专利名称：投影光学系统以及具备此投影光学系统的曝光装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种用以将第1面的影像投影至第2面上的投影光学系统，且特别是有关于一种适于将作为第1面的光栅(光罩)上所形成的半导体用图案，在作为第2面的基板(晶圆)上缩小投影曝光的投影光学系统以及使用此投影光学系统的曝光装置。
近年来为了对应转移图案的细微化，曝光光源由主要使用的i线(波长365nm)改为使用氟化氪(KrF，波长248nm)激光，或是更进一步的使用氟化氩(ArF，波长193nm)激光。
近年来，特别是ArF激光，即使朝向将光学元件所使用的激光光源窄频宽化改进，然而依然具有数pm程度的一半频宽。此种光源拿来作为构成玻璃材料多数为石英的投影光学系统的光源使用的话，将会发生无法忽略数量的色相差。此结果将会导致影像的对比降低，而成为影像劣化的原因。
因此，虽然期望能将激光窄频宽化，然而激光的窄频宽化还包含了窄频宽化元件的时间劣化等多数的问题不容易克服，而有其界限存在。此处一般的做法是加入以其它种类玻璃材料所构成的透镜，以补正其色相差。其它的玻璃种类是使用萤石。萤石不仅是色像差，也能够抑制照射变动。对于以未进行窄频宽化的激光作为光源，采用萤石作为光学系统的组成而言，其光学系统的构成枚数的半数以上由萤石所构成。但是萤石不仅高价、加工性不佳，温度变动会导致面的变化大，因此成为光学系统的性能劣化的一个原因。
为了解决上述的问题，依本发明的第1观点，提供一种投影光学系统，含有以萤石形成的透镜成份与以石英形成的透镜成份，将第1面的影像投影至第2面上的投影光学系统，其特征包括至少含有一个以萤石形成的透镜成份，具有正折射力的第1透镜群、配置于前述第1透镜群以及前述第2面之间的光路中，具有负折射力的第2透镜群、配置于前述第2透镜群以及前述第2面之间的光路中，具有正折射力的第3透镜群，其中前述以石英形成的透镜成份的枚数为Snum，前述以萤石形成的透镜成份的枚数为Cnum，前述投影光学系统的前述第2面侧的数值孔径为NA时，满足下列条件。
Snum＞Cnum(1)NA＞0.7 (2)
具有正折射力的第1透镜群，将由第1面射出的远心(telecentric)光束传递至第2透镜群的同时，预先产生正歪曲像差，此由第2、第3透镜群所产生的负歪曲像差予以补正。具有负折射力的第2透镜群主要是给予佩兹伐(Patzval)和的补正，而实现像面的平坦性。具有正折射力的第3透镜群，将由第2透镜群所传递的光束以速心影像投影至第2面上，主要所担任的角色是尽量抑制球面像差发生的成像。
如同一般所知的，ArF激光对石英玻璃材料会产生吸收或是压缩(Compaction)等的照射变动。此处由使用具有正折射力的第1透镜群中的至少一枚以上的萤石玻璃材料，而能够控制石英玻璃材料所导致的照射变动的像差变化。于第1透镜群中，通过光轴中心的光束(部分(partial)径)与通过周边的光束，由于两者于透镜面距离较远的缘故，于第1透镜群发生照射变动的场合，慧形(coma)像差或投影区域的中心与周边的差值变的相当显著，且像差变动变大。因此，由在第1透镜群中使用萤石，而能够有效率的抑制照射变动所致的像差劣化。
条件式(1)规定了对构成本发明投影光学系统的充要萤石使用枚数。依本发明投影光学系统的构成，能够削减透镜使用枚数，而且光学系统全体能够小型化，依此轴上色像差也依比例的变小。因此，由于能够降低色像差，本发明的设计性能能够维持与公知的投影光学系统相同。
条件式(2)规定了能够达成本发明投影光学系统的构成的数值孔径。由光学系统的小型化，具有正折射力的第3透镜群的折射力功率变强，而能够实现条件式(2)的高数值孔径的投影光学系统。此时在持续维持各像差的情况下，为了使光学系统更小型化，而较佳能在具有负折射力的第2透镜群内至少具有1面以上的非球面(aspheric surface)。而且，低于条件式(2)的下限的话，第3透镜群的功率变弱，投影光学系统全体大型化，于此成比例的色像差也恶化。
