CN100492181C - 一种全折射浸液式投影光学***、装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全折射浸液式投影光学***、装置及其应用，用于将所述光学***物平面内的图形成像到所述光学***像平面内。所述投影光学***从物面沿其光轴方向包括六个镜组；第一、三、五和六镜组具有正光焦度，第二、四镜组具有负光焦度；孔径光阑位置设置于第五镜组和第六镜组之间；在像面和最靠近像面的透镜表面之间充满了高折射率的液体介质；且所述每一透镜的光学表面均为球面或平面。本发明不仅实现了大数值孔径、高分辨率和较好的成像质量；而且增大了物方工作距，却并未引入非球面，降低了光学加工、检测和装校的难度，同时也有效地降低了制造成本。

Description

一种全折射浸液式投影光学***、装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种投影光学***，特别涉及一种用于半导体领域的浸液式光刻装置的全折射投影光学***、装置及其应用。

背景技术

光刻投影物镜用于制造半导体器件以及其它精密结构元件，已经有数十年的历史。它主要用于半导体前道光刻工艺，通过投影光学***把掩模上的图案投影成像在涂有光敏物质的衬底上。随着半导体器件集成度的提高，对投影光学***分辨率的要求不断提高。一般主要有三种途径提高投影光学***分辨率，第一是提高投影光学***的像方数值孔径(NA)；第二是采用波长更短的紫外光源；最后还可以采用其它手段提高光刻分辨率，比如：相移掩模(PSM)技术、光学临近效应校正(OPC)、光瞳滤波技术、部分相干照明和离轴照明等。

可是，投影物镜数值孔径增大是相当困难的，这是因为随着数值孔径的增加，物镜最大直径急剧增加，将使投影物镜设计、加工十分复杂，费用十分昂贵，必然导致使用更多的镜片数量或引入非球面镜来校正投影物镜的像差。按照ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors，国际半导体技术发展路线图)的建议，65nm结点可以由NA为0.93的干式投影物镜实现，而到45nm结点、32nm结点，则需要采用NA>1的浸液投影物镜实现。

在投影光学***最后一个光学表面和像面之间充满一种高折射率的液体介质，就能够赋予光刻投影物镜以更高的数值孔径，高数值孔径光学***可以提升光刻分辨率。理论表明，当空气作为投影成像的像方工作介质时，理论上数值孔径NA最高可以达到1.0，然而当使用折射率n大于1的液体作为像方工作介质时，数值孔径NA就能够大于1.0，理论上NA最高可以达到液体折射率n的数值。这种技术就称为浸液光刻技术，应用于此领域的投影光学***就称为浸液投影光学***。

采用浸液光刻技术是在不改变已有的光源技术、光学材料、镀膜技术等条件下，通过缩短有效工作波长来提高分辨率的。由于引入液体介质，有效工作波长为： ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{n},$ 其中λ₀为光源的真空波长，n为液体介质的折射率。由此，浸液光学***分辨率CD和焦深DOF分别为： $\mathrm{CD}=k_1\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{NA}}_0},$ $\mathrm{DOF}=\±k_2\frac{n{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{NA}}_0^2},$ 其中NA₀为像方数值孔径，k₁、k₂为依赖工艺条件的2个常数。更为重要的是，已经有很好的液体介质，比如在波长193nm有很高透射率的超纯水，其折射率为1.436627。

美国专利US 6,891,596(公告日：2005年5月10日)，其采用25块透镜及6～9个非球面组成的折射式浸液投影光学***，实现成像***基本参数为：像方视场为22mm、物方工作距为22mm、像方工作距为8.44mm～10.366mm或50μm、数值孔径为0.9～1.1，成像质量RMS波像差为0.9～1.3nm。但是该专利存在以下问题：透镜以及非球面数量较多，像方视场较小、物方工作距较小；物方工作距极大地限制掩模的空间，为掩模的运动定位设计、传输结构设计等带来很大的困难；像方工作距或者过大或者过小，增加液体介质的控制难度。

