JP2007522508A - マイクロリソグラフィック投影露光装置のための投影対物レンズ - Google Patents

Abstract

マイクロリソグラフィ投影露光装置（１１０）の投影対物レンズが、液浸液（１３４）が感光層（１２６）に隣接する液浸オペレーションに合わせて設計される。液浸液の屈折率は、投影対物レンズ（１２０、１２０’、１２０”）の物体側において液浸液と隣接する媒質（Ｌ５、１４２、Ｌ２０５、ＬＬ７、ＬＬ８、ＬＬ９）の屈折率より大きい。投影対物レンズは、液浸オペレーション中、液浸液（１３４）が物体平面（１２２）に向かって凸状に湾曲するように設計される。

Description

本発明は、大規模集積電気回路や他のマイクロ構造部品の製造に用いられる、マイクロリソグラフィック投影露光装置に関する。とりわけ、本発明は、液浸オペレーションのために設計されたこうした装置の投影対物レンズに関する。

集積電気回路や他のマイクロ構造部品は、通常、例えば、シリコン・ウェーハである、適合する基板に複数の構造化層を形成させることによって作製される。層を構造化するため、層は、まず、ある特定の波長範囲の光に感応するフォトレジストで被覆される。コーティングされたウェーハは、次に、投影露光装置にさらされる。この工程において、マスクに含まれる構造パターンが、投影対物レンズを用いてフォトレジスト上に結像される。結像スケールは、一般に１未満のため、こうした投影対物レンズは、縮小対物レンズと呼ばれる場合が多い。

フォトレジストの現像後、ウェーハは、エッチングまたは堆積プロセスを施され、その結果、マスクのパターンに従って、最上層が構造化される。次に、まだ残存しているフォトレジストが、その残りの部分から除去される。このプロセスは、ウェーハに全ての層が形成されるまで、反復される。

投影露光装置の設計において最も重要な目的の１つは、ウェーハ上における寸法がますます小さくなる構造をリソグラフィによって区画できることにある。構造が小さいと集積密度が高くなり、一般に、こうした装置を用いて作製されるマイクロ構造化部品の性能に好ましい影響を及ぼす。

リソグラフィによって形成される構造の最小サイズを決める最も重要なパラメータの１つは、対物レンズの分解能である。投影光の波長が短くなるにつれて、対物レンズの分解能の値が小さくなるので、分解能値を小さくするアプローチの１つは、波長がますます短くなる投影光を利用することである。現在用いられている最も短い波長は、遠紫外線（ＤＵＶ）スペクトル範囲内であり、１９３ｎｍや１５７ｎｍである。

分解能値を小さくするもう１つのアプローチは、投影対物レンズの像側の最終レンズ素子と露光されるフォトレジストまたは別の感光層との間に残るギャップ内に屈折率の高い液浸液を導入することである。液浸オペレーションに合わせて設計された、従って、液浸対物レンズとも呼ばれる投影対物レンズは、例えば、１．３または１．４といった、１を超える開口数に達することが可能になる。「液浸液」という用語は、本出願に関して、一般に「固体浸漬」と呼ばれるものにも関連している。しかしながら、固体浸漬の場合、液浸液は、実際には、フォトレジストに直接接触しないで、用いられる波長の何分の一かの距離だけ間隔をあけて配置される、固体媒質である。これによって、幾何光学の法則が当てはまらず、全反射が生じないという保証が得られる。

一方、液浸オペレーションは、開口数が極めて大きくなり、従って、分解能値が小さくなるだけではなく、焦点深度に対する望ましい影響もある。焦点深度が深くなるほど、投影対物レンズの像面におけるウェーハの正確な位置決めに対して課せられる要件が緩和される。それとは別に、液浸オペレーションによって、開口数が大きくならない場合の、いくつかの設計上の制約条件がかなり緩和され、収差補正が簡略化される。

屈折率が除イオン水の屈折率（ｎ_H2O＝１．４３）を大幅に超え、それにもかかわらず、波長が１９３ｎｍの投影光に対する透明性と耐性が高い液浸液が開発された。こうした高屈折率の液浸液を用いると、液浸液の屈折率が、像側の最終光学素子を構成する材料の屈折率を超える場合がある。像側の平面に最終光学素子を備える従来の投影対物レンズの場合、最大開口数は、この最終光学素子の屈折率によって制限される。この光学素子が、例えば、石英ガラス製の場合には、液浸液の屈折率はさらに高いが、石英ガラスの屈折率（ｎ_SiO2＝１．５６）を超える開口数の増大は不可能である。

先行特許文献（例えば、特許文献１参照）には、乾式と液浸オペレーションの両方において、投影対物レンズを備えた投影露光装置が用いられている。液浸オペレーションにスイッチすると、像側に凹面を備えた追加レンズ素子が、投影対物レンズの最終光学素子とウェーハの間のギャップに導入される。追加レンズ素子とウェーハとの隙間は、例えば、油のような液浸液によって充填される。この特許文献では、液浸液と追加レンズ素子の屈折率が開示されていない。

