照明光學裝置、顯微光刻投射系統及裝置製造方法

2023-09-09 21:08:20

專利名稱：照明光學裝置、顯微光刻投射系統及裝置製造方法
本申請是申請號為200580002241.9(國際申請號PCT/EP2005/000320)、發明名稱為「偏振調製光學元件」的發明專利申請的分案申請。
背景技術：
本發明涉及影響光線偏振的光學元件。該光學元件具有厚度分布並且由具有光軸的旋光晶體組成或構成。
在持續努力取得顯微光刻領域中更精細解析度結構的過程中，存在同時對基本上三個指導性構思的追求。其中第一個是提供非常高的數值孔徑的投影物鏡。第二個是追求更短波長(如248nm、193nm、或157nm)的恆定趨勢。最後，存在有通過將高折射率的浸沒介質引入到投影物鏡的最後一個光學元件和光敏襯底之間的空間而增加可達到的解析度的構思。後一種技術被稱為浸沒光刻術。
在利用限定偏振的光照明的光學系統中，依照菲涅耳方程，電場矢量的s-和p-分量在具有不同折射率的兩種介質的界面處分別經歷不同程度反射和折射。在上下文中，平行於光線入射面振蕩的偏振分量被稱為p-分量，而垂直於光線入射面振蕩的偏振分量被稱為s-分量。與p-分量相比，在s-分量中發生的不同程度的反射和折射對成像過程有明顯的有害影響。
利用偏振的特定分布可以避免這個問題，其中在光學系統的光瞳面上，獨立的線性偏振光線的電場矢量的振蕩平面具有相對於光軸近似徑向的取向。這種類型的偏振分布在下文中將被稱為徑向偏振。如果在物鏡的場平面上，依照前述的定義徑向偏振的光束遇到具有不同折射率的兩種介質之間的界面，則只有電場矢量的p-分量呈現，以使前述的對成像質量的有害影響被大大減小。
與前述的構思類似，還可選擇偏振分布，其中在系統的光瞳面上，獨立的線性偏振光線的電場矢量的振蕩平面具有垂直於從光軸發出的半徑的取向。這種類型的偏振分布在下文中將被稱為切向偏振。如果依照這個定義的切向偏振的光束遇到具有不同折射率的兩種介質之間的界面，則只有電場矢量的s-分量呈現，以使如在前述的例子中那樣，發生在場平面上的反射和折射中存在有均勻性。
在光瞳面上，提供具有切向或徑向偏振的照明是非常重要的，尤其是在實現前述的浸沒光刻術的構思時尤其重要，因為其對以折射率的差異以及在從投影物鏡的最後一個光學元件到浸沒介質和從浸沒介質到塗敷光敏層的襯底的相應界面處很強的入射斜角為基礎而預計的偏振狀態具有相當大的負面影響。
美國專利6,191,880 B1公開了用於生成近似徑向偏振的光學布置。該布置包括其中相應的擇優方向被定向的半波片的光柵以使在線性偏振光通過該光柵布置時，振蕩平面被旋轉到從光軸發出的半徑的方向。然而，因為該光柵布置是通過加入大量的獨立取向的半波片而製成的，所以其製造昂貴。此外，在每個獨立的、直徑通常介於10和20mm之間的半波片面積內，偏振方向的變化是恆定的，以使通過這個構思未能產生連續的徑向偏振。
在DE 198 07 120 A1中提出的具有不規則變化厚度的晶狀石英的雙折射元件用於光學系統中偏振的定義狀態的局部像差的補償。然而，這種類型的雙折射元件中厚度的變化導致偏振的局部差異狀態。尤其是，在這種類型的布置中，通常不會保持偏振的線性狀態。
發明目的 因此，本發明的目的是提出一種偏振調製光學元件，該元件通過下述的方式以最小的強度損失影響光線的偏振，即根據具有獨立光線振蕩平面方向的第一分布的線性偏振光，光學元件生成具有獨立光線振蕩平面方向的第二分布的線性偏振光。
本發明的其他目的是提出具有與振蕩平面的第二分布(偏振分布)的熱穩定性有關的改進的偏振調製光學元件特性的光學系統，並且在光線已經通過光學系統中附加的光學元件之後使這些元件對偏振分布的影響減至最小。


發明內容
為了達到前述的目的，提出了偏振調製光學元件，該光學元件由旋光晶體組成或構成，並且按照本發明將光學元件成形為具有在垂直於光軸的方向上變化的厚度分布。另外，如權利要求57、64、65、70和75所描述的光學系統達到本發明的目的。在從屬權利要求中，給出了按照本發明光學系統的附加的優選實施例。
按照本發明的偏振調製光學元件具有使第一線性偏振光線的振蕩平面和第二線性偏振光線的振蕩平面分別依照第一和第二旋轉角被旋轉的作用，其中第一旋轉角不同於第二旋轉角。按照本發明，偏振調製光學元件由旋光材料製成。
在下文中，對本發明構思的有利的進一步發展進行描述。
為了根據線性偏振光以最小的強度損失生成線性偏振光線的任意選擇的分布，具有光軸的旋光晶體被用作偏振調製光學元件的原材料。晶體的光軸(還被稱為各向同性的軸)由只有一個與光軸方向相關聯的光傳播速度的特性來定義。換句話說，在光軸的方向上行進的光線不會經歷線性雙折射。偏振調製光學元件具有在垂直於晶體光軸的方向上變化的厚度分布。在上下文中，術語「線性偏振分布」與其中獨立的光線被線性偏振但獨立電場矢量的振蕩平面不能取不同方向的偏振分布的意思一起使用。
如果線性偏振光沿著晶體的光軸穿過偏振調製光學元件的話，則電場矢量的振蕩平面依照與晶體內傳播的距離成比例的角度被旋轉。旋轉的方向(即振蕩平面是順時針旋轉還是逆時針旋轉)取決於晶體材料，例如右旋石英對左旋石英。偏振平面平行於光線的偏振和傳播的各自對應方向。為了產生旋轉角度的任意選擇的分布，如果厚度分布被設計成以使第一線性偏振光線的振蕩平面和第二線性偏振光線的振蕩平面分別依照第一和第二旋轉角被旋轉，這將是有利的，其中第一旋轉角不同於第二旋轉角。通過將元件成形為在每個位置處具有特定厚度，能夠實現振蕩平面的任意選擇的旋轉角。
已經發現不同的旋光材料是適合的，這取決於所使用輻射的波長，這些材料具體為石英、TeO2和AgGaS2。
在本發明有利的實施例中，偏振調製光學元件具有與晶體的光軸方向取向相同的元件軸。與元件軸相比，光學元件的厚度分布僅為方位角θ的函數，其中相對於以直角與元件軸相交的參考軸來測量方位角θ。利用按照這種設計的厚度分布，光學元件的厚度沿著以直角與元件軸相交並與參考軸形成方位角θ的半徑是恆定的。
在本發明的另一個有利的實施例中，在距元件軸的恆定距離r處的厚度分布d(r，θ)的方位剖面(azimuthal section)d(r＝常數，θ)是方位角θ的線性函數。在理想的情形下，這個方位剖面在方位角θ＝0處具有不連續。在距離元件軸的恆定距離r處的線性函數d(r＝常數，θ)具有斜度

其中α代表旋光晶體的旋光率。在θ＝0的不連續位置處，存在有量值為360°/α的厚度突變步長。在不連續位置處的步長還可以分布在若干度數的方位角範圍內。然而，在漸變範圍內，這具有非優化偏振分布的結果。
在本發明的又一個有利的實施例中，在距元件軸的恆定距離r處的厚度分布d(r，θ)的方位剖面d(r＝常數，θ)是具有相同斜度m的方位角θ的線性函數，但是在理想情形下，分別在方位角θ＝0和θ＝180°處具有兩處不連續。在每個不連續位置處，存在有量值為180°/α的厚度突變步長。在不連續位置處的兩個突變步長還可以分布在若干度數的方位角範圍內。然而，在漸變範圍內，這具有非優化偏振分布的結果。
