TWI494705B - 投射曝光方法、投射曝光系統與投射物鏡 - Google Patents

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Description

投射曝光方法、投射曝光系統與投射物鏡
本發明係關於利用設置於投射物鏡之物件表面區域之光罩圖案之至少一影像，曝光設置於投射物鏡之影像表面區域的輻射敏感基板之投射曝光方法。本發明更關於適合實施此方法之投射曝光系統以及適合用於此投射曝光系統之投射物鏡。
目前使用微影投射曝光方法及系統製造半導體組件與其他精細圖案化組件。微影投射曝光程序涉及使用載有或形成有要成像的結構圖案之光罩(遮罩)。此圖案定位於投射曝光系統之照射系統與投射物鏡間，且於投射物鏡之物件表面的區域。主輻射源提供主輻射並由照射系統的光學組件轉換而產生照射光，其係導向到照射場中的光罩圖案。由光罩及圖案修改的輻射通過投射物鏡，而在投射物鏡設置有要曝光基板的影像表面形成圖案的影像。基板通常載有輻射敏感層(光阻)。
當微影投射曝光系統用於製造積體電路時，光罩(遮罩)可含有對應積體電路個別層的電路圖案。此圖案可成像到做為基板的半導體晶圓上的曝光區域。曝光區域有時稱為晶粒。在積體電路背景中的晶粒是其上要製造預定功能性電路之半導體材料的小區塊。單一晶圓典型含有大量的相鄰晶粒，其中晶粒是相繼曝光於圖案影像。
於微影投射曝光系統的一種類型中，各晶粒的照射是藉由將整個光罩圖案一次曝光到晶粒。此類裝置通常稱為晶圓步進機。
選替的曝光系統稱為步進-掃描裝置或晶圓掃描機，各曝光區域是藉由在個別掃描方向相對於投射物鏡的有效物場移動光罩，以及同時相對於投射物鏡的共軛有效影像場的投射束移動基板，而在掃描操作中逐漸地照射。光罩典型由光罩支托器固定，而光罩支托器可平行於掃描裝置中投射物鏡的物件表面移動。基板典型由基板支托器固定，而基板支托器可平行於掃描裝置中的影像表面移動。掃描方向可例如彼此平行或彼此反平行。於掃描操作期間，光罩的移動速度與基板的移動速度與投射物鏡的放大率β相關，以縮減投射物鏡而言是小於1。
在基板上形成具有足夠對比的真實圖案影像要求曝光時基板表面應位在投射物鏡的聚焦區域。更具體而言，基板表面應設置在投射物鏡的焦深(DOF)區域，其與雷利單位RU(Rayleigh unit)成比例，定義為RU=λ/NA2 ，其中λ為投射曝光系統的操作波長，而NA為投射物鏡的影像側數值孔徑。舉例而言，λ=193 nm的深紫外光(DUV)微影典型需要具有數值孔徑為0.75或更高數值孔徑的投射物鏡，以達到0.2 μm或更小的特徵。於此NA區域，焦深典型為數十微米。一般而言，隨著投射系統的解析力增加，焦深傾向於降低。
長久已了解到具有相當窄焦深的系統可能需要特定的技術手段，以確保曝光時基板上的曝光區域是焦點對準的。舉例而言，US 6,674,510 B1揭露在量測台產生基板的高度圖之方法。高度圖是參考曝光時用於固定基板之基板桌的實體參考表面。於曝光台，量測實體參考表面的高度並與投射物鏡的聚焦平面關聯。然後，基板的高度圖用於決定基板桌的最佳高度及/或傾斜，而於曝光時將基板的曝光區定位在最佳焦點。
WO 99/32940揭露另一種微影投射裝置，其中使用高度量測方法。
重力失誤造成光罩形狀偏離平面形狀的結果，也可導入成像誤差。此效應通常稱為「光罩彎曲」。申請人公開的國際申請案WO 2006/013100 A2，揭露針對光罩彎曲造成的失真效應特別校正的投射物鏡。
本發明實施例之一目的在於提供歩進-掃描投射曝光方法，其容許高品質成像到具有不平(uneven)的基板表面之基板。
本發明實施例之另一目的在於提供歩進-掃描投射曝光方法，其容許高品質成像由不平光罩表面的欲成像圖案所形成。
為了達到本發明上述及其他目的，根據本發明之一實施例，提供一種投射曝光方法，包含：於掃描操作中，利用設置於投射物鏡之物件表面的光罩的圖案之至少一影像，曝光設置於投射物鏡之影像表面的輻射敏感基板之曝光區，掃瞄操作包含於個別掃描方向，相對於投射物鏡之有效物場移動光罩，同時相對於投射物鏡之有效影像場移動基板；以及在掃瞄操作期間，根據預定時間表(time profile)主動地改變投射物鏡的成像性質，以動態改變投射物鏡在掃瞄操作的開始與結束之間的至少一像差，其中：
(i)改變投射物鏡之至少一像差之步驟包含：以空間解析方式改變投射物鏡之至少一場元件造成的光學效應，場元件包含至少一光學表面，設置於光學靠近投射物鏡之場表面的投射束路徑；
(ii)至少一場元件為具有反射面之反射鏡，係設置於光學靠近場表面的投射束路徑；以及
(iii)改變投射物鏡之至少一成像性質之步驟包含：藉由在光學所用區(optically used area)改變反射鏡之反射面之表面輪廓(surface profile)，來改變反射鏡之光學性質。
較佳實施例顯示於申請專利範圍的附屬項。申請專利範圍的所有用語結合說明作為參考。
發明人認知到習知確保細微結構聚焦成像到基板之方法可能不足應付所有的狀況，來確保得到高良率的適當曝光基板，藉此降低廢品率。具體而言，已認知到廢品率可能顯著受到曝光區中基板表面的局部不平所影響。若曝光區內基板表面的相對位置隨著曝光區變化的大小超過可接受的範圍，則在曝光區內欲成像的部分圖案可能不足以用於界定結構化組件，因而增加了在組件使用期間組件發生故障的可能性。
舉例而言，當考量如下時可簡化此潛在的問題：通常設計用於打印45nm節點影像之投射系統的焦深(depth of focus)，典型具有焦深範圍在約100nm至約150nm的範圍。半導體國際技術準則所發表的規格(2006更新，表67a)指出在掃描機系統26mm x 8mm的曝光區內之晶圓基板的部位平坦度SFQR，可能對應於直接隨機存取記憶體(DRAM)中相關的DRAM的1/2節距(pitch)值。舉例而言，當打印由DRAM的45nm的1/2節距所特徵化的結構時，那些規格容許使用在掃描機的曝光區內具有部位平坦度達45nm的晶圓。考量到習知精確放置基板表面於投射物鏡之聚焦範圍內之手段，可能不足以應付在未來掃描系統的曝光區內基板表面可容許不平度的值。
於根據本發明實施例之一觀點的投射曝光方法中，在掃描操作期間，即一個單一掃描開始與一個單一掃描結束之間的時間間隔期間，執行對投射物鏡影像性質的主動操控，其中基板相對於投射物鏡的有效影像場移動，以連續地將光罩的部分圖案印在基板上。主動的操控造成投射物鏡之至少一像差性質以目標方式在掃瞄期間根據預定時間表動態地變化。此操控可藉由以下實行：致動操作地連接投射物鏡之光學元件的至少一操控裝置，以主動地改變被操控光學元件的光學效應，因此亦主動地改變整個投射物鏡的成像性質。
實施例的特徵可在於投射物鏡的場曲率(field curvature)在掃描操作期間根據預定時間表動態地變化的事實。因此可非常有效率地將投射物鏡的成像性質配合在曝光區內的基板表面位置及/或基板表面形狀的時間相依變異。選替或此外地，掃描期間投射物鏡的場曲率的動態變化亦可用於配合投射物鏡之物件側上的表面形狀及/或表面位置的變異。因此至少可部分補償例如重力及/或施加到光罩之力或力矩的影響所造成的光罩效應。
於隨著時間光學性質逐漸漂移的系統中，例如聚焦位置之光學性質在一個方向可能緩慢變化(具有小時間常數)，而在單一掃描操作期間使光學性質變化小，且僅在一個方向。相對地，於高度動態補償的實施例中，在掃描操作的開始與結束間的兩個相對方向，連續改變投射物鏡的至少一像差。換言之，於單一掃描操作期間，方向的改變可僅改變一次或更多次。於如此做時，可補償具有曝光區尺寸等級的典型尺寸之類圓頂形或類山谷形的負面效應。
一般而言，可能難以單獨方式變化一個成像像差而不影響其他成像像差。因此，其他像差，尤其是其他場像差如失真、彗形像差、失焦場輪廓、散光、及疊加，可隨著場曲率變化而同步變化。
