专利名称：微光刻曝光系统的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统，特别是涉及一种微光刻曝光系统的照明系统或投影透镜。
背景技术：
微光刻法被用在微结构部件的制作中，所述微结构部件如集成电路、LCD和其他微结构器件。微光刻过程在所谓的微光刻曝光系统中进行，所述微光刻曝光系统包括照明系统和投影透镜。将所述照明系统所照射的掩模(或掩模版(reticle))的像通过所述投影透镜投射到覆盖抗蚀剂的衬底上，所述衬底通常是带有一个或多个光敏层并提供在所述投影透镜的像平面中的硅晶片，以便将电路图案转印到晶片上的光敏层上。为了获得在投影透镜的像平面中所形成的像的良好的干涉相衬(interference contrast)，具有光线的双光束干涉是有利的，所述光线均垂直于入射面而发生偏振。关于这个，优选具有所谓的切向偏振分布，其中在系统光瞳面中的各个线偏振光线的电场矢量的振荡平面具有与源于光轴的半径相垂直的定向。此外，提高微光刻曝光系统的分辨率和光学性能的各种尝试正在导致增大了对于使用由具有相对较高折射率的材料制成的光学部件的需要。在这里，如果折射率的值在所用的波长处超过了 SiA的折射率，那么该折射率被认为是“高”，3102在193nm处的折射率为η 1. 56。这种材料例如是尖晶石(在193nm处，η 1. 87)、蓝宝石(在193nm处， η 1. 93)，或者氧化镁(在193nm处，η 2. 02)。但是，由这些材料表现出单轴双折射(例如蓝宝石，其是光学单轴的，在193nm处具有Δη ^ 0.01)或者固有双折射(“IBR”，例如在193nm处IBR为 52nm/cm的尖晶石或者在193nm处IBR为 70nm/cm的氧化镁，或者具有Ml和M2并且IBR在20nm/cm禾口 80nm/cm之间的范围内的石榴石(Ml) 3 (M2) 7012，Ml例如是Yjc或Lu，M2例如是Al、GaJn或Tl)的效应而产生一些问题，造成扰乱透射光线的偏振分布的延迟。另外的扰动例如由所用的光学部件中的应力双折射、在反射边界处出现的相移等而引起。因此，需要至少部分地补偿这种扰动的反措施(countermeasure)。多个方法在现有技术中是已知的，所给出的下列引用并非穷尽，并且未说明它们与本申请的相关性。US 6252712B1公开了为了提供补偿偏振态的局部扰动而用的一种布置而使用至少一个形状不规则的双折射光学元件(优选主轴相对于彼此旋转的至少两个这种元件)， 所述双折射光学元件的厚度在光束的横截面上不规则地发生变化，从而至少部分地补偿该偏振分布的扰动。WO 2005/001527A1公开了一种用于补偿偏振分布扰动的校正设备，其中所述校正设备包括校正构件，该校正构件包括在厚度方面具有局部不规则性的两个双折射校正元件。该校正元件的排列、厚度和双折射性质选择为如果不考虑厚度方面的局部不规则性那么其双折射效应彼此抵消，以便仅影响在被补偿扰动的那些点处的偏振。此外，WO 2005/059645A2公开了一种微光刻投影透镜，其中在物镜中存在至少两种不同的单轴晶体材料，如石英、蓝宝石、MgF2、LaF3。此外，补偿双折射效应和/或避免偏振态扰动的尝试例如包括透镜的定时(clocking)(例如 US 2004/0105170A1 或 WO 02/093209A2)，通过形成双折射层 (form-birefringent layer)利用对偏振的可变影响，或者插入包括多个双折射瓷砖 (birefringent tile)的镶嵌瓷砖(mosaic tile)结构，每个瓷砖使曝光光束的对应截面沿着特殊方向偏振(例如参见US 6191880)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学系统，特别是微光刻曝光系统的照明系统或投影透镜，其中能够利用简单结构来有效地产生任意所希望的偏振分布，所述简单结构是按照微光刻曝光系统的要求以高精度制造的。