebene abzubilden. Dadurch ist es möglich, Retikel oder andere Mustererzeugungseinrichtungen zu nutzen, deren Strukturen gröber sind wie die am belichteten Substrat zu erzeugenden Strukturen. Die Kosten für die Herstellung von Retikeln können hierdurch moderat gehalten werden. Vorzugsweise liegt der Abbildungsmaßstab bei 1 :4 oder weniger. Der Abbildungsmaßstab kann beispielsweise 1 :4 (|ß| = 0,25) oder 1 :5 (|ß| = 0,2) oder weniger betragen. Günstig ist es, wenn das Projektionsobjektiv so ausgelegt ist, dass es mit üblichen Retikeln betrieben werden kann, die auch beispielsweise mithilfe herkömmlicher i-Liniensysteme genutzt werden können.
Vorzugsweise ist das Projektionsobjektiv so ausgelegt, dass die Abbildung für ein effektives Bildfeld mit einer Bildhöhe von 21 mm oder mehr korrigiert ist. Dadurch wird es möglich, bei der Halbleiterfertigung einzelne„Dies" mit Standardgrößen von ca. 26 mm x 33 mm in einem einzigen Belichtungsschritt in einem Step-and-Repeat-Verfahren, d.h. ohne Scannen zu belichten. Eine optische Korrektur für deutlich größere Bildhöhen, beispielsweise von mehr als 25 mm oder mehr als 30 mm, ist bei bevorzugten Anwendungen nicht erforderlich und bei den meisten Projektionsobjektiven gemäß der beanspruchte Erfindung auch nicht vorgesehen. Hierdurch kann der technologische Aufwand für die Korrektur kritischer Aberrationen, wie zum Beispiel die Korrektur der Bildfeldkrümmung (Petzval-Korrektur) begrenzt werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem gezielten Einsatz von achromatisierend wirkenden Positiv-Negativ-Doublets im Bereich um die Blendenposition die chromatische Korrektur besonders stark beeinflussbar ist. Besondere Bedeutung kommt dabei unter anderem der Art und Verteilung von Linsen in einem Blendenbereich um die Blendenposition zu, in welchem für ein Verhältnis zwischen einer Hauptstrahlhöhe CRH und einer Randstrahlhöhe MRH der Abbildung die Bedingung CRH / MRH <0,3 gilt. Bei manchen Ausführungsformen sind innerhalb des Blendenbereichs mehrere Positiv-Negativ-Doublets mit einer Positivlinse (Sammellinse) aus einem zweiten Material (relatives Kronmaterial) und einer Negativlinse (Zerstreuungslinse) aus einem ersten Material (relatives Flintmaterial) angeordnet. Solche Positiv-Negativ-Doublets werden hier wegen der achromatisierenden Wirkung auch als Achromat-Doublet bezeichnet. Die Blendenposition liegt dabei in der Regel an oder nahe der einzigen Pupillenebene des Projektionsobjektivs, die sich zwischen der Objektebene und der Bildebene dort befindet, wo der Hauptstrahl der Abbildung die optische Achse kreuzt. Der Blendenbereich erstreckt sich vom bildseitigen Endbereich der dritten Linsengruppe bis in den objektseitigen Eingangsbereich der vierten Linsengruppe und umfasst insoweit Linsen, die in optischer Hinsicht relativ nahe an der Pupillenebene angeordnet sind.
Vorzugsweise sind innerhalb des Blendenbereichs drei, vier oder fünf Positiv-Negativ-Doublets mit einer Positivlinse aus einem zweiten Material und einer Negativlinse aus einem ersten Material angeordnet. Einige oder alle Positiv-Negativ-Doublets im Blendenbereich können ohne Zwischenschaltung weiterer Linsen unmittelbar aufeinanderfolgen. Es hat sich gezeigt, dass die Korrektur der chromatischen Längsaberration, insbesondere des sekundären Spektrums, durch einen derartig massiven Einsatz von achromatisierend wirkenden Positiv-Negativ-Doublets begünstigt wird.
Vorzugsweise ist in einem, mehreren oder allen der Positiv-Negativ-Doublets innerhalb des Blendenbereichs das zweite Material Calciumfluorid (CaF2) oder ein anderes zweites Material (relatives Kronmaterial) mit anormaler Teildispersion im Bereich der Arbeitswellenlängen. Linsenmaterialien mit anormaler Teildispersion bzw. anormaler Dispersion sind Linsenmaterialien mit ungewöhnlicher Dispersion. Das bedeutet insbesondere, dass der Verlauf des Brechungsindex über die Wellenlänge der verwendeten Strahlung im betrachteten Wellenlängenbereich deutlich von dem der meisten anderen Linsenmaterialien abweicht.
Bei manchen Ausführungsformen besteht in mindestens einem Positiv-Negativ-Doublet im Blendenbereich die Negativlinse aus einem ersten Material (relatives Flintmaterial) mit anormaler Teildispersion. Durch die Verwendung von einer oder mehreren Linsen aus einem Material mit anormaler Teildispersion in Kombination mit Linsenmaterialien mit normalen Dispersionsverläufen wird die Möglichkeit unterstützt, eine ausreichende chromatische Korrektur für Strahlung aus allen drei Emissionslinien der Quecksilberdampflampe zu erzielen.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass in mindestens einem Positiv-Negativ- Doublet im Blendenbereich die Positivlinse aus Calciumfluorid (als relatives Kronmaterial) und die Negativlinse aus synthetischem Quarzglas (als relatives Flintmaterial) besteht. In dieser Kombination wirkt das synthetische Quarzglas, das in Kombination mit typischen Flintgläsern als relatives Kronmaterial wirkt, als relatives Flintmaterial.
Vorzugsweise ist in Bezug auf die Blendenposition eine unsymmetrische Verteilung von Positiv- Negativ-Doublets innerhalb des Blendenbereichs vorgesehen. Die Anzahl von Positiv-Negativ- Doublets innerhalb der vierten Linsengruppe (d.h. zwischen Blendenposition und Bildebene) kann beispielsweise höher sein als die Anzahl von Positiv-Negativ-Doublets innerhalb der dritten Linsengruppe (zwischen Taille und Blendenposition).
Bei manchen Ausführungsformen ist in der vierten Linsengruppe eine Positivlinse bzw. Sammellinse aus einem ersten Material (relatives Flintmaterial) in der Nähe der Bildebene in einem Bereich geringer Randstrahlhöhe angeordnet. In dem Bereich kann für das Strahlhöhenverhältnis CRH / MRH die Bedingung CRH / MRH > 0,4 gelten. Durch die Verwendung einer Sammellinse aus einem ersten Material im Bereich geringer Randstrahlhöhen in der Nähe der Bildebene wird ein besonders wirksames Korrekturmittel zur Korrektur der Variation der Petzval-Summe (bzw. der Bildfeldkrümmung) mit der Wellenlänge bereitgestellt.
Diese Sammellinse kann z.B. eine der drei letzten Linsen des Projektionsobjektivs vor der Bildebene sein. Die Sammellinse hat vorzugsweise eine konvex gekrümmte Eintrittsfläche und eine konkave Austrittsfläche, was im Hinblick auf geringe Inzidenzwinkel an den Linsenflächen im Bereich nahe der Bildebene vorteilhaft sein kann.
Es ist möglich, dass die Sammellinse aus relativem Flintmaterial die letzte mit Brechkraft behaftete Linse vor der Bildebene ist. Hier wäre die Sammellinse jedoch starker Strahlungsbelastung ausgesetzt. Da viele für die Sammellinse geeignete relative Flintmaterialien eine Neigung zum Jens heating" zeigen, sollte vorzugsweise ein optischer freier Durchmesser der Sammellinse an der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche größer sein als bei einer Linse mit minimalem optischer freier Durchmesser innerhalb des Projektionsobjektivs. Dadurch kann die Strahlungsbelastung dieser Sammellinse begrenzt werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist zwischen der Sammellinse und der Bildebene eine Einzellinse aus synthetischem Quarzglas angeordnet. Dieses Material ist gegen Jens heating" relativ resistent und kann daher auch in Bereichen großer Strahlungsbelastung ohne substantielle Nachteile für die Abbildungsleistung genutzt werden. Durch das Einfügen einer Einzellinse aus synthetischem Quarzglas zwischen der Sammellinse aus einem ersten Material und der Bildebene kann der Arbeitsabstand in Luft an der Bildseite, d.h. zwischen der letzten bildseitigen Linse des Projektionsobjektivs und der Bildebene, gering gehalten werden, was sich vorteilhaft auf die Korrekturmöglichkeiten von Aberrationen auswirkt.
Um die Wellenfrontkorrektur zu unterstützen, ist bei zahlreichen Ausführungsformen eine Vielzahl der Linsen als asphärische Linsen mit mindestens einer rotationssymmetrischen asphärischen optischen Fläche (Linsenfläche) ausgelegt. Es können z.B. fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn asphärische Linsen vorgesehen sein. Bei vielen Ausführungsformen sind wenigstens 80 % der asphärischen Linsen aus synthetischem Quarzglas gefertigt. Insbesondere können 90 % oder mehr oder alle asphärischen Linsen aus synthetischem Quarzglas bestehen. Diese Ausgestaltung liegt der Erkenntnis zugrunde, dass die Fertigung von asphärischen Flächen technologisch weitaus komplizierter und qualitätskritischer ist als die Fertigung von sphärischen Linsenflächen. Wird darauf geachtet, besonders gut bearbeitbare Materialien, insbesondere synthetisches Quarzglas, als Träger der asphärischen Flächen zu verwenden, so kann mit gut beherrschbaren Technologien bei der Fertigung eine wirksame Korrektur von Wellenfrontaberrationen mittels asphärischer Flächen erzielt werden.