於一些實施例中，改變投射物鏡之至少一成像性質的步驟包含以空間解析方式改變投射物鏡之至少一場元件所造成的光學效應。於此所用之「場元件」一詞係關於包含設置在投射束路徑上光學靠近投射物鏡之場表面的至少一光學表面之光學元件。主動地改變場元件所造成的光學效應容許對場像差(例如場曲率及失真)施以相對大的校正效應，同時可使得對波前像差如散光、彗形像差、球形像差、及高階像差的改變影響保持很小。因此，操控場元件可用於以目標方式改變場像差，而同時實質不引致寄生瞳像差。有許多方式將位置特徵化為「光學靠近場表面」。一般而言，利用傍軸(paraxial)子孔徑比(sub-apetrure ratio)SAR來界定例如透鏡或反射鏡之表面的光學表面的軸向位置可能有用，其於此界定如下：
SAR=(sign CRH)* (MRH/(∣MRH∣+∣CRH∣))
於此定義中，參數MRH表示傍軸邊緣光線高度(marginal ray height)，而參數CRH表示成像程序的傍軸主光線高度。針對本案目的之一，於此所用之「主光線(亦稱主要光線)」一詞表示從有效所用物場之最外場點(離光學軸最遠的)行進到入射瞳中心的光線。於旋轉對稱系統中，主光線可選自子午平面中的等效場點。在物件側實質為遠心的投射物鏡中，主光線自平行於光學軸或相對於光學軸有非常小角度的物件表面發射。成像程序更藉由邊緣光線的軌跡所特徵化。於此所用之「邊緣光線」為從軸向物場點(在光學軸上的場點)行進到孔徑光闌邊緣的光線。當使用偏軸有效物場時，由於漸暈(vignetting)之故，邊緣光線可能對影像的形成沒有貢獻。主光線及邊緣光線於此皆用於傍軸近似。此類所選光線與在預定軸向位置之光學軸間的徑向距離分別表示為「主光線高度」(CRH)及「邊緣光線高度」(MRH)。光線高度比RHR=CRH/MRH可用於特徵化鄰近或遠離場表面或瞳表面。
傍軸邊緣光線及傍軸主光線的定義可見於例如：Michael J. Kidger之「基本光學設計(Fundamental Optical Design)」,SPIE PRESS,Bellingham,Washington,USA(第2章)，此文獻結合於此做為參考。
於此界定的傍軸子孔徑比為帶有正負號的量，其提供描述沿光學路徑的位置的相對鄰近分別到場平面或瞳平面的手段。於上述的定義中，將傍軸子孔徑比正規化為介於-1及1之間的值，其中SAR=0的條件針對於場平面，而從SAR=-1跳到SAR=+1或從SAR=+1跳到SAR=-1的不連續點對應於瞳平面。因此，定位成光學靠近場平面(例如物件表面或影像表面)的光學表面之特徵在於：傍軸子孔徑比的值接近0，而光學靠近瞳表面之軸向位置之特徵在於：傍軸子孔徑比的絕對值接近於1。傍軸子孔徑比的正負號表示平面的位置是在平面的光學上游或下游。舉例而言，在瞳表面下游一點小距離及瞳表面上游一點小距離的傍軸子孔徑比可能具有相同的絕對值，但是相反的符號，因為主光線高度在通過瞳表面時改變了符號。
考慮到這些定義，場元件可定義為具有至少一光學表面設置成比靠近瞳表面還更光學靠近場表面之光學元件。光學靠近場表面的較佳位置可具有特徵在於：光線高度比之絕對值RHR=CRH/MRH>1。換言之，「光學靠近場表面」的典型光學表面為主光線高度CRH的絕對值超過邊緣光線高度MRH的絕對值的位置。
於其他說明中，「光學靠近場表面」的表面可具有特徵在於：傍軸子孔徑比SAR接近於零。舉例而言，在場元件之光學表面，傍軸子孔徑比SAR可為在0及約0.4之間或0及0.2之間的範圍。
於一些實施例中，場元件設置緊鄰下一個場表面，而使得場元件與最靠近的場表面之間沒有設置光學元件。
場元件可為投射物鏡的光學元件。場元件亦可設置在投射物鏡的物件表面與投射物鏡的物件側入射表面之間，或投射物鏡的影像側出射表面與影像表面之間。
用於像差操控的場元件可為投射束路徑中的透明光學元件。於此狀況中，透明光學元件的光學效應可藉由改變光學所用區中折射能力的空間分布，以空間解析方式變化或改變(依據光學所用區內的位置)。針對此目的，透明光學元件材料的折射率二維分布可以目標方式改變。此可藉由例如目標式局部加熱透明材料而造成。潛在適合的結構揭露於例如WO 2008/034636 A2，其揭露結合於此作為參考。選替或此外地，折射能力的局部分布可藉由改變透明光學元件的光學表面的局部表面曲率空間分布而改變。此可藉由例如目標式變形光學元件而造成。操控器的範例顯示於例如US 2003/0234918 A1。可使用改變折射率及改變表面曲率局部分布的組合。再者，操控可藉由具有互補形狀的非球型表面相對位移來實施，例如EP 0 851 304 B1所示。亦可使用光電操控器。習知操控器的架構及操作可能需要修改而有足夠的動態。
雖然透明光學場元件可設計成在各組態具有實質折射能力的透鏡，但是透明光學場元件亦可塑形成平行於實質沒有整體光學能力的板之平面。此類像板的場元件可設置非常靠近許多類型投射物鏡中的場表面，例如靠近物件表面，或於形成至少一實際中間影像的投射物鏡中，靠近中間影像。
於一些實施例中，至少一場元件為具有反射面之反射鏡，其設置在光學靠近場表面的投射束路徑。改變反射鏡的光學性質可包含改變光學所用區中反射面的表面輪廓。鏡操控器各操作地連接場鏡，且可組態成容許在一個或兩個維度改變場鏡的反射面的形狀。
動態改變投射物鏡的成像性質的自由度數目可藉由提供至少兩個場元件而增加，其可以預定座標化方式彼此獨立地操控。舉例而言，投射物鏡可包含兩個反射場元件(場鏡)，各光學靠近於場表面。各場鏡可指派有鏡操控器，用於以目標方式變化場鏡之反射面的形狀。
申請人的美國專利7,385,756號揭露具有兩個中間影像及兩個凹面鏡的折反射線上投射物鏡，各凹面鏡設置靠近於中間，即相對靠近場表面。兩個凹面鏡皆可用作為操控器。此文獻的揭露結合於此做為參考。
至少一場元件可設置靠近於物件表面。於一些實施例中，透明場元件形成投射物鏡緊接在物件表面後的第一個元件，而使場元件的入射表面形成投射物鏡的入射表面。因此可得到對場像差的強烈影響而實質不影響瞳像差到顯著的程度。在物件表面與中間影像表面間產生至少一實際中間影像的投射物鏡中，場元件可設置成光學靠近中間影像。於一些實施例中，投射物鏡具有至少兩個或剛好兩個中間影像。場元件可設置成光學靠近各中間影像表面，其為投射物鏡之場表面。
關於典型操控的動態，可考慮現代掃描系統可以例如約0.2m/s至約2m/s的掃描速度操作。掃描速度可為700 mm/s至800 mm/s的等級。典型掃描路徑長度可在數10 mm的等級(例如30 mm-40 mm)。如此容許每個曝光區(晶粒)有某10 ms(微秒)等級的曝光時間。考慮每個晶粒約50ms掃描時間的典型值，操控的動態可在20 Hz等級或更多，在典型案例中可例如40 Hz或更多、或60 Hz或更多、或80 Hz或更多、或100 Hz或更多、或120 Hz或更多。
關於操控的幅度，考慮場曲率峰-谷的局部變化在±45 nm等級在許多高NA系統中可足以達到合理程度的補償。此類高NA系統可具有最大可用NA在NA=0.8或更高的等級，例如NA0.9、或NA1、或NA1.2、或NA1.35。
相對而言，目前考慮在10ms(微秒)內焦深(DOF)的變化率在10%的等級，在許多案例中可足以達到足夠的補償。於一些實施例中，在1ms的時間間隔內，場曲率以投射物鏡之焦深的約0.5%及約50%之變化率來改變。
在用於有效補償基板不平的負面效應實施例中，本方法更可包含以下步驟：產生表示在曝光區之基板的表面輪廓的基板表面資料；基於基板表面資料產生操控器控制訊號；因應操控器控制訊號，驅動投射物鏡的至少一操控裝置，以動態地適性投射物鏡的成像性質，以降低由曝光區之表面輪廓所造成的像差。
基板表面資料的產生可藉由量測包含曝光區之量測區中的基板表面形貌。選替地，基板表面資料可衍生自表示包含曝光區之量測區中的基板表面形貌之查找表中所含的資料。查找表的資料可預先實驗或從一開始計算而得。舉例而言，場曲率的校正可基於基板表面形貌的先前量測而執行，而補償概念可基於查找表所含的資料。