特開２０００−０５８４３６Ａ号公報

従って、本発明の目的は、像側における最終光学素子の屈折率が、液浸液の屈折率より小さいが、開口数は、最終光学素子の屈折率によって制限されない、液浸投影対物レンズを提供することにある。

この目的は、液浸オペレーション中、液浸液が物体平面に向かって凸状に湾曲させられることで実現される。

液浸液が物体平面に向かって凸状に湾曲する結果として、例えば、像側の最終光学素子といった隣接媒体と液浸液との界面に入射する投影光線の入射角が小さくなる。このため、フラットな界面によって全反射させられる光線が、像に貢献し、これによって、像側の最終光学素子の屈折率を超えるより高い開口数が可能になる。こうして、開口数は、液浸液の屈折率による制限しか受けなくなるが、物体側において液浸液に隣接した媒質の屈折率によって制限されることはない。

物体平面に向かって凸状に湾曲する液浸液を得る最も単純な方法は、液浸液を投影対物レンズの最終光学素子の凹状に湾曲した像側面にすぐ隣接させることである。これにより、液浸液の曲率が、この面の曲率によって変更不能に固定される。

最終光学素子の凹状に湾曲した像側面によって形成される空洞からの液浸液の望ましくない排流を阻止するため、この面を、周囲を排流障壁によって囲めばよい。これは、例えば、最終光学素子に隣接したリング及び／または投影対物レンズのハウジングである。例えば、石英ガラスまたはフッ化カルシウム（ＣａＦ₂）のような標準レンズ材料から構成することができるが、セラミックまたは硬化鋼から構成することも可能なリングは、その内側に、リングによる液浸液の汚染を阻止するコーティングを施すのが望ましい。こうしたリングは、液浸液の屈折率が、物体側において液浸液に隣接する媒質の屈折率以下の場合にも有効である。

最終光学素子の像側面は、球面とすることも可能である。曲率半径が、この面と像平面との軸方向距離（すなわち、頂点間距離）の０．９倍〜１．５倍、できれば、１．３倍になるように選択する計算が示されている。液浸液の屈折率が物体側において液浸液と隣接する媒質の屈折率以下の場合にも有利なこうした構造には、液浸液の物体側界面の入射角が大きくならないようにするという利点がある。このような大きい入射角は、通常、設計や製造の欠陥に対する界面の影響されやすさを強めることになる。この観点から、入射角は、できる限り小さくすべきである。このため、一般に、液浸液の物体側界面にはきわめて大きい曲率（すなわち、小さい曲率半径）が必要とされる。

物体平面に向かって凸状に湾曲する液浸液の界面を得るもう１つの方法は、最終光学素子と液浸液の間に中間液を導入することである。この中間液は、液浸液と混和性ではなく、液浸オペレーション中、電界内で湾曲界面を形成する。こうした構成は、液浸液の屈折率が物体側において液浸液と隣接する媒質の屈折率以下である場合にも有効である。

このアプローチでは、「エレクトロウェッティング」としても知られる効果を利用している。電界の大きさが変化すると、これに付随して、界面の曲率変化が生じる。この効果は、これまで、フランスのＶａｒｉｏｐｔｉｃ社製の部品におけるＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ用の自動焦点レンズだけに利用されてきた。

２つの液体の導電率の差が互いに大きくなるほど、界面の曲率が大きくなる。２つの液体の一方、例えば、中間液が導電性で、もう一方の液体、例えば、液浸液が絶縁性であれば、大きい差を得ることが可能になる。

中間液の密度が液浸液とほぼ同じであれば、浮力の生じる可能性がなく、従って、界面の形状は、空間配置における位置に関係がないので、さらに有利である。

中間液の屈折率は、液浸液の屈折率未満であることが望ましいが、像側における最終光学素子の屈折率未満の場合もあれば、それを超える場合もある。

湾曲界面の形成に必要な電界は電極によって発生する。界面の対称形成は、例えば、最終光学素子と像平面の間に配置された環状円錐電極を利用することによって実現可能である。こうして、界面の曲率は、電極に印加される電圧を変えることによって、連続して変化させることが可能である。これは、投影対物レンズのいくつかの結像特性を補正するために利用できる。

上述のように、液浸液と物体側に隣接する媒質との間に強く湾曲した界面を備えることが望ましい。これによって、結像収差の補正が単純化されるからである。一方で、この界面の曲率が小さい場合にも、それは、かなり有利に働く。これは、曲率が大きいと、一般に、最終光学素子内に空洞が形成されることになるためである。こうした空洞には、いくつかの欠点がある。例えば、温度の安定や液体の浄化のため、液浸液の流れを維持しなければならない場合に、空洞内に望ましくない乱流を生じやすい。さらに、屈折率の大きい液浸液は、レンズ材料よりも多少吸収性が高い。そのため、液浸液内における最大幾何学経路長は、短くしておくべきである。最後に、曲率が小さいと、クリーニングのため、最終光学素子の像側面への接近が簡単になる。

