DE10210899A1

DE10210899A1 - Refraktives Projektionsobjektiv für Immersions-Lithographie

Info

Publication number: DE10210899A1
Application number: DE10210899A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Rostalski; Wilhelm Ulrich
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-18
Also published as: AU2003221490A1; US20070188880A1; US6891596B2; WO2003077037A1; EP1483625A1; KR20040099307A; US7312847B2; KR100991590B1; US20050231814A1; WO2003077036A1; US7495840B2; AU2002312872A1; CN1639644A; US20030174408A1; EP1485760A1; JP2005519347A; JP2005519348A; US7203008B2; CN100573222C; US20050141098A1

Abstract

Ein für die Immersions-Mikrolithographie geeignetes, rein refraktives Projektionsobjektiv ist als Ein-Taillen-System mit fünf Linsengruppen ausgelegt, bei dem eine erste Linsengruppe mit negativer Brechkraft, eine zweite Linsengruppe mit positiver Brechkraft, eine dritte Linsengruppe mit negativer Brechkraft, eine vierte Linsengruppe mit positiver Brechkraft und eine fünfte Linsengruppe mit positiver Brechkraft vorgesehen sind. Die Systemblende liegt im Bereich maximaler Strahldurchmesser zwischen der vierten und der fünften Linsengruppe. Ausführungsformen erfindungsgemäßer Projektionsobjektive erreichen eine sehr hohe numerische Apertur NA > 1 bei großem Bildfeld und zeichnen sich durch guten optischen Korrektionszustand und moderate Baugröße aus. Bei Verwendung von Immersionsfluiden zwischen Projektionsobjektiv und Substrat sind bei Arbeitswellenlängen unterhalb 200 nm Strukturbreiten deutlich unter 100 nm auflösbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein refraktives Projektionsobjektiv zur Abbildung eines in einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in eine Bildebene des Projektionsobjektives mit Hilfe eines Immersionsmediums, welches zwischen einem letzten optischen Element des Projektionsobjektivs und der Bildebene angeordnet ist.
Photolithographische Projektionsobjektive werden seit mehreren Jahrzehnten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen verwendet. Sie dienen dazu, Muster von Photomasken oder Strichplatten, die nachfolgend auch als Masken oder Retikel bezeichnet werden, auf einen mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichteten Gegenstand mit höchster Auflösung in verkleinerndem Maßstab zu projizieren.
Zur Erzeugung immer feiner Strukturen in der Größenordnung von 100 nm oder darunter tragen vor allem drei parallel verlaufende Entwicklungen bei. Erstens wird versucht, die bildseitige numerische Apertur (NA) der Projektionsobjektive über die derzeit üblichen Werte hinaus in den Bereich von NA = 0,8 oder darüber zu vergrößern. Zweitens werden immer kürzere Wellenlängen von Ultraviolettlicht verwendet, vorzugsweise Wellenlängen von weniger als 260 nm, beispielsweise 248 nm, 193 nm, 157 nm oder darunter. Schließlich werden noch andere Maßnahmen zur Auflösungsvergrößerung genutzt, beispielsweise phasenschiebende Masken und/oder schräge Beleuchtung.
Es gibt auch schon Ansätze, die erzielbare Auflösung dadurch zu verbessern, dass in den Raum zwischen dem letzten optischen Element des Projektionsobjektives und dem Substrat ein Immersionsmedium mit hohem Brechungsindex eingebracht wird. Diese Technik wird hier als Immersions-Lithographie bezeichnet. Durch Einbringung des Immersionsmediums ergibt sich eine effektive Wellenlänge

λ_eff = λ₀/n

wobei λ₀ die Vakuum-Arbeitswellenlänge und n der Brechungsindex des Immersionsmediums ist. Daraus ergeben sich eine Auflösung

R = k₁(λ_eff/NA₀)

und eine Schärfentiefe (depth of focus, DOF)

