KR20070109928A

KR20070109928A - 투사 노광 장치, 투사 노광 방법 및 투사 대물렌즈

Info

Publication number: KR20070109928A
Application number: KR1020070045696A
Authority: KR
Inventors: 한스-위르겐 로스탈스키; 하이코 펠트만; 발헬름 울리히
Original assignee: 칼 짜이스 에스엠테 아게
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2007-11-15
Also published as: KR101432809B1; EP1855160A2; EP1855160B1; US7834981B2; JP2007311789A; US20080117400A1; DE102006022958A1; TW200813642A; JP5396673B2; TWI420249B; EP1855160A3

Abstract

투사 대물렌즈의 이미지면(image surface)의 영역에 배열된 감방사선성(radiation-sensitive) 기판을 투사 대물렌즈의 물체면(object surface)의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 이미지로 노광하기 위한 투사 노광 장치는, 중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광을 방출하는 광원; 광원으로부터의 광을 받아 마스크의 패턴 상으로 향해지는 조명 방사(illumination radiation)를 형상화(shaping)하기 위한 조명 시스템; 및 마스크의 구조를 감광 기판 상에 결상하는 투사 대물렌즈;를 갖는다. 투사 대물렌즈는 투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경과, 퓨필면 근방의 영역에서 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된 적어도 한 개의 음의 렌즈를 갖는 음의 그룹을 갖는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈이고, 결상의 주변 광선 높이(MRH; marginal ray height)가 주 광선 높이(CRH; chief ray height)보다 크다.

Description

투사 노광 장치, 투사 노광 방법 및 투사 대물렌즈{Projection exposure apparatus, projection exposure method and projection objective}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로리소그래피 투사 노광 장치를 개략적으로 도시한다.

도 2는 도 1에 따른 투사 노광 장치에서의 사용을 위한 카타디옵트릭 투사 대물렌즈의 제1실시예를 관통하여 렌즈부를 개략적으로 도시한다.

도 3은 카타디옵트릭 투사 대물렌즈의 제2실시에를 관통하여 렌즈부를 개략적으로 도시한다.

도 4는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈의 제2실시에를 관통하여 렌즈부를 개략적으로 도시한다.

도 5는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈의 제2실시에를 관통하여 렌즈부를 개략적으로 도시한다.

본 출원은 2006년 5월 11일 출원된 독일 특허출원 DE 10 2006 022 958.4호의 우선권을 주장한다. 상기 출원의 개시 사항은 본원에 참조로서 포함된다.

본 발명은 투사 대물렌즈의 이미지면(image surface)의 영역에 배열된 감방사선성(radiation-sensitive) 기판을 투사 대물렌즈의 물체면(object surface)의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 이미지로 노광하기 위한 투사 노광 장치와, 투사 노광 장치의 도움으로 수행될 수 있는 투사 노광 방법과, 상기 장치 및 방법에서 사용될 수 있는 투사 대물렌즈에 관한 것이다.

최근, 마이크로리소그래피 투사 노광 방법들이 반도체 소자 및 다른 미세 패터닝된 소자들의 제조에 널리 사용되고 있다. 이는 결상될 구조(구조체)의 패턴을 형성하는 마스크(레티클)을 사용하는 것을 포함하는데, 그와 같은 패턴은 예컨대 반도체 소자의 일 층의 선 패턴과 같은 것이다. 마스크는 투사 노광 장치에 위치하는데, 투사 대물렌즈의 물체면의 영역의 투사 대물렌즈와 조명 시스템 사이에 위치하며, 조명 시스템에 의해 제공되는 조명 광으로 조명된다. 마스크와 패턴에 의해 변경된 광은 투사광으로서 투사 대물렌즈를 통과하는데, 투사 대물렌즈는 축소 대물렌즈로 디자인되어 있고 마스크의 패턴을 노광될 기판 상에 축소 스케일(demagnifying scale)로 결상하며, 여기서 노광될 기판은 통상적으로 감방사선성층(포토리지스트)을 포함한다.

적합한 투사 노광 장치들 및 리소그래피 프로세스용 방법들을 선택함에 있어서, 특히 노광된 기판 내에서 제조될 구조들의 통상적인 구조 사이즈에 관련된 다양한 기술적 기준들 및 경제적 기준들을 고려하는 것이 필요하다. 제조될 반도체 소자들의 구조들은 작은 금속 트랙들(metallic tracks) 및/또는 실리콘 트랙들 및 다른 구조 요소들을 포함할 수 있으며, 그것들의 임계 치수(CD; critical dimension)는 결상에 사용되는 자외선 광의 동작 파장(operating wavelength)보다 상당히 더 작을 수도 있다.

대규모 집적 반도체 소자들의 제조는 때때로, 사용되는 자외선 광의 동작 파장 λ와 투사 대물렌즈의 이미지측 개구수(NA; numerical aperture)가 프로세스에 의존하는 1보다 작은 상수인 k₁으로 나타내어지는 R=k₁(λ/NA)라는 수학식에 따른 해상도 R을 얻기에 충분하다는 조건들 하에서, 3차원으로 패터닝된 소자의 적어도 몇몇 층들을 형성하는 것을 필요로 하는데, 상기 해상도는 예컨대 어떤 층들에 대해 100nm보다 작을 수 있다. 그러한 고해상도에 최적화된 투사 노광 장치들은 통상적으로 λ<200nm의 동작 파장을 사용하여, 특히 λ=193nm 또는 λ=157nm의 동작 파장을 사용한다.

그러나 λ≤200nm의 파장에서, 투명한 광학 요소들을 제조하기 위하여 이용가능한 충분히 투명한 물질들은 오직 소수이다. 그것들은 193nm까지 충분히 투명한 합성 용융 실리카(synthetic fused silica)와, 심지어 157nm 이하의 파장에서도 여전히 충분히 낮은 흡수율을 나타내는 몇몇 플루오라이드 결정(fluoride crystal) 물질을 포함한다. 이 경우에 있어서 주로 칼슘 플루오라이드 및 바륨 플루오라이드가 렌즈들 및 다른 광학 요소들의 제조에 있어서 실제적 중요성을 갖는다. 그러나 상기 물질들의 아베수(Abbe number)가 상대적으로 상호 유사하기 때문에, 이 파장 범위에서 순수 굴절 수단(purely refractive means)을 이용하여 색수차(chromatic aberration)를 보정하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 다수의 렌즈들 외에 적어도 한 개의 오목 반사경(concave mirror) 역시 포함하는 카타디옵트릭(catadioptric) 투사 대물렌즈들이 λ=193nm에 대해 특히 λ=157nm에 대해 사용된다.

한 개 또는 두 개의 중간 이미지들(intermediate images)을 갖는 많은 공지의 카타디옵트릭 투사 대물렌즈들은 광학 시스템의 퓨필면(pupil surface)의 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경을 가지며, 적어도 한 개의 음의 렌즈(negative lens)가 그것에 직접 인접하여 위치한다. 퓨필 근방의 음의 렌즈는 다른 대물렌즈 부분들의 색채 부족보정(chromatic undercorrection)을 적어도 부분적으로 보상할 수 있는 색채 과보정(chromatic overcorrection)을 제공할 수 있다. 단일 중간 이미지와 기하학적 또는 물리적 빔 분할과 적어도 한 개의 평면 접반사경(plane folding mirror)을 갖는 그러한 투사 대물렌즈의 예들이 출원인의 WO 2004/099600 A2 또는 특허 US 6,424,471 B1 또는 US 6,665,126 B2에 개시되어 있다.

세 개의 일련의 결상 대물렌즈 부분들을 구비하는 투사 대물렌즈들, 즉 두 개의 중간 이미지들을 갖는 투사 대물렌즈들 역시 알려져 있다. 제1굴절 서브시스템(약어 "R")은 물체의 제1중간 실 이미지(first real intermediate image)를 생성한다. 오목 반사경을 갖는 제2카타디옵트릭 서브시스템(약어 "C")은 제1중간 이미지로부터 제2중간 실 이미지(real second intermediate image)를 생성한다. 제3굴절 서브시스템은 제2중간 이미지를 이미지 평면에 결상한다. US 2003/0011755 A1에 개시된 157nm의 동작 파장에 대한 예들에서, 이 세 대물렌즈 부분들 사이에서의 빔 경로의 편향(deflection)은 상호 직각으로 놓인 두 개의 평면 반사경들에 의해 달 성되는데, 그것에 의하여 투사 대물렌즈의 물체 평면과 이미지 평면은 상호 평행하게 놓인다.