従って、それは、一般に、正弦が０．９８〜０．５で、より望ましくは０．９５〜０．８５で、さらに望ましくは０．９４〜０．８７である最大入射角で光線が界面を通過することになるように、液浸液と接触する媒質との界面に、液浸液が物体平面に向かって凸状に湾曲した界面を形成する場合に望ましい。後者の値は、それぞれ、６０°と７０°の入射角に対応する。ここで、入射角は、光線と、光線がある面に入射する点におけるその面法線との角度を表わしている。これらの構成は、液浸液の屈折率が物体側において液浸液に隣接する媒質の屈折率以下の場合にも有利である。

例えば、１．６以上とすることが可能な、本発明によって可能な極めて大きい開口数は、状況によっては、投影対物レンズの新規設計を必要とする。これに関して、少なくとも２つの中間像を結像する少なくとも２つの結像ミラーを含むカタディオプトリック投影対物レンズが有利である。こうした構成は、液浸液の屈折率が物体側において液浸液に隣接する媒質の屈折率以下の場合にも有利である。

本発明のさまざまな特徴及び利点については、添付の図面に関連してなされる下記の詳細な説明を参照することによって、より理解しやすくなるものと思われる。

図１には、一定の比率で描かれたものではない、かなり単純化された図で、その全体が１１０で表示されたマイクロリソグラフィ投影露光装置を通る縦断面が示されている。投影露光装置１１０には、光源１１４と、１１６で示される照射光学素子や絞り１１８を含む、投影光１１３を発生するための照射システム１１２が含まれている。図示の典型的な実施形態の場合、投影光１１３の波長は１９３ｎｍである。

投影露光装置１１０には、さらに、分りやすくするため、図１には、一例としてほんのわずかしか示されていない、Ｌ１〜Ｌ５で表示された、多数のレンズ素子を含む、投影対物レンズ１２０が含まれている。投影対物レンズ１２０によって、投影対物レンズ１２０の物体平面１２２内に配置されたマスク１２４が、感光層１２６上に、ある縮小率で結像する。フォトレジストから構成することが可能な層１２６が、投影対物レンズ１２０の像平面１２８内に配置され、基板１３０に付着させられる。フォトレジスト層１２６は、それ自体、複数の層から構成することが可能であり、当該技術においてそれ自体が既知の反射防止層を含むことも可能である。

液浸液１３４が、像側の最終レンズ素子Ｌ５と感光層１２６の間のギャップ１３２に導入されている。

これは、投影対物レンズ１２０の像側端部をある拡大率で示した図２において、最もはっきりと確認することが可能である。像側の最終レンズ素子Ｌ５は、像側に、凹状に湾曲した面１３６を備えている。通常、両端がフラットな、像側の最終レンズ素子Ｌ５と感光層１２６との間のギャップ１３２が、この場合、一種の空洞に変形する。

面１３６は、ほぼ、球面シェル形状であり、その曲率半径が図２にＲで表示されている。この構成の場合、曲率半径Ｒは、像側の最終レンズ素子Ｌ５と感光層１２６との間の軸方向距離の約１．３倍である。

液浸液１３４の屈折率ｎ_Lは、像側の最終レンズ素子Ｌ５が構成されている材料の屈折率ｎ₁より大きい。例えば、石英ガラスまたはフッ化カルシウムが材料として用いられる場合、液浸液の屈折率ｎ_Lは、１．５６または１．５を超えるように選択すべきである。これは、インターネット・ページｗｗｗ．ｅｅｔｉｍｅｓ．ｃｏｍ／ｓｅｍｉ／ｎｅｗｓ／ＯＥＧ２００４０１２８Ｓ００１７に記載されているように、例えば、硫酸塩、セシウムのようなアルカリ、または、リン酸を水に添加することによって、実現することが可能である。これらの液浸液は、遠紫外スペクトル範囲の波長でも、透明性及び安定性が十分である。投影露光装置１１０が、例えば、可視スペクトル範囲の波長のような、より長い波長に合わせて設計される場合には、液浸液として、例えば、セダー油、二硫化炭素、モノブロモナフタリンのような、屈折率の大きい従来の液浸液を用いることも可能である。

液浸液が、物体平面１２２に対して、像側の最終レンズ素子Ｌ５と凸状に湾曲した界面１３９を形成するので、界面１３９には比較的小さいビーム入射角しか生じない。これが、図２において、一例として、最大開口角がαの開口光線１１３ａ、１１３ｂとして示されている。結果として、前記界面における反射損失が相応して小さくなる。従って、投影対物レンズ１２０の光学軸ＯＡに対する開口角が大きい光線が、マスク１２４の像形成に貢献し、その結果、投影対物レンズ１２０によって、液浸液１３４の屈折率ｎ_Lにまで及ぶ開口数を実現できる。一方、先行技術では通常であるが、界面１３９が平面の場合、前記光線は、最終レンズ素子Ｌ５と液浸液との界面で全反射されるであろう。