因此，例如晶圓表面不平所引致的像差可以非常有效率的方式補償。量測可藉由習知方法執行。晶圓不平可能的原因為例如基板轉移程序，如以下文獻中所述：H.W. van Zeijl、J. Su、J. Slabbekoorn、F.G.C. Bijnen之「針對基板轉移程序之微影對準偏移補償(Lithographic Alignment Offset Compensation for Substrate Transfer Process)」，Proc. STW/SAFE,Veldhoven,The Netherlands,2005,pp 121-126。
用於有效補償光罩不平(例如由於光罩彎曲所造成)的負面效應實施例中，本方法可更包含以下步驟：產生表示在對應曝光區之光罩區中光罩之表面輪廓的光罩表面資料；基於光罩表面資料產生操控器控制訊號；因應操控器控制訊號，驅動投射物鏡的至少一操控裝置，以動態地適性投射物鏡的成像性質，以降低由光罩區之表面輪廓所造成的像差。
光罩表面資料的產生可藉由量測包含對應曝光區之光罩區之量測區中的光罩表面形貌。選替地，光罩表面資料可衍生自表示包含對應曝光區之光罩區之量測區中的光罩表面形貌之查找表中所含的資料。查找表的資料可預先實驗或從一開始計算而得。
因此，例如光罩表面不平所引致的像差可以非常有效率的方式補償。
前述及其他性質不僅可見於申請專利範圍，也可見於詳細說明與圖式，其中個別的特徵可單獨或子組合方式用於本發明實施例及其他領域，且可個別地表示優勢及可專利的實施例。
於以下較佳實施例的說明中，「光學軸」一詞表示通過光學元件曲率中心的直線或一系列直線片段。光學軸可藉由摺疊鏡(偏向鏡)摺疊，而使光學軸的連續直線片段間夾有角度。於以下所示範例中，物件為載有積體電路層圖案或其他圖案(例如格柵圖案)的光罩(遮罩)。將物件的圖案投射到做為基板而塗佈有光阻層的晶圓上，但是也可用其他類型的基板，例如液晶顯示器的組件或光柵基板。
提供列表以揭露圖式所示設計的規格，表或這些表與各自的圖式具有相同的標號。圖中相應的特徵具有類似或相同的參考符號以助於理解。標示透鏡時，符號L3-2表示第三物鏡部的第二個透鏡(由輻射傳播方向觀之)。
圖1示意地顯示晶圓掃描機WS形式的微影投射曝光系統，其以步進及掃描模式利用浸潤式微影，製造大尺度的積體半導體組件。此投射曝光系統包含作為主輻射源S具有操作波長為193nm的準分子雷射。於其他實施例中可使用其他主輻射源，例如發射約248 nm、157 nm、或126 nm。極紫外光(EUV)光譜範圍的輻射源亦可配合純反射(反射式)光學系統。在光源光學下游的照射系統ILL在其出射表面ES產生大型清晰界定及均質照射的照射場IF，係用於配合下游投射物鏡PO的遠心要求。照射系統ILL具有用於選擇照射模式的裝置，以及於此範例中可在習知具有可變程度的連貫性之軸上照射與偏軸照射(尤其是在照射系統的瞳表面中具有環形照射區之環形照射及雙極或四極照射)間變化。
設置在照射系統下游的是用於支托及操控光罩M的裝置RS，而使形成於光罩上的圖案位在照射系統的出射表面ES，其與投射物鏡PO的物件表面OS一致。用於支托及操控光罩之裝置RS通常稱為「光罩台」，且包含光罩支托器以及掃描機驅動器，其中掃描機驅動器於掃描操作期間，能使光罩平行於投射物鏡的物件表面OS移動或垂直於投射物鏡的光學軸及照射系統移動於掃描方向。
縮減式投射物鏡PO設計用於將光罩所提供之圖案的影像，以4:1的縮減尺度成像到塗有光阻層的晶圓W(放大率|β|=0.25)。也可以是其他的縮減尺度，例如5:1或8:1。用作為感光基板的晶圓W設置成使具有光阻層之宏觀平基板表面SS實質與投射物鏡的平影像表面IS一致。晶圓由裝置WST(晶圓台)所支托，其包含掃瞄機驅動器以與光罩M同步平行光罩地移動晶圓。晶圓台包含用於使基板平行於光學軸上升或降低之z操控器，以及用於繞垂直光學軸的兩個軸傾斜基板之傾斜操控器裝置。
用於支托晶圓W之裝置WST(晶圓台)係針對浸潤式微影而架構。其包含可由掃描機驅動器所移動的接受裝置RD，且其底部具有用於接收晶圓W的平凹部。周圍邊緣形成針對液體浸潤媒介IM之平的向上開放又液體緊密的接受部，液體浸潤媒介IM可利用未顯示的裝置導入接受部或自接受部排出。將邊緣的高度尺寸化，而使已填充入的浸潤媒介可完全地覆蓋晶圓W的表面SS，且投射物鏡PO的出側端區域可浸入浸潤液體，並正確地設定物鏡出射及晶圓表面之間的操作距離。
投射物鏡PO具有平凸透鏡PCL作為最靠近影像表面IS的最後光學元件，此透鏡的平出射表面為投射物鏡PO的最後光學表面。於投射曝光系統操作期間，最後光學元件的出射表面完全地浸潤於浸潤液體IM中且因浸潤液體IM而溼潤。
於其他實施例中，出射表面設置在晶圓的基板表面SS上方幾微米的工作距離，而使投射物鏡的出射表面與基板表面之間有氣體填充的間隙(乾系統)。
如圖1的示意插圖所示，照射系統ILL能產生具有矩形的照射場。照射場的尺寸及形狀決定了實際用於將投射物鏡之影像表面的光罩圖案影像投射之投射物鏡的有效物場OF的尺寸及形狀。有效物場在平行於掃描方向具有長度A*以及在垂直掃描方向的交叉掃描方向具有寬度B*>A*，且不包含光學軸(偏軸場)。
投射物鏡PO可包含複數示意顯示的透鏡(典型的透鏡數目通常大於10個或大於15個透鏡)，以及若有需要的話，可包含其他透明光學組件。投射物鏡可純粹為折射式(僅為透鏡)。除了透鏡外，投射物鏡還可包含至少一個供電鏡，例如至少一個凹面鏡(折反射投射物鏡)。
在許多微影的領域中，投射物鏡的影像側數值孔徑為NA>0.6，且在許多實施例中，NA是在約NA=0.65及NA=0.95之間，其可藉由乾物鏡達到。利用浸潤式系統容許得到NA值為NA1，例如NA1.1、或NA1.2、或NA1.3、或NA1.4、或NA1.5、或NA1.6、或NA1.7、或以上。基本上根據影像側NA與輻射源波長的組合，典型的解析度亦可下達約150nm、或130nm、或100nm、或90nm、或更低。
投射物鏡PO為光學成像系統，係設計用於在與物件表面光學共軛的影像表面中形成設置於物件表面OS的物件影像。無需形成中間影像或經由一個或更多中間影像(例如兩的中間影像)，可得到此成像。
各光學系統關聯於一種基本場曲率，習知稱為珀茲伐曲率(Petzval curvature)，於下參考圖2A更詳細地說明。當沒有散光時，矢狀及切面影像表面彼此相符並在珀茲伐表面。正透鏡(具有正折射能力的透鏡)將珀茲伐表面的向內彎曲導入系統，以及負透鏡(具有負折射能力的透鏡)導入向後彎曲。珀茲伐曲率1/RP 為珀茲伐半徑RP 的倒數(其為珀茲伐表面的曲率半徑)之珀茲伐和1/RP 所給定。
舉例而言，RP <0的條件係針對正透鏡，對應珀茲伐表面的向內彎曲。因此，平面物件的影像將朝輻射方向凹入，其中條件典型稱為場彎曲的「欠校正(undercorrection)」。相對地，RP >0的條件係針對凹面鏡，對應場彎曲的過度校正。可藉由具有RP =0的成像系統得到平物件的平影像。針對投射物鏡的這些狀況示意地顯示於圖2A。
珀茲伐表面及傍軸影像表面在光學軸相交。珀茲伐表面的彎曲可能針對遠離光學軸之場點導致珀茲伐表面遠離理想影像表面。珀茲伐表面彎曲的事實轉換成在影像場的外邊緣的場點上(在最大影像場高度y’)，珀茲伐表面從理想影像表面(通常為平的)縱向離開p，平行於影像表面中的光學軸所量測。「影像場彎曲」一詞習知用於表示在最大影像場高度y’的此類縱向離開(或下垂(sag))，且可能不會與影像場曲率半徑的倒數之「影像場的曲率」混淆。
注意圖2單純為示意的，且比例上並未針對圖中所討問的任何特徵。
結合圖2B解釋在物鏡影像側的狀況。針對本案目的，影像場尺寸的特徵可在於：最大影像場高度y’，其對應物鏡的(圓形的)「設計影像場」的半徑。設計影像場IFD 包含影像表面的所有場點，物鏡的成像中實度就所要的微影程序而言是足夠好的。換言之，在具有徑向座標等於或小於最大影像場高度y’的區域內，針對所要的應用充分地校正了所有的像差，而對設計影像場IFD 外的場點而言，一個或更多的像差可能高於所需的臨界值。
一般而言，並非在設計影像場IFD 內的所有場點都用於微影程序。反而是僅利用位在有效影像場IF內的場點執行曝光，有效影像場IF在尺寸上應大到足以容許在微影程序曝光合理尺寸的基板。有效影像場必須符合設計影像場IFD，以僅包含足以校正物鏡且無漸暈發生的場點。有各種的方式可依據物鏡的設計而將有效影像場符合設計影像場。
