用于显微光刻投影曝光装置的传输光学元件和物镜的制作方法

专利名称：用于显微光刻投影曝光装置的传输光学元件和物镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于在显微光刻术的投影曝光装置的物镜中使用的传输光学元件以及显微光刻术的投影曝光装置中的物镜。本发明特别涉及具有至少一个光学元件的物镜。
背景技术：
显微光刻术的投影曝光装置用来产生半导体设备和其它精密结构部件、如集成电路或LCD。这样的投影曝光装置不仅包括用于光掩膜或分度线照明的光源和照明系统，还包括投影物镜，它将分度线图案投影到光敏衬底(如已被涂上光刻胶的硅片)上。
迄今为止，特别是如下三种方法已被接受以产生数量级小于100nm的更小结构首先，试图将投影物镜的像侧数值孔径NA扩大到更大的范围。其次，照明光的波长更进一步被减小，最好是小于250nm的波长(例如248nm、193nm、157nm或甚至更小)。最后，进一步的测量用来增强分辨率，如相移掩模、多极照明或倾斜照明。
另一种增加分辨能力的方法基于将浸液引入到中间空间的想法，它保持在投影物镜像侧上的最近光学元件特别是透镜和待曝光的光刻胶或另一光敏层之间。该技术被称为浸入式光刻术。设计用于浸液操作的投影物镜也因此被称为浸液物镜。
浸入式光刻术的优势源于浸液相对真空的较高的折射率容许照明波长被减小到有效照明波长的事实。这导致分辨率和焦深的增加。
当使用高折射率的浸液时，进入光刻胶的入射角的相当大的增加相比没有浸液的系统是可能的。这容许了更大于1.0的数值孔径(NA)值。然而为了容许高折射率浸液的优势的最大利用，与浸液接触的最近光学元件有必要也具有高折射率。在该情况下，“高”意味着在给定工作波长下折射率的值相当大，即比石英多10％(在λ＝193nm时n≈1.56)。
对波长小于250nm下的显微光刻术的投影曝光装置的物镜中的光学元件，迄今为止单晶材料如氟化钙(CaF2)或石英玻璃被用作材料。然而石英玻璃不仅具有波长193nm下的较低的折射率1.56，还具有这样的缺点，当UV辐射负载高时局部密度改变发生，它导致成像质量的退化。
当使用单晶材料如CaF2时，归因于UV辐射的局部密度改变问题并不发生。然而193nm波长下的CaF2折射率仅1.5016。此外，在CaF2中固有双折射效应在该波长范围中变得显著并在较小工作波长如157nm下达到更大的程度。由固有双折射引起的折射率和入射光的极化状态之间的关系限制了利用这些材料产生的投影物镜的成像质量。复杂补偿测量如结合不同双折射透镜材料或晶体取向的特定物镜设计因此被要求，目的是确保此类投影物镜的适当的成像质量。
进一步可用于显微光刻术的投影物镜中的晶体材料如氟化锂(LiF)、氟化钡(BaF2)、氟化钾(KCl)、氟化钠(NaCl)或蓝宝石(Al2O3)在J.Optics(巴黎)1984的第15卷4号281-285页的G.Roblin的“在UV中光化还原物镜的设计引发的问题”文章中提及。
John H.Burnett等人在2004年8月2日温哥华召开的“浸液&157nm光刻术国际会议”上的“用于193nm和157nm浸入式光刻术的高指数材料”(参见“High Index Materials for 193nm and 157nmImmersion Lithography”)同样提及在显微光刻术的投影物镜特别是浸液物镜中使用的材料范围，还包括碱土金属氧化物单晶如氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)或氧化钡(BaO)以及混晶如MgAl2O4(镁尖晶石)或MgxCa1-xO。然而，所有这些材料即使在193nm下都显示了相当大的固有双折射(通常称为IBR)。例如，镁尖晶石的IBR依赖延迟的测量已产生波长λ＝193nm下的镁尖晶石的值52nm/cm。结果是与使用CaF2时非常相似的那些问题出现。
光学元件使用单晶材料进一步的困难是毛坯的产生，因为单晶的生长是高精细的过程。单晶毛坯一般具有圆柱对称性，特别是圆柱形。因此当制造几何上通常与毛坯的圆柱对称性或圆柱形相差很大的投影物镜的光学元件时，一般必需移除相当大的材料量。除了与此相关的材料丢失，根据材料特性如使用的晶体的硬度或可裂性它还导致特定的制造问题。
除了玻璃和单晶，多晶固体也是周知的光学材料。例如US6406769公开了用于手表的由多晶尖晶石组成的盖玻片设备。
US 5536244公开了用于内视镜的单晶或多晶尖晶石的闭合窗口。
结合近来纳制陶业的发展，光学透明的纳微晶氧化物已经众所周知。例如，G.D.West、J.M.Perkins和M.H.Lewis在“关键工程材料”(“Key Engineering Materials”)第264-268(2004)卷801-804页上的文章“透明细密纹理氧化物陶瓷”公开了特别是多晶Al2O3，即随着Al2O3微晶的晶粒尺寸减少透明度增加。
用于生产微晶尺寸小于100nm的纳微晶MgAl2O4的方法在Xianghui Chang等人在“关键工程材料”第280-283(2005)卷549-552页的文章“高压下通过烧结处理的MgAl2O4透明纳陶瓷”中公开。

发明内容
本发明的一个目的是提供显微光刻投影曝光装置的物镜，它包括使得固有双折射的消极影响被限制的传输光学元件，同时具有适当的传输特性和相对简单的制造。