更特别的是，本发明提供一种光学系统，其中能够有效地补偿偏振态的局部扰动，特别是由于存在一个或多个具有相对较高折射率和相对较强双折射的光学元件(例如由于存在单轴材料或者存在显示出强烈的固有双折射的材料)。作为另一个方面，本发明提供一种光学系统，其中将第一(例如圆或线)偏振分布变换为第二(例如切向)偏振分布。根据本发明的一个方面，一种光学系统，特别是微光刻曝光系统的照明系统或投影透镜，具有光学系统轴以及由三个双折射元件构成的至少一个元件组，每个双折射元件由光学单轴材料制成并具有非球面，其中所述组的第一双折射元件具有其光学晶轴的第一取向；所述组的第二双折射元件具有其光学晶轴的第二取向，其中所述第二取向可以被描述为由所述第一取向的旋转形成，所述旋转不对应于绕光学系统轴旋转90°或其整数倍的角的旋转；以及所述组的第三双折射元件具有其光学晶轴的第三取向，其中所述第三取向可以被描述为由所述第二取向的旋转形成，所述旋转不对应于绕光学系统轴旋转90°或其整数倍的角的旋转。在本发明的含义中，术语“双折射的”或“双折射元件”应当包括线性双折射和圆双折射(即旋光性，如在例如结晶石英中观察到的旋光性)。根据优选实施例，所述元件组的这三个双折射元件是连续的，其意味着，第二双折射元件是沿着光学系统轴或者在光传播方向上位于第一元件之后的下一个双折射光学元件，第三双折射元件是沿着光学系统轴或者在光传播方向上位于第二元件之后的下一个双折射光学元件。换句话说，该组的这些光学元件沿着光学系统轴一个接一个地或者以相互紧邻的关系排列在光学系统中。此外，并且还要更优选的是，这三个元件彼此直接紧邻，在其中间没有任何(双折射或非双折射的)光学元件。根据本发明，将三个双折射元件的组合用于实现所希望的对偏振态的局部扰动的补偿，其中所述元件中的每一个具有非球面，并因此具有由其厚度轮廓引起的双折射效应的可变强度。本发明基于以下认识，即利用具有适合的厚度轮廓变化及各自晶轴取向的三个元件的这种组合，主要可以实现任何所希望的延迟分布，可以再将其用于至少部分地补偿由于在光学系统中存在显示出强烈延迟的一个或多个光学元件而引起的现有的延迟分布，所述强烈延迟是例如通过使用单轴介质、双轴介质、具有固有双折射的介质或者具有应力诱发的双折射的介质而引起的。 关于本发明潜在的理论考虑，通过庞加莱(PoincaM)球体的旋转可以描述具有下面的通式的不吸收的(=单式的)琼斯(Jones)矩阵 J
A B
α0 + αλ α2 + ia3 -a2 +ia^ a0 - iax
(1)
、B A
3且Σα2=1，其中位于庞加莱球体的表面上的点描绘出特定的偏振态。本发明的概
J=O
念是基于可以将庞加莱球体的所述旋转分成几个基本的旋转，这些基本的旋转又对应于特定的琼斯矩阵。三个这种琼斯矩阵的适合的组合用于描绘庞加莱球体的所希望的旋转，即所希望的不吸收的(=单式的)琼斯矩阵。换句话说，任何单式琼斯矩阵可以表示为具有适当选择的“欧拉角(Euler angle) ” α、β和γ的三个矩阵函数的矩阵积J = R1 ( α ) . R2 ( β ) · R3 ( Y ) (2)矩阵函数IMcOj2(Ci)、R3(a)中的每一个从下面的集合中获得
ΙΛ
cos α -sina sin α cos α ,
exp(-/a) O 0 exp(/a)