図３には、図２のラインに沿った図におけるもう１つの実施形態による投影対物レンズ１２０が示されている。この図では、同じ部分は、同じ参照番号によって示されている。

投影対物レンズ１２０’は、リング１４０が投影対物レンズの最終レンズ素子Ｌ５とハウジング１４１にしっかりと接合されるという点だけが、図１や図２に示す投影対物レンズ１２０と異なっている。リング１４０は、液浸液１３４の排流障壁として機能する。こうした排流障壁は、ギャップ１３２の最大広がりが、光学軸ＯＡに沿って大きいので、とりわけ、像側における最終レンズ素子Ｌ５の面１３６が強く湾曲している場合に有効である。従って、液浸液１３４の静圧は比較的高い。排流障壁がなければ、静圧のために、最終結果として、液浸液１３４が空洞から押し出されて、投影対物レンズ１２０と感光層１２６の間に包囲されたギャップ１３２に流入し、周囲ガスが空洞に侵入する可能性がある。

リング１４０は、例えば、石英ガラスまたは塩化カルシウムといった、標準レンズ材料から構成することもできるが、Ｉｎｖａｒ^TMニッケル合金、ステンレス鋼、または、（ガラス）セラミックといった他の材料から構成することも可能である。

図４には、液浸液１３４の湾曲が別の方法で得られる、もう１つの典型的な実施形態による投影対物レンズ１２０”の像側端が示されている。

投影対物レンズ１２０”において、液浸液１３４は、像側において最終レンズ素子Ｌ５”にすぐ隣接しているわけではない。代わりに、下記において中間液１４２と呼ばれるもう１つの液体が、最終レンズ素子Ｌ５”の像側と液浸液１３４の間に位置している。中間液１４２は、図示実施形態の場合、イオンが付加された水である。イオンのために、水は導電性になる。この場合、屈折率が最終レンズ素子Ｌ５”より大きい液浸液１３４は電気的に絶縁性である。投影光の波長が可視スペクトル範囲内にある場合、例えば、前述の油やナフタリンが液浸液１３４として適合する。

中間液１４２によって、像側の最終レンズ素子Ｌ５”の像側面１３６”と液浸液１３４との間に残るスペースが完全に満たされる。面１３６”は、図示の典型的な実施形態の場合、凸状に湾曲しているが、液浸液１３４は、面が平面の場合もあり得る。上述の実施形態におけるように、排流障壁の機能を備えるリング１４０”に隣接して、可制御電圧源１４７に接続された同様の環状円錐電極１４６が設けられている。円錐電極１４６には、感光層１２６と共に、像平面に対する液浸液１３４の連続絶縁を保証する絶縁層１４８が付着させられている。電圧源１４７は、周波数が１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの交流電圧を発生させる。円錐電極１４６に印加される電圧は、約４０Ｖほどである。

円錐電極１４６に交流電圧が印加されると、それ自体既知のエレクトロウェッティング効果の結果として、液浸液１３４と中間液１４２との界面１３９が、物体平面１２２に向かって凸状に湾曲する。この湾曲の原因は、電極１４６に十分に高い交流電圧が印加された場合に、全容積の不変性と最小表面の形成の傾向とによって、よい近似の球面状界面１３９を発生する毛管力である。

ここで、交流電圧が低下すると、界面１３９の曲率が小さくなる。図４には、これが、破線として示された界面１３９’によって示されている。中間液１３４によって形成される液体レンズの屈折率は、従って、単純なやり方で、すなわち、円錐電極１４６に印加される交流電圧を変化させることによって、連続的に変化させることが可能である。完全を期すため、この時点において、界面１３９の湾曲は、必ずしも交流電圧を必要とするわけではなく、直流電圧によって実現することも可能であるという点についても言及する。

やはり、この実施形態の場合、物体平面１２２に向かって凸状に湾曲した液浸液１３４の界面には、最終レンズ素子Ｌ５”の屈折率によって制限されず、液浸液１３４の屈折率による制限だけしか受けない開口数を実現することができるという効果がある。

液浸液１３４によって形成される液体レンズの屈折率の連続可変性は、投影対物レンズにおける他の位置でも有効に利用することが可能である。好都合なことに、こうした液体レンズは、特に強い光強度にさらされる投影対物レンズ内の位置で用いることが可能である。従来の固体レンズの場合に生じるような劣化現象は、こうして抑制することもでき、あるいは、単純に液浸液を交換することによって少なくとも修復することが可能である。ちなみに、図２、図３に示す実施形態にも、同様の見解が当てはまる。