在本發明的另一個有利的實施例中，在距元件軸的恆定距離r處以及在10°＜θ＜170°的第一方位角範圍內的厚度分布d(r，θ)的方位剖面d(r＝常數，θ)是具有第一斜度m的方位角θ的線性函數，同時在190°＜θ＜350°的第二方位角範圍內的方位剖面是具有第二斜度n的方位角θ的線性函數。斜度m和n具有相同的絕對值但是符號相反。在距元件軸的距離r處，斜度m和n的量值是

利用這種布置，所有方位角(包括θ＝0和θ＝180°)的厚度分布是沒有厚度突變的連續函數。
在本發明的又一個有利的實施例中，偏振調製光學元件被分成許多具有不同厚度的平面平行部分或包含至少兩個平面平行部分。這些部分可以比如配置成若干扇形圓，但是它們還可以具有六邊形、正方形、矩形或梯形。
在本發明的另一個有利的實施例中，一對第一平面平行部分被布置在所述偏振調製光學元件的中心元件軸的相對側上，以及一對第二平面平行部分被布置在所述元件軸的相對側並且相對於所述第一平面平行部分在所述元件軸周圍被環向移位，其中每個所述第一部分具有的厚度不同於每個所述第二部分的厚度。
在本發明的又一個有利的實施例中，通過偏振調製光學元件的線性偏振光的振蕩平面在至少一個所述第一平面平行部分內被旋轉第一旋轉角β1，並且在至少一個所述第二平面平行部分內被旋轉第二旋轉角β2，以使β1和β2近似符合或者符合表達式|β2-β1|＝(2n+1)·90°，其中n表示整數。
在有利的實施例中，β1和β2近似符合或者符合表達式β1＝90°+p·180°，其中p表示整數，並且β2＝q·180°，其中q表示除零以外的整數。正如下面將要詳細討論的，偏振調製光學元件的這樣的實施例可便利地用於影響橫向偏振光的偏振以使出射光具有偏振分布，取決於入射光，所述偏振分布近似為切向或徑向偏振。
可特別使一對第二平面平行部分相對於所述一對第一平面平行部分在所述元件軸附近環向移位大約90°。
在本發明的另一個有利的實施例中，所述一對第一平面平行部分和所述一對第二平面平行部分被布置在所述偏振調製光學元件的中心開口或中心擋光的相對側上。
所述第一和第二對的相鄰部分通過對進入所述偏振調製光學元件的線性偏振光來說不透明的區域而被彼此分離。所述第一和第二組的所述部分通過架座(mounting)特別被結合在一起。所述架座對進入所述偏振調製光學元件的線性偏振光來說可以是不透明的。架座可具有基本上為輻條車輪的形狀。
在本發明的又一個有利的實施例中，偏振調製光學元件包含第一組基本平面平行部分，其中橫向線性偏振光的振蕩平面被旋轉第一旋轉角β1；偏振調製光學元件包含第二組基本平面平行部分，其中橫向線性偏振光的振蕩平面被旋轉第二旋轉角，以使β1和β2近似符合或者符合表達式|β2-β1|＝(2n+1)·90°，其中n表示整數。
在本發明的另一個有利的實施例中，β1和β2近似符合表達式β1＝90°+p·180°，其中p表示整數，並且β2＝q·180°，其中q表示除零以外的整數。
在本發明的又一個有利的實施例中，偏振調製光學元件的厚度分布具有無厚度突變的連續表面等高線，據此可生成任意選擇的偏振分布，其厚度分布用位置的連續函數表示。
為了確保光學元件的適當的機械穩定性，重要的是使偏振調製光學元件的最小厚度dmin至少等於元件直徑D的0.002倍。
如果用於光學元件的旋光材料還具有雙折射特性，如在利用晶狀石英的情形下，雙折射必須考慮傳播方向偏離光學晶體軸方向的光線。晶體內90°/α的傳播距離導致旋轉90°的線性偏振。如果除了旋轉作用以外還出現了雙折射，則90°旋轉將等同於相對於光的電場矢量的快軸和慢軸之間的交換。因此，如果晶體內行進的距離等於的180°/α整數倍，利用小的入射角為光線提供雙折射的總補償。為了滿足前述的、關於機械穩定性的要求同時使雙折射的作用減至最小，如果偏振調製光學元件被設計成具有

的最小厚度(其中N表示正整數)則是尤其有利的。
從製造的觀點來看，提供具有中心開口或具有中心擋光的光學元件是尤其有利的。
對於未精確平行於光學晶體軸傳播的光線來說，將存在旋轉角的偏差。另外，雙折射現象將產生影響。因此，在角相對於光學晶體軸的擺動範圍內，如果包含大量光線的入射光束的最大入射角不大於100mrad、優選地不大於70mrad、以及特別優選地不大於45mrad，則是尤其有利的。
為了提供對偏振狀態的更靈活的控制，光學布置便利地裝配了允許至少一個另外的偏振調製光學元件將被放置在光路上的裝置。這個另外的偏振調製光學元件可以是具有上述特徵的附加元件。然而，它還可以被配置成旋光材料的平面平行片或兩個半波片的布置，其相應的雙折射的快軸和慢軸相對於彼此被旋轉了45°。
可放置於光學布置中的另外的偏振調製光學元件可特別地通過下述方式來設計，即它使線性偏振光線的振蕩平面旋轉90°。如果光學布置中的第一偏振調製元件產生切向偏振的話，這是尤其有利的。通過插入90°-旋轉器，可將切向偏振轉換為徑向偏振。
在光學布置的另一個有利的實施例中，將另外的偏振調製光學元件配置成作為與180°的方位角範圍對應的半空間的半波片而工作的平面平行片可能是有利的。如果第一偏振調製光學元件具有隻隨方位角θ變化的厚度分布(r＝常數，θ)、以及如果在10°＜θ＜170°的第一方位角範圍內厚度分布(r＝常數，θ)是具有第一斜度m的方位角θ的線性函數，而在190°＜θ＜350°的第二方位角範圍內厚度分布是具有第二斜度n的方位角θ的線性函數並且斜度m和n具有相同的絕對值但是符號相反的話，這種配置尤其令人關注。
在最初軸平行光線已經通過偏振調製元件之後，尤其是發生在偏振調製元件的斜面上的折射可導致在最初軸平行光線方向上的偏差。為了補償由偏振調製元件引起的這種類型的波前偏差，在光學系統的光路中布置非旋光材料的補償片是有利的，補償片的厚度分布被設計成以使其基本上補償了由偏振調製光學元件引起的傳輸幅射的角偏差。另外，覆蓋偏振調製元件的成形表面的浸沒流體可用於相同用途。
前述的偏振調製元件以及裝配了偏振調製元件的光學布置被便利地用於顯微光刻應用的投影系統中。尤其是，這種類型的偏振調製元件和裝配了偏振調製元件的光學布置非常適合於其中使用了前述的浸沒技術(即其中在離襯底最近的光學元件和襯底之間的空間內提供了折射率不同於空氣的浸沒介質)的投影系統。



在下文中，將參考附圖對本發明進行詳細地解釋，其中 圖1說明了具有厚度分布的偏振調製光學元件； 圖2示意性地說明了線性偏振光線在沿著旋光晶體中的光軸傳播時振蕩平面是如何被旋轉的； 圖3說明了偏振調製光學元件的第一示範實施例； 圖4a示意性地說明了偏振調製光學元件的第二示範實施例； 圖4b說明了在圖4a的偏振調製光學元件的實施例中作為方位角的函數的厚度分布； 圖4c說明了在偏振調製光學元件的另一個實施例中作為方位角的函數的厚度分布； 圖4d說明了在圖3的偏振調製光學元件的實施例中作為方位角的函數的厚度分布； 圖4e說明了在偏振調製光學元件的又一個實施例中作為方位角的函數的厚度分布； 圖4f示意性地說明了偏振調製光學元件的另一個示範實施例； 圖5示意性地說明了在一束光線通過具有按照圖3或4d的厚度分布的偏振調製光學元件之前和之後該束光線的偏振分布； 圖6示意性地說明了在一束光線通過裝配了具有按照圖3的厚度分布的偏振調製光學元件以及另外的偏振調製光學元件的光學布置之前和之後該束光線的偏振分布； 圖7a示意性地說明了在一束光線通過裝配了具有按照圖4e的厚度分布的偏振調製光學元件以及平面平行片、被配置成半波片的一半的光學布置之前和之後該束光線的偏振分布； 圖7b示出的是平面平行片、被配置成半波片的一半的平面圖； 圖8示意性地說明了具有偏振調製光學元件的顯微光刻投影系統；以及 圖9示意性地示出了通過調節其溫度和/或溫度分布用作偏振調製元件的旋光材料的平行平面片； 圖10示出了旋光材料的平行片與雙折射材料製成的片的結合；以及 圖11示意性示出了光學系統中應用的溫度補償的偏振調製光學元件。