另一美国专利US 6,844,919(公告日：2005年1月18日)。其采用31块透镜及8个非球面组成的折射式浸液投影光学***，实现成像***基本参数为：像方视场为23.2mm、物方工作距为31.66mm、像方工作距为0.5mm、数值孔径为0.89。关于成像质量，该专利仅提供了光线像差曲线，没有提供波像差的具体数据，而且非球面和透镜的数量较多、像方视场、物方工作距、数值孔径均偏小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全折射浸液式投影光学***以及包含该***的装置及其应用，在获得大数值孔径的前提下，能够有效抑制非球面的引入，同时保证相对较大的物方工作距和良好的成像质量，像方工作距采用适合液体介质的比较薄的尺寸。

本发明的目的是这样实现的；一种全折射浸液式投影光学***，沿其光轴方向包括六个镜组，第一镜组具有正光焦度、第二镜组具有负光焦度、第三镜组具有正光焦度、第四镜组具有负光焦度、第五镜组具有正光焦度、第六镜组具有正光焦度；孔径光阑位置设置于第五镜组和第六镜组之间，在像面和最靠近像面的透镜表面之间充满了高折射率的液体介质，且所述所有镜组中的每一透镜的光学表面均为球面或平面。所述的第一镜组包括第一、二、三和四透镜，其中第一透镜是平凹负透镜且靠近物面的一面为平面，第二透镜是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第三透镜是双凹负透镜，第四透镜是双凸正透镜。

所述的第二镜组包括第五、六透镜，其中第五透镜是双凹负透镜，第六透镜是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。

所述的第三镜组包括第七、八、九、十和十一透镜，其中第七、八和九透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十透镜是双凸正透镜，第十一透镜是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。

所述的第四镜组包括第十二、十三和十四透镜，其中第十二透镜是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜，第十三和十四透镜是双凹负透镜。

所述的第五镜组包括第十五、十六和十七透镜，其中第十五透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十六透镜是双凸正透镜，第十七透镜是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。

所述的第六镜组包括第十八、十九、二十、二十一、二十二和二十三透镜，其中第十八透镜是凹面朝向像面一侧的弯月负透镜，第十九透镜是双凸正透镜，第二十、二十一和二十二透镜是凹面朝向像面一侧的弯月正透镜，第二十三透镜是平凸正透镜且靠近像面的一侧为平面。

所述投影光学***的工作波长可为193nm，所有透镜的材料为熔石英；或者所述投影光学***的工作波长为157nm，所有透镜的材料为氟化钙。

所述液体介质的折射率大于1.3，可以选用纯水。

本发明的另一方案是提供一种用于光刻领域的投影曝光装置，所述装置包括一个投影光学***，用于将置于所述光学***物平面内的图形成像到所述光学***像平面内，其中，所述投影光学***是全折射式投影光学***，从物面一侧顺次包括：具有正光焦度的第一镜组、负光焦度的第二镜组、正光焦度的第三镜组、负光焦度的第四镜组、正光焦度的第五镜组和正光焦度的第六镜组；其中孔径光阑放置在正光焦度的第五镜组和正光焦度的第六镜组之间；在所述投影光学***最后一个光学表面和像平面之间还充满一种高折射率的液体介质，且所述的第一镜组包括第一、二、三和四透镜，其中第一透镜是平凹负透镜且靠近物面的一面为平面，第二透镜是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第三透镜是双凹负透镜，第四透镜是双凸正透镜。

本发明还提供一种制作半导体器件或其它精密结构器件的方法，所述方法是将掩模版上的预制图形，用紫外波段光照明后将预制图形通过投影光学***投影成像在涂有光敏物质的衬底上，所述衬底放置在投影物镜的像平面上，其中，所述投影光学***是全折射式投影光学***，所述全折射式投影光学***从物面一侧顺次包括：具有正光焦度的第一镜组、负光焦度的第二镜组、正光焦度的第三镜组、负光焦度的第四镜组、正光焦度的第五镜组和正光焦度的第六镜组；其中孔径光阑放置在正光焦度的第五镜组和正光焦度的第六镜组之间；在所述投影光学***最后一个光学表面和涂有光敏物质的衬底之间还充满一种高折射率的液体介质，且所述的第一镜组包括第一、二、三和四透镜，其中第一透镜是平凹负透镜且靠近物面的一面为平面，第二透镜是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第三透镜是双凹负透镜，第四透镜是双凸正透镜。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：1.本发明的全折射浸液式投影光学***，数值孔径大，***的光学分辨率高，成像质量良好，可以用于关键尺寸100nm以下的半导体制造工艺；2.本发明的全折射浸液式投影光学***，像方工作距较小，适合液体介质的控制；3.本发明的全折射浸液式投影光学***，在获得大数值孔径的前提下，能够有效抑制非球面的引入，可以有效地降低制造成本，同时降低光学加工、检测和装校的难度。

