DE10316428A1

DE10316428A1 - Katadioptrisches Reduktionsobjektiv

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Publication number: DE10316428A1
Application number: DE10316428A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Epple; Aurelian Dr. Dodoc
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-10-21
Also published as: WO2004090600A3; WO2004090600A2; US20060132931A1; TW200500631A

Abstract

Ein katadioptrisches Projektionsobjektiv zur Abbildung eines in der Objektebene (102) des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in die Bildebene (104) des Projektionsobjektivs hat einen katadioptrischen ersten Objektivteil (105) mit mindestens einem Konkavspiegel (106) und einen dioptrischen zweiten Objektivteil (108), in dem eine bildnahe Pupillenfläche (111) liegt. In einem Nahbereich (160) der Pupillenfläche ist mindestens eine Konkavlinse (140, 145) mit einer zur Pupillenfläche (111) gerichteten Konkavfläche (140', 145') angeordnet. Zwischen der Pupillenfläche und der Bildebene gibt es keine Linsen mit einer zur Bildebene gerichteten, stark gekrümmten Konkavfläche. Solche Projektionsobjektive sind bei guter optischer Korrektur materialeinsparend herstellbar und relativ unempfindlich gegenüber fertigungsbedingten Abweichungen vom Idealdesign.

Description

Die Erfindung betrifft ein katadioptrisches Projektionsobjektiv zur Abbildung eines in einer Objektfläche des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in eine Bildfläche des Projektionsobjektivs.
Derartige Projektionsobjektive werden in Projektionsbelichtungsanlagen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen verwendet, insbesondere in Waferscannern und Wafersteppern. Sie dienen dazu, Muster von Photomasken oder Strichplatten, die nachfolgend allgemein als Masken oder Retikel bezeichnet werden, auf einen mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichteten Gegenstand mit höchster Auflösung in verkleinerndem Maßstab zu projizieren.
Dabei wird es zur Erzeugung immer feinerer Strukturen angestrebt, einerseits die bildseitige numerische Apertur (NA) des Projektionsobjektivs zu vergrößern und andererseits immer kürzere Wellenlängen zu verwenden, vorzugsweise Ultraviolettlicht mit Wellenlängen von weniger als ca. 260 nm.
In diesem Wellenlängenbereich stehen nur noch wenig ausreichend transparente Materialien zur Herstellung der optischen Komponenten zur Verfügung, insbesondere synthetisches Quarzglas und Fluoridkristalle, wie Calciumfluorid. Die Abbékonstanten dieser Materialien liegen relativ nahe beieinander, so dass es schwierig ist, rein refraktive Systeme mit ausreichender Farbfehlerkorrektur bereitzustellen. Solche Systeme benötigen auch viel Linsenmaterial, welches in geeigneter Qualität nur sehr begrenzt verfügbar ist.
In Anbetracht der Schwierigkeiten bei der Farbkorrektur und begrenzter Verfügbarkeit geeigneter Linsenmaterialien werden für höchstauflösende Projektionsobjektive zunehmend katadioptrische Systeme verwendet, bei denen brechende und reflektierende Komponenten, insbesondere also Linsen und Spiegel, kombiniert sind. Dabei sind rotationssymmetrische Designs möglich. Wenn jedoch eine obskurationsfreie und vignettierungsfreie Abbildung erreicht werden soll, werden bei der Nutzung von abbildenden Spiegelflächen Strahlumlenkeinrichtungen (Strahlteiler) benötigt. Es sind sowohl Systeme mit geometrischer Strahlteilung, z.B. mit einem oder mehreren voll reflektierenden Umlenkspiegeln, als auch Systeme mit physikalischen Strahlteilern, beispielsweise Polarisationsstrahlteilern, bekannt.

Katadioptrische Projektionsobjektive der Anmelderin sind beispielsweise der EP 1 260 845 (entsprechend US 2003/0021040 A1) oder der US-Patentanmeldung mit Serial No. 10/166,332 zu entnehmen. Die Systeme sind hervorragend korrigiert, benötigen jedoch für die Herstellung der Linsen im bildfeldnahen Bereich relativ viel Linsenmaterial. Ein noch unveröffentlichtes katadioptrisches Projektionsobjektiv mit Polarisationsstrahlteiler (Beam Splitter Cube, BSC) der Anmelderin ist in der US-Patentanmeldung mit Serial No. 60/396,552 gezeigt. Ein Merkmal dieses Designs sind drei große, meniskusförmige Linsen im bildfeldnahen Bereich, die jeweils zum Bildfeld gerichtete Konkavflächen haben. An den Konkavflächen der Menisken treten große, mit der bildseitigen numerischen Apertur des Systems vergleichbare oder sogar über dieser liegende Inzidenzwinkel der Lichtstrahlen auf. Diese großen Inzidenzwinkel leisten einen wesentlichen Beitrag zur Korrektur monochromatischer Bildfehler des Projektionsobjektivs. Ein praktischer Nachteil des Systems ist es, dass für die Herstellung der benötigten Linsen relativ viel Linsenmaterial benötigt wird.

Beispiele für andere katadioptrische Projektionsobjektive mit physikalischem Strahlteiler sind in den US-Patenten US 5,808,805 oder US 5,694,241 gezeigt. Ein Merkmal dieser Designs sind zur Bildfläche gerichtete, stark gekrümmte Konkavflächen an Linsen im Bereich zwischen einer bildnahen Pupillenfläche und der Bildfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein katadioptrisches Projektionsobjektiv bereitzustellen, das einen sehr guten Korrektionszustand aufweist und materialsparend herstellbar ist. Vorzugsweise soll die Abbildungsleistung des Projektionsobjektivs relativ unempfindlich gegenüber fertigungsbedingten Abweichungen vom Idealdesign sein, so dass die Herstellung vereinfacht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein katadioptrisches Projektionsobjektiv mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Ein erfindungsgemäßes, katadioptrisches Projektionsobjektiv der eingangs erwähnten Art hat einen katadioptrischen ersten Objektivteil mit mindestens einem Konkavspiegel und einen dioptrischen (rein refraktiven) zweiten Objektivteil, in dem eine bildnahe Pupillenfläche liegt. In einem Nahbereich dieser Pupillenfläche ist mindestens eine Konkavlinse mit einer zur Pupillenfläche gerichteten Konkavfläche angeordnet und zwischen der Pupillenfläche und der Bildebene liegt keine Linse mit einer zur Bildebene gerichteten, stark gekrümmten Konkavfläche.

Eine „Konkavlinse" im Sinne dieser Anmeldung ist eine Linse, bei der mindestens eine Linsenfläche konkav bzw. hohl ist. Diese Linsenfläche wird als Konkavfläche bezeichnet. Je nach Krümmung der anderen Linsenfläche kann es sich um eine bikonkave Negativlinse, um eine plankonkave Negativ-Linse, um eine Negativ-Meniskuslinse oder um eine Positiv-Meniskuslinse handeln.

Ein Aspekt der Erfindung sieht somit vor, in bevorzugten Bereichen des Projektionsobjektives nahe der bildnächsten Pupillenfläche Konkavflächen mit bestimmter Ausrichtung bereitzustellen und in anderen Bereichen, nämlich zwischen der Pupillenfläche und der Bildfläche, einen bestimmten Typ von Konkavfläche zu vermeiden. Somit kann man die für die monochromatische Korrektur vorteilhaften großen Inzidenzwinkel im pupillennahen Bereich bereitzustellen, ohne dass Linsen verwendet werden müssen, für deren Herstellung relativ zu ihrer Größe viel Linsenmaterial (Blankmasse) verarbeitet werden muss.

Unter der „Pupillenfläche" im Sinne dieser Anmeldung sei eine Fläche verstanden, in der ein im Bildraum des Systems achsparalleler Strahl bei Rückwärtsrechnung die optische Achse schneidet. Eine in oder nahe dieser Pupillenfläche angebrachte Systemblende liefert ein im Bildraum im wesentlichen telezentrisches optisches System. Der „Nahbereich" der Pupillenfläche gemäß dieser Anmeldung ist ein der Pupillenfläche naher Bereich relativ großer Strahldurchmesser. Der Nahbereich erstreckt sich dabei beidseitig der Pupillenfläche in Axialrichtung beispielsweise bis zum 1,5fachen oder 2fachen des maximal nutzbaren Strahlbündeldurchmessers im Bereich der Pupillenfläche. Dieser Durchmesser wird hier auch als Blendendurchmesser bezeichnet, da im Be reich der Pupillenfläche eine physikalische Blende zur Begrenzung der numerischen Apertur des Systems vorgesehen sein kann. Die Position der bildnächsten Pupillenfläche wird daher auch als „Blendenlage" bezeichnet. Eine physikalische Blende (Aperturblende) an dieser Stelle ist jedoch nicht zwingend.

