專利名稱：一種全球面折反式光刻投影物鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全球面折反式光刻投影物鏡，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)光刻技術(shù)是集成電路、平板顯示器等微電子器件制造的主流技術(shù)，且光刻投影物鏡是投影曝光裝置的核心部件。根據(jù)瑞利分辨率極限公式，光刻工藝最小特征尺寸
^二&纟，其中入是真空中光波長(zhǎng)，NA是投影物鏡的像方數(shù)值孔徑A1是光刻工藝因子，通 NA
過不斷減小曝光波長(zhǎng)、提高數(shù)值孔徑以及降低工藝因子來提高光刻最小特性尺寸。當(dāng)前曝光波長(zhǎng)已經(jīng)發(fā)展到深紫外甚至是極紫外波段，同時(shí)也不斷尋求高數(shù)值孔徑，以獲得更高的分辨率。傳統(tǒng)的微縮光刻投影物鏡采用全折射結(jié)構(gòu)，其已經(jīng)在紫外波段得到廣泛的應(yīng)用。 但是當(dāng)?shù)缴钭贤獠ǘ喂┻x擇的透射光學(xué)材料只有熔石英和氟化鈣兩種，致使全折射系統(tǒng)校正色差能力很有限，也即系統(tǒng)工作帶寬較窄，這就對(duì)深紫外激光器的帶寬提出高要求，需要用到激光線寬壓窄技術(shù)，致使整個(gè)曝光系統(tǒng)成本加大。即使是深紫外光源的帶寬比較窄，由單一材料構(gòu)成的全折射式光學(xué)系統(tǒng)也會(huì)引起較大的色差。另外，氟化鈣是屬于立方晶體，在深紫外波段具有本征雙折射特性，會(huì)增大系統(tǒng)的偏振像差，主要是雙向延遲像差，從而影響系統(tǒng)的成像性能?？梢?，全折射系統(tǒng)存在校正色差能力及氟化鈣引入雙向延遲的不足之處。而對(duì)于全反射結(jié)構(gòu)，如由兩同心反射球面構(gòu)成的經(jīng)典施瓦茨查爾德 ktwarzschild系統(tǒng)，雖然其不引入色差，但是該結(jié)構(gòu)用在深紫外高NA的物鏡設(shè)計(jì)時(shí)具有以下不足之處相對(duì)口徑較大的主鏡會(huì)引入較大的中心遮攔，約在35%以上；主鏡懸浮光路中，需要特定的支撐結(jié)構(gòu)，從而又進(jìn)一步增加了遮攔和衍射效應(yīng)，從而影響成像對(duì)比度； 設(shè)計(jì)優(yōu)化參量少，系統(tǒng)高級(jí)像差校正能力有限，限制了數(shù)值孔徑的提高；若想進(jìn)一步降低中心遮攔，需要至少要引入一個(gè)高離球量的非球面來進(jìn)一步校正球差，而對(duì)于高離球量的非球面的加工制造難度很大?；谏鲜鋈凵湎到y(tǒng)在色差校正能力等方面不足，以及全反射系統(tǒng)大的中心遮攔和數(shù)值孔徑限制等不足的情況下，進(jìn)而采用折反式結(jié)構(gòu)來克服兩者的不足，綜合利用反射鏡不引入色差優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)微縮成像，利用折射鏡平衡反射鏡引入的像差，從而實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑、小中心遮攔、一定工作帶寬以及高成像質(zhì)量的光刻投影物鏡。美國(guó)專利US 2520635公開了一種折反式結(jié)構(gòu)，它是基于典型的^Awarzschild系統(tǒng)的全反射結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)，將主鏡懸浮于一個(gè)折射元件的前表面，次鏡用一個(gè)曼金鏡，此種結(jié)構(gòu)相對(duì)其他折反結(jié)構(gòu)很好的校正了球差，且具有較小的色差。但是，這種結(jié)構(gòu)中心遮攔較大，而且數(shù)值孔徑也受限，同時(shí)凸面反射鏡需要用膠連接在折射元件上，由于膠在深紫外光照下會(huì)老化，使得反射鏡會(huì)脫落，所以不適用于深紫外波段。美國(guó)專利US 6560039公開一種折反結(jié)構(gòu)，也是基于典型Wktiwarzschild系統(tǒng)的全反射結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，與US 2520635的結(jié)構(gòu)不同的是，將凸面反射面置于折射元件的后表面，不需要膠粘或特定的支撐結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較小的中心遮攔，彌補(bǔ)了 US 2520635 結(jié)構(gòu)的一些不足。