附图说明

本发明的全折射浸液式投影光学***的具体结构由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明的全折射浸液式投影光学***的结构及光路示意图；

图2为本发明的实施例的传递函数MTF示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的全折射浸液式投影光学***作进一步的详细描述。

本发明提供一种全折射浸液式投影光学***，如图1所示，该浸液投影光学***包括23块透镜，从物面一侧开始依次分成G1～G6六个镜组。其中，第一镜组G1具有正光焦度、第二镜组G2具有负光焦度、第三镜组G3具有正光焦度、第四镜组G4具有负光焦度、第五镜组G5具有正光焦度、第六镜组G6具有正光焦度。孔径光阑STOP位置设置于第五镜组G5和第六镜组G6之间。

第一镜组G1包括透镜L1～L4，提供正光焦度，其中透镜L1是平凹负透镜且靠近物面一侧的表面是平面，该平面可以为掩模的调焦调平提供光学参考平面。L1的入射表面和物面之间充满空气。透镜L2是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，透镜L3是双凹负透镜，透镜L4是双凸正透镜。第一镜组G1主要贡献是在保持物方远心度的同时校正畸变和像散。G1本身具有正光焦度，由于孔径光阑位置的关系产生正畸变，用以平衡由G1与像面之间的其余镜组综合产生的负畸变。

第二镜组G2包括透镜L5～L6，具有负光焦度，其中透镜L5是双凹负透镜，透镜L6是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。第二镜组G2主要贡献是校正匹兹万(Petzval)场曲以获得平面像场。

第三镜组G3包括L7～L11，具有正光焦度，其中透镜L7、L8、L9是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，透镜L10是双凸正透镜，透镜L11是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。第三镜组G3可以有效地校正由于第二镜组G2和第四镜组G4产生的负畸变和彗差，同时可以有效地与第二镜组G2和第四镜组G4平衡以校正匹兹万(Petzval)场曲。

第四镜组G4包括L12～L14，具有负光焦度，其中透镜L12是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜，透镜L13和L14是双凹负透镜。第四镜组G4主要贡献是在避免产生彗差的同时可以有效地校正球差。

第五镜组G5包括L15～L17，具有正光焦度，其中透镜L15是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，透镜L16是双凸正透镜，透镜L17是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。第五镜组G5主要贡献是可以有效地平衡并校正球差和彗差。

第六镜组G6包括L18～L23，提供正光焦度，其中透镜L18是凹面朝向像面一侧的弯月负透镜，透镜L19是双凸正透镜，透镜L20、L21和L22是凹面朝向像面一侧的弯月正透镜，透镜L23是平凸正透镜且靠近像面一侧的表面为平面，适合液体介质的填充。第六镜组G6主要贡献是在保持大像方数值孔径的同时避免产生高级球差，并利用其产生的负畸变来平衡其余镜组综合产生的残余正畸变。

透镜L23出射表面和像面之间充满折射率大于1.3的液体介质，像方工作距采用适合液体介质的比较薄的尺寸，为1.5mm。物方工作距设计为50mm，可以实现较大的物方工作距。

本发明的全折射浸液式投影光学***所有光学透镜的表面均为球面或平面，没有任何非球面。因此与非球面相比不会引入光学加工、光学检测与成本等方面的难题。

如表1所示，本发明的全折射浸液式投影光学***的实施例中采用工作波长为193.368nm(也适用于其它波长如248nm或157nm)，像方数值孔径为0.92，像方视场为28.04mm(可以提供26×10.5mm²的长方形视场)、物方工作距为50mm、像方工作距为1.5mm、放大倍率为-0.25。本发明选择在193nm有很高透射率的超纯水作为液体介质，其折射率为1.436627。

