CN103353669A - 一种高数值孔径浸没投影物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高数值孔径浸没投影物镜，用于将物平面的图像成像到像平面内；该浸没投影物镜，沿其光轴方向包括平行平板组、第一透镜组、反射镜组和第二透镜组；从光束入射方向顺序平行平板组具有一个平行平板，第一透镜组具有正光焦度，反射镜组具有负光焦度，第二透镜组具有正光焦度。本发明的高数值孔径浸没投影镜组能更好地补偿像差，提升成像质量，并提升了所述物镜的分辨力，同时提高光刻效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高数值孔径浸没投影物镜，尤其涉及一种高分辨力投影光刻物镜。
背景技术
光学投影光刻是利用光学投影成像的原理，将掩模版上IC图形以分步重复或步进扫描曝光的方式将高分辨力图形转移到涂胶硅片上的光学曝光过程。光学投影光刻技术是在接触式和接近式光刻技术基础上发展起来的。采用投影光刻，可以延长掩模使用寿命，如果采用缩小倍率的投影物镜，还便于掩模制作。光学投影光刻经历了分步重复光刻(stepper)和步进扫描光刻(scanner)的发展过程。
光刻分辨力可以通过缩短波长、降低工艺常数和提高投影光刻物镜的数值孔径来提高。实践证明，缩短曝光波长是最为有效的途径。光学投影光刻技术自1978年诞生以来，先后经历了436nm(g线)、365nm(i线)、248nm(KrF准分子激光)、193nm(ArF准分子激光)等几个技术阶段。除了缩短曝光波长外，不断减小工艺系数k1也是进一步提高分辨力的十分重要的因素。降低k1值的途径包括改善照明条件、提高抗蚀剂性能、采用光学邻近效应校正和相移掩模等几个方面。经过近10年的努力，已经使工艺系数因子k1值在大生产环境中从0.7减小到0.4。上述因素更佳的组合将使k1值减小到0.3乃至更小，这将成为今后一个时期光学光刻发展的一项战略措施。当k1＝0.25时，便接近光学光刻的物理极限。增大数值孔径也是提高光刻分辨力的重要途径，镜头的数值孔径已由最初的0.28、0.4、0.6逐渐增大到0.82，甚至0.85，几乎到了极限。在投影光刻法的情况下，像方数值孔径受像空间中的周围介质折射率的限制。在浸没光刻法中，理论上可能的数值孔径受浸没介质折射率的限制。但是，出于实际的考虑，数值孔径不应该任意地接近最后一个介质的折射率，因为传播角会因此变得相对于光轴非常大。业界已经证明，数值孔径基本不超过像方最后一个介质折射率的95％是可行的。这对应于相对光轴约72°的传播角。对于193nm的工作波长，这对应于在水(n＝1.43)作为浸没介质的情况下数值孔径为1.35。
发明内容
为了解决的现有技术的问题，本发明的目的是提供一种高数值孔径浸没投影物镜装置，提高投影物镜分辨力。本发明提出了适用一种深紫外照明，数值孔径达到1.35的投影光刻物镜，该物镜结构紧凑、大视场、成像质量优良，且具有适中的尺寸和材料消耗。
为达成本发明的目的，本发明提供的一种高数值孔径浸没投影物镜的技术方案包括，从光束入射方向依次置有平行平板组、第一透镜组、反射镜组和第二透镜组；其中：平行平板组没有光焦度；第一透镜组是复杂化的双高斯结构，具有正光焦度，第一透镜组对物方图形成一次中间像，该中间像位于反射镜组的第一块反射镜之前；反射镜组具有负光焦度，并对物方图形成第二次中间像，用于校正所述物镜的场曲以及缩小其体积；第二透镜组具有正光焦度，将中间像成像在所述物镜的焦面处；物面发出的远心光束通过平行平板组，并入射到第一透镜组；平行平板组用作保护玻璃；第一透镜组具有双高斯结构，是对第一透镜组的输入光束进行成像，即形成第一次中间像，以便光束能顺利通过反射镜组的第二反射镜而不被遮挡；另一方面，第一透镜组对所述物镜产生的场曲，和反射镜组的第一反射镜，以及反射镜组的第二反射镜产生的场曲相补偿；反射镜组用于将输入光束实现两次反射折转，并在所述物镜中产生负的场曲用以实现补偿，从而减小所述物镜内的所有透镜的口径以及其几何尺寸；所述透镜组用于0.25倍率、1.35数值孔径的实现；最后，物面的光束通过平行平板组、第一透镜组、反射镜组和第二透镜组之后，再通过浸没液，在硅片面上形成物面的缩小像。
