KR101115111B1 - 마이크로 리소그래프 투영 노광 장치 투영 대물 렌즈 - Google Patents

Abstract

마이크로 리소그래피 투영 노광장치(110)의 투영 대물 렌즈가 담금 작업을 위해 만들어지며, 상기 담금 액(134)은 광 감지 층(126)에 인접하여 있다. 상기 잠금 액의 굴절 율은 상기 투영 대물 렌즈(120, 120'; 120") 대물 측에서 담금 액에 인접하여 있는 매체(L5; 142; L205; LL7; LL8; LL9)의 굴절 율 보다 크다. 상기 투영 대물 렌즈는 상기 담금 액(134)이 담금 작업 중 대물 평면(122)을 향해 볼록하게 곡선 모양을 한다.

Description

마이크로 리소그래프 투영 노광 장치 투영 대물 렌즈{PROJECTION OBJECTIVE FOR AMICROLITHOGRAPHIC PROJECTION EXPOSURE APPARATUS}

본 발명은 대규모 집적 회로 및 다른 마이크로 구조 컴포넌트를 생산하기 위해 사용되는 마이크로 리소그래프 투영 노광 장치와 관련된 것이다. 특히, 본 발명은 담금 작업(immersion operation)을 위해 만들어진 장치의 투영 대물 렌즈와 관련된 것이다.

집적 회로 및 다른 마이크로 구조 컴포넌트가 가령 실리콘 웨이퍼와 같은 적절한 기판에 다수의 구조 층을 적용함으로써 대개 발생된다. 상기 층들을 구조시키기 위해, 이들은 일정 파장 범위 광선에 민감한 광 경화성 수지로 먼저 커버된다. 이와 같이 하여 코팅된 웨이퍼는 다음에 투영 노광 장치에 노출된다. 이와 같은 작업에서, 한 마스크 내에 담긴 패턴 구조가 투영 대물렌즈의 도움으로 광 경화성 수지에 영상이 맺힌다. 영상이 맺히는 스케일은 1 보다 작기 때문에, 그와 같은 투영 대물 렌즈는 축소 대물 렌즈로 인용된다.

광 경화성 수지(포토레지스트)의 현상이 있은 후, 상기 웨이퍼가 에칭 또는 증착 처리를 받게 되며, 그 결과 최 상측 층이 상기 마스크의 패턴에 따라 그 구조가 정해진다. 상기 아직 남아 있는 광 경화성 수지는 상기 층의 남은 부분으로부터 제거된다. 이 같은 처리는 모든 층들이 상기 웨이퍼로 적용될 때 까지 반복된다.

투영 노광 장치 디자인에서 가장 눈에 띄는 한 가지 목적은 웨이퍼에서 점점 작아지는 크기를 갖는 리소그래피 구조를 만들 수 있도록 하는 것이다. 이와 같은 작은 구조는 결국 높은 집적 밀도를 만들게 되며, 이는 점차 그와 같은 장비의 도움으로 생산된 마이크로 구조 컴포넌트의 성능에 바람직한 영향을 미친다.

리소그래피적으로 만들어질 최소 크기의 구조를 결정하기 위한 가장 중요한 한 파라미터는 투영 대물 렌즈 해상도이다.

상기 투영 대물 렌즈의 해상도가 투영 광선의 파장이 작아짐에 따라 감소하기 때문에, 더욱 더 작은 해상도를 달성하기 위한 한 방법은 더욱 짧은 파장을 갖는 투영 광선을 사용하는 것이다.

현재 사용되는 가장 짧은 파장은 짧은 자외선(DUV) 스펙트럼 범위이며, 193 nm 그리고 157nm이다.

해상도를 줄이기 위한 또 다른 방법은 상기 투영 대물 렌즈 영상 측 최종 렌즈 요소와 광 경화성 수지 또는 노광 되어질 다른 감광 층 사이에 있는 공간(갭)내로 높은 굴절율을 갖는 담금 액을 삽입하는 것이다.

담금 작업을 위해 만들어진 그리고 따라서 담금 대물 렌즈라 인용되기도 하는 투영 대물 렌즈는 가령 1.3 또는 1.4와 같이 1 이상의 개구 수에 도달할 수 있다. 상기 "담금액"이란 용어는 "고형의 담금"으로 인용되기도 한다. 고형의 담금 경우, 상기 담금 액은 고형의 매체이지만, 상기 광 경화성 수지와 직접 접촉하지 않으며, 사용된 파장의 일부인 일정 거리만큼 떨어져 있다. 이와 같이 함으로써 상 기 기하학적 광학 법칙이 적용되지 않도록 하며, 어떠한 전체 반사도 발생되지 않도록 한다.

그러나 담금 작업은 매우 높은 개구 수를 달성할 수 있도록 하여 결과적으로 해상도를 더욱 높일 수 있을 뿐 아니라, 초점 깊이에 바람직한 영향을 갖기도 하는 것이다. 상기 초점 깊이가 크면 클수록, 상기 투영 대물 렌즈의 영상 평면에서 웨이퍼의 정확한 위치 정함에 부과 되는 요구는 낮아지게 된다. 이와 같은 점 외에도, 상기 개구 수가 증가되지 않는다면 상기 담금 작업은 일정 디자인 제한을 상당히 완화시키며 변형에 대한 교정을 단순하게 하는 것으로 밝혀졌다.

한편 담금 액은 굴절률이 이온화 되지 않는 탈 이온수(n_H20 = 1.43)보다 훨씬 높으며, 그럼에도 매우 투명하고 파장 193 mm의 투영 광선을 통과시키지 않도록 개발되어 왔다. 그와 같이 높은 굴절률을 갖는 담금 액을 사용하는 때, 담금 액의 굴절 율은 상기 영상 측에서 마지막 광학 요소가 만들어지는 재료의 굴절률 보다 높도록 된다. 상기 영상 측 에서 평면 표면을 갖는 마지막 광학 요소의 종래 투영 대물 렌즈에서는, 상기 최대 개구 수가 상기 마지막 광학 요소의 굴절률에 의해 제한된다. 가령 그와 같은 광학 요소가 수정 유리로 만들어진다면, 수정 유리 굴절률(n_SiO2=1.56)이상으로 개구 수가 증가하는 것은 상기 담금 액 굴절률이 높아진다 해도 가능하지가 않다.