직선으로 연속적인 광축(인-라인 시스템, in-line system)을 갖는 비접 카타디옵트릭 투사 대물렌즈들(unfolded catadioptric projection objectives)도 있는데, 이는 할당된 음의 렌즈를 가진 동공 인근에 배열된 오목 반사경과 또한 적어도 한 개의 다른 오목 반사경을 갖는다. 중간 이미지를 생성하기 위한 두 개의 오목 반사경들을 갖는 제1카타디옵트릭 대물렌즈 부분과 그 중간 이미지를 이미지면 상에 결상하기 위한 제2굴절 대물렌즈 부분을 갖는 193nm의 동작 파장에 대한 실시예들이 EP 1 069 488 A1에 개시되어 있다. US 6,600,608은 퓨필 인근에 위치하며 활용되는 영역에서 관통된 두 개의 오목 반사경들을 갖는, 퓨필 차폐(모호화, obscuration)를 갖는 인-라인 시스템들을 개시하고 있다.

실질적으로 150nm 이상의 통상적인 구조 사이즈들을 갖는 중간임계적인(medium-critical) 또는 비임계적인(non-critical) 층들의 제조를 위하여, 대조적으로, 200nm 이상의 동작 파장용으로 디자인된 투사 노광 장치들이 통상적으로 이용된다. 이 파장 영역에서, 순수 굴절(디옵트릭) 축소 대물렌즈들이 사용되는데, 그것들의 제조는 광축에 대한 그것들의 회전 대칭성 때문에 즉각적으로 제어가능하다. 이 경우, 365.5nm±2nm의 동작 파장용 투사 노광 장치들(소위 i-라인(i-line) 시스템들)이 주로 오랜 시간 동안 사용되어 왔다. 그것들은 수은 진공 램프들의 i-라인을 이용하는데, 그것의 고유 대역폭(natural bandwidth)은 필터 또는 다른 방법을 통해 예컨대 대략 2nm와 같은 더 좁은 활용 대역폭(utilized bandwidth) Δλ 로 제한된다. 이러한 유형의 광원의 경우, 투사 중 상대적으로 넓은 파장 대역의 자외선 광이 사용되는데, 그 결과, 추구되는 해상도에서 심지어 그러한 광대역 투사 광으로도 낮은 수차 결상을 확실하게 하기 위하여, 투사 대물렌즈는 색수차를 상대적으로 많이 보정할 수 있어야만 한다.

광대역 방식에서 동작하는 굴절 투사 대물렌즈들의 경우, 색채 보정을 위하여 충분히 상이한 아베수들을 갖는 다양한 렌즈 물질들을 이용하는데, 그러한 물질들은 색채 보정을 달성하기 위하여 투사 대물렌즈 내에서 상이한 광선 높이 비율들(different ray height ratios)의 영역들에서 적절하게 분포한다. 통상적은 i-라인 투사 대물렌즈들에서 사용되는 투명 물질들은 특히 합성 용융 실리카와, 독일 마인츠에 위치한 SCHOTT라는 회사에서 FK5, LF5 및 LLF1이라는 명칭으로 팔리는 특별한 글래스재들을 포함한다. 이러한 광학 글라스재들의 경우, 합성 용융 실리카 및 FK5 글래스재는 상대적으로 낮은 산란(분광, dispersion) 특성을 갖는 글라스재(크라운 글라스재, crown glass)들을 통상적으로 대표하며, LF5 및 LLF1 글라스재는 상대적으로 높은 산란 특성을 갖는 글라스재(플린트 글라스재, flint glass)들을 통상적으로 대표한다. 복수개의 웨이스트(waist)들 및 벌지(bulge)들을 갖는 공지의 굴절 축소 대물렌즈들이 이용된다. 전체적으로 양의 굴절력을 가진 세 개의 벌지들과 전체적으로 음의 굴절력을 가진 두 개의 웨이스트들을 가지며, 색채 보정을 위하여 고분산 글래스재와 저분산 글래스재의 소정 분포가 사용되고, NA>0.6이며 축소 작용을 하는 3-벌지 시스템들의 예들이 독일 특허출원 DE 102 21 386 A1(US 6,806,942 B2에 대응)에 개시되어 있다.

본 발명은, λ>200nm의 동작 파장에서 상대적으로 광대역인 투사 방사로, 대부분 색수차 문제가 없는 마스크 구조들의 축소 결상을 보장할 수 있으며, 동시에 좁은 품질 공차(narrow quality tolerance)로 경제적으로 제조될 수 있는 투사 노광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적 및 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투사 대물렌즈의 이미지면(image surface)의 영역에 배열된 감방사선성(radiation-sensitive) 기판을 투사 대물렌즈의 물체면(object surface)의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 이미지로 노광하기 위한 투사 노광 장치를 제공하는데, 이는, 중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광을 방출하는 광원; 광원으로부터의 광을 받아 마스크의 패턴 상으로 향해지는 조명 방사를 형상화(shaping)하기 위한 조명 시스템; 및 이미지측 개구수 NA>0.6을 가지며, 중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 투사 광을 이용하여 감광 기판 상에 마스크의 구조를 축소 결상하는 투사 대물렌즈;를 구비하며, 투사 대물렌즈는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈이고, 투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경과, 퓨필면 근방의 영역에서 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된 적어도 한 개의 음의 렌즈를 갖는 음의 그룹을 포함하며, 결상의 주변 광선 높이(MRH; marginal ray height)는 주 광선 높이(CRH; chief ray height)보다 크다.

과거 전문가들은, λ>200nm의 파장 범위로부터의 상대적으로 광대역인 방식으로 방사하는 광원을 가진 투사 노광 장치들에 있어서 굴절 투사 대물렌즈들이 바람직하다고 여겼는데, 이는 분산 및 굴절율에 관하여 충분히 상이한 많은 렌즈 재료들을 색채 보정을 위하여 이용가능하며 따라서 예컨대 색채가 보정된 i-라인 대물렌즈(즉 대략 365nm의 동작 파장용 대물렌즈)를 제조하기 위하여 제조 기술 용어로 즉각적으로 제어가능한 순수 굴절 투사 대물렌즈들로 작업하는 것이 가능하기 때문이다. 그러나 최근에는 이 가정이 더 이상 정확하지 않거나 부분적으로만 정확하다. 원 자외선(DUV; deep ultraviolet) 영역으로부터의 파장들용, 예컨대 193nm 또는 157nm용 투사 대물렌즈들은 수년 동안 상대적으로 대규모로 제조되어 왔기 때문에, 더 큰 파장들에서의 색수차 보상(색채 보정)에 적합한 글래스재용 시장은, 충분한 품질 및 충분한 양으로 이 유형의 글래스재들이 이용가능한 규모로는 더 이상 존재하지 않는다. 발명자들은, 색채가 보정된 굴절 투사 대물렌즈 대신 적어도 한 개의 오목 반사경을 갖는 색채적으로 보정된 카타디옵트릭 투사 대물렌즈를 이용한다면 이것으로부터 초래된 문제점들을 회피할 수 있다는 것을 인지하였다.

이러한 카타디옵트릭 디자인 접근법은 특히, 색채 보정을 위한 상이한 렌즈 재료들을 필요로 하지 않으면서도 충분히 높은 색수차 보정을 나타내는 투사 대물렌즈들을 제공하는 것을 가능하게 한다. 알려진 바와 같이, 상대적으로 낮은 분산 특성을 갖는 물질로 만들어진 수렴 렌즈(converging lens)와 상대적으로 높은 분산 특성을 갖는 제2물질로 만들어진 할당된 발산 렌즈(diverging lens)를 결합함으로써 색수차 보상을 달성하는 것이 가능하다. 이 경우, 색수차 보상이 더욱 단순화됨 에 따라 분산 특성에서의 차이는 더 커진다. 이러한 물질 선택에 있어서의 결과적인 제한은 본 발명을 이용함으로써 회피할 수 있다. 예컨대, 투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90% 또는 투사 대물렌즈의 모든 렌즈들을 실질적으로 동일한 분산 특성을 갖는 한 가지 물질로부터 또는 복수개의 물질로부터 제조하는 것이 가능하다. 존재할 수도 있는 분산 특성에 있어서의 차이는 10% 이하일 수 있으며 특히 5% 이하일 수도 있다. 예컨대, 용융 실리카 시스템에 있어서 합성 용융 실리카로 만들어진 렌즈 대신 FK5로 만들어진 렌즈를 제공하는 것 역시 가능한데, FK5는 193nm에서 대략 3% 더 높은 분산 특성만을 갖는다.

몇몇 실시예들에 있어서, 투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90%를 동일한 재료로 제조하는 것을 제공한다. 바람직하게는 모든 투명한 광학 소자들이 동일한 재료로 구성된다. 특히 모든 투명한 광학 소자들 또는 대부분의 투명한 광학 소자들용으로 합성 용융 실리카를 사용하는 것은 장점이 될 수 있는데, 193nm까지 충분히 투명한 이 재료는 고품질이면서도 대규모로 이용가능하기 때문이다.