本发明提供的一种使用所述的高数值孔径浸没投影物镜，用于深紫外照明光源。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明所涉及的物镜分为四个部分即平行平板组、第一透镜组、反射镜组和第二透镜组，其中，第一透镜组、反射镜组、第二透镜组三个镜组的光焦度分别为正、负、正。这种结构能很好的校正物镜像差，特别是场曲，有利于提高成像质量，本发明所述物镜其波相差为1nm，畸变为1nm。
2、本发明所涉及到的所述物镜由25片透镜和2片反射镜构成，所有透镜均使用同一种材料。所述物镜结构简单、紧凑，简化了物镜制作工艺，降低了制作成本，同时提高了物镜质量。
3、本发明涉及到的物镜，其数值孔径很大，可达到1.35，如果改变高折射率的浸没液，可将数值孔径提高至1.5，工作波长在深紫外，物镜视场较大。因此本发明所涉及的物镜分辨力较高，光刻效率较高。
4、本发明所涉及的物镜为双远心结构，物方远心度和像方远心度都较高，由于是双远心结构，因此即使掩模图形和硅片偏离与倾斜，也不会改变投影光刻的倍率。
附图说明
图1为本发明的高数值孔径浸没投影物镜的结构示意图；
图2为高数值孔径浸没投影物镜在全场范围内光学调制传递函数示意图；
图3a为高数值孔径浸没投影物镜场曲示意图。
图3b为高数值孔径浸没投影物镜畸变示意图。
附图标号说明：
1-第一平行平板、2-第一正透镜、3-第二正透镜、
4-第一弯月透镜、5-第三正透镜、6-第一负透镜、
7-第四正透镜、8-第五正透镜、9-第二弯月透镜、
10-第六正透镜、11-第三弯月透镜、12-第四弯月透镜、
13-第五弯月透镜、14-第七正透镜，15-第一反射镜、
16-第二反射镜、17-第六弯月透镜、18-第七弯月透镜、
19-第二负透镜、20-第八正透镜、21-第九正透镜、
22-第十正透镜、23-第十一正透镜、24-第十二正透镜、
25-第十三正透镜、26-第十四正透镜、27-第十五正透镜、
28-像面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。
作为一种提高投影物镜分辨率的方案，本发明根据一种设计而提供一种适合于微光刻投影曝光机的投影物镜，其用于将该投影物镜的物面中提供的图案成像到该投影物镜的像平面上，该投影物镜包括：多个光学元件，这些光学元件对于该投影物镜的工作波长处的辐射是透明的。
作为浸没投影光刻物镜，其中的浸没液体厚度，优选在0.1mm和10mm之间，由于浸没液体常常表现为高吸收，因此在上述厚度范围内的较小厚度设计可能是有利的。
图1为本发明高数值孔径浸没投影光刻物镜布局示意图，共使用26片透镜和两片反射镜，从光束入射方向依次置有平行平板组G1、第一透镜组G2、反射镜组G3和第二透镜组G4；其中：平行平板组G1没有光焦度；第一透镜组G2是复杂化的双高斯结构，具有正光焦度，第一透镜组G2对物方图形成一次中间像，该中间像位于反射镜组G3的第一块反射镜15之前；反射镜组G3具有负光焦度，并对物方图形成第二次中间像，用于校正所述物镜的场曲以及缩小其体积；第二透镜组G4具有正光焦度，将中间像成像在所述物镜的焦面处；物面发出的远心光束通过平行平板组G1，并入射到第一透镜组G2；平行平板组G1用作保护玻璃；第一透镜组G2具有双高斯结构，是对第一透镜组G2的输入光束进行成像，即形成第一次中间像，以便光束能顺利通过反射镜组G3第二反射镜16而不被遮挡；另一方面，第一透镜组G2对所述物镜产生的场曲，和反射镜组G3的第一反射镜，以及反射镜组G3的第二反射镜产生的场曲相补偿；反射镜组用于将输入光束实现两次反射折转，并在所述物镜中产生负的场曲用以实现补偿，从而减小所述物镜内的所有透镜的口径以及其几何尺寸；所述透镜组用于0.25倍率、1.35数值孔径的实现；最后，物面的光束通过平行平板组G1、第一透镜组G2、反射镜组G3和第二透镜组G4之后，再通过浸没液，在硅片面上形成物面的缩小像。
平行平板组G1包括一块平行平板；
第一透镜组G2包括第一正透镜2、第二正透镜3、第一弯月透镜4、第三正透镜5、第一负透镜(6)、第四正透镜7、第五正透镜8、第二弯月透镜9、第六正透镜10、第三弯月透镜11、第四弯月透镜12、第五弯月透镜13、第七正透镜14；在第一透镜组G2内，所述透镜独立安装，分别安装在各自的镜框内，所述透镜的镜框与所述物镜的整个镜筒相连。并且，所述透镜的机械位置通过修磨镜框的侧面厚度来实现。