cos α - ι sin α -/sin α cos ο;所述集合描绘了旋转器、具有0°取向的延迟器和具有45°取向的延迟器，其强度由α来规定。任何单式琼斯矩阵的分解在下面的条件( 下始终是可能的R1 ( α ) ^ R2 ( α ) andR2 ( α )乒 R3 ( α ) (3)在根据本发明的三个双折射元件的元件组中，第二(或第三，分别地)双折射元件中的光学晶轴的取向可以描绘成由第一(或第二，分别地)双折射元件中光学晶轴的取向旋转不等于90°或其整数倍的角的旋转度而形成的，上述特征保证了在这一方面三个双折射元件的独立性。这考虑了以下事实，即两个元件的每一个具有非球面以及使这两个光学元件的两个取向彼此旋转例如90°的这种光学晶轴取向，由于在各个非球面(或者厚度轮廓)的符号同时相反的情况下这些元件中的一个可以由另一个来代替，因此这两个元件在这个范围内其偏振作用不是独立的。换句话说，根据本发明的该元件组包括三个双折射元件，其中根据本发明的光学组的随后两个双折射元件的光学晶轴具有不同的取向。另外，如果这两个取向中之一不能通过绕光学系统轴旋转90° (或其整数倍)的角的旋转来实现，那么这两个取向仅仅被认为是彼此不同的。再换句话说，根据本发明的光学组的随后两个双折射元件的取向在决定这两个元件的偏振作用是否真正不同时必须彼此“以90°为模(module 90° )”进行比较。因此，在不同的措词中，本发明的这一方面可以规定为，如果该光学组的随后两个双折射元件的光学晶轴位于与光学系统轴相垂直的平面内，那么在这些光学晶轴的这两个取向之间的“以 90°为模的角”不为零。举例来说，根据本发明，位于与光学系统轴相垂直的平面内且彼此成90°角的两个取向被认为是相等的或者被认为是不独立的，而位于与光学系统轴相垂直的平面内且彼此成95°角的两个取向产生“95°以90°为模”的角=5°，并因此被认为是不相等的或者被认为是彼此独立的。如果一束光线穿过光学晶轴满足上述准则的三个双折射元件构成的这种元件组， 那么对于这些双折射元件的非球面或厚度轮廓的适当选择来说，可以补偿在该光学系统中例如微光刻曝光系统的投影透镜中的任何偏振分布扰动。通常，为了在预定的位置提供预定的相位延迟Δφ,所需要的厚度d如由下面的方
程式而给出
d = ^-(4)
2πΑη在本发明的情况下，在投影透镜中对双折射效应的明显补偿通常必须对应于至少 λ·Δφ25纳米(nm)的延迟。为了提供这种补偿，由于例如MgF2的Δη的典型值为0. 0024 且典型波长为λ ^ 193nm，因此对应于这种延迟效应的因非球面而引起的厚度变化Ad将达到Ad 5nm/ (2 · Ji · Δη) 331nm。因此，对于波长为λ ^ 193nm，可以估计非球面中的厚度轮廓变化的通常量级的下限为Admin 0.3ym。根据所获得的相位延迟Δφ,由准则Acp>(5nm/193nm)给出了与双折射效应的显著补偿相对应的下限Acpmm ,因此可以将相位延迟的下限Acpmm估计为Acpmm=O.025或Acpmm=25毫拉德(mrad)。因此，根据本发明的实施例，所述双折射元件中的每一个具有厚度轮廓的这种变化，从而在所述光学系统的给定工作波长处获得Acpmm=25毫拉德(mrad)的最小相位延迟。根据本发明的实施例，所述三个双折射元件的所有光学晶轴的取向都彼此不同。 这种布置能够在第一和第三双折射元件的晶轴彼此垂直取向的配置中实现三个晶体取向的上述概念。在这个范围内这是有利的，因为如果待补偿的所希望的偏振效应(即由该元件组所提供的)至少差不多是纯延迟(不具有或仅具有少量的椭圆分量)，那么第一和第三元件相应的非球面可以具有高度轮廓基本上相等、符号相反的非球面，导致至少部分地补偿这些表面的标量影响。根据本发明的另一个实施例，第一双折射元件和第三双折射元件的光学晶轴基本上彼此平行。这种布置有利于制造具有相等的非球面或高度轮廓的这两个元件，这对于显著简化制造过程并且将相同的测试光学系统用于这些元件是有利的。根据本发明的另一个实施例，所有三个双折射元件的光学晶轴的取向都垂直于光学系统轴，其中第一双折射元件和第三双折射元件中每一个的光学晶轴相对于所述组的第二双折射元件的光学晶轴绕所述光学系统轴旋转30°至60°范围内的角，更优选是40° 至50°，进一步优选是45°的角。