JP 2000-058436 A는 투영 대물 렌즈를 갖는 투영 노광 장치를 공개하며, 이는 드라이 및 담금 작업에서 모두 사용될 수 있다. 담금 작업으로 스위칭 되는 때 상기 영상 측에서 오목한 표면을 갖는 추가의 렌즈 요소가 상기 투영 대물 렌즈의 마지막 광학 요소와 웨이퍼 사이 갭내로 삽입된다. 상기 추가의 렌즈 요소와 웨이퍼 사이 인터페이스는 오일과 같은 담금 액으로 채워질 수 있다. 상기 공개 기술은 상기 담금 액 그리고 추가의 렌즈 요소 굴절률에 대하여는 기술을 공개하지 않는다.

따라서 본 발명의 목적은 담금 투영 대물 렌즈를 제공하는 것으로서, 상기 영상 측 마지막 광학 요소 굴절률이 상기 담금 액의 굴절률 보다 작은 것이고, 상기 마지막 광학 요소의 굴절률에 의해 제한 되지 않는 개구 수를 갖는 담금 투영 대물 렌즈를 제공하는 것이다.

이 같은 목적은 담금 작업 중에 상기 담금 액이 볼록하게 상기 대상 평면을 향하여 굴곡이 지도록 함으로써 달성된다.

상기 대상 평면을 향한 담금 액의 볼록한 굴곡의 결과로서, 인접한 매체, 가령 상기 영상 측 마지막 광학 요소와 상기 담금 액 사이 인터페이스에 투영 광선이 충돌하는 입사 각이 줄어든다.

따라서 편평한 인터페이스에 의해 완전 반사될 광선이 상기 영상에 기여할 수 있게 되며, 이는 상기 영상 측 마지막 광학 요소 굴절률 이상일 수 있는 더욱 높은 개구 수를 허용한다. 이와 같이 하여 상기 개구 수는 상기 담금 액의 굴절률에 의해서만 제한되며, 상기 대상물 측 담금 액에 인접한 매체의 굴절률에 의해서는 제한되지 않는다.

상기 대상물 평면을 향해 볼록하게 굴곡진 담금 액을 달성하는 가장 간단한 방법은 상기 담금 액이 상기 투영 대물 렌즈 마지막 광학 요소의 오목하게 굴곡된 영상 측 표면에 직접 인접할 수 있도록 하는 것이다. 다음 상기 담금 액의 곡률은 그와 같은 표면의 곡률에 의해 고정하여 진다.

상기 마지막 광학 요소의 오목하게 굴곡진 영상 측 표면에 의해 형성된 공동(cavity)으로부터 담금 액의 바람직하지 않은 드레인을 막기 위해, 그와 같은 표면이 드레인 배리어(drainage barrier)에 의해 원 둘레에 둘러싸일 수 있다. 가령 이는 상기 마지막 광학 요소 및/또는 투영 대물 렌즈의 하우징에 결합된 링(ring)이 될 수 있다. 이 같은 링은 가령 수정 유리 또는 칼슘 플루오라이드(CaF₂)와 같은 스탠다드 렌즈 재료로 구성될 수 있거나, 또한 세라믹 또는 경화 강철로 만들어 질 수 있기도 하며, 상기 링에 의해 담금 액의 오염을 막는 코팅이 그 내측에 제공되는 것이 바람직하다. 이와 같은 링은 상기 담금 액의 굴절률이 상기 대상물 측 담금 액에 인접한 매체의 굴절률과 같거나 동일하면 바람직하다.

상기 마지막 광학 요소의 영상 측 표면은 구형일 수 있다. 그 곡률 반경은 그와 같은 표면과 영상 평면 사이 축 방향 거리(즉 정상 거리) 0.9배와 1.5 배 사이에서 선택되며, 1.3 배인 것이 바람직하다. 이 같은 구성은 상기 담금 액의 굴절률이 상기 대상물 측 담금 액에 인접한 매체의 굴절률과 같거나 그보다 작은 때에 바람직하며, 상기 담금 액의 대상물 측 인터페이스에서 큰 입사 각이 피하여 지는 장점을 갖는다. 상기와 같은 큰 각은 디자인 및 제조 결함에 대하여 상기 인터페이스가 매우 민감해지는 결과를 가져온다. 따라서 입사 각은 가능한 한 크지 않아야 한다. 이는 상기 담금 액의 대상물 측 인터페이스에 대하여 매우 큰 곡률(즉, 곡률 반경은 작은)을 요구한다.

상기 대상 평면을 향한 볼록하게 굴곡된 담금 액의 인터페이스를 얻기 위한 또 다른 방법은 상기 마지막 광학 요소와 상기 담금 액 사이에 중간 액을 삽입하는 것이다. 이와 같은 중간 액은 상기 담금 액과 혼화되지 않으며 담금 작업 중 전장에서 굴곡된 인터페이스를 형성시킨다. 그와 같은 구성은 상기 담금 액의 굴절률이 상기 대상물 측 담금 액에 인접한 매체 굴절률과 같거나 그 보다 작은 것이 바람직하다.

상기와 같은 접근 방법은 "전기 습윤"으로 알려진 효과를 사용한다. 상기 전장의 크기가 변경되면, 이는 상기 인터페이스의 곡률 변경을 만들게 된다. 그러나 이 같은 영향은 이제까지 Varioptic, France 에 의해 생산된 컴포넌트에서 CCD 또는 CMOS 센서를 위한 오토 포커스 렌즈용으로만 사용되어 왔다.