Im Bereich der einzigen Taille des Projektionsobjektivs sind verschiedenen Ausgestaltungen möglich. Die zweite Linsengruppe kann z.B. ausschließlich aus Negativlinsen bestehen, z.B. genau drei Negativlinsen. Bei manchen Ausführungsformen ist in der zweiten Linsengruppe zwischen einer objektseitigen ersten Negativlinse und einer bildseitigen zweiten Negativlinse eine Positivlinse angeordnet. Hierdurch kann die Korrektur von Aberrationen unterstützt werden. Bei manchen Ausführungsformen besteht die Positivlinse aus synthetischem Quarzglas, wodurch unter anderem erreicht wird, dass das Design insoweit relativ unempfindlich gegen lens heating sein kann. Es ist auch möglich, dass die Positivlinse aus einem ersten Material, also einem relativen Flintmaterial, besteht. Hierdurch kann insbesondere die chromatische Korrektur unterstützt werden. Bei den Eintaillensystemen gemäß der beanspruchten Erfindung st es möglich, die der Objektebene unmittelbar folgende erste Linsengruppe im Hinblick auf besondere Korrekturaufgaben auszurichten, ohne dass besondere Mittel zur Achromatisierung vorgesehen sein müssen. Die erste Linsengruppe kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, einen relativ großen Beitrag zur Einstellung der Feldgröße, zur Korrektur der Verzeichnung sowie zur Optimierung der Telezentrie des Projektionsobjektivs zu leisten.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist in der ersten Linsengruppe ein Positiv-Negativ-Doublet mit einer Positivlinse aus einem ersten Material und einer Negativlinse aus einem zweiten Material angeordnet. Das Positiv-Negativ-Doublet kann zwischen der Objektebene und einem Bereich maximaler Randstrahlhöhe innerhalb der ersten Linsengruppe (LG) angeordnet sein, also optisch nahe der Objektebene. Ein derartiges Doublet kann unmittelbar im Anschluss an die Objektebene vorgesehen sein. Die Positivlinse kann an der Objektseite der Negativlinse, also näher an der Objektebene, angeordnet sein. Es wird davon ausgegangen, dass das Doublet dazu beiträgt, die Verzeichnung sowie die chromatische Variation der Petzvalsumme durch die Flint-Positivlinse (in Analogie zu der vorletzten Linse) zu korrigieren.
Es hat sich herausgestellt, dass bei manchen Ausführungsformen ein Bedarf an einer besseren Korrektur der chromatischen Längsaberration der Pupillenabbildung auftritt. Diese manifestiert sich als chromatische Variation der Abweichung von der Telezentrie im Objektraum. Um diese chromatische Variation zu korrigieren, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass in der ersten Linsengruppe ein Positiv-Negativ-Doublet mit einer Positivlinse aus einem zweiten Material und einer Negativlinse aus einem ersten Material angeordnet ist. Dieses Positiv- Negativ-Doublet kann zwischen der Objektebene und einem Bereich maximaler Randstrahlhöhe innerhalb der ersten Linsengruppe angeordnet sein, also relativ nahe an der Objektebene im Bereich divergenter Strahlung. Die Negativlinse kann an der Objektseite der Positivlinse, also näher an der Objektebene, angeordnet sein. Das Positiv-Negativ-Doublet kann unmittelbar auf die Objektebene folgen. Es ist auch möglich, dass zwischen der Objektebene und dem Positiv-Negativ-Doublet eine brechkraftschwache Linse, beispielsweise eine dünne Meniskuslinse, angeordnet ist. Ein objektnah angeordnetes Positiv-Negativ-Doublet mit einer Zerstreuungslinse aus relativem Flintmaterial und einer Sammellinse aus relativem Kronmaterial stellt einen retikelnahen Achromaten bereit, mit dem eine chromatische Überkorrektur eingeführt werden kann, die einer chromatischen Unterkorrektur durch die anderen Linsen des Systems entgegenwirkt und sich günstig auf die Korrektur der chromatischen Längsaberration der Pupillenabbildung auswirkt. Gemäß einer anderen Formulierung der Erfindung kann das Projektionsobjektiv auch beschrieben werden als ein refraktives Projektionsobjektiv des genannten Aufbaus (verkleinerndes Eintaillensystem mit Brechkraftfolge P-N-P-P) zur Abbildung eines in einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in eine Bildebene des Projektionsobjektivs mittels elektromagnetischer Strahlung einer Arbeitswellenlänge λ > 200 nm unter Verwendung von mindestens zwei spektral voneinander getrennten Spektrallinien einer Strahlungsquelle bei einer ersten Wellenlänge λι und einer zweiten Wellenlänge λ2 > λ , wobei für eine spektrale Bandbreite Δλ = λ2 -
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der Strahlung bei einer mittleren Wellenlänge λ = (λ-ι + λ2 )/2 die Bedingung Δλ / λ > 0.05 gilt. Beispielsweise wäre damit für eine mittlere Wellenlänge von 385 nm eine gelichzeitige Korrektur der i-Linie und der h-Line erfasst. Für eine mittlere Wellenlänge von z.B. 420 nm wäre damit eine gelichzeitige Korrektur der g-Linie und der h-Line erfasst.
Insbesondere kann dabei die Bedingung Δλ / λ > 0.1 gelten. Für eine mittlere Wellenlänge von z.B. 400 nm wäre damit eine gelichzeitige Korrektur der i-Linie, der h-Linie und der g-Line erfasst.
Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage zur Belichtung eines im Bereich einer Bildebene eines Projektionsobjektivs angeordneten, strahlungsempfindlichen Substrats mit mindestens einem Bild eines im Bereich einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters einer Maske mit: einer primären Strahlungsquelle in Form einer Quecksilberdampflampe zur Abgabe vorn Primärstrahlung; einem Beleuchtungssystem zum Empfang der Primärstrahlung und zur Erzeugung einer auf die Maske gerichteten Beleuchtungsstrahlung; und einem Projektionsobjektiv zur Erzeugung mindestens eines Bildes des Musters im Bereich der Bildebene des Projektionsobjektivs, wobei das Projektionsobjektiv gemäß der Erfindung ausgestaltet ist.
Vorzugsweise ist der Quecksilberdampflampe kein Filter zur spektralen Einengung der Bandbreite einer der Emissionslinien zugeordnet, so dass sich im Bereich der Lichtquelle ein vereinfachter Aufbau ergibt. Die Projektionsbelichtungsanlage kann als Wafer-Stepper für einen Step-and-Repeat-Prozess ausgelegt sein, so dass auf Einrichtungen zur Erzeugung synchronisierter Scan-Bewegungen von Maske und Substrat verzichtet werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Projektionsbelichtungsverfahren zur Belichtung eines im Bereich einer Bildebene eines Projektionsobjektivs angeordneten, strahlungsempfindlichen Substrats mit mindestens einem Bild eines im Bereich einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters einer Maske mittels elektromagnetischer Strahlung einer Quecksilberdampflampe. Bei dem Projektionsbelichtungsverfahren wird ein Projektionsobjektiv gemäß der Erfindung verwendet. Bei ausreichend großem effektiven Bildfeld können einzelne Dies des Substrats in einen Step-and-Repeat-Prozess ohne Scannen mittels Licht von zwei oder drei der bei ca. 365 nm, ca. 405 nm und ca. 436 nm liegenden Emissionslinien der Quecksilberdampflampe belichtet werden, wodurch ein hoher Durchsatz pro Zeiteinheit realisiert werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind:
Fig. 1 zeigt ein Diagramm mit Abbe-Zahlen und Brechungsindizes von Linsenmaterialien für den Wellenlängenbereich der Emissionslinien einer Quecksilberdampflampe;
Fig. 2 zeigt einen schematischen meridionalen Linsenschnitt eines Projektionsobjektivs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 zeigt in Fig. 3A bis Fig. 2D Diagramme zur Erläuterung des Korrekturzustands bzw. der Abbildungsleistung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 ;
Fig. 4 zeigt einen schematischen meridionalen Linsenschnitt eines Projektionsobjektivs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 zeigt in Fig. 5A bis Fig. 5D Diagramme zur Erläuterung des Korrekturzustands bzw. der Abbildungsleistung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 4;
Fig. 6 zeigt einen schematischen meridionalen Linsenschnitt eines Projektionsobjektivs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 zeigt in Fig. 7A bis Fig. 7D Diagramme zur Erläuterung des Korrekturzustands bzw. der Abbildungsleistung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6; Fig. 8 zeigt in der oberen Teilfigur das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 und in der unteren Teilfigur schematische Strahlverläufe zur Erläuterung der chromatischen Korrektur der Pupillenabbildung;
Fig. 9 zeigt einen schematischen meridionalen Linsenschnitt eines Projektionsobjektivs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 zeigt in Fig. 10A bis Fig. 10D Diagramme zur Erläuterung des Korrekturzustands bzw. der Abbildungsleistung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 9; und
Fig. 1 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Zu Beginn werden Anmerkungen zu chromatischen Aberrationen und ihrer Korrektur in dioptrischen (refraktiven) optischen Systemen präsentiert, um die in dieser Anmeldung verwendeten Begriffe und deren Bedeutung zu veranschaulichen.
Chromatische Aberrationen sind Abbildungsfehler optischer Systeme, die dadurch entstehen, dass der Brechungsindex n transparenter optischer Materialien als Funktion der Wellenlänge λ variiert. Diese Abhängigkeit ύη/άλ wird als Dispersion des optischen Materials bezeichnet. Im Allgemeinen ist der Brechungsindex optischer Materialien für kürzere Wellenlängen größer als für längere Wellenlängen.
Chromatische Aberrationen können in unterschiedliche Kategorien unterteilt werden. Eine erste Kategorie chromatischer Aberrationen berücksichtigt den Umstand, dass für jede Wellenlänge im paraxialen Bereich (auf der optischen Achse) ein eigenes Bild erzeugt wird und dass diese Bilder hinsichtlich ihrer Position entlang der optischen Achse, ihrer Form und/oder ihrer Größe variieren können. Zu den chromatischen Aberrationen der ersten Kategorie gehört die chromatische Längsaberration CHL (axial chromatic aberration, axial colour, AX) und der Farbvergrößerungsfehler bzw. die chromatische Vergrößerungsdifferenz CHV (chromatic difference of magnification, lateral colour LAT).