만일 합성 용융 실리카가 렌즈 재료로 사용된다면, 특히 높은 방사 부하에 노출되며 예컨대 이미지면 인근에서 작은 직경을 갖는 렌즈들의 경우 합성 용융 실리카보다는 상이한 렌즈 재료로 제조되는 것이 바람직할 수 있는데, 이는 예컨대 굴절율에 있어서 방사에 의해 유도된 변화에 기인한 문제점들을 방지하기 위함이다(예컨대 컴팩션(compaction)). 이 경우, 제2재료는 색채 보정용으로 사용되는 것이라기보다는 전체 투사 대물렌즈의 장기간에 걸친 안정성을 개선하기 위하여 사용된다.

많은 실시예들에 있어서, 오목 반사경이 투사 대물렌즈의 퓨필면의 영역에 배열되며 적어도 한 개의 음의 렌즈를 갖는 음의 그룹이 퓨필 인근 영역에서 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된다. 이러한 의미에서의 "퓨필 인근 영역"은 특히, 퓨필 인근 영역에서 주 광선 높이(CRH)보다 결상의 주변 광선 높이(MRH)가 더 크다는 사실에 의해 구별된다. 바람직하게는 주변 광선 높이는 음의 그룹의 영역에서 주 광선 높이의 적어도 두 배, 특히 적어도 5 내지 10배이다. 큰 주변 광선 높이의 영역에서의 음의 그룹은 색채 보정에 특히 효과적으로 기여할 수 있으며, 특히 종방향 색수차(CHL)의 보정에 효과적으로 기여할 수 있는데, 얇은 렌즈의 종방향 색수차(CHL)는 렌즈 위치에서 주변 광선 높이의 제곱에 비례하기 때문이다(또한 굴절력에 비례하며 렌즈의 분산 특성에 반비례한다). 이것에, 투사 방사는 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된 음의 그룹을 방사가 통과하는 방향 반대방향으로 두 번 통과하여, 음의 그룹의 색채적인 과보정 효과가 두 번 이용된다는 결과를 가져온다는 사실이 더해진다. 음의 그룹은 예컨대 단일 음의 렌즈로 구성되거나 또는 적어도 두 개의 음의 렌즈들을 포함할 수 있다. 음의 그룹이 적어도 한 개의 회절 광학 요소(DOE; diffraction optical element)를 포함하는 것 역시 가능하다(US 출원번호 60/699483 참조).

만일 음의 그룹의 적어도 한 개의 광학 요소의 직경 및 굴절력이 음의 그룹의 색채 보정에 대한 과보정 기여의 합이 투사 대물렌즈의 나머지 광학 요소들의 부족보정 기여의 합의 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 65% 또는 적어도 70%가 되도록 디자인된다면, 그것이 바람직하다는 것이 발견되었다.

"슈만 아크로마트(Schupmann achromat)" 방식으로 작용하는(US 620,978 참조), 퓨필 인근에 배열된 오목 반사경과 반사경 면 전방에 직접 배열된 음의 그룹의 조합이 다양한 구성을 가진 카타디옵트릭 시스템들에서 이용될 수 있다. 적어도 한 개의 중간 이미지를 가지며, 색수차 보상을 위해 활용될 수 있는 단일 카타디옵트릭 그룹과 조합하여 한 개 이상의 평면 접반사경을 갖는 접(folded) 카타디옵트릭 투사 대물렌즈들의 대표적인 예가 예시적으로 US 6,909,492 B2 또는 US 2004/0160677 A1 또는 US 2003/0011755 A1에 개시되어 있다. 퓨필 인근에 배열된 오목 반사경을 가지며 다른 오목 반사경을 갖는 비접(unfolded) 투사 대물렌즈들(인-라인 시스템들)이 예컨대 EP 1 069 448 A1에 개시되어 있다. 네 개 또는 여섯 개의 오목 반사경들을 부분적으로 갖는 다른 인-라인 시스템들이 특허 US 6,636,350 또는 US 6,995,918에 개시되어 있다. 이러한 종류의 시스템 유형들은 원칙적으로, 대응하는 변형을 통해 본 발명의 내용 내에서 활용될 수 있다.

"i-라인 시스템들"로 언급되는 실시예들의 경우에 있어서, 광원은 수은 진공 램프를 구비하는데, 그것에서 방출되는 자외선 광은 중심 동작 파장 λ=365.5nm를 갖는 파장 대역으로부터 기인한다. 여기서 통상적인 대역폭은 Δλ=2nm의 영역 내이다. 대안으로서, XeF 레이저를 광원으로서 이용하는 것이 가능한데, 예컨대 상기 레이저는 대략 351nm를 중심으로 하는 범위로부터의 중심 동작 파장에서 통상적인 대역폭 Δλ=0.2nm를 갖는다. 발광 다이오드(LED; light-emitting diode) 역시 광원으로서 활용될 수 있는데, 상기 다이오드는 예컨대 대역폭 Δλ=10nm로 중심 동작 파장 λ=248nm를 중심으로 하는 광을 방출한다. 중심 동작 파장 λ=248nm를 갖 는 통상적인 KrF 엑시머 레이저의 경우, 통상적으로 활용되는 대역폭 제한을 회피할 수 있는데, 그 결과 그러한 광원들의 특히 비용-효과적인 광대역 변형예들을 사용할 수 있다.

이 경우 "광원"이라는 용어는 주 방사를 방출하는 주 광원(primary light source)뿐만 아니라 존재할 수 있는 다른 소자들을 포함하는데, 여기서 후자는, 필터, 조리개, 대역폭 제한 모듈 등등과 같은, 주 광원에 의해 방출된 주 방사의 스펙트럼을 조명 시스템으로의 입사에 앞서 변경하는 역할을 하는 것이다.

소망된 파장 대역 내에서 주어진 파장 또는 주어진 복수개의 파장에서 투사 대물렌즈가 적합하게 기능하도록 하기 위하여, 투사 대물렌즈가 디자인된 파장으로부터의 광을 이용하는 기판들의 노광이 가능하도록 투사 대물렌즈가 구성되어야만 한다. 이 파장 대역은 또한 "디자인 파장 대역"으로 불릴 수도 있으며, 이는 투사 대물렌즈의 광학적 성능이 충분히 우수하여 상대적으로 낮은 수차 레벨로 회절이 제한된 결상을 가능하게 하는 그러한 파장들을 포함하는 파장들의 범위를 나타낸다. 예컨대, 디자인 파장 대역이 수은 g-라인, h-라인 및 i-라인을 포함하도록 하는 투사 대물렌즈의 구성의 경우, 투사 대물렌즈는 투사 노광 장치의 광원으로서 고출력 수은-아크 램프와 조합하여 사용될 수 있다. 따라서, 수은-아크 램프와 함께 사용하기 위하여 구성된 투사 대물렌즈는 파장 대역(디자인 파장 대역)이 수은 g-라인, h-라인 및 i-라인을 포함하도록 보정된다. 그러한 경우, 고아학 성능은 대략 365nm(i-라인), 대략 405nm(h-라인) 및 대략 436nm(g-라인)에서 적어도 한 개의 수은 라인에 대해 최적화되는데, 반면 광학 성능은 디자인 파장 대역 이외에서는 상당히 저하될 수 있다. 통상적으로, 수은 g-라인, h-라인 및 i-라인을 포함하는 디자인 파장 대역용으로 배타적으로 최적화된 투사 대물렌즈는, 대략 260nm보다 더 작은 파장을 갖는 원적외선(DUV; deep ultraviolet) 영역과 같은 상당히 더 작은 파장 및/또는 예컨대 대략 500nm보다 큰 파장인 가시 파장 영역에서 노광용으로 작동할 수 없다.

투사 대물렌즈는 파장 대역에서 일 파장에서 또는 일 파장에 인접하여 오직 한 개의 공통 초점이 존재하도록 디자인될 수 있다. 파장은 수은 라인들 중 하나의 파장이 될 수 있는데, 예컨대 대략 365nm에서의 i-라인 근방일 수 있다. 투사 대물렌즈는 또한 디자인 파장 대역에서 각가의 두 개 이상의 파장들에서 두 개, 세 개 또는 그 이상의 공통 초점들을 가질 수도 있다. 투사 대물렌즈가 두 개 또는 그 이상의 파장들에 대해 보정된다면, 그 파장들은 노광용으로 사용될 수 있으며, 이에 의하여 광원의 출력의 더 많은 부분이 노광에 사용됨으로서, 단위 시간당 노광된 기판들의 더 높은 처리량을 얻을 수 있다.