这是有利的，因为各个元件的光学晶轴取向小于45°角对应于庞加莱球体绕彼此垂直的轴的旋转，即线性无关的旋转，这使其可以实现具有更适度的高度轮廓和更小的表面变形的特定的所希望的补偿效应。根据优选实施例，在每个所述光学元件中的光学晶轴或者基本上垂直于所述光学系统轴，或者基本上平行于所述光学系统轴。在这里和下文中，光学晶轴或者“基本上垂直于”或者“基本上平行于”所述光学系统轴的这种措词应当表示本发明覆盖稍微偏离精确垂直或平行的取向，其中如果光学晶轴和相应的垂直或平行取向之间的角不超过士5°，那么认为该偏离是很小的。
根据本发明的实施例，所述双折射元件平均起来基本上不具有光焦度。这一措词在本发明的含义中应当理解为，如果用最佳拟合球面来近似各个元件的表面，那么这样近似的元件的光焦度不大于1屈光度(1屈光度=Im-1)。可选择的是，这些双折射元件的“平均起来基本上不具有光焦度”的性质可以由用于一个或多个所述光学元件的额外的补偿板来实现，或者是由各个元件的仅在边缘的表面起伏而引起，即基本上类似于平面平行板。根据一个实施例，所述补偿板可以由非双折射材料制成，例如熔凝硅石。根据本发明的另一个方面，一种光学系统，特别是微光刻曝光系统的照明系统或投影透镜，具有光学系统轴以及由三个元件对构成的至少一个元件组，每一个元件对由一个双折射元件和一个属性(attributed)补偿元件构成，所述双折射元件由光学单轴材料制成并具有非球面，其中每个双折射元件和属性补偿元件互补为所述元件对的平面平行几何形状，其中所述组的第一双折射元件具有其光学晶轴的第一取向；所述组的第二双折射元件具有其光学晶轴的第二取向，其中所述第二取向可以被描述为由所述第一取向的旋转形成，所述旋转不对应于绕光学系统轴旋转90°或其整数倍的角的旋转；以及所述组的第三双折射元件具有其光学晶轴的第三取向，其中所述第三取向可以被描述为由所述第二取向的旋转形成，所述旋转不对应于绕光学系统轴(OA)旋转90°或其整数倍的角的旋转。因此，在这一方面，该光学系统或光学元件组与前面描述的光学系统或光学元件组类似，不同之处仅在于所述元件组对于所述每个双折射元件包括属性补偿元件，从而使所述双折射元件和所述属性补偿元件合计达到平面平行几何形状。在该方面另外实现的有利效果在于，元件组对所谓的标量相位的有害影响可以保持为低，并且在理想情况下，该有害影响等于由平面平行板对标量相位产生的作用。补偿元件优选也由光学单轴材料制成， 该光学单轴材料的光学晶轴的取向在垂直于光学系统轴的平面内，并且其取向垂直于该属性双折射元件的光学晶轴。至于在该方面的光学系统或光学元件组的优选实施例和优点， 可以参考关于根据第一方面的光学系统或光学元件组而提及和讨论的优选实施例和优点。根据另一个优选实施例，所述组合的元件或所述元件组设置在所述光学系统的光瞳面内。这种布置是有利的，因为以相同角度进入投影透镜的像方最后一个透镜元件的光束(并且因此经历类似强度的双折射)分别在基本上相同的位置穿过元件组或组合的元件，并且其偏振态将同样地得以补偿。根据另一个优选实施例，所述组合的元件或所述元件组设置在满足关系式
0.8J力的位置，其中D1是光束在所述位置处的直径，D2是在所述位置处的总的光
U 2
学所用直径。这种布置在考虑可以由像方最后一个透镜元件引起的偏振效应的场依赖性的情况下来获得(由所述最后一个透镜元件中属于光束的不同场位置的不同几何路径长度而引起)改进的补偿时是有利的，因为根据元件组或组合的元件分别相对于光瞳面的位移可以更好地考虑所述场依赖性，所述改进的补偿。
根据另一个优选实施例，该光学系统包括至少两个组合的元件或元件组，所述组
合的元件或元件组设置在满足关系式^^ 0力的位置，其中D1是在相应的位置处的
JJ 2