具體實施例方式 圖1說明了旋光材料的偏振調製光學元件1。特別適合於這種用途的是具有至少一個對所用光的波長來說是透明的光學晶體軸的旋光晶體。例如，TeO2在1000nm至300nm的波長範圍內工作，AgGaS2在500nm至480nm的波長範圍內工作，以及石英在800nm到低至193nm的波長範圍內工作。偏振調製光學元件1被設計成以使元件軸的取向平行於光學晶體軸。為了產生選擇的偏振分布，光學元件1被設計成具有厚度分布(平行於元件軸EA所測得的)，所述的厚度分布在垂直於元件軸EA的方向上變化，還包含在比如元件軸EA的固定距離處方位角方向θ(參見圖3)上的光學元件的厚度變化。
圖2將用來詳細解釋旋光晶體的功能，並且特別要解釋由這種晶體製成的偏振調製元件的功能。
旋光晶體具有在晶體結構中所固有的至少一個光軸OA。在線性偏振光沿著這個光軸OA行進時，電場矢量206的振蕩平面按照量值與光在晶體202內行進的距離d成比例的角度β被旋轉。距離d和旋轉角度之間的比例因子是旋光率α。後者是特定材料的量並且其依賴於通過晶體傳播的光線波長。例如在石英中，在21.6℃的溫度下，波長為180nm時的旋光率被測得約為α＝(325.2±0.5)°/mm，波長為193nm時的旋光率被測得約為α＝323.1°/mm。
對本發明將旋光材料用於照明系統和/或比如用於顯微光刻的投影設備的投影光學系統的物鏡來說，同樣重要的是還考慮旋光率的溫度相依性。給定波長的旋光率α的溫度相依性是由α(T)＝α0(T0)+γ*(T-T0)給定的適當的以及第一線性近似值，其中γ是旋光率α的線性溫度係數。在這種情形下，α(T)是溫度T時的旋光係數或旋光率，α0是參考溫度T0時的旋光率。對於旋光石英材料來說，室溫時，波長為193nm下的γ值為γ＝2.36mrad/(mm*K)。
再次參見圖2，尤其是，在晶體202內沿著光軸OA傳播的光不會經歷線性雙折射。因此，當線性偏振光線沿著光軸OA橫穿旋光晶體202時，除了依賴於光線在晶體202內行進的距離d的電場矢量206的振蕩平面的空間取向的變化之外，其偏振狀態保持相同。
基於旋光晶體的這個特性，通過設計圖1的具有根據位置而變化的厚度分布的偏振調製光學元件1，能夠產生任意選擇的線性偏振分布。厚度分布被設計成可具有使平行線性偏振光線的偏振方向依照根據光線橫穿光學元件的位置而變化的角度被旋轉的作用。
更一般、可選地或者除偏振調製元件的厚度d＝d(x，y)變化之外，旋光率α還可能本身依賴於調製元件內的位置以使α變為α(x，y，z)或α(r，θ，z)，其中如圖1所示，x，y或r，θ是垂直於偏振調製元件的元件軸EA(或可選地為光軸OA)的平面上的笛卡爾坐標或極坐標，其中z是沿著元件軸EA的軸。當然，球面坐標中的描述如r、θ、

或其他描述也是可能的。考慮到旋光率α的變化，如果在z-方向上不存在α相關性，偏振調製光學元件通常包含定義為D(x，y)＝d(x，y)*α(x，y)的「光學有效厚度D」的變化分布。在α還可依賴於z-方向(沿著光軸或元件軸EA或者在光學系統中更一般地沿著優選方向或平行於光學系統的光軸方向)的情形中，D必須通過沿著偏振調製光學元件的積分D(x，y)＝∫α(x，y，z)dz(x，y)來計算。通常，如果偏振調製光學元件用於具有光軸或由光束傳過光學系統所定義的優選方向的光學系統，則通過沿著偏振調製光學元件內光線的光路積分旋光率α來計算光學有效厚度D。在這個一般特性下，本發明涉及光學系統，該光學系統包含光軸或由傳過光學系統的光束的方向給定的優選方向。光學系統還包含由坐標系統的坐標描述的偏振調製光學元件，其中坐標系統的一個優選坐標平行於光學系統的光軸或平行於優選方向。作為實例，在上述的情形中，這個優選方向是z-坐標，其為優選坐標。另外，偏振調製光學元件包含旋光材料並且還包含如上所定義的有效光學厚度D的分布，其中有效光學厚度D至少作為不同於描述偏振調製光學元件的坐標系統的優選坐標的一個坐標的函數來變化。在上面的實例中，有效光學厚度D至少作為不同於z-坐標(優選坐標)的x-或y-坐標的函數來變化。存在有不同的獨立方法來改變旋光材料的有效光學厚度。一種方法是通過選擇適當的材料、或者通過使旋光材料經歷不均勻的溫度分布、或者通過改變旋光材料的幾何厚度來改變旋光率。同樣地，所提到的獨立方法的組合導致旋光材料的有效光學厚度的變化。
圖3說明了特別適合於產生切向偏振的偏振調製光學元件301的實施例。在圖4d和圖5的上下文中將提供詳細的描述。圖3所說明的實施例用來介紹將在下文中與這裡所定義的特定含義一起使用的若干技術術語。
偏振調製光學元件301為圓柱形，其具有底面303和相對表面305。底面303被設計成平坦的圓形表面。元件軸EA垂直於該平坦表面伸展。相對表面305具有依照給定的厚度分布相對於元件軸EA的等高線形狀。旋光晶體的光軸平行於元件軸EA。在底面伸展的參考軸RA以直角與元件軸相交並充當了由此測量方位角θ的基準。在圖3所說明的特定配置中，偏振調製光學元件301的厚度沿著垂直於元件軸EA並且相對於參考軸RA指向角度θ的半徑R是不變的。因此，在圖3說明的實施例中，厚度分布只取決於方位角θ並且由d＝d(θ)給定。光學元件301具有與元件軸EA共軸的可選的中心孔307。在偏振調製光學元件的另外的優選實施例中，厚度可沿著半徑R變化以使厚度分布為d＝d(R，θ)。在另外的更廣義的優選實施例中，圖3所示的厚度分布不代表如上所述的偏振光學元件的幾何厚度d，但是取決於所使用的坐標系統，該分布代表光學有效厚度D＝D(R，θ)＝D(x，y)。在這種情形下，同樣地，在對通過的光束的偏振平面方向的變化有效的偏振調製光學元件的分布中要考慮旋光率的任何分布，如α＝α(x，y)＝α(R，θ)或α＝α(x，y，z)＝α(R，θ，z)。
另外，應當提到的是，偏振調製光學元件301未必需要包含平坦的底面303。這個表面通常還可包含等高線形狀的表面，如相似或等於圖3所示的用305指示的表面。在這樣的情形中，便於相對於與光軸或元件軸垂直的平面來描述等高線表面303和305。
圖4a示意性地描述了偏振調製光學元件401的另一個實施例。在這個表述中，通過偏振調製光學元件401中心的元件軸EA與圖形的平面垂直，並且晶體的光學晶體軸平行於元件軸。如圖3的實施例那樣，偏振調製光學元件401具有可選的中心孔407。偏振調製光學元件401被分成許多平面平行部分409，這些平面平行部分409呈扇形圓的形狀，它們各自的厚度不同。可以想像具有與部分409不同形狀的可選用實施例。它們可以被配置成比如六邊形、正方形、矩形或梯形光柵單元。