DOF = ±k₂(λ_eff/NA₀ ²),

wobei NA₀ = sinΘ₀, die "trockene" numerische Apertur und Θ₀ der halbe Öffnungswinkel des Objektives ist. Die empirischen Konstanten k₁ und k₂ sind prozessabhängig.
Die theoretischen Vorteile der Immersions-Lithographie liegen in der Verringerung der effektiven Arbeitswellenlänge und der damit verbesserten Auflösung. Dies kann bei unveränderter Vakuum-Wellenlänge erreicht werden, so dass für die entsprechende Wellenlänge etablierte Techniken zur Lichterzeugung, zur Wahl von optischen Materialien, zur Beschichtungstechnik etc. weitgehend unverändert übernommen werden können. Allerdings sind Maßnahmen zur Bereitstellung von Projektionsobjektiven mit höchsten numerischen Aperturen im Bereich von NA = 1 oder darüber erforderlich. Weiterhin müssen geeignete Immersionsmedien verfügbar sein.
In dem Artikel "Immersion Lithography at 157 nm" von M. Switkes und M. Rothschild, J. Vac. Sci. Technol. B 19(6), Nov./Dec. 2001, Seiten 1 ff werden Immersionsflüssigkeiten auf Basis von Perfluorpolyethern (PFPE) vorgestellt, welche für 157 nm Arbeitswellenlänge ausreichend transparent und mit einigen derzeit in der Mikrolithographie verwendeten Photoresist-Materialien kompatibel sind. Eine getestete Immersionsflüssigkeit hat bei 157 nm einen Brechungsindex n = 1,37. In der Veröffentlichung ist auch ein mit Kalziumfluorid-Elementen und Silizium-Spiegeln arbeitendes, linsenfreies, optisches System zur Immersions-Interferenz- Lithographie dargestellt, welches bei einer numerischen Apertur von NA = 0,86 die Abbildung von 60 nm-Stukturen und darunter ermöglichen soll. Das optische System dürfte für den Einsatz in der Serienproduktion von Hableitern oder dergleichen nicht geeignet sein.
Die Patentschrift US 5,610,683 (entsprechend EP 0 605 103) beschreibt eine für die Immersions-Lithographie vorgesehene Projektionsbelichtungsanlage mit Einrichtungen zur Einbringung von Immersionsfluid zwischen dem Projektionsobjektiv und dem Substrat. Es ist kein Design für die Projektionsoptik angegeben.
Im US-Patent US 5,900,354 wird vorgeschlagen, bei der Immersions- Lithographie als Immersionsmedium ein super-kritisches Fluid zu verwenden, beispielsweise Xenongas. Es ist kein Design für ein geeignetes Projektionsobjektiv gezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die Immersions- Lithographie geeignetes, refraktives Projektionsobjektiv zu schaffen, welches bei moderater Baugröße eine für die Immersions-Lithographie geeignete hohe numerische Apertur, ein für den praktischen Einsatz in Wafersteppern oder Waferscannern ausreichend großes Bildfeld sowie guten Korrektionszustand aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Projektionsobjektiv mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat ein refraktives Projektionsobjektiv zur Abbildung eines in einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in die Bildebene des Projektionsobjektivs mit Hilfe eines Immersionsmediums, welches zwischen einem fetzten optischen Element des Projektionsobjektivs und der Bildebene angeordnet ist,
eine auf die Bildebene folgende erste Linsengruppe mit negativer Brechkraft;
eine darauffolgende zweite Linsengruppe mit positiver Brechkraft;
eine darauffolgende dritte Linsengruppe mit negativer Brechkraft;
eine darauffolgende vierte Linsengruppe mit positiver Brechkraft;
eine darauffolgende fünfte Linsengruppe mit positiver Brechkraft; sowie
eine Systemblende, die im Bereich maximaler Strahldurchmesser zwischen der vierten Linsengruppe und der fünften Linsengruppe angeordnet ist.
Diese Brechkraftverteilung ergibt ein Projektionsobjektiv mit zwei Bäuchen und einer dazwischenliegenden Taille, wodurch eine gute Korrektur der Bildfeldwölbung erreicht wird. Die Systemblende sitzt im Bereich größter Strahldurchmesser des der Bildebene nächsten Bauches, wobei am Ort der Systemblende vorzugsweise mindestens 90% oder 95% des maximalen Strahldurchmessers im bildnahen Bauch vorliegen. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Systemblende zwischen einer bildnahen Ebene maximalen Strahldurchmessers und der Bildebene liegen und somit in einem Bereich, in dem der durchleuchtete Durchmesser des Objektivs zur Bildebene schon abnimmt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen, refraktiven Projektionsobjektiven, bei denen die Systemblende objektseitig in größerem Abstand vor dem Bereich maximaler Strahldurchmesser im bildnahen Bauch liegt.
Die Konstruktion ermöglicht bildseitige numerische Aperturen NA ≥ 0,9, wobei bei bevorzugten Ausführungsformen NA = 1,1 oder darüber erzielbar ist. Bevorzugte Projektionsobjektive sind an ein Immersionsfluid angepasst, welches bei der Arbeitswellenlänge einen Brechungsindex n > 1,3 hat. Hierdurch kann eine Verringerung der effektiven Arbeitswellenlänge um 30% oder mehr gegenüber Systemen ohne Immersion geschaffen werden.
Vorteilhafterweise kann das Projektionsobjektiv so ausgelegt sein, dass der von dem Immersionsmedium auszufüllende Raum eine derart geringe axiale Dicke hat, dass Transmissionsverluste im Immersionsmedium nicht mehr als 10 bis 20% der eindringenden Lichtintensität betragen. Günstig sind daher bildseitige Arbeitsabstände von weniger als 200 µm insbesondere weniger als 100 µm. Da andererseits ein Berührungskontakt zwischen dem letzten optischen Element und der Substratoberfläche vermieden werden soll, sollte eine untere Grenze des Arbeitsabstandes von 10 bis 20 µm nicht unterschritten werden. Bei geeignet transparenten Immersionsmedien sind auch größere Arbeitsabstände im Bereich von einem oder mehreren Millimetern möglich.
Bevorzugte Projektionsobjektive zeichnen sich durch eine Anzahl günstiger konstruktiver und optischer Merkmale aus, die alleine oder in Kombination für die Eignung des Objektivs als Immersionsobjektiv förderlich sind.
Beispielsweise kann es günstig sein, wenn die Brechkräfte der Linsengruppen beidseits der Systemblende die gleiche Größenordnung haben. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Verhältnis zwischen der Brennweite der vierten Linsegruppe und der Brennweite der fünften Linsengruppe zwischen ca. 0,9 und ca. 1,1 liegt. Ebenfalls günstig kann es sein, wenn die Brennweiten bzw. Brechkräfte der objektnahen und der bildnahen Linsengruppen betragsmäßig ähnlich sind. Insbesondere kann ein Verhältnis der Beträge der Brennweiten der ersten Linsegruppe und der fünften Linsengruppe zwischen ca. 0,7 und ca. 1,3, vorzugsweise zwischen ca. 0,9 und 1,1 liegen. Für die Erzeugung einer hohen bildseitigen numerischen Apertur kann es weiterhin günstig sein, wenn eine starke positive Brechkraft im bildnahen Bereich konzentriert ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist ein Verhältnis zwischen der Baulänge des Projektionsobjektivs und der Brennweite der auf die Systemblende folgenden fünften Linsengruppe größer als fünf, insbesondere größer als sechs, sieben oder sogar acht. Als Baulänge wird hier der axiale Abstand zwischen Objektebene und Bildebene bezeichnet.
Für die Erzielung eines guten Korrekturzustandes ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass die erste Linsengruppe mindestens eine asphärische Fläche enthält. Günstigerweise können hier sogar mehrere Asphären z. B. zwei vorgesehen sein. Asphären in diesem Bereich tragen besonders wirksam zur Korrektion von Verzeichnung und Astigmatismus bei. Für die Korrektion von Koma und Astigmatismus ist es weiterhin günstig, wenn die im Bereich der Taille liegende dritte Linsengruppe mindestens eine asphärische Fläche aufweist, wobei mehrere Asphären, z. B. zwei Asphären, bevorzugt sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist in jeder Linsengruppe mindestens eine Asphäre vorgesehen, um eine Feineinstellung des Korrekturzustandes des Projektionsobjektivs zu erleichtern. Im Hinblick auf einfache Herstellung der Linsen sollte die Zahl der Asphären begrenzt sein, beispielsweise auf weniger als neun oder weniger als sieben, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform.