光束直径，是在相应的位置处的总的光学所用直径。这种布置考虑到所获得的补偿在至少接近光瞳面的位置处特别有效。特别是，这两个元件组，或者组合的元件组可以关于该光瞳面对称地设置，即位于沿着光学系统具有相同的关系式D1ZiD2但在光瞳面相反侧的位置上。根据优选实施例，该元件组或组合的元件分别设置在沿着光学系统的光传播方向的第一光瞳面内。这一位置对于增强用于在置于整个光学系统中的补偿元件(或元件组) 的校正作用和几何尺寸方面改变整个光学系统的设计中的光瞳面的可能性是特别有利的。 这是因为第一光瞳面设置在这样一个位置，在该位置处，数值孔径(NA)与最后一个(即像方)光瞳面相比相对较小，并且第一光瞳面下游的多个光学元件提供校正和最优化光学成像的充分可能性。根据又一个优选实施例，所述组合的元件或所述元件组沿着光学系统轴的最大轴向长度不大于该元件组平均光学有效直径的50 %，优选不大于20 %，更优选不大于10 %。 通过使该组的双折射元件彼此靠近、通过使每个光学元件具有相对较小的厚度和/或通过将这些双折射元件(或元件对，分别地)彼此直接邻近布置且其中间没有任何其他光学元件可以获得这种小的轴向长度。这种光学元件组的紧凑设计是有利的，因为使同样倾斜于光学系统轴而穿过该光学元件组的光束的发散减小或减为最小，从而使穿过与光学系统轴具有相同距离的元件的光束经历至少近似相同的偏振效应。在又一方面，本发明还涉及一种光学元件，其包括嵌入在第二透镜部件中的第一透镜部件，其中所述第一透镜部件由尖晶石制成，并且其中所述第二透镜部件由光学各向同性材料制成。光学元件的这种结构的有利作用在于第一透镜部件可以制造得相对较薄， 并且可以将由于所述元件(特别是单轴或固有双折射以及吸收)的作用而引起的光学系统的光学性能的任何劣化保持很小。这种光学元件可以与如上所述的光学系统结合而实现， 也可以独立于所述光学系统而实现。本发明还涉及一种微光刻投影曝光装置、一种用于微光刻投影曝光装置的照明系统或投影透镜、光学系统在微光刻投影曝光中的使用、一种微光刻构成衬底的方法，以及一种微结构的器件。根据再一方面，本发明还涉及一种微光刻投影曝光装置，包括照明系统和投影透镜，其中所述照明系统和/或所述投影透镜包括光学元件，所述光学元件包括嵌入在第二透镜部件(942b)中的第一透镜部件(94 )，其中所述第一透镜部件(942a)由在 λ 193nm处折射率大于1.7的立方晶体材料制成，并且其中所述第二透镜部件(942b)由光学各向同性材料制成。本发明的其他方面和有利实施例由下面的说明书以及另外所附的权利要求书来得到，所述权利要求书的内容构成说明书的一部分，其整体引入作为参考。
参考下面的详细说明并基于图中所示的优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中
图1示出了根据本发明示范性实施例的微光刻投影透镜的经向(meridional)截图2示意性地示出了光学元件组的主要结构的侧视图(图2a)和2b))和顶视图 (图2c和2d)，其中涉及根据本发明实施例的三个元件中的每一个；图3a_c示出了根据图的实施例的元件组中的特定双折射元件的高度轮廓 (单位为微米，Pm)；图如-b示出了图1的投影透镜在不具有(图4a)和具有根据本发明的光学元件组的情况下的延迟；图示意性地示出根据图2a)的光学元件组的另一个实施例的主要结构的顶视图，其中涉及这三个元件中的每一个；图6示出根据本发明另一个示范性实施例的微光刻投影透镜的经向截面；图7a)-d)和8a)-b)示出了根据本发明其他实施例的光学元件组的主要结构；图9a_c示出了根据本发明实施例的根据图7和8的光学组中双折射元件的高度轮廓；图10a)_b)示出了具有(图IOa))和不具有(图IOb))根据图7-9的元件组的投影透镜的相应的延迟光瞳图(map)；图11示出了根据本发明另一个示范性实施例的微光刻投影透镜的经向截面；图12示出了图11的微光刻投影透镜的细节；图13a)_c)示出了根据本发明的元件组中的三个光学元件的高度轮廓(单位为微米，μ m)，所述元件组是为了部分地补偿图14a)_b)的琼斯光瞳而使用的；图14a) _b)举例示出了在微光刻投影透镜中的琼斯光瞳，该微光刻投影透镜包括尖晶石100透镜，其中图14a)示出了延迟的绝对值的分布(单位为nm)，并且图14b)示出了快轴的方向；以及图15a)_b)示出了在元件组中的三个光学元件的每一个的辐射点的延迟轮廓，该元件组根据本发明用于将圆偏振分布(图15a))或线偏振分布(图15b))变换为作为方位角的函数的切向偏振分布。