依本发明的第2观点，前述第1透镜群中的前述以萤石形成的透镜成分之中的至少一个透镜成分，较佳具有正折射力。如上述第1透镜群的构成，由第1透镜群所引起的横像差或投影区域的中心与周边的差值等，依照射变动所致的像差劣化的影响，大于其它透镜群所引起的影响。特别是凸透镜的通过玻璃材料的光路长，相较于周边光束，通过光轴中心光束的光路较长。因此容易受到玻璃材料的照射变动影响。依此，由有效率的抑制照射变动所致的像差变动的观点观之，较佳是将萤石玻璃材料使用在具有正折射力的透镜。而且，即使由萤石与石英的折射率差以色消的观点观之，较佳是将萤石玻璃材料使用在具有正折射力的透镜。
而且，依照本发明的第3观点，前述第3透镜群中，较佳至少具有一个前述以萤石形成的透镜成分。由于由第2透镜发散的光束是由第3透镜群进行集束，因此第3透镜群的各透镜的照射能量密度变高。此现象为照射变动之中一种的“压缩”的发生原因。于第3透镜群使用萤石的话，能够得到降低此压缩影响的效果。再者，将萤石玻璃材料使用于照射能量密度集中面上具有相近厚度的玻璃材料上的话，能够更效率良好的进行压缩的补正。
依本发明的第4观点，由前述第1面至前述第2面的距离为L，由前述第1面至前述第1透镜群的最接近前述第2面侧的透镜面为止的距离为L1，前述第2透镜群的焦点距离为f2时，较佳能满足下列数学式。
0.2＜L1/L＜0.5 (3)0.03＜-f2/L＜0.10(4)条件式(3)对全系统规定第1透镜群的适当正折射力。超过条件式(3)的上限值的话，将无法补正第2透镜群所发生的负歪曲像差。低于条件式(3)的下限值的话，则会成为发生高次正歪曲像差的原因而较为不佳。
条件式(4)对全系统规定第2透镜群的适当负折射力。超过条件式(4)的上限值的话，佩兹伐和的补正将变的不足够，而导致像面平坦性的劣化。低于条件式(4)的下限值的话，则会导致发生高次球面像差，而成为影像的对比劣化的原因。
依照本发明的第5观点，前述第1透镜群，较佳至少具有一个非球面形状的透镜面。依此能够更良好的补正歪曲像差。
依照本发明的第6观点，构成前述投影光学系统的透镜群，也可以仅由前述第1透镜群、前述第2透镜群、前述第3透镜群所构成。
依照本发明的第7观点，前述投影光学系统，也可以对具有200nm以下的中心波长的光进行最佳化的构成。
依照本发明的第8观点，提供一种投影曝光装置，此投影曝光装置将设置于投影原版的图案的缩小影像于产品(work)上投影曝光，其特征为具有具有200nm以下的中心波长的光源、将来自前述光源的曝光光线导向前述投影原版上的前述图案的照明光学系统、依前述观点的投影光学系统，前述投影原版能够配置于前述第1面，且前述产品能够配置于前述第2面。
图5为本发明实施例的投影曝光装置的构成图。
附图
标记说明AS孔径光圈ASP11、ASP12非球面形状的透镜面G1第1透镜群G2第2透镜群G3第3透镜群IS照明光学装置LP11、LP12、LP13、LP14、LP15透镜PL投影光学系统R光栅RS光栅载物台W晶圆WS晶圆载物台第一实施例的投影光学系统的项目值表示如表1。而且，各非球面的非球面系数表示如表2。非球面与光轴垂直方向的高度表示为y，沿着由非球面顶点的接平面至高度y的沿着非球面上的位置为止的光轴距离(下垂量)为z，顶点曲率半径为r，圆锥系数为K，n次的非球面系数为A～F时，表示如下列的数学式。
Z＝(y2/r)/[1+{1-(1+k).y2/r2}1/2]+A.y4+B.y6+C.y8+D.y10+E.y12+F.y14此处，本实施例项目值的曲率半径，能够使用mm作为面间隔的单位的一范例。于波长193.3nm的各玻璃材料的折射率如下所示。
SiO21.5603261CaF21.5014548表1
表2