상기 두 액체의 전기 전도도가 서로 다르면 다를수록, 상기 인터페이스의 곡률은 더욱 크게 된다. 두 액체 중 한 액체, 가령 중간 액이 전기적으로 전도 성이 있으며 다른 액체, 가령 상기 담금 액이 전기 절연성이 있으면 큰 차이가 달성될 수 있다.

상기 중간 액체가 상기 담금 액과 같은 밀도를 갖는 다면 어떤 부력도 발생되지 않을 것이므로 장점이 되며, 결과 적으로 상기 인터페이스의 형상은 상기 장치의 공간 내 위치와는 무관하게 된다.

상기 중간 액체의 굴절률은 상기 담금 액의 굴절률보다 작아야 하며, 상기 영상 측 상기 마지막 광학 요소 굴절률보다 작거나 클 수 있다.

바람직하게는, 굴곡 인터페이스를 형성시키기 위해 필요한 전장은 전극에 의해 발생된다. 상기 인터페이스의 대칭 형성은 가령 상기 마지막 광학 요소와 상기 영상 평면 사이에 배치된 환상의 원뿔 전극을 사용하여 달성될 수 있다. 상기 인터페이스의 곡률은 상기 전극에 가해지는 전압을 변경시킴으로써 연속적으로 변경될 수 있다. 이는 상기 투영 대물 렌즈의 일정한 영상 특성을 교정하기 위해 사용될 수 있다.

상기에서는 상기 담금 액과 상기 대상물 측에 인접한 매체 사이에 굴곡된 인터페이스를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 이는 영상 변형의 교정을 단순하게 하기 때문이다. 그러나, 큰 곡률은 상기 마지막 광학 요소 내에 공동을 형성시키기 때문에 그와 같은 인터페이스의 곡률이 작은 것이 바람직하다. 상기 공동은 만약에 형성된다면 여러 가지 단점을 갖는다. 가령, 온도 안정성의 이유로 인해 그리고 액체를 정화시키기 위해 담금 액의 흐름이 유지된다면 상기 공동 내에 바람직하지 않은 와류의 발생을 일으킬 수 있다. 또한 높은 굴절 담금 액이 렌즈 재료보다 다소 높은 흡수를 갖는다.

그와 같은 이유로, 상기 담금 액 내 최대 기하학적 경로 길이가 작게 유지 되어야 한다. 마지막으로, 작은 곡률은 정화 목적을 위해 상기 마지막 광학 요소의 영상 측 표면으로의 접근을 단순하게 한다.

따라서 상기 담금 액이 볼록하게 굴곡된 인터페이스를 형성하며, 한 매체가 상기 대상물 평면을 향해 상기 담금 액에 인접하여 광선이 최대 입사 각으로 상기 인터페이스를 통과하도록 하고, 상기 입사 각의 sine 값이 0.98 과 0.5이며, 바람직하게는 0.95 와 0.85 사이고, 더욱 바람직하게는 0.94 와 0.87 사이 이다. 상기 가장 바람직한 sine 값은 입사 각 60 도와 70도에 해당한다. 여기서 상기 입사각은 상기 광선이 상기 표면에 충돌하는 포인트에서 수직인 표면과 상기 광선 사이 각을 나타낸다. 이들 구성은 상기 담금 액의 굴절률이 상기 대상물 측 담금 액에 인접한 매체 굴절률과 같거나 그 보다 작으면 바람직하다.

상기 본 발명에 따라 매우 높은 개구 수는 가령 1. 6이거나 그 이상일 수 있으며, 상기 투영 대물 렌즈의 신규한 디자인을 요구한다. 이와 관련하여, 반사 굴절에 의해 생기는 투영 대물 렌즈는, 상기 미러 내에 적어도 두 개의 중간 영상이 있는 것이 바람직한 적어도 두 개의 영상 미러들을 포함한다. 이와 같은 구성은 상기 담금 액의 굴절률이 상기 대상물 측 담금 액에 인접한 매체 굴절률과 같거나 그 보다 작은 때 바람직하다.

하기에서는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본원 발명에 따른 투영 대물 렌즈를 갖는 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치를 통한 섹션을 도시한 도면.

도 2는 도 1에서 도시된 투영 대물 렌즈 영상-측 엔드 확대도.

도 3은 배수 배리어를 갖는 선택적 실시 예에 대한 도 2와 유사한 확대도.

도 4는 중간 액이 담금 액과 상기 영상 측 마지막 광학 요소 사이에 삽입된 또 다른 예시적 실시 예에 따라 투영 대물 렌즈의 영상-측 엔드를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 투영 대물 렌즈의 영상-측 엔드에서의 기하학 상태에 대한 세부사항을 도시한 도면.

도 6은 본 발명 실시 예에 따른 반사 굴절에 의한 투영 대물 렌즈를 통한 섹션을 도시한 도면.

도 7은 본원 발명의 또 다른 실시 예에 따른 투영 대물 렌즈 섹션을 도시한 도면.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 투영 대물 렌즈 섹션을 도시한 도면.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 투영 대물 렌즈를 통한 섹션을 도시한 도면.

도 1은 전체 장치를 (110)으로 표시한 섹션을 도시한 도면이다. 상기 투영 노광 장치(110)는 광원(114), (116)으로 표시된 조명 광학 부품 그리고 조래개(118)를 포함하는 투영 광선(113)을 발생시키기 위한 조명 시스템(112)을 포함한다. 도시된 예시적 실시 예에서, 상기 투영 광선(113)은 193nm의 파장을 갖는다.

상기 투영 노광 장치(110)는 또한 다수의 렌즈 요소를 포함하며, 그 중 몇 개만이 도 1에서 L1 to L5로서 예로서 표시된다. 상기 투영 대물 렌즈(120)는 한 감광 층(126)에서 상기 투영 대물 렌즈(120)의 대상 평면(122)에 배치된 마스크(124)의 영상이 맺도록 한다. 포토레지스트로 구성된 상기 감광층(126)은 상기 투영 대물 렌즈(120)의 영상 평면(128)에 배치되며, 기판(130)에 적용된다. 상기 감광층(126)은 그 자신이 다수의 층으로 구성되며 또한 그 자체로서는 공지 기술인 안티 반사 층들을 포함할 수 있다.