正如結合圖3所描述的，可修改按照圖4a的實施例以使扇形的不同厚度應當被理解為不同的有效光學厚度D。在這種情形下，旋光率α可從一個扇形體變化到另一個扇形體。為了製造這樣的實施例，偏振調製光學元件比如可具有如圖4a所示的形狀，其中扇形409至少部分地被比如任何非旋光材料互換，這是將旋光率變化為零的最簡單的例子。同樣作為另一個實施例，可用充滿旋光或非旋光液體的小池或隔室來代替扇形409。在這種情形下，偏振調製光學元件可包含旋光或非旋光部分。如果扇形409隻是部分被小池所代替或者如果至少一個小池被用於偏振調製光學元件401，則在一個元件40中比如旋光晶體與比如旋光或非旋光液體的組合是可能的。按照本發明的這種光學系統可包含偏振調製光學元件，所述的偏振調製光學元件包含旋光或非旋光液體和/或旋光晶體。另外，按照本發明的光學系統的偏振調製光學元件能夠便利地包含順時針或逆時針旋光材料。這些材料可以是固態或液態的旋光材料。利用小池中的液體具有下列優點通過改變液體或者液體內旋光材料的濃度，可以很容易控制偏振變化的大小。同樣地，比如通過旋光液體的溫度控制，可控制由於旋光率α的熱係數γ造成的旋光率α的任何熱變化，以使小池內的溫度是不變的或者使溫度具有預定值T以使旋光率具有值為α(T)＝α0(T0)+γ*(T-T0)。此外，利用由控制單元控制的適當的加熱和/或冷卻單元，在液體內形成某一溫度分布也是可能的。
依照本發明的光學系統便於修改第一線性偏振光線和第二線性偏振光線各自相應的振蕩平面。兩種光線傳過光學系統並且至少部分光束傳過光學系統。光線還以不同路徑通過偏振調製光學元件，並且依照各自相應的第一和第二旋轉角被旋轉以使第一角度不同於第二角度。通常，按照本發明的光學系統的偏振調製光學元件將進入所述偏振調製光學元件的、具有第一線性偏振分布的光束變成從所述偏振調製光學元件出射的光束。出射光束具有第二線性偏振分布，其中第二線性偏振分布不同於第一線性偏振分布。
圖4b示出了如圖4a所示的被分成扇形的偏振調製光學元件401的沿著方位剖面d(r＝常數，θ)的厚度分布。如在本文中使用的術語方位剖面指沿著圖4a中標記的圓411穿過厚度分布d(θ，r)(即在恆定半徑r處0°≤θ≤360°的方位角範圍內伸展)的剖面。通常，分布示出了沿著圓411的光學有效厚度D＝D(θ)。
被分成扇形部分的偏振調製光學元件401的方位剖面具有階梯狀的分布，其中每一階對應於相鄰扇形單元之間厚度d或光學有效厚度D的差。分布具有比如最大厚度dmax和最小厚度dmin。為了覆蓋線性偏振光的振蕩平面的旋轉角範圍0°≤β≤360°，在dmax和dmin之間必須存在有360°/α的差。分布的每個獨立階的高度取決於扇形單元的數目n並具有360°/(n·α)的大小。在方位角θ＝0°處，分布具有不連續，在此處偏振調製光學元件401的厚度從dmin跳至dmax。光學元件的不同實施例可具有厚度分布，其中方位剖面具有兩個厚度不連續，如在θ＝0°和θ＝180°處。
在可選用實施例中，分布具有比如最大光學有效厚度Dmax和最小光學有效厚度Dmin，並且幾何厚度d是比如不變的，導致元件401的獨立扇形體409的旋光率α的變化。為了覆蓋線性偏振光的振蕩平面的旋轉角範圍0°≤β≤360°，在αmax和αmin之間必須存在有360°/d的差。分布的每個獨立階的旋光率的變化取決於扇形單元409的數目n並具有360°/(n·d)的大小。在方位角θ＝0°處，分布具有與光學有效厚度有關的不連續，在此處光學有效厚度從Dmin跳至Dmax。應當指出，在該實施例中，便利之處在於，在偏振調製光學元件401的幾何厚度d中不存在不連續。同樣地，其中方位剖面具有兩個光學有效厚度不連續的光學有效厚度的厚度分布可以很容易獲得，如在θ＝0°和θ＝180°處。為了實現所定義的旋光率大小的變化Δα＝360°/(n·d)(如果有n個角扇形體409形成了元件401)，則獨立扇形單元409優選地包含或由填充了具有所需旋光率α的旋光液體的小池或隔室組成。作為實例，對於第m扇形單元，旋光率是α(m)＝αmin+m＊360°/(n·d)以及0≤m≤n。所需的旋光率比如可以通過液體的旋光材料的濃度或者通過改變液體材料本身來調節。
在另一個實施例中，偏振調製光學元件401的扇形體409可包含固態旋光材料(如晶狀石英)和填充有旋光材料的隔室或小池部分，並且將這些部分在光傳播方向上一個挨一個的放置。可選地或另外，小池本身可包含如晶狀石英這樣的旋光材料。
前述的調製偏振光學元件將線性偏振入射光轉換為其中線性偏振光線的振蕩平面依照取決於每個獨立的扇形單元厚度(或光學有效厚度)的角被旋轉的線性偏振分布。然而，據此偏振方向被旋轉的角在獨立的扇形單元上是不變的。因此，獨立的場矢量的振蕩平面方向的分布函數隻取某些離散值。
利用沿著方位剖面具有連續變化的厚度(光學有效厚度)分布的光學元件可獲得線性偏振的連續分布。
圖4c說明了連續變化厚度分布的實例。在這個實施例中，方位剖面411示出了在0≤θ≤360°的方位角範圍內斜度為m＝-180°/(α·п)的厚度(通常為光學有效厚度)的線性下降。這裡，斜度被定義為螺旋斜度。另外，斜度可由m＝-180°/(α＊n＊r)來定義，其中r是中心在元件軸EA的圓的半徑。在這種情形下，比如，如果偏振調製光學元件301具有給定的恆定螺旋斜度(螺旋導程)，則斜度取決於元件軸的距離。
在本文中，符號α表示旋光晶體的旋轉率。正如在圖4b的前述實施例中，圖4c的厚度分布同樣在方位角θ＝0°處具有不連續，偏振調製光學元件401的厚度從dmin跳至dmax大約有360°/α的量值變化。
在圖4d中示出的偏振調製光學元件的另一個實施例具有同樣適合於產生線性偏振(尤其是切向定向的偏振)的連續分布的厚度分布(通常為光學有效厚度分布)。這個厚度分布對應於圖3所示的實施例，其中角度θ在逆時針方向上被測量。在這個實施例中，方位剖面411是在0＜θ＜180°和180°＜θ＜360°兩個範圍的各自範圍內斜度為m＝-180°/(α·п)的方位角θ的線性函數。厚度分布在方位角θ＝0°和θ＝180°處具有不連續，在此處厚度突然從dmin升至dmax大約有180°/α的量值變化。
圖4e表示偏振調製光學元件401的另一個實施例的沿著方位剖面的厚度分布(通常為光學有效厚度分布)。在這個例子中，方位剖面是在0＜θ＜180°的範圍內第一斜度為m以及在180°＜θ＜360°的範圍內第二斜度為n的方位角θ的線性函數。斜度m和n具有相等的絕對值但是具有相反的符號。在距元件軸的距離為r處，m和n各自的量值是m＝-180°/(α·п·r)和n＝180°/(α·п·r)。雖然最小厚度dmin和最大厚度dmax之間的差再次近似等於180°/α，即與圖4d的實施例相同，在兩個方位角範圍內的斜度使用相反符號的概念避免了不連續的發生。
另外，提到了，對於某些特定應用，順時針和逆時針旋光材料被結合進偏振調製光學元件。