但是，此專利是一個(gè)由兩片光學(xué)元件組成的無限共軛距的khwarzschild 系統(tǒng)折反的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)于應(yīng)用到深紫外高數(shù)值孔徑的光刻物鏡，需要做以下幾點(diǎn)改進(jìn)將無限共軛距的望遠(yuǎn)物鏡改進(jìn)為有限共軛距的微縮投影成像物鏡；進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑、控制遮攔比、校正像差特別是球差以滿足光刻物鏡高成像性能的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求?，F(xiàn)有折反射系統(tǒng)雖然具有相對(duì)較小的中心遮攔和球差，以及相對(duì)較寬的工作帶寬，但是仍不能滿足深紫外波段的光刻物鏡具有幾乎接近衍射極限的高成像質(zhì)量，更高的數(shù)值孔徑，更小的中心遮攔，同時(shí)要滿足相對(duì)較寬的工作帶寬等要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種全球面折反式光刻投影物鏡，該光刻投影物鏡具有高數(shù)值孔徑、 小的中心遮攔以及寬的工作帶寬。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種全球面折反式光刻投影物鏡，包括耦合鏡組G1、折反鏡組G2、會(huì)聚透鏡組G3 以及孔徑光闌，所述折反鏡組G2包括第二鏡片L2和第三鏡片L3，第二鏡片L2和第三鏡片 L3之間的距離的取值范圍為45mm 35mm ；上述各部件沿光束入射方向的順序關(guān)系為耦合鏡組G1、第二鏡片L2、孔徑光闌、第三鏡片L3以及會(huì)聚透鏡組G3，且所述各部件的中心在同一直線上；所述第二鏡片L2為彎月負(fù)透鏡，其厚度范圍為9 15mm ；前表面為凸面，其曲率半徑的取值范圍為60 85mm ；后表面為凹面，其曲率半徑的取值范圍為55 80mm ；前表面中心區(qū)域?yàn)殄冇锌狗茨R的透射面，外環(huán)邊緣區(qū)域?yàn)殄冇懈叻茨R的反射面，且該中心區(qū)域?yàn)橹睆降扔讦?的圓，其中9mm< Φ2 < 23mm;后表面鍍有抗反膜AR;所述第三鏡片L3的前表面是平面，后表面的中心區(qū)域?yàn)殄冇懈叻茨R的凸面反射面，且該凸面反射面的曲率半徑的取值范圍為12mm 25mm，后表面的外環(huán)邊緣區(qū)域?yàn)殄冇锌狗茨R的平面透射面；該后表面中心區(qū)域?yàn)橹睆降扔讦?的圓，其中7mm< Φ3 < 15mm0進(jìn)一步地，本發(fā)明所述耦合鏡組Gl由第一鏡片Ll構(gòu)成，所述第一鏡片Ll為彎月正透鏡，其前表面為曲率半徑等于66mm的凸面，其后表面為曲率半徑等于101. Imm的凹面。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述會(huì)聚透鏡組G3包括第四鏡片L4、第五鏡片L5、第六鏡片L6 以及第七鏡片L7 ；會(huì)聚透鏡組G3中各鏡片沿光束入射方向的順序關(guān)系為第四鏡片L4、第五鏡片L5、第六鏡片L6以及第七鏡片L7，其中第四鏡片L4、第六鏡片L6和第七鏡片L7為彎月正透鏡，第五鏡片L5為一平凹透鏡；所述會(huì)聚透鏡組G3用于將折反鏡組G2的出射光束聚焦到像面上。有益效果第一、本發(fā)明采用了具有折反功能的第二鏡片L2和第三鏡片L3，使光路在第二鏡片L2和第三鏡片L3之間發(fā)生多次折反，因此增加本發(fā)明光刻投影物鏡設(shè)計(jì)的自由度，提高校正像差的能力，特別是球差和彗差，有益于實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑物鏡。第二、本發(fā)明第二鏡片L2的前反射表面分擔(dān)了系統(tǒng)的大部分光焦度，大大提高消除色差的能力；同時(shí)使用彎月負(fù)透鏡作為第二鏡片L2，使得在一定程度校正了折射元件引入的色差，以實(shí)現(xiàn)寬的工作帶寬。