담금 액(134)이 상기 영상 측에서의 마지막 렌즈 요소(L5)와 상기 감광 층(126) 사이에 있는 갭(132)내로 삽입된다.

상기 사실은 도 2에서 더욱 명확하게 도시되며, 이는 투영 대물 렌즈(120)의 영상-측 엔드를 도시한다. 상기 영상 측 마지막 렌즈 요소(L5)는 한편 오목하게 들어간 표면(136)을 갖는다. 상기 영상 측에서의 마지막 렌즈와 편평한 감광 층(126) 사이의 갭(132)이 일종의 공동(cavity)을 형성한다.

상기 표면(136)은 R로서 도 2에 도시된 곡률 반경을 갖는 구 형상이다. 상기 곡률 반경(R) 은 상기 영상 측에서의 마지막 렌즈 요소(L5)와 감광 층(126)사이 축 방향 거리 약 1.3 배이다.

담금 액(134)은 상기 영상 측 마지막 렌즈 요소(L5)가 구성되는 재료 n₁ 의 굴절율 보다 큰 굴절율 n_L 을 갖는다. 가령, 수정 글레스 또는 칼슘 플로라이드가 재료로 사용된다면, 굴절율 n_L 이 1.56 또는 1.5인 액체가 선택되어야 한다. 이는 가령 인터넷 페이지 www. eetimes. com/semi/news/OEG20040128SO017 에서 설명된 바와 같이, 황산염, 칼슘과 같은 알칼리 금속, 또는 인산염을 물에 추가함으로써 달성될 수 있다.

이들 담금 액은 자외선 스펙트럼 범위 파장에서도 충분한 투명도와 안정도를 가진다. 상기 투영 노광 장치(110)가 가시 광선과 같이 보다 긴 파장을 갖도록 디자인 된다면, 가령 서양 삼나무 재목 오일, 카본 이황화물(carbon disulphide) 또는 모노브로-모나프탈렌(monobro- monaphthalene)이 담금 액으로 사용될 수 있기도 하다.

상기 담금 액이 대상 평면(122)과 관련하여, 상기 영상 측에서 상기 마지막 렌즈 요소(L5)로 볼록하게 굽은 인터페이스(139)를 형성시키기 때문에, 상대적으로 작은 비임 입사 각이 상기 인터페이스(139)에서 발생된다.

상기 설명이 최대 개구 수 각을 갖는 구멍 레이(113a, 113b)과 관련하여 도 2에서 도시된다. 상기 인터페이스에서의 반사 손실은 상대적으로 작다. 따라서 상기 투영 대물 렌즈(120)의 광학 축OA와 관련하여 큰 개구 수 각을 갖는 레이가 또한 상기 마스크(124)의 영상을 형성하는 데 기여하며, 상기 투영 대물 렌즈(120)로 상기 담금 액(134)의 굴절 인덱스 n_L 까지 이르는 개구 수(numerical apertures)를 달성시키게 된다. 반면, 공지 기술에 있어서와 같이, 상기 인터페이스(139)가 평면이라면, 상기 레이(rays)들은 상기 마지막 렌즈 요소(L5)와 상기 담금 액 사이 상기 인터페이스에서 완전히 반사된다.

도 3은 도 2 에 대한 다른 한 예시적 실시 예에 따른 투영 대물 렌즈(120)를 도시한 도면이다. 동일한 부분은 동일한 부호로 설명된다.

상기 투영 대물 렌즈(120)는 링(140)이 상기 투영 대물렌즈(120)의 상기 마지막 렌즈 요소(L5) 그리고 하우징(141)에 밀착되어 연결된다는 점에서 도 1 및 도 2에서 도시된 투영 대물 렌즈(120)와 다른 것이다. 상기 링(140)은 상기 담금 액(134)에 대한 드레인 배리어(barrier)로서 작용한다. 이와 같은 드레인 배리어는 상기 영상 측 마지막 렌즈 요소(L5) 표면이 강하게 굽혀 지면 특히 바람직하게 되는 데, 이는 상기 갭(132)이 상기 광학 축 OAF를 따라 큰 최대 연장 부를 갖기 때문이다. 따라서, 상기 담금 액(134)의 유체 정역학 압력 상대적으로 높다. 드레인 배리어가 없다면, 상기 압력은 결국 상기 담금 액(134)이 상기 공동으로부터 상기 투영 대물 렌즈(120)와 상기 감광 층(126)사이 에워싸는 갭(132) 사이로 강제되어 에워싸는 가스가 상기 공동 내로 들어가게 할 것이다.

상기 링(140)은 가령 수정 글래스 또는 칼슘 클로라이드와 같은 표준 렌즈로서 구성될 수 있으며, 인바 니켈 합금, 스텐레스 강철 또는 (유리) 세라믹과 같은 다른 재로로 구성될 수 있기도 하다.

도 4는 담금 액(134)의 곡률이 다른 방법으로 달성될 수 있는 또 다른 실시 예에 따라 투영 대물 광학 렌즈(120")의 영상 측 엔드(end)를 도시한 도면이다.

상기 투영 대물 렌즈(120")에서, 상기 담금 액(134)은 상기 영상 측에서 마지막 렌즈 요소(L5")에 인접해 있지 않다. 대신, 중간 액(142)으로서 언급이 되는 또 다른 액이 상기 영상 측 마지막 렌즈 요소(L5")와 담금 액(134) 사이에 위치한다. 도시된 실시 예에서 상기 중간 액(142)은 이온이 추가된 '물(water)'이다 상기 추가된 이온으로 인해, 물은 전기적으로 전도 성을 띄게 된다. 또한 그와 같은 경우 상기 마지막 렌즈 요소(L5") 보다 더욱 큰 굴절 율을 갖는 담금 액(134)이 전기적으로 절연된다. 가시 광선 범위의 상기 투영 광선의 파장의 경우, 상기에 언급된 오일 그리고 나프탈렌이 가령 담금 액(134)으로서 적절하다.