该目的通过适于在如权利要求1中要求的显微光刻术的投影曝光装置的物镜中使用的传输光学元件被实现。本发明的更多方面有如权利要求19中要求的显微光刻术的投影曝光装置的物镜和如权利要求30和31中要求的投影曝光装置，如权利要求38中要求的用于生产投影曝光装置的物镜的传输光学元件的方法，如权利要求46中要求的毛坯，根据权利要求47用于生产传输光学元件的方法，如权利要求55和59中要求的用于生产投影曝光装置的物镜的方法，以及根据权利要求63的多晶固体的使用，用于生产如权利要求64和65中要求的传输光学元件的材料的使用，还有根据权利要求66用于微结构部件的显微光刻生产的方法。
本发明的有利改进产生于独立的权利要求中的特征以及说明书。
用于投影曝光装置的物镜的传输光学元件的多晶材料的使用使得克服现有技术的缺点成为可能。多晶材料中单个的单晶单元、也称为微晶或晶粒被设置成它们的晶轴线在空间任意地定向。除了投影物镜，它将分度线图案投影到光敏感衬底上，投影曝光装置也可进一步包括在照明系统中具有至少一个传输光学元件的物镜。根据本发明，由多晶材料组成的传输光学元件的使用在照明系统的这些物镜中也是有利的。
用于光学应用的多晶毛坯可通过烧结毛坯随后热等静压而从高纯度粉末原料生产。这样，生产出已在该阶段具有与根据它待制造的光学元件实际上相同的几何形体的毛坯是可能的。在处理这样毛坯以便生产光学元件的过程中，用于最终处理而必须被移除的材料量相对较小。
在设计用于浸入式光刻术的投影曝光装置中，与浸液接触的光学元件常常是基本半球状的透镜的形式。在这种情况下，多晶材料的使用特别有利，因为透镜毛坯可在这种情况下被直接按球形生产，例如通过烧结继而热等静压。相应的透镜可根据这样的毛坯制造，这要比根据圆柱形单晶毛坯制造具有显著小的工作量，通过平分球形毛坯并且如果需要对半球形表面简单地进行较小的修改。
因为多晶固体的单个微晶单元的晶轴线的自由定向，固有双折射在所有空间方向上的平均值基本上为零。当在显微光刻术的投影曝光装置的物镜中使用由多晶材料组成的传输光学元件时，例如在投影物镜中，用于固有双折射的补偿的复杂仪器被避免，如那些众所周知的例如带有单晶CaF2透镜的投影物镜。
对比单晶CaF2，众所周知它的主要干扰发生在光学均匀性、即所谓的特定晶体方向中的“纹影”(条纹)，多晶固体的光学均匀性不随入射辐射的入射角而改变。
多晶材料对比单晶材料的进一步优势是甚至在材料处理过程、如研磨或抛光过程中没有各向异性发生。
为了确保用于入射波长的光学元件的适当透明度，选择单个微晶尺寸小于该波长是一种可能。小于(2/3)λ或甚至小于(1/3)λ的平均微晶尺寸可被选择，其中λ是使用的辐射的波长。为了用作投影曝光装置的物镜的光学元件，微晶尺寸小于500nm甚至小于100nm的多晶材料在这种情况下是合适的。具有这些微晶尺寸的氧化物材料也被称为“纳微晶陶瓷”。
然而已证明，通过在从至少0.5微米到至多100微米特别是从至少10微米到至多100微米的范围中多晶材料的平均微晶尺寸的选择，并考虑一方面在微晶材料中出现的光吸收机制而另一方面光散射，根据多晶材料生产的光学元件在关于不必要的光散射的整体传输和它的性能方面被优化变得可能。
在这种情况下，本发明基于这样的认识，为了优化关于利用多晶材料生产的光学元件的光散射的整体传输和性能，没有必要选择平均微晶尺寸如此之小以至于它小于使用的波长。实际上，发明者已发现关于利用多晶材料生产的光学元件的光散射的整体传输和性能的优化已经可通过单个微晶的平均微晶尺寸被实现，它显著大于使用的波长，如下面更详细的描述。
为了本发明，下降到小于工作波长的微晶尺寸的最小化因此被有益省去。在这种情况下，一方面当以这种方式(关于λ＜250nm的DUV和VUV范围的显微光刻术中使用的波长)最小化微晶尺寸时发生的制造问题可避免。另一方面，这容许材料吸收行为的优化。这基于这样的认识，材料中的吸收基本上受外来微粒的浓度控制，其中除了极端清晰条件下实现的生产过程，微晶尺寸同样重要。既然随着微晶尺寸增加而在晶粒边界引入的外来微粒的整体浓度降低，则根据本发明来自降低至小于工作波长的微晶尺寸的最小化的偏离同时导致材料中发生的吸收降低。
在0.5微米到100微米特别是10微米到100微米范围中微晶尺寸的选择，显著超出典型的λ＜250nm的工作波长，进一步容许材料相对关于光散射的性能被优化，因为相对微晶尺寸多晶材料中的散射光的产生基于至少部分互相补偿的效果。在这种情况下，本发明基于这样的认识，下面的机制对多晶材料中散射光的发生负主要责任a)当光束以不同方向经过微晶时的双折射；b)以极高的角度经过晶粒边界时的全反射；以及c)被包围在微晶之间的孔上的散射。
在这种情况下，一方面源自(a)当光束经过不同方向微晶时的双折射的散射光的出现以及另一方面源自(b)在晶粒边界处的全反射的散射光的出现是各自以相对的意义依赖于平均微晶尺寸的效应，从而(假设微晶的理想材料彼此理想地结合)这导致优化微晶尺寸值到这样的程度，其中散射光生产上的两效应的总合成影响被最小化。
更精确地，发明者使用一维“光线追踪”模型的仿真的理论调查及统计分析显示了由经过双折射为Δn(单位nm/cm)的介质的光束的双折射引起的散射光的强度(其中平均微晶尺寸D和厚度(＝光束经过的距离)L)可如下描述Iret=π2Δn23λ2LD---(1)]]>由双折射引起的散射光的比例因此随着微晶尺寸和双折射的平方线性增加。