Eine „stark gekrümmte" Konkavfläche im Sinne der Anmeldung liegt insbesondere dann vor, wenn für eine Flächenöffnung k der entsprechenden Konkavfläche k < 1 gilt. Als Flächenöffnung k wird hier das Verhältnis r/D zwischen dem Radius r der Konkavfläche und dem maximal nutzbaren Durchmesser D der Konkavfläche (optisch freier Durchmesser) bezeichnet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen der Pupillenfläche und der Bildebene keine Konkavfläche liegt, deren k-Faktor kleiner als 0,8, insbesondere kleiner als 0,7 ist. Dagegen können schwächere Krümmungen, beispielsweise mit k-Faktoren von mehr als ca. 2, 3 oder 4 für die Korrektur günstig sein.

Ein besonders günstiges Verhältnis von Korrekturwirkung zu Materialeinsatz kann dann erreicht werden, wenn die (zur Pupillenfläche gerichtete) Konkavfläche in einem Bereich mit sich deutlich änderndem Strahldurchmesser zwischen einem Bereich mit geringerem Strahldurchmesser und einem Bereich mit höherem Strahldurchmesser liegt und wenn die Konkavfläche dabei dem Bereich mit größerem Strahldurchmesser zugewandt ist. Die Konkavfläche ist somit vorzugsweise gegen den Strahlverlauf gestellt. Dadurch können trotz kleiner Durchbiegung und geringem Materialeinsatz große Inzidenzwinkel für die Korrektur erzielt werden.

Wird beispielsweise eine solche Konkavlinse in einem Bereich konvergenter Strahlung zwischen Pupillenfläche und Bildebene platziert, so kann erreicht werden, dass große Inzidenzwinkel an der Vorderseite bzw. Eintrittsseite der Linse auftreten, wo der Strahlverlauf des Strah lenganges bereits konvergent ist. Bei Platzierung einer Konkavlinse vor der Pupillenfläche sollte diese so im divergenten Strahlengang angeordnet sein, dass große Inzidenzwinkel an der der Pupillenfläche zugewandten Rückseite bzw. Austrittseite der Linse auftreten, wo der Strahlverlauf im wesentlichen divergente Strahlbüschel aufweist.

Eine konvergente Strahlung im Sinne dieser Anmeldung liegt dann vor, wenn die paraxiale Schnittweite des Teilobjektivs vor der jeweils betrachteten Konkavfläche positiv ist. In diesem Fall würde das vor der Konkavfläche liegende Teilobjektiv hinter der Position der Konkavfläche ein reelles Bild erzeugen. Der paraxiale Randstrahlwinkel u des Linsenzwischenraumes vor der Konkavfläche ist in diesem Fall konvergent und kann durch seine numerische Apertur NA = n·sin(u) angegeben werden, wobei n ≈ 1 der Brechungsindex der Linsenzwischenräume ist. Entsprechend liegt ein divergenter Strahlengang vor, wenn die paraxiale Schnittweite an der Konkavfläche negativ ist. In diesem Fall würde ein vor der Position der Konkavfläche liegendes Teilobjektiv ein virtuelles Bild im Lichtweg vor der Konkavfläche erzeugen.

Das Ausmaß bzw. die Stärke der Konvergenz oder der Divergenz kann über den Wert von sin (u), d.h. die numerische Apertur des paraxialen Randstrahlwinkels u quantifiziert werden, wobei der Wert des Vorzeichens, der über Konvergenz oder Divergenz entscheidet, über die paraxiale Schnittweite erfassbar ist. Günstige Werte für eine Konvergenz oder Divergenz, die zu einer starken Korrekturwirkung führt, können im Bereich von mindestens 30%, insbesondere mindestens 50% der bildseitigen numerischen Apertur NA des Systems liegen.

Besonders günstig ist es, wenn sowohl im Bereich divergenter Strahlbündel als auch im Bereich konvergenter Strahlbündel mindestens eine zur Pupillenfläche gerichtete Konkavfläche angeordnet ist, an der große Inzidenzwinkel auftreten können. Bei günstigen Ausführungsformen ist vor der Pupillenfläche in divergentem Strahlengang mindestens eine zur Pupillenfläche gerichtete Konkavfläche und hinter der Pupillenfläche im konvergenten Strahlengang mindestens eine zur Pupillenfläche gerichtete Konkavfläche angeordnet. Es kann günstig sein, wenn jeweils genau eine Konkavfläche diesen Typs vor und hinter der Pupillenfläche vorgesehen ist.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die mindestens eine Konkavfläche derart gekrümmt und angeordnet ist, dass der an der Konkavfläche auftretende maximale Sinus des Inzidenzwinkels der durchtretenden Strahlung größer als ca. 80%, insbesondere größer als ca. 90% der bildseitigen numerischen Apertur des Projektionsobjektivs ist. Dies gilt insbesondere bei numerischen Aperturen NA ≥ 0,6 oder NA ≥ 0,7 oder NA ≥ 0,8, also bei hochaperturigen Systemen. Diese Bedingungen sollten vorzugsweise für alle Konkavflächen der Konkavlinsen gelten.

Unter dem „Sinus des Inzidenzwinkels" eines Strahls an einer Fläche sei das Produkt n·sin(i) aus dem Brechungsindex n des in Lichtrichtung vor der Fläche liegenden Mediums und dem Sinus des Inzidenzwinkels i verstanden. Dabei ist der Inzidenzwinkel der Winkel, den der Lichtstrahl und die Flächennormale am Auftreffpunkt einschließen. Unter dem „maximalen Sinus des Inzidenzwinkels" an einer Fläche sei das Maximum des Sinus des Inzidenzwinkels über alle auf diese Fläche auftreffenden Lichtstrahlen verstanden.

Andererseits kann es günstig sein, wenn die mindestens eine Konkavfläche in einem Bereich angeordnet ist, in dem die maximale numerische Apertur der Strahlung an der Konkavfläche weniger als ca. 80% der bildseitigen numerischen Apertur des Projektionsobjektivs beträgt. Eine zwischen Pupillenfläche und Bildfläche angeordnete Konkavlinse sollte demnach einen ausreichenden Abstand zum Bereich größter Strahlaper turen nahe am bildseitigen Austritt haben, um einerseits die Konvergenz des Strahlengangs zu Erzielung hoher Inzidenzwinkel für die Korrektur zu nutzen, ohne andererseits übergroße Inzidenzwinkel zu erzeugen, für die keine optimal wirkenden Antireflexbeschichtungen der Linsen verfügbar sind.

Je nach Ausführungsform kann eine zur Pupillenfläche gerichtete Konkavfläche an einer Positivlinse oder an einer Negativlinse angeordnet sein. Eine Negativlinse kann hierzu bikonkav gestaltet sein. Bevorzugt ist es, wenn die Konkavlinse eine Meniskuslinse ist, also eine Linse, bei der die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche den gleichen Krümmungssinn haben. Besonders günstig sind Meniskuslinsen mit negativer Brechkraft, bei denen die Konkavfläche jeweils die Fläche mit stärkerer Krümmung ist.

Wenn die Konkavlinse als Meniskuslinse ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn die Meniskuslinse eine geringe Durchbiegung Q hat, wobei die Durchbiegung vorzugsweise im Bereich Q ≤ 1,5, insbesondere im Bereich Q ≤ 1 oder sogar Q ≤ 0,8 liegen kann. Die Durchbiegung wird hier definiert als Q = |((1/r₁ + 1/r₂)/2)·D|, wobei 1/r₁ und 1/r₂ die Flächenkrümmungen von Eintrittsfläche und Austrittsfläche und D den Durchmesser der Linse bezeichnen. Meniskuslinsen mit Durchbiegungen aus diesem Bereich können mit besonders geringem Materialverbrauch hergestellt werden, da sich das Volumen des die fertige Linse umschreibenden Zylinders (Blankvolumen) vom genutzten Volumen der fertig bearbeiteten Linse (Nutzvolumen) nur wenig unterscheidet. Insbesondere kann das Verhältnis V zwischen Nutzvolumen und Blankvolumen größer als 0,4 oder 0,5 sein. Bei manchen Ausführungsformen liegt dieses Verhältnis für alle Meniskuslinsen vor, insbesondere auch für die Meniskuslinsen größten Durchmessers im pupillennahen Bereich.