条件式对应值如下所示Snum＝17，Cnum＝5NA＝0.78L＝1248.653L1＝412.086f2＝-45.108L1/L＝0.330-f2/L＝0.036于图2为本实施例的投影光学系统的正切方向(TANGENTIAL方向)以及球切方向(SAGITTAL方向)的横像差(慧形像差)。于图中，Y表示像高，本实施例的投影光学系统的最大像高为13.7。图中，实线表示波长193.3060nm。虚线表示波长193.3056nm的像差。由像差图能够了解，本实施例的投影光学系统，由像高0至最大像高13.7的区域内，对色像差能进行良好的补正。第二实施例图3为本发明第二实施例的投影光学系统的透镜构成示意图。本实施例的投影光学系统玻璃材料使用石英(SiO2)以及萤石(CaF2)，将作为第1面的光栅R的影像向作为第2面的晶圆W远心投影。此投影光学系统由光栅R侧开始，依序由具有正折射力的第1透镜群G1、具有负折射力的第2透镜群G2、具有正折射力的第3透镜群G3所构成。第1透镜群G1包含有以萤石形成且具有正折射力的透镜LP21、LP22、LP23、LP24、LP25、LP26，而且，包含非球面形状的透镜面ASP21、ASP22。第3透镜群G3包含有以萤石形成的透镜LP27、LP28、LP29、LP30、LP31。孔径光圈AS配置于第3透镜群G3中。此投影光学系统的基准波长为193.3nm。
第二实施例的投影光学系统的项目值表示如表3。而且，各非球面的非球面系数表示如表4。非球面系数的定义与前述数学式相同。此处，本实施例的项目值的曲率半径，能够使用mm作为面间隔的单位的一范例。表3
表4
条件式对应值如下所示Snum＝14，Cnum＝11NA＝0.8
L＝1323.330L1＝557.251f2＝-40.547L1/L＝0.421-f2/L＝0.031图4为本实施例的投影光学系统的正切方向(TANGENTIAL方向)以及球切方向(SAGITTAL方向)的横像差(慧形像差)。于图中，Y表示像高，本实施例的投影光学系统的最大像高为13.7。图中，实线表示波长193.3060nm，虚线表示波长193.3064nm的像差。由像差图能够了解，本实施例的投影光学系统，由像高0至最大像高13.7的区域内，对色像差能进行良好的补正。
图5为前述第一实施例或是第二实施例的投影光学系统作为投影光学系统PL适用于曝光装置的构成图。将形成预定图案的投影原版，配置于投影光学系统PL的光栅R面，并将作为产品的已涂布光阻晶圆W，配置于于投影光学系统PL的晶圆W面。光栅R保持于光栅载物台RS上，且晶圆W保持于晶圆载物台WS上。在光栅R的上方配置有包含曝光光源，且对光栅R均匀照明的照明光学装置IS。曝光光源此处使用ArF激光。
由光源所供给的曝光光线经过照明光学装置IS内的光学系统(未图标)，近乎均匀的对光栅R照明。在照明光学装置IS内的光学系统，也可以包含用以将曝光光线的照度分布均匀化的蝇眼透镜(fly eyelens)或内面反射型积分器(integrator)，或是用以形成预定尺寸、形状面光源的光积分器，或是用以规定光栅R上的照明区域尺寸、形状的可变视野光圈(标线片遮帘，reticle blind)，或是将此视野光圈的影像投影至光栅R上的成像光学系统等的光学系统。被照明的光栅R上图案的影像，经由投影光学系统PL缩小投影倍率而曝光、转移至晶圆W上。
以上为参照附图对本发明的实施例做说明，然而本发明并非限定于上述实施例。熟知此技术者由权利要求书内所记载的技术思想范围中，经联想推知所得到的各种变更例或是修正例，此些变更例或是修正例当然也属本发明的技术范围。
例如是，上述实施例的光源举出使用ArF激光的例子做说明，然而本发明并非必定限定于使用ArF激光。
由上述本发明的详细说明，本发明提供一种投影光学系统，即使在不使用窄频宽化激光作为光源，以及尽量避免使用萤石的场合，在维持设计性能之外，也能够良好的进行色像差的补正以及照射变动的抑制。而且，依本发明的其它观点，本发明提供一种投影曝光装置，能够使用短波长的曝光光线而高分辨率的形成细微的电路图案。
权利要求
1.一种投影光学系统，含有一以萤石形成的透镜成份与一以石英形成的透镜成份，将一第1面的影像投影至一第2面上，其特征为该投影光学系统包括一第1透镜群，至少含有一个该以萤石形成的透镜成份，且该第1透镜群具有正折射力；一第2透镜群，配置于该第1透镜群以及该第2面之间的光路中，且该第2透镜群具有负折射力；以及一第3透镜群，配置于该第2透镜群以及该第2面之间的光路中，且该第3透镜群具有正折射力其中该以石英形成的透镜成份的枚数为Snum，该以萤石形成的透镜成份的枚数为Cnum，该投影光学系统的该第2面侧的数值孔径为NA时，满足下列条件。Snum＞CnumNA＞0.7