바람직한 실시예들에서 투사 대물렌즈는 λ>320nm의 파장에서 적어도 한 개의 공통 초점이 존재하도록 구성된다. 이 경우, 대략 351nm 내지 대략 353nm 범위에서 중심 동작 파장을 가지며 통상적인 0.2nm 대역폭을 갖는 제논 플루오라이드 레이저(XeF 레이저)가 주 광원으로서 사용될 수 있다. 대안으로서, 광원은 수은 g-라인, h-라인 및 i-라인을 방출하는 수은 증기 램프를 구비할 수도 있는데, 대략 365nm에서의 수은 i-라인과 같은, 이 라인들 중 적어도 한 개가 노광용으로 사용될 수 있다.

본 발명은 또한, NA>0.6의 이미지측 개구수를 가지며, 중심 작동 파장 λ>200nm 근방의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 투사 광원을 이용하여, 투사 대물렌즈의 물체면에 배열된 마스크의 패턴을 투사 대물렌즈의 이미지면에 축소 결상하기 위한 적어도 한 개의 오목 반사경을 갖는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈의 이용에 관한 것으로서, 여기서 이미지면은 물체면에 관하여 광학적으로 관련되어 있다(optically conjugate).

접 변형예(folded variant)들의 경우에 있어서 비록 이러한 카타디옵트릭 디자인 활용 가능성이 회전 대칭인 순수 굴절 투사 대물렌즈들의 제조-기술적 장점들을 소멸시킬지라도, 투명한 광학 요소들용으로 활용될 수 있는 물질에 관한 결과로서 새로운 자유도가 발생한다. 카타디옵트릭 디자인 접근법으로, 만일 적합하다면, 모든 렌즈들 및 다른 투명한 광학 요소들이 하나의 동일한 렌즈 재료로 제조될 수 있도록 하는 것이 가능한데, 특히 합성 용융 실리카로 제조될 수 있도록 하는 것이 가능하다. 이는 FK5,, LF5 또는 LL1과 같은 우수한 품질로 이용가능한, 발견하는 것이 더욱 더 어려운 글라스재 물질들에 대한 의존성을 없앤다.

본 발명은 또한 투사 대물렌즈의 이미지면의 영역에 배열된 감방사선성 기판을 투사 대물렌즈의 물체면의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 이미지로 노광하기 위한 투사 노광 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은, 투사 대물렌즈의 물체면의 영역에 마스크를 배치하는 단계; λ>200nm의 중심 동작 파장 부근의 대역폭 Δλ>10pm을 갖는 파장 대역으로부터의 조명광으로 마스크를 조명하는 단계; 투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경과, 퓨필면 근방의 영역에서 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된 적어도 한 개의 음의 렌즈를 갖는 음의 그룹을 포함하는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈를 이용하여, 이미지측 개구수 NA>0.6을 가지며, 중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 투사 광을 이용하여 마스크의 패턴을 축소 결상하는 단계를 포함하며, 이때 결상의 주변 광선 높이(MRH; marginal ray height)는 주 광선 높이(CRH; chief ray height)보다 크다.

이러한 특징들 및 다른 특징들은 특허청구범위뿐만 아니라 발명의 상세한 설명 및 도면으로부터 도출되며, 각 경우에 있어서 그 자체에 의하여 또는 본 발명 및 다른 기술분야의 실시예의 서브컴비네이션의 형태로 그 경우에 있어서 각각의 특징들이 실현될 수 있으며 바람직하고 본질적으로 보호받을만한 실시예들을 구성할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 도면에 도시되어 있으며 이하에서 더욱 상세히 설명된다.

하기의 바람직한 실시예들의 설명에 있어서, "광축"은 광학 소자들의 곡률 중심을 통과하는 한 개의 직선 또는 일련의 직선 부분들을 의미한다. 광축은 접반사경(편향 반사경, deflection mirror)들에서 접히거나 다른 반사면들에서 접힌다. 예들에 있어서, 물체는 집적 회로 패턴을 갖는 마스크(레티클)인데, 상이한 패턴 예컨대 격자 패턴 역시 사용될 수도 있다. 예들에 있어서 이미지는 포토리지스트층을 가지며 기판으로서 작용하는 웨이퍼 상에 투영된다. 다른 기판들 예컨대 액정 디스플레이용 요소들 또는 광학 회절용 기판들 역시 가능하다.

도면에 도시된 예시적인 실시예들의 세부사항은 표들에 특정되어 있으며, 표 에 있어서 수자는 각각 대응하는 도면에서의 참조번호에 대응한다.

도 1은 웨이퍼 스캐너 형태의 마이크로리소그래피 투사 노광 장치(100)를 개략적으로 도시하는데, 이는 대규모 집적 반도체 소자들의 특정 층들을 형성하기 위해 세팅된 것으로서, 세팅에 따라 R=180nm까지의 해상력으로 결상하는 것을 가능하게 한다. 중심 동작 파장이 대략 351nm이며 통상적인 대역폭인 0.2nm를 갖는 제논 플루오라이드 레이저(XeF laser)가 주 광원(102)으로 사용된다. 그러한 XeF 레이저는 대략 351nm 및 대략 353nm에서 방출 라인(emission line)들을 갖는다. 예시적인 시스템에 있어서 353nm에서의 방출 라인은 필터에 의해 마스킹된다. 351nm에서의 가깝기 인접한 잔여 방출 라인들은 대략 200pm의 간격을 가지며 이 광원에서 합동하여 활용된다.

이후의 조명 시스템(110)은 주 광원(102)으로부터의 광을 받아, 그것의 출사면(exit plane, 111)에서, 이후의 투사 대물렌즈(120)에서의 평행도(telecentricity) 요구사항에 적합하며 조명 시스템의 광축(112)에 중심을 가진, 크고 뾰족하게 한정된 매우 균일하게 조명되는 조명 필드를 생성한다, 조명 시스템(110)은 조명 모드를 선택할 수 있는 장치를 가지며, 예컨대 가변할 수 있는 균일도를 가진 통상적인 조명, 환형 조명 및 다이폴 또는 콰드루폴 조명 사이에서 바뀔 수 있다.

조명 시스템의 출사측(exit-side) 최종 광학 요소와 투사 대물렌즈의 입사부 사이에는 마스크(115)를 지지하고 조정하기 위한 장치(116)가 배열되는데, 이를 통해, 제조될 반도체 소자의 특정 층의 (마스크 상에 배열된) 패턴이 투사 대물렌즈 의 물체면(111)에 위치하도록 하며, 이때 상기 물체면은 조명 시스템의 출사면과 일치한다. 조명 시스템의 광축(112)과 투사 대물렌즈의 광축(124)은 상호 상대적으로 측면으로 오프셋(offset)되는데, 이는 투사 대물렌즈의 광축(124)과 관련하여 비축 필드(off-axis field)를 생성하기 위함이다. (일반적으로 "레티클 스테이지"라고 불리는) 마스크 지지 및 조정 장치(116)는 투사 대물렌즈의 물체면(111)에 평행하게 마스크가 이동하는 것을 가능하게 하거나 조명 시스템과 투사 대물렌즈의 광축에 수직하게 마스크가 스캐닝 방향(118)으로 이동하는 것을 가능하게 하는 스캐너 드라이브를 포함한다.

투사 대물렌즈(120)는 마스크 평면으로도 또한 말할 수 있는 면(111) 이후의 광경로를 따르는데, 상기 투사 대물렌즈는 축소 대물렌즈로서, 마스크에 의해 만들어진 구조의 축소된 이미지를 예컨대 4:1 또는 5:1 또는 10:1의 축소 스케일로 포토리지스트층으로 코팅된 웨이퍼(130) 상에 결상하도록 셋업된다. 감광기판으로 기능하는 웨이퍼(130)는 그것의 평평한 기판면이 투사 대물렌즈(120)의 이미지면(121)과 일치하도록 배열된다. 웨이퍼는, 웨이퍼를 마스크(115)와 동기화되어 마스크에 평행한 방식으로 이동시키기 위하여, 스캐너 드라이브를 구비하는 장치(126, 웨이퍼 스테이지)에 의해 지지된다.

투사 대물렌즈(120)는 이미지면(121)에 최근접한 투명한 최종 광학 소자로서 평볼록 렌즈(122, planar convex lens)를 갖는데, 상기 평볼록 렌즈의 평평한 출사면은 투사 대물렌즈의 최종 광학면으로서 웨이퍼의 기판면 상부로 수 밀리미터의 작동 거리에 배열되어, 투사 대물렌즈의 출사면과 기판면 사이에 가스로 채워진 갭 이 존재하도록 한다(건식 시스템, dry system).