Die chromatische Längsaberration ist die longitudinale Aberration der Bildposition bzw. der paraxialen Fokusposition mit der Wellenlänge. Wenn die Brechzahl für kürzere Wellenlängen größer ist als für längere Wellenlängen, werden die kürzeren Wellenlängen an jeder optischen Fläche stärker gebrochen, so dass beispielsweise bei einer einfachen Positivlinse die Strahlen der relativ kürzeren Wellenlänge in einer Fokusposition zusammengebracht werden, die der Linse näher liegt als der Fokus der relativ längeren Wellenlänge. Der paraxiale Abstand entlang der optischen Achse der Linse zwischen den beiden Fokuspunkten ist die chromatische Längsaberration. Wenn die Strahlen mit kürzerer Wellenlänge näher am Abbildungssystem fokussiert werden als die Strahlen längerer Wellenlänge, wird die chromatische Längsaberration üblicherweise als„unterkorrigiert" oder„negativ" bezeichnet.
Wenn ein Abbildungssystem für unterschiedliche Wellenlängen Bilder mit unterschiedlichen Größen bildet oder das Bild eines außeraxialen Punktes zu einem Farbsaum formt, liegt ein Farbvergrößerungsfehler bzw. eine chromatische Vergrößerungsdifferenz (CHV) vor. Die chromatische Vergrößerungsdifferenz kann durch den Abstand zwischen den paraxialen Bildhöhen der unterschiedlichen Wellenlängen quantifiziert werden.
Die chromatische Variation des Brechungsindex kann auch Variationen monochromatischer Aberrationen verursachen, die in einer zweiten Kategorie chromatischer Aberrationen zusammengefasst werden können. Dazu gehören beispielsweise die chromatische Variation der sphärischen Aberrationen, die chromatische Aberration der Bildfeldkrümmung etc.
Für eine weitere Charakterisierung möglicher Aberrationen sei die Abbildung mit Licht einer breitbandigen Strahlungsquelle betrachtet, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen um eine zentrale Wellenlänge λ aussendet, wobei die Strahlungsverteilung durch eine spektrale Bandbreite Δλ (Halbwertsbreite, full-width at half maximum) charakterisierbar sei. Typischerweise nimmt das Ausmaß chromatischer Aberrationen zu, je größer die spektrale Bandbreite Δλ ist. Chromatische Aberrationen können mit Hilfe der Fokuspositionen für die unterschiedlichen Wellenlängen entlang der optischen Achse für drei Wellenlängen innerhalb der spektralen Bandbreite charakterisiert werden. Die drei Wellenlängenkomponenten haben die Wellenlängen λι , λ2 und λ3, wobei λι < λ2 < λ3.
Die Größe der chromatischen Längsaberration CHL entspricht dann der maximalen Länge des Fokusbereichs entlang der optischen Achse, in welchem die unterschiedlichen Wellenlängen fokussiert werden. Typischerweise wird eine der Wellenlängen näher am Abbildungssystem fokussiert werden als die anderen Wellenlängen. Der Abstand zwischen der nächstliegenden und der am weitesten entfernten Fokusposition der Wellenlängen entspricht der Größe der chromatischen Längsaberration des Abbildungssystems für die breitbandige Lichtquelle. Die Fokusposition der zentralen Wellenlänge λ entlang der optischen Achse kann als die Bildebene innerhalb des Fokusbereichs angesehen werden. In der Fachwelt wird diese Situation auch so beschrieben, dass ein „primäres Spektrum" vorliegt. Durch die Kombination von sammelnden und zerstreuenden Linsen, die aus unterschiedlichen optischen Materialien mit unterschiedlicher Dispersion bestehen, ist es häufig möglich, das primäre Spektrum zu korrigieren. Genauer gesagt ist es möglich, die chromatische Längsaberration so zu korrigieren, dass die Fokusebenen für zwei unterschiedliche Wellenlängen auf der optischen Achse zusammenfallen. Wenn das primäre Spektrum korrigiert ist, können z.B. die Wellenlängen ^ und λ3 in einer gemeinsamen axialen Position fokussiert werden. Derartige optische Abbildungssysteme werden in dieser Anmeldung auch als „Achromat" bezeichnet.
Für andere Wellenlängen, die von der Korrektur nicht erfasst sind, verbleibt in der Regel ein Rest an chromatischer Längsaberration. Diese Reste chromatischer Längsaberration werden auch als„sekundäres Spektrum" bezeichnet und beschreiben die Abweichung der Fokuslage aller anderen Wellenlängen aus dem Wellenlängenband von der Bildebene. In manchen Fällen kann auch das sekundäre Spektrum durch geeignete Wahl von optischen Materialien, Linsendimensionen, Abständen und Brechkräften etc. korrigiert werden. Das sekundäre Spektrum kann ggf. so weit korrigiert werden, dass die Fokusposition aller drei Wellenlängen λ-,, λ2 und λ3, aus dem betrachteten Wellenlängenbereich an der gleichen axialen Position liegen. Ein optisches System, bei dem auch das sekundäre Spektrum korrigiert ist, wird in dieser Anmeldung auch als„Aprochromat" bezeichnet.
In anderen Worten: bei einem achromatischen Abbildungssystem wird die chromatische Längsaberration für zwei mit Abstand zueinander liegenden Wellenlängen sehr gering (ggf. bis auf den Wert Null). Bei einem aprochromatischen optischen Abbildungssystem wird die chromatische Längsaberration bei drei mit spektralem Abstand zueinander liegenden Wellenlängen sehr gering (ggf. bis auf den Wert Null).
In dioptrischen Projektionsobjektiven, die mit spektral breitbandigen Lichtquellen arbeiten sollen, werden zur Korrektur chromatischer Aberrationen unterschiedliche Linsenmaterialien mit möglichst großen Unterschieden ihrer Abbe-Zahlen verwendet. Die Abbe-Zahl v ermöglicht eine Charakterisierung der Dispersionseigenschaften eines Materials in einem interessierenden Wellenlängenbereich. Die Abbe-Zahl eines Materials kann beispielsweise mit folgender Formel berechnet werden: ν=(π2-1 )/ηι-η3), wobei ni , n2 und n3 die Brechungsindizes des Materials bei den Wellenlängen λ2 und A3 sind und Ki<k2<kz gilt. Im Allgemeinen stehen niedrige Abbe-Zahlen für Materialien mit relativ starker Dispersion und hohe Abbe-Zahlen für Materialien mit relativ schwacher Dispersion. Daher wird die Abbe-Zahl gelegentlich auch als„reziproke relative Dispersion" bezeichnet.
Linsenmaterialien für Arbeitswellenlängen bei Emissionslinien einer Quecksilberdampflampe können abhängig von ihrem Brechungsindex und ihrer Abbe-Zahl in drei unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden (vgl. Fig. 1 ). Eine erste Gruppe, bezeichnet als Gruppe A, schließt diejenigen Materialien ein, deren Abbe-Zahl sich im Bereich von 40 bis 70 befinden. Die Abbe- Zahl ist hier berechnet für die Wellenlängen = 365.01 nm, λ2 = 404.65 nm und λ3 = 435.84 nm, die den Wellenlängen der i-, h- und g- Emissionslinien einer Quecksilberdampflampe entsprechen. Die Materialien in Gruppe A haben typische Brechungsindizes im Bereich von 1 .46 bis 1 .56. Zu den Materialien der Gruppe A gehören u.a. synthetisches Quarzglas (Si02) und verschiedene Borsilikatgläser, wie z.B. BK7 Glas oder die Gläser K5, K7 oder FK5.
Eine zweite Gruppe, bezeichnet als Gruppe B, umfasst Materialien mit Abbe-Zahlen größer als 70. Einige Materialien in Gruppe B, wie z.B. kristallines Kalziumcfluorid (Flußspat oder CaF2), haben einen Brechungsindex von weniger als 1.46.
Eine dritte Gruppe, bezeichnet als Gruppe C, umfasst Materialien mit Abbe-Zahlen von weniger als 40. Die Materialien der Gruppe C haben Brechungsindizes von mehr als ungefähr 1 .56. Zu den Materialien der Gruppe C gehören u.a. typische Flintgläser, wie z.B. LLF-6 Glas, LLF-1 Glas oder LF-5 Glas. Diese können einer Untergruppe C1 zugeordnet werden, deren Materialien einen Brechungsindex bis zu maximal 1.62 haben. Eine Untergruppe C2 dieser Gruppe C umfasst Materialien mit sehr hohem Brechungsindex von mehr als ca. 1.62. Hierzu gehören z.B. Hochindex-Flintgläser wie N-KZFS4.
Zur Reduzierung chromatischer Aberrationen mit refraktiven Mitteln sollte ein optisches System Linsen aus mindestens zwei Materialien mit unterschiedler Dispersion bzw. unterschiedlicher Abbe-Zahl aufweisen. Es sollten also erste optische Elemente aus einem ersten Material mit relativ niedriger Abbe-Zahl und zweite optische Elemente aus einem zweiten Material mit relativ zu dem ersten Material höherer Abbe-Zahl kombiniert werden. Im Rahmen dieser Anmeldung werden erste Materialien mit relativ niedriger Abbe-Zahl auch als„relatives Flintmaterial" und zweite Materialien mit relativ höherer Abbe-Zahl auch als„relatives Kronmaterial" bezeichnet.
Linsenmaterialien der Gruppe B werden in der Regel als relative Kronmaterialien genutzt. Linsenmaterialien der Gruppe C werden in der Regel als relative Flintmaterialien genutzt. Linsenmaterialien der Gruppe A können in Kombination mit einem Material der Gruppe C als relatives Kronmaterial und in Kombination mit einem Material der Gruppe B relatives Flintmaterial fungieren. Synthetisches Quarzglas (Si02) fungiert z.B. in Kombination mit einem Material der Gruppe C (beispielsweise LF5, LLF1 , LLF6) als relatives Kronmaterial. Wird dagegen synthetisches Quarzglas mit einem Material der Gruppe B kombiniert, beispielsweise CaF2, so fungiert synthetisches Quarzglas als relatives Flintmaterial.