図５には、さらにもう１つの典型的な実施形態による投影対物レンズの像側端が示されている。ここでは、最終レンズ素子Ｌ２０５は、凹面曲率が図２、図３に示す実施形態におけるレンズ素子Ｌ５より小さい、すなわち、半径Ｒが大きい、像平面に面した球面２３６を備えている。下記において、最終レンズ素子Ｌ２０５と液浸液１３４との界面における幾何学的条件についてさらに詳述する。

参照番号ＡＲは、最大開口角φを有する開口光線を表わしている。開口光線ＡＲは、光学軸ＯＡに対する高さｈで、感光層１２６の像フィールドの周辺点に入射する。開口光線ＡＲは、入射角がαで、最終レンズ素子Ｌ２０５と液浸液１３４との界面における屈折角がβである。レンズ素子Ｌ２０５の最終面２３６の頂点と感光層１２６が配置される像平面との距離は、ｓで表示される。

投影対物レンズは、基本的に、２つの量、すなわち、像側の開口数
ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎ（φ）
と、量２ｈ、すなわち、像を形成することが可能な光学軸ＯＡまわりの円の直径によって特性が示される。

像側の開口数ＮＡから、光が、界面で反射することなく、確実に、最終レンズ素子と液浸液を通って伝搬できるようにする、いくつかの幾何学特性を導き出すことが可能である。しかしながら、最終レンズ素子に適用される設計要件は、実際には、ただ単に像側の開口数だけから導き出すことが可能な要件よりも幾分厳格である。例えば、入射角αは、例えば、約７５°、できれば７０°の所定の値を超えてはならない。これは、経験から明らかなように、投影対物レンズの入射角αがそれより大きくなると、有効な収差補正を実現し、製作公差と環境条件の変化に影響されにくくするのに、極めて複雑な対策が必要になるためである。

現在のところ、乾式使用のための投影対物レンズによって得られる像側のＮＡは、約０．９５ほどである。この意味するところは、開口数ＮＡが、像平面の直前にある媒質（通常は、気体または空気のような混合気体）の屈折率９５％を超えないということである。こうした乾式投影対物レンズの場合、最大入射角は、とりわけ、像面に近い最終面では、ただし、レンズ素子の他の面でも、約７０°ほどである。

これらの考慮事項は液浸対物レンズにも当てはまるので、入射角は、これらの値未満に保たなければならない。幾何学的考慮事項から明らかなように、面２３６の湾曲が強くなるほど、入射角が小さくなる。従って、湾曲が強ければ、入射角がこれらの値を超えないという保証が得られる。

一方、レンズ素子Ｌ２０５の面２３６は、あまりきつく湾曲させるべきではない。これは、湾曲がきつすぎると、液浸液１３４の流れの仕組み、汚染、感温性に関した問題が増大する可能性があるという事実による。例えば、均一で安定した温度の液浸液１３４を得るのが困難になる可能性があり、例えば、パージのため、液浸液を交換するのが極めて手間のかかる作業になるような形で、液浸液１３４が強い凸状の空洞内に入れられる可能性がある。

最大入射角αについて下記条件が当てはまる場合、望ましい妥協点が得られることが分った。
０．９５＞ｓｉｎ（α）＞０．８５

下記において、入射角αの正弦がある特定の有利で実用的な値を超えないように、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎ（φ）、距離ｓ、像の高さｈ、それぞれ、最終レンズ素子Ｌ２０５及び液浸液１３４の屈折率ｎ’、ｎの関数として、適合する曲率ρを指定する公式が導き出される。こうした値が、ｓｉｎ（α）＜ｋであることが分った。ここで、ｋ＝０．９５である。屈折の法則を利用すると、次のようになる。

単純な幾何学的考慮事項によれば、それから下記のように推論することが可能である

従って、

は、最小表面曲率の条件である。半径Ｒ＝１／ρの場合、これは次のようになる

典型的な開口数ＮＡ＝１．５であり、ｎ’＝１．５６の最終レンズ素子Ｌ２０５の材料がＳｉＯ₂の場合、これは、次のようになる
Ｒ＞ｍ・ｓ
ここで、ｍ≒８３。ｓ＝２ｍｍの場合、これは、最大曲率半径に関して、半径Ｒが約１６７ｍｍになる。

さらに、有限像フィールドの場合に、最も外側の像点の開口光線を考慮すると、この目的にとっては、距離ｓを

上記式によるｓ’に置き換えれば十分である。最大フィールド高さｈに関して、最小曲率ρは次のようになる

上述のパラメータを有する、すなわち、ＮＡ＝１．５及びｎ’＝１．５６の投影対物レンズから開始し、さらに、最大フィールド高さｈが１５ｍｍであると仮定すると、最大曲率半径Ｒは、ｍ＝８３×（ｓ−５．５７ｍｍ）未満になるはずである。ｓ＝８ｍｍの場合、この結果、最大曲率半径Ｒは約２００ｍｍになり、ｓ＝１０ｍｍの場合、Ｒは約３７５ｍｍになる。