在針對掃描操作所設計的投射曝光系統中，使用狹縫形有效影像場IF。圖2B顯示矩形有效偏軸影像場IF的範例，其可配合以下例示討論的無遮蔽折反射投射物鏡使用。於撫慰實施例中，可使用具有弧形的有效影像場(有時稱為環場或環形場)。有效影像場的尺寸通常以平行於掃描方向的長度A及垂直於掃描方向的寬度B>A來描述，藉此定義外觀比AR=B/A>1。於許多實施例中，外觀比可在例如2:1至10:1的範圍。
先進掃描投射曝光系統可配備有晶圓台，而可平行於光學軸移動基板桌(z-操控)，以及亦可繞垂直於光學軸的兩個互相垂直軸傾斜晶圓桌(x傾斜及y傾斜)。此系統可操作而在曝光步驟間偏移或傾斜基板桌，而基於先前量測的基板表面來調整基板表面相對於投射物鏡的聚焦區域之位置(參見例如US 6,674,510 B1)。
然而，那些系統不能完全應付曝光區內基板表面的局部不平。反而典型得到相對於投射物鏡的聚焦區域之基板表面的折中位置。然而。發明人已體認到曝光區內不平的基板表面輪廓可能造成成像程序的品質惡化，藉此導致例如製造微結構半導體裝置的廢品率增加。
圖3示意地顯示習知利用能平行於光學軸上升或下降基板表面的晶圓台原理(z操控)。於圖3A中，於z=0時，不平的基板表面SS整個位在投射物鏡的聚焦位置外。因此，如圖3B所示，聚焦位置FOC位在晶圓W的基板表面上方。若晶圓台在軸向上升預定量(z-MAN)，則不平的基板表面可能在最佳聚焦區域中，而使至少部分曝光區聚焦，並降低失焦像差(3C)。然而，根據焦深，可能發生部分曝光區仍在聚焦外超過可接受臨界值，因此可能顯著惡化在至少部分的曝光區的對比。
於以下中，基板表面的不平可視為微影成像程序的干擾。針對說明目的，圖4A顯示基板表面SS次分成兩個大量矩形曝光區ES(或晶粒)的半導體晶圓W的軸向視圖，其中曝光區設置於相鄰晶粒網絡中，其一次一個地連續透過光罩照射。各曝光區具有寬度EAX，對應於投射物鏡在交叉掃描方向(x方向)的有效影像場的寬度以及長度EAY，其可等於、大於、或小於寬度EAX，且實質大於有效影像場的高度A。圖4B顯示基板的垂直截面(x-z截面)，係顯示多重彎曲基板表面SS。考量到在全面調整軸向位置及整個基板的傾斜角後，基板表面的局部不平造成表面輪廓，其至少在第一近似中於x方向具有實質拋物線狀的(二次方的)場輪廓。自平面參考表面偏離的量可藉由在個別區中的峰-谷值pv來量化，峰-谷值於此定義為在曝光區中最小及最大輪廓高度之間的差異。更考量到由於狹縫形有效影像場的高外觀比(例如4<AR<6)，所以可忽略在正交y方向(掃描方向)基板表面SS的彎曲。因此，由於投射物鏡之高影像側數值孔徑，基板的不平表面輪廓將至少在第一近似中引致失焦的二次方場輪廓，以及同時引致球面像差的二次方場輪廓。注意，這些像差與投射物鏡的光學設計無關，且僅相關於投射物鏡的影像側NA。
於以下中，由投射系統造成的及/或由外部狀況引致的波前像差，表示為多項式的線性組合。於光學領域中，許多類型的多項式適合用於描述像差，例如塞德爾(Seidel)多項式或任尼克(Zernike)多項式。任尼克多項式於下用來特徵化像差。
使用任尼克項來描述源自光學表面偏離完美球形的波前像差之技術乃是先進的技術。亦好好建立不同的任尼克項表達不同的像差現象，包含失焦、散光、彗形像差、及球面像差到更高的像差。像差可表示為所選數目的任尼克多項式的線性組合。任尼克多項式為一組界定於單位圓上的完全正交多項式。舉例而言，使用極座標，其中ρ為正規化的半徑，而θ為方位角。波前像差W(ρ,θ)可以任尼克多項式展開成任尼克項與個別權重因子的積之和(參見例如光學系統手冊，第二冊，物理影像形成(Handbook of Optical Systems: Vol. 2,Physical Image Formation)，由H Gross編輯，Wiley-VCH Verlag GmbH ＆ Co. KGaA,Chapter 20.2,(2005))。於任尼克表示式中，任尼克多項式Z1、Z2、Z3等具有某些意義，以識別對整體像差的貢獻。舉例而言，Z1=1對應於常數項(或活塞項(piston term))，Z2=ρ cosθ對應於在x方向的失真(或在x方向的波前傾斜)，Z3=ρ sinθ對應於在y方向的失真(o或在y方向的波前傾斜)，Z4=2ρ2 -1對應於失焦(拋物線部分)，Z5=ρ2 cos2θ對應於散光三階等。
任尼克多項式亦可用於特徵化光學表面(例如透鏡表面或反射鏡表面)相對於標稱表面(例如球形表面)的偏差。
圖5顯示任尼克光譜，表示針對曝光區中由峰-谷值PV=100nm所特徵化的基板表面不平度，在曝光區內於x方向實質二次方表面輪廓的效應。顯而易見不平度基本上影響失焦(任尼克係數Z4)及球面像差(主要球形像差Z9，次要球形像差Z16等)，同時由不平的(非平面的)表面輪廓所引致的其他像差水平相較地小。
以下範例顯示由掃描微影裝置之曝光區內不平的基板表面所引致的成像像差如何可顯著地降低。圖6A示意地顯示在兩個不同即時時間之間的不平晶圓表面上之矩形曝光區EA。在第一個即時時間t1 ，投射物鏡之被照射的狹縫形有效影像場IF定位成靠近曝光區的下邊緣。隨著掃瞄的進行，晶圓相對於固定的投射物鏡在掃描方向(y方向)移動，而使被照射的有效影像場在之後的即時時間t2 是在與第一位置相隔的不同位置。掃描速度典型的值(例如介於約0.2 m/s及2 m/s之間)以及曝光區尺寸具有典型的邊緣長度在一或更多公分的等級，例如在20 mm及40 mm之間，在一個掃描操作中以被照射的影像場涵蓋整個曝光區所需的時間間隔Δt，可典型地在例如約10 ms至200 ms之間的範圍。
圖6B顯示基板在垂直於掃描方向之x-z平面的個別區段。於個案例中，顯示投射物鏡PO的影像側端，投射物鏡的出射側與基板的不平表面SS相距工作距離。基板表面於t1 具有凸表面形狀，而基板表面在之後的時間t2 >t1 凹向地彎曲於由投射束橫越的相隔區域。
各案例中的虛線表示投射物鏡的珀茲伐表面PS，其適性以符合在有效影像場內的基板表面形貌，以容許降低由不平基板表面所造成的成像像差。於範例中，相對於在t1 時刻的場曲率，投射物鏡些微的欠校正，且校正狀態在t2 時刻動態地改變成些微地過度校正。在配合掃描速度的秒分率內，成像系統之影像場曲率顯著的變化動態地實施。此變化基於在掃描操作前執行的表面形貌量測實施，如於下詳述。
考慮每個晶粒的掃描時間典型值為約50 ms，動態操作可在例如20 Hz或更多的等級。
相對而言，現在考慮在10ms(微秒)內在焦深(DOF)的10%等級的改變率，對許多案例可就足以達到足夠的補償。於一些實施例中，失焦是在1ms的時間間隔內，以投射物鏡的焦深(DOF)的約0.5%至約50%的改變率來改變。
由投射物鏡的一個或更多的光學元件的主動操控所引起的成像像差的改變率，例如場曲率及/或失真，可比使用投射系統時發生由環境變化(例如環境壓力及/或溫度的變化)以及/或加熱系統所引起變化，所造成的時間相依改變快了大約幾個數量級。
投射物鏡位在相當靠近個別場表面的一或更多光學元件(場元件)的目標操控效應，現在利用適合NA>1之浸潤式微影的折反射投射物鏡之工作範例更加詳述。個別曝光系統可配備有先進的操控器，以平行於光學軸來移動光罩及/或遮罩，以及繞著垂直光學軸的一個或更多的傾斜軸來傾斜光罩及/或晶圓。此外，曝光系統可配備有波長操控器，以在配合個別投射物鏡的色度校正狀態下，在操控範圍Δλ內偏移系統的中心波長λ。
於各案例中，一個或更多的額外操控器可特定地提供，用於應付基板表面不平度及/或光罩不平度的效應，如下詳加解釋。
圖7顯示第一實施例的折反射投射物鏡700的兩個軸向區段。以縮小成像尺度4:1(β=-0.25)而言，投射物鏡在物件側為遠心的，而在影像側具有影像側數值孔徑NA=1.35。有效影像場尺寸為26 mm x 5.5 mm。此規格顯示於表7、7A。圖7A顯示在x-z平面的區段，而圖7B顯示在與其垂直的y-z平面的各個區段。針對系統的規格資料得自US 2008/0174858 A1之圖3所示的實施例。此相應的揭露結合於此作為參考。