由全反射引起的散射光的比例可如下描述Itr=LΔn3nD---(2)]]>由全反射引起的散射光的比例因此与微晶尺寸成反比例并线形依赖于双折射。
由微晶/晶粒边界上散射引起的两种效应的组合，即一方面(a)当光束经过不同方向的微晶时的双折射和另一方面(b)晶粒边界上的全反射，导致如下的全部散射光强度Isum=LΔnrms(1nD+π2Δnrmsλ2D)---(3)]]>如图2的图表中形象地描述，根据微晶尺寸D的散射光比例的补充从属性导致源自双折射的全部散射光强度和具有最小值的全反射。
优化微晶尺寸Dopt作为工作波长λ和双折射Δn的函数根据如下条件被获得Dopt=D(∂Isum∂D=0)---(4)]]>变为
Dopt=3λ2π2nΔn≈16nΔnλ---(5)]]>其中λ表示工作波长且n表示折射率并且Δn表示该工作波长下的多晶材料的双折射(单位nm/cm)，并且其中假设Δnrms≈13Δn.]]>例如镁尖晶的值n＝1.87、Δn＝52 nm/cm及λ＝193nm，这导致微晶尺寸D的优化值接近Dopt≈＝25μm。
因此，根据本发明的再一方面，条件D=16nΔnλ]]>基本上满足平均微晶尺寸D，其中λ表示工作波长、n表示折射率并且An表示该工作波长下的多晶材料的双折射。
根据本发明的条件D=16nΔnλ]]>“基本上”满足平均微晶尺寸D基础上的准则在这种情况下被预期并且为了本申请的目的来覆盖那些情况其中平均微晶尺寸D至多50％不同于理想值D=16nΔnλ,]]>它仍被认为是可接受的但最好是至多20％。
相对源自包围在微晶之间的孔上的散射的效应(c)的散射光的贡献，发明者的理论调查已显示，基于假设所有孔将导致击打它们的光束被散射，孔对散射光的贡献如下描述Isca=ρLDV2---(6)]]>其中ρ是孔密度并且Dv是多晶材料中的孔直径。在这种情况下，整个孔体积通过增加微晶尺寸被降低，同时平均孔尺寸增加。
根据一优选实施例，微晶材料中孔密度在1到10孔/mm3范围中的平均孔尺寸范围从0.5微米到2微米，并且最好接近1微米或以下。对于已根据多晶材料(例如镁尖晶石)生产的光学元件的典型尺寸(例如4cm)，这些大约1微米的孔尺寸这些导致仍然可接受的小于0.1％的散射光比例，其中该散射光比例根据它与孔尺寸的平方关系在接近2微米之上的范围中急剧增加。在本发明关于散射光发生的特别有利的实施例中，孔尺寸范围从0.1微米到1微米。
使用用于显微光刻术的投影曝光装置的物镜的传输光学元件的多晶材料的再一优势是，在以足够低的缺陷浓度应用UV辐射负载到多晶材料时，相对石英玻璃没有密度改变或仅有微小的密度改变发生。因此它们特别适合使用在物镜中辐射负载特别严重的位置，例如用做位置最接近投影物镜的像面的光学元件的材料。更高负载的位置发生在投影曝光装置的物镜的所有场面和瞳孔面区域中。特别当使用多级照明时，高局部辐射负载发生在瞳孔面，或至少在瞳孔面区域中。对于设置在场平面或至少场平面区域中的光学元件，物镜的高辐射负载源自这样的事实，利用矩形物场，仅圆形光学元件(如透镜的子区域)被照射。
根据一优选实施例，光学元件是像面侧上最近的三个光学元件之一，并且最好是像面侧上物镜的最近光学元件。
根据再一优选实施例，光学元件设置在瞳孔面或场平面区域中。
已发现多晶尖晶石(MgAl2O4)、有时也称为镁尖晶石，特别有利地用做传输光学元件、特别是透镜的材料。在下面的内容中，术语尖晶石被用作不仅化学计量化合物MgAl3O4的含义还用作通用化学式MgO×m Al2O3的混合晶体的含义，其中m可具有0.9到4之间的值。多晶尖晶石对DUV波长有较好的传输，除了具有大约1.8或甚至1.9的193nm波长下的高折射率。氧化镁同样具有193nm下的非常高的2.02折射率。
根据进一步的实施例，在工作波长下透明并具有立方晶体结构的不同多晶材料也可被使用。根据本发明，材料可用于该目的，其中理想单晶形式具有超过7eV的能量间隔，因为这些材料在小于200nm的工作波长下仍然足够地光学透明。例如多晶氧化镁(MgO)可在该情形中使用。
根据本发明的再一实施例，带有化学成分(M1)3(M2)5O12(具有这种类型分子式的材料一般称作石榴石)的微晶特别适用于该目的，其中M1是从包括钇、镧、钆、铽、铒、钪和镥的组中选择的金属，并且M2是从包括铝、镓、铟和铊的组中选择的金属，即特别是并且例如多晶钇铝石榴石(Y3Al5O12)、多晶钪铝石榴石(Sc3Al5O12)或多晶镥铝石榴石(Lu3Al5O12)。多晶钇铝石榴石(也缩写为YAG)显然特别有利地用做传输光学元件、特别是透镜的材料。钇铝石榴石具有超过1.85的高折射率，除了用于小于250nm特别是248nm或甚至193nm的DUV波长的非常好的传输。
根据这些特性，所有这些材料特别适合在浸入式物镜中使用，特别用做直接与浸液接触的光学元件的材料。提供与该位置可能的一样高的折射率是值得期待的。如果对比浸入式介质折射率太低，则最大可实现的数值孔径通过边界表面的折射被降低。
尖晶石、氧化镁和石榴石的另一优势是它们对通常使用的浸入式介质如水、磷酸、硫磺酸或有机物质如碳氢化合物或全氟醚的良好耐化学性。
当在显微光刻术的投影曝光装置的物镜中使用多晶透镜材料时，光学不均匀性小于0.1ppm较有优势。在该情形中，术语光学不均匀性意味着透镜中关于路径长度的波阵面的改变。