具体实施例方式图1示出了依照本发明实施例的整个折反射投影透镜100的经向整体截面。表1 中列出了投影透镜100的设计数据。在该表中，第1列包括各个反射或其他能区别的光学表面的编号，第2列包括该表面的半径(单位为mm)，第3列是该表面到紧接着的下一个表面的距离(也称作厚度，单位为mm)，第4列为适用于各个表面的材料，第5列为该材料在 λ = 193nm处的折射率，第6列为光学部件的光学可用的自由半直径(单位为mm)。在图1中用短的水平线来标识的和在表2中指定的表面是非球面弯曲的，这些表面的曲率由下面的非球面公式给出
权利要求
1.一种微光刻投影曝光装置，包括照明系统和投影透镜，其中所述照明系统和/或所述投影透镜包括光学元件，所述光学元件包括在第二透镜部件(942b)中嵌入的第一透镜部件(94 )，其中所述第一透镜部件(942a)由在λ 193nm处折射率大于1. 7的立方晶体材料制成，并且其中所述第二透镜部件(942b)由光学各向同性材料制成。
2.如权利要求1所述的微光刻投影曝光装置，其中所述第一透镜部件(942a)由尖晶石制成。
3.如权利要求2所述的微光刻投影曝光装置，其中所述第一透镜部件(942a)由 (100)-尖晶石制成，并且所述第二透镜部件(942b)由熔凝硅石(SiO2)制成。
4.如权利要求1所述的微光刻投影曝光装置，其中所述第一透镜部件(942a)从包括下述的组中选择氟化镁(MgF2)、氟化镧(LaF3)、蓝宝石(Al2O3)和结晶石英(SiO2)。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的微光刻投影曝光装置，其中所述第一透镜部件 (942a)的光入射面与所述第二透镜部件(942b)的光出射面具有相同的曲率。
6.如权利要求1至4中的任一项所述的微光刻投影曝光装置，其中所述第一透镜部件 (942a)的光入射面与所述第二透镜部件(942b)的光出射面之间没有间隙。
7.如权利要求1至4中的任一项所述的微光刻投影曝光装置，其中，在所述第一透镜部件(942a)的光入射面与所述第二透镜部件(942b)的光出射面之间布置浸液层或小的空气隙。
8.如权利要求1至4中的任一项所述的微光刻透镜曝光装置，其中，所述光学元件是像方的最后一个元件。
9.如权利要求1至4中的任一项所述的微光刻透镜曝光装置，其中，所述第二透镜部件 (942b)是弯月透镜，并且所述第一透镜部件(942a)布置在所述弯月透镜的凹光出射侧，以与所述第二透镜部件(942b) —起形成大致的平凸透镜。
全文摘要
本发明提供了一种微光刻投影曝光装置，包括照明系统和投影透镜，其中所述照明系统和/或所述投影透镜包括光学元件，所述光学元件包括嵌入在第二透镜部件(942b)中的第一透镜部件(942a)，其中所述第一透镜部件(942a)由在λ≈193nm处折射率大于1.7的立方晶体材料制成，并且其中所述第二透镜部件(942b)由光学各向同性材料制成。
文档编号G02B27/26GK102207691SQ20111014718
公开日2011年10月5日 申请日期2006年9月13日 优先权日2005年9月14日
发明者A·多多克, D·克拉默, H·费尔德曼, M·托特泽克, S·贝德, W·克劳斯 申请人:卡尔蔡司Smt有限责任公司