表2给出了本实施例的全折射浸液式投影光学***的每一块透镜的具体参数值，其中，“所属对象”一栏指示了从物面到像面之间每一表面所对应的透镜；“半径”一栏给出了每一表面所对应的球面半径；“厚度/间距”一栏给出了相邻两表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则“厚度/间距”的数值表示该透镜的厚度，否则表示物/像面到透镜的距离或者相邻透镜的间距。“光学材料”一栏即指明所对应透镜的材料，“半孔径”一栏指明了所对应表面的1/2孔径值。

以透镜L1和L2为例，L1的前表面1的球面半径为1e+018，即为平面，L1的前表面1到物面的间距为50mm，其光学材料为SiO₂，L1前表面1的半孔径为68.343834mm；L1的后表面2的球面半径为351.573843mm，L1的前表面1到L1的后表面2，即透镜L1的中心厚度为10mm，L1的后表面2的半孔径为71.008011mm，即L1是平凹透镜且平面正对物面一侧。L2的前表面3的球面半径和半孔径分别为160.620007和75.606934，L2的前表面3到L1的后表面2的间距为0.100000mm，透镜L2的光学材料也为SiO₂，L2的后表面4的球面半径和半孔径分别为333.805196mm和75.625351mm，透镜L2的中心厚度为11.228194mm，即L2是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。除了像面(表面Image)的半孔径表示像方视场半径外，其余各表面的参数值含义根据L1、L2类推。

除了G1～G6的23块透镜外，G5和G6之间，即透镜L17和L18之间还设置有孔径光阑(STOP)，其到透镜L17后表面34的间距为215.061225mm，到透镜L18的前表面36的间距为0.100001mm，其1/2孔径尺寸的改变将影响该投影光学***的成像效果。在透镜L23的后表面和像面之间，有高折射率的液体介质——水，其厚度为1.499432mm。

图2显示了本实施例的全折射浸液式投影光学***的传递函数MTF，反映了该全折射浸液式投影光学***的成像质量。当工作波长为193.4nm时，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知：视场内RMS波像差的最大值为1.2nm，可以有效获得高成像质量，同时可以实现较大的像方视场尺寸。

本发明的全折射浸液式投影光学***的最高光学分辨率能达到53nm(对于占空比1:1周期性物体的半周期长度)。像方视场为28.04mm(可以提供26×10.5mm²的长方形视场)，实现成像***成像质量RMS波像差为1.2nm。利用本发明的全折射投影光学***制成的全折射浸液式投影光刻装置，结合本发明提供的应用方法，可以适用于关键尺寸100nm以下的半导体技术领域。

表1  本实施例的全折射浸液式投影光学***的典型设计数据

 

工作波长	193.368nm
		像方数值孔径	0.92
像方视场(直径)	28.04mm
		放大倍率	-0.25
物方工作距	50mm
		像方工作距	1.5mm
SiO<sub>2</sub>折射率@193.368nm	1.560289
		H<sub>2</sub>O折射率@193.368nm	1.436627

表2  本实施例的全折射浸液式投影光学***各透镜的设计数据

Claims (16)

1、一种全折射浸液式投影光学***，从物面沿其光轴方向包括六个镜组，其特征在于：第一镜组(G1)具有正光焦度、第二镜组(G2)具有负光焦度、第三镜组(G3)具有正光焦度、第四镜组(G4)具有负光焦度、第五镜组(G5)具有正光焦度、第六镜组(G6)具有正光焦度，孔径光阑位置设置于第五镜组(G5)和第六镜组(G6)之间，在像面和最靠近像面的透镜表面之间充满了高折射率的液体介质，且所述所有镜组中的每一透镜的光学表面均为球面或平面，其中，所述的第一镜组(G1)包括第一、二、三和四透镜(L1～L4)，其中第一透镜(L1)是平凹负透镜且靠近物面的一面为平面，第二透镜(L2)是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第三透镜(L3)是双凹负透镜，第四透镜(L4)是双凸正透镜。