投射物鏡700設計用於將設置在平物件表面OS(物件平面)的光罩上的圖案影像，以縮減的尺度例如4：1投影到平影像表面IS(影像平面)，其中產生剛好兩個實際中間影像IMI1、IMI2。矩形有效物場OF及影像場IF為偏軸的，即整個在光學軸OA外。第一折射物鏡部OP1設計用於將物件表面的圖案成像為第一中間影像IMI1。第二反射(純粹反射)物鏡部OP2以接近1:(-1)的倍率將第一中間影像IMI1成像為第二中間影像IMI2。第三折射物鏡部OP3以強烈的縮減比例將第二中間影像IMI2成像到影像表面IS。
投射物鏡700為「連鎖式」投射物鏡的範例，其具有複數一連串的物鏡部，各用作為成像系統，且經由中間影像鏈接，由輻射路徑上的前個成像系統所產生的影像(中間影像)作為輻射路徑上後續成像系統的物件。後續成像系統可產生另一個中間影像(例如第二物鏡部OP2)或形成投射物鏡的最後一個成像系統，其在投射物鏡的影像平面產生「最終的」影像場(類似第三物鏡部OP3)。
偏軸物場OF的外場點的主光線CR路徑顯示於圖7B，以助於跟隨投射束的光束路徑。
三個互相共軛的瞳表面P1、P2、及P3形成於主光線與光學軸相交的位置。第一瞳表面P1形成於物件表面與第一中間影像之間的第一物鏡部，第二瞳表面P2形成於第一中間影像與第二中間影像之間的第二物鏡部，而第三瞳表面P3形成於第二中間影像與影像表面之間的第三物鏡部。
第二物鏡部OP2包含第一凹面鏡CM1，係具有面對物件側的凹面鏡表面，以及第二凹面鏡CM2，係具有面對影像側的凹面鏡表面。鏡表面的所用部分，即於操作期間受到照射的鏡表面區域，皆為連續的或未斷的，即這些鏡在受到照射的區域不具有孔洞或鑽孔。彼此面對的鏡表面界定由凹面鏡所定義的曲面所圍成的折反射腔，其亦稱為內鏡空間。中間影像IMI1、IMI 2皆位在折反射腔內部並遠離鏡表面。
物鏡700為旋轉對稱的，並具有所有折射及反射光學組件共有的一個直光學軸(「線上系統」)。並沒有摺疊鏡。發生偶數的反射。光學表面及影像表面為平行的。凹面鏡具有小直徑，而容許設置成緊靠在一起，且相當靠近位在其間的中間影像。凹面鏡皆架構及照射成軸向對稱表面的偏軸區段。光束經過面對光學軸之凹面鏡的邊緣，而無漸暈。凹面鏡皆光學定位成遠離瞳表面相當靠近下個中間影像。物鏡具有集中環繞光學軸之無遮蔽圓形瞳，因而容許用作為微影的投射物鏡。
凹面鏡CM1、CM2皆設置成光學靠近由下個中間影像所形成的場表面，如下表A所示，提供關於邊緣光線高度MRH、主光線高度CRH、光線高度比RHR、以及子孔徑比SAR的資料：
光學靠近場表面的位置亦可由在個別表面的投射束形狀所特徵化。於光學表面光學靠近場表面處，投射束的截面形狀顯著偏離在瞳表面或其附近典型發現的圓形。於本文中，「投射束」一詞描述從物件表面之有效物場朝影像表面之有效影像場行進的所有光線束。光學靠近場表面的表面位置可定義為：在正交於光束傳播方向的兩個互相垂直方向中，投射束的光束直徑可彼此偏離大於50%或大於100%的位置。典型而言，在光學靠近場表面之瞳表面的受照射區會具有強烈偏離圓形端的形狀，類似高外觀比的矩形，對應於掃描微影投射裝置中的較佳場形狀。可由以下圖9得知，在第一凹面鏡與第二凹面鏡上的受照射區實質為具有圓化邊緣的矩形，此矩形具有約有效物件及影像場之外觀比AR。有效物場OF的矩形可由圖7A及圖7B之間的比較而得知，其中在圖7A中物場沿著長邊(x方向)切截，而在圖7B中，物場平行於掃描方向切截，即平行於矩形有效物場的短邊切截。
兩個凹面鏡CM1及CM2的主要功能是校正珀茲伐和，係藉由提供珀茲伐和過度的校正貢獻，以抵銷透鏡的正折射能力的欠校正影響。凹面鏡對場曲率的貢獻可藉由根據預定的空間及時間表改變反射面的表面曲率來動態地變化。針對此目的，第一凹面鏡及第二凹面鏡分別各關聯於鏡操控器MM1、MM2，其於掃描操作期間皆針對相關的凹面鏡針對二維變形(在二維中以空間解析變形)來組態。鏡操控器在結構上可相同或不同。
於範例中，凹鏡各在鏡表面的彈性部分上具有高反射(HR)塗層。鏡操控器MM1或MM2的一些致動器(由箭頭表示)操作地耦接到彈性部分的背側。致動器由鏡控制單元MCU所控制，其可為投射曝光裝置之中央控制單元的整合部分。連接操控器控制單元以接收表示鏡表面所需變形的訊號。鏡操控器及對應的控制單元可實質設計成例如申請人的專利申請號US 2002/0048096 A1或US 2005 0280910 A1(對應於WO 03/98350 A2)所揭露的。相應的揭露結合於此作為參考。
然而可使用任何合適架構的瞳鏡操控器，例如使用機電致動器的操控器，如壓電元件、回應流體壓力變化的致動器、電及/或磁致動器。這些致動器可用於變形連續的(未斷的)鏡表面，如上所述。鏡操控器亦可包含一個或更多的加熱元件及/或冷卻元件，實施對鏡的局部溫度改變，而導致所需的鏡表面變形。可針對此目的使用電阻加熱器或帕耳帖(Peltier)元件。
可針對具有不平基板表面的晶圓基板，模擬於掃描操作期間第一凹面鏡CM1及第二凹面鏡CM2兩者的二維變形，其中晶圓基板在交叉掃描方向(x方向)具有凹面拋物線輪廓且最大高度最小高度間的差異為45nm(45 nm的峰-谷)，如圖4B所示。模擬了三個校正情境SC1、SC2、及SC3。
於第一情境SC1中，以習知方式藉由主動操控晶圓的z位置及晶圓的傾斜狀態來校正基板不平度，基本上如圖3的說明。於第二情境SC2中，額外執行對數個光學元件的主動操控，包含平行於光學軸的相對位移及傾斜透鏡。
於第三情境SC3中，於掃描操作期間，第一凹面鏡CM1及第二凹面鏡CM2兩者的表面形狀以時間相依方式二維地變形，以降低基板表面不平所造成的像差。圖8顯示在所述的三個情境SC1、SC2、及SC3中由二次方不平度(PV=45 nm)所引致的像差的比較。整體引致的像差分解成由任尼克係數描述的貢獻，其如圖8的橫座標值所示。縱座標顯示單位為nm的掃描像差SCA。由各光學靠近場表面(中間影像)之兩個鏡在掃描操作期間動態地變形以改善像差的案例中，可看出掃描像差有顯著的改善。失焦像差(Z4)及波前傾斜像差(Z2/3)皆可相對於標準情境SC2顯著地降低，且相對於第一情境SC1乃更加地降低，其僅相對於軸向位置及傾斜而使用最佳化晶圓位置。失焦(Z4)及波前傾斜(Z2/3)皆可相對於標準情境SC2降低約90%，相對於純晶圓情境SC1甚至得到更佳的改善約95%。舉例而言，藉由動態變形兩個凹面鏡，失焦像差Z4可從約12nm降低至約0.6nm。類似地，針對散光(Z5/6)可得到顯著的改善，其相對於標準情境SC2可降低約90%。
這些值表示場元件的動態變形顯著降低基板表面不平度對聚焦預算的貢獻，其為目前主導貢獻之一。因此得到微影程序中程序寬容度的顯著改善。同時，關於聚焦失誤的要求可在其他貢獻效應上放鬆，例如透鏡加熱或類似者。
圖9示意地顯示為了得到所需的改善而應用於第一凹面鏡CM1之校正變形(圖9A)及第二凹面鏡CM2之校正變形(圖9B)。於各案例中，反射面的峰-谷(PV)變形相當小且可在例如低於200nm的範圍。於特定案例中，CM1的PV變形約80nm，而CM2的PV變形約160nm。再者，圖式示意地顯示實施相當長波的變形以降低由基板表面在交叉掃描方向之長波二次方變形所造成的像差。此表示在許多案例中鏡的凹面基本輪廓偏差不需要非常複雜，而使個別鏡操控器的架構相當簡單。一般而言，可於各案例中使用多重任尼克鏡操控器，而容許反射面以目標式變形，其可分解成任尼克係數達到高值，例如Z2至Z49之間。然而，在許多案例中較不複雜結構的變形可能已足夠，而容許使用較不複雜的鏡操控器。
補償機制可實施於包含投射物鏡之投射曝光裝置，其中投射物鏡具有一個或更多的操控器，係關聯於投射物鏡之一個或更多的光學元件，係藉由將操控器整合於控制系統，用於在掃描操作期間根據預定表主動地改變投射物鏡的成像性質，而在掃描操作的開始與結束之間動態地改變投射物鏡的至少一像差。關聯於光學元件之操控器可連接到產生操控器訊號的控制單元，其中操控器訊號啟動受操控光學元件之個別光學效應的改變。操控器訊號可以不同方式產生。於一些實施例中，提供量測系統，其容許量測在包含曝光區之量測區中的基板表面之表面形貌。選替地，基板表面資料亦可衍生自查找表中所含的資料，其表示包含曝光區之區域中的基板之量測或計算的形貌。