축소 대물렌즈로서 작용하는 투사 대물렌즈(120)는 개략적으로 표시된 복수개의 렌즈들(통상적으로 렌즈들의 개수는 때때로 10개 이상 또는 15개 이상임) 외에 만일 적합하다면 다른 투명한 광학 소자들을 갖는데, 예컨대 본 예의 경우 투사 대물렌즈의 퓨필면에 인접하여 배열된 (적어도 한 개의) 오목 반사경(125)을 갖는다. 중용한 응용예들의 경우 투사 대물렌즈의 이미지측 개구수는 NA>0.6이며 많은 실시예들에 있어서 대략 NA=0.65와 NA=0.85 사이이다. 그 결과, 광원(102)에 의해 사전설정된 동작 파장에서 R=180nm까지의 통상적인 해상도가 가능하다.

도 2는 도 1에 따른 투사 노광 장치에 사용될 수 있는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈(200)의 제1실시예를 도시한다. 이것은 물체 평면(object plane, OS)에 정렬된 마스크 패턴을 4:1의 축척으로 물체 평면에 평행한 이미지 평면(image plane, IS)에 결상하도록 제공된다. 이 경우, 정확하게 두 개의 중간 실 이미지들(IMI1, IMI2)은 물체 평면과 이미지 평면 사이에서 발생된다. 먼저, 순수 굴절 대물렌즈 부분(OP1)은 물체 평면에 위치된 패턴이 대략 β₁=-0.8의 축적으로 제1중간 이미지(IMI1)로 결상되는 방식으로 디자인된다. 두 번째로, 제2카타디옵트릭 대물렌즈 부분(OP2)은 크기를 실질적으로 변화시키지 않으면서(즉, 이미지 스케일 │β₂│≒ 1:1) 제1중간 이미지(IMI1)를 제2중간 이미지(IMI2)로 결상한다. 세 번째로, 순수 굴절(디옵트릭) 대물렌즈 부분(OP3)은 큰 축소배율(│β₃│≪1)로 제2중간 이미지(IMI2)를 이미지 평면(IS)에 결상하도록 디자인된다.

투사 대물렌즈(200)는 복수 개의 일련의(cascaded) 대물렌즈 부분들을 갖는 "연쇄적 연결형(concatenated)" 투사 대물렌즈의 예이며, 각 대물렌즈 부분은 결상 시스템으로 구성되고 중간 이미지들을 통해 연결되는데, 여기서 광 경로상의 이전 결상 시스템에 의해 생성되는 (중간) 이미지는 광 경로에 있어서 이후의 결상 시스템의 물체로서 작용하며, 이후의 결상 시스템은 (제2대물렌즈 부분(OP2)의 경우에서와 마찬가지로) 추가적인 중간 이미지를 제공하거나 투사 대물렌즈의 최종 결상 시스템을 형성할 수 있다. 여기서, 최종 결상 시스템은 (제3대물렌즈 부분(OP3)과 같이) 투사 대물렌즈의 이미지 평면에서 이미지 필드를 발생시킨다. 도 2에 도시된 유형의 시스템들은 R-C-R 시스템이라고 불리며, 여기서 "R"은 굴절 이미지 시스템, "C"는 카타디옵트릭 이미지 시스템을 의미한다.

물체 평면과 제1중간 이미지 사이, 제1중간 이미지와 제2중간 이미지 사이, 그리고 제2중간 이미지와 이미지 평면 사이에서, 결상 시스템의 퓨필면들은 광학적 결상계의 주 광선(CR)이 광학 축(OA)과 교차하는 곳에 위치한다. 제1대물렌즈 부분(OP1)의 퓨필면(P1)은 자유롭게 접근가능하다. 두 개의 음의 렌즈들(negative lens, N1, N2)을 가지며 광이 두 번 통과하는 음의 그룹(NG)의 이후 방향으로 바로 뒤에 있는 오목 반사경(CM)은 카타디옵트릭 대물렌즈 부분(OP2) 내의 제2퓨필면(P2)의 영역에 배치된다. 음의 그룹의 두 렌즈들(N1, N2)은 오목 반사경과 동축을 이루도록 배치된다. 음의 그룹의 렌즈들과 오목 반사경 사이에는 어떠한 광학 요소도 배치되지 않는다. 제3대물렌즈 부분의 최대 빔 직경 영역과 이미지 평면(IS) 사이에 위치한 조절 가능한 구경 조리개(aperture diaphragm)는 제3대물렌 즈 부분(OP3) 내의 제3퓨필면(P3)의 영역에 배치된다.

지금까지 이 적용예에서 "주변 광선 높이" 또는 "주 광선 높이"가 언급되었을 때, 이것은 근축(paraxial) 주변 광선 높이 및 근축 주 광선 높이를 의미한다.

표 2는 설계 규격을 표 형태로 요약한 것이다. 이 경우, 1열은 굴절면 또는 몇몇 다른 방식으로 차별되는 면의 번호를 의미하고, 2열은 표면의 반경(r)을 의미하며(mm 단위), 4열은 면 및 후속 면 사이의 두께인 거리(d)를 의미하고(mm 단위), 5열은 광학 소자들의 물질을 의미한다. 6열은 물질의 굴절율을 나타내고, 7열은 렌즈들의 렌즈 높이 또는 자유 반경 또는 사용가능한 자유 반경을 의미한다(mm 단위). 반경(r)=0이라는 것은 평평한 면을 의미한다. 표 2A는 대응하는 비구면 데이터(aspheric data)를 의미하며, 비구면들은 다음 관계식에 의해 계산된다.

이 경우, 반경의 역수(1/r)는 표면 곡률(surface curvature)을 의미하고, h는 표면점과 광축 사이의 거리(예를 들면 광선 높이)를 의미한다. 따라서, p(h)는 소위 화살자리(sagitta), 다시 말하면 표면 점과 Z 방향(광축의 방향)으로의 표면 고점(vertex) 사이의 거리를 의미한다. 상수(K, C1, C2, ...)들은 표 2A에서 나타내고 있다.

4:1(β=-0.25)의 이미지 축소 배율을 고려하였을 때, 물체측과 이미지측에서 텔레센트릭(telecentric)한 투사 대물렌즈는 0.7의 이미지측 개구수를 가지며, 중심 동작 파장(λ)은 351.1nm로 최적화된다. 모든 렌즈들은 351.1nm의 파장(λ)에서 1.4767의 굴절율(n_sio2)을 가지는 합성 용융 실리카로 구성된다. 이미지 필드 크기는 26mm × 5.5mm이다.

광대역 방식으로 조사하는 광원의 경우, 리소그래피에 적용할 정도의 충분한 화질을 가진 다색 이미지를 구현할 수 있을 정도로 색수차를 감소하도록 설계되어야 한다. 제1근사를 위해, 종방향 색수차(CHL, longitudinal chromatic aberration)와 색확대수차(CHV, chromatic magnification aberration)와 같은 주 색수차들을 우선적으로 보정하는 것이 필요하다. 뿐만 아니라, 가우시안 수차(개구 수차의 색 변화)는 가능한 최소화되어야 한다. 색수차들의 보정에 있어서 가장 중요한 것은 오목 반사경(CM) 및 반사경의 이전의 광이 두 번 통과되는 발산 렌즈들(N1, N2)에 사용되는 직경들과 이후의 렌즈들의 직경, 이미지 근방의 제3대물렌즈 부분의 직경들이다. 이것들은 길이 방향 색수차의 보정에 중요하다. 색확대수차(CHV)는 퓨필 위치들의 이전과 이후의 렌즈들의 굴절력 배분과 주 광선 높이에 대한 렌즈들의 노련한 위치시킴에 의해 크게 영향을 받는다.

투사 대물렌즈(200)는 CHL은 -0.057nm/pm, CHV는 -0.009nm/pm으로 뛰어난 색수차보정을 보여준다. 색초점이탈수차(chromatic defocus aberration)는 0nm/pm이다. 양의 굴절력을 갖는 전체 시스템에 필요한 색채 과보정은 제2대물렌즈 부분(OP2)의 오목 반사경의 바로 앞에 있고 이하에서 "음의 그룹(negative group)" 또는 "슈만(Schupmann) 렌즈들"이라고 인용되는 음의 렌즈들(N1, N2)의 영역에서 주로 발생한다. 실시예에서, 색수차보정에의 과보정의 기여량들의 합이 릴레이 시스템으로 작용하는 제1대물렌즈 부분(OP1)의 부족보정의 기여량과 포커싱 시스템으로 작용하는 제3굴절 대물렌즈 부분(OP3)의 부족보정의 기여량의 합과 반드시 정확하게 균형을 이룰 수 있도록 음의 그룹 렌즈들의 직경과 굴절력이 정해진다. 이것은 투사 대물렌즈(200)에 대한 종방향 색수차(CHL)(2열)와 색확대수차(CHV)(3열)에의 개별적인 광학 면들(1열)의 기여를 보여주는 표 2B로부터 명확하게 알 수 있다. 종방향 색수차에 대한 i번째 대물렌즈 부분의 기여량의 합이 CHLi(i=1,2,3)로 표시되고, 색확대수차에 대한 i번째 대물렌즈 부분의 기여량의 합이 CHVi(i=1,2,3)로 표시된다면, 다음과 같은 값을 가진다.