对于光学元件进行传输，特别是对于尽可能高的投影曝光装置的工作波长，多晶材料的所有杂质小于100ppm特别是小于70ppm较有优势。在生产适于在显微光刻术的投影曝光装置的物镜中使用的传输光学元件的方法中或生产显微光刻术的投影曝光装置的物镜的方法中，这通过使用全部杂质小于70ppm的原料用于生产多晶毛坯被确保。
在生产用在投影曝光装置的物镜中的传输光学元件的方法中以及生产显微光刻术的投影曝光装置的物镜的方法中，为了降低多晶结构中的空腔数目，在压力下烧结多晶毛坯比较有利。在均匀高压下的烧结过程还有利地影响应力双折射。
在一优选实施例中，光学元件光学无缝地接触到另一光学元件，特别是接触到另一由不同材料组成的光学元件，例如石英玻璃或CaF2。光学元件和另一光学元件之间的接触可通过一般称为“光学接触”或“扭紧”的技术被实现，它意味着两固体之间的受压配合连接，它的边界表面被移动得彼此如此之近从而分子间相互作用引起两固体彼此附着。这导致两光学元件之间的直接连接用于传输辐射。光学元件之间缺少任意气隙容许例如更大的入射角。多晶材料特别是尖晶石、MgO或石榴石实际上特别适于该连接技术，因为对比根据单晶生产的光学元件，没有各向异性发生在磨光面上。
在另一优选实施例中，光学元件包括至少两个由多晶材料制成的子元件。这容许通过结合几个相对薄的元件使用显著减少的工作量制造高厚度的光学元件。设置在靠近像面的浸入式物镜中的半球形传输光学元件的典型最大厚度范围从大约30到50mm。如果这样的光学元件根据上述方法通过烧结以及后继可选择的热等静压被生产，则寻找合适的处理条件、例如加热和冷却程序是非常具有挑战性的，以便实现贯穿光学元件的全部体积的最终光学元件的足够均匀的光学质量。然而通过提供至少两个最大厚度范围在大约10到20mm的子元件以连接形成最终光学元件，合适的质量可通过使用相对简单的制造过程被确保。
子元件可通过光学接触、高温下的熔断结合或温度低于100℃的低温结合被连接。低温结合通过引入碱性溶液到两固体表面以被连接而实现，当两表面彼此紧密接触时它促进连接晶体网络的形成。在某些情况下，显然施加例如由SiO2组成的薄层到至少一个表面以在结合过程之前连接比较有利。
将被连接的子元件表面(本文称为连接表面或接触面)可是平面或球形或它们可甚至具有轻微的非球面形。
子元件的连接可以这样的方式被提供，中间空间在子元件之间提供。该中间空间可被具有与水一样折射率或甚至高于水折射率的气体或液体充满，对于波长193nm的光它是1.44，并且为了以灵敏和可变的方式影响光学元件的全部折射本领，它特别地高于1.5。
在本发明的另一实施例中，子元件由不同材料制成。这导致传输光学元件本身的折射率的改变。
根据本发明的物镜优选地设计用于小于250nm的工作波长，优选地小于200nm，而且进一步优选地具有大于1.2的数值孔径(NA)，更加优选地大于1.35，并且甚至更加优选地大于1.5。
本发明还涉及显微光刻投影曝光装置，涉及根据本发明的用于生产物镜的传输光学元件的多晶材料的使用，以及用于微结构部件的显微光刻生产的方法。
本发明将在下文中参考附图中说明的示范实施例被更详细地解释。


图1说明了根据本发明所用的多晶材料的示意图。
图2说明了根据一优选实施例作为一种多晶材料的微晶尺寸的函数的源自当光束经过不同方向微晶时的双折射(＝Iret)的百分比以及在晶粒边界的全反射的散射光的百分比(＝Iscatt)的曲线图。
图3说明了根据一优选实施例源自被包围在多晶材料的微晶之间的孔上的散射、作为一种多晶材料的孔尺寸的函数的散射光的百分比的曲线图。
图4说明了显微光刻投影曝光装置的示意图，其中根据本发明的两个光学元件和包括的多晶材料被使用；以及图5a-d说明了根据本发明一实施例的包括两个子元件的传输光学元件的示意图。
具体实施例方式
图1说明了根据本发明所使用的多晶材料的配置，示意性地而不是按比例绘制。材料100是由多晶镁尖晶(MgAl2O4)组成并且具有大量不同方向的晶粒或微晶102，同时不同晶体定向区域被晶粒边界103隔开。在该优选示范实施例中，平均微晶尺寸约为25μm。孔104形式的缝隙被包围在微晶102之间，同时孔104的平均尺寸约为1μm且孔密度约为10孔/mm3。
为了确保多晶材料100的最佳传输，有必要在生产期间不仅确保初始材料是高纯度的，而且要确保反应控制和后处理以容许最佳光学均匀性并且材料中孔和空腔的浓度尽可能的低。当受到强烈UV辐射时上述原料的光学元件的稳定性高度依赖于合适的生产方法的选择，因为UV稳定性直接与晶体结构中的缺陷数有关。
多晶材料100如多晶尖晶石，可利用借助基于铝和镁盐及氢氧化物的混合水溶液的沉淀反应产生的多晶尖晶石初产品产生。沉淀物被干燥然后在温度400到900℃下燃烧。应该注意，最初的混合物具有少于70ppm的全部杂质，并且在生产过程中没有更多的污染发生。除周知的通过液相沉淀反应的初产品的生产方法之外，高温分解方法特别合适，其中不用任何特定工作，粉末半成品的污染可被减少至少于200ppm。该方法在DE 2149640中描述。为了在粉末原料和初产品中特定产生特别小的晶粒尺寸分布，如为了生产纳微晶初产品，流行的sol-gel过程被发现特别适用。适用的sol-gel过程在Ronald Cook、Michael Kochis、Ivar Reimanis、Hans-Joachim Kleebe所著的“用于透明尖晶石窗口的新粉末生产途径粉末合成和窗口特性”(参见″A new powder production route for transparent spinelwindowspower synthesis and window properties″Ronald Cook、MichaelKochis、Ivar Reimanis、Hans-Joachim Kleebe，Proc.SPIE Vol.5786，p.41-47，Window and Dome Technologies and Materials IX；Randal W.Tustison；Ed.)中被描述。