系統組態成容許補償光罩之非理想表面形狀所造成的其他像差的失真時，可實施對應手段以應付光罩的不平表面形狀。可例如基於量測或基於查找表中所含的資料，產生表示對應於曝光區之光罩區中之光罩表面輪廓的對應光罩表面資料。光罩表面資料可由控制單元處理，以產生操控器控制訊號，然後用於控制在投射物鏡內的至少一操控裝置，而以補償方式動態地適性投射物鏡的成像性質，以降低因光罩區中的表面輪廓所造成的成像像差。
圖10顯示根據不同設計在約λ=193 nm之浸潤式微影之折反射投射物鏡1000的第二實施例。以縮小成像尺度為4:1(β=-0.25)而言，投射物鏡在物件側為遠心的，而在影像側具有影像側數值孔徑NA=1.32。有效影像場尺寸為26 mm x 5.5 mm。此規格顯示於表10、10A。圖10A顯示在x-z平面的區段，而圖10B顯示在與其垂直的y-z平面的個別區段。針對系統的規格資料得自US 2008/0174858 A1之圖7所示的實施例。此相應的揭露結合於此作為參考。
投射物鏡1000設計用於將設置在平物件表面OS(物件平面)的光罩上的圖案影像，以縮減的尺度例如4：1投影到平影像表面IS(影像平面)，其中產生剛好兩個實際中間影像IMI1、IMI2。矩形有效物場OF及影像場IF為偏軸的，即整個在光學軸OA外。第一折射物鏡部OP1設計用於將物件表面的圖案成像為第一中間影像IMI1。第二反射折反射(折射/反射)物鏡部OP2以接近1:(-1)的倍率將第一中間影像IMI1成像為第二中間影像IMI2。第三折射物鏡部OP3以強烈的縮減比例將第二中間影像IMI2成像到影像表面IS。
投射物鏡1000為「連鎖式」投射物鏡的範例，其具有複數一連串的物鏡部，各用作為成像系統，且經由中間影像鏈接，由輻射路徑上的前個成像系統所產生的影像(中間影像)作為輻射路徑上後續成像系統的物件。順序為折射-折反射-折射(RCR)。
偏軸物場OF的外場點的主光線CR路徑顯示於圖10B的粗體線，以助於跟隨投射束的光束路徑。
三個互相共軛的瞳表面P1、P2、及P3形成於主光線與光學軸相交的位置。第一瞳表面P1形成於物件表面與第一中間影像之間的第一物鏡部，第二瞳表面P2形成於第一中間影像與第二中間影像之間的第二物鏡部，而第三瞳表面P3形成於第二中間影像與影像表面IS之間的第三物鏡部。
第二物鏡部OP2包含單一凹面鏡CM，係位在第二瞳表面P2。第一平面摺疊鏡(folding mirror) FM1設置成在光學軸OA的45°度角光學靠近第一中間影像IMI1，而將來自於物件表面的輻射反射於凹面鏡CM方向。第二平面摺疊鏡FM2具有平面鏡表面直角對準第一摺疊鏡的平面鏡表面，而將來自於凹面鏡CM的輻射反射到平行於物表面之影像表面的方向。摺疊鏡FM1、FM2各位在最靠近的中間影像附近，但與其相距一小段距離。因此，摺疊鏡為場鏡。因此在輻射以反方向通過兩次的雙重通過區，幾何上形成於偏向鏡FM1、FM2與凹面鏡CM之間。具有兩個負透鏡的負群組NG設置於靠近凹面鏡具有大邊緣光線高度之區域，並與凹面鏡同軸，而使輻射以相反方向通過負群組兩次。在負群組與凹面鏡之間沒有設置光學元件。
緊鄰物件表面OS的第一光學元件為透明平面平行板PP，設置成非常靠近物場。以下表B提供關於邊緣光線高度MRH、主光線高度CRH、光線高度比RHR、以及板PP之入射面1及出射面2之子孔徑比SAR的資料：
此板關聯於操控裝置MAN，容許因應在短時間尺度的電訊號，以高空間解析度來變化板之折射率的二維分布。操控器的架構可基於WO 2008/034636 A2所揭露的佈線格柵操控器系統，其結合於此作為參考。可提供用於主動冷卻透明操控器元件的冷卻系統，以增加動態並容許快速的溫度變化。
再者，操控可藉由具有互補形狀的非球面的相對位移來實施，如EP 0 851 304 B1所示。一對非球面可設置成緊鄰物件表面做為場元件。亦可使用光電操控器。再者，操控器可架構成包含圓柱形透鏡元件，可相對於彼此旋轉(參見例如EP 0 660 169 B1)，以及放置於靠近場表面，例如物件表面。
如第一實施例，針對補償模擬了三個校正情境SC1、SC2、及SC3。於第一情境SC1中，以習知方式藉由主動操控晶圓的z位置及晶圓的傾斜狀態來校正基板不平度，基本上如圖3的說明。於第二情境SC2中，額外執行對數個光學元件的主動操控，如上所述。
於第三情境SC3中，於掃描操作期間，應用在平面板PP內的時間相依橫向折射率不均質性，以動態地最佳化場曲率及投射物鏡的其他場像差。折射率的二維(空間)分布，可藉由例如任尼克係數Z2至Z49來描述。
圖11顯示在所述的三個情境SC1、SC2、及SC3中由二次方不平度(PV=45 nm)所引致的像差的比較。整體引致的像差分解成由任尼克係數描述的貢獻，其如圖11的橫座標值所示。縱座標顯示單位為nm的掃描像差。由類板光學元件PP在掃描操作期間動態地致動以改善像差的案例中，可看出掃描像差有顯著的改善。失焦像差(Z4)及波前傾斜像差(Z2/3)皆可相對於標準情境SC2顯著地降低，且相對於第一情境SC1乃更加地降低，其僅相對於軸向位置及傾斜而使用最佳化晶圓位置。失焦(Z4)及波前傾斜(Z2/3)皆可相對於標準情境SC2降低約90%，相對於純晶圓情境SC1甚至得到更佳的改善約93%。舉例而言，藉由動態修改板PP的折射率分布，失焦像差Z4可從約12nm降低至約0.8nm。類似地，針對散光(Z5/6)可得到顯著的改善，其相對於標準情境SC2可降低約90%。寄生散光像差Z2/3從0.7nm(第二情境SC2中)在第三情境SC3中降低到0.3nm。
這些值表示場板PP中折射能力分布的動態修改顯著降低基板表面不平度對聚焦預算的貢獻，其為目前主導貢獻之一。因此得到微影程序中程序寬容度的顯著改善。同時，關於聚焦失誤的要求可在其他貢獻效應上放鬆，例如透鏡加熱或類似者。
實施例顯示在要曝光的基板表面於曝光區不是完美平的案例中，於掃描操作期間成像性質(例如投射物鏡的場曲率)的動態改變，可顯著改善整個曝光程序的像差程度。然而。此乃藉由提供具有操控裝置之投射曝光系統可解決或引致的許多問題的其中之一，容許於單一掃描操作期間目標式改變投射物鏡的成像性質。可藉由此改良結構及功能所解決的另一個問題是通稱為「光罩彎曲」的問題。
一般而言，在典型的曝光系統中，投射物鏡在重力方向對準於光學軸。載有圖案的光罩典型定向於水平面，且垂直於光學軸。因此，光罩(遮罩)由於重力可能下垂，此下垂基本上是光罩類型及將光罩牢接到光罩支托器之裝設技術的函數。一般而言，從圖案的平面對準發生的二維偏差可能無法預先知道且可能難以決定。下垂的結果造成在要成像的光罩上的個別位置從所需位置(以完美平面光罩而言)偏移，而不能完全地事先預測，此位移的方向及長度通常是光罩上位置的函數。造成光罩下垂的另一個可能因素是裝設技術對裝設光罩形狀上的直接影響。一般而言。作用於光罩上的軸承及/或挾持所造成的力及力矩，在曝光期間可能對光罩的複雜變形狀態有所貢獻。這些影響可能無法完全預先知道，且可因光罩而異，但針對光罩類別也可相同。
光罩彎曲造成的問題常以各種方式解決，例如申請人於WO 2006/01300 A2或US 2003/0133087 A1所揭露的範例。
光罩彎區所造成的像差問題可利用於掃描操作期間用於動態改變投射物鏡的成像性質的曝光裝置，以動態方式解決。
圖12以透視圖顯多彎曲光罩表面在品質上的變形。若光罩由支撐件固定於框架上，則可假設變形實質為拋物線形狀，如WO 2006/013100 A2所示。若光罩利用夾持技術卡合於光罩周邊區域的三點或更多點而裝設，則可能造成鞍型變形，其疊加於重力引致的變形。此類鞍型變形顯示於圖12，其中挾持光罩於四個角落位置。光罩彎曲可能造成光罩的中央區域相對於邊緣區域位移約微米的十分之一或更多的等級。於調整投射物鏡期間，可藉由抵銷手段應付系統化光罩的彎曲效應，而使投射物鏡具有界定的非零場區域，其通盤應付某些量的光罩彎曲。然而。利用不同光罩所造成的及/或操作期間變形所引致的難以預測溫度所造成的非系統化貢獻，可能不能藉由投射物鏡的對應調整來事先應付。不可預測的效應可能對聚焦預算有顯著貢獻，且可能不能利用標準操控完全應付相應像差效應。然而，於掃描操作期間，以動態方式主動操控至少一場元件，可朝更小值顯著改善像差程度。