Die günstigen Abbildungseigenschaften erfindungsgemäßer Projektionsobjektive, insbesondere der gute Korrekturzustand bei höchster numerischer Apertur, werden durch einige Besonderheiten bei Art und Anordnung der verwendeten Linsen gefördert. Beispielsweise ist es günstig, wenn im Nahbereich der Objektebene, insbesondere in der ersten Linsengruppe, mindestens eine zur Objektebene konvexe Meniskuslinse mit negativer Brechkraft angeordnet ist. Diese Linse, die beispielsweise die dritte Linse des Objektivs bilden kann, begünstigt die Korrektion von tangentialem Astigmatismus.
Die zweite Linsengruppe hat auf ihrer der Objektebene zugewandten Seite vorzugsweise mindestens eine, insbesondere mehrere zur Objektebene konkave Meniskuslinsen mit positiver Brechkraft. Diese treten vorzugsweise in Kombination mit mindestens einer, vorzugsweise mehreren zur Objektebene konvexen Meniskuslinsen mit positiver Brechkraft an der der Bildebene zugewandten Seite der zweiten Linsengruppe auf. Günstigerweise liegt zwischen den Menisken oder Meniskengruppen gegensinniger Durchbiegung mindestens eine bikonvexe Positivlinse. Dadurch kann in der zweiten Linsengruppe eine Abfolge mindestens einer zur Objektebene konkaven Positiv-Meniskuslinse, einer bikonvexen Positivlinse und mindestens einer zur Bildebene konkaven Positiv- Meniskuslinse gebildet sein. Diese Abfolge von Linsen im Bereich größer Strahldurchmesser des ersten Bauches ist günstig für eine starke "Verbiegung" des Hauptstrahles in diesem Bereich bei gleichzeitig niedrigen Flächenbelastungen der optischen Flächen. Dies ist günstig für geringe Gesamtaberrationen des Projektionsobjektivs. Eine günstige Flächenbelastung im Sinne dieser Anmeldung ist dann gegeben, wenn die Inzidenzwinkel der auf eine optische Fläche treffenden Strahlen möglichst gering sind und einen kritischen Grenzwert nicht überschreiten. Als Inzidenzwinkel wird hier der Winkel zwischen der Auftreffrichtung eines Strahls auf eine optische Fläche und der Flächennormalen der optischen Fläche am Auftreffpunkt des Strahles bezeichnet. Je geringer die Inzidenzwinkel und entsprechend je geringer die Flächenbelastung ist, desto einfacher ist die Entwicklung geeigneter Anti- Reflexbeschichtungen und desto größer ist die Toleranz des Designs gegen die Justierung.
Der Bereich engster Einschnürung des Strahls wird als Taille bezeichnet. Die im Bereich der Taille liegende dritte Linsengruppe hat die Aufgabe, die hinter dem ersten Bauch konvergierende Strahlung mit geringst möglichen Abberationen wieder aufzuweiten. Hierzu ist es günstig, wenn die dritte Linsengruppe nur Linsen mit negativer Brechkraft aufweist. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die dritte Linsengruppe in Bezug auf eine innerhalb der dritten Linsengruppe liegende Symmetrieebene einen im wesentlichen symmetrischen Aufbau hat. Dieser zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass objektseitig und bildseitig der Symmetrieebene einander zugeordnete Linsen gleichen Typs angeordnet sind. Die Symmetrie der Linsentypen erstreckt sich bevorzugt auch in den angrenzenden Bereich der zweiten und der vierten Linsengruppe, so dass bevorzugt ein der dritten Linsengruppe zugewandter Austrittsbereich der zweiten Linsengruppe und ein der dritten Linsengruppe folgender Eintrittsbereich der vierten Linsengruppe im wesentlichen symmetrisch zu der innerhalb der dritten Linsengruppe liegenden Symmetrieebene aufgebaut sein können. Eine symmetrische Anordnung von Negativ- und Positiv-Meniskuslinsen wird bei den Ausführungsformen noch näher erläutert. Die Symmetrie ist förderlich für eine geringe Flächenbelastung der Linsen bei geringen Aberrationen.
Im Bereich unmittelbar vor der Systemblende, d. h. in der vierten Linsengruppe, ist vorzugsweise mindestens ein Doublett mit einer bikonvexen Positivlinse und einer bildwärts folgenden meniskusförmigen Negativlinse mit objektwärts konkaven Linsenflächen vorgesehen. Besonders günstig sind Ausführungsformen mit zwei solcher Doubletts, die unmittelbar aufeinander folgen können. Zwischen den Linsen des Doubletts ist jeweils eine zur Bildebene konvexe, positive Luftlinse angeordnet. Derartige Doubletts aus sammelnder Bikonvexlinse und zerstreuendem Meniskus wirken sich positiv auf den Korrekturzustand aus und können den Abberationen entgegen wirken, die durch Linsen mit starker, positiver Brechkraft hinter der Systemblende eingeführt werden. Weiterhin kann es günstig sein, im objektseitigen Eintrittsbereich der vierten Linsengruppe mindestens eine objektwärts konkave Meniskuslinse mit positiver Brechkraft anzuordnen, um die aus der Taille kommende Strahlung bei geringer Flächenbelastung zu sammeln.
Zur Erzielung höchster numerischer Aperturen ist es vorteilhaft, wenn die fünfte Linsengruppe ausschließlich Positivlinsen hat. Es können z. B. vier oder mehr Positivlinsen zwischen Aperturblende und Bildebene angeordnet sein. Dabei sind günstige Flächenbelastungen dann erzielbar, wenn in der fünften Linsengruppe mindestens eine bildwärts konkave Meniskuslinse mit positiver Brechkraft vorgesehen ist. Insbesondere können zwei oder mehr solcher Linsen vorgesehen sein. Das letzte optische Element wird bevorzugt durch eine Plankonvexlinse gebildet, die eine vorzugsweise sphärische Eintrittsfläche und eine im wesentlichen ebene Austrittsfläche hat. Hierdurch kann einerseits eine gute Korrektur von sphärischer Abberation und Koma erreicht werden und andererseits ist eine im wesentlichen ebene Austrittsfläche günstig für die Immersions-Lithographie. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Plankonvexlinse nicht-hemisphärisch, wobei der Mittelpunkt der sphärischen Fläche außerhalb der Linse liegt. Abgeschnittene Halbkugellinsen dieser Art können eine reduzierte Empfindlichkeit gegen Schwankungen des Arbeitsabstandes ergeben.
Durch Anwendung einiger oder aller dieser Designprinzipien ist es bei bevorzugten Ausführungsformen gelungen, die Flächenbelastung der Linsen so gering zu halten, dass trotz einer Apertur von mehr als NA = 0,9 oder 1 an keiner der optischen Flächen Einfallswinkel auftreten, deren Sinus größer als ca. 90% oder sogar ca. 85% der bildseitigen numerischen Apertur ist, was die Entspiegelung der Linsen und die Objektivjustage vereinfacht.
Bei bevorzugten Ausführungsformen bestehen alle Linsen des Projektionsobjektives aus dem gleichen Material. Als Material kann beispielsweise bei Arbeitswellenlängen von 193 nm synthetisches Quarzglas und bei Arbeitswellenlängen von 157 nm Kalziumfluorid verwendet werden. Die Verwendung nur einer Materialsorte erleichtert die Herstellung und ermöglicht eine einfache Anpassung des Objektivdesigns an andere Wellenlängen. Es ist auch möglich, mehrere Materialsorten zu kombinieren, um beispielsweise die Korrektur von Farbfehlern zu unterstützen. Auch der Einsatz anderer UV-transparenter Materialien wie BaF₂, NaF, LiF, SrF, MgF₂ oder dergleichen ist möglich.
Die vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei Ausführungsformen der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Es zeigen:
Fig. 1 ist ein Linsenschnitt durch eine erste Ausführungsform eines refraktiven Projektionsobjektivs, dass für 193 nm Arbeitswellenlänge ausgelegt ist;
Fig. 2 ist ein Linsenschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Projektionsobjektivs, das für 193 nm Arbeitswellenlänge ausgelegt ist;
Fig. 3 ist ein Linsenschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Projektionsobjektivs, welches für 157 nm Arbeitswellenlänge ausgelegt ist; und
Fig. 4 ist ein Linsenschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Projektionsobjektivs, welches für 193 nm Arbeitswellenlänge ausgelegt ist.
Bei der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnet der Begriff "optische Achse" eine gerade Linie durch die Krümmungsmittelpunkte der optischen Komponenten. Richtungen und Abstände werden als bildseitig oder bildwärts beschrieben, wenn sie in Richtung der Bildebene bzw. des dort befindlichen, zu belichtenden Substrats gerichtet sind und als objektseitig bzw. objektwärts, wenn sie in Bezug auf die optische Achse zum Objekt gerichtet sind. Das Objekt ist in den Beispielen eine Maske (Retikel) mit dem Muster einer integrierten Schaltung, es kann sich aber auch um ein anderes Musters, beispielsweise eines Gitters handeln. Das Bild wird in den Beispielen auf einem als Substrat dienenden, mit einer Photoresistschicht dienenden Wafer gebildet, jedoch sind auch andere Substrate möglich, beispielsweise Elemente für Flüssigkristallanzeigen oder Substrate für optische Gitter. Die angegebenen Brennweiten sind Brennweiten bezüglich Luft.