反射镜组G3包括第一反射镜15、第二反射镜16；第一反射镜15和第二反射镜16在同一光轴上，也就是说，第一反射镜15和第二反射镜16的顶点曲率半径球心的连线与所述物镜光轴重合；但是该高数值孔径浸没投影物镜只使用第一反射镜15和第二反射镜16的离轴部分，以便使得所述物镜不存在遮拦挡光；从第一透镜组G2出来的光束首先在第一反射镜15上反射，反射后的光束再经第二反射镜16反射，使得光束沿原来的方向行走。
第二透镜组G4包括第六弯月透镜17、第七弯月透镜18、第二负透镜19、第八正透镜20、第九正透镜21、第十正透镜22、第十一正透镜23、第十二正透镜24、第十三正透镜25、第十四正透镜26、第十五正透镜27，第十五正透镜27是平凸透镜，平凸透镜是所述物镜的最后一块透镜，且所述物镜的最后一面为平面；所述物镜的孔径光阑位于第十二正透镜24和第十三正透镜25之间；在透镜组G4内，各透镜独立安装，分别安装在各自的镜框内，所述透镜的镜框与所述物镜的整个镜筒相连。所述透镜的机械位置通过修磨镜框的侧面厚度来实现。第一透镜组G2具有正光焦度；反射镜组G3具有负光焦度；第二透镜组G4具有正光焦度。像面28是硅片所在表面。
所述平行平板组(G1)、第一透镜组(G2)、第二透镜组(G4)采用熔石英玻璃。所述熔石英玻璃的折射率是1.560326。
本发明还提供一种使用所述的高数值孔径浸没投影物镜，用于深紫外照明光源。
本发明的高数值孔径浸没投影物镜具有的27个元件且均处于同一光轴，利用透镜外框的机械组件固定它们之间的相对位置。本发明使用了熔石英(所述物镜中心波长时折射率为1.560326)作为透镜材料。
本发明的高数值孔径浸没投影光刻物镜的工作过程为：将物面即掩膜置于所述物镜的平行平板组G1前约43毫米处，各视场中心光线垂直入射平行平板组G1，光线依次经过第一透镜组G2、反射镜组G3、第二透镜组G4，最后将掩模所成的像缩小至四分之一成像在像面即硅片上。各视场中心光线垂直入射像面，该投影物镜为物方和像方双远心结构。
为满足结构参数要求，并进一步提高像质，对物镜进行持续优化，经过优化后各个表面的半径、厚度、间隔，以及非球面系数发生变化，本实施例的具体优化措施为应用光学设计软件构造优化函数，并加入像差与结构限制参量，逐步优化为现有结果。
本实施例通过以下技术措施实现：照明光源为ArF激光器，投影光刻物镜的数值孔径为1.35，畸变约为1nm，均方根波像差约为1nm，所述物镜缩小倍率为4倍。
下表中的“序号”是从光线入射端开始排列，如第一平行平板1的光束入射面为序号S1，光束出射面为序号S2，其它镜面序号号以此类推；“半径”分别给出每个波面所对应的球面半径，对于非球面而言，是其定点球面半径；“间距”给出相邻两个表面之间沿光轴的中心距离，如果两个表面属于同一块镜片，则间距表示该镜片的厚度。透镜组的具体参数如下：
| 序号 | 半径 | 间距 | 材料 |
| 物面 | ∞ | 43.20 | |
| S1 | ∞ | 19.07 | SiO2 |
| S2 | ∞ | 1.35 | |
| S3 | 341.90 | 31.70 | SiO2 |
| S4(ASP) | -1470.50 | 3.34 | |
| S5 | 176.72 | 59.85 | SiO2 |
| S6(ASP) | -625.99 | 3.87 | |
| S7(ASP) | -440.58 | 19.40 | SiO2 |
| S8 | -684.29 | 1.00 | |
| S9 | 1962.02 | 22.58 | SiO2 |
| S10(ASP) | -488.85 | 7.11 | |
| S11 | -266.59 | 17.28 | SiO2 |
| S12(ASP) | 186.97 | 4.45 | |
| S13 | 228.14 | 46.73 | SiO2 |
| S14(ASP) | -269.23 | 1.00 | |
| S15 | 93.65 | 32.13 | SiO2 |
| S16(ASP) | 558.93 | 15.00 | |
| S17 | -172.37 | 18.93 | SiO2 |
