CN103885159B - 一种高na投影物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高NA投影物镜，用于将掩膜面的图像成像到硅片面内。该高NA投影物镜，由第一单元、第二单元、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元、第七单元、第八单元、第九单元和第十单元组成。其中第一单元L1、第二单元L2、第三单元L3、第五单元L5、第八单元L8具有正光焦度，第七单元L7、第九单元L9、第十单元L10具有负光焦度，第四单元L4、第六单元L6为45°放置的平面反射镜。本发明的高NA投影物镜可将物成缩小1/4的像，具有数值孔径大，分辨力高，结构紧凑，成像质量好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微影工艺、半导体元件制作装置中的浸没式紫外光学***，属于投影光学技术领域。
背景技术
光刻是一种集成电路制造技术，它利用光学投影影像的原理将掩模板上的IC图形以曝光的方式将高分辨率图形转移到涂胶硅片上的光学曝光过程，几乎所有集成电路的制造都是采用光学投影光刻技术。最初，半导体器件制造，采用的是掩模与硅片贴在一起的接触式光刻技术。1957年，接触式光刻技术实现了特征尺寸为20微米的动态随机存储器的制造。之后，半导体行业引入掩模与硅片间具有一定间隙的接近式光刻技术，并分别于1971年和1974年制造出特征尺寸为10微米和6微米的动态随机存储器。1978年，美国GCA公司研发了世界上第一台分布重复投影光刻机，分辨率可达2微米，分布重复投影光刻机迅速成为半导体制造技术中的主流。分布重复投影光刻机的对准精度可达±0.5μm，与此前的光刻机相比，分步光刻机极大地改善了***的分辨率和掩模/硅片套刻时的对准精度。
光刻技术是我国芯片产业发展的重要支持技术之一，投影光刻装置是大规模集成电路制造工艺的关键设备，高分辨率高精度投影光学***是高尖端光刻机的核心部件，它的性能直接决定着光刻机的精度。目前国内刚刚开始工作波长193nm的投影光学***实用化研究，以往设计数值孔径也都不很高，最高分辨力为0.35-0.5微米。由于分辨率低，不能制作出高精度高分辨率的图形，已不能满足大规模集成电路制造和研究的需求。
由瑞利衍射定理可得到光刻机分辨力的公式如下：
R＝k1λ/NA
上式中R为光刻机的分辨力，k1为工艺系数因子，λ为工作波长，NA为投影光刻物镜的数值孔径。因此，为了满足更高的分辨率，需要将光源的波长缩短并增大投影光学***的数值孔径来实现，但是光源的波长缩短时，因为光学玻璃对光的吸收而用于投影光学***的材料种类会受到很大限制。目前国际上光刻机的制造几乎处于垄断地位，最大的3家生产商为荷ASML，Nikon和Canon。从2004年起，这几家公司就提供193nm浸没式光刻机样品供各大芯片制造商使用，至今，已开发出多种型号的193nm浸没式光刻机。本发明提出了一种可实现超高分辨率的高NA投影物镜，对于高NA光刻机中的投影曝光光学***有一定的参考价值。
发明内容
本发明为解决现有投影物镜分辨率低的不足，提出了一种工作波长为193nm，数值孔径达到1.35的高NA投影物镜，该高NA投影物镜可将物成缩小1/4的像，具有具有数值孔径大，分辨力高，结构紧凑，成像质量好等优点。
一种高NA投影物镜，包括第一单元L1、第二单元L2、第三单元L3、第四单元L4、第五单元L5、第六单元L6、第七单元L7、第八单元L8、第九单元L9和第十单元L10，其特征在于，第一单元L1具有正光焦度，第二单元L2具有正光焦度，第三单元L3具有正光焦度，第四单元L4为45°放置的平面反射镜，第五单元L5具有正光焦度，第六单元L6为45°放置的平面反射镜，第七单元L7具有负光焦度，第八单元L8具有正光焦度，第九单元L9具有负光焦度，第十单元L10具有负光焦度。