例えば、ｋが０．９５になるように選択され、屈折率がｎ＝１．４３の液浸液が利用される場合、ＳｉＯ₂から製作され、像平面までの距離ｓ＝２ｍｍで、最大曲率半径が約８０ｍｍ未満の最終レンズ素子Ｌ２０５に関して、開口数ＮＡ＝１．３５を実現することが可能である。面の最大半径が所定の値未満であるだけではなく、少なくとも、これらの値とほぼ同じである場合には、曲率が大きい場合に生じる前述の悪影響を最小限に抑えることが可能である。

最大入射角が上述の特定の上限及び下限を超えるべきではないという点は別にして、像平面上の一点から物体平面の方を見た場合に、光線のかなり急速な集束が保証されるべきである。さもなければ、直径の極めて大きい光学素子が必要になるであろう。この定性的設計基準は、下記のようにして数学的に表わすことが可能である。ｋ、ｌ、ｍが開口光線の３つの方向余弦であり、ｎが、ｋ²＋ｌ²＋ｍ²＝ｎ²の媒質内における屈折率である場合、（ｋ²＋ｌ²）／ｎ²＞ｋ₀である対物レンズ内には（とりわけ、像平面の近くには）容積が存在しないはずである。限界Ｋ₀は、Ｋ₀＝０．９５となるように、あるいは、さらに良くするには、Ｋ₀＝０．８５となるように選択することが可能である。

図６には、図１、図２に示す投影対物レンズ１２０の第１の典型的な実施形態を通る断面図が示されている。表１には、投影対物レンズの設計データが記載されており、半径と厚さはミリメートルで指定されている。投影対物レンズの上の数値は、光学素子の選択面を示している。短い線群によって特徴が示される面は、非球面状に湾曲している。面の湾曲は、下記の非球面公式によって表わされる。

この式において、ｚは光学軸に対して平行なそれぞれの面のサジッタであり、ｈは光学軸からの半径方向距離であり、ｃ＝１／Ｒは、それぞれの面の頂点における曲率であり（ここで、Ｒは曲率半径）、ｋは、円錐定数であり、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは、表２に記載の非球面定数である。その典型的な実施形態において、球面定数ｋは、０に等しい。

投影対物レンズ１２０には、その間に、２つの（最適な補正が施されていない）中間像を生じる、２つの非球面鏡Ｓ１、Ｓ２が含まれている。投影対物レンズ１２０は、１．９３ｎｍの波長と、１．６０の液浸液の屈折率ｎ_Lに合わせて設計されている。投影対物レンズ１２０の線形倍率は、β＝−０．２５で、開口数は、ＮＡ＝１．４である。しかしながら、いくつかの追加改良によって、浸漬媒質の屈折率にようやく達する、従って、１．６をほんのわずか下回る開口数ＮＡも難なく達成することが可能になる。

図７〜図９には、図１、図２に示す投影対物レンズ１２０のさらに３つの典型的な実施形態の断面図が示されている。表３と表４には、図７に示す投影対物レンズの設計データと非球面定数が記載されており、表５、表６、表７、表８には、それぞれ、図８、図９に示す実施形態に関する設計データ及び非球面定数が記載されている。

図７〜図９に示す投影対物レンズは、全て、像側の開口数がＮＡ＝１．４０で、その液浸液の屈折率はｎ_L＝１．６０である。従って、この屈折率は、ＣａＦ₂から製作された最終レンズ素子の屈折率を必ず超える、すなわち、ｎ_L＞ｎ_CaF2。

波長λ＝１９３ｎｍに合わせて設計された、図７に示す投影対物レンズは、非色消しであり、強く凹状に湾曲した像側面が液浸液１３４のための一種の空洞を形成する最終レンズ素子ＬＬ７を備えている。波面は約２／１００λになるように補正される。

図８に示す投影対物レンズは、波長λ＝１５７ｎｍに合わせて設計されており、色消しである。最終レンズ素子ＬＬ８の像側面は、さらに強く凹状に湾曲しているが、それはさておき、曲率半径は、最終レンズ素子ＬＬ８と像面との軸方向距離とほぼ同じである、すなわち、湾曲の中心が、ほぼ像平面内にある。結果として、液浸液１３４の最大厚は厚い。ＣａＦ₂の屈折率は、λ＝１５７ｎｍで約ｎ_CaF2＝１．５６になるが、液浸液の屈折率は、やはり、それより大きいものと想定される（ｎ_L＝１．６０）。波面は、約４／１００λになるように補正される。

図９に示す投影対物レンズは、波長λ＝１９３ｎｍに合わせて設計されており、非色消しである。最終レンズ素子ＬＬ９の像側面は、液浸液９３４がほぼフラットな層を形成するように、ほんのわずかに凹状に湾曲している。曲率半径は、最終レンズ素子ＬＬ９と像面との軸方向距離より大幅に長い（約１０倍）、すなわち、湾曲中心と像平面の間はかなりの距離になる。最終レンズ素子ＬＬ９と液浸液９３４との界面における最大入射角は約６７°（すなわち、ｓｉｎα＝０．９２）である。波面は、約５／１００λになるように補正される。