| S18(ASP) | -242.70 | 2.14 | |
| S19 | 560.38 | 29.76 | SiO2 |
| S20(ASP) | -134.23 | 1.41 | |
| S21(ASP) | -184.97 | 24.61 | SiO2 |
| S22 | -186.36 | 15.02 | |
| S23(ASP) | -95.37 | 24.37 | SiO2 |
| S24 | -119.79 | 22.72 | |
| S25(ASP) | -76.53 | 38.92 | SiO2 |
| S26 | -138.07 | 15.38 | |
| S27(ASP) | -307.87 | 68.53 | SiO2 |
| S28 | -139.86 | 323.17 | |
| S29(ASP) | -246.04 | -266.51 | Mirror |
| S30(ASP) | 198.05 | 317.63 | Mirror |
| S31 | 328.75 | 18.36 | SiO2 |
| S32(ASP) | 370.51 | 30.52 | |
| S33 | 213.13 | 27.65 | SiO2 |
| S34(ASP) | 116.14 | 48.12 | |
| S35 | -2580.84 | 29.81 | SiO2 |
| S36(ASP) | 224.87 | 27.26 | |
| S37 | -3509.94 | 49.60 | SiO2 |
| S38 | -289.19 | 1.00 | |
| STO | -1199.37 | 52.10 | SiO2 |
| S40 | -355.51 | 1.00 | |
| S41 | -3138.22 | 35.40 | SiO2 |
| S42 | -1158.92 | 9.59 | |
| S43 | -688.99 | 79.55 | SiO2 |
| S44(ASP) | -264.45 | 1.00 | |
| S45 | 265.30 | 89.62 | SiO2 |
| S46 | -15405.57 | 1.00 | |
| Stop | 0.00 | 1.00 | |
| S48 | 197.15 | 49.40 | SiO2 |
| S49(ASP) | 240.42 | 1.00 | |
| S50 | 133.74 | 74.25 | SiO2 |
| S51(ASP) | 543.90 | 1.00 | |
| S52 | 59.47 | 60.76 | SiO2 |
| S53 | ∞ | 2.00 | |
| 像面 | ∞ | 0 |
| 系数 | S32 |
| K | 0 |
| C1 | -3.25206E-08 |
| C2 | 3.86752E-12 |
| C3 | 4.36996E-16 |
| C4 | -1.67093E-19 |
| C5 | 2.93919E-23 |
| C6 | -3.26387E-27 |
| C7 | 2.31398E-31 |
| C8 | -9.47297E-36 |
| C9 | 1.70693E-40 |
以上各元件的具体参数在实际操作中，可做调整以满足不同的***参数要求。
对本实施例制作的深紫外高数值孔径浸没光刻物镜采用以下三种评价手段进行测评：
1、光学调制传递函数评价
图2为高数值孔径浸没投影物镜在全场范围内光学调制传递函数示意图，光学调制传递函数(MTF)是确定物镜分辨力和焦深的直接评价。图示横坐标是空间频率，单位是线对/毫米，纵坐标是调制函数，所述物镜MTF已经达到衍射极限。如图2所示的本实施例所述的深紫外高数值孔径浸没光刻物镜在全场范围内光学调制传递函数(MTF)图表明，MTF≈40％时，所述物镜分辨率达到7000线对/毫米，截止频率为13760线对/毫米。
2、像散和场曲与畸变
图3a为投影光刻物镜场曲意图，横坐标是离焦量，单位是毫米，纵坐标是物高；图3b为投影光刻物镜畸变示意图，横坐标畸变百分比，纵坐标是物高。从图中可以看出，所述物镜焦面偏移在弧矢与子午面上都小于0.2μm，用最大偏离值和最小偏离值的差来表示总偏离，即Ftot＝Fmax-Fmin(即，焦面偏移＝视场最大偏移量-视场最小偏移量)，其最大值Ftot＝80nm。畸变随视场变化，边缘畸变最大处为4.2e-8，故全视场最大畸变小于1nm。