상기 중간 액(142)은 상기 영상 측에서 마지막 렌즈 요소(L5)의 영상-측 표면(136")과 상기 담금 액(134) 사이에 있는 공간을 완전하게 채운다. 상기 표면(136")은 도시된 실시 예에서 볼록하게 굽혀지지만, 평면 표면으로 실시 될 수 있기도 하다. 상기 예시적 실시 예에서처럼 링(140")에 인접하여, 드레인 배리어의 기능을 가지며, 조절 가능한 전압원(147)에 결합된 유사한 환상의 원추형 전극(146)이 제공된다. 상기 감광 층(126)과 함께 상기 영상 평면과 관련하여 상기 담금 액(134)의 연속적인 절연을 보장하게 하는 한 절연 층(148)이 원추형의 전극(146)에 적용된다. 상기 전원(147)은 주파수가 100 kHz 와 500 kHz 사이인 교류 전압을 발생시킨다. 상기 원추형 전극(146)에 가해진 전압은 약 40V이다.

상기 교류 전압이 상기 원추형 전극(146)으로 가해지는 때, 그 자체는 공지된 전기습윤(electrowettng) 현상이 발생되며, 상기 담금 액(134)과 상기 중간 액(142) 사이의 인터페이스(139)가 상기 대상 평면(122)을 향해 볼록하게 굽혀지게 된다. 이 같은 굴곡 원인은 모세관 현상의 작용력으로서, 전체 체적이 불변 그리고 최소 표면 형성의 성향과 함께 충분히 높은 교류 전압이 전극(146)에 가해지면 구형의 인터페이스(139)를 발생시킨다.

상기 교류 전압이 줄어들면, 상기 인터페이스(139)의 곡률이 감소한다. 도 4에서, 점선으로 도시된 인터페이스(139')에 의해 표시된다. 상기 담금 액(134)에 의해 형성된 액체 렌즈의 굴절률은 결과적으로 상기 원추형 전극(146)에 가해진 교류 전압을 변경시킴으로써 간단한 방법으로 연속적으로 변하게 될 수 있다. 설명의 완성 차원에서, 상기 인터페이스(139)의 곡률이 교류 전압을 꼭 필요로 하는 것은 아니며, 직류에 의해서도 달성될 수 있기도 하다.

상기 대상 평면(122)을 향하여 볼록하게 굽혀진 담금 액(134)의 인터페이스는 상기 마지막 렌즈 요소(L5")의 곡률에 의해서가 아니라 상기 담금 액(134)의 곡률에 의해서만 제한 되는 개구 수가 달성되는 효과를 갖는다.

상기 담금 액(134)에 의해 형성된 액체 렌즈의 굴절 파워의 연속적인 가변성은 상기 투영 대물 렌즈 내 다른 위치에서 사용될 수 있기도 하다. 이와 같은 액체 렌즈는 특히 높은 광선 세기에 노출된 투영 대물 렌즈 내측 위치에서 사용될 수 있다. 종래의 고형 렌즈 경우 발생하는 것과 같은 질 저하 현상은 상기와 같이 하여 억제될 수 있으며, 적어도 담금 액을 간단히 대체시킴에 의해 보수될 수 있다. 이 같은 사실은 상기 도 2 및 3에서 도시된 실시 예에서도 적용되는 것이다.

도 5는 본발명의 또 다른 실시 예에 따른 투영 대물 렌즈의 영상 측 엔드를 도시한 도면이다. 상기 마지막 렌즈 요소(L205)는 원구 형 표면(236)으로서 도 2 및 3에서 도시된 실시 예에서의 더욱 작은 오목한 곡률을 갖는, 즉 렌즈 요소(L5)보다 더욱 큰 반경(R )을 갖는 영상 평면을 향하게 된다.

다음의 기재에서는 상기 마지막 렌즈 요소(L205)와 상기 담금 액(134)사이의 인터페이스 에서 기하학적 상태가 상세히 설명될 것이다.

도면 부호(AR)는 최대 개구 수 각도를 갖는 상기 구멍 레이(AR)는 상기 광학 축(OA)에 대하여 높이(h)에서 영상 필드 주변 포인트에서 감광 층(126)에 충돌된다. 상기 구멍 레이(AR)는 상기 마지막 렌즈 요소(L205)와 상기 담금 액(134)사이 인터페이스에서 입사 각(α) 그리고 굴절 각을 갖는다. 상기 렌즈 요소(L205)의 마지막 표면(236) 정점과 감광 층(126)이 위치하는 영상 평면사이 거리는 s 로 표시된다.

투영 대물 렌즈는 기본적으로 두 크기, 즉 영상 측 개구 수 크기

그리고 크기 2h, 즉 한 영상이 형성되는 광학 축(OA) 둘레 원형의 직경에 의해 특징이 정해진다.

상기 영상 측 개구 수 NA로부터, 일정 기하학적 특성이 유도되며, 이는 상기 광선이 상기 마지막 렌즈 요소를 통과 할 수 있도록 하고, 그리고 담금 액이 상기 인터페이스에서 반사되지 않도록 한다.

그러나, 상기 마지막 렌즈에 적용된 디자인 요구사항은 오로지 상기 영상 측 개구 수로부터만 유도될 수 잇는 것보다는 다소 엄격하다. 가령, 상기 입사 광선 알파의 각은 가령 약 75, 바람직하게는 70인 일정 값을 초과 하지 않아야 한다. 이는 경험에 비추어 상기 보다 큰 입사 각(α)을 갖는 투영 대물 렌즈는 양호한 이상 교정 그리고 생산 허용오차 그리고 변경되는 환경 조건들에 대한 민감도 감소를 달성하기 위한 매우 복잡한 조치를 필요로 한다.