Bei der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnet der Begriff „optische Achse" eine gerade Linie durch die Krümmungsmittelpunkte der gekrümmten Linsenflächen. Das Objekt ist in den Beispielen eine Maske (Retikel) mit dem Muster einer integrierten Schaltung, es kann sich auch um ein anderes Muster, beispielsweise eines Gitters, handeln. Das Bild wird in den Beispielen auf einen mit einer Photoresistschicht versehenen Wafer projiziert, der als Substrat dient. Es sind auch andere Substrate, beispielsweise Elemente für Flüssigkeitskristallanzeigen oder Substrate für optische Gitter möglich.
Manche Besonderheiten können anhand der Verläufe und der Verhältnisse zwischen Hauptstrahlen und Randstrahlen der Abbildung veranschaulicht werden. Als Hauptsträhl CR wird hier ein Strahl bezeichnet, der von einem Randpunkt des Objektfeldes parallel oder im spitzen Winkel zur optischen Achse verläuft und die optische Achse im Bereich einer Pupillenebene schneidet. Ein Randstrahl MR im Sinne der vorliegenden Anmeldung führt von der Mitte des Objektfeldes zum Rand der Aperturblende. Der senkrechte Abstand dieser Strahlen zur optischen Achse ergibt die entsprechende Strahlhöhe. Soweit in dieser Anmeldung auf eine„Randstrahlhöhe" (marginal ray height, MRH) oder eine„Hauptstrahlhöhe" (chief ray height CRH) Bezug genommen wird, so sind hiermit die paraxiale Randstrahlhöhe und die paraxiale Hauptstrahlhöhe gemeint.
Die Spezifikationen der in den Zeichnungsfiguren gezeigten Ausführungsbeispiele sind am Ende der Beschreibung angegeben.
Fig. 2 zeigt einen schematischen meridionalen Linsenschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines refraktiven, Projektionsobjektivs 200 mit ausgewählten Strahlbündeln zur Verdeutlichung des Abbildungsstrahlengangs bzw. Projektionsstrahlengangs der im Betrieb durch das Projektionsobjektiv verlaufenden Projektionsstrahlung.
Das Projektionsobjektiv ist als verkleinernd wirkendes Abbildungssystem dafür vorgesehen, ein in seiner Objektebene OS angeordnetes Muster einer Maske in reduziertem Maßstab, beispiels- weise im Maßstab 4:1 , auf seine parallel zur Objektebene ausgerichtete Bildebene IS direkt, d.h. ohne Erzeugung eines Zwischenbildes, abzubilden.
Zwischen der Objektebene und der Bildebene liegt die einzige Pupillenebene PUP des Abbildungssystems dort, wo der Hauptstrahl CR der optischen Abbildung die optische Achse OA schneidet. Im Bereich der Pupillenebene ist die Aperturblende AS des Systems angebracht. Die zur Anbringung der Aperturblende geeignete Position wird hier daher auch als Blendenposition BP bezeichnet. Um die Blendenposition herum erstreckt sich ein Blendenbereich BB, in welchem für ein Strahlhöhenverhältnis zwischen der Hauptstrahlhöhe CRH und der Randstrahlhöhe MRH der Abbildung die Bedingung CRH / MRH < 0.3 gilt. Die Randstrahlhöhe ist hier also relativ groß gegenüber der Hauptstrahlhöhe. Der optische Aufbau kann wie folgt charakterisiert werden.
Unmittelbar auf die Objektebene OS folgt eine erste Linsengruppe LG1 mit positiver Brechkraft und insgesamt sechs Linsen L1 bis L6. Die erste Linsengruppe sammelt die von den Feldpunkten der Objektebene kommenden Strahlen und bildet dadurch einen Bauch im Projektionsstrahlengang.
Unmittelbar auf die erste Linsengruppe LG1 folgt eine zweite Linsengruppe LG2 mit negativer Brechkraft. Diese zweite Linsengruppe umfasst die drei Linsen L7, L8 und L9 und erzeugt im Projektionsstrahlengang eine Taille um ein lokales Minimum der Randstrahlhöhe zwischen der Objektebene OS und der Bildebene IS.
Unmittelbar auf die zweite Linsengruppe LG2 folgt eine dritte Linsengruppe LG3 mit positiver Brechkraft und insgesamt sieben Linsen L10 bis L16. Die Linsen der dritten Linsengruppe sind zwischen der zweiten Linsengruppe LG2 und der zur Anbringung einer Aperturblende AS geeigneten Blendenposition angeordnet.
Zwischen der Blendenposition und der Bildebene IS befindet sich eine vierte Linsengruppe LG4 mit insgesamt positiver Brechkraft. Die vierte Linsengruppe umfasst neun mit Brechkraft behaftete Linsen L17 bis L26 sowie eine dünne Planplatte L27 unmittelbar vor der Bildebene IS.
Für die Linsen des Projektionsobjektivs 200 werden insgesamt fünf unterschiedliche Linsenmaterialien verwendet. Die Linsen L2, L4, L5, L7, L8, L9, L12, L20, L24, L26 und L27 bestehen aus synthetischem Quarzglas (Si02), also einem Material der Gruppe A in Fig. 1 mit einer Abbe-Zahl von v ~ 60. Die Linsen L10, L1 1 , L13, L15, L17, L19, L21 und L22 bestehen aus Calciumfluorid (CaF2), also einem kristallinen Linsenmaterial der Gruppe B in Fig. 1 mit einer relativ hohen Abbe-Zahl von v « 82. Die Linsen L1 , L3, L6, L23 und L25 bestehen aus dem Linsenmaterial mit der Bezeichnung LLF1 , also einem Linsenmaterial der Gruppe C bzw. der Untergruppe C1 mit relativ geringer Abbe-Zahl von v « 36. Die Linsen L16 und L18 bestehen aus dem Linsenmaterial mit Bezeichnung N-BK7, also einem Linsenmaterial der Gruppe A in Fig. 1 mit einer Abbe-Zahl von v « 56. Die Linse L14 besteht aus einem Linsenmaterial mit der Bezeichnung LF5, also einem Linsenmaterial der Gruppe C bzw. der Untergruppe C1 in Fig. 1 mit relativ geringer Abbe-Zahl von - 31.
Die Linsen umfassen somit erste Linsen aus einem ersten Material mit relativ niedriger Abbe- Zahl und zweite Linsen aus einem zweiten Material mit relativ zu dem ersten Material höherer Abbe-Zahl. Das erste Material wird hier jeweils als „relatives Flintmaterial" bezeichnet, das zweite Material als „relatives Kronmaterial". Die ersten und die zweiten Linsen sind derart kombiniert, dass Aberrationen der Abbildung gleichzeitig für Wellenlängenbereiche aller drei Emissionslinien einer Quecksilberdampflampe korrigiert sind. Die Abbildungsleistung wird später anhand der Fig. 3A bis 3D noch erläutert.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird ein wesentlicher Anteil der Korrektur der chromatischen Längsaberration CHL, insbesondere des sekundären Spektrums, durch einen massiven Einsatz von Achromat-Doublets im Blendenbereich BB gewährleistet. Ein„Achromat- Doublet" ist ein Positiv-Negativ-Doublet mit einer Positivlinse aus einem zweiten Material (relatives Kronmaterial) und einer Negativlinse aus einem ersten Material (relatives Flintmaterial).
Im Blendenbereich BB sind insgesamt fünf Positiv-Negativ-Doublets angeordnet, nämlich die Linsen-Paarungen L11/L12, L13/L14, L15/L16, L17/L18 und L19/L20. In jedem Positiv-Negativ- Doublet ist eine bikonvexe Positivlinse aus einem relativen Kronmaterial mit einer nachfolgenden Negativlinse (entweder bikonkav oder als Meniskuslinse) aus einem relativen Flihtmaterial gepaart. Alle bikonvexen Positivlinsen der Positiv-Negativ-Doublets bestehen im Beispielsfall aus Calciumfluorid, also einem relativen Kronmaterial der Gruppe B. Dieses ist in den Positiv-Negativ-Doublets L11/L12, L15/L16, L17/L18 sowie L19/L20 mit einem Material der Gruppe A kombiniert, welches als relatives Flintmaterial fungiert, wobei die bikonkaven Negativlinsen L12 und L20 aus synthetischem Quarzglas bestehen, während die bikonkaven Negativlinsen L16 und L18 aus N-BK7 bestehen.
Bei dieser Variante fungiert Calciumfluorid als Material mit anormaler Teildispersion und lässt sich im angegebenen Wellenlängenbereich zum Beispiel mit N-BK7 derart paaren, dass das sekundäre Spektrum gerade für die drei hier betrachteten Wellenlängenbereiche der g-, h- und i-Linie der Quecksilberdampflampe korrigiert ist.
Um die Abstimmung auf die Wellenlängen noch weiter zu verbessern, wird im Positiv-Negativ- Doublet L13/L14 eine Negativ-Meniskuslinse L14 aus dem relativen Flintmaterial LF5 (einem Material der Gruppe C) verwendet.
Durch die konsequente Verwendung von Flintmaterial in den Zerstreuungslinsen und Kronmaterial in den Sammellinsen des Blendenbereichs variiert die Petzval-Summe mit der Wellenlänge. Dies kann so verstanden werden: Der Beitrag einer dünnen Linse zur
Petzvalsumme P ist durch die Brechkraft ^ der Linse geteilt durch deren Brechzahl n gegeben:
Ρ = ν = ΑρΊ -λ
n n
Mit der Differenz der Krümmungen der Linsenflächen Δ = 1/ - 1 Γ2 Ändert man die Wellenlänge, so ändert sich die Brechzahl der Linse und damit auch der Beitrag zur Petzvalsumme:
Die Änderung des Petzvalbeitrags einer Linse ist also proportional zur Änderung der Brechzahl (Dispersion). Dementsprechend steigt der Beitrag der negativen (überkorrigierenden) Flintlinsen zur Petzval-Summe stärker als der der positiven (unterkorrigierenden) Kronlinsen. Als Konsequenz wird die Petzval-Summe mit der Wellenlänge variieren.