高光学质量的多晶毛坯通过烧结生成，从而被包围的孔体积被被最小化并且密度趋近于理想晶体的理论密度，尖晶石情况下约为3.59g/cm3。为了防止烧结过程中微晶尺寸的任意过量增加，该过程中优选低于1500℃的温度。毛坯的烧结可任选地跟随着热等静压步骤。
待制造的光学元件的光学均匀性通过毛坯冷却过程中适当的过程控制或借助跟随生产过程的退火过程而选择，从而光学不均匀性不超过0.1ppm值，并且λ＝193nm下应力双折射小于0.5nm/cm。如用于半球状平-凸透镜的毛坯生产方法如下大约1800℃温度下在热等静压过程中从所有球状毛坯边界均匀地施加压力，随后球状毛坯被剖成两半并且被研磨和抛光，伴随仅仅少量的额外操作，就制成了平-凸透镜。
当根据本发明的光学元件利用其它立方晶体材料、如多晶钇铝石榴石(Y3Al5O12)或多晶氧化镁(MgO)生产时，过程参数对各自材料特性的适当匹配如压力或烧结温度需要被实现。
图2说明了源自当光束经过不同方向微晶102时发生的双折射的4cm厚的由镁尖晶石(MgAl2O4)组成的多晶材料的散射光Irec的百分比、源自晶粒边界103发生的全反射的散射光Iscatt的百分比，和源自两效应的总散射光Isum的比例，作为微晶尺寸的函数。
如图2所示，约0.5％的最小值(由箭头P指出)被获取用于散射光Isum的全部比例，同时微晶尺寸D＝25μm被考虑到效应中，它导致多晶材料中散射光的产生，由于(a)一方面当光束经过不同方向微晶时的双折射和(b)另一方面晶粒边界处的全反射的产生，对于典型的4cm厚度(对应光束经过的距离)。
对于由镁尖晶石(MgAl2O4)组成的具有L＝4cm厚度及D≈50μm微晶尺寸的多晶材料，结果是约4nm的延迟的均方根值。术语“延迟”表示两个正交极化状态(即极化状态彼此垂直)的光学路径长度之间的差异。在该基础上，用于Dmin＝10μm和Dmax＝100μm之间的多晶镁尖晶石(MgAl2O4)中微晶尺寸分布的统计模型结果是约4.5nm的延迟的均方根值以及0.5％对比度的丢失。
图3说明了源自被包围在多晶材料100的微晶102之间的孔104上的光散射的散射光的比例(％)，作为孔尺寸(单位μm)的函数用于由镁尖晶石(MgAl2O4)组成的L＝4cm厚度和10孔/mm3孔密度的多晶材料。
如图3所示，Dv≈1μm孔尺寸的这些参数导致光散射比例小于0.1％(更精确地约为0.04％)。
图4示意性地说明了显微光刻投影曝光装置1，它旨在用于借助浸入式光刻术的大规模集成半导体部件的生产。
投影曝光装置1具有准分子激光器3作为光源，同时工作波长为193nm。或者也可使用不同工作波长的光源，如248nm或157nm。下游照明系统5在它的出口平面或目标平面7上产生大的、清晰描绘的、高均匀性光照的照明场，它匹配下流投影物镜11的远心度(telecentericity)需求。照明系统5具有控制瞳孔照明和为照明光设置预定极化状态的设备。特别是极化照明光的设备以这样的方式被提供电场矢量的振动平面运行平行于掩模13的结构。
用于保持和移动掩模13的设备(分度线层)以这样的方式被设置在照明系统5下游的光束路径中，它位于投影物镜11的目标平面7上并且可在该平面上移动用于在移动方向15扫描。
也称为掩模平面的目标平面7在它下面跟随着投影物镜11，它将掩模影像以缩小的比例投影到衬底19上，如涂有光刻胶21的硅晶片。衬底19被如此设置从而带有光刻胶21的平面衬底表面基本符合投影物镜11的像平面23。衬底19由包括驱动器的设备17控制，目的是与掩模13同步移动衬底19。该设备17也有操纵器，目的是在平行于投影物镜11的光轴25的z方向和垂直于此轴的x和y方向都移动衬底19。具有至少一个倾斜轴、趋向垂直于光轴25的倾斜设备被集成。
旨在保持衬底19的设备17(晶片级)被设计用于浸入式光刻术。它具有保持设备27，它可在扫描驱动器前移动，并且其底部具有用于保持衬底19的浅凹处。圆周的边缘29形成平面液压保持器，它在顶部开口用于浸液31。边缘的高度是这样的尺寸从而利用它被充满的浸液31可完全覆盖带有光刻胶21的衬底表面，并且当物镜出口与衬底表面的距离设置正确时，投影物镜11的出口末端区域可浸入浸液之中。
投影物镜11优选地有至少NA＝1.2的像侧数值孔径NA，但更优选地大于1.35，并且特别优选地大于1.5。
投影物镜11具有半球状平-凸透镜33作为靠近像平面23的最近光学元件，它的出口表面35是投影物镜的最近光学表面。最近光学元件的出口侧在投影曝光装置工作期间完全浸入浸液中并被它打湿。半球状平-凸透镜33以与另一透镜37同样的方式利用多晶尖晶石产生，同时平均微晶尺寸和孔尺寸根据上述实施例被选择。