CHL1 = -0.008057,

CHV1 = -0.004255,

CHL2 = 0.030971,

CHV2 = 0.002446,

CHL3 = -0.022857,

CHV3 = 0.001818.

모든 기여량을 합하면 총 종방향 색수차는 CHL = CHL1+CHL2+CHL3 = 0.000057이고 색확대수차에 대한 기여량의 총 합은 CHV = CHV1+CHV2+CHV3 = 0.000009이다. 따라서, CHL에 대해서 68% 이상의 색채 과보정이 슈만 렌즈들(N1, N2)에 의해 이루어지고, 모든 다른 하위시스템들의 기여가 상당히 보상된다.

이 예는 그러한 시스템에서 색수차 보정을 위해 상이한 산란 특성을 갖는 물질을 반드시 사용할 필요가 없다는 것을 보여준다. 이것은 적어도 두 개의 상이한 물질들을 가진 렌즈들이 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있다는 것을 배제하지는 않는다. 합성 용융 실리카로 만들어진 렌즈 대신의 예에 의해, 특수 글라스재(FK5)로 만들어진 대응 렌즈를 사용하는 것도 가능하다. 여기서, 특수 글라스재는 아베수와 산란율(예를 들면 대략 3% 이상의 산란율)에 대해서 매우 유사한 광학 특성을 갖되, 렌즈들의 배치와 형태가 약간 다르다. 물질의 선택에 있어서 다음과 같은 사항을 고려하는 것이 유용하다. (파장(λ)에 의존하는) 굴절율(n)을 가지는 물질에 대한 아베수는 일반적으로 다음과 같이 정의된다.

여기서, λ₁과 λ₂(<λ₁)는 아베수의 계산에 필요한 중요한 대역을 결정하는 서로 다른 파장들이다. n_λ1은 λ₁에서의 굴절율이다. 1nm의 대역으로 약 351.1nm에서의 XeF 레이저의 파장 범위에서, 아베수(v)는 2870, 산란율은 Δn = nλ₂ - nλ₁ = 1.661×1Φ^-4이다. 이에 따라 계산된 FK5에 대한 값은 예를 들면, v=2956 이고 Δn = 1.712×10^-4이다. 불화칼슘(CaF₂)에 대한 대응 값 또한 비교를 위하여 v=3904 이고 Δn = 1.143×10^-4로 제시된다. 합성 용융 실리카와 FK5 사이의 산란율의 차이 가 작다는 점으로부터 이 물질들이 시스템에서 서로 대체적으로 사용될 수 있다는 점과 이 두 물질들의 조합이 색수차 보정에 큰 기여를 할 수 없다는 점을 알 수 있다. 불화칼슘(CaF)과 수정 글라스 또는 FK5의 조합이 산란율에서의 차이 때문에 색수차 보정에 사용될 수 있지만, 이것이 본 발명의 실시예들에 있어서 반드시 필요한 것은 아니다.

도면에는 도시되지 않았으나, 또 도 2에서의 구성과 유사한 구성을 가지며 NA가 0.7인 다른 R-C-R 시스템의 규격이 표 2' 및 2'A에 나타나 있다. 이 투사 대물렌즈계는 작동파장이 λ=356.5nm±2nm인 i-라인 대물렌즈로서 설계되고, -0.03nm/pm인 길이 방향 색수차(CHL)와 0.09nm/pm인 가우시안 수차에 의해 차별화된다.

도 3은 작동파장이 λ=351.2nm±2nm이도록 설계되고 그럼으로써 도 1의 XeF 레이저가 장착된 투사 노광 장치에 대안적으로 설치될 수 있는 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter)를 가진 카타디옵트릭 투사 대물렌즈(300)의 또 다른 실시예를 보여준다. 이 "정육면체 디자인(cube design)"의 제원은 표 3 및 3A에 제시되어 있다. 투사 대물렌즈는 마스크의 (물체 평면(OS)에 정렬된) 패턴을 4:1의 축척으로 물체 평면에 평행한 방향인 이미지 평면(IS)에 결상하도록 제공되며, 정확하게 하나의 중간 실 이미지(IMI)가 생성된다. 광축(OA)에 중심 정렬된 방식으로 배치된 물체 필드(object field, OF)가 큰 확대나 축소 없이 제1카타디옵트릭 대물렌즈 부분(OP1)의 도움을 받아 중간 이미지(IMI)로 결상된다. 이때, 상기 중간 이미지는 후속의 제2순수 굴절 대물렌즈 부분(OP2)에 의해 약 4:1의 축소 배율로 중 심 정렬된 이미지 필드에 결상된다. 제1대물렌즈 부분(OP1)은 오목 반사경(CM)과 그 앞에 직접 배치된 음의 그룹(NG)을 포함하고, 두 개의 음의 메니스커스 렌즈ㄷ드들(negative meniscus lenses, N1, N2)을 구비하며, 종방향의 색수차 보정의 상당 부분을 수행한다. 광축에 대하여 45°로 위치된 감편광성(polarization-selective) 빔 스플리터 표면(BSS)을 가진 물리적 빔 스플리터(physical beam splitter, BSC)는 물체 평면(OS)으로부터 오목 반사경(CM)으로 통과하는 조사광(radiation)과 오목 반사경과 이미지 표면 사이를 지나는 조사광을 분리하는 기능을 수행한다.

투사 대물렌즈는 선편광된 광으로 작동되는데, 선편광된 광의 물체 평면(OS)과 빔 스플리터(BSC) 사이의 빔 경로에서의 바람직한 편광 방향은 빔 스플리터 표면(BSS)과의 관계에서 초기에 S방향(접힌 광축에 의해 펼쳐진 입사 평면에 수직한 전자기장 벡터의 진동 방향) 편광되며, 그 결과 조사광은 빔 스플리터 표면에서 오목 반사경의 방향으로 먼저 반사된다. 빔 스플리터 표면과 오목 반사경 사이에서, λ/4 지연 플레이트(retardation plate, RE)는 음의 렌즈(NL) 근방에 위치되고, 통과하는 조사광을 오목 반사경에 입사하는 원형 편광된 조사광으로 변환한다. 오목 반사경과 빔 스플리터 사이의 복귀 경로에서, 조사광은 λ/4 플레이트(RE)를 다시 한번 통과하게 되고, 조사광은 제2대물렌즈 부분(OP2) 이후 방향에서의 손실 없이 빔 스플리터 표면에 의해 전달된 P방향 편광으로 변환된다. 빔 스플리터 표면에 대하여 90°로 배치된 접힘가능한 평면경(planar folding mirror, FM)은 빔 경로상에서 빔 스플리터(BSC)의 바로 뒤에 제공되며, 빔 스플리터 표면과 함께 작동하여 물 체 평면과 이미지 평면이 서로 평행하게 방향지어지는 것을 보장한다. 반사경 표면에서의 가능한 결함이 결상을 뚜렷히 열화시키지는 않도록, 중간 이미지는 상기 접힘가능한 반사경으로부터의 광학 거리에서 접힘 가능한 반사경의 바로 뒤에서 나타난다. 도 2에 도시된 실시예에서와 같이, 조절가능한 구경 조리개(AS)는 조사광이 이미 이미지 평면(IS)을 향해 뚜렷하게 수렴 경로를 가지는 이미지 평면과 최대 빔 직경의 영역 사이의 굴절 대물렌즈부(OP2)의 단부 영역에 위치한다.

도 4는 기하학적 빔 스플리터(BS)를 구비하는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈(400)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 빔 스플리터는 접힘(h 접힘) 변형이 발생하는 경우 구조적으로 필요한 제1접힘가능 평면경(FM1)을 가지며, 선택적으로 물체 평면(OS)과 이미지 평면(IS)의 평행 위치시킴에 필요한 제2접힘가능 평면경(FM2)을 가질 수도 있다. 규격은 표 4 및 4A에 제시되어 있다. 제1카타디옵트릭 대물렌즈 부분(OP1)은 오목 반사경(CM)과, 오목 반사경 바로 앞에 배치되는 두 개의 음의 메이스커스 렌즈들(N1, N2)과, 상대적으로 작은 주변 광선 높이 영역에 배치되고 물체측 오목면을 갖는 얇은 음화 메니스커스 렌즈(NL)를 구비하여, 축 상에 있지 않은(off-axis) 물체 필드(OF)를 낮은 축소 배율로 제2접힘가능 반사경(FM2) 바로 뒤에 위치하는 단일의 중간 이미지(IMI)로 결상하는데, 이 단일의 중간 이미지(IMI)는 제2굴절 대물렌즈 부분(OP2)에 의해 축소하는 방식으로 이미지 평면(IS)에 결상된다. 주어진 4:1의 축소 이미지 배율을 고려하였을 때, 물체측과 이미지측에 텔레센트릭한 투사 대물렌즈는 0.7인 이미지측 개구수(NA)를 가지며, 351.2nm의 중심 동작 파장(λ)에 대해 최적화되어 있다. 이 경우, 색수차 보정, 특히 CHL의 색수차 보정이 오목 반사경(CM)의 이전 방향에 배치되고 큰 주변 광선 높이 영역에 배치된 음의 그룹(NG)의 음의 메니스커스 렌즈들(N1, N2)에 의해서만 실제 얻어질 수 있으므로, 모든 렌즈들은 합성 용융 실리카로 구성된다. 그러므로 XeF 광원의 200pm의 대역에서도 색수차로부터 본질적으로 자유로운 결상이 가능하다.