Im folgenden werden identische oder einander entsprechende Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen aus Gründen der Übersichtlichkeit mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Anhand Fig. 1 wird ein typischer Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, rein refraktiven Reduktionsobjektivs 1 gezeigt. Es dient dazu, bei nahezu homogener Immersion ein in einer Objektebene 2 angeordnetes Muster eines Retikels oder dergleichen in eine Bildebene 3 in reduziertem Maßstab abzubilden, beispielsweise im Maßstab 5 : 1. Es handelt sich um ein rotationssymmetrisches Ein-Taillesystem mit fünf Linsengruppen, die entlang der senkrecht auf Objektebene und Bildebene stehenden optischen Achse 4 angeordnet sind und einen objektseitigen Bauch 6, einen bildseitigen Bauch 8 und eine dazwischen liegende Taille 7 bilden. Die auf die Bildebene 2 folgende erste Linsengruppe LG1 hat negative Brechkraft und eine Brennweite von -166 mm. Eine darauf folgende zweite Linsengruppe LG2 hat positive Brechkraft mit einer Brennweite von 121 mm. Eine darauf folgende dritte Linsengruppe LG3 hat negative Brechkraft und eine Brennweite von -33 mm. Eine darauf folgende vierte Linsengruppe LG4 hat positive Brechkraft mit einer Brennweite von 166 mm, welche somit betragsmäßig der Brennweite der ersten Linsengruppe entspricht. Eine darauf folgende fünfte Linsengruppe LG5 hat positive Brechkraft und eine Brennweite von 170 mm, was in der Größenordnung der Brennweite der vierten Linsengruppe und betragsmäßig der ersten Linsengruppe LG1 liegt. Zwischen der vierten Linsengruppe LG4 und der fünften Linsengruppe LG5 ist im bildnahen Bereich maximaler Strahldurchmesser, d. h. im zweiten Bauch 8 des Objektivs, die Systemblende 5 angeordnet.
Die auf die Objektebene 2 folgende erste Linsengruppe LG1 ist im wesentlichen zuständig für die Aufweitung der Lichtbündel in den ersten Bauch 6 hinein. Sie umfasst drei Linsen 11, 12, 13 mit negativer Brechkraft, wobei die erste Linse 11 und die zweite Linse 12 als bikonvexe Negativlinsen gestaltet sind. Die dritte Linsen 13 ist ein zerstreuender Meniskus, bei dem als Besonderheit die konkave Seite nicht zum Objekt 2, sondern zur Bildebene 3 gerichtet ist. Diese Anordnung ist sehr günstig für die Korrektion des tangentialen Astigmatismus. Im übrigen enthält die erste Linsengruppe zwei Asphären, nämlich die Eintrittsseiten der zweiten und der dritten Linse. Die Asphären haben einen positiven Einfluss auf die sehr gute Korrektion der Verzeichnung und des Astigmatismus.
Die zweite Linsengruppe LG2 besteht aus vier dem Retikel bzw. der Objektebene 2 mit ihrer konkaven Seite zugewandten sammelnden Menisken 14, 15, 16, 17, einer bikonvexen Positivlinse 18 und zwei mit ihrer konkaven Seite den Wafer bzw. der Bildebene 3 zugewandten sammelnden Menisken 19, 20. Dieser Aufbau, bei dem die Krümmungen der Meniskusflächen objektseitig und bildseitig der Bikonvexlinse 18 gegensinnig mit von einander abgewandten Konkavflächen verlaufen, gewährleistet kleine Flächenbelastungen für die Menisken und die Positivlinse 18 und somit geringe Abberationen. Die bikonkave Luftlinse zwischen der bikonvexen Positivlinse 18 und der folgenden Meniskuslinse 19 hat mit ihrer starken astigmatischen Unterkorrektur einen günstigen Einfluss auf das Ausbalancieren des Astigmatismus im vorderen Teil des Systems vor der Taille 7.
Die dritte Linsengruppe LG3 besteht ausschließlich aus zerstreuenden Linsen, nämlich einer Negativ-Meniskuslinse 21 mit bildseitigen Konkavflächen, einer darauf folgenden bikonkaven Negativlinse 22, einer weiteren darauf folgenden bikonkaven Negativlinse und einer darauffolgenden Negativ-Meniskuslinse 24 mit objektseitigen Konkavflächen. Diese vier Linsen sind bezüglich einer zwischen den Linsen 22 und 23 liegenden Symmetrieebene 9 hinsichtlich Linsentyp (Meniskuslinse oder Bikonkavlinse) und Krümmungsrichtung der optischen Flächen spiegelsymmetrisch aufgebaut. Zusammen mit den letzten beiden Linsen 19, 20 der zweiten Linsengruppe und den ersten beiden Linsen 25, 26 der darauffolgenden vierten Linsengruppe LG4 ist eine Reihenfolge von zwei sammelnden Menisken 19, 20 und einem zerstreuenden Meniskus 21 gegeben, die alle drei der Taille bzw. der Symmetrieebene 9zugewandte, konkave Flächen haben. In entgegengesetzter, gespiegelter Richtung, d. h. auf der Bildseite der Symmetrieebene 9, folgen auf die beiden bikonkaven Negativlinsen 22, 23 in der Taille, also auf den Bereich kleinster Durchmesser, wieder ein zerstreuender Meniskus 24 und zwei sammelnde Menisken 25, 26 der vierten Linsengruppe. Dieser zur Symmetrieebene 9 spiegelsymmetrische Aufbau unterstützt eine geringe Anspannung bzw. eine geringe Flächenbelastung der optischen Flächen und damit geringe Abberationen.
Die dritte Linsengruppe enthält mit der Austrittsfläche der kleinsten Linse 22 und der Austrittsfläche der Negativ-Meniskuslinse 24 zwei Asphären, die wesentlich zur Korrektion der Koma und des Astigmatismus beitragen.
Die vierte Linsengruppe LG4 umfasst an ihrer Eintrittsseite zwei zur Objektebene konkave Positiv-Meniskuslinsen 25, 26, auf die zwei Doubletts 27, 28 sowie 29, 30 folgen. Jedes der Doubletts hat objektseitig eine sammelnde Bikonvexlinse 27 bzw. 29 und dahinter einen zerstreuenden Meniskus 28 bzw. 30, deren konkave Flächen zur Objektebene zeigen. Die beiden sphärisch stark überkorrigierten, zerstreuenden Menisken 28 (f' = -728 mm) und 30 (f' = -981 mm) wirken den stark unterkorrigierenden, sammelnden Linsen der hinter der Systemblende 5 folgenden fünften Linsengruppe LG5 entgegen. Die Kombination der sammelnden Bikonvexlinse und des zerstreuenden Meniskus innerhalb eines Doubletts wirkt sich sehr positiv auf die Korrektion von Bildfehlern im Bereich des zweiten Bauches 8 aus. Die beiden Menisken 28, 30, insbesondere der dicke Meniskus 28, wirken mit ihrer starken Überkorrektur des tangentialen Astigmatismus der Unterkorrektur in der fünften Linsengruppe LG5 entgegen.
Die hinter der Systemblende 5 liegende fünfte Linsengruppe LG5 ist im wesentlichen für die Erzeugung der hohen numerischen Apertur verantwortlich. Dazu sind ausschließlich sammelnde Linsen vorgesehen, nämlich eine im Bereich der Systemblende 5 angeordnete Positiv- Meniskuslinse 31 mit bildwärts konkaven Flächen, eine darauf folgende bikonvexe Positivlinse 32 mit schwach gekrümmter Eintrittsseite und stärker gekrümmter Austrittsseite, eine darauf folgende Positiv- Meniskuslinse 23 mit bildwärts konkaven Flächen, eine weitere Positiv- Meniskuslinse 24 ebenfalls mit bildwärts konkaven Flächen sowie eine abschließende Plankonvexlinse 35 mit einer sphärischen Eintrittsseite und einer ebenen Austrittsseite. Die Positivlinsen 31, 32, 33 und 34 sind sphärisch stark unterkorrigiert und betreffend der Koma überkorrigiert. Die Korrektion der sphärischen Abberation und der Koma wird bei diesem Design somit im wesentlichen im Zusammenhang mit der Gestaltung der vor der Systemblende 5 liegenden vierten Linsengruppe LG4 realisiert, die einen entsprechenden Vorhalt dieser Abberationen schafft. Somit sind die vierte Linsengruppe LG4 und die fünfte Linsengruppe LG5 in Kombination für die Erzielung eines guten Korrektionszustandes der sphärischen Abberation und von Koma zuständig. Eine asphärische Fläche auf der Eintrittsseite der Bikonvexlinse 27 des ersten Doubletts unterstützt wesentlich die Korrektion der sphärischen Abberation, aber auch der Koma dritter Ordnung. Eine in der Nähe der Systemblende 5 angeordnete asphärische Fläche auf der Austrittsseite der objektwärts konvexen Positiv-Meniskuslinse 31 am Eingang der fünften Linsengruppe LG5 korrigiert vorrangig Abberationen höherer Ordnung und trägt dabei wesentlich zum Einstellen eines guten Abberationskompromisses bei. Einen ebenfalls positiven Einfluss auf die Korrektion von Öffnungsfehler und Koma hat die sphärische, konvexe Eintrittsfläche der Plankonvexlinse 35. Diese ist sphärisch überkorrigiert und betreffs Koma unterkorrigiert.