平-凸透镜33和另一透镜37可选择地提供反射涂层。该反射涂层由交替具有低折射率和高折射率的材料顺序组成。因为低折射率的材料特别用于投影曝光装置1的193nm工作波长。MgF2，、AlF3、Na5Al3F14、Na3AlF6、SiO2、LiF和NaF可被使用。LaF3、GdF3、NdF3、Al2O3和DyF3适于用作高折射率材料。
从文献可知尖晶石的9eV带隙，例如根据J.D.Woosley、C.Wood、E.Sonder和R.A.Weeks的文章“镁铝尖晶石中的光电效应”(参见″Photoelectric Effects in Magnesium Aluminum Spinel″，Phys.Rev.B，Vol.22，page 1065(1980))。据此160nm的理论吸收边缘可被导出。因此尖晶石可不仅用作248nm工作波长的投影曝光装置中的光学元件，也可以是193nm或更小的。MgO具有约7eV的带隙，相应地也确保这种材料在193nm波长下光的充分传输。这也适用于具有大于7eV的带隙的YAG。
多晶尖晶石的折射率同样从该文献中可知，并且根据E.D.Palik(Ed.)，San Diego，1998的“固体II的光学常数手册”(参见″Handbookof optical constants of solids II，E.D.Palik(Ed.)″)，可使用如下形式的Sellmeier公式被规定
n2-1=18.96×109(100.080)2-v2+1.2234×106(527.18)2-v2]]>其中v是波数中传输光的频率。根据该公式，193nm波长下折射率是1.8。
根据更多最近的测量，相应地尖晶石的带隙是约7.7eV，而折射率是约1.9。
在根据本发明的物镜的另一优选实施例中，由多晶材料如尖晶石组成的光学元件，被光学接触到由相同材料或不同材料组成的另一光学元件上。尖晶石具有7×10-6K-1的热膨胀线性系数。
如果由不同材料组成的光学元件被互相光学地接触，则应该注意确保各自的热膨胀线性系数没有过分不同。此外，加热时两种材料的不同膨胀可导致连接变为分离。举例来说，带有MgO或YAG的尖晶石结合是优选的，它们都有8×10-6K-1的热膨胀线性系数。这些材料也可与CaF2(25×10-6K-1)或石英玻璃(0.51×10-6K-1)结合。与BaF2(18×10-6K-1)的结合同样十分合适。
本发明另外的有利实施例如图5所示。图5a示意性地说明了包括两个子元件541和543的传输光学元件533，它们通过它们的接触面545和547之间的光学接触连接被连接，它们被结合以形成光学无缝连接。为了确保这些元件的稳定连接并避免子元件541和543中发生压力，有必要提供非常平的可以忽略彼此之间失配的接触面545和547。
图5b中接触面545和547不是平的而是球形。就像图5a中所示的平面545和547一样，为了确保稳定的连接，有必要根据图5b的球形接触面545和547在接触过程之前被非常精确地处理和抛光。如果低温焊接或熔解焊接被用于连接子元件541和543，则接触面545和547之间可实现好的连接，即使它们在光学接触条件下稍差些。这是由于这样的事实在熔解焊接期间还有低温焊接期间接触面545和547之间的分界面会受到关于它形状的轻微改变的影响，从而面545和547之间的轻微失配不会改变子元件541和543之间的稳定连接。
图5c和5d中说明了两个另外的传输光学元件533的实施例。根据图5c的光学元件533再次包括带有平的接触面545和547的两个子元件541和543。然而这次子元件541和543以这样的方式被连接，即接触面547和545之间留有中间空间549。该空间可充满空气、其它气体或气体混合物、或者液体。为了确保光学元件533全部的高折射率，具有1.4折射率(如超纯水)或甚至更高的的液体被选择。中间空间没必要必须是平行平面形状。它也可如图5d所示被弯曲，说明了包括带有球形接触面的子元件541和543的光学元件533。
即使本发明已参考特定实施例被描述，但是那些本领域技术人员也将看到很多变化和可选实施例，如结合和/或替换单个实施例的特征。本领域技术人员将相应地理解本发明的这些变化和可选实施例也被覆盖，并且本发明的范围仅在附属权利要求和它们的等价物的意义上受限。
权利要求
1.适于在显微光刻术的投影曝光装置(1)的物镜(11)中使用的传输光学元件(33)，它由多晶材料(100)组成。
2.根据权利要求1的传输光学元件(33)，其中所述多晶材料(100)包括具有晶体结构的微晶(102)。
3.根据权利要求2的传输光学元件(33)，其中所述微晶(102)的所述晶体结构是立方型。
4.根据权利要求2或3的传输光学元件(33)，其中所述微晶(102)具有至少0.5微米和至多100微米的平均微晶尺寸。
5.根据权利要求2至4中一个的传输光学元件(33)，其中所述平均微晶尺寸范围从10微米到100微米，优选地从10微米到50微米，甚至更优选地范围从20微米到30微米，特别是接近25微米。
6.根据权利要求2或3中一个的传输光学元件(33)，其中所述微晶(102)的所述平均微晶尺寸D基本满足条件D=16nΔnλ,]]>其中λ表示工作波长且n表示折射率并且Δn表示在该工作波长下所述多晶材料(100)的双折射。
7.根据权利要求1至6中一个的传输光学元件(33)，其中如果所述多晶材料(100)中的孔密度范围从1到10孔/立方毫米，则平均孔尺寸范围从0.1微米到2微米，并且最好是范围从0.5微米到1微米。