Die Erfindung ermöglicht fertigungstechnisch gut beherrschbare Designs mit geringem Materialverbrauch. Dies wird auch an Art und Verteilung der Brechkräfte im System und in den einzelnen Linsen deutlich. In manchen Ausführungsformen ist der Betrag der Summe der negativen Brechkräfte aller Negativlinsen im zweiten Objektivteil kleiner als ca. 10 m^–1, insbesondere kleiner als ca. 8 m^–1. Diese geringe negative Brechkraft reicht in Verbindung mit den entsprechenden positiven Brechkräften für eine vollständige Aberrationskorrektur aus. Da nur geringe negative Brechkräfte erforderlich sind, können die erforderlichen Positivlinsen ebenfalls moderat dimensioniert sein.

Bei manchen Ausführungsformen gibt es im zweiten Objektivteil keine Linse mit starker negativer Brechkraft. Dies gilt insbesondere für alle Negativlinsen j im Nahbereich der Pupillenfläche. Für diese gilt vorzugsweise: 5,0 < |f_j/L| < 0,1, wobei f_j die Brechkräfte der einzelnen Negativlinsen im Nahbereich der Pupillenfläche, und L der gesamte Lichtweg entlang der optischen Achse zwischen Objektfläche und Bildfläche ist. Dieser Lichtweg kann einmal oder mehrfach gefaltet sein. Manche Ausführungsformen haben maximal drei Negativlinsen im zweiten, refraktiven Objektivteil. Dies spart Blankmasse. Diese günstigen Brechkraftverhältnisse tragen zu einem entspannten Design bei geringem Materialverbrauch bei.

Die Vorteile der Erfindung sind bei katadioptrischen Projektionsobjektiven unterschiedlicher Konstruktionen erzielbar. Obwohl Systeme ohne Zwischenbild möglich sind, wird bevorzugt zwischen Objektfläche und Bildfläche mindestens ein, vorzugsweise genau ein reelles Zwischenbild erzeugt. Liegt ein reelles Zwischenbild vor, so hat das System zusätzlich zu der bildnahen Pupillenfläche eine weitere Pupillenfläche, die beispielsweise im katadioptrischen Teil nahe an einem Konkavspiegel liegen kann. Weiterhin ist die Erfindung sowohl bei Systemen mit geometrischem Strahlteiler, als auch bei Systemen mit physikalischem Strahltei ler nutzbar. Dementsprechend haben vorteilhafte Ausführungen einen katadioptrischen Objektivteil mit einem Konkavspiegel und einer Strahlumlenkeinrichtung. Diese kann im Lichtweg vor dem Konkavspiegel liegen und eine Umlenkung der von der Objektebene kommenden Strahlung Richtung Konkavspiegel bewirken. Es ist auch möglich, dass eine reflektierende Fläche der Strahlumlenkeinrichtung im Lichtweg hinter dem Konkavspiegel liegt, wobei gegebenenfalls Licht von der Objektebene kommend zunächst auf den Konkavspiegel trifft, von dem es zur Spiegelfläche der Strahlumlenkeinrichtung reflektiert wird.

Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen.