Das System hat einen bildseitigen Arbeitsabstand von ca. 8,4 mm, der durch eine Immersionsflüssigkeit 10 ausgefüllt werden kann. Als Immersionsflüssigkeit kann bei 193 nm beispielsweise deionisiertes Wasser (Brechungsindex n = 1,47) oder eine andere geeignete transparente Flüssigkeit verwendet werden.
Der Korrektionszustand des optischen Systems 1 ist ausgezeichnet. Alle Abberationen sind korrigiert. Der RMS-Wert der Wellenfrontdeformation ist mit 4 mλ sehr gering. Die Verzeichnung liegt für alle Feldpunkte im Bereich unterhalb von 1 nm. Damit ist ein Projektionsobjektiv geschaffen, das bei einer Arbeitswellenlänge von 193 nm arbeitet, mit Hilfe konventioneller Techniken für Linsenherstellung und Beschichtung hergestellt werden kann und eine Auflösung von Strukturen deutlich unterhalb 100 nm erlaubt.
Durch den Einsatz einer homogenen Immersion ist der beschriebene Aufbau grundsätzlich auch zur Nahfeld-Lithographie geeignet. Hierzu ist die abschließende Plankonvexlinse 35 mit der Immersionsschicht 10 zu einer Linse zusammenzufassen, die z. B. aus synthetischem Quarzglas bestehen kann. Um eine Einkopplung von ausreichend Lichtenergie des evaneszenten Feldes zu ermöglichen, sollte in diesem Fall der Arbeitsabstand zwischen der Austrittsfläche des Projektionsobjektivs und der Bildebene im Bereich von 100 nm oder darunter liegen.
In Tabelle 1 ist die Spezifikation des Designs in bekannter Weise in tabellarischer Form zusammengefasst. Dabei gibt Spalte 1 die Nummer einer brechenden 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 der optischen Komponenten und Spalte 5 die Brechzahl bzw. den Brechungsindex des Materials des Bauelementes an, welches der Eintrittsfläche folgt. In Spalte 6 sind die nutzbaren, freien Radien bzw. der halbe freie Durchmesser der Linsen (in mm) angegeben.
Bei der Ausführungsform sind sechs der Flächen, nämlich die Flächen 4, 6, 15, 29, 34 und 44 asphärisch. Tabelle 2 gibt die entsprechenden Asphärendaten an, wobei sich die 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 und h den Abstand eines Flächenpunktes von der optischen Achse an. Somit gibt p(h) die sogenannten 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.
Das mit Hilfe dieser Angaben reproduzierbare optische System 1 ist für eine Arbeitswellenlänge von ca. 193 nm ausgelegt, bei der das für alle Linsen verwendete, synthetisches Quarzglas einen Brechungsindex n = 1,56029 hat. Die bildseitige numerische Apertur beträgt 1,1. Das System ist auf einen Brechungsindex des Immersionsmediums 10 von n = 1,56 angepasst, der eine nahezu ideal Einkopplung des Lichtes in die Immersionsschicht 10 erlaubt. Das Objektiv hat eine Baulänge (Abstand zwischen Bildebene und Objektebene) von 1162 mm. Bei einer Bildgröße von 22 mm wird ein Lichtleitwert (Produkt aus numerischer Apertur und Bildgröße) von 24,1 mm erreicht.
Anhand von Fig. 2 wird eine Variante des in Fig. 1 gezeigten Projektionsobjektiv erläutert. Linsen bzw. Linsengruppen gleichen Typs bzw. gleicher Funktion werden aus Gründen der Übersichtlichkeit mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das System 1' ist für eine Brechzahl des Immersionsmediums von n = 1,37 optimiert, was einem aus der Literatur bekannt gewordenen Wert für die Brechzahl eines Immersionsfluides auf Basis von Perfluorpolyether (PFPE) bei (157 nm) entspricht.
Ein Unterschied zum Design gemäß Fig. 1 besteht in der vierten und der fünften Linsengruppe. In LG4 ist die dicke Meniskuslinse 28 des ersten Doubletts in Fig. 1 aufgespalten in eine objektseitige, bikonkav Negativlinse 28' mit einer nur schwach gekrümmten Austrittsseite und eine nachfolgende bikonvexe Positivlinse 28" mit einer entsprechend nur schwach gekrümmten Eintrittsseite. Diese Aufspaltung vermindert weiter die Flächenbelastung der optischen Flächen in diesem Bereich. Im Luftraum zwischen den nachfolgenden Linsen 29, 30 vor der objektwärts, konkaven Eintrittsfläche des Meniskus 30 verläuft der Randstrahl der Abbildung konvergent. In der fünften Linsengruppe LG5 sind die beim Design in Fig. 1 getrennten, eintrittsseitigen Linsen 31, 32 hinter der Systemblende 5 zu einer einzigen, bikonvexen Positivlinse 32' zusammengefasst. Diese liegt mit Abstand hinter der Systemblende 5, die besonders gut zugänglich ist. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass die Systemblende 5 zwischen einer bildnahen Ebene maximalen Strahldurchmessers und der Bildebene 3 hegt, also dort, wo der durchstrahlte Durchmesser der Linsen zur Bildebene hin bereits abnimmt. Die anderen Linsen entsprechen hinsichtlich Typ und Reihenfolge der Linsen gleicher Bezugszeichen in Fig. 1. Auch bei diesem Design bestehen alle Linsen als synthetischem Quarzglas. Die Spezifikation dieses Designs in der beschriebenen Notation ist in Tabellen 3 und 4 angegeben.
In Fig. 3 ist eine für eine Arbeitswellenlänge von 157 nm ausgelegte dritte Ausführungsform eines Projektionsobjektivs 1" gezeigt, deren Spezifikation in Tabelle 5 und 6 angegeben ist. An der Abfolge und der Art der Linsen ist zu erkennen, dass das Design auf dem anhand von Fig. 1 und 2 erläuterten Designprinzip beruht, so dass für Linsen bzw. Linsengruppen entsprechender Funktion die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist vor der ersten, bikonkaven Negativlinse 11 des Objektivs kein weiteres optisches Element angeordnet. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist in der vierten Linsengruppe LG4 die in Fig. 1 noch einstückige, dicke Meniskuslinse 28 aufgespalten in eine bikonkave Negativlinse 28' und eine unmittelbar folgende bikonvexe Positivlinse 28". Ebenfalls wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die Funktion der eintrittsseitigen Linsen 31, 32 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 durch eine einzige, bikonvexe Positivlinse 32' übernommen, welche die Strahlzusammenführung zur Bildebene hin einleitet. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 liegt die Systemblende 5 innerhalb des zweiten Bauches 8 hinter dem Bereich maximalen Strahldurchmessers, also dort, wo der Strahldurchmesser zu Bildebene bereits wieder abnimmt.
Als Brechzahl für das Immersionsmedium ist n = 1,37 angesetzt, was einem aus der Literatur bekannt gewordenen Wert für eine bei 157 nm ausreichend transparente Immersionsflüssigkeit auf Basis von PFPE entspricht. Der bildseitige Arbeitsabstand ist auf ca. 50 µm eingestellt, was im praktischen Einsatz der Dicke der Immersionsschicht entspricht. Es ist davon auszugehen, dass geeignete Immersionsflüssigkeiten bei dieser geringen Dicke noch hohe Transmissionswerte von mehr als 90% aufweisen, so dass im Bereich der Immersion nur vernachlässigbare, geringe Transmissionsverluste auftreten, was für die Erzielung eines ausreichenden Waferdurchsatzes günstig ist. Mit diesem rein refraktiven, mit konventionellen Mitteln realisierbaren Projektionsobjektiv hervorragenden Korrekturzustandes sind Strukturbreiten von weniger als 70 nm auflösbar.
Die Tabellen 7 und 8 zeigen die Spezifikation einer bildlich nicht dargestellten Ausführungsform eines Projektionsobjektivs, welches aus der Ausführungsform gemäß Fig. 3 abgeleitet ist und sich von dieser im wesentlich dadurch unterscheidet, dass die dortige, objektwärts konkave, dicke Meniskuslinse 17 durch eine dünnere, in gleicher Richtung gekrümmte Meniskuslinse ersetzt ist. Ein Vergleich von Tabellen 5 und 6 zeigt, dass hierdurch eine noch kompaktere Bauweise mit geringeren Linsendurchmessern und geringerer Baulänge bei unverändert guten optischen Eigenschaften möglich ist.
In Fig. 4 ist eine für eine Arbeitswellenlänge von 193 nm ausgelegte vierte Ausführungsform eines Projektionsobjektivs 1''' gezeigt, deren Spezifikation in Tabellen 9 und 10 angegeben ist. Diese Ausführungsform hat einen Abbildungsmaßstab von 4 : 1 und eine bildseitige numerische Apertur NA = 0,9. Ein Vergleich zu den übrigen Ausführungsformen zeigt, dass bei gleichem optischen Grundprinzip weniger Linsenmaterial benötigt wird. Es sind nur 23 anstatt 25 Linsen, wie bei den anderen Ausführungsformen, erforderlich, außerdem sind die mittleren und maximalen Linsendurchmesser kleiner als bei den vorhergehenden Ausführungsformen. Insbesondere sind in der zweiten Linsengruppe LG2 nur drei objektwärts konkave Menisken 14, 15, 16 vorgesehen, eine den Menisken 17 der anderen Ausführungsformen entsprechende Linse fehlt. In der vierten Linsengruppe LG4 ist im Unterschied zu den anderen Ausführungsformen nur ein Doublett 27, 28 vorgesehen, so dass auch in dieser Linsengruppe eine Linse eingespart wird. Der symmetrische Aufbau der dritten Linsegruppe LG3 und der daran angrenzenden Linsenpaar 19, 20 der zweiten Linsengruppe und 25, 26 der vierten Linsengruppe entspricht demjenigen der anderen Ausführungsformen. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 belegt, dass auch Lösungen für größere Abbildungsmaßstäbe und größere Felder im Rahmen der Erfindung konstruktiv günstig realisiert werden können.