현재 드라이 작업을 위한 투영 대물 렌즈는 약 0.95까지의 영상-측 NA를 달성한다. 이는 상기 개구 수(NA)이 상기 영상 평면 바로 앞서있는 매체(대게 가스 또는 공기와 같은 가스의 혼합물)의 굴절 율의 95%를 초과 하지 않는다. 이와 같은 드라이 투영 대물 렌즈에서는 최대 입사각이 특히 상기 영상 평면에 근접한 마지막 표면에서 그리고 상기 렌즈 요소의 다른 표면에서 약 70이다. 이들 고려 사항들이 담금 대물 렌즈에서 적용되기 때문에, 상기 입사 각들은 이들 값들 이하로 유지되어야 한다. 기하학적인 사항들로부터 상기 표면(236)에서의 곡률이 심하면 심할수록 상기 입사 각은 더욱 작아 진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 심한 곡률은 상기 입사 각이 그와 같은 값들을 초과하지 않을 수 있도록 한다.

상기 렌즈 요소(L205)의 표면(236)은 한편 너무 심하게 굴곡되지 않아야 한다. 이는 표면이 너무 심하게 굴곡되면 흐름 역학과 관련하여 문제가 커지기 때문이다. 가령, 담금 액(134)의 균질하고 일정한 온도를 달성하는 것이 곤란하며, 상기 담금 액(134)은 심하게 볼록한 공동 내에서 가령 정화를 위해 상기 담금 액을 대체시키는 것이 매우 복잡한 작업이 되도록 폐쇄될 수 있다.

다음 조건이 최대 입사 각 알파(α)로 유지되면 바람직한 절충이 달성된다.

0.95 > sin(α) > 0.85

다음에서, 한 식이 유도되며, NA = n.sin(φ), 거리 s, 영상 높이 h 그리고 굴절율 n', 마지막 렌즈 요소(L205) 그리고 담금 액(134) 각각의 함수로 적절한 곡률(ρ)을 명시하여, 상기 입사 각 α의 사인(sine)값이 일정한 장점 및 사용 가능한 값을 초과하지 않도록 한다. 이 같은 값은 sin(α)≤κ 이며, 이 때 κ = 0.95 이다. 굴절 법칙을 사용하여, 다음의 식을 얻을 수 있다.

간단한 기하학적 고려를 통해, 상기 식으로부터 다음 식을 얻을 수 있다.

따라서 다음과 같다.

상기 식은 최소 표면 곡률의 조건이다. 반경 R = 1/ρ 의 경우, 다음과 같다.

개구수 NA = 1.5 그리고 n'= 1. 56인 마지막 렌즈 요소(L205)에 대한 재료로 SiO₂를 사용하는 경우, 이는 다음과 같다.

R ≤ m?s

여기서,

이다. S = 2 mm 인 때, 이는 최대 곡률 반경에 대하여 약 167 mm 인 반경 R 에 이르게 된다. m은 20과 120 사이, 바람직하게는 40과 100 사이, 더 바람직하게는 70과 90사이의 실수이다.

또한, 최 외곽 영상 포인트의 구멍 레이가 제한된 영상 필드의 경우 참작된 다면, 그 같은 목적을 위해 다음 식에 따라 s'에 의해 거리를 구성시키는 것으로 충분하다.

상기 식에서, 최대 필드 높이 h의 경우, 최소 곡률 ρ(로우)는 다음과 같다.

상기 언급된 파라미터를 갖는 한 투영 대물 렌즈에서, 즉 NA = 1.5 및 n'= 1. 56 인때, 그리고 최대 필드 높이 h가 15mm이라 한다면, 상기 최대 곡률 반경 R은 m = 83 배 이하이어야 한다(s-5.57 mm). s = 8 mm인 경우, 이는 결국 약 200 mm의 최대 곡률 반경을 발생시키며, s = 10 mm인 때 R 은 약 375 mm 이다.

만약, 가령 K 가 0.95인 것으로 선택된다면, 그리고 n = 1.43인 곡률을 갖는 담금 액이 사용된다면, 석영(SiO₂)으로 만들어지고 영상 평면으로의 거리 s = 2 mm 이며 최대 곡률 반경이 80 mm 이하인 마지막 렌즈 요소(L 205)가 개구 수 NA = 1.35이도록 된다. 상기 언급된 큰 곡률의 경우에 발생되는 바람직하지 않은 영향은 상기 최대 표면 반경이 상기 정해진 값 이하 일뿐 아니라, 상기 값들과 동일한 경우에도 최소로 될 수 있다.

최대 입사 각이 상기에서 설명된 바와 같은 일정한 상한 그리고 하한을 초과 하지 않게 되는 사실과는 별도로, 상기 영상 평면에서 상기 대물 평면을 향해 바라 본다면 광선들은 신속하게 수렴되어야 한다. 그렇지 않으면, 매우 큰 직경을 갖는 광학적 요소들이 요구될 것이다.

이와 같은 질적인 디자인 법칙이 다음과 같이 수학적으로 표현될 수 있다: k, l, m이 한 구멍 레이의 세 방향 코사인값이고, n 가 k² + 1² + m² = n² 인 매체에서 굴절 율이면, (k² + l²)/n² > k_o 인 대물 렌즈 (특히 상기 영상 평면 근접한 곳)에서 어떠한 공간도 있어서는 않 된다. 제한 K_o 는 K_o = 0. 인 것으로 선택되거나, K_o = 0.85 이상 이도록 선택된다.

도 6은 도 1 및 2에서 도시된 투영 대물 렌즈(120)의 첫 번째 예시적 실시 예 섹션을 도시한 도면이다. 상기 투영 대물 렌즈의 디자인 데이터가 테이블 1에 기재된다; 반경 및 두께는 밀리 미터로 명시된다. 상기 투영 대물 렌즈 위 수치들은 광학적 요소들의 선택된 표면을 가리키는 것이다. 짧은 바아(bar) 그룹으로 특징된 표면들은 비-구형으로 굴곡이 된다. 상기 표면의 곡률은 하기의 비-구형 공식으로 표시된다.