圖13顯示兩個校正情境的比較圖。圖式顯示在操控器調整後的殘餘像差。欄顯示針對在光罩中心有40nm PV變形的光罩歪斜(鞍型)變形之殘餘誤差(掃描像差)。於比較中，實線SC3顯示在圖7包含兩個凹面鏡CM1、CM2(場鏡)的目標式變形實施例的校正情境中的個別值。在沒有校正的系統中，失焦值Z4達約7nm。在標準情境SC2中，失焦誤差可降低至約3.5nm。鏡CM1、CM2的反射面之額外目標式變形，可進一步降低失焦約0.3nm大小的等級。同時，此校正所引致的寄生誤差通常很小，如圖所示約低於0.5nm。
針對使用耦接操控器之透明場PP元件以容許改變板內的折射率之二維分布的第二實施例，已執行類似的研究。圖14顯示三個校正情境的比較圖。使用標準校正容許聚焦誤差(Z4)從7nm降低至約6nm。使用作用於靠近物件表面的場元件之二維操控器，容許顯著降低這些誤差。具體而言，失焦像差可從約6nm降低至約0.4nm，而不導入高於臨界程度的寄生場像差。此外，利用設置靠近於物件表面的二維操控器，傾斜誤差Z2/3在情境SC1(僅晶圓操控)可從約16.8nm降低至約0.6nm。
圖15顯示於掃描期間藉由彎曲設置成光學靠近場表面的鏡的一個或更多反射面，來操控投射物鏡的光學性質之另一選擇範例。圖15顯示投射物鏡的子午平面的細節，其中所有的光學元件具有與圖10A、圖10B所述相同的規格。因此，部分顯示於圖15之光學系統的規格與表10、10A所提供的相同。如上所述，第二物鏡部OP2包含凹面鏡CM位在靠近投射物鏡的第二瞳表面P2，其光學第位在第一中間影像IMI1(由折射第一物鏡部所產生)及第二中間影像IMI2(其最終由第三折射物鏡部成像而在影像表面形成影像)之間。第一摺疊鏡FM1設置成光學靠近第一中間影像，且將第一物鏡部OP1提供的輻射朝凹面鏡CM反射。第二摺疊鏡FM2相對於第一摺疊鏡FM1設置成90°，且設置成光學靠近第二中間影像IMI2，並將來自凹面鏡CM的輻射朝影像表面反射。第一摺疊鏡及第二摺疊鏡兩者的反射面在標稱操作狀態下實質為平的(平面的)，其中於標稱狀態係不具有光學能力且唯一功能為將入射的輻射偏向。以下表C提供關於邊緣光線高度MRH、主光線高度CRH、光線高度比RHR、以及第一摺疊鏡FM1及第二摺疊鏡FM2之子孔徑比SAR的資料。尤其從子孔徑比可輕易得知兩個摺疊鏡皆位在非常靠近場表面(SAR接近於零)。
於此實施例中，摺疊鏡載有反射鏡塗層的部分具有有限範圍的彈性，而使反射面區域可因應外力彎曲到某程度。與第一摺疊鏡FM1相關的第一鏡操控器MM1的一些致動器(由箭頭表示)以及與第二摺疊鏡FM2相關的第二鏡操控器MM2的一些致動器(由箭頭表示)，操作地耦接到個別鏡的彈性部分的背側。致動器由鏡控制單元MCU所控制，其可為投射曝光裝置之中央控制單元的整合部分。連接操控器控制單元以接收表示個別鏡表面所需變形或無需變形的訊號。各鏡操控器用於僅在一個維度(例如鏡表面的圓柱形狀)或在兩個維度(例如實質凹面或凸面球面或非球面鏡表面形狀)，彎曲相關的反射面。
一個或兩個摺疊鏡在向內及/或向外方向的彎曲操控，容許得到各更種自由度，尤其是相對於場像差而操控投射物鏡的光學性能。於掃描操作期間，鏡表面可以時間相依方式變形，以降低不必要的像差，例如由於基板表面的不平度所造成的像差。由於有兩個可彼此獨立操作的操控器，所以可彼此獨立地校正不同的像差。再者，在單一鏡操控不足以提供補償某些像差的操控範圍之案例中，可得到額外的操控範圍。藉由操控摺疊鏡可得的效應，可類似於如圖7A、圖7B所述之藉由操控設置於靠近中間影像之凹面鏡而可得的效應。因此，可參考相關說明。除了其他操控器例如由圖10B之平面板PP所形成的透明操控器MAN，可提供具有主動可變形反射面的一個或更多的摺疊鏡，以提供進一步的自由度。其他實施例不具有平面板，可以所述方式操控。
已藉由各種實施例顯示在掃描投射曝光裝置的掃描操作期間即時校正場像差，例如場曲率，可顯著地降低因為基板表面及/或圖案表面與理想平面形狀的偏差所造成的成像像差。具體而言，可顯著降低在掃描曝光系統中晶圓不平及/或光罩彎曲的負面效應。
上述較佳實施例的說明用於做為範例。由所提供的揭露中，熟此技藝者不僅可了解本發明及附帶的優點，亦可發現所揭露結構與方法有各種明顯的變化及修改。因此，亦欲涵蓋在本發明精神與範疇內的所有變化及修改，如申請專利範圍及其均等所界定的。
所有申請專利範圍的內容作為本說明的部分以供參考。
700．．．投射物鏡
1000．．．投射物鏡
CM、CM1、CM2．．．凹面鏡
DOF．．．焦深
EA．．．曝光區
EAX．．．寬度
EAY．．．長度
ES．．．出射表面
FM1．．．一摺疊鏡
FM2．．．第二摺疊鏡
FOC．．．聚焦位置
IF．．．照射場
IFD ．．．設計影像場
ILL．．．照射系統
IM．．．浸潤媒介
IMI1．．．第一中間影像
IMI2．．．第二中間影像
IS．．．影像表面
M．．．光罩
MCU．．．鏡控制單元
MM1．．．第一鏡操控器
MM2．．．第二鏡操控器
NA．．．數值孔徑
NG．．．負群組
OA．．．光學軸
OF．．．偏軸物場
OP1．．．第一物鏡部
OP2．．．第二物鏡部
OP3．．．第三物鏡部
OS．．．物件表面
P1、P2、P3．．．瞳表面
PCL．．．平凸透鏡
PO．．．投射物鏡
PS．．．珀茲伐表面
PV．．．峰-谷
RD．．．接受裝置
RS．．．裝置
S．．．基板
SCA．．．掃描像差
SS．．．表面
W．．．晶圓
WS．．．晶圓掃描機
圖1顯示用於微影具有照射系統與投射物鏡之投射曝光裝置實施例之示意圖；
圖2顯示成像程序上不同場曲率量之效應示意圖；
圖3顯示利用能平行於光學軸上升或下降基板表面之晶圓平台，校正失焦誤差的習知原理之示意圖；
圖4於圖4A顯示具有複數曝光區(晶粒)之半導體晶圓，於圖4B顯示一個選擇的矩形曝光區，於圖4C顯示不平的基板表面之曝光區的垂直截面圖；
圖5顯示任尼克光譜，表示所選像差在曝光區內於x方向實質二次方表面輪廓之效應；
圖6於圖6A顯示在不同即時時間於曝光區之掃描場輪廓，以及於圖6B顯示動態操控投射物鏡之影像場的個別曲率，以符合在個別影像場位置內曝光區的表面形狀；
圖7顯示包含光學靠近中間影像並與動態鏡操控器相關的兩個凹面鏡之折反射投射物鏡之第一實施例的兩個軸向部分；
圖8顯示由不平的基板表面所引致，且針對三種不同的補償方式分解成由任尼克係數描述的貢獻之像差示意圖；
圖9示意地顯示圖7的兩個凹面鏡之表面變形，其部分補償由不平的基板表面輪廓所引致的像差；
圖10顯示包含緊鄰物鏡表面之透明操控器元件之折反射投射物鏡之第二實施例的部分；
圖11顯示由不平的基板表面所引致，且針對三種不同的補償方式分解成由任尼克係數描述的貢獻之像差示意圖；
圖12顯示光罩鞍型變形之三維示意圖；
圖13顯示於具有兩個可變形場鏡之實施例中，由不平的光罩表面所引致，且針對二種不同的補償方式分解成由任尼克係數描述的貢獻之像差示意圖；
圖14在靠近物件表面具有透明操控器元件之實施中，針對歪斜光罩彎曲的三種校正方式之比較示意圖；以及
圖15顯示包含可藉由鏡操控器而彼此獨立變形的兩個折疊鏡之實施例細節。
EA．．．曝光區
EAX．．．寬度
EAY．．．長度
PV．．．峰-谷
SS．．．表面
W．．．晶圓

Claims (21)