所述的一种高NA投影物镜，其特征在于，第一单元L1包括第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3和第三正透镜4。
第二单元L2包括第四正透镜5和第二负透镜6。
第三单元L3包括第五正透镜7，第六正透镜8和第七正透镜9。
第四单元L4包括第一平面反射镜10。
第五单元L5包括第三负透镜11，第四负透镜12，第八正透镜13和第一曲面反射镜14。
第六单元L6包括第二平面反射镜18。
第七单元L7包括第五负透镜19，第六负透镜20和第七负透镜21。
第八单元L8包括第九正透镜22，第十正透镜23和第八负透镜24。
第九单元L9包括第九负透镜25，第十负透镜26，第十一负透镜27，第十二负透镜28。
第十单元L10包括第十三负透镜29，第十四负透镜30，第十五负透镜31，和像面32。
所述的一种高NA投影物镜，其特征在于，第一单元L1、第二单元L2、第三单元L3、第四单元L4、第五单元L5、第六单元L6、第七单元L7、第八单元L8、第九单元L9和第十单元L10内的光学元件都是单片镜。
所述的一种高NA投影物镜，其特征在于，所述的高NA投影物镜中含有18个非球面。
所述的一种高NA投影物镜，其特征在于，所述的浸没式紫外光学***的折射镜使用的光学材料都是熔石英。
所述的一种高NA投影物镜，其特征在于，所述的高NA投影物镜的缩小倍率为1/4。
本发明具有以下优点：
1、本发明的高NA投影物镜的数值孔径NA为1.35，工作波长为193nm，像方视场为26mm×5.5mm，由于物镜数值孔径很大，克服了现有投影光学***分辨率低的不足，提高了光刻分辨率。
2、本发明的高NA投影物镜由31片光学元件构成，均为单片镜，没有采用胶合光学元件，结构简单紧凑。
3、本发明的高NA投影物镜中的31片光学元件，由十个单元构成，使用两个反射镜对光路进行了折转，有效减小了***长度。
本发明所提出的高NA投影物镜，可以应用于照明光源波长为193nm的高NA深紫外投影光刻设备中。
附图说明
图1为本发明的一种高NA投影物镜的结构示意图；
标号说明：1-第一正透镜、2-第二正透镜、3-第一负透镜、4-第三正透镜、5-第四正透镜、6-第二负透镜、7-第五正透镜、8第六正透镜、9-第七正透镜、10-第一平面反射镜、11-第三负透镜、12-第四负透镜、13-第八正透镜、14-第一曲面反射镜、18-第二平面反射镜、19-第四负透镜、20-第五负透镜、21-第六负透镜、22-第九正正透镜、23-第十正透镜、24-第七负透镜、25-第八负透镜、26-第九负透镜、27-第十负透镜、28-第十一负透镜、29-第十二负透镜、30-第十三负透镜、31-第十四负透镜、32-像面。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明高NA投影物镜布局示意图，31片光学元件形成第一单元L1、第二单元L2、第三单元L3、第四单元L4和第五单元L5，第六单元L6、第七单元L7、第八单元L8、第九单元L9和第十单元L10。
该高NA投影物镜利用两个平面反射镜将光学***折叠，有效缩短了***总长。本发明中所有透射镜使用的都是熔石英材料，在中心波长193nm处时熔石英玻璃的折射率为1.560491。
为满足结构参数要求，并进一步提高像质，对***进行持续优化，经过优化后各个表面的半径与厚度间隔发生变化，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：照明光源工作波长193nm，像方视场26mm×5.5mm，光学***的数值孔径为1.35，光刻分辨力为40nm，光学***缩小倍率为1/4，本发明的高NA投影物镜第一镜子和掩模面之间距离为35mm,最后一片镜子距离和硅片面之间距离为3.1mm，本发明的高NA投影物镜从掩膜面到硅片面的距离为1236mm。