1 ist ein Linsenschnitt durch eine erste Ausführungsform eines katadioptrischen Projektionsobjektives mit physikalischem Strahlteiler;
2 ist ein Linsenschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines katadioptrischen Projektionsobjektives mit physikalischem Strahlteiler;
3 ist ein Linsenschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines katadioptrischen Projektionsobjektives mit geometrischem Strahlteiler im Lichtweg vor dem Konkavspiegel;
4 ist ein Linsenschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines katadioptrischen Projektionsobjektives mit geometrischem Strahlteiler im Lichtweg hinter dem Konkavspiegel;
5 ist ein Linsenschnitt durch ein konventionelles, katadioptrisches Projektionsobjektiv mit physikalischem Strahlteiler;
6 ist eine schematische Darstellung einer Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage mit einem katadioptrischen Projektionsobjektiv gemäß der Erfindung.
Bei der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnet der Begriff „optische Achse" eine gerade Linie oder eine Folge von geraden Linienabschnitten durch die Krümmungsmittelpunkte der optischen Komponenten. Die optische Achse wird an Umlenkspiegeln oder anderen reflektierenden Flächen gefaltet. Richtungen und Abstände werden als „bildseitig" beschrieben, wenn sie in Richtung der Bildebene bzw. des dort befindlichen zu belichtenden Substrats gerichtet sind und als „objektseitig", wenn sie im Bezug auf die optische Achse zur Objektebene bzw. einem dort befindlichen Retikel gerichtet sind. 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.
Zur Einführung in die der Erfindung zugrunde liegende Problematik wird zunächst anhand der 5 ein katadioptrisches Projektionsobjektiv mit physikalischem Strahlteiler des Standes der Technik erläutert. Das Projektionsobjektiv entspricht der Ausführungsform, die in 1 der US-Patentanmeldung Serial No. 60/396,552 (Anmeldetag 18.07.2002) der Anmelderin gezeigt ist. Die zugehörige Beschreibung wird durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht.
Das Reduktionsobjektiv 500 mit physikalischer Strahlteilung dient dazu, ein in seiner Objektebene 502 angeordnetes Muster eines Retikels oder dergleichen unter Erzeugung eines einzigen, reellen Zwischenbildes 503 in eine parallel zur Objektebene liegende Bildebene 504 in reduziertem Maßstab (4:1) abzubilden. Das Objektiv hat zwischen der Objektebene 502 und der Bildebene 504 einen katadioptrischen ersten Objektivteil 505 mit einem Konkavspiegel 506 und einer Strahlumlenkrichtung 507 sowie einen dem katadioptrischen Objektivteil folgenden zweiten, dioptrischen Objektivteil 508, der ausschließlich refraktive optische Komponenten enthält.
Da das Reduktionsobjektiv ein reelles Zwischenbild 503 erzeugt, sind zwei reelle Pupillenebenen 510, 511 vorhanden, nämlich eine erste Pupillenebene 510 im katadioptrischen Objektivteil unmittelbar vor dem Konkavspiegel 506 und eine zweite Pupillenebene 511 im Bereich größter Strahldurchmesser im dioptrischen Objektivteil in der Nähe der Bildebene 504. In den Bereichen der Pupillenebenen 510, 511 kreuzt der Hauptstrahl der Abbildung die optische Achse 512 des Systems. Die Pupillenebenen 510, 511 sind zueinander optisch konjugierte Blendenorte, d.h. bevorzugte Orte, in deren Bereich eine physikalische Blende zur Begrenzung des Strahlbündelquerschnittes und zur Einstellung der genutzten numerischen Apertur angebracht werden kann. Eine Besonderheit dieses Systems besteht darin, dass die Systemblende 515 mit variabel einstellbarem Blendendurchmesser unmittelbar vor dem Konkavspiegel 506 im katadioptrischen Objektivteil angebracht ist.
Die Strahlumlenkeinrichtung 507 umfasst einen physikalischen Strahlteiler mit einem Strahlteilerwürfel 520, in dem eine polarisationsselektive Strahlteilerfläche 521 diagonal angeordnet ist. Die schräg zur optischen Achse ausgerichtete, ebene Strahlteilerfläche dient zur Umlenkung von entsprechend linear polarisiertem Objektlicht zum Konkavspiegel 506 und ist so ausgelegt, dass vom Konkavspiegel 506 kommendes Licht mit um 90° gedrehter Polarisationsrichtung zu einem Umlenkspiegel 522 transmittiert wird, dessen ebene Spiegelfläche senkrecht zur Strahlteilerfläche 521 ausgerichtet ist und das Licht zum refraktiven Objektivteil Richtung Bildebene reflektiert.
Ein besonderes Merkmal dieses Objektives sind drei große meniskusförmige Negativlinsen 530, 540, 550 im bildfeldnahen Bereich des refraktiven Objektivteils 508. Diese Linsen liegen in einem Nahbereich 560 der bildfeldnahen Pupillenfläche 511. Dieser Nahbereich zeichnet sich durch relativ große Strahlbündeldurchmesser aus und erstreckt sich von einem Ort unmittelbar vor der ersten Negativ-Meniskuslinse 530 bis zur Bildebene 504, also in einem Bereich von ca. ± 1,5 Blendendurchmessern um die Pupillenfläche 511. Als Blendendurchmesser wird hier der Durchmesser des Strahlbündels an der bildfeldnächsten Pupillenfläche 511 bezeichnet.
Die Negativ-Meniskuslinsen 530, 540, 550 sind jeweils zur Bildfläche 504 konkav bzw: hohl. An den bildseitigen Konkavflächen 530', 540', 550' der Menisken treten maximale Werte des Sinus der Inzidenzwinkel der Lichtstrahlen auf, die größer als ca. 90% der numerischen Apertur des Systems (NA = 0,85) sind oder sogar über diesem Wert liegen. Die großen Inzidenzwinkel an den Konkavflächen 530, 540, 550 tragen wesentlich zur Korrektur monochromatischer Bildfehler des Projektionsobjektives bei. Um jedoch im bildfeldnahen Bereich hinter der Pupillenfläche 511 an der Konkavfläche 550' eines zum Wafer hin hohlen Meniskus einen großen Inzidenzwinkel zu erzeugen, muss die Durchbiegung des Meniskus sehr groß sein, da der Strahlengang am Austritt des Meniskus bereits deutlich zum Bildfeld 504 hin konvergiert. Diese große Durchbiegung bedingt aber, dass der für die Herstellung der Linse erforderliche Rohling (Linsenblank) sehr viel Linsenmaterial benötigt. Die Form des für die Herstellung von Linse 550 erforderlichen Linsenroh lings 570 ist in 5 gestrichelt eingezeichnet. Bei dieser Meniskuslinse 550 liegt das Verhältnis V des Volumens der fertigen Linse zum Volumen des Linsenblanks 570 bei ca. 0,56, bei den Menisken 530, 540 bei ca. 0,37 bzw. 0,48. Die Herstellung dieser grossen Linsen und damit des Objektivs insgesamt ist somit relativ materialaufwendig. Dabei ist zu beachten, dass das Verhälthis V mit zunehmender Mittendicke einer Linse bei gleicher Durchbiegung günstiger wird. Die hier angegebenen Werte sind relativ günstig und können akzeptabel sein.
Die Erfindung ermöglicht eine deutliche Verringerung des Materialverbrauchs bei einer zum Stand der Technik vergleichbaren oder besseren optischen Korrektur, wobei zusätzlich die Herstellung noch durch „Entspannen" von Spezifikationen vereinfacht werden kann.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen katadioptrischen Projektionsobjektivs 100 mit physikalischer Strahlteilung ist in 1 gezeigt. Es dient dazu, ein in seiner Objektebene 102 angeordnetes Muster unter Erzeugung eines reellen Zwischenbildes 103 in seine Bildebene 104 im Maßstab 4:1 verkleinernd abzubilden und hat zwischen Objektebene und Bildebene einen katadioptrischen ersten Objektivteil 105 mit einem Konkavspiegel 106 und einer Strahlumlenkeinrichtung 107 sowie einen rein refraktiven, zweiten Objektivteil 108. Da ein reelles Zwischenbild 103 erzeugt wird, sind zwei reelle Pupillenflächen 110, 111 vorhanden, wobei die dem Bildfeld nächste Pupillenfläche 111 im Bereich größter Strahldurchmesser des refraktiven Teiles sitzt. Der Ort der bildnächsten Pupillenfläche 111 (Blendenort) ist frei von Linsen, so dass in diesem Bereich bequem eine Systemblende 115 zur variablen Begrenzung des Querschnittes der durch das Objektiv tretenden Strahlung angebracht werden kann, um die tatsächlich genutzte Apertur des Objektives einzustellen. Alternativ kann eine Systemblende am konjugierten Blendenort 110 vor dem Konkavspiegel 106 vorgesehen sein.