Der Korrektionszustand aller gezeigten Ausführungsformen ist ausgezeichnet. Alle Aberrationen sind korrigiert. Der maximale RMS-Wert der Wellenfrontdeformation ist sehr gering und liegt bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 unterhalb 4,5 mλ, bei der Ausführungsform gemäß Tabellen 7 und 8 unterhalb 6,5 mλ und bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterhalb 5,2 mλ. Die Verzeichnung liegt bei allen Systemen für alle Feldpunkte im Bereich unterhalb von 1 nm.
Anhand der Beispiele ist für den Fachmann erkennbar, dass zahlreiche Abwandlungen der Designs im Rahmen der Erfindung möglich sind. Beispielsweise können einzelne Linsen in zwei oder mehr gesonderte Linsen aufgespalten werden oder es können getrennte Linsen zu einer einzigen Linse im wesentlichen gleicher Funktion zusammengefasst werden.
Es sind auch Ausführungsformen mit zwei oder mehr Linsenmaterialien möglich. Beispielsweise kann bei Ausführungsformen für 193 nm eine Kombination von Linsen aus synthetischem Quarzglas und Kalziumfluorid vorgesehen sein, um die chromatische Korrektion zu erleichtern und um in Bereichen großer Strahlungsenergiedichten durch Platzierung von Kalziumfluoridlinsen Brechzahländerungen aufgrund von Compaction zu vermeiden. Auch der Einsatz anderer, für das verwendete Ultraviolettlicht transparenter Materialien wie Bariumfluorid, Natriumfluorid, Lithiumfluorid, Strontiumfluorid, Magnesiumfluorid oder dergleichen ist möglich.
Unter Nutzung wesentlicher Gestaltungsmerkmale der hier dargestellten Ausführungsformen, insbesondere im bildnahen Bereich des zweiten Bauches und der Aperturblende, können auch katadioptrische Systeme für die Immersions-Lithographie aufgebaut werden.
Die anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläuterte technische Lehre der Erfindung zeigt, dass eine Reihe von konstruktiven Randbedingungen berücksichtigt werden sollten, wenn ein für die Immersions- Lithographie geeignetes optisches System, insbesondere ein solches mit kompakter Bauweise, konstruiert werden soll. Die folgenden Merkmale können einzeln oder in Kombination förderlich sein. Günstig sind Immersionsobjektive, bei denen der Bildfelddurchmesser größer als ca. 1%, insbesondere größer als ca. 1,5% der Baulänge ist. Günstige Lichtleitwerte (Produkt aus Bildfelddurchmesser und numerischer Apertur) liegen im Bereich oberhalb von 1%, insbesondere oberhalb von 2% der Baulänge. Günstig sind vier oder mehr Sammellinsen zwischen Aperturblende und Bildebene, wobei in diesem Bereich vorzugsweise nur Sammellinsen vorgesehen sind. In der zweiten Linsengruppe sind vorzugsweise mehr als vier, fünf oder sechs aufeinander folgende Sammellinsen günstig. Dabei sind vorzugsweise im Eintrittsbereich der zweiten Linsengruppe zwei oder mehr sammelnde Menisken mit objektseitiger Konkavfläche und am Ende der zweiten Linsengruppe zwei oder mehr sammelnde Menisken mit bildwärts konkaven Flächen günstig. Im Bereich des ersten Bauches bzw. der zweiten Linsengruppe ist eine starke Strahlaufweitung förderlich, bei der der maximale Strahldurchmesser vorzugsweise mehr als das 1,8-fache, insbesondere mehr als das 2-fach des Objektfelddurchmessers beträgt. Der maximale Linsendurchmesser in der zweiten Linsengruppe kann etwa das Doppelte des minimalen freien Linsendurchmessers der dritten Linsengruppe im Bereich der Einschnürung betragen. Der maximale Linsendurchmesser im der Einschnürung nachfolgenden zweiten Bauch liegt bevorzugt in der gleichen Größenordnung und kann insbesondere größer als das Doppelte des minimalen freien Durchmessers in dritten Linsengruppe betragen. Im Bereich der dritten Linsengruppe, d. h. im Bereich der Taille des Systems, stehen sich bevorzugt zwei konkave Flächen direkt gegenüber und werden von zwei im gleichen Sinne gekrümmten Flächen eingeschlossen. Auch die jeweils objektwärts und bildwärts anschließenden Linsen sind vorzugsweise in dieser Weise symmetrisch ausgebildet und angeordnet.
Es können besondere Linsenverteilungen günstig sein. Insbesondere ist es günstig, wenn deutlich mehr Linsen vor der Systemblende liegen als hinter der Blende. Bevorzugt beträgt die Zahl der Linsen vor der Blende mindestens das Vierfache, insbesondere mehr als das Fünffache der Zahl der Linsen hinter der Systemblende. Zwischen dem Bereich engster Einschürung und der Systemblende bzw. Aperturblende sind bevorzugt fünf oder mehr Sammellinsen angeordnet, der axiale Abstand zwischen dem Bereich engster Einschnürung und der außergewöhnlich bildnah angeordneten Aperturblende beträgt günstigerweise mindestens 26%, gegebenenfalls mehr als 30% oder 35% der Baulänge der Projektionsobjektive.
Weitere Besonderheiten betreffenden den Verlauf und die Verhältnisse zwischen Hauptstrahlen und Randstrahlen der Abbildung. Als Hauptstrahl wird hier ein Strahl bezeichnet, der von einem Randpunkt des Objektfeldes parallel oder im spitzen Winkel zur optischen Achse verläuft und die optische Achse im Bereich der Systemblende schneidet. Ein Randstrahl im Sinne der vorliegenden Anmeldung führt von der Mitte des Objektfeldes zum Rand der Aperturblende. Der senkrechte Abstand dieser Strahlen zur optischen Achse ergibt die entsprechende Strahlhöhe. Es kann günstig sein, wenn die Hauptstrahlhöhe dem Betrag nach bis zum Ende der zweiten Linsengruppe größer ist als die Randstrahlhöhe, wobei sich dieses Verhältnis vorzugsweise erst im Bereich der dritten Linsengruppe umkehrt. Die maximale Randstrahlhöhe beträgt vorzugsweise mehr als das Doppelte, insbesondere mehr als das 2,3- bis 2,5-fache der Randstrahlhöhe im Bereich der engsten Einschürung innerhalb der dritten Linsegruppe. Günstig ist es, wenn der Durchmesser des Randstrahles im Bereich zwischen vierter und fünfter Linsengruppe, d. h. im Bereich der Systemblende klein gehalten wird. Dies entspricht einer möglichst kleinen Brennweite der der Systemblende folgenden fünften Linsengruppe. Die Brennweite der fünften Linsengruppe ist vorzugsweise kleiner als 15%, insbesondere kleiner als 10% der Baulänge. Bevorzugte Systeme sind doppeltelezentrisch, so dass der Hauptstrahl sowohl auf der Objektebene als auch auf der Bildebene im wesentlichen senkrecht steht. Bei bevorzugten Systemen sollte der vom Objektfeld kommende Hauptstrahl noch nach mindestens fünf Linsen einen divergenten Verlauf haben, also einen Verlauf mit noch steigender Hauptstrahlhöhe weg von der optischen Achse. Günstig ist weiterhin, wenn der Sinus des maximalen Hauptstrahldivergenzwinkels im objektnahen Objektivbereich mehr als 50% der objektseitigen numerischen Apertur beträgt. Im objektnahen Bereich, in welchem die Randstrahlhöhe größer als die Hauptstrahlhöhe ist, sind vorzugsweise mehrere asphärische Flächen vorgesehen, um einen günstigen Korrekturzustand zu fördern.
Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, die sich dadurch auszeichnet, dass sie ein refraktives Projektionsobjektiv gemäß der Erfindung enthält. Die Projektionsbelichtungsanlage hat vorzugsweise auch Einrichtungen, um zwischen der letzten optischen Fläche des Projektionsobjektivs und dem zu belichtenden Substrat ein Immersionsmedium, beispielsweise eine Flüssigkeit geeigneter Brechzahl, einzubringen und zu halten. Umfasst ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen, bei dem ein Bild eines in der Objektebene eines Projektionsobjektives angeordneten Musters im Bereich der Bildebene abgebildet wird, wobei ein zwischen dem Projektionsobjektiv und dem zu belichtenden Substrat angeordnetes, für Licht der Arbeitswellenlänge transparentes Immersionsmedium durchstrahlt wird. Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Tabelle 7