図７、図９に示す同様の実施形態における波面誤差を比較すると明らかなように、最終レンズ素子ＬＬ７の像側面の曲率が大きい、図７の設計によるほうが、はるかに有効な波面補正を実現することが可能になる（２／１００λ対５／１００λ）。しかし、図９に示す投影対物レンズは、比較的曲率半径が大きいため、図７に示す投影対物レンズほど補正がうまくいかないが、最終レンズ素子ＬＬ９の下には小さい空洞だけしか存在せず、これは、上述の理由から有利である。

云うまでもないが、本発明は、上述のカタディオプトリック投影対物レンズにおける利用に制限されるものではない。本発明は、図示の実施形態より中間像の数が多いかまたは少ない投影対物レンズ、及び、中間像のある、または、中間像のない屈折投影対物レンズにも有効に用いることが可能である。さらに、光学軸は、像フィールドの中心を通ることも可能である。さらに適切なレンズ設計の例については、例えば、米国特許出願公開第２００２／０１９６５３３Ａ１号明細書、国際公開第０１／０５０１７１Ａ１号パンフレット、国際公開第０２／０９３２０９Ａ２号パンフレット、米国特許第６４９６３０６Ａ号明細書において確認すべきである。

本発明による投影対物レンズを備えたマイクロリソグラフィ投影露光装置を通る経線を示す、一定の比率で描かれていない、かなり単純化された図である。 図１に示す投影対物レンズの像側端の拡大図である。 排流障壁を備えた代替実施形態に関する図２と同様の拡大図である。 液浸液と最終光学素子の像側との間に中間液が導入された、もう１つの典型的な実施形態による投影対物レンズの像側端を示す図である。 本発明による投影対物レンズの像側端における幾何学的条件の詳細図である。 本発明の実施形態の１つによるカタディオプトリック投影対物レンズを通る経線を示す図である。 本発明のもう１つの実施形態によるカタディオプトリック投影対物レンズを通る経線を示す図である。 本発明のもう１つの実施形態によるカタディオプトリック投影対物レンズを通る経線を示す図である。 本発明のさらにもう１つの実施形態による完全なカタディオプトリック投影対物レンズを通る経線を示す図である。

符号の説明

１１０ マイクロリソグラフィ投影露光装置、１２０、１２０’、１２０” 投影対物レンズ、１２２ 物体平面、１２４ マスク、１２６ 感光層、１２８ 像平面、１３０ 基板、１３４ 液浸液、１３６ 像側面、１３９、１３９’ 湾曲界面、１４０ 排流障壁、１４１ ハウジング、１４２ 中間液、１４６ 電極

Claims (29)