Diesem an sich unerwünschten Effekt wird bei dem Ausführungsbeispiel entgegengewirkt, indem Sammellinsen (Positivlinsen) an denjenigen Stellen innerhalb des Projektionsobjektivs, wo sie nur wenig Auswirkung auf die chromatische Längsaberration haben, durch Linsen aus einem relativen Flintmaterial ersetzt werden. Solche Bereiche sind durch relativ geringe Randstrahlhöhen charakterisiert und liegen also entweder relativ nahe bei der Objektebene oder nahe bei der Bildebene. Somit ist es zu verstehen, dass sich in der Nähe der Bildebene IS, d.h. bei bereits relativ kleinen Randstrahlhöhen, eine brechkraftstarke, sammelnde Positivlinse aus einem relativen Flintmaterial befindet, nämlich die vorletzte mit Brechkraft behaftete Positiv- Meniskuslinse L25, die aus LLF1 (einem Material der Gruppe C1) besteht.
Eine noch bessere Korrektur der Petzval-Summe könnte erzielt werden, wenn diese Positivlinse aus Flintmaterial noch näher an der Bildebene, d.h. im Bereich noch geringerer Randstrahlhöhen, liegen würde. Da Flintlinsen jedoch nach den Erfahrungen des Erfinders dazu neigen, lens heating zu verursachen, wurde beim Ausführungsbeispiel darauf geachtet, dass alle Linsen aus einem Material der Gruppe C (Flintmaterial) so angeordnet sind, dass ein minimaler optisch freier Durchmesser im Strahlengang nicht unterschritten wird, so dass die Strahlungsbelastung dieser Linsen nicht zu hoch wird. Insbesondere sollte eine letzte Linse unmittelbar vor dem Wafer nicht aus einem Flintmaterial der Gruppe C bestehen.
Um in der Nähe der Bildebene den Arbeitsabstand in Luft jedoch nicht zu groß werden zu lassen (dies stellt sich als nachteilig für die Korrektur von Aberrationen heraus), wird der Bereich zwischen der sammelnden Flintlinse L25 und der Bildebene zu einem größeren Teil mit einer brechkraftschwachen Linse aus einem gegen lens heating resistenten Linsenmaterial ausgefüllt, im Beispielsfall durch eine dicke Linse L26 aus synthetischem Quarzglas.
Auch in der ersten Linsengruppe LG1 befinden sich zwei sammelnde Flintlinsen, also Positivlinsen aus einem relativen Flintmaterial, nämlich die Linsen L1 und L3. Diese sammelnden Flintlinsen im vorderen Teil des Projektionsobjektivs korrigieren überwiegend die chromatische Queraberration (CHV).
In Fig. 3 ist die Abbildungsleistung des betrachteten Projektionsobjektivs dargestellt. In Fig. 3A (links oben) ist der RMS-Wert der Wellenfrontaberration für vier Feldpunkte (Feldmitte, halbes Feld, 87% Feldhöhe sowie Feldecke) über der Wellenlänge aufgetragen. Man erkennt, dass die Wellenfrontaberration in der Nähe der betrachteten Spektrallinien höchstens etwa 15ηιλ bis 18 ΠΊλ beträgt und damit für die Anwendung absehbar ausreichend korrigiert ist.
In Fig. 3B (oben rechts) ist die Hauptstrahlverzeichnung des Designs an den verschiedenen Feldpunkten erneut über die Wellenlänge aufgetragen. Auch hier ergibt sich in der Nähe der betrachteten Spektrallinien eine sehr gute Korrektur von unter ±5 nm.
In Fig. 3C (unten links) wird der Verlauf der Abweichung von der Eintrittstelezentrie für die bereits erwähnten vier Feldpunkte über der Wellenlänge aufgetragen. Man erkennt zunächst, dass die Abweichung der Eintrittspupillenlage von der Telezentrie einen starken Gang mit dem Feldwinkel hat. So weicht z.B. der Hauptstrahl der halben Feldhöhe etwa 30 mrad bei telezentrischem Feldrand von der Telezentrie ab. Dieser Zonenfehler der Telezentrie ist ein bekanntes Problem bei dioptrischen Systemen und kann im optischen Design nur unter sehr großem, hier nicht getriebenen Aufwand korrigiert werden.
Als nächste Eigenschaft ist zu erkennen, dass die Abweichung von der Telezentrie an allen Feldpunkten stark von der Wellenlänge abhängt. So divergiert der Hauptstrahl des Feldrandes am Retikel (in der Objektebene) bei kurzen Wellenlängen (negative Eintrittspupillenlage) während er bei langen Wellenlängen auf die optische Achse hin konvergiert (positive Eintrittspupillenlage).
Sowohl Zonenfehler der Telezentrie (der aus einer unterkorrigierten sphärischen Aberration der Blendenabbildung in den Objektraum resultiert) als auch chromatische Variation der Eintrittspupillenlage (die durch unterkorrigierte chromatische Längsaberration derselben Abbildung zustande kommt) sollten für diese Ausführungsform im Beleüchtungssystem geeignet vorgehalten werden.
Schließlich ist in Fig. 3D (rechts unten) die Variation des Medians mit dem Feldwinkel und der Wellenlänge dargestellt. Auch dieser liegt überwiegend im Bereich von ±5 nm und erscheint ausreichend korrigiert. Der Median ist die Ablage des Schwerpunktes des Durchstoßdiagramms in der Bildebene vom Hauptstrahl und ist somit ein Maß für den Bildfehler Koma.
Prinzipiell kann das CaF2 in Blendennähe auch durch ein anderes geeignetes Material der Gruppe B mit anomaler partieller Teildispersion ersetzt werden, z.B. durch N-FK51 , S-FPL51 oder S-FPL53.
Ebenso ist es denkbar, die Korrektur des sekundären Spektrums durch Materialien mit anomaler Teildispersion in den Zerstreuungslinsen weiter zu unterstützen, etwa N-KzFS4, N- KzFS11 oder S-NBM51 , die alle zur Untergruppe C1 gehören.
Das Design enthält insgesamt acht asphärische Flächen, die die Korrektur der Aberrationen unterstützen (siehe Flächen mit Strien-Tripeln in Fig.1 ). Die Fertigung der asphärischen Flächen ist weitaus komplizierter und qualitätskritischer als die von sphärischen Flächen. Daher wurde darauf geachtet, gut bearbeitbare Materialien als Träger der asphärischen Flächen zu verwenden. Im Beispielsfall sind die asphärischen Flächen ausschließlich auf Quarzlinsen aufgebracht. In Fig. 4 ist ein schematischer meridionaler Linsenschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines refraktiven Projektionsobjektivs 400 gezeigt. Die Abfolge von Linsengruppen und Brechkräften ist die gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weshalb insoweit auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Insbesondere gibt es auch im Projektionsobjektiv 400 innerhalb des Blendenbereichs BB insgesamt fünf achromatisierend wirkende Positiv-Negativ- Doublets (Achromat-Doublets) mit einer Positivlinse aus relativem Kronmaterial (im Beispiel Calciumfluorid) und einer nachfolgenden Negativlinse aus relativem Flintmaterial, nämlich die Linsenpaare L12/L13, L14/L15, L16/L17, L18/L19 sowie L20/L21.
Bemerkenswerte Unterschiede gibt es vor allem bei zwei Aspekten. Zunächst wird als relatives Flintmaterial der Gruppe C bzw. der Untergruppe C1 ausschließlich das Material LLF1 verwendet (in den Linsen L1 , L4, L15, L24 und L26). Die Negativ-Meniskuslinse L15 des zweiten Positiv-Negativ-Doublets besteht also, anders als die Negativ-Meniskuslinse L14 des zweiten Positiv-Negativ-Doublets im ersten Ausführungsbeispiel, nicht aus LF5, sondern aus LLF1. Zwar ist das beim ersten Ausführungsbeispiel verwendete LF5 im Hinblick auf die Korrektur der chromatischen Fehler günstiger, zeigt jedoch eine deutlich größere Sensitivität auf lens heating. Das zweite Ausführungsbeispiel ist insoweit stabiler gegenüber durch lens heating verursachten Aberrationen.
Des Weiteren ist in der zweiten Linsengruppe LG2 im Bereich der Taille eine sammelnde Quarzglaslinse L8 (objektseitig konkave Positiv-Meniskuslinse) eingefügt, so dass die insgesamt mit negativer Brechkraft wirkende zweite Linsengruppe LG2 im Bereich kleinster Randstrahlhöhen ein gegen lens heating relativ stabiles Linsenmaterial aufweist, welches in Kombination mit den anderen Linsen (Negativlinsen) der zweiten Linsengruppe LG2 die Korrektur der Aberrationen weiter unterstützt.
In Fig. 5 sind in den Teilfiguren 5A bis 5D die für die Abbildungsleistung charakteristischen Parameter in analoger Weise aufgetragen wie in Fig. 3. Es ist erkennbar, dass sich insbesondere der RMS-Wert der Wellenfrontkorrektur (Fig. 5A) sowie die Hauptstrahlverzeichnung (Fig. 5B) gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel leicht verbessert haben.