8.根据权利要求1至7中一个的传输光学元件(33)，其中所述多晶材料(100)的光学不均匀性小于0.1ppm。
9.根据权利要求1至8中一个的传输光学元件(33)，其中对于波长小于250nm特别是193nm的光，所述多晶材料(100)的应力双折射小于1nm/cm特别是小于0.5nm/cm。
10.根据权利要求1至9中一个的传输光学元件(33)，其中所述多晶材料(100)的总体杂质小于100ppm，特别是小于70ppm。
11.根据权利要求1至10中一个的传输光学元件(33)，其中所述多晶材料(100)从包括多晶MgAl2O4、多晶MgO和多晶Y3Al5O12的组中选择。
12.根据权利要求1至10中一个的传输光学元件(33)，其中所述多晶材料(100)由带有化学成分(M1)3(M2)5O12的微晶(102)形成，其中M1是从包括钇、镧、钆、铽、铒、钪和镥的组中选择的金属，并且M2是从包括铝、镓、铟和铊的组中选择的金属。
13.根据权利要求1至10中一个的传输光学元件(33)，其中所述多晶材料(100)是具有MgO×mAl2O3化学式的混合晶体，其中m是0.9到4之间的值。
14.根据权利要求1至13中一个的传输光学元件(33)，其中所述传输光学元件(33)包括至少两个用多晶材料(100)制成的子元件(541，543)。
15.根据权利要求14的传输光学元件(33)，其中所述子元件(541，543)通过光学接触、熔解焊接或低温焊接被连接。
16.根据权利要求14的传输光学元件(33)，其中所述子元件(541，543)之间提供了中间空间(549)，其中所述中间空间(549)被具有折射率高于1.4特别是高于1.6的气体或液体填充。
17.根据权利要求14至16中一个的传输光学元件(33)，其中至少两个子元件(541，543)之间或至少一个子元件(541，543)和中间空间(549)之间的接触面(545，547)是球形的。
18.根据权利要求14至17中一个的传输光学元件(33)，其中所述子元件(541，543)由不同的材料制作。
19.显微光刻术的投影曝光装置(1)中的物镜(11)，它包括至少一个根据权利要求1至18中一个的传输光学元件(33，37)。
20.根据权利要求19的物镜(11)，其中所述光学元件(33，37)是像平面一侧三个最近光学元件中的一个。
21.根据权利要求19或20的物镜(11)，其中所述光学元件(33)与像平面(23)最近的光学元件。
22.根据权利要求19的物镜(11)，其中所述光学元件(33，37)被排列在瞳孔面或场平面区域中。
23.根据权利要求19至22中一个的物镜(11)，其中所述物镜具有大于1.2的数值孔径(NA)，优选地大于1.35，更优选地大于1.5。
24.根据权利要求19至23中一个的物镜(11)，其中所述光学元件(33，37)被光学无缝连接到另一光学元件。
25.根据权利要求24的物镜(11)，其中所述光学元件(33，37)和另一光学元件之间的接触面(545，547)是球形的。
26.根据权利要求24或25的物镜(11)，其中所述光学元件(33，37)通过光学接触、熔解焊接或低温焊接被连接到另一光学元件。
27.根据权利要求24至26中一个的物镜(11)，其中所述另一光学元件是由与所述光学元件(33，37)相同的材料组成。
28.根据权利要求24至26中一个的物镜(11)，其中所述另一光学元件是由与所述光学元件(33，37)不同的材料组成，特别是由石英玻璃或氟化钙组成。
29.根据权利要求19至28中一个的物镜(11)，其中所述物镜设计用于小于250nm的工作波长，优选地小于200nm，更优选地小于160nm。
30.显微光刻术的投影曝光装置(1)，具有根据权利要求19至29中一个的物镜(11)，特别是用于浸入式光刻术。
31.投影曝光装置(1)，具有将构件投影到光敏衬底(19)上的投影物镜(11)，其中浸液(31)被设置在投影物镜(11)的传输光学元件(33)和光敏衬底(19)之间，并且所述传输光学元件(33)是由多晶材料(100)组成。
32.根据权利要求31的投影曝光装置(1)，其中所述光学元件(33)被提供涂层。
33.根据权利要求31或32的投影曝光装置(1)，其中对于小于200nm的波长，所述多晶材料具有大于1.7的折射率，特别是大于1.8。
34.根据权利要求31至33中一个的投影曝光装置(1)，其中所述多晶材料从包括多晶MgAl2O4、多晶MgO和多晶钇铝石榴石Y3Al5O12的组中选择。
35.根据权利要求31至33中一个的投影曝光装置(1)，其中所述多晶材料(100)由带有化学成分(M1)3(M2)5O12的微晶(102)形成，其中M1是从包括钇、镧、钆、铽、铒、钪和镥的组中选择的金属，并且M2是从包括铝、镓、铟和铊的组中选择的金属。
36.根据权利要求31至33中一个的投影曝光装置(1)，其中所述多晶材料(100)是具有MgO×mAl2O3化学式的混合晶体，其中m是0.9到4之间的值。
37.根据权利要求30至36中一个的投影曝光装置(1)，其中所述投影曝光装置(1)适于工作在小于250nm的波长。
38.用于生产适于在显微光刻术的投影曝光装置(1)的物镜(11)中使用的传输光学元件(33)的方法，该方法具有如下步骤由多晶材料(100)组成的多晶毛坯的生产，以及根据多晶毛坯的传输光学元件(33，37)的生产。