3、均方根波像差
本实施例所设计的光刻物镜，以质心为参考的单色均方根波像差的最小值为0.0053(F0.57，即0.57视场处)为1nm，最大值为0.0083λ(F0.79)为1.6nm，λ为波长。
本发明通过增加镜片，选择部分非球面球面透镜，优化各个透镜的半径、厚度，以及非球面系数等参数，得到了像质优良，易于制造的新物镜。所述物镜结构紧凑，为双远心结构且远心度高，像质优良。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (8)
1.一种高数值孔径浸没投影物镜，其特征在于：所述浸没投影物镜包括：从光束入射方向依次置有平行平板组、第一透镜组、反射镜组和第二透镜组；其中：平行平板组没有光焦度；第一透镜组是复杂化的双高斯结构，具有正光焦度，第一透镜组对物方图形成一次中间像，该中间像位于反射镜组的第一块反射镜之前；反射镜组具有负光焦度，并对物方图形成第二次中间像，用于校正所述物镜的场曲以及缩小其体积；第二透镜组具有正光焦度，将中间像成像在所述物镜的焦面处；物面发出的远心光束通过平行平板组，并入射到第一透镜组；平行平板组用作保护玻璃；第一透镜组具有双高斯结构，是对第一透镜组的输入光束进行成像，即形成第一次中间像，以便光束能顺利通过反射镜组的第二反射镜而不被遮挡；另一方面，第一透镜组对所述物镜产生的场曲，和反射镜组的第一反射镜，以及反射镜组的第二反射镜产生的场曲相补偿；反射镜组用于将输入光束实现两次反射折转，并在所述物镜中产生负的场曲用以实现补偿，从而减小所述物镜内的所有透镜的口径以及其几何尺寸；所述透镜组用于0.25倍率、1.35数值孔径的实现；最后，物面的光束通过平行平板组、第一透镜组、反射镜组和第二透镜组之后，再通过浸没液，在硅片面上形成物面的缩小像。
2.根据权利要求1所述的高数值孔径浸没投影物镜，其特征在于，平行平板组包括一个平行平板。
3.根据权利要求1所述的高数值孔径浸没投影物镜，其特征在于，第一透镜组包括第一正透镜、第二正透镜、第一弯月透镜、第三正透镜、第一负透镜、第四正透镜、第五正透镜、第二弯月透镜、第六正透镜、第三弯月透镜、第四弯月透镜、第五弯月透镜、第七正透镜；在第一透镜组内，所述透镜独立安装，分别安装在各自的镜框内，所述透镜的镜框与所述物镜的整个镜筒相连，并且，所述透镜的机械位置通过修磨镜框的侧面厚度来实现。
4.根据权利要求1所述的高数值孔径浸没投影物镜，其特征在于，反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜；第一反射镜和第二反射镜在同一光轴上，也就是说，第一反射镜和第二反射镜的顶点曲率半径球心的连线与所述物镜光轴重合；但是该高数值孔径浸没投影物镜只使用第一反射镜和第二反射镜的离轴部分，以便使得所述物镜不存在遮拦挡光；从第一透镜组出来的光束首先在第一反射镜上反射，反射后的光束再经第二反射镜反射，使得光束沿原来的方向行走。
5.根据权利要求1所述的高数值孔径浸没投影物镜，其特征在于，第二透镜组包括第六弯月透镜、第七弯月透镜、第二负透镜、第八正透镜、第九正透镜、第十正透镜、第十一正透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第十四正透镜、第十五正透镜；第十五正透镜是平凸透镜，平凸透镜是所述物镜的最后一块透镜，且所述物镜的最后一面为平面；所述物镜的孔径光阑位于第十二正透镜和第十三正透镜之间；在透镜组内，各透镜独立安装，分别安装在各自的镜框内，所述透镜的镜框与所述物镜的整个镜筒相连，所述透镜的机械位置通过修磨镜框的侧面厚度来实现。
6.根据权利要求1所述的高数值孔径浸没投影物镜，其特征在于，所述平行平板组、第一透镜组、第二透镜组采用熔石英玻璃。
7.根据权利要求6所述的高数值孔径浸没投影物镜，其特征在于，所述熔石英玻璃的折射率是1.560326。
8.一种使用权利要求1-8中的任一项所述的高数值孔径浸没投影物镜，用于深紫外照明光源。
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