Fig. 6 zeigt einen schematischen meridionalen Linsenschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines refraktiven Projektionsobjektivs 600, welches als Modifikation des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels angesehen werden kann. Der Grundaufbau mit der Abfolge von Linsengruppen und Brechkräften (Brechkraftfolge P-N-P-P) und die Ausgestaltung als Eintaillensystem sind deutlich erkennbar. Innerhalb des Blendenbereichs BB befinden sich fünf unmittelbar aufeinander folgende, achromatisierend wirkende Positiv-Negativ-Doublets, nämlich die Linsenpaare L13/L14, L15/L16, L17/L18, L19/L20 sowie L21/L22. Wie beim zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich innerhalb der zweiten Linsengruppe LG2 mit negativer Brechkraft im Bereich kleinster Randstrahlhöhe zwischen zwei bikonkaven Negativlinsen L8 und L10 eine sammelnd wirkende Positivlinse, nämlich die Positiv-Meniskuslinse L9. Eine Verbesserung der chromatischen Korrektur gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel kann dadurch erzielt werden, dass diese zusätzliche Sammellinse in der Taille (negative zweite Linsengruppe) nicht aus synthetischem Quarzglas, sondern aus einem relativen Flintmaterial der Gruppe C besteht, nämlich LLF1. Die hierdurch erzielbare stärkere chromatische Korrektur drückt sich bei der quantitativen Auswertung der Abbildungsleistung aus, die in Fig. 7 anhand der Teilfiguren 7A bis 7D analog zu den Darstellungen in den Fig. 3 und 5 angegeben ist.
Allen drei bisher im Detail dargestellten Ausführungsformen ist gemein, dass die Abweichung der Feldpunkte von der Telezentrie jeweils mit der Lichtwellenlänge variiert. Dies ist, wie bereits erwähnt, hauptsächlich dem Umstand geschuldet, dass keine gesonderten Maßnahmen zur Korrektur der chromatischen Längsaberration der Pupillenabbildung getroffen sind. Anhand von Fig. 8 wird dieser Zusammenhang näher erläutert.
Die Eintrittspupille eines Projektionsobjektivs ist das Abbild der Systemblende (definiert durch die Aperturblende AS) im Objektraum. Diese Abbildung wird vornehmlich von den Linsen zwischen der Objektebene OS und der Blendenposition vorgenommen, bei denen der Hauptstrahl (entsprechend dem Randstrahl der Pupillenabbildung) eine relativ große Strahlhöhe hat. Somit kann man sich das gesamte System durch die relativ nahe bei der Objektebene liegenden Sammellinsen und Zerstreuungslinsen ersetzt denken. Dies ist im unteren Teilbild von Fig. 8 schematisch dargestellt. Betrachtet man nun die Abbildung genauer, so ist zu erkennen, dass der Hauptstrahl CR durch die Vielzahl von Sammellinsen innerhalb der ersten Linsengruppe LG1 chromatisch unterkorrigiert in den Öbjektraum abgebildet wird. Zudem ist in der Nähe der Objektebene OS noch ein leicht zerstreuend wirkendes Positiv-Negativ-Doublet (Linsen L1 und L2) angeordnet, bei dem die Negativlinse (Zerstreuungslinse) aus einem relativen Kronmaterial (K) und die Sammellinse (Positivlinse) aus einem relativen Flintmaterial (F) besteht. Dieses Achromat-Doublet (d.h. dieses achromatisch wirkende Positiv-Negativ- Doublet) führt noch zu einer weiteren, deutlichen chromatischen Unterkorrektur der Pupillenabbildung. Als Folge dessen wird der längerwellige Hauptstrahl (Symbol r in Fig. 8) im Objektraum eine reelle Eintrittspupillenlage hervorrufen, während der kürzerwellige Hauptstrahl (Symbol b in Fig. 8) eine virtuelle Eintrittspupillenlage hervorrufen wird. Wenn diese chromatische Variation korrigiert werden soll, sollte in der Nähe der Objektebene chromatisch überkorrigiert werden. Dies kann dadurch realisiert werden, dass in optischer Nähe zur Objektebene ein Doublet verwendet wird, das in der Zerstreuungslinse ein relatives Flintmaterial und in der Sammellinse ein relatives Kronmaterial aufweist.
Eine mögliche praktische Umsetzung dieser Maßnahme wird anhand Fig. 9 erläutert, die einen meridionalen Linsenschnitt durch ein Projektionsobjektiv 900 gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt. Die erste Linsengruppe LG1 besteht aus insgesamt sechs Linsen L1 bis L6. Die zweite Linsengruppe LG2 besteht aus fünf Linsen L7 bis L11. Die dritte Linsengruppe besteht aus vier Linsen L12 bis L15. Die vierte Linsengruppe LG4 besteht aus den Linsen L16 bis L28. Im Blendenbereich sind vier achromatisch wirkende Positiv-Negativ-Doublets L14/L15, L16/L17, L18/L19 sowie L20/L21 angeordnet, die asymmetrisch um die Blendenposition verteilt sind, da sich nur eines dieser Doublets in der dritten Linsengruppe LG3 und drei der Doublets in der vierten Linsengruppe LG4 befinden.
Um die oben angesprochene Korrektur der chromatischen Längsaberration der Pupillenabbildung zu verbessern, befindet sich innerhalb der ersten Linsengruppe LG1 in optischer Nähe zur Objektebene OS ein Doublet aus einer zerstreuenden Linse L2 aus relativem Flintmaterial (LF5 aus Gruppe C) und einer sammelnden Linse L3 aus relativem Kronmaterial, nämlich dem Material FK5 aus Gruppe A.
Innerhalb der zweiten Linsengruppe LG2 befindet sich ähnlich wie beim dritten Ausführungsbeispiel eine Positivlinse L9 aus einem relativen Flintmaterial der Gruppe C, nämlich LF5. Obwohl es möglich wäre, diese Linse durch eine in Bezug auf lens heating günstigere Linse aus relativem Kronmaterial zu ersetzen (beispielsweise Si02), wird hier auf diesen möglichen Vorteil verzichtet, da durch diese Linse ein starker Beitrag zur chromatischen Korrektur der Petzval-Summe geleistet werden kann, indem sie relativ starke Flintbrechkraft bei kleiner Randstrahlhöhe bereitstellt.
In Fig. 10 ist die Abbildungsleistung des vierten Ausführungsbeispiels anhand der Teilfiguren 10A bis 10D in analoger Weise zu den Fig. 3, 5 und 7 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich insbesondere bei der chromatischen Variation der Telezentrieabweichung (Fig. 10C) deutliche Verbesserungen gegenüber den anderen Ausführungsbeispielen ergeben.
Anhand der Ausführungsbeispiele wird ersichtlich, dass es eine Reihe von Maßnahmen gibt, die bei dem dargestellten Objektivtyp (verkleinernd wirkendes, refraktives Eintaillensystem) einzeln oder in Kombination miteinander im Hinblick auf die Aufgabenstellung (chromatische Korrektur für gleichzeitige Nutzung von zwei oder drei Emissionslinien einer Quecksilberdampflampe) vorteilhaft sein können. Zunächst erscheint ein massiver Einsatz von Kronmaterial mit anormaler Teildispersion in Sammellinsen innerhalb des Blendenbereichs vorteilhaft. Die Materialien Calciumfluorid (CaF2) sowie N-FK51 , S-FPL51 oder S-FPL53 oder optisch ähnliche Materialien der Gruppe B aus Fig. 1 erscheinen hierzu vorteilhaft. Vorzugsweise sollten mindestens fünf Sammellinsen innerhalb des Blendenbereichs aus einem derartigen Linsenmaterial bestehen.
Die Verwendung von Linsenmaterialien aus der Gruppe A, wie zum Beispiel N-BK7 und/oder N- FK5 und/oder synthetisches Quarzglas (Si02) in Zerstreuungslinsen innerhalb des Blendenbereichs (als relatives Flintmaterial) erscheint vorteilhaft. Dabei ist der Einsatz von Si02 oder N-FK5 als Flintmaterial möglich, bietet jedoch hinsichtlich der chromatischen Korrektur weniger Möglichkeiten als das Material N-BK7 der gleichen Gruppe mit höherem Brechungsindex.
Die Verwendung eines relativen Flintmaterials der Gruppe C (z.B. LF5) in mindestens einer objektnahen Zerstreuungslinse erscheint günstig insbesondere im Hinblick auf die chromatische Variation der Eintrittspupillenlage.
Bei Linsen mit relativ geringem freien optischen Durchmesser, d.h. bei Linsen mit relativ hoher Strahlungsbelastung je Flächeneinheit, sollte nach Möglichkeit wegen der Gefahr des lens heatings oder der Gefahr strahlungsinduzierter Brechungsindexänderungen (compaction) auf Flintlinsen verzichtet werden. Insbesondere in unmittelbarer Nähe der Bildebene kann nach Möglichkeit auf ein gegen lens heating resistentes Material wie zum Beispiel synthetisches Quarzglas zurückgegriffen werden.
Durch den Einsatz von asphärischen Linsen kann die Wellenfrontkorrektur stark unterstützt werden, ohne die Anzahl der Linsen deutlich zu erhöhen. Asphärische Flächen sollten nach Möglichkeit aus Technologiegründen auf Linsen aus synthetischem Quarzglas aufgebracht werden. Es ist im Rahmen erfindungsgemäßer Lösungen möglich, alle asphärischen Linsen aus synthetischem Quarzglas zu fertigen.
Für eine starke Korrektur der chromatischen Variation der Eingangstelezentrie erscheint es vorteilhaft, wenn innerhalb der vierten Linsengruppe in der Nähe der Bildebene mindestens eine Zerstreuungslinse aus einem relativen Flintmaterial mit einer Sammellinse aus Kronmaterial kombiniert wird. In Fig. 11 ist ein Beispiel einer Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage WST gezeigt, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen einsetzbar ist und zur Erzielung von Auflösungen bis zu Bruchteilen von Mikrometern mit Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung aus dem Ultraviolettbereich (UV) und dem sichtbaren Bereich (VIS) arbeitet. Als primäre Strahlungsquelle bzw. Lichtquelle LS dient eine Quecksilberdampflampe. Diese emittiert ein breites Spektrum mit Emissionslinien relativ starker Intensität I in Wellenlängenbereichen mit Schwerpunktswellenlängen bei ca. 436 nm (sichtbares Licht, blau, g-Linie), ca. 405 nm (sichtbares Licht, violett, h-Linie) und ca. 365.5 nm (nahes Ultraviolett, UV-A, i-Linie). Dieser Teil des Spektrums ist in dem schematischen I^)-Diagramm gezeigt.