1. 像平面（１２８）に配置可能な感光層（１２６）上に、物体平面（１２２）に配置可能なマスク（１２４）を結像させるための、マイクロリソグラフィ投影露光装置（１１０）の対物レンズ（１２０、１２０’、１２０”）であって、前記投影対物レンズ（１２０、１２０’、１２０”）が、液浸液が前記感光層（１２６）に隣接する液浸オペレーションに合わせて設計されており、前記液浸液の屈折率が、前記物体側において前記液浸液と隣接する媒質（Ｌ５、１４２、Ｌ２０５、ＬＬ７、ＬＬ８、ＬＬ９）の屈折率より大きく、
   前記投影対物レンズ（１２０、１２０’、１２０”）が、液浸オペレーション中、前記液浸液（１３４）が前記物体平面（１２２）に向かって凸状に湾曲するように設計されていることを特徴とする、
   投影対物レンズ。
2. 前記液浸液（１３４）が、液浸オペレーション中、前記像側における前記投影対物レンズ（１２０）の最終光学素子である光学素子（Ｌ５、Ｌ２０５、ＬＬ７、ＬＬ８、ＬＬ９）の凹状に湾曲した像側面（１３６）にすぐ隣接することを特徴とする請求項１に記載の投影対物レンズ。
3. 前記湾曲像側面（１３６）が排流障壁（１４０）によって包囲されていることを特徴とする請求項２に記載の投影対物レンズ。
4. 前記排流障壁が、前記光学素子（Ｌ５）及び／または前記投影対物レンズ（１２０’）のハウジング（１４１）に接合するリング（１４０）として設計されていることを特徴とする請求項３に記載の投影対物レンズ。
5. 前記湾曲像側面（１３６）が球面であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
6. 前記湾曲像側面（１３６）の曲率半径（Ｒ）が、前記湾曲像側面（１３６）と前記像平面（１２８）との間の軸方向距離（ｄ）の０．９倍〜１．５倍、できれば、１．３倍であることを特徴とする請求項５に記載の投影対物レンズ。
7. 前記液浸液（１３４）と混和性ではなく、電界内で湾曲界面（１３９、１３９’）を形成する中間液（１４２）が、液浸オペレーション中、前記液浸液（１３４）と前記像側において前記投影対物レンズ（１２０”）の前記最終光学素子である光学素子（Ｌ５”）との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の投影対物レンズ。
8. 前記中間液（１４２）が導電性であり、前記液浸液（１３４）が電気的に絶縁性であることを特徴とする請求項７に記載の投影対物レンズ。
9. 前記中間液（１４２）の密度が前記液浸液（１３４）とほぼ同じであることを特徴とする請求項７または８に記載の投影対物レンズ。
10. 前記液浸液（１３４）が油であり、前記中間液（１４２）が水であることを特徴とする請求項９に記載の投影対物レンズ。
11. 前記電界を発生するための電極（１４６）を特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
12. 前記電極が、前記光学素子（Ｌ５”）と前記像平面（１２８）との間に配置された環状円錐電極（１４６）であることを特徴とする請求項１１に記載の投影対物レンズ。
13. 前記界面（１３９、１３９’）の曲率が、前記電極（１４６）に印加される電圧を変更することによって変更可能であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の投影対物レンズ。
14. 前記中間液（１４２）と前記液浸液（１３４）との界面（１３９、１３９’）がすくなくともほぼ球面であることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
15. 前記液浸液と、前記物体平面に向かって凸状に湾曲した媒質によって、正弦が０．５〜０．９８の最大入射角で前記界面を光線が通過するように界面が形成されることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
16. 前記最大入射角の正弦が、０．８５〜０．９５であることを特徴とする請求項１５に記載の投影対物レンズ。
17. 前記最大入射角の正弦が、０．８７〜０．９４であることを特徴とする請求項１６に記載の投影対物レンズ。
18. 前記投影対物レンズ内の任意の容積内において、条件（ｋ²＋ｌ²）／ｎ²＞Ｋ₀が有効であり、ｋ、ｌ、ｍが、開口光線の３つの方向余弦である場合、ｎは、ｋ²＋ｌ²＋ｍ²＝ｎ²で、Ｋ₀＝０．９５の場合の前記容積内における屈折率であることを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
19. Ｋ₀＝０．８５であることを特徴とする請求項１８に記載の投影対物レンズ。
20. 前記像側面の最大湾曲の曲率半径が、ｍ・ｓの積に等しく、ｓが、前記像側湾曲面と前記像平面との軸方向距離であり、ｍが２０〜１２０の実数であることを特徴とする請求項２に記載の投影対物レンズ。
21. ｍが４０〜１００であることを特徴とする請求項２０に記載の投影対物レンズ。
22. ｍが７０〜９０であることを特徴とする請求項２１に記載の投影対物レンズ。
23. その像平面に配置可能な感光層上にマスクを結像させるための、マイクロリソグラフィ投影露光装置の対物レンズであって、前記投影対物レンズ（１２０、１２０’、１２０”）が、液浸液が前記感光層（１２６）に隣接する液浸オペレーションに合わせて設計され、
    前記液浸液（１３４）が前記投影対物レンズの物体側において前記液浸液と隣接する媒質（ＬＬ９）界面を形成し、前記界面が、前記最大曲率半径が前記積ｍ・ｓに等しくなるように、前記マスクに向かって凸状に湾曲しており、ｓが、前記界面と前記像平面との軸方向距離で、ｍが、２０〜１２０の実数であることを特徴とする投影対物レンズ。
24. ｍが４０〜１００であることを特徴とする請求項２３に記載の投影対物レンズ。
25. ｍが７０〜９０であることを特徴とする請求項２４に記載の投影対物レンズ。
26. 前記投影対物レンズ（１２０）が、少なくとも２つの結像鏡（Ｓ１、Ｓ２）を備えたカタディオプトリック対物レンズであり、少なくとも２つの中間像が形成されることを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ。
27. 先行する請求項のいずれか１項に記載の投影対物レンズ（１２０、１２０’、１２０”）を特徴とする、マイクロ構造化部品を作製するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置。
28. マイクロリソグラフィによって、マイクロ構造化部品を作製する方法であって、
    ａ）感光材料の層（１２６）が少なくとも部分的に付着させられる基板（１３０）を用意するステップと、
    ｂ）結像される構造を含むマスク（１２４）を用意するステップと、
    ｃ）請求項１〜２１のいずれか１項による投影対物レンズ（１２０、１２０’、１２０”）を含む投影露光装置を用意するステップと、
    ｄ）前記投影露光装置を用いて、前記層（１２６）のある領域に少なくとも前記マスク（１２４）の一部を投影するステップが含まれている、
    方法。
29. 請求項２８に記載の方法によって作製されたマイクロ構造化部品。

Images