當厚度分布的斜度沿著方位剖面隨較小的半徑大大增加時，從製造的觀點來看，在圓形偏振調製光學元件的中心軸周圍的中心部分提供中心開口407或者中心擋光是有利的。
此外，為了機械穩定性而將偏振調製光學元件設計成具有不小於元件直徑的千分之二的最小厚度dmin是必要的。利用dmin＝N·90°/α的最小厚度是尤其有利的，其中N是正整數。這個設計選擇用來使對以相對於光軸的角度穿過偏振調製元件的入射光束的光線的雙折射作用減至最小。
圖4f示意性說明了偏振調製光學元件的另一個實施例421。正如圖4a所示，通過偏振調製光學元件421中心的元件軸EA垂直於圖形的平面，並且光學晶體軸平行於元件軸。然而，與圖3和圖4a的實施例(其中偏振調製光學元件301、401優選地由一片如晶體材料例子中的晶狀石英製成)相反，偏振調製光學元件421包含旋光晶體材料的四個分離的扇形部分422、423、424、425，這四個分離的扇形部分通過架座(mounting)裝置426結合起來，架座裝置426由比如金屬製成並且其形狀可以被描述成具有四個徑向輻條428的圓片427。架座優選地對進入偏振調製光學元件輻射來說是不透明的，因此還充當了使扇形部分422、423、424、425彼此分離的隔離物。當然，按照圖4f的本發明的實施例不打算受限於架座裝置426的任何特定形狀和面積，還可以省略架座裝置426。
按照未在圖4f中說明的可選用實施例，比如藉助於衍射結構或其它適當的光學部件，進入偏振調製光學元件的入射光還可選擇性地被引導到扇形部分上。
扇形部分422和424具有被選擇的第一厚度d1以使部分422和424導致線性偏振軸平行光的振蕩平面被旋轉了90°+p·180°，其中p表示整數。扇形部分423和425具有被選擇的第二厚度d2以使部分423和425導致線性偏振軸平行光的振蕩平面被旋轉了q·180°，其中q表示除零以外的整數。因此，在y-方向上被線性偏振的一束軸平行光線進入偏振調製光學元件421時，通過扇形部分423和425的光線在保持其振蕩平面不變的情況下從偏振調製光學元件421中射出，而通過扇形部分422和424的光線在保持其振蕩平面旋轉至x-方向的情況下從偏振調製光學元件421中射出。作為通過偏振調製光學元件421的結果，出射光具有偏振分布，該偏振分布在扇形部分422、423、424、425的中心線429和430處是精確切向的並且對於偏振調製光學元件421的其餘部分接近切向偏振分布。
在x-方向上被線性偏振的一束軸平行光線進入偏振調製光學元件421時，通過扇形部分423和425的光線在保持其振蕩平面不變的情況下從偏振調製光學元件421中射出，而通過扇形部分422和424的光線在保持其振蕩平面旋轉至y-方向的情況下從偏振調製光學元件421中射出。作為通過偏振調製光學元件421的結果，出射光具有偏振分布，該偏振分布在扇形部分422、423、424、425的中心線429和430處是精確徑向的並且對於偏振調製光學元件421的其餘部分接近徑向偏振分布。
當然，按照圖4f的本發明實施例不打算受限於圖4f中示範說明的扇形部分的形狀和面積以及數目，以使可使用其它適當的形狀(具有但不限於比如梯形、矩形、正方形、六邊形或圓形幾何形狀)以及或多或少的扇形部分422、423、424、425。此外，通常可以選擇由扇形部分422、423、424、425提供的旋轉角β1和β2，(即扇形部分422、423、424、425的相應厚度)以近似地符合表達式|β2-β1|＝(2n+1)·90°，其中n表示整數，比如還要考慮使用的入射光的相對布置，其具有不必與x-或y-方向對準的偏振平面。利用結合圖4f所描述的實施例，還能夠接近具有切向偏振的偏振分布。
為了由波長為193nm的線性偏振光以及獨立光線的電場矢量振蕩平面的均等方向產生切向偏振分布，可使用比如具有按照圖3和4d設計的晶狀石英的偏振調製光學元件。石英對波長為193nm的光的旋光率α是在範圍(325.2±0.5)°/mm，其在波長為180nm時測得或者更精確地說它在21.6℃時為321.1°/mm。在直到100mrad的小範圍入射角內，旋光的強度和作用近似恆定。比如可以按照下列描述來設計實施例如果使用晶狀石英，則為最小厚度dmin選擇近似等於90°/α的276.75μm量值。另外，最小厚度dmin還可以是這個量值的整數倍。元件直徑是110mm，其中旋光部分的直徑稍微小一些，比如是105mm。底面被設計成如圖3所說明的平坦表面。相對表面具有依照圖4d的厚度分布d(r，θ)。厚度分布由下面的數學關係來定義

對於0≤θ≤180°以及

對於180≤θ≤360°以及 D(r，θ)＝0對於
上述數據是示範地基於(325.2±0.5)°/mm的旋光率α的。如果旋光率α變化至321.1°/mm(即21.6℃溫度下、193nm時的值)，則厚度分布將發生如下變化

對於0≤θ≤180°以及


對於180≤θ≤360°以及
D(r，θ)＝0對於
按照這個實施例的偏振調製光學元件具有直徑為10.5的中心開口407，即最大孔徑的十分之一。對於第一給定實例，在不連續處發現的厚度最大和最小分別是830.26μm和276.75μm。
利用自動拋光過程可產生前述的實施例。用拋光後被無縫地連在一起的兩個楔形或螺旋形半波片製成偏振調製元件尤其便利。如果元件由半波片製成，則很容易並且在某些額外優勢的應用中使用一個順時針和一個逆時針旋光材料，如順時針晶狀石英和逆時針晶狀石英(R-石英和L-石英)。
圖5示意性地說明了具有按照圖3和4d的厚度分布的偏振調製光學元件501如何使具有均勻取向的線性偏振分布517的輸入光束513的偏振分布轉換為出射光束515的切向偏振519。從下面可以看到這一點在最小厚度處(如在θ＝180°處)橫穿偏振調製光學元件的輸入光束513的線性偏振光線覆蓋了旋光晶體內的90°/α的距離。這導致了電場矢量的振蕩平面被旋轉90°。另一方面，在θ＝45°的位置處橫穿偏振調製光學元件501的線性偏振光線覆蓋了旋光晶體內的135°/α的距離，因此這個光線的電場矢量的振蕩平面被旋轉135°。對於輸入光束513的每條光線，可得出類似的結論。
圖6示意性地說明了具有按照圖3和4d的厚度分布的偏振調製光學元件601並結合另外的偏振調製光學元件621的光學布置如何使具有均勻取向的線性偏振分布617的輸入光束613的偏振分布轉換為出射光束615的徑向偏振623。正如在圖5的上下文中解釋的，偏振調製光學元件601產生切向偏振分布。通過光束的每條獨立的線性偏振光線的各自對應的振蕩平面的90°-旋轉，可將切向偏振分布轉換為徑向偏振分布。利用按照圖6的光學布置實現這個過程存在有若干不同的可能性。一種可能的構思是將旋光晶體的平面平行片作為另外的偏振調製元件621布置在光路上，其中該片的厚度近似為90°/αp，αp表示旋光晶體的旋光率。正如在偏振調製元件601中那樣，平面平行片的光學晶體軸同樣平行於元件軸。作為另一種可能的構思，另外的偏振調製元件621可被配置成由兩個半波片組合成的90°-旋轉器。90°-旋轉器由雙折射晶體材料的兩個半波片組成。每個半波片具有與更高折射率的方向相關聯的慢軸，以及垂直於慢軸、與更低折射率的方向相關聯的快軸。兩個半波片彼此相對地被旋轉，因此它們各自的快軸和慢軸被設置成互相呈45°的角。