2.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征为该第1透镜群中的该以萤石形成的透镜成分之中的至少一个透镜成分具有正折射力。
3.如权利要求2所述的投影光学系统，其特征为该第3透镜群中，至少具有一个该以萤石形成的透镜成分。
4.如权利要求3所述的投影光学系统，其特征为由该第1面至该第2面的距离为L，由该第1面至该第1透镜群的最接近该第2面侧的透镜面为止的距离为L1，该第2透镜群的焦点距离为f2时，满足下列数学式。0.2＜L1/L＜0.50.03＜-f2/L＜0.10
5.如权利要求4所述的投影光学系统，其特征为该第1透镜群至少具有一个非球面形状的透镜面。
6.如权利要求5所述的投影光学系统，其特征为构成该投影光学系统的透镜群，仅由该第1透镜群、该第2透镜群、该第3透镜群所构成。
7.如权利要求6所述的投影光学系统，其特征为该投影光学系统是对具有200nm以下的中心波长的光作最佳化。
8.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征为该第3透镜群中，至少具有一个该以萤石形成的透镜成分。
9.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征为由该第1面至该第2面的距离为L，由该第1面至该第1透镜群的最接近该第2面侧的透镜面为止的距离为L1，该第2透镜群的焦点距离为f2时，满足下列数学式。0.2＜L1/L＜0.50.03＜-f2/L＜0.10
10.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征为该第1透镜群至少具有一个非球面形状的透镜面。
11.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征为构成该投影光学系统的透镜群，仅由该第1透镜群、该第2透镜群、该第3透镜群所构成。
12.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征为该投影光学系统是对具有200nm以下的中心波长的光作最佳化。
13.一种投影曝光装置，将设置于一投影原版的一图案的缩小影像于一产品(work)上投影曝光，其特征为该投影曝光装置包括一光源，具有200nm以下的中心波长；一照明光学系统，将来自该光源的曝光光线导向该投影原版上的该图案；以及一投影光学系统，依照权利要求1至12的任一项所记载；其中该投影原版能够配置于该第1面，且该产品能够配置于该第2面。
14.一种投影曝光方法，是将设置于一投影原版的一图案的缩小影像于一产品上投影曝光，其特征为该投影曝光方法包括下列步骤供给具有200nm以下的中心波长的一曝光光源；将该曝光光线导向该投影原版上的该图案；以及使用权利要求1至12的任一项所记载的投影光学系统，将配置于该第1面的该投影原版上的该图案的影像，投影至该第2面上所配置的该产品。
全文摘要
一种投影光学系统,含有以萤石形成的透镜成份与以石英形成的透镜成份,将第1面的影像投影至第2面上的投影光学系统,此投影光学系统包括:至少含有一个以萤石形成的透镜成份,具有正折射力的第1透镜群、配置于第1透镜群以及第2面之间的光路中,具有负折射力的第2透镜群、配置于第2透镜群以及第2面之间的光路中,具有正折射力的第3透镜群。以石英形成透镜成份的枚数为Snum,以萤石形成透镜成份的枚数为Cnum,投影光学系统的第2面侧的数值孔径为NA时,满足下列条件。Snum>Cnum NA>0.文档编号G02B13/18GK1374560SQ0210354
公开日2002年10月16日 申请日期2002年2月7日 优先权日2001年2月21日
发明者铃木刚司 申请人:尼康股份有限公司