도 5에 도시된 카타디옵트릭 투사 대물렌즈(500)는 소위 인-라인(in-line) 시스템의 예로서, 이 투사 대물렌즈에서는 모든 광학 부품들이 공통적으로 (접혀지지 않은) 곧고 연속적인 광축(OA)을 갖는다. 그 규격이 표 5 및 5A에 제시되어 있다. 제1카타디옵트릭 대물렌즈 부분(OP1)은 약간 확대하는 이미지 배율로 축상에 있지 않은 물체 필드(OF)를 단일의 중간 실 이미지(IMI)로 결상하고, 이 중간 실 이미지(IMI)는 이후의 제2의 순수 굴절 대물렌즈 부분(OP2)에 의해 큰 축소배율로 이미지 평면(IS)에 결상된다. 제1대물렌즈 부분(OP1)은 물체 평면을 향하는 오목 비구면 거울면을 가진 제1오목 반사경(CM1)을 갖는다. 또한, 제1대물렌즈 부분(OP1)은 기하학적으로 제1오목 반사경과 물체 표면과 이미지 평면(IS)을 향하는 비구면 거울면 사이에 배치된 제2오목 반사경(CM2)을 갖는다. 제1오목 반사경(CM1)은 제1대물렌즈 부분의 퓨필면(P1)의 영역에 위치하는데, 그곳에서 결상계의 주 광선(CR)이 광축(OA)과 교차한다. 따라서 제1오목 반사경은 소위 "퓨필 반사경(pupil mirror)"이라고 불린다. 퓨필 반사경의 조사면은 광축을 포함한다. 이와 대조되게, 반사용으로 이용되는 제2오목 반사경(CM2)의 영역은 기하학적으로 퓨필로부터 떨어진 영역에서 광축(OA) 밖에 놓여진다. 다시 말하면, 이 반사경은 축에서 벗어난 상태로만 조명된다. 제1오목 반사경(CM1)의 바로 앞에는 양면 오목(biconcave) 음 의 렌즈(NL)가 위치한다. 양면 오목 음의 렌즈는 조사광이 두 번 통과하며, 퓨필 가까이 있는 음의 그룹으로서, 색수차 보정의 주요 부분을 기여한다.

예를 들어 여기에서 설명한 실시예들의 몇 가지 중요한 특성들이 표 6에 요약되어 나타내어져 있다. 다음과 같은 것들이 각 실시예마다 제시되어 있다: 이미지측 개구수(NA), 설계의 기초가 된 동작 파장(λ), 동작 파장의 파면(wavefront) 오차의 근제곱평균(RMS) 오차, 보정된 대역(△λ), 사용된 전 대역에 대한 평균 파면 오차(RMSpoly), 종방향 색수차(CHL), 가우시안 수차(GF), 오목 반사경의 직경(DS), 최대 렌즈의 직경(DL) 및 "트랙 길이"(TL) 즉 물체 평면과 이미지 평면 사이의 축 방향 길이.

CHL값과 GF값이 매우 낮다는 점으로부터 광대역에 적용가능한 투사 대물렌즈가 뛰어난 색수차 보정을 보여준다는 것을 알 수 있다. 오목 반사경들과 최대 렌즈들의 직경값은, 카타디옵트릭 투사 대물렌즈를 사용함으로써 적당한 렌즈 직경으로 비교적 소형의 시스템을 구성하는 것이 가능하며 그 결과 렌즈 물질도 경제적으로 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 색수차 보정을 위해 제한된 정도로만 구할 수 있는 특수 글라스재를 사용하지 않고도 이러한 실용적인 이점들을 얻는 것이 가능하다. 모든 실시예들은 고품질의 큰 배율에서 얻을 수 있는 합성 용융 실리카로 만들어진 렌즈들로만 구성된다.

[표 2]

[표 2a]

[표 2']

[표 2'a]

[표 2b]

[표 3]

[표 3a]

[표 4]

[표 4a]

[표 5]

[표 5a]

[표 6]

본 발명에 따르면, 뛰어난 색수차 보정을 가지면서도 광대역에 적용가능한 투사 대물렌즈를 구현할 수 있으며, 카타디옵트릭 투사 대물렌즈를 사용함으로써 적당한 렌즈 직경으로 비교적 소형의 시스템을 구성하는 것이 가능하며 그 결과 렌 즈 물질도 경제적으로 사용될 수 있다.

Claims

투사 대물렌즈의 이미지면(image surface)의 영역에 배열된 감방사선성(radiation-sensitive) 기판을 투사 대물렌즈의 물체면(object surface)의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 이미지로 노광하기 위한 투사 노광 장치로서,

중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광을 방출하는 광원;

광원으로부터의 광을 받아 마스크의 패턴 상으로 향해지는 조명 방사(illumination radiation)를 형상화(shaping)하기 위한 조명 시스템; 및

이미지측 개구수 NA>0.6을 가지며, 중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 투사 광을 이용하여 감광 기판 상에 마스크의 구조를 축소 결상하는 투사 대물렌즈;를 구비하며,

투사 대물렌즈는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈이고, 투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경과, 퓨필면 근방의 영역에서 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된 적어도 한 개의 음의 렌즈를 갖는 음의 그룹을 포함하며, 결상의 주변 광선 높이(MRH; marginal ray height)가 주 광선 높이(CRH; chief ray height)보다 큰,

투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

주변 광선 높이는 음의 그룹의 영역에서 주 광선 높이의 적어도 두 배, 적어도 5 배 및 적어도 10 배 중 적어도 어느 하나인 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

오목 반사경과 음의 그룹의 적어도 한 개의 음의 렌즈 사이에는 어떠한 광학 요소도 위치하지 않는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

음의 그룹은 오목 반사경과 동축으로 배열되는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

음의 그룹은 오목 반사경과 직접 인접하여 배열되어, 방사가 통과하는 방향 반대방향으로, 투사 방사가 음의 그룹을 두 번 통과하도록 하는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

음의 그룹은 한 개의 음의 렌즈로 이루어진 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

음의 그룹은 적어도 두 개의 음의 렌즈들을 구비하는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

음의 그룹은 적어도 한 개의 발산 메니스커스 렌즈(meniscus lens)를 포함하는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

음의 그룹은 적어도 한 개의 회절 광학 요소를 포함하는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

음의 그룹의 적어도 한 개의 광학 요소의 직경 및 굴절력은, 음의 그룹의 색채 보정에 대한 과보정(overcorrecting) 기여의 합이 투사 대물렌즈의 나머지 광학 요소들의 부족보정(undercorrecting) 기여의 합의 적어도 60%인 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90% 또는 모든 렌즈들은 동일한 물질 또는 분산 특성 차이가 10%보다 작은 실질적으로 동일한 분산 특성을 갖는 복수개의 물질로 제조되는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90%는 동일한 물질로 제조되는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

모든 투명한 광학 소자들은 동일한 물질로 이루어지는 투사 노광 장치.
제13항에 있어서,

동일한 물질은 합성 용융 실리카(synthetic fused silica)인 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

광원은 중심 동작 파장 λ>320nm 주위의 대역폭 Δλ>100pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광을 방출하도록 디자인되는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

광원은 수은 진공 램프를 포함하는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

광원은 XeF 레이저인 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

광원은 적어도 한 개의 발광 다이오드(LED; light-emitting diode)를 포함하는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

광원은 중심 동작 파장 λ>320nm 주위의 대역폭 Δλ>100pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광을 방출하도록 디자인되며, 투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90% 또는 모든 렌즈들은 동일한 물질 또는 분산 특성 차이가 10%보다 작은 실질적으로 동일한 분산 특성을 갖는 복수개의 물질로 제조되는 투사 노광 장치.
제19항에 있어서,

투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90%는 동일한 물질로 제조되는 투사 노광 장치.
제19항에 있어서,