2、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述的第二镜组(G2)包括第五、六透镜(L5～L6)，其中第五透镜(L5)是双凹负透镜，第六透镜(L6)是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。

3、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述的第三镜组(G3)包括第七、八、九、十和十一透镜(L7～L11)，其中第七、八和九透镜(L7、L8和L9)是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十透镜(L10)是双凸正透镜，第十一透镜(L11)是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。

4、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述的第四镜组(G4)包括第十二、十三和十四透镜(L12～L14)，其中第十二透镜(L12)是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜，第十三和十四透镜(L13和L14)是双凹负透镜。

5、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述的第五镜组(G5)包括第十五、十六和十七透镜(L15～L17)，其中第十五透镜(L15)是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十六透镜(L16)是双凸正透镜，第十七透镜(L17)是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。

6、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述的第六镜组(G6)包括第十八、十九、二十、二十一、二十二和二十三透镜(L18～L23)，其中第十八透镜(L18)是凹面朝向像面一侧的弯月负透镜，第十九透镜(L19)是双凸正透镜，第二十、二十一和二十二透镜(L20、L21和L22)是凹面朝向像面一侧的弯月正透镜，第二十三透镜(L23)是平凸正透镜且靠近像面的一侧为平面。

7、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所有的光学透镜采用一种光学材料制成。

8、如权利要求7所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述投影光学***的工作波长为193nm，所有透镜的材料为熔石英。

9、如权利要求7所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述投影光学***的工作波长为157nm，所有透镜的材料为氟化钙。

10、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：其像方数值孔径NA大于等于0.75。

11、如权利要求10所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：其像方数值孔径NA等于0.92。

12、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：其放大倍率为1:4或1:5。

13、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述液体介质的折射率大于1.3。

14、如权利要求13所述的全折射浸液式投影光学***，其特征在于：所述液体介质为纯水。

15、一种用于光刻领域的投影曝光装置，所述装置包括一个投影光学***，用于将置于所述光学***物平面内的图形成像到所述光学***像平面内，其特征在于：所述投影光学***是全折射式投影光学***，从物面一侧顺次包括：具有正光焦度的第一镜组(G1)、负光焦度的第二镜组(G2)、正光焦度的第三镜组(G3)、负光焦度的第四镜组(G4)、正光焦度的第五镜组(G5)和正光焦度的第六镜组(G6)；其中孔径光阑放置在正光焦度的第五镜组(G5)和正光焦度的第六镜组(G6)之间；在所述投影光学***最后一个光学表面和像平面之间还充满一种高折射率的液体介质，其中，所述的第一镜组(G1)包括第一、二、三和四透镜(L1～L4)，其中第一透镜(L1)是平凹负透镜且靠近物面的一面为平面，第二透镜(L2)是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第三透镜(L3)是双凹负透镜，第四透镜(L4)是双凸正透镜。

16、一种制作半导体器件或其它精密结构器件的方法，所述方法是将掩模版上的预制图形，用紫外波段光照明后将预制图形通过投影光学***投影成像在涂有光敏物质的衬底上，所述衬底放置在投影物镜的像平面上，其特征在于：所述投影光学***是全折射式投影光学***，所述全折射式投影光学***从物面一侧顺次包括：具有正光焦度的第一镜组(G1)、负光焦度的第二镜组(G2)、正光焦度的第三镜组(G3)、负光焦度的第四镜组(G4)、正光焦度的第五镜组(G5)和正光焦度的第六镜组(G6)；其中孔径光阑放置在正光焦度的第五镜组(G5)和正光焦度的第六镜组(G6)之间；在所述投影光学***最后一个光学表面和涂有光敏物质的衬底之间还充满一种高折射率的液体介质，其中，所述的第一镜组(G1)包括第一、二、三和四透镜(L1～L4)，其中第一透镜(L1)是平凹负透镜且靠近物面的一面为平面，第二透镜(L2)是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第三透镜(L3)是双凹负透镜，第四透镜(L4)是双凸正透镜。

Images