39.根据权利要求38的方法，其中所述由多晶材料(100)组成的毛坯的生产包括烧结多晶毛坯的步骤。
40.根据权利要求38或39的方法，其中所述生产包括压所述多晶毛坯以形成与根据其将生产的所述传输光学元件(33，37)实质上相同几何形体的形状的步骤。
41.根据权利要求40的方法，其中所述多晶毛坯被压以形成基本球形。
42.根据权利要求38至41中一个的方法，其中所述多晶毛坯使用热等静压方法进行烧结。
43.根据权利要求38至42中一个的方法，其中所述多晶材料(100)从包括MgO和MgAl2O4的组中选择。
44.根据权利要求38至42中一个的方法，其中所述多晶材料由带有化学成分(M1)3(M2)5O12的微晶形成，其中M1是从包括钇、镧、钆、铽、铒、钪和镥的组中选择的金属，并且M2是从包括铝、镓、铟和铊的组中选择的金属。
45.根据权利要求38至42中一个的所述方法，其中所述多晶材料是具有MgO×mAl2O3化学式的混合晶体，其中m是0.9到4之间的值。
46.由多晶材料(100)组成的毛坯，用于显微光刻术的投影曝光装置(1)的物镜(11)的传输光学元件(33，37)。
47.用于生产适于在显微光刻术的投影曝光装置(1)的物镜(11)中使用的传输光学元件(33)的方法，该方法具有如下步骤至少两个多晶毛坯的生产，根据所述至少两个多晶毛坯的子元件(541，543)的生产，连接所述子元件(541，543)以形成传输光学元件(33)。
48.根据权利要求47的方法，其中所述多晶毛坯的生产包括多晶毛坯的烧结步骤。
49.根据权利要求47或48的方法，其中所述子元件(541，543)通过光学接触、熔解焊接或低温焊接被连接。
50.根据权利要求47至49中一个的方法，其中至少一个子元件(541，543)的至少一部分接触面(545，547)在连接之前被提供涂层。
51.根据权利要求47至49中一个的方法，其中所述子元件(541，543)以这样的方式被连接，即子元件(541，543)之间留有中间空间(549)。
52.根据权利要求51的方法，其中所述中间空间(549)被具有大于1.4特别是大于1.6的折射率的气体或液体填充。
53.根据权利要求47至52中一个的所述方法，其中所述多晶毛坯被压以形成与根据其将生产的所述子元件(541，543)实质上相同几何形体的形状。
54.根据权利要求46至51中一个的方法，其中所述多晶毛坯使用热等静压方法被烧结。
55.用于生产显微光刻术的投影曝光装置(1)的物镜(11)的方法，该方法具有如下步骤多晶毛坯的生产，压力下所述多晶毛坯的烧结，根据所述多晶毛坯的传输光学元件(33，37)的生产，将所述传输光学元件(33，37)插入所述物镜(11)。
56.根据权利要求55的方法，其中所述多晶毛坯被压以形成与根据其将生产的所述传输光学元件(33，37)实质上相同几何形体的形状。
57.根据权利要求56的方法，其中所述多晶毛坯被压以形成基本球形。
58.根据权利要求55至57中一个的方法，其中所述多晶毛坯使用热均衡方法来压。
59.用于生产显微光刻术的投影曝光装置(1)的物镜(11)的方法，该方法具有如下步骤由总体杂质小于70ppm的原料组成的多晶尖晶体的生产，压力下所述多晶尖晶体的烧结，根据所述多晶尖晶体的传输光学元件(33，37)的生产，将所述传输光学元件(33，37)插入所述物镜(11)。
60.根据权利要求59的方法，其中所述多晶尖晶体被压以形成与根据其将生产的所述传输光学元件(33，37)实质上相同几何形体的形状。
61.根据权利要求60的方法，其中所述多晶尖晶体被压以形成基本球形。
62.根据权利要求59至61中一个的方法，其中所述多晶尖晶体使用热均衡方法来压。
63.作为显微光刻术的投影曝光装置(1)的物镜(11)的传输光学元件(33，37)的材料的多晶固体的使用。
64.用于生产显微光刻投影曝光装置(1)的物镜(11)的传输光学元件的材料的使用，其中所述材料具有立方晶体结构微晶(102)的多晶材料(100)，并且这些微晶(102)的平均微晶尺寸为至少0.5微米和至多100微米，特别是至少10微米和至多100微米。
65.用于生产显微光刻投影曝光装置(1)的物镜(11)的传输光学元件的材料的使用，其中所述材料具有立方晶体结构微晶(102)的多晶材料(100)，并且所述微晶(102)的平均微晶尺寸D基本满足条件D=16nΔnλ,]]>其中λ表示物镜(11)的工作波长且n表示折射率并且Δn表示该工作波长下所述多晶材料(100)的双折射。
66.用于微结构部件的显微光刻生产的方法，具有如下步骤提供至少在适当位置施加了由光敏材料组成的层(21)的衬底(19)，提供具有待成像的构件的掩模(13)，提供根据权利要求12的投影曝光装置(1)，借助投影曝光装置(13)将至少一部分掩模(13)投影到层(21)的区域上。
全文摘要
一种适于在显微光刻投影曝光装置的物镜中使用的传输光学元件(33，37)由多晶材料(100)组成，其中多晶材料(100)具有立方晶体结构的微晶(102)，并且这些微晶(102)的平均微晶尺寸至少是(0.5)微米和至多是(100)微米。
文档编号G03F7/20GK101073021SQ200580042032
公开日2007年11月14日 申请日期2005年12月8日 优先权日2004年12月9日
发明者W·克劳斯, M·托特泽克, W·米勒-里斯曼 申请人:卡尔蔡司Smt股份公司