모든 투명한 광학 소자들은 동일한 물질로 이루어지는 투사 노광 장치.
제21항에 있어서,

동일한 물질은 합성 용융 실리카인 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

투사 대물렌즈는 적어도 한 개의 중간 이미지가 물체면과 이미지면 사이에 형성되도록 구성되는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

투사 대물렌즈는 정확히 두 개의 중간 이미지들이 물체면과 이미지면 사이에 형성되도록 구성되는 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

투사 대물렌즈는,

물체면에 배열된 패턴을 제1중간 이미지로 결상하도록 구성된 제1결상 대물렌즈 부분;

제1중간 이미지를 제2중간 이미지로 결상하도록 구성된 제2대물렌즈 부분; 및

제2중간 이미지를 이미지면에 결상하도록 구성된 제3대물렌즈 부분;을 구비하는 투사 노광 장치.
제25항에 있어서,

제1대물렌즈 부분은 굴절 대물렌즈 부분이고, 제2대물렌즈 부분은 적어도 한 개의 오목 반사경을 포함하는 카톱트릭 또는 카타디옵트릭 대물렌즈 부분이며, 제3대물렌즈 부분은 굴절 대물렌즈 부분인 투사 노광 장치.
제1항에 있어서,

투사 대물렌즈는 λ>320nm 파장을 포함하는 디자인 파장 대역에서의 일 파장에서 적어도 한 개의 초점을 갖는 투사 노광 장치.
제27항에 있어서,

투사 대물렌즈는 수은 g-라인, a-라인 및 i-라인을 포함하는 디자인 파장 대역에서의 일 파장에서 적어도 한 개의 초점을 갖는 투사 노광 장치.
투사 대물렌즈의 이미지면의 영역에 배열된 감방사선성 기판을 투사 대물렌즈의 물체면의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 이미지로 노광하기 위한 투사 노광 방법으로서,

투사 대물렌즈의 물체면의 영역에 마스크를 배치하는 단계;

λ>200nm 파장의 중심 동작 파장 부근의 대역폭 Δλ>10pm을 갖는 파장 대역으로부터의 조명광으로 마스크를 조명하는 단계;

투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경과, 퓨필면 근방의 영역에서 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된 적어도 한 개의 음의 렌즈를 갖는 음의 그룹을 구비하는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈를 이용하여, 이미지측 개구수 NA>0.6을 가지며, 중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 투사 광을 이용하여 마스크의 패턴을 축소 결상하는 단 계;를 포함하며,

결상의 주변 광선 높이(MRH; marginal ray height)가 주 광선 높이(CRH; chief ray height)보다 큰,

방법.
제29항에 있어서,

마스크는 중심 동작 파장 λ>320nm 주위의 대역폭 Δλ>100pm를 갖는 파장 대역으로부터의 조명 광으로 조명되는 방법.
투사 대물렌즈로서,

이미지측 개구수 NA>0.6을 가지며, 중심 동작 파장 λ>200nm 주위의 대역폭 Δλ>10pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광으로, 투사 대물렌즈의 물체면의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 축소된 이미지로 투사 대물렌즈의 이미지면의 영역에 배열된 감광 기판을 노광하도록 구성된 복수개의 광학 요소들을 구비하며,

투사 대물렌즈는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈이고, 투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경과, 퓨필면 근방의 영역에서 오목 반사경에 직접 인접하여 배열된 적어도 한 개의 음의 렌즈를 갖는 음의 그룹을 포함하며, 결상의 주변 광선 높이(MRH; marginal ray height)가 주 광선 높이(CRH; chief ray height)보다 큰,

투사 대물렌즈
제31항에 있어서,

주변 광선 높이는 음의 그룹의 영역에서 주 광선 높이의 적어도 두 배, 적어도 5 배 및 적어도 10 배 중 적어도 어느 하나인 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

오목 반사경과 음의 그룹의 적어도 한 개의 음의 렌즈 사이에는 어떠한 광학 요소도 위치하지 않는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

음의 그룹은 오목 반사경과 동축으로 배열되는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

음의 그룹은 오목 반사경과 직접 인접하여 배열되어, 방사가 통과하는 방향 반대방향으로, 투사 방사가 음의 그룹을 두 번 통과하도록 하는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

음의 그룹은 한 개의 음의 렌즈로 이루어진 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

음의 그룹은 적어도 두 개의 음의 렌즈들을 구비하는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

음의 그룹은 적어도 한 개의 발산 메니스커스 렌즈(meniscus lens)를 포함하는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

음의 그룹은 적어도 한 개의 회절 광학 요소를 포함하는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

음의 그룹의 적어도 한 개의 광학 요소의 직경 및 굴절력은, 음의 그룹의 색채 보정에 대한 과보정(overcorrecting) 기여의 합이 투사 대물렌즈의 나머지 광학 요소들의 부족보정(undercorrecting) 기여의 합의 적어도 60%인 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90% 또는 모든 렌즈들은 동일한 물질 또는 분산 특성 차이가 10%보다 작은 실질적으로 동일한 분산 특성을 갖는 복수개의 물질로 제조되는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90%는 동일한 물질로 제조되는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

모든 투명한 광학 소자들은 동일한 물질로 이루어지는 투사 대물렌즈.
제43항에 있어서,

동일한 물질은 합성 용융 실리카(synthetic fused silica)인 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

투사 대물렌즈는, 광원은 중심 동작 파장 λ>320nm 주위의 대역폭 Δλ>100pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광에 대해 적어도 한 개의 초점을 갖도록 구성되는, 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

투사 대물렌즈는 적어도 한 개의 중간 이미지가 물체면과 이미지면 사이에 형성되도록 구성되는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

투사 대물렌즈는 정확히 두 개의 중간 이미지들이 물체면과 이미지면 사이에 형성되도록 구성되는 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

투사 대물렌즈는,

물체면에 배열된 패턴을 제1중간 이미지로 결상하도록 구성된 제1결상 대물렌즈 부분;

제1중간 이미지를 제2중간 이미지로 결상하도록 구성된 제2대물렌즈 부분; 및

제2중간 이미지를 이미지면에 결상하도록 구성된 제3대물렌즈 부분;을 구비하는 투사 대물렌즈.
제48항에 있어서,

제1대물렌즈 부분은 굴절 대물렌즈 부분이고, 제2대물렌즈 부분은 적어도 한 개의 오목 반사경을 포함하는 카톱트릭 또는 카타디옵트릭 대물렌즈 부분이며, 제3대물렌즈 부분은 굴절 대물렌즈 부분인 투사 대물렌즈.
제31항에 있어서,

투사 대물렌즈는 수은 g-라인, h-라인 및 i-라인을 포함하는 디자인 파장 대역에서의 일 파장에서 적어도 한 개의 초점을 갖는 투사 대물렌즈.
투사 대물렌즈의 이미지면의 영역에 배열된 감방사선성 기판을 투사 대물렌즈의 물체면의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 이미지로 노광하기 위한 투사 노광 장치로서,

중심 동작 파장 λ>320nm 주위의 대역폭 Δλ>100pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광을 방출하는 광원;

광원으로부터의 광을 받아 마스크의 패턴 상으로 향해지는 조명 방사(illumination radiation)를 형상화(shaping)하기 위한 조명 시스템; 및

이미지측 개구수 NA>0.6을 가지며, 중심 동작 파장 λ>320nm 주위의 대역폭 Δλ>100pm를 갖는 파장 대역으로부터의 투사 광을 이용하여 감광 기판 상에 마스크의 구조를 축소 결상하는 투사 대물렌즈;를 구비하며,

투사 대물렌즈는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈이고, 투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경을 구비하며,

투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90% 또는 모든 렌즈들은 동일한 물질 또는 분산 특성 차이가 10%보다 작은 실질적으로 동일한 분산 특성을 갖는 복수개의 물질로 제조되는,

투사 노광 장치.
투사 대물렌즈로서,

이미지측 개구수 NA>0.6을 가지며, 중심 동작 파장 λ>320nm 주위의 대역폭 Δλ>100pm를 갖는 파장 대역으로부터의 자외선 광으로, 투사 대물렌즈의 물체면의 영역에 배열된 마스크의 패턴의 적어도 한 개의 축소된 이미지로 투사 대물렌즈의 이미지면의 영역에 배열된 감광 기판을 노광하도록 구성된 복수개의 광학 요소들을 구비하며,

투사 대물렌즈는 카타디옵트릭 투사 대물렌즈이고, 투사 대물렌즈의 퓨필면 영역에 배열된 적어도 한 개의 오목 반사경을 구비하며,

투사 대물렌즈의 모든 렌즈들의 적어도 90% 또는 모든 렌즈들은 동일한 물질 또는 분산 특성 차이가 10%보다 작은 실질적으로 동일한 분산 특성을 갖는 복수개의 물질로 제조되는,

투사 대물렌즈.