Die Strahlumlenkeinrichtung 107 umfasst einen physikalischen Strahlteiler mit einem Strahlteilerwürfel 120, in dem eine polarisationsselektive Strahlteilerfläche 121 diagonal angeordnet ist. Die schräg zur optischen Achse 112 ausgerichtete, ebene Strahlteilerfläche dient zur Umlenkung von entsprechend linear polarisiertem Objektlicht zum Konkavspiegel 106 und ist so ausgelegt, dass vom Konkavspiegel 106 kommendes Licht mit um 90° gedrehter Polarisationsrichtung zu einem Umlenkspiegel 122 transmittiert wird, dessen ebene Spiegelfläche senkrecht zur Strahlteilerfläche 121 ausgerichtet ist. Während die Strahlteilerfläche 121 zur Umlenkung des Objektlichts in Richtung des Konkavspiegels 106 notwendig ist, kann der Umlenkspiegel 122 auch entfallen. Dann würden ohne weitere Umlenkspiegel die Objektebene und die Bildebene im wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Die durch den Umlenkspiegel 122 erreichte Parallelstellung von Objektebene 102 und Bildebene 104 ist jedoch günstig für einen Scanner-Betrieb der das Projektionsobjektiv umfassenden Projektionsbelichtungsanlage.
Das Licht eines (nicht gezeigten) Beleuchtungssystems tritt auf der bildabgewandten Seite der Objektebene 102 in das Projektionsobjektiv ein und durchtritt zunächst die in der Objektebene angeordnete Maske. Das transmittierte Licht durchtritt danach eine planparallele Platte 125 und eine Positivlinse 126, welche die Strahlung bündelt und somit relativ kleine Durchmesser des Strahlteilerwürfels 120 ermöglicht. Die lineare Polarisation des Eingangslichtes ist so ausgerichtet, dass die Strahlteilerfläche 121 für das Licht reflektierend wirkt, so dass das Eingangslicht Richtung Konkavspiegel 106 umgelenkt wird. Entsprechend der Anordnung des Konkavspiegels in einem schrägen Horizontalarm des Projektionsobjektivs beträgt der Umlenkwinkel mehr als 90°, beispielsweise 103 bis 105°. Im Horizontalarm trifft das Licht zunächst auf eine Negativ-Meniskuslinse 127. Hinter dieser kann eine Polarisationsdreheinrichtung in Form einer λ/4-Platte 128 angeordnet sein, die das eintretende, linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandelt. Dieses durchtritt zwei dem Konkavspiegel 106 unmittelbar vorangestellte Negativ-Meniskuslinsen 129, 130, bevor es auf den Konkavspiegel trifft. Das vom Konkavspiegel 106 reflektierte und durch die zweifach durchlaufenen Linsen 127 bis 130 Richtung Strahlumlenkeinrichtung 107 rückgeführte Licht wird von der λ/4-Platte in Licht mit linearer Polarisation umgewandelt, welches von der Strahlteilerfläche 121 Richtung Umlenkspiegel 122 transmittiert wird. Das vom Umlenkspiegel 122 reflektierte Licht bildet mit Abstand hinter der Spiegelfläche 122 das Zwischenbild 103. Dieses wird von den nachfolgenden Linsen 135 bis 149 des refraktiven Objektivteils 108, die insgesamt verkleinernd wirken, in die Bildebene 104 abgebildet.
Die zur Abbildung des Zwischenbildes 103 in die Bildebene 104 dienenden Linsen umfassen eine dem Zwischenbild folgende bikonvexe Positivlinse 135 und eine danach angeordnete Positivlinse 136, die zusammen als Feldlinsengruppe wirken und wesentlich zur Verzeichnungskorrektur beitragen. Die mit großem Abstand folgenden Linsen im Nahbereich 160 der bildnahen Pupillenfläche 111 dienen insgesamt der Korrektur aperturabhängiger Fehler. Sie umfassen in dieser Reihenfolge eine brechkraftschwache, nahezu planparallele Linse 137, eine Positiv-Meniskuslinse 138 mit bildseitiger Konkavfläche, eine bikonkave Negativlinse 139, eine Negativ-Meniskuslinse 140 mit zur Bildfläche und zur Pupillenfläche 111 konkaver Konkavfläche 140', zwei vor der Pupillenfläche 111 liegende, bikonvexe Positivlinsen 141, 142 und mit Abstand hinter der Pupillenfläche eine Positiv-Meniskuslinse 143 mit bildseitiger Konkavfläche, eine bikonvexe Positivlinse 144, eine Negativ-Meniskuslinse 145 mit einer objektwärts bzw. zur Pupillenfläche 111 gerichteten Konkavfläche 145', eine Positivlinse 146 mit nahezu ebener Austrittsfläche, eine Positiv-Meniskuslinse 147 mit einer bildseitig hohlen, schwach gekrümmten Austrittsfläche, eine Positivlinse 148 mit nahezu ebener Austrittsfläche und eine im wesentlichen planparallele Abschlussplatte 149.
In Tabelle 1 ist die Spezifikation des Designs in tabellarischer Form zusammengefasst. Dabei gibt Spalte 1 die Nummer der brechenden, reflektierenden oder auf andere Weise ausgezeichneten Fläche, Spalte 2 den Radius r der Fläche (in mm), Spalte 3 den als Dicke bezeichneten Abstand d der Fläche zur nachfolgenden Fläche (in mm), Spalte 4 das Material eines Bauelementes und Spalte 5 die Brechzahl des Materials des Bauelementes an, das der angegebenen Eintrittsfläche folgt. Die Baulänge L des Objektivs zwischen Objekt und Bildebene beträgt ca. 1126 mm.
Bei der Ausführungsform sind neun der Flächen, nämlich die Flächen 5, 11, 17, 20, 26, 33, 42, 48 und 57 asphärisch. Tabelle 2 gibt die entsprechenden Asphärendaten an, wobei sich die Pfeilhöhen der asphärischen Flächen nach folgender Vorschrift berechnen: p(h)=[((1/r)h2)/(1+SQRT(1-(1+K)(1/r)2h2)]+C1·h4+C2·h6+....
Dabei gibt der Kehrwert (1/r) des Radius die Flächenkrümmung im Flächenscheitel und h den Abstand eines Flächenpunktes von der optischen Achse an. Somit gibt p(h) diese Pfeilhöhe, d. h. den Abstand des Flächenpunktes vom Flächenscheitel in z-Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse. Die Konstanten K, C1, C2 ... sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Tabelle 3 gibt für die Linsenflächen des refraktiven Teils 108 die an den jeweiligen Flächen auftretenden maximalen Inzidenzwinkel in Form der zugehörigen Sinuswerte max sin (i) und die k-Faktoren an, die die Flächenöffnung k = r/D beschreiben (r = Radius der Fläche, D = optisch freier Durchmesser der Fläche).
Das mit Hilfe dieser Angaben reproduzierbare optische System 100 ist für eine Arbeitswellenlänge von ca. 157 nm ausgelegt, bei der das für alle Linsen verwendete Linsenmaterial Kalziumfluorid einen Brechungsindex n = 1,5592846 hat. Die bildseitige numerische Apertur NA beträgt 0,85, der Abbildungsmaßstab 4:1. Das System ist für ein Bildfeld der Größe 26 × 5,5 mm² ausgelegt. Das System ist doppelt telezentrisch.
Das System hat im Nahbereich 160 um die bildfeldnahe Pupillenfläche 111 einen materialsparenden Aufbau, der gleichzeitig eine gute Korrektur monochromatischer Bildfehler erlaubt. Hierzu tragen besonders die beiden Negativ-Meniskuslinsen 140 und 145 bei, die jeweils eine zur Pupillenfläche 111 gerichtete Konkavfläche 140', bzw. 145' haben und hier aufgrund dieser Konkavfläche auch als „Konkavlinsen" bezeichnet werden. Auffällig ist weiterhin, dass im Bereich zwischen Pupillenfläche 111 und Bildebene 104 an den Austrittsseiten der dortigen Linsen keine Konkavflächen starker Krümmung auftreten. Die stärkste Krümmung mit k = 2,712 liegt an der Austrittsfläche der Positivlinse 147 vor.
Die für die Abbildungskorrektur sehr wirksamen Konkavflächen 140', 145' mit hohen Inzidenzwinkeln sind bei dieser Ausführungsform jeweils gegen den Strahlverlauf gestellt. So tritt ein erster großer Inzidenzwinkel mit einem der numerischen Apertur entsprechenden Wert (sin(i) = 0,85) an der Austrittsfläche 140' der Konkavlinse 140 auf, wo der Strahlverlauf im wesentlichen divergent ist, d.h. zur Pupillenfläche 111 aufgeweitete Strahlbüschel aufweist. Im Luftraum hinter dieser Konkavfläche 140 beträgt der Betrag |NA| der numerischen Apertur ca. 0,36, was ca. 42% der bildseitigen NA entspricht. Hierdurch ist es möglich, bei einer relativ geringen Flächenkrümmung und einer relativ geringen Linsendurchbiegung einen großen Inzidenzwinkel zu erreichen. Dies führt an dieser Stelle zu einer Linse mit relativ geringem Blankvolumen. Bei der Linse 140 beträgt das Verhältnis V zwischen dem Volumen des die Linse umschreibenden Zylinders (entsprechend dem Blankvolumen) zum Volumen der Linse ca. 0,58.
Entsprechendes gilt für Konkavlinse 145, die im konvergenten Strahlengang zwischen Pupillenfläche 111 und Bildebene 104 angeordnet ist. Hier tritt ein großer Inzidenzwinkel (sin(i) = 0,85), an der Eintrittsseite 145' auf. Hier entspricht Wert |NA| = 0,50 ca. 58% der bildseitigen NA. Auch hierdurch ist ein effektives Korrekturmittel mit geringem Materialeinsatz möglich. Bei dieser Linse beträgt das Volumenverhältnis V = 0,48.