Ein der Lichtquelle LS nachgeschaltetes Beleuchtungssystem ILL erzeugt in seiner Austrittsfläche ES ein großes, scharf begrenztes und im Wesentlichen homogen ausgeleuchtetes Beleuchtungsfeld, das an die Telezentrie-Erfordernisse des im Lichtweg dahinter angeordneten Projektionsobjektivs PO angepasst ist. Das Beleuchtungssystem ILL hat Einrichtungen zur Einstellung unterschiedlicher Beleuchtungsmodi (Beleuchtungs-Settings) und kann beispielsweise zwischen konventioneller on-axis-Beleuchtung mit unterschiedlichem Kohärenzgrad σ und außeraxialer Beleuchtung (off-axis Illumination) umgeschaltet werden.
Diejenigen optischen Komponenten, die das Licht der Lichtquelle LS empfangen und aus dem Licht Beleuchtungsstrahlung formen, die auf das Retikel M gerichtet ist, gehören zum Beleuchtungssystem ILL der Projektionsbelichtungsanlage.
Hinter dem Beleuchtungssystem ist eine Einrichtung RS zum Halten und Manipulieren der Maske M (Retikel) so angeordnet, dass das am Retikel angeordnete Muster in der Objektebene OS des Projektionsobjektives PO liegt, welche mit der Austrittsebene ES des Beleuchtungssystems zusammenfällt und hier auch als Retikelebene OS bezeichnet wird.
Hinter der Retikelebene OS folgt das Projektionsobjektiv PO, das als Reduktionsobjektiv wirkt und ein Bild des an der Maske M angeordneten Musters in reduziertem Abbildungsmaßstab, beispielsweise im Maßstab 1 :4 ( | ß| = 0.25) oder 1 :5 ( | ß | = 0.20), auf ein mit einer Fotoresistschicht bzw. Fotolackschicht belegtes Substrat W abbildet, dessen lichtempfindliche Substratoberfläche SS im Bereich der Bildebene IS des Projektionsobjektivs PO liegt.
Das zu belichtende Substrat, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Halbleiterwafer W handelt, wird durch eine Einrichtung WS gehalten, die auch als„Waferstage" bezeichnet wird. Das vom Beleuchtungssystem ILL erzeugte Beleuchtungsfeld definiert das bei der Projektionsbelichtung genutzte effektive Objektfeld OF. Dieses ist im Beispielsfall rechteckförmig, hat eine parallel zur y-Richtung gemessene Höhe A* und eine senkrecht dazu (in x-Richtung) gemessene Breite B* < A*. Das Aspektverhältnis AR = B*/A* liegt bei ca. 26 / 33. Das effektive Objektfeld liegt zentriert zur optischen Achse (on-axis Feld). Das zum effektiven Objektfeld optisch konjugierte effektive Bildfeld in der Bildfläche IS hat die gleiche Form und das gleiche Aspektverhältnis zwischen Höhe B und Breite A wie das effektive Objektfeld, die absolute Feldgröße ist jedoch um den Abbildungsmaßstab ß des Projektionsobjektivs reduziert, d.h. A = I ß I A* und B = | ß | B*. Die Feldgröße des Bildfeldes beträgt ca. 26 x 33 mm, so dass ein kompletter„Die" in einem einzigen Belichtungsschritt ohne Scannen belichtet werden kann. Der Begriff „Die" bezeichnet in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik ein einzelnes ungehäustes Stücks eines Halbleiter-Wafers. Dementsprechend ist die Projektionsbelichtungsanlage für einen Step-and-Repeat-Prozess als Wafer-Stepper ausgelegt. Auf Einrichtungen zur Durchführung von Scan-Operationen für die Belichtung eines Dies kann verzichtet werden.
Das Projektionsobjektiv ist gemäß einer Ausführungsform der beanspruchten Erfindung ausgelegt und hat eine bildseitige numerische Apertur NA im Bereich von 0.3 < NA < 0.6, z.B. NA = 0.5.
Der die g-Linie, h-Linie und i-Linie einschließende Teil des Spektrums der Quecksilberdampflampe kann ohne spektrale Einengung der drei genutzten Emissionslinien zur Belichtung verwendet werden. Daher kann auf entsprechende Einengungseirichtungen, wie z.B. Filter, verzichtet werden.
Die Spezifikationen der in den Zeichnungsfiguren gezeigten Projektionsobjektive sind in den am Ende der Beschreibung zusammengestellten Tabellen angegeben, deren Nummerierung jeweils der Nummerierung der entsprechenden Zeichnungsfigur entspricht.
In den Tabellen ist die Spezifikation des jeweiligen Designs in tabellarischer Form zusammengefasst. Dabei gibt Spalte„SURF" die Nummer einer brechenden oder auf andere Weise ausgezeichneten Fläche, Spalte„RADIUS" den Radius r der Fläche (in mm), Spalte „THICKNESS" den als Dicke bezeichneten Abstand d der Fläche zur nachfolgenden Fläche (in mm) und Spalte„MATERIAL" das Material der optischen Komponenten an. Spalten„INDEX1", INDEX2" und „INDEX3" 5 geben den Brechungsindex des Materials bei den Design- Arbeitswellenlängen 405 nm (INDEX1), 365 nm (INDEX2) und 436 nm (INDEX3) an: In Spalte „SEMIDIAM" sind die nutzbaren, freien Radien bzw. die halben freien optischen Durchmesser der Linsen (in mm) bzw. der optischen Elemente angegeben. Der Radius r=0 (in der Spalte „RADIUS") entspricht einer Ebene. Einige optische Flächen sind asphärisch. Tabellen mit Zusatz„A" geben die entsprechenden Asphärendaten an, wobei sich die asphärischen Flächen nach folgender Vorschrift berechnen: p(h)=[((1/r)h2)/(1+SQRT(1-(1 +K)(1/r)2h2))]+C1*h +C2*h6+....
Dabei gibt der Kehrwert (1/r) des Radius die Flächenkrümmung und h den Abstand eines Flächenpunktes von der optischen Achse (d.h. die Strahlhöhe) an. Somit gibt p(h) die Pfeilhöhe, d.h. den Abstand des Flächenpunktes vom Flächenscheitel in z-Richtung (Richtung der optischen Achse). Die Konstanten K, C1 , C2, ... sind in den Tabellen mit Zusatz „A" wiedergegeben.
Alle Projektionsobjektive der Ausführungsbeispiele sind als Trockenobjektive mit einer bildseitigen numerischen Apertur NA=0,5 ausgelegt. Die Objekthöhe beträgt bei allen Ausführungsbeispielen jeweils 84 mm, was bei einem Abbildungsmaßstab von 4:1 einer Bildhöhe von 21 mm entspricht.
Tabelle 2 (M557)
SURF RADIUS THICKNESS MATERIAL IN EX1 (405nm) INDEX2 (365nm) INDEX3 (436nm) SEMIDIAM.
0 0,000000 32,000000 84,0
1 0,000000 0,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 88,4
2 0,000000 10,488214 88,4
3 -3066,588980 22,492590 LLF1 1,569035 1,579320 1,563301 89,6
4 -301,851942 1,579616 90,6
5 -373,563065 10,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 90,5
6 194,039093 142,115106 92,9
7 -1372,992013 37,210129 LLF1 1,569035 1,579320 1,563301 124,6
8 -255,045857 0,500000 126,5
9 288,543105 50,184066 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 126,6
10 -657,477385 0,996820 125,2
11 135,554836 50,182456 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 104,2
12 682,222453 0,999227 98,9
13 301,157852 15,567401 LLF1 1,569035 1,579320 1,563301 92,7
14 424,615272 8,907724 86,7
15 712,903444 10,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 83,0
16 77,410124 35,517374 61,5
17 -2404,634835 10,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 60,1
18 150,108851 47,428114 55,7
19 -77,101931 10,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 53,2
20 150,030483 54,102293 61,8
21 -620,724447 41,257957 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 82,3
22 -119,247987 30,680085 86,3
23 327,458398 52,459389 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 102,3
24 -210,116733 0,998527 102,5
25 -290,186224 9,998661 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 100,8
26 217,560111 6,993915 101,1
27 249,928586 61,456926 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 102,2
28 -188,004673 1,960630 102,6
29 -234,192516 10,000000 LF5 1,606590 1,619262 1,599610 100,1
30 -677,382127 0,998509 100,9
31 418,918086 45,351036 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 100,2
32 -218,207291 0,995405 99,2
33 -259,625842 10,000000 N-BK7 1,530196 1,536270 1,526668 96,4
34 185,890992 17,419670 92,7
35 0,000000 -16,163247 89,9
36 175,480435 59,683963 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 94,4
37 -208,385035 0,997407 94,8
38 -233,843658 10,000000 N-B 7 1,530196 1,536270 1,526668 94,1
39 317,971368 0,996606 95,9
40 170,659301 54,393032 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 100,5
41 -418,731762 14,011575 99,8
42 -231,859939 10,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 99,0
43 370,085048 0,996483 99,6
44 190,682107 49,052845 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 103,0
45 -584,264051 10,964524 102,6
46 209,648222 41,386413 CAFUV 1,441484 1,444913 1,439477 96,9
47 -580,650786 0,998806 94,4
48 197,357516 26,186853 LLF1 1,569035 1,579320 1,563301 82,0
49 1806,964362 14,549356 77,4
50 -346,593645 10,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 74,2
51 78,931585 1,991540 59,0
52 78,728491 34,825467 LLF1 1,569035 1,579320 1,563301 58,9
53 607,396108 7,140922 54,9
54 -2059,513172 59,658346 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 52,6
55 -720,426837 1,998010 31,6
56 0,000000 5,000000 SILUV 1,469595 1,474550 1,466705 30,0
57 0,000000 12,000001 28,2
58 0,000000 0,000000 21,0 Tabelle 2A
Figure imgf000033_0001
Tabelle 4 (M559)
Figure imgf000034_0001
Tabelle 4A
Figure imgf000035_0001
Tabelle 6
Figure imgf000036_0001
Tabelle 6A
Figure imgf000037_0001
Tabelle 9 (M534)
Figure imgf000038_0001
Tabelle 9A
Figure imgf000039_0001

Claims

Patentansprüche
1. Refraktives Projektionsobjektiv (PO) zur Abbildung eines in einer Objektebene (OS) des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in eine Bildebene (IS) des Projektionsobjektivs mittels elektromagnetischer Strahlung einer Quecksilberdampflampe (LS) mit:
einer Vielzahl von Linsen, die entlang einer optischen Achse (AX) zwischen der Objektebene (OS) und der Bildebene (IS) angeordnet und derart ausgebildet sind, dass ein in der Objektebene angeordnetes Muster (PAT) mittels der Linsen in einem verkleinernden Abbildungsmaßstab in die Bildebene abbildbar ist, wobei
die Linsen erste Linsen aus einem ersten Material mit relativ niedriger Abbe-Zahl und zweite Linsen aus einem zweiten Material mit relativ zu dem ersten Material höherer Abbe-Zahl umfassen und das Projektionsobjektiv ausschließlich die folgenden Linsengruppen aufweist:
eine der Objektebene (OS) folgende erste Linsengruppe (LG1) mit positiver Brechkraft; eine der ersten Linsengruppe (LG1) folgende zweite Linsengruppe (LG2) mit negativer Brechkraft zur Erzeugung einer Taille um einen Bereich minimaler Randstrahlhöhen zwischen der Objektebene und der Bildebene;
eine der zweiten Linsengruppe (LG2) folgende dritte Linsengruppe (LG3) mit positiver Brechkraft zwischen der zweiten Linsengruppe und einer zur Anbringung einer Aperturblende (AS) geeigneten Blendenposition (BP); und
einer vierten Linsengruppe (LG4) mit positiver Brechkraft zwischen der Blendenposition (BP) und der Bildebene,
wobei erste und zweite Linsen derart kombiniert sind, dass Aberrationen der Abbildung gleichzeitig für Wellenlängenbereiche von mindestens zwei Emissionslinien der Quecksilberdampflampe korrigiert sind.
2. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 , worin erste und zweite Linsen derart kombiniert sind, dass Aberrationen der Abbildung gleichzeitig für Wellenlängenbereiche von drei Emissionslinien der Quecksilberdampflampe (LS) bei ca. 365 nm, ca. 405 nm und ca. 436 nm korrigiert sind.
3. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, worin das Projektionsobjektiv eine bildseitige numerische Apertur NA im Bereich von 0.3 < NA < 0.6 aufweist und/oder worin der Abbildungsmaßstab 1 :4 oder weniger beträgt und/oder worin das Projektionsobjektiv für ein effektives Bildfeld mit einer Bildhöhe von 21 mm oder mehr korrigiert ist.
4. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Blendenbereich (BB) um die Blendenposition (BP) existiert, in welchem für ein Verhältnis zwischen einer Hauptstrahlhöhe CRH und einer Randstrahlhöhe MRH der Abbildung die Bedingung CRH / MRH < 0.3 gilt, wobei innerhalb des Blendenbereichs (BB) mehrere Positiv-Negativ-Doublets mit einer Positivlinse aus einem zweiten Material und einer Negativlinse aus einem ersten Material angeordnet sind.
5. Projektionsobjektiv nach Anspruch 4, worin innerhalb des Blendenbereichs (BB) drei, vier oder fünf Positiv-Negativ-Doublets mit jeweils einer Positivlinse aus einem zweiten Material und einer Negativlinse aus einem ersten Material angeordnet sind.
6. Projektionsobjektiv nach Anspruch 4 oder 5, worin in einem, mehreren oder allen der Positiv-Negativ-Doublets innerhalb des Blendenbereichs (BB) das zweite Material Kalziumfluorid (CaF2) oder ein anderes Material mit anormaler Teildispersion ist.
7. Projektionsobjektiv nach Anspruch 4, 5 oder 6, worin in mindestens einem Positiv- Negativ-Doublet im Blendenbereich (BB) die Negativlinse aus einem ersten Material mit anormaler Teildispersion besteht.
8. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 7, worin in mindestens einem Positiv-Negativ-Doublet im Blendenbereich (BB) die Positivlinse aus Kalziumflourid und die Negativlinse aus synthetischem Quarzglas besteht.
9. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 8, worin in Bezug auf die Blendenposition (BP) eine unsymmetrische Verteilung von Positiv-Negativ-Doublets innerhalb des Blendenbereichs (BB) vorliegt, wobei vorzugsweise eine Anzahl von Positiv-Negativ-Doublets innerhalb der vierten Linsengruppe (LG4) höher ist als die Anzahl von Positiv-Negativ-Doublets innerhalb der dritten Linsengruppe (LG3).
10. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin in der vierten Linsengruppe (LG4) eine Positivlinse (L25, L26, L27) aus einem ersten Material in der Nähe der Bildebene (IS) in einem Bereich geringer Randstrahlhöhe angeordnet ist.
11. Projektionsobjektiv nach Anspruch 10, worin die Positivlinse (L25, L26, L27) eine konvex gekrümmte Eintrittsfläche und eine konkave Austrittsfläche aufweist.
12. Projektionsobjektiv nach Anspruch 10 oder 11 , worin zwischen der Positivlinse (L25, L26, L27) und der Bildebene (IS) eine Einzellinse aus synthetischem Quarzglas (Si02) angeordnet ist.
13. Projektionsobjektiv nach Anspruch 10, 11 oder 12, worin ein optischer freier Durchmesser der Positivlinse (L25, L26, L27) an der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche größer ist als bei einer Linse mit minimalem optischen freien Durchmesser innerhalb des Projektionsobjektivs.
14. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Vielzahl der Linsen als asphärische Linsen mit mindestens einer rotationssymmetrischen asphärischen optischen Fläche ausgelegt sind.
15. Projektionsobjektiv nach Anspruch 14, worin wenigstens 80% der asphärischen Linsen aus synthetischem Quarzglas bestehen.
16. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin in der zweiten Linsengruppe (LG2) zwischen einer objektseitigen ersten Negativlinse und einer bildseitigen zweiten Negativlinse eine Positivlinse (L8, L9) angeordnet ist.
17. Projektionsobjektiv nach Anspruch 16, worin die Positivlinse (L8) aus synthetischem Quarzglas besteht oder worin die Positivlinse (L9) aus einem ersten Material besteht.
18. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin in der ersten Linsengruppe (LG1) ein Positiv-Negativ-Doublet mit einer Positivlinse aus einem zweiten Material und einer Negativlinse aus einem ersten Material angeordnet ist.
19. Projektionsobjektiv nach Anspruch 18, worin das Positiv-Negativ-Doublet zwischen der Objektebene und einem Bereich maximaler Randstrahlhöhe innerhalb der ersten Linsengruppe (LG) angeordnet ist.
20. Projektionsobjektiv nach Anspruch 18 oder 19, worin das Positiv-Negativ-Doublet unmittelbar auf die Objektebene folgt.
21. Projektionsbelichtungsanlage zur Belichtung eines im Bereich einer Bildebene eines Projektionsobjektivs angeordneten strahlungsempfindlichen Substrats mit mindestens einem Bild eines im Bereich einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters einer Maske mit:
einer Quecksilberdampflampe (LS) zur Abgabe von Strahlung mit Emissionslinien bei ca. 365 nm, ca. 405 nm und ca. 436 nm;
einem Beleuchtungssystem (ILL) zum Empfang des Lichtes der Quecksilberdampflampe und zur Formung von auf das Muster der Maske gerichteter Beleuchtungsstrahlung; und einem Projektionsobjektiv (PO) zur Abbildung der Struktur der Maske auf ein lichtempfindliches Substrat;
wobei das Projektionsobjektiv gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgestaltet ist.
22. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 21 , worin der Quecksilberdampflampe (LS) kein Filter zur spektralen Einengung der Bandbreite einer der Emissionslinien zugeordnet ist.
23. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 21 oder 22, worin die Projektionsbelichtungsanlage als Wafer-Stepper für einen Step-and-Repeat-Prozess ausgelegt ist.
24. Projektionsbelichtungsverfahren zur Belichtung eines strahlungsempfindlichen Substrates mit mindestens einem Bild eines Musters einer Maske mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Musters zwischen einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv einer Projektionsbelichtungsanlage derart, dass das Muster im Bereich der Objektebene des Projektionsobjektivs angeordnet ist;
Halten des Substrats derart, dass eine strahlungsempfindliche Oberfläche des Substrats im Bereich einer zur Objektebene optisch konjugierten Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnet ist;
Beleuchten eines Beleuchtungsbereichs der Maske mit einer von dem Beleuchtungssystem bereitgestellten Beleuchtungsstrahlung einer
Quecksilberdampflampe (LS);
Projizieren eines in dem Beleuchtungsbereich liegenden Teils des Musters auf ein Bildfeld am Substrat mit Hilfe des Projektionsobjektivs, wobei alle zur Bilderzeugung im Bildfeld beitragenden Strahlen der Projektionsstrahlung einen Projektionsstrahlehgang bilden,
worin ein Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 20 verwendet wird. Projektionsbelichtungsverfahren nach Anspruch 24, worin einzelne Dies des Substrats in einen Step-and-Repeat-Prozess ohne Scannen mittels Licht von zwei oder drei der bei ca. 365 nm, ca. 405 nm und ca. 436 nm liegenden Emissionslinien der Quecksilberdampflampe belichtet werden.
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