當然，在本發明的範圍內可以預計用於產生徑向偏振分布的另外可能的實施例。例如，可將另外的偏振調製光學元件621連接至偏振調製光學元件601。為了允許從切向到徑向偏振的快速轉變，可提供允許將另外的偏振調製光學元件621放置在光路上並再次將其移去或由另一個元件代替的互換裝置。
還可利用具有依照圖4e的厚度分布的偏振調製光學元件產生切向偏振分布。在本發明的這個實施例中的厚度分布不具有不連續。正如在圖7a中看到的，輸入光束713的均勻取向偏振分布717首先被偏振調製光學元件701轉換為出射光束715的線性偏振分布727。在圖4e所示的厚度分布的方位角範圍0≤θ≤180°中，通過偏振調製光學元件701的輸入光束713的一半被轉換，以使出射光束的相對應的一半具有切向偏振分布。然而，另外的一半具有不同的、非切向的偏振分布727。在光路中需要另外的偏振調製光學元件，以便於完全將從偏振調製光學元件701射出的光束715的偏振分布727轉換為切向偏振分布719。在這個例子中，另外的偏振調製光學元件被配置成作為具有第一一半729和第二一半731的平面平行片725。圖7b示出了平面平行片725的平面圖。第一一半729由對光線的偏振狀態沒有影響的各向同性材料製成，而第二一半731被設計成半波片。在圖7a的光學布置中，平面平行片725被定向以使偏振調製光學元件701的參考軸RA在平面平行片上的投影RA′基本上沿著第一一半729和第二一半731之間的分隔線。半波片的雙折射的慢軸LA垂直於這個分隔線。另外，還可利用具有圖4e給定的厚度分布的偏振調製光學元件獲得切向偏振，如果元件由晶狀石英的兩個一半的楔形或螺旋形單元組成，其中一個單元的旋光性是順時針並且另一個單元的旋光性是逆時針。在這種情形下，正如其在圖7a的實施例中那樣，附加的平面平行片725是不必要的。在這個實施例中，優選地，每個楔形單元具有不變的螺旋斜度，但是如圖4e的分布所示的那樣，斜度具有不同的方向。另外，幾何厚度d的斜度具有相同的絕對值是不必要的，如果光學有效厚度D的斜度具有相同的絕對值，則其是足夠的。在這種情形下，對於形成偏振調製光學元件的兩個楔形元件的絕對值，旋光率α是不同的。
圖8示意性地說明了包括光源單元835、照明系統839、掩模853、投影物鏡855和襯底859的顯微光刻投影系統833，其中掩模853攜帶微結構，襯底859被曝光於投影系統。光源單元835包括DUV-或VUV-雷射(例如192nm的ArF雷射、157nm的F2雷射、126nm的Ar2雷射或109nm的Ne2雷射)和產生平行光束的波束成形光學系統。光束的光線具有線性偏振分布，其中單條光線的電場矢量的振蕩平面的取向是均勻方向的。照明系統839的主要配置在DE 195 29 563(US 6,258,433)中被描述。平行光束指向散度增加光學元件837。作為散度增加光學元件，可使用例如具有衍射或折射光柵單元布置的光柵片。每個光柵單元產生其角分布由光柵單元的尺寸和焦距確定的光束。光柵片位於物鏡804的光路下遊的物面上或附近。物鏡840是一個變焦距物鏡，其產生具有可變直徑的平行光束。方向變化的反射鏡841使平行光束指向包含了軸錐鏡843(即旋轉對稱稜鏡布置)的光學單元842。根據軸錐鏡元件的變焦距和位置設置，變焦距物鏡840與軸錐鏡843合作在光瞳面845上產生不同的照明分布。偏振調製光學元件801(如圖3所示的類型)被布置在光瞳面845上。在光路上，偏振調製光學元件801的後面是補償片847，其具有被設計成可補償偏振調製光學元件在通過它的光線中造成的角偏差的厚度分布。光學單元842的後面是分劃板掩蔽系統(REMA)849。REMA物鏡851將分劃板掩蔽系統849的圖像投射到結構攜帶掩模(分劃板)853上，據此分劃板853的照明面積被界定。投影物鏡855將結構攜帶掩模853的圖像投射到光敏襯底859上。投影物鏡的最後一個光學元件857和光敏襯底859之間的空間包含了具有折射率不同於空氣的浸沒液體861。
如圖8所述，本發明額外的好處是按照本發明的偏振調製光學元件或光學系統可用於顯微光刻投影系統中的調節偏振分布以及偏振分布的溫度補償。在某些應用中，先進的顯微光刻投影系統要求在分劃板853處具有大約5°或更好、在某些情形下甚至比1°更好的精度的預定的偏振分布。
因為分劃板處的偏振分布受各種光學元件的影響(例如張力導致的雙折射、或獨立光學元件的溫度的不明確或不受控制的變化)，偏振分布可隨時間發生不可預測的或者無法控制的變化。為了更正這樣的變化，偏振調製光學元件的旋光率α的溫度相關可用來控制偏振角度的大小。依照本發明實施例的光學系統優選地包含偏振控制系統，用於控制傳過光學系統的光束的偏振分布。令人關注的偏振分布位於光學系統中的預定位置處。偏振控制系統包含至少一個加熱或冷卻裝置以此修改偏振調製光學元件的溫度和/或溫度分布從而影響預定位置處光束的偏振分布。在這裡，偏振調製光學元件可具有變化的或不變的有效光學厚度。
在不變的有效光學厚度的情形中，光學系統包含光軸或由傳過光學系統的光束方向給定的優選方向。光學系統另外包含由坐標系統的坐標描述的偏振調製光學元件，其中坐標系統的一個優選坐標平行於光軸或平行於所述優選方向。偏振調製光學元件包含固態和/或液態旋光材料，其中有效光學厚度作為與坐標系統的優選坐標不同的至少一個坐標的函數是不變的。光學系統還包含偏振控制系統，用於控制光束(傳過光學系統的)在光學系統中的預定位置處的偏振分布，並且偏振控制系統包含至少一個加熱或冷卻裝置以此修改偏振調製光學元件的溫度和/或溫度分布從而影響預定位置處光束的偏振分布。
作為實例，如果偏振調製光學元件(如在按照本發明的光學系統中使用的)由包含平行片或形成為平行片的合成(晶狀)石英製成的，這種片的10mm厚度將由於旋光率α的線性溫度係數γ(γ＝2.36mrad/(mm*K))而導致23.6mrad/℃或23.6mrad/K(等效於1.35°/K)的偏振變化。這些數據對應於193nm的波長。在如圖9示意性示出的這樣的實施例中，平行片901的光軸OA被定向成平行或近似平行光學系統中光的傳播(由附圖標記950表示)。近似平行指平行片901的光軸OA和傳過光學系統的光的方向之間的角度小於200mrad，優選地小於100mrad乃至小於50mrad。控制片901的溫度將導致偏振的受控的變化。例如，如果片的溫度將被控制在20℃至40℃的範圍內，對於石英製成的這樣的片901來說，可使偏振角在大約±13.5°的範圍內可控制地變化。這個高度敏感性允許通過溫度控制來控制偏振分布。在這樣的情形下，甚至具有大約0.1mm直到20mm的厚度d的平面片將變成偏振調製光學元件901，能夠通過控制片901的溫度可控制地調節偏振分布。優選地對於合成(晶狀)石英，片901的厚度是n*278.5μm(n為任何整數)，對於大約21.6℃、波長為193nm的情形，n＝1時該厚度導致偏振平面至少90°的旋轉，n＝2時該厚度導致偏振平面180°的旋轉並且通常為n*90°的旋轉。對於偏振平面90°的旋轉，合成石英應當至少是278.5μm厚；對於偏振平面180°的旋轉，合成石英應當至少是557.1μm厚；對於偏振平面270°的旋轉，合成石英應當是835.5μm厚；對於偏振平面360°的旋轉，合成石英是1.114mm厚。關於厚度的製造容限是大約±2μm。因此製造容限導致在大約21.6℃和193nm時通過片的光的偏振平面的±0.64°的角誤差。對於這個誤差，不得不考慮由片(或偏振調製光學元件)的溫度波動導致的額外誤差，這個誤差通過旋光率α的線性溫度係數γ＝2.36mrad/(mm*K)＝0.15°/(mm*K)給出。