Die Konkavlinse 140 hat eine Durchbiegung Q von ca. 0,75, die Durchbiegung der Konkavlinse 145 beträgt ca. 0,68.
Aus Tabelle 3 ist auch ersichtlich, dass im bildnahen refraktiven Teil (mit Ausnahme der bildnächsten Linsen 148, 149) nur an zwei Flächen, nämlich den zur Pupillenfläche 111 gerichteten Konkavflächen 140' und 145', Inzidenzwinkel auftreten, deren maximaler Sinus größer als 90% der bildseitigen numerischen Apertur ist. Dies entspannt das Design und die Flächensensivitäten deutlich, da es allgemein schwierig ist, Antireflexschichten ausreichender Wirksamkeit bereitzustellen, wenn an der entsprechenden Fläche hohe Inzidenzwinkel auftreten. Dementsprechend können die Toleranzen der Beschichtung aller Linsenflächen mit Ausnahme der Konkavflächen 140' und 145' deutlich entspannt werden.
Die Korrektur des Systems ist vergleichbar mit derjenigen des in 5 gezeigten bekannten Systems, wobei bei der vorliegenden Ausführungsform sogar eine asphärische Fläche weniger erforderlich ist, um eine vergleichbare Korrektur zu erzielen. Durch die sichtbare Entspannung und Harmonisierung der Objektivkonstruktion gegenüber herkömmlichen Designs sinken die Sensitivitäten des Designs spürbar, wodurch die Herstellung vereinfacht wird.
Gleichzeitig kann die Blankmasse, d.h. die für die Herstellung der Linsen dieses Designs erforderliche Ausgangsmasse an Linsenmaterial gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden. Während beispielsweise für die drei für Korrekturzwecke nötigen Meniskuslinsen 530, 540, 550 des Stand der Technik (5) insgesamt ca. 17,7 kg Linsen-Rohmaterial erforderlich sind, reduziert sich diese Masse bei der Ausführungsform gemäß 1 auf ca. 7,1 kg. Bezogen auf das Gesamtsystem kann der Materialbedarf um 10% oder mehr reduziert werden.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines katadioptrischen Projektionsobjektives 200 mit physikalischem Strahlteiler gezeigt, deren Spezifikation in den Tabellen 4 und 5 angegeben ist. Die Nummerierung der optischen Elemente bzw. Baugruppen entspricht im wesentlichen der Nummerierung der Ausführungsform gemäß 1 erhöht um 100. Bei 3 und 4 gilt Entsprechendes mit Erhöhungen um 200 bzw. 300.
Wie bei der Ausführungsform gemäß 1 ist vor der bildnahen Pupillenfläche 211 eine als Negativ-Meniskuslinse ausgebildete Konkavlinse 240 mit einer zur Pupillenfläche 211 hin gerichteten Konkavfläche 240' im divergenten Strahlengang angeordnet. Im konvergenten Strahlengang zwischen Pupillenfläche 211 und Bildebene 204 ist eine weitere, gegen den Strahlverlauf gekrümmte Konkavlinse (Negativ-Meniskuslinse 245 mit zur Pupillenfläche 211 konkaver Eintrittsfläche 245') angeordnet. Die an den Fläcen 240', 245' auftretenden, großen Sinus der Inzidenzwinkel betragen 0,848 bzw. 0,863 und liegen damit in der Größenordnung der bildseitigen NA = 0,85. Im Luftraum hinter Fläche 240' beträgt |NA| = 0,33 (ca. 39% der bildseitigen NA), vor der Fläche 245' gilt |NA| = 0,43 (entsprechend ca. 51 % der bildseitigen NA). Die Durchbiegungen der Linsen 240 und 245 sind mit Q = 0,54 bzw. Q = –0,84 sehr gering, so dass günstige Verhältnisse V zwischen Linsenvolumen und Blankvolumen von 0,63 (Linse 240) bzw. 0,58 (Lin se 245) realisiert sind. Durch die leicht geänderten Krümmungen und Linsenabstände ist es bei dieser Ausführungsform möglich, mit einer einzigen Positivlinse 244 zwischen Pupillenfläche 211 und nachfolgender Konkavlinse 245 auszukommen und auch die Funktion der zwischenbildnahen Feldlinsen durch eine einzige Positivlinse 235 zu realisieren. Im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 können somit zwei Linsen und damit ein weiterer Anteil an Linsenvolumen eingespart werden.
Anhand der 3 und 4 wird dargestellt, dass die Vorteile der Erfindung auch bei katadioptrischen Systemen mit geometrischer Strahlteilung und unterschiedlichen Faltungsgeometrien nutzbar sind. Die Spezifikation für das System gemäß 3 ist in Tabellen 6 und 7 angegeben und gilt sinngemäß auch für die Ausführungsform gemäß 4, bei der andere Positionen der Umlenkspiegel vorliegen.
Das Reduktionsobjektiv 300 (Verkleinerungsmaßstab 4:1, numerische Apertur NA = 0,80) hat zwischen Objektebene 302 und Bildebene 304 einen katadioptrischen Objektivteil 305 mit Konkavspiegel 306 und geometrischer Strahlumlenkeinrichtung 307 und hinter der Strahlumlenkeinrichtung einen dioptrischen, zweiten Objektivteil 308 mit ausschließlich brechenden Komponenten. Die Strahlumlenkeinrichtung 307 ist als Spiegelprisma ausgebildet und hat eine erste, ebene Spiegelfläche 309 zur Umlenkung der von der Objektebene 302 kommenden Strahlung in Richtung des Konkavspiegels sowie eine im rechten Winkel zur ersten Spiegelfläche angeordnete, ebene zweite Spiegelfläche 310 zur Umlenkung der vom abbildenden Konkavspiegel 306 reflektierten Strahlung in Richtung des zweiten Objektivteils. Während die erste Spiegelfläche 309 für die Strahlumlenkung zum Konkavspiegel 306 notwendig ist, kann die zweite Spiegelfläche 310 auch entfallen. Dann würde ohne weitere Umlenkspiegel, die Objektebene und die Bildebene im wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Es kann auch eine Faltung innerhalb des refraktiven Objektivteils 308 vorgesehen sein. Die doppelte Faltung ermöglicht eine Parallelstellung von Objektebene und Bildebene. Der katadioptrische Objektivteils 305 erzeugt ein reelles Zwischenbild 303, das in der Nähe des zweiten Faltungsspiegels 310 liegt und mit Hilfe der Linsen des refraktiven Objektivteils 308 in die Bildebene 304 abgebildet wird.
Das von einem Beleuchtungssystem kommende, durch die in der Objektebene 302 angeordnete Maske hindurchtretende Licht trifft zunächst auf eine Positiv-Meniskuslinse 326, bevor es vom ersten Faltungspiegel 309 Richtung Konkavspiegel 306 umgelenkt wird. Im Lichtweg dorthin werden eine relativ feldnahe Negativ-Meniskuslinse 327 und zwei pupillennah unmittelbar vor dem Konkavspiegel 306 angeordnete Negativ-Meniskuslinsen 328, 329 durchlaufen, deren Flächen jeweils zum Spiegel konvex sind. Das von Konkavspiegel 306 reflektierte und durch die zweifach durchlaufenen Negativlinsen 327, 328, 329 zur Strahlumlenkeinrichtung 307 zurückgeführte Licht wird vom zweiten Faltungspiegel 310 in Richtung dioptrischem Objektivteil 308 umgelenkt, wobei kurz vor der Faltung das Zwischenbild 303 entsteht. Ein als Teillinse ausgeführte bikonvexe Positivlinse 335 dient als Feldlinse zur Strahlzusammenführung des Lichtes in Richtung einer mit Abstand folgenden Linsengruppe, die zwischen Feld- und Pupillenbereich angeordnet ist und eine Positiv-Meniskuslinse 336 mit bildseitiger Konkavfläche und eine nachfolgende Negativ-Meniskuslinse 337 mit objektseitiger Konkavfläche umfasst. Mit Abstand hinter dieser Linsengruppe liegen im Nahbereich 360 der bildnahen Pupillenfläche 311 in dieser Reihenfolge eine Negativ-Meniskuslinse 340 mit bildseitiger Konkavfläche 340', drei aufeinanderfolgende bikonvexe Positivlinsen 341, 342, 343, eine Negativ-Meniskuslinse 350 mit objektseitiger (zur Pupillenfläche 311 gerichteter) Konkavfläche 350', drei nachfolgende Positiv-Meniskuslinsen 351, 352, 353 mit jeweils schwach gekrümmten, austrittsseitigen Konkavflächen sowie eine planparellele Abschlussplatte 354.
An den jeweils gegen den Strahlverlauf gekrümmten Negativ-Meniskuslinsen 340, 350 treten jeweils an der der Pupillenfläche 311 zugewandten Konkavfläche große Inzidenzwinkel (maximal sin (i) = 0,799 bzw. 0,800) in der Größenordnung der bildseitig numerischen Apertur (NA = 0,85) auf, die sehr wirksam für die monochromatische Korrektur sind. Hinter der Fläche 340' beträgt |NA| = 0,23 (ca. 27% der bildseitigen NA), vor der Fläche 350' gilt |NA| = 0,50 (ca. 58% der bildseitigen NA). Trotz dieser günstigen Inzidenzverhältnisse haben die Linsen jeweils nur geringe Durchbiegungen (Q = 0,86 für Linse 340 bzw. –0,65 für Linse 350) und sind aus Linsenrohlingen relativ kleinen Volumens herzustellen. Das Verhältnis V zwischen Linsenvolumen und Blankvolumen beträgt ca. 0,49 für Linse 340 und ca. 0,49 für Linse 350.