상기 식에서, z는 상기 광학적 축과 평행한 각 표면의 축이며, h는 상기 광학 축으로부터 방사상 거리이고, c = 1/R 는 각 표면 최고점에서의 곡률이며, R는 상기 곡률의 반경, k 는 원뿔 상수(conical constant) 그리고 A, B, C, D, E 및 F는 테이블 2에 기재된 비-구형 상수이다. 상기 실시 예에서, 상기 구형 상수 k는 제로이다.

상기 투영 대물 렌즈(120)는 두 개의 비 구형 미러 S1 및 S2를 포함하며, 이들 사이에서 두 개(광학적으로 관련이 없는)의 중간 영상이 발생된다. 상기 투영 대물 렌즈(120)는 193mm 의 파장 그리고 1.60의 담금 액 굴절율 n_L 을 갖도록 디자인된다.

상기 투영 대물 렌즈(120)의 선형 배율은 β = -0.25 이며, 상기 개구 수는 NA = 1.4 이다. 그러나 개구 수가 상기 담금 매체의 굴절 율에 도달하도록 하는 것이 가능하며, 결과적으로 1.6 보다 다소 작도록 하는 것이 가능하다.

도 7 내지 9에서 도시된 투영 대물 렌즈는 모두 영상 측 개구 수 NA = 1.40을 가지며 굴절 율 n_L = 1.60인 담금 액을 갖는다.

따라서 이 같은 굴절율은 C_aF₂ 으로 만들어진 마지막 렌즈 요소의 굴절 율 보다 항상 크다. 즉 n_L > n_CaF2 .

도 7에서 도시된 투영 대물 렌즈는 파장 λ=193nm 이도록 디자인되며, 비-무색(non-achromatized) 이도록 만들어지고, 상기 담금 액(134)을 위한 한 공동을 형성하는 심하게 오목하게 굴곡된 영상 측 표면을 갖는 마지막 렌즈 요소(LL7)를 갖는다. 상기 파면(등위상면)은 약 2/100λ 로 교정된다.

도 8에서 도시된 투영 대물 렌즈는 파장 λ=157nm 이도록 디자인되며, 무색 으로 만들어진다. 상기 마지막 렌즈 요소(LL8)의 영상 측 표면은 더욱 오목하게 굴곡이 지며; 이와 같은 점을 떠나서, 상기 곡률 반경은 상기 마지막 렌즈 요소(LL8)와 상기 영상 평면 사이 축 방향 거리와 거의 동일하다. 즉 굴곡 부분 중심은 상기 영상 평면 내에 놓인다. 결과적으로, 상기 담금 액(134)은 커다란 최대 두께를 갖는다. 비록 C_aF2 의 굴절 율이 약 람다(λ) = 157 nm 에서 n_CaF2=1.56 이지만, 상기 담금 액의 굴절 율은 더욱 큰 것(n_L = 1.60)으로 생각될 수 있다. 상기 파면은 약 4/100λ 인 것으로 교정된다.

도 9에서 도시된 상기 교정 대물 렌즈는 파장 λ=193 에 대하여 디자인되며, 비-무색으로 된다. 상기 마지막 렌즈 요소(LL 9)의 영상 측 표면은 작은 오목한 굴곡을 가져서, 상기 담금 액(934)가 거의 평편한 층을 형성하도록 한다. 상기 곡률 반경은 상기 마지막 렌즈 요소(LL9)와 상기 영상 평면 사이 축 방향 거리보다 크다. 즉 상기 굴곡 중심과 상기 영상평면 사이에는 상당한 거리가 있다. 상기 마지막 렌즈 요소(LL9)와 상기 담금 액(934)사이 인터페이스에서 입사 광선의 최대 각은 약 67도(즉, sinα=0.92). 상기 파면은 약 5/100λ 로 교정된다.

도 7 및 9에서 도시된 유사 실시 예에서 파면 에러들을 비교하는 때, 상기 마지막 렌즈 요소(LL7)의 영상-측 표면 보다 큰 곡률을 갖는 도 7의 디자인은 훨씬 좋은 파면 교정 (2/100λ vs. 5/100λ)을 달성하도록 한다.

그러나, 도 9에서 도시된 투영 대물 렌즈는 도 7에서 도시된 투영 대물 렌즈에서처럼 잘 교정되지 않는다 해도, 상대적으로 큰 곡률 반경으로 인해 상기 언급 된 이유로 장점을 갖는 상기 마지막 렌즈 요소(LL9) 아래에 작은 공동이 있을 뿐이다.

본원 발명이 상기 설명된 반사 굴절에 의해 생기는 투영 대물 렌즈를 사용하는 것으로 제한 되는 것은 아니다. 본 발명은 또한 도시된 실시 예에서 보다 많거나 작은 수의 중간 영상을 갖는 투영 대물 렌즈에서 사용될 수 있기도 하며, 또한 중간 영상을 갖거나 중간 영상을 갖지 않는 광선 굴절 응용의 투영 대물 렌즈에서 사용될 수 있기도 하다. 또한, 상기 광학 축은 상기 영상 필드의 중심을 통해 연장될 수 있기도 하다. 또 다른 적절한 렌즈 디자인의 예가 US 2002/0196533Al, WO 01/050171 Al, WO 02/093209 A2 및 US 6496306 A에서 설명된다.