使用具有至少一個溫度傳感器902、903的感溫裝置、至少一個加熱器904、905以及控制電路910，通過閉環或開環控制可進行片901的溫度控制，具有至少一個溫度傳感器902、903的感溫裝置用於確定片901的溫度(或提供代表或等於偏振調製光學元件的溫度和/或溫度分布的溫度傳感器值)，至少一個加熱器904、905優選地包含紅外加熱器，用於通過紅外輻射906加熱所述的片，控制電路910用於控制至少一個加熱器904、905。作為感溫裝置的實例，可使用具有投影光學的紅外敏感CCD元件，其中投影光學使片901的至少一部分在CCD元件上成像以使片901的可視部分的溫度分布可通過CCD元件信號分析來確定。控制電路910可包含計算機系統915或者可被連接至顯微光刻投影系統833(參見圖8)的計算機或控制系統915。在溫度受控的片901的優選實施例中，厚度被選擇成以使n*90°的偏振旋轉(n為任何整數)在溫度T＝(Tmax-Tmin)/2+Tmin時取得，而Tmax和Tmin為片901(或通常為偏振調製光學元件)的最高和最低溫度。優選地，加熱器或加熱系統(並且還有像珀耳帖元件這樣的冷卻裝置)被布置成以使其不在顯微光刻投影系統833的光路上、或者其不在傳過按照本發明實施例的光學系統的光束的光路上。優選地，具有按照本發明偏振控制系統的光學系統被用於具有被布置於偏振調製光學元件和光學系統中預定位置之間的至少一個附加光學元件的系統，以使光束在從偏振調製光學元件傳播至預定位置時接觸至少一個附加的光學元件。附加的光學元件優選地包括透鏡、稜鏡、反射鏡、折射和衍射光學元件或含有線性雙折射材料的光學元件。因此，按照本發明的光學系統可形成顯微光刻投影系統833的部分。
在另一個優選實施例中，偏振調製光學元件901(如圖9所示的片)的溫度對應於預定溫度分布。作為實例，這樣的溫度分布通過下列方式獲得使用多個紅外加熱器904、905在光學元件901上產生輻射分布，該輻射分布利用已經描述過的控制電路以受控的方式加熱光學元件901。在這樣的實施例中，同樣多個溫度傳感器902、903可用於控制電路910。利用這個實施例，可局部調節顯微光刻投影系統833的場平面或光瞳面上的偏振狀態。
另外，可用一個或多個珀耳帖元件907、908來替代或補充加熱器或加熱元件904、905。一個或多個珀耳帖元件優選地被連接至控制電路910以使利用開環和/或閉環控制的控制是可能的。珀耳帖元件的優點是，可取得偏振調製光學元件901的受控冷卻。同時加熱或冷卻光學元件901導致偏振調製光學元件901中複雜的溫度分布，在通過元件901之後，其導致傳過比如顯微光刻投影系統833的光950的複雜的偏振分布。當然，除上述之外的其他加熱或冷卻機構可用來取得偏振調製光學元件901的所需的溫度分布或所需的溫度。
如偏振調製光學元件801的平面片901在顯微光刻投影設備833(參見圖8)的照明系統中的應用，優選地位於光瞳面845和/或光源單元835和所述光瞳面845之間的位置處。在這些位置上使用平面片901具有下列優點通過片901並通過顯微光刻投影設備的光的入射角小於大約6°(100mrad)。如果光在進入片901之前是線性偏振的，在這些小的角度下，由片901導致的線性雙折射的影響非常小以使通過片901的光的偏振幾乎同忽略的橢圓部分呈線性關係。
在本發明的另一個優選實施例中，測量通過按照本發明的偏振調製光學元件901或光學系統的光的偏振狀態。為此，偏振控制系統包含偏振測量裝置，其提供代表或等於光學系統中預定位置處的光束的偏振或偏振分布的偏振值。另外，控制電路根據溫度傳感器的值和/或偏振值通過開環或閉環控制來控制至少一個加熱或冷卻裝置。測定的偏振狀態與需要的狀態相比較，並且在測定的狀態偏離容限值更多的情況下，如平面片901這樣的偏振調製元件的溫度和/或溫度分布被改變以使測得的和需要的偏振狀態之間的差異變得更小，並且如果可能則小到使差異在容限值內。在圖9中，取決於偏振測量裝置960，偏振狀態的測量在原處或利用單獨的特定測量方法來測量。偏振測量裝置可與控制電路910相連，以使取決於測定的偏振狀態值，加熱機構904、905和/或907、908被控制加熱和/或冷卻以使測得的和需要的偏振狀態之間的差異變得更小。在開環或閉環形式中可實施控制。
用作偏振調製光學元件或作為這樣的元件一部分的平面片901尤其適合用來校正通過的光束的偏振狀態的取向。
在本發明的另一個實施例中，用作偏振調製光學元件的平面片901(包含或由旋光材料組成)與包含或由線性雙折射材料組成的片971結合(參見圖10)。利用本發明的這個實施例中，通過的光束950的取向和相位可被支配以使比如平面偏振光束在通過平面片901和971之後變為橢圓偏振，或反之亦然。在這個實施例中，如同結合圖9所描述的，至少一個片901或971在其溫度和/或溫度分布方面被控制。另外，可改變片901和971的順序以使通過的光束先通過包含或由線性雙折射材料組成的片971，然後再通過包含或由旋光材料組成的片901，或反之亦然。優選地，這兩種片沿著系統的光軸OA被連續布置。同樣，包含或由線性雙折射材料組成的不止一個片、和/或包含或由旋光材料組成的不止一個片可用來操縱通過的光束的偏振狀態。另外，平面片971或901可通過包含旋光材料的液體隔室或小池進行互換。同樣地，包含或由線性雙折射材料組成的平面片971以及包含或由旋光材料組成的平面片901可被布置成以使至少一個另外的光學元件981被放置於這些平面片之間。這個元件981可以是比如透鏡、衍射或折射光學元件、反射鏡或附加的平面片。
在本發明附加的實施例中，偏振調製元件或通常為偏振光學元件是溫度補償的，以此減少由於偏振調製元件的溫度波動而由所述元件產生的偏振分布的任何誤差，對於合成石英材料來說，這些誤差由石英的旋光率α的線性溫度係數給出(上面已經提到該係數為γ＝2.36mrad/(mm*K)＝0.15°/(mm*K))。溫度補償利用存在有一種具有順時針旋光性的石英材料和一種具有逆時針旋光性的石英材料(R-石英和L-石英)的合成石英來實現。順時針和逆時針旋光性的各自對應的旋光率α的大小几乎相等。旋光率的差異小於0、3％。合成石英具有順時針旋光性(R-石英)還是具有逆時針旋光性(L-石英)，這取決於用於合成石英製造過程的籽晶。