Die Ausführungsform 400 gemäß 4 unterscheidet sich von Objektiv 300 im wesentlichen durch die Faltungsgeometrie. Das von der Objektebene 402 kommende Licht trifft hier zunächst auf den Konkavspiegel 400, von dem es in Richtung des für die Funktion notwendigen Umlenkspiegel 409 reflektiert wird. Nach der dortigen Faltung und dem Durchtritt durch die Positivlinse 435 erfolgt am Planspiegel 410 eine zweite Faltung, die eine Parallelstellung von Objektebene 402 und Bildebene 404 erlaubt. Für die sonstigen Charakteristika wird auf die Beschreibung zu 3 und die entsprechenden Tabellen verwiesen.
Die beispielhaft dargestellten Ausführungsformen haben weitere vorteilhafte Besonderheiten, von denen im folgenden einige erwähnt sind. Bei den Systemen mit physikalischem Strahlteiler (1 und 2) liegt das Zwischenbild nicht auf oder in der Nähe einer optischen Fläche, sondern mit großem Abstand hinter einem Faltungsspiegel bzw. vor der Eintrittsfläche der nachfolgenden Positivlinse. Dadurch werden Probleme vermindert oder vermieden, die sich durch Unsauberkeiten, z.B. Verunreinigungen, Kratzer, Materialeinschlüsse etc. im Bereich des Zwischenbil des ergeben können. Im refraktiven Teil aller Ausführungsformen sind jeweils nicht mehr als drei Negativlinsen erforderlich. Da Negativlinsen mit einer für die Korrektur ausreichenden negativ Brechkraft relativ viel Linsenmaterial erfordern, kann hierdurch Blankmasse eingespart werden. Mit Ausnahme der der bildnahen Pupillenfläche zugewandten Konkavflächen der Konkavlinsen und weniger bildfeldnaher Flächen sind alle Flächen des refraktiven Teils nur mit relativ geringen Inzidenzwinkeln belastet (vgl Tabelle 3), wodurch das Design wirksamer optischer Beschichtungen erleichtert und die Herstellung durch Entspannung von Spezifikationen vereinfacht wird.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen bestehen alle transparenten optischen Komponenten aus dem gleichen Material, nämlich Calciumfluorid. Es können auch andere, bei der jeweiligen Arbeitswellenlänge transparente Materialien verwendet werden, insbesondere Bariumfluorid oder ein anderes geeignetes Fluorid-Kristallmaterial, z.B. Magnesiumfluorid, Lithiumfluorid, Lithium-Calcium-Aluminium-Fluorid, Lithium-Strontium-Aluminium-Fluorid oder dergleichen. Gegebenenfalls kann auch mindestens ein zweites Material eingesetzt werden, um beispielsweise die chromatische Korrektur zu unterstützen. Die Vorteile der Erfindung können bei allen Arbeitswellenlängen des Ultraviolettbereichs genutzt werden, beispielsweise bei 248 nm, 193 nm, 157 nm oder 126 nm. Da bei den gezeigten Ausführungsformen nur ein Linsenmaterial verwendet wird, ist eine Anpassung der gezeigten Designs auf andere Wellenlängen einfach möglich. Insbesondere bei Systemen für größere Wellenlängen können auch andere Linsenmaterialien, beispielsweise synthetisches Quarzglas, für alle oder einige optische Komponenten verwendet werden.
Einige weitere Maßnahmen können einzeln oder in Kombination miteinander bei einem oder mehreren der beschriebenen Systeme vorhanden sein, um die Leistungsfähigkeit weiter zu verbessern. Beispielsweise können alle transparenten optischen Komponenten eines Projektionsobjektives aus Calciumfluorid gefertigt werden, was insbesondere für Arbeitswellenlängen von 157 nm oder darunter günstig ist. Mindestens zwei der vier letzten, nahe bei der Bildfläche liegenden Linsen (z.B. der Linsen 146–149 in 1) können aus Fluoridkristallmaterial bestehen, dessen kristallografische <100>-Achse im wesentlichen parallel zur optischen Achse ausgerichtet ist. Optische Elemente mit ausgewählten kristallografischen Orientierungen können gegeneinander verdreht sein, um den Einfluss der intrinsischen und/oder induzierten Doppelbrechung von Fluoridkristallmaterialien auf die Bildqualität zu minimieren.
Bei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Projektionsobjektive können einzelne optische Elemente, insbesondere Linsen, in Bezug auf ihre Lage und/oder Orientierung zur optischen Achse verstellbar sein. Hierzu kann spezielle Fassungstechnik mit geeigneten Manipulatoren vorgesehen sein, um eine Verschiebung der optischen Komponente senkrecht zur optischen Achse (x-y-Manipulation) und/oder eine Verschiebung entlang der optischen Achse (z-Manipulation) und/oder eine Verkippung um eine quer zur optischen Achse verlaufende Kippachse zu ermöglichen. Vorzugsweise sind mindestens zwei optische Komponenten auf diese Weise manipulierbar. Insbesondere kann es bei katadioptrischen Objektiven der in den 1 bis 3 gezeigten Art vorteilhaft sein, mindestens eine der beiden vor dem Konkavspiegel angeordneten Negativlinsen (z.B. 129, 130 oder 328, 329) x-y-manipulierbar zu fassen. Es kann insbesondere deshalb günstig sein, weil diese Linsen in einem im Einbauzustand etwa horizontal abstehenden Seitenarm des Objektivs angeordnet sind und dazu neigen können, sich unter ihrem Eigengewicht nicht-rotationssymmetrisch zu deformieren. Eine Verstellung in vertikaler Richtung, d.h. im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse, kann hier Abhilfe schaffen. Alternativ oder zusätzlich kann es günstig sein, mindestens eine in der Nähe des Zwischenbildes angeordnete Linse manipulierbar zu gestalten, insbesondere mit der Möglichkeit einer Verschiebung parallel zur optischen Achse (z-Manipulation). Beispielsweise können die Linsen 135, 235 oder 335 z-manipulierbar sein. Eine z-Manipulation dieser Linsen kann günstig sein, da es die einzigen feldnahen Linsen dieser Objektive sind. Alternativ oder zusätzlich zu diesen Möglichkeiten können auch andere Linsen axial verschiebbar, dezentrierbar und/oder kippbar ausgelegt sein.
Manche Ausführungsformen können als erstes optisches Element unmittelbar nach der Objektebene und/oder als letztes optisches Element unmittelbar vor der Bildebene eine planparallele oder nahezu planparallele Platte haben, also ein optisches Element mit keiner oder nur geringer optischer Wirkung. Dadurch kann das Objektiv relativ unempfindlich gegenüber durch Druckschwankungen bedingte Änderungen der Brechzahl von Spülgas und gegebenenfalls gegenüber mechanischen Beschädigungen gemacht werden.
Erfindungsgemäße Projektionsobjektive können in allen geeigneten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlagen eingesetzt werden, beispielsweise in einem Waferstepper oder einem Waferscanner. In Fig. ist beispielhaft ein Waferscanner 00 schematisch gezeigt. Er umfasst eine Laserlichtquelle 601 mit einer zugeordneten Einrichtung 602 zur Einengung der Bandbreite des Lasers. Ein Beleuchtungssystem 603 erzeugt ein großes, schart begrenztes und sehr homogen beleuchtetes Bildfeld, das an die Telezentrieerfordernisse des nachgeschalteten Projektionsobjektives 100 angepasst ist. Das Beleuchtungssystem 603 hat Einrichtungen zur Auswahl des Beleuchtungsmodus und ist beispielsweise zwischen konventioneller Beleuchtung mit variablem Kohärenzgrad, Ringfeldbeleuchtung und Dipol- oder Quadrupolbeleuchtung umschaltbar. Hinter dem Beleuchtungssystem ist eine Einrichtung 604 zum Halten und Manipulieren einer Maske 605 so angeordnet, dass die Maske 605 in der Bildebene 102 des Projektionsobjektivs 100 liegt und in dieser Ebene zum Scanbetrieb bewegbar ist. Entsprechend umfasst die Einrichtung 604 im Fall des gezeigten Waferscanners den Scanantrieb.
Hinter der Maskenebene 102 folgt das Reduktionsobjektiv 100, das ein Bild der Maske in reduziertem Maßstab auf einem mit einer Photoresistschicht belegten Wafer 606 abbildet, der in der Bildebene 104 des Reduktionsobjektivs 100 angeordnet ist. Der Wafer 606 wird durch eine Einrichtung 607 gehalten, die einen Scannerantrieb umfasst, um den Wafer synchron mit dem Retikel zu bewegen. Alle Systeme werden von einer Steuereinheit 608 gesteuert. Der Aufbau solcher Systeme sowie deren Arbeitsweise ist an sich bekannt und wird daher nicht mehr erläutert. Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7