  1. 一種投射曝光方法，包含：於一掃描操作中，利用設置於投射物鏡之一物件表面的一光罩的圖案，曝光設置於該投射物鏡之一影像表面的一輻射敏感基板之一曝光區，該掃瞄操作包含相對於該投射物鏡之有效物場移動該光罩於一第一掃描方向與同時相對於該投射物鏡之一有效影像場移動該輻射敏感基板於一第二掃描方向；以及在該掃瞄操作期間，根據一時間表主動地改變該投射物鏡的成像性質，以動態改變該投射物鏡在該掃瞄操作期間的至少一像差，其中：(i)主動地改變該投射物鏡之至少一像差之步驟包含在該掃瞄操作期間根據該時間表動態地變化該投射物鏡之一場曲率；(ii)該投射物鏡包含一第一場元件其包含具有一反射面之一反射鏡，係設置於該投射物鏡的投射束路徑的一位置上，該位置在光學上靠近該投射物鏡的一場表面；以及(iii)變化該投射物鏡之該場曲率包含調整該反射鏡的該反射面的一表面輪廓，從調整前於一光學所用區具有一第一值的一單一曲率半徑至調整後於該光學所用區具有一第二值的一單一曲率半徑，以改變導因於該反射鏡的一空間解析方式的一光學校應；其中該調整導致調整後的一單一曲率半徑，且該第二值相異於該第一值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之投射曝光方法，其中該投射物鏡包含一第二場元件，且其中該方法包含彼此獨立地操控該等第一及第二場元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之投射曝光方法，其中在1ms的時間間隔內，該場曲率以該投射物鏡之焦深的0.5%至50%之間的改變率來改變。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之投射曝光方法，其中在單一掃描操作期間，至少一像差的方向改變係改變了一或更多次。
  5. 如申請專利範圍1項所述之投射曝光方法，其中以至少20Hz的頻率改變成像性質。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之投射曝光方法，更包含以下步驟：產生一資料，表示在該輻射敏感基板的該曝光區之該輻射敏感基板的一表面輪廓；基於該資料產生操控器控制訊號；因應該操控器控制訊號驅動該投射物鏡之至少一操控裝置，以動態地適性該投射物鏡的該成像性質，而降低在該輻射敏感基板的該曝光區的該表面輪廓造成的成像像差。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之投射曝光方法，更包含以下步驟：產生一資料，表示在該光罩的該曝光區的一表面輪廓；基於該資料產生操控器控制訊號；因應該操控器控制訊號驅動該投射物鏡之至少一操控裝置，以動態地適性該投射物鏡的該成像性質，而降低在該光罩 的該曝光區的該表面輪廓造成的成像像差。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之投射曝光方法，其中該第一場元件為在該投射束路徑上的一透明光學元件，以及在該透明光學元件之一光學所用區改變折射能力的空間分布包含透過一目標式局部加熱該透明光學元件的透明材料而得到該透明光學元件的透明材料的一二維折射係數分布。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之投射曝光方法，其中該第一場元件為一平面鏡，以及在該透明光學元件之一光學所用區改變折射能力的空間分布包含移置該透明光學元件，使其平行於該投射物鏡之一光軸。
  10. 一種投射曝光裝置，包含：一照射系統，用於產生照射在具有一圖案之一光罩上的照射輻射；一投射物鏡，用於將該圖案投影到一輻射敏感基板；一掃描系統，用於在該掃瞄操作期間，相對於該投射物鏡之有效物場移動該光罩於一第一掃描方向，同時相對於該投射物鏡之一有效影像場移動該輻射敏感基板於一第二掃描掃描方向；以及一控制系統，用於在該掃瞄操作期間，根據一時間表主動地改變該投射物鏡的成像性質，以動態改變該投射物鏡在該掃瞄操作期間的至少一像差，其中：(i)該投射物鏡包含一第一場元件其包含具有一反射面之一反射鏡，係設置於該投射物鏡的投射束路徑的一位置上，該 位置在光學上靠近該投射物鏡的一場表面；(ii)該投射物鏡包含一第一場元件用於在一光學所用區改變該反射鏡的該反射面之一表面輪廓；(iii)主動地改變該投射物鏡之至少一像差之步驟包含在該掃瞄操作期間根據該時間表動態地變化該投射物鏡之一場曲率；(iv)變化該投射物鏡之該場曲率包含調整該反射鏡的該反射面的一表面輪廓，從調整前於一光學所用區具有一第一值的一單一曲率半徑至調整後於該光學所用區具有一第二值的一單一曲率半徑；以及(v)該調整導致調整後的一單一曲率半徑，且該第二值相異於該第一值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之投射曝光裝置，其中該第一裝置用以在兩個維度改變該反射鏡之該反射面的形狀。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之投射曝光裝置，其中該投射物鏡包含一第二場元件，各個第一及第二場元件關聯於一操控裝置，且該操控裝置以預定座標化方式彼此獨立地操控。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之投射曝光裝置，其中該控制系統用於在1ms的時間間隔內，以該投射物鏡之焦深的0.5%至50%之間的改變率來改變該場曲率。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之投射曝光裝置，其中該控制系統用於在單一掃描操作期間，將至少一像差的方向改變改變 了一或更多次。
  15. 如申請專利範圍10項所述之投射曝光裝置，其中該第一場元件為在該投射束路徑上的一透明光學元件，以及在該透明光學元件之一光學所用區改變折射能力的空間分布包含透過一目標式局部加熱該透明光學元件的透明材料而得到該透明光學元件的透明材料的一二維折射係數分布。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之投射曝光裝置，其中該第一場元件為一平面鏡，以及在該透明光學元件之一光學所用區改變折射能力的空間分布包含移置該透明光學元件，使平行於該投射物鏡之一光軸。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之投射曝光裝置，其中該投射物鏡包含：一第一物鏡部，將提供於該物件表面的該圖案成像為一第一中間影像；一第二物鏡部，將該第一中間影像成像為一第二中間影像，該第二物鏡部包含單一凹面鏡位於一第二瞳表面；一第三物鏡部，將該第二中間影像成像到該影像表面；一第一摺疊鏡，設置於光學靠近該第一中間影像，而使該第一摺疊鏡將來自該物件表面之輻射反射到該凹面鏡的方向；以及一第二摺疊鏡，設置於光學靠近該第二中間影像，而使該第二摺疊鏡將來自該凹面鏡之輻射反射到該影像表面的方向，其中該操控裝置用於在該第一摺疊鏡與該第二摺疊鏡至少 其中之一的光學所用區，改變該反射面的表面輪廓。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之投射曝光裝置，其中各摺疊鏡關聯於操控裝置，且該等操控裝置用於以預定座標化方式彼此獨立地改變摺疊鏡的表面輪廓。
  19. 一種投射曝光方法，包含：於一掃描操作中，利用設置於投射物鏡之一物件表面的一光罩的圖案，曝光設置於該投射物鏡之一影像表面的一輻射敏感基板之一曝光區，該掃瞄操作包含相對於該投射物鏡之有效物場移動該光罩於一第一掃描方向，同時相對於該投射物鏡之一有效影像場移動該輻射敏感基板於一第二掃描方向；在該掃瞄操作期間，根據一時間表主動地改變該投射物鏡的成像性質，以動態改變該投射物鏡在該掃瞄操作期間的至少一像差，其中在單一掃描操作期間，至少一像差的方向改變係改變了一或更多次；及其中該調整導致調整後的一單一曲率半徑，且該第二值相異於該第一值。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之投射曝光方法，其中以至少20Hz的頻率改變成像性質。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之投射曝光方法，其中該投射物鏡之一場曲率在該掃瞄操作期間根據該時間表動態地變化。
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