通过优化各个光学元件的曲率半径、厚度以及改变各光学元件之间的间隔，非球面系数来减小高NA投影物镜的各种像差，***的最大波像差为3nm。
在实际操作中，以上各光学元件的具体参数（如曲率半径，光学元件厚度，光学元件间隔，非球面系数）可做一定的调整来满足不同的***参数要求。
波像差是成像质量很高的光学***通常用到的光学评价指标，它可以直观反应低阶像差和高阶像差的情况。表2列出了本实施例所设计的高NA投影物镜各个视场以质心为参考的各个视场的均方根波像差，其中ω表示全视场，λ表示波长，可知，该***最大波像差为2.9nm。
表2各视场的均方根波像差
| 视场 | 均方根波像差 |
| 0.2ω | 0.0028λ |
| 0.3ω | 0.0042λ |
| 0.4ω | 0.0054λ |
| 0.5ω | 0.0068λ |
| 0.6ω | 0.0081λ |
| 0.7ω | 0.0093λ |
| 0.8ω | 0.0111λ |
| 0.9ω | 0.0132λ |
| 1.0ω | 0.0150λ |
本发明通过优化各个镜子的曲率半径、厚度参数、非球面系数以及透镜间隔，得到了高分辨率、像质优良的浸没式紫外光学***，具有整结构紧凑简单、成像优良等优点。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高NA投影物镜，从物侧到像侧依次包括第一单元(L1)、第二单元(L2)、第三单元(L3)、第四单元(L4)、第五单元(L5)、第六单元(L6)、第七单元(L7)、第八单元(L8)、第九单元(L9)和第十单元(L10)，其特征在于，第一单元(L1)具有正光焦度，第二单元(L2)具有正光焦度，第三单元(L3)具有正光焦度，第四单元(L4)为45°放置的平面反射镜，第五单元(L5)具有正光焦度，第六单元(L6)为45°放置的平面反射镜，第七单元(L7)具有负光焦度，第八单元(L8)具有正光焦度，第九单元(L9)具有负光焦度，第十单元(L10)具有负光焦度；
第一单元(L1)包括第一正透镜(1)、第二正透镜(2)、第一负透镜(3)和第三正透镜(4)；
第二单元(L2)包括第四正透镜(5)和第二负透镜(6)；
第三单元(L3)包括第五正透镜(7)，第六正透镜(8)和第七正透镜(9)；
第四单元(L4)包括第一平面反射镜(10)；
第五单元(L5)包括第三负透镜(11)，第四负透镜(12)，第八正透镜(13)和第一曲面反射镜(14)；
第六单元(L6)包括第二平面反射镜(18)；
第七单元(L7)包括第五负透镜(19)，第六负透镜(20)和第七负透镜(21)；
第八单元(L8)包括第九正透镜(22)，第十正透镜(23)和第八负透镜(24)；
第九单元(L9)包括第九负透镜(25)，第十负透镜(26)，第十一负透镜(27)，第十二负透镜(28)；
第十单元(L10)包括第十三负透镜(29)，第十四负透镜(30)，第十五负透镜(31)；
第一单元(L1)、第二单元(L2)、第三单元(L3)、第四单元(L4)、第五单元(L5)、第六单元(L6)、第七单元(L7)、第八单元(L8)、第九单元(L9)和第十单元(L10)内的光学元件都是单片镜。
2.根据权利要求1所述的一种高NA投影物镜，其特征在于：所述的一种高NA投影物镜中包括有18个非球面。
3.根据权利要求1所述的一种高NA投影物镜，其特征在于：所述的一种高NA投影物镜折射镜使用的光学材料都是熔石英。
4.根据权利要求1所述的一种高NA投影物镜，其特征在于：所述的一种高NA投影物镜的缩小倍率为1/4。
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