Claims

Katadioptrisches Projektionsobjektiv zur Abbildung eines in einer Objektfläche des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in die Bildfläche des Projektionsobjektivs mit: einem katadioptrischen ersten Objektivteil (105, 205, 305, 405) mit mindestens einem Konkavspiegel (106, 206, 306, 406) und einem dioptrischen zweiten Objektivteil (108, 208, 308, 408), in dem eine bildnahe Pupillenfläche (111, 211, 311, 411) liegt, wobei in einem Nahbereich (160, 260, 360, 460) der Pupillenfläche (111, 211, 311, 411) mindestens eine Konkavlinse (140, 145, 240, 245, 340, 350, 440, 450) mit einer zur Pupillenfläche gerichteten Konkavfläche (140', 145', 240', 245', 340', 350', 440', 450') und zwischen der Pupillenfläche und der Bildfläche (104, 204, 304, 404) keine Linse mit einer zur Bildfläche gerichteten, stark gekrümmten Konkavfläche liegt.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, bei dem zwischen der Pupillenfläche (111, 211, 311, 411) und der Bildfläche (104, 204, 304, 404) keine Konkavfläche liegt, die eine Flächenöffnung k von weniger als 0,8, insbesondere weniger als 0,7 hat, wobei k das Verhältnis r/D zwischen dem Radius r der Konkavfläche und dem maximal nutzbaren Durchmesser D der Konkavfläche ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, bei dem bei mindestens einer Konkavlinse die zur Pupillenfläche gerichtete Konkavfläche in einem Bereich mit sich deutlich änderndem Strahldurchmesser zwischen einem Bereich mit geringem Strahldurchmesser und einem Bereich mit größerem Strahldurchmesser liegt und die Konkavfläche (140', 145', 240', 245', 340', 350', 440', 450') dem Bereich mit größerem Strahldurchmesser zugewandt ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei denen mindestens eine Konkavlinse, vorzugsweise genau eine Konkavlinse (145, 245, 350, 450), in einem Bereich konvergenter Strahlung zwischen der Pupillenfläche (111, 211, 311, 411) und der Bildfläche (104, 204, 304, 404) liegt.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Konkavlinse, vorzugsweise genau eine Konkavlinse (140, 240, 340, 440) in einem Bereich divergenter Strahlung im Lichtweg vor der Pupillenfläche (111, 211, 311, 411) liegt.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Bereich divergenter Strahlung vor der Pupillenfläche (111, 211, 311, 411) genau eine Konkavlinse (140, 240, 340, 440) mit bildseitiger Höhlfläche und in einem Bereich konvergenter Strahlung zwischen der Pupillenfläche und der Bildfläche (104, 204, 304, 404) genau eine Konkavlinse (145, 245, 350, 450) mit objektseitiger Konkavfläche liegt.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Konkavfläche (140', 145', 240', 245', 340', 350', 440', 450') derart gekrümmt und angeordnet ist, dass an der Konkavfläche auftretende maximale Sinus des Inzidenzwinkels der durchtretenden Strahlung größer als ca. 80%, insbesondere größer als ca. 90%, der bildseitigen numerischen Apertur NA des Projektionsobjektives sind.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Konkavfläche (140', 145', 240', 245', 340', 350', 440', 450') in einem Bereich angeordnet ist, in dem die numerische Apertur der Strahlung an der Konkavfläche weniger als ca. 80% der bildseitigen numerischen Apertur NA des Projektionsobjektives beträgt.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine bildseitige numerische Apertur von NA ≥ 0,6 hat, wobei die numerische Apertur vorzugsweise größer als 0,7 oder 0,8 ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine der Konkavlinsen als Meniskuslinse ausgebildet ist, wobei vorzugsweise alle Konkavlinsen (140, 145, 240, 245, 340, 350, 440, 450) als Meniskuslinse ausgebildet sind.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine der Konkavlinsen als Negativ-Meniskuslinse ausgebildet ist, wobei vorzugsweise alle Konkavlinsen (140, 145, 240, 245, 340, 350, 440, 450) als Negativ-Meniskuslinse ausgebildet sind.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine der Konkavlinsen, vorzugsweise jede der Konkavlinsen, eine Meniskuslinse ist, die eine geringe Durchbiegung Q hat, wobei die Durchbiegung vorzugsweise im Bereich Q ≤ 1,5 insbesondere im Bereich Q ≤ 1 liegt und die Durchbiegung definiert ist als Q = |((1/r₁ + 1/r₂)/2)·D|, wobei 1/r₁ und 1/r₂ die Flächenkrümmung von Eintrittsfläche und Austrittsfläche und D der optisch freie Durchmesser der Linse ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für mindestens eine der Konkavlinsen (140, 145, 240, 245, 340, 350, 440, 450) ein Verhältnis V zwischen einem Nutzvolumen und einem Blankvolumen größer als ca. 0,3 oder 0,4 oder 0,5 ist, wobei das Nutzvolumen das Volumen der fertig bearbeiteten Linse und das Blankvolumen das Volumen eines die fertige Linse umschreibenden Zylinders ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 13, bei dem das Verhältnis V für alle Konkavlinsen > 0,3, insbesondere > 0,4 ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Summe der negativen Brechkräfte aller Negativ-Linsen im zweiten Objektivteil (108, 208, 308, 408) kleiner als ca. 10 m^–1, insbesondere kleiner als ca. 8 m^–1 ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für alle Negativlinsen j im Nahbereich der Pupillenfläche gilt: 5,0 < |f_j/L| < 0,1, wobei f_j die Brechkräfte der einzelnen Negativlinsen im Nahbereich der Pupillenfläche und L der gesamte Lichtweg entlang der optisch Achse zwischen Objektfläche und Bildfläche ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das im zweiten Objektivteil (108, 208, 308, 408) maximal drei Negativlinsen hat.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein reelles Zwischenbild (103, 203, 303, 403) gebildet wird.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das genau einen Konkavspiegel (106, 206, 306, 406) und eine zugeordnete Strahlumlenkeinrichtung (107, 207, 307, 407) hat.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich um ein Projektionsobjektiv mit physikalischem Strahlteiler (107, 207) handelt, insbesondere mit einer polarisationsselektiven Strahlteilerfläche (121, 221).
Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem es sich um ein Projektionsobjektiv mit geometrischem Strahlteiler handelt, insbesondere mit mindestens einem Umlenkspiegel (309, 409), wobei vorzugsweise zwei Umlenkspiegel vorgesehen sind.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Aperturblende zur Begrenzung des Strahldurchmessers im zweiten Objektivteil oder im katadioptrischen Objektivteil, vorzugsweise unmittelbar vor dem Konkavspiegel sitzt.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei Linsen vorgesehen sind, die entlang der optischen Achse verschiebbar und/oder quer zur optischen Achse dezentrierbar, und/oder verkippbar sind.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle transparenten optischen Komponenten, insbesondere alle Linsen, aus dem gleichen Material, insbesondere aus Calciumfluorid, gefertigt sind.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei der vier der Bildfläche (104) nächsten Linsen (146, 147, 148, 149) aus einem Fluoridkristallmaterial, insbesondere Calciumfluorid, gefertigt sind und eine kristallografische <100>-Achse des Kristallmaterials im wesentlichen parallel zur optischen Achse (112) des Projektionsobjektives ausgerichtet ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei aufeinander folgende Linsen aus Fluoridkristallmaterial mit gleicher kristallografischer Orientierung relativ zueinander so um die optische Achse verdreht sind, dass mindestens ein Teil einer doppelbrechenden Wirkung einer Linse durch die darauf folgende, verdrehte Linse kompensierbar ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein der Objektebene nächstes erstes optisches Element und/oder ein der Bildebene nächstes letztes optisches Element durch eine im wesentlichen planparallele Platte gebildet ist.
Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das für Ultraviolettlicht aus einem Wellenlängenbereich zwischen ca. 120 nm und ca. 260 nm ausgelegt ist, insbesondere für eine Arbeitswellenlänge von ca. 157 nm.
Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Beleuchtungssystem und einem katadioptrischen Projektionsobjektiv, wobei das Projektionsobjektiv gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen mit folgenden Schritten: Bereitstellung einer Maske mit einem vorgegebenen Muster; Beleuchtung der Maske mit Ultraviolettlicht einer vorgegebenen Wellenlänge; und Projektion eines Bildes des Musters auf ein im Bereich der Bildebene eines Projektionsobjektives angeordnetes, lichtempfindliches Substrat mit Hilfe eines katadioptrischen Projektionsobjektivs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27.