Tabelle 8

Tabelle 9

Tabelle 10

Claims

1. Refraktives Projektionsobjektiv zur Abbildung einer in einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters in eine Bildebene des Projektionsobjektivs mit Hilfe eines Immersionsmediums, welches zwischen einem letzten optischen Element des Projektionsobjektives und der Bildebene angeordnet ist, mit:
einer auf die Bildebene folgenden ersten Linsengruppe (LG1) mit negativer Brechkraft;
einer auf die erste Linsengruppe folgende zweite Linsengruppe (LG2) mit positiver Brechkraft;
einer auf die zweite Linsengruppe folgende dritte Linsengruppe (LG3) mit negativer Brechkraft;
einer auf die dritte Linsengruppe folgende vierte Linsengruppe (LG4) mit positiver Brechkraft;
einer auf die vierte Linsengruppe folgende fünfte Linsengruppe (LG5) mit positiver Brechkraft; sowie
einer Systemblende (5), die im Bereich maximaler Strahldurchmesser zwischen der vierten und der fünften Linsengruppe angeordnet ist.

2. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, bei dem die Systemblende (5) zwischen einer bildnahen Ebene maximalen Strahldurchmessers und der Bildebene (3) liegt.

3. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, das eine bildseitige numerische Apertur NA ≥ 0,9 hat, wobei die bildseitige numerische Apertur vorzugsweise mindestens NA = 1,0 beträgt.

4. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Projektionsobjektiv an ein Immersionsmedium (10) angepasst ist, welches bei der Arbeitswellenlänge einen Brechungsindex n > 1,3 hat.

5. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Projektionsobjektiv einen bildseitigen Arbeitsabstand zwischen ca. 10 µm und ca. 200 µm hat, insbesondere zwischen ca. 20 µm und ca. 100 µm.

6. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Verhältnis zwischen der Brennweite der vierten Linsengruppe (LG4) und der Brennweite der fünften Linsengruppe (LG5) zwischen ca. 0,9 und ca. 1,1 liegt.

7. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Verhältnis der Beträge der Brennweiten der ersten Linsengruppe (LG1) und der fünften Linsengruppe (LG5) zwischen ca. 0,7 und ca. 1,3, insbesondere zwischen ca. 0,9 und ca. 1,1 liegt.

8. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Verhältnis zwischen der Baulänge des Projektionsobjektivs und der Brennweite der fünften Linsengruppe (LG5) größer als fünf, vorzugsweise größer als sechs, insbesondere größer als acht ist.

9. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Linsengruppe (LG1) mindestens eine asphärische Fläche enthält, wobei in der ersten Linsengruppe vorzugsweise zwei asphärische Flächen vorgesehen sind.

10. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der dritten Linsengruppe (LG3) mindestens eine asphärische Fläche vorgesehen ist, wobei vorzugsweise zwei asphärische Flächen vorgesehen sind.

11. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in jeder Linsengruppe mindestens eine asphärische Fläche angeordnet ist und/oder bei dem nicht mehr als neun asphärische Flächen vorgesehen sind, wobei vorzugsweise weniger als sieben asphärische Flächen vorgesehen sind.

12. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Nahbereich der Objektebene (2), insbesondere innerhalb der ersten Linsengruppe (LG1), mindestens eine zur Objektebene konvexe Meniskuslinse (13) mit negativer Brechkraft angeordnet ist.

13. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Linsengruppe mindestens vier, vorzugsweise mindestens fünf oder sechs aufeinander folgende Linsen (14 bis 20) mit positiver Brechkraft aufweist.

14. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Linsengruppe (LG2) auf einer der Objektebene (2) zugewandten Eintrittsseite mindestens eine, vorzugsweise mehrere zur Objektebene konkave Meniskuslinsen (14, 15, 16, 17) mit positiver Brechkraft aufweist und/oder wobei die zweite Linsengruppe an der der Bildebene zugewandten Austrittsseite mindestens eine, vorzugsweise mehrere zur Objektebene konvexe Meniskuslinsen (19, 20) mit positiver Brechkraft aufweist.

15. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Linsengruppe (LG2) in dieser Reihenfolge mindestens eine zur Objektebene konkave Meniskuslinse (14, 15, 16, 17) mit positiver Brechkraft, eine bikonvexe Positivlinse (18) und mindestens eine zur Bildebene konkave Meniskuslinse (19, 20) mit positiver Brechkraft aufweist.

16. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dritte Linsengruppe (LG3) nur Linsen (21, 22, 23, 24) mit negativer Brechkraft aufweist.

17. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dritte Linsengruppe (LG3) in Bezug auf eine innerhalb der dritten Linsengruppe liegende Symmetrieebene (9) einen im wesentlichen symmetrischen Aufbau hat und/oder bei dem sich in der dritten Linsengruppe (LG3) zwei gegenläufig gekrümmte, konkave Flächen direkt gegenüberstehen und von zwei konkav zueinander stehenden konkaven Flächen umschlossen sind.

18. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein der dritten Linsengruppe (LG3) zugewandter Austrittsbereich der zweiten Linsengruppe (LG2) und ein der dritten Linsengruppe folgender Eintrittsbereich der vierten Linsengruppe (LG4) im wesentlichen symmetrisch zu einer innerhalb der dritten Linsengruppe liegenden Symmetrieebene (9) ausgebildet sind.

19. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vierte Linsengruppe (LG4) mindestens ein Doublett (27, 28, 29, 30) mit einer bikonvexen Positivlinse (27, 29) und einer nachfolgenden Negativ-Meniskuslinse (28, 30) mit objektwärts konvexen Linsenflächen aufweist, wobei vorzugsweise mindestens zwei Doubletts vorgesehen sind.

20. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vierte Linsengruppe (LG4) in einem objektseitigen Eintrittsbereich mindestens eine zur Objektebene (2) konkave Meniskuslinse (25, 26) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei vorzugsweise aufeinanderfolgend mehrere derartige Meniskuslinsen vorgesehen sind.

21. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sinus des maximalen Einfallswinkels der auf optische Flächen auffallenden Strahlung weniger als 90%, insbesondere weniger als 85% der bildseitigen numerischen Apertur beträgt.

22. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fünfte Linsengruppe (LG5) ausschließlich Linsen mit positiver Brechkraft aufweist.

23. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fünfte Linsengruppe mindestens vier Positivlinsen (31 bis 35) hat.

24. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fünfte Linsengruppe (LG5) mindestens eine Meniskuslinse (33, 34) mit positiver Brechkraft und bildwärts konkaven Linsenflächen aufweist.

25. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fünfte Linsengruppe (LG5) als letztes optisches Element eine Plankonvexlinse (35) aufweist, die vorzugsweise eine sphärische Eintrittsfläche und ein im wesentlichen ebene Austrittsfläche hat.

26. Projektionsobjektiv nach Anspruch 25, bei dem die Plankonvexlinse (35) nicht-hemisphärisch ausgebildet ist.

27. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Linsen aus dem gleichen Material bestehen, wobei vorzugsweise als Linsenmaterial für 193 nm Arbeitswellenlänge synthetisches Quarzglas und/oder als Linsenmaterial für 157 nm Wellenlänge Kalziumfluorid verwendet wird.

28. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um ein Ein-Taillen-System mit einem objektnahen Bauch (6), einem bildnahen Bauch (8) und einer dazwischenliegenden Taille (7) handelt.

29. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bildfelddurchmesser mehr als 10 mm beträgt, insbesondere mehr als 20 mm und/oder bei dem der Bildfelddurchmesser mehr als 1,0%, insbesondere mehr als 1,5% der Baulänge beträgt.

30. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Lichtleitwert mehr als ca. 1%, insbesondere mehr als ca. 2% der Baulänge beträgt.

31. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor der Systemblende (5) deutlich mehr Linsen angeordnet sind als hinter der Systemblende, vorzugsweise mindestens viermal so viele.

32. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Taille und der Systemblende (5) mindestens fünf Linsen mit positiver Brechkraft angeordnet sind.

33. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei dem ein Abstand zwischen der Taille und der Systemblende mindestens 26% der Baulänge beträgt, vorzugsweise mehr als 30% der Baulänge.

34. Projektionsobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine maximale Randstrahlhöhe mindestens doppelt so groß ist wie die Randstrahlhöhe am Ort der engsten Einschnürung.

35. Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, gekennzeichnet durch ein refraktives Projektionsobjektiv (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

36. 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;
Projektion eines Bildes des Musters auf ein im Bereich der Bildebene eines Projektionsobjektivs angeordnetes, lichtempfindliches Substrat mit Hilfe eines Projektionsobjektivs gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 34;
wobei bei der Projektion ein zwischen einer letzten optischen Fläche des Projektionsobjektives und dem Substrat angeordnetes Immersionsmedium durchstrahlt wird.