Claims (29)

1. 투영 대물 렌즈(120; 120')의 대상 평면(122)에 배치될 수 있는 마스크(124)를, 상기 투영 대물 렌즈의 영상 평면(128)에 배치될 수 있는 감광 층(126)에 이미징(imaging)하기 위한 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치(110)의 투영 대물 렌즈로서, 상기 투영 대물 렌즈(120; 120')는 담금 작업용으로 디자인되며, 담금 액(134)은, 담금 작업 동안에, 영상측의 상기 투영 대물 렌즈(120)의 최종 광학 요소인 광학 요소(L5)의 오목하게 굴곡진 영상측 표면(136) 및 상기 감광 층(126)에 직접적으로 인접하여 있고,

   상기 담금 액(134)의 굴절률은, 대상측의 상기 담금 액에 인접하는 상기 최종 광학 요소(L5)의 굴절률보다 크며,

   상기 최종 광학 요소의 상기 굴곡진 영상측 표면(136)은, 구(球)형이고, 상기 굴곡진 영상측 표면(136)과 상기 영상 평면(128) 사이의 축 방향 거리(s)의 0.9 배와 1.5배 사이에 있는 곡률 반경(R)을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
2. 투영 대물 렌즈(120; 120')의 대상 평면(122)에 배치될 수 있는 마스크(124)를, 상기 투영 대물 렌즈의 영상 평면(128)에 배치될 수 있는 감광 층(126)에 이미징(imaging)하기 위한 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치(110)의 투영 대물 렌즈로서, 상기 투영 대물 렌즈(120; 120')는 담금 작업용으로 디자인되며, 담금 액(134)은, 담금 작업 동안에, 영상측의 상기 투영 대물 렌즈(120)의 최종 광학 요소인 광학 요소(L5)의 오목하게 굴곡진 영상측 표면(136) 및 상기 감광 층(126)에 직접적으로 인접하여 있고,

   상기 담금 액(134)의 굴절률은, 대상측의 상기 담금 액에 인접하는 상기 최종 광학 요소(L5)의 굴절률보다 크며,

   상기 최종 광학 요소의 상기 굴곡진 영상측 표면(136)은, 구(球)형이고, 상기 굴곡진 영상측 표면(136)과 상기 영상 평면(128) 사이의 축 방향 거리(s)의 0.9 배와 1.5배 사이에 있는 곡률 반경(R)을 갖고,

   상기 굴곡진 영상측 표면(136)이 방수 배리어(flood preventing barrier)(140)에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
3. 투영 대물 렌즈(120; 120')의 대상 평면(122)에 배치될 수 있는 마스크(124)를, 상기 투영 대물 렌즈의 영상 평면(128)에 배치될 수 있는 감광 층(126)에 이미징(imaging)하기 위한 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치(110)의 투영 대물 렌즈로서, 상기 투영 대물 렌즈(120; 120')는 담금 작업용으로 디자인되며, 담금 액(134)은, 담금 작업 동안에, 영상측의 상기 투영 대물 렌즈(120)의 최종 광학 요소인 광학 요소(L5)의 오목하게 굴곡진 영상측 표면(136) 및 상기 감광 층(126)에 직접적으로 인접하여 있고,

   상기 담금 액(134)의 굴절률은, 대상측의 상기 담금 액에 인접하는 상기 최종 광학 요소(L5)의 굴절률보다 크며,

   상기 최종 광학 요소의 상기 굴곡진 영상측 표면(136)은, 구(球)형이고, 상기 굴곡진 영상측 표면(136)과 상기 영상 평면(128) 사이의 축 방향 거리(s)의 0.9 배와 1.5배 사이에 있는 곡률 반경(R)을 갖고,

   상기 굴곡진 영상측 표면(136)이 방수 배리어(140)에 의해 둘러싸여 있으며,

   상기 방수 배리어가 상기 투영 대물 렌즈(120')의 하우징(141)에 및/또는 상기 광학 요소(L5)에 결합된 링(140)으로서 디자인된 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 곡률 반경(R)은, 상기 굴곡진 영상측 표면(136)과 상기 영상 평면(128) 사이의 축 방향 거리(s)의 1.3배인 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
5. 투영 대물 렌즈의 영상 평면에 배치될 수 있는 감광 층에 마스크를 이미징하기 위한 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈로서, 상기 투영 대물 렌즈는 담금 작업용으로 디자인되고, 담금 액(134)이 상기 감광 층(126)에 인접하며,

   상기 담금 액(134)이, 상기 투영 대물 렌즈의 대상 측에 담금 액(134)에 인접한 매체(L205)와의 경계면(236)을 형성하며, 상기 경계면(236)은, 최대 곡률 반경(R)이 곱 m?s와 동등하도록, 상기 마스크를 향하여 볼록하게 굴곡져 있고, s가 상기 경계면과 상기 영상 평면 사이의 축 방향 거리이며, m은 20과 120 사이의 실수 인 것을 특징으로 하는 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
6. 청구항 5에 있어서, m이 40과 100 사이인 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
7. 청구항 6에 있어서, m이 70과 90 사이인 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
8. 청구항 5 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경계면(236)은, 사인(sine)이 0.5와 0.98의 사이인 최대 입사각으로 광선이 상기 경계면(236)을 통과하도록, 대상 평면을 향해 볼록하게 굴곡진 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 최대 입사각의 사인이 0.85와 0.95 사이인 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 최대 입사각의 사인이 0.87와 0.94 사이인 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
11. 청구항 1 내지 3, 5 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투영 대물 렌즈(120)는, 적어도 2개의 이미징 미러(S1, S2)를 갖고 적어도 2개의 중간 영상이 형성되는, 반사 굴절 대물 렌즈인 것을 특징으로 하는, 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치의 투영 대물 렌즈.
12. 청구항 1 내지 3, 5 내지 7 중 어느 한 항에 따른 투영 대물 렌즈(120; 120')에 의한 것을 특징으로 하는, 마이크로 구조 컴포넌트를 제조하기 위한 마이크로 리소그래피 투영 노광 장치.
13. a) 감광재 층(126)이 적어도 부분적으로 적용되는 기판(130)을 구비시키는 단계;

    b) 이미징될 구조를 포함하는 마스크(124)를 구비시키는 단계;

    c) 청구항 1 내지 3, 5 내지 7 중 어느 한 항에 따른 투영 대물 렌즈(120; 120')를 포함하는 투영 노광 장치를 구비시키는 단계;

    d) 상기 투영 노광 장치의 도움으로 상기 감광재 층(126)의 영역에 마스크(124)의 적어도 일부를 투영시키는 단계를 포함하는 마이크로 리소그래피에 의한 마이크로 구조 컴포넌트 제조 방법.
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