如圖11所示，R-石英和L-石英可結合用來製成熱量或溫度補償的偏振調製光學元件911。關於偏振狀態的變化，這樣的溫度補償的偏振調製光學元件911等同於厚度為d的合成石英的平面片。例如，兩個平面片921和931在傳過包含有溫度補償的偏振調製光學元件911的光學系統的光線方向950上被布置成彼此相鄰。如此布置所述片以使一個片931由厚度為dR的R-石英製成，而另外的片921由厚度為dL的L-石英製成，並且|dR-dL|＝d。如果dR和dL中的較小厚度(min(dR，dL))大於d或min(dR，dL)＞d(在大多數情形下，由於光學元件的機械穩定性，這是必需的)，則偏振狀態的溫度相關性變為部分補償，這意味著R-石英和L-石英片的系統的溫度相關性小於γ＝2.36mrad/(mm*K)＝0.15°/(mm*K)，其中d是兩個片的厚度差的絕對值d－|dR-dL|。下面的實例證實了這種結果。具有厚度比如dR＝557.1μm(與入射偏振平面相比，導致現有偏振平面的180°的順時針變化)的R-石英片931與具有厚度dL＝557.1μm+287.5μm(與入射偏振平面相比，導致現有偏振平面的270°的逆時針變化)的L-石英片921相結合。在光通過平面片921、931之後，這導致偏振平面的90°的逆時針變化，對應於如果僅使用R-石英片，偏振平面的270°的順時針變化。在這種情形下，未完全獲得溫度補償，但是與只使用dR＝557.1μm+287.5μm的R-石英片使其減至約為0.13°/K相比，如果兩種片同時使用的話可使其減至約為0.04°/K。這有一個溫度相關的明顯下降，因為即使溫度將改變10℃，偏振平面的變化仍然小於1°。
通常，由R-或L-石英製成的任何結構化的偏振調製光學元件(如結合圖3和4a所描述的元件)可以和各自對應的其他石英類型(L-或R-石英)的平面片結合，以使結合的系統911將具有與偏振變化有關的減少的溫度相關性。替代平面片，可使用同樣由各自對應的其他石英類型製成的結構化光學元件，以使圖11中所示的片921和931可以是如本說明所述的、具有相反符號的旋光率、順時針和逆時針改變偏振狀態的結構化偏振調製光學元件。
為了概括上述溫度補償的偏振調製光學元件911的實例，本發明還涉及光學系統，所述的光學系統包含光軸OA或由傳過光學系統的光束的方向給出的優選方向950。光學系統包含由坐標系統的坐標描述的溫度補償的偏振調製光學元件911，其中坐標系統的一個優選坐標平行於光軸OA或平行於所述優選方向950。溫度補償的偏振調製光學元件911包含第一921和第二931偏振調製光學元件。第一和/或第二偏振調製光學元件包含固態和/或液態旋光材料以及有效光學厚度的分布，其中有效光學厚度至少作為與坐標系統的優選坐標不同的一個坐標的函數來變化。另外或可選地，第一921和/或第二931偏振調製光學元件包含固態和/或液態旋光材料，其中有效光學厚度作為與坐標系統的優選坐標不同的至少一個坐標的函數是不變的。作為附加的特徵，第一和第二偏振調製光學元件921、931包含具有符號相反的旋光率的旋光材料，或者與第二偏振調製光學元件的旋光材料相比，第一偏振調製光學元件包含具有相反符號的旋光率的旋光材料。在平面片的情形中，優選地第一和第二片的第一和第二厚度差異的絕對值小於較小的片的厚度。
在本發明的附加實施例中，偏振調製元件包含經歷過磁場的旋光和/或非旋光材料成分，以使沿著光束通過偏振調製元件的傳播方向存在著磁場的場分量。可如上所述分析旋光材料分量。然而，同樣可使用具有如結合旋光材料所描述的相同的或相似的結構的非旋光材料。由於法拉第效應，磁場的應用也將改變通過旋光和/或非旋光材料的光的偏振狀態，並且可通過磁場控制偏振狀態。
在本說明中對按照本發明的偏振調製光學元件或光學系統的各種實施例進行了描述。另外，通過互換和/或結合個別特徵和/或在本應用中描述的個別實施例的特徵，還可獲得按照本發明的偏振調製光學元件或光學系統的附加實施例。
權利要求
1.一種照明光學裝置，包括
偏振調製光學元件，其由具有旋光性的光學材料製成，且其具有周向變化的厚度；
其中所述照明光學裝置是用於顯微光刻投射系統的照明系統，並被構造以使在使用所述顯微光刻投射系統期間，所述照明系統沿著從所述顯微光刻投射系統的光源單元到掩模的路徑引導光，其中所述偏振調製光學元件位於所述光源單元與所述掩模之間的路徑上，且所述偏振調製光學元件被定向在光路上使得入射到所述偏振調製光學元件的不同區域上的光穿過所述光學材料的厚度不同，並且
其中因為線性偏振光沿所述具有旋光性的光學材料的光軸傳播，電場矢量的振蕩平面依照量值與所述線性偏振光在所述具有旋光性的光學材料內傳播的距離成比例的角度被旋轉。
2.如權利要求1所述的照明光學裝置，其中所述偏振調製光學元件具有扇形元件。
3.如權利要求1所述的照明光學裝置，其中所述偏振調製光學元件具有基本上沒有旋光性的中心區域。
4.如權利要求3所述的照明光學裝置，其中所述偏振調製光學元件具有扇形元件。
5.如權利要求1至4中任一個所述的照明光學裝置，其中所述偏振調製光學元件的厚度分布設定為使得沿所述路徑傳播的具有基本上沿垂直於所述路徑的單一方向的偏振方向的處於線性偏振狀態的光，被轉換成具有相對於所述路徑基本上沿周向方向的偏振方向的處於切向偏振狀態的光，或被轉換成具有相對於所述路徑基本上沿徑向方向的偏振方向的處於徑向偏振狀態的輻射。
6.如權利要求1至5中任一個所述的照明光學裝置，其中所述偏振調製光學元件具有多個周向分隔的區域，其中所述多個區域中的任意兩個彼此相鄰的區域的厚度彼此不同。
7.如權利要求6所述的照明光學裝置，其中所述多個區域中的任意兩個彼此相對的區域的厚度基本上彼此相同。
8.如權利要求1至7中任一個所述的照明光學裝置，其中所述偏振調製光學元件的所述光學材料由其晶軸設為平行於所述路徑的晶體材料製成。
9.如權利要求1至8中任一個所述的照明光學裝置，其中所述偏振調製光學元件具有相對於所述路徑徑向延伸的邊界線。
10.如權利要求1至9中任一個所述的照明光學裝置，進一步包括在操作期間探測所述光的偏振監測器。
11.一種包括如權利要求1至10中任一個所述的照明光學裝置的顯微光刻投射系統，其中，在操作期間，所述顯微光刻投射系統採用所述照明光學裝置投射預定圖案到光敏襯底上。
12.一種裝置製造方法，包括
採用如權利要求1至10中任一個所述的照明光學裝置，投射預定圖案到光敏襯底上；以及
在投射所述預定圖案之後對所述光敏襯底進行顯影。
全文摘要
本發明提供一種照明光學裝置、顯微光刻投射系統及裝置製造方法。該照明光學裝置包括偏振調製光學元件，其由具有旋光性的光學材料製成，且其具有周向變化的厚度；其中所述照明光學裝置是用於顯微光刻投射系統的照明系統，並被構造以使在使用所述顯微光刻投射系統期間，所述照明系統沿著從所述顯微光刻投射系統的光源單元到掩模的路徑引導光，其中所述偏振調製光學元件位於所述光源單元與所述掩模之間的路徑上，且所述偏振調製光學元件被定向在光路上使得入射到所述偏振調製光學元件的不同區域上的光穿過所述光學材料的厚度不同。
文檔編號G02F1/01GK101799637SQ20101015532
公開日2010年8月11日 申請日期2005年1月14日 優先權日2004年1月16日
發明者D·菲奧爾卡, M·德格恩特爾 申請人:卡爾蔡司Smt股份公司