第三、本發(fā)明第三鏡片L3的后表面中心的凸面反射面與L3鏡片是一個(gè)整體，即在同一基材上制作，因此不需要專門設(shè)計(jì)支撐凸面反射面的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，不存在支撐結(jié)構(gòu)引入的衍射問題，提高了光能利用率。第四、本發(fā)明由于引入四鏡片L4、第五鏡片L5、第六鏡片L6和第七鏡片L7這四個(gè)折射元件，用以校正折反鏡組引入的球差，所以可以適度增大第二鏡片L2和第三鏡片L3的曲率半徑之比，從而可以實(shí)現(xiàn)了更高數(shù)值孔徑、更小的中心遮攔。第五、本發(fā)明整個(gè)光刻投影物鏡共采用7片熔石英鏡片，鏡片數(shù)量少，均采用全球面設(shè)計(jì)，無膠合件，大大降低的加工、制造、檢測(cè)的難度，同時(shí)降低加工成本。


圖1為工作波段為193nm小視場(chǎng)投影光刻物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為工作波段為193nm小視場(chǎng)投影光刻物鏡的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線；圖3為工作波段為193nm小視場(chǎng)投影光刻物鏡的光程差曲線；圖4為工作波段為193nm小視場(chǎng)投影光刻物鏡的場(chǎng)曲和畸變曲線。
具體實(shí)施例方式為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)
一步說明。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明將經(jīng)典的khwarzschild系統(tǒng)改造成折反式結(jié)構(gòu)，利用第二鏡片L2和第三鏡片L3代替原有^Awarzschild系統(tǒng)中的主次鏡，利用光線在第二鏡片L2和第三鏡片L3之間的多次折反，使得本光刻投影物鏡具有大的像方工作距離、短的焦距，大的像方數(shù)值孔徑的特點(diǎn)。如圖1所示，本發(fā)明全球面折反式光刻投影物鏡，包括耦合鏡組G1、折反鏡組G2、 會(huì)聚透鏡組G3以及孔徑光闌，所述折反鏡組G2包括第二鏡片L2和第三鏡片L3，第二鏡片 L2和第三鏡片L3之間的距離的取值范圍為35mm 45mm;上述各部件沿光束入射方向的順序關(guān)系為耦合鏡組G1、第二鏡片L2、孔徑光闌、第三鏡片L3以及會(huì)聚透鏡組G3，且所述各部件的中心在同一直線上。第二鏡片L2為彎月負(fù)透鏡，其厚度范圍為9 15mm ；前表面為凸面，其曲率半徑的取值范圍為60 85mm ；后表面為凹面，其曲率半徑的取值范圍為55 80mm ；前表面中心區(qū)域?yàn)殄冇锌狗茨R的透射面，外環(huán)邊緣區(qū)域?yàn)殄冇懈叻茨R的反射面，且該中心區(qū)域?yàn)橹睆降扔讦?的圓，其中9mm < Φ2 < 23mm ；后表面鍍有抗反膜AR ；即第二鏡片L2的前表面的中心區(qū)域?yàn)檎凵涿?，邊緣外環(huán)為反射面，其后表面為折射面。所述第三鏡片L3的前表面是平面，后表面的中心區(qū)域?yàn)殄冇懈叻茨R的凸面反射面，且該凸面的曲率半徑的取值范圍為12mm 25mm，后表面的外環(huán)邊緣區(qū)域?yàn)殄冇锌狗茨R的平面透射面；該后表面中心區(qū)域?yàn)橹睆降扔讦?的圓，其中7mm< Φ3<15πιπι;即第三鏡片L3的前表面及后表面外環(huán)邊緣為平面折射面，其后表面中心區(qū)域?yàn)榉瓷涿妗１景l(fā)明耦合鏡組Gl由第一鏡片Ll構(gòu)成，第一鏡片Ll是彎月正透鏡，曲率朝向物面，其前表面為曲率半徑等于66mm的凸面，其后表面為曲率半徑等于101. Imm的凹面，耦合鏡組Gl用于將物面發(fā)出的光束耦合進(jìn)入折反鏡組G2。會(huì)聚透鏡組G3具有正光焦度，包括第四鏡片L4、第五鏡片L5、第六鏡片L6以及第七鏡片L7 ；各鏡片沿光束入射方向的順序關(guān)系為第四鏡片L4、第五鏡片L5、第六鏡片L6 以及第七鏡片L7，其中第四鏡片L4、第六鏡片L6和第七鏡片L7為彎月正透鏡，第五鏡片L5 為一平凹透鏡；所述會(huì)聚透鏡組G3用于將折反鏡組G2的出射光束聚焦到像面上，且起到補(bǔ)償折反鏡組G2的球差的作用。本發(fā)明中全球面折反光刻投影物鏡的工作過程由有限遠(yuǎn)物面視場(chǎng)發(fā)出的光束以小角度進(jìn)入耦合鏡組G1，耦合鏡組Gl將入射光束耦合成近乎平行的光束，耦合鏡組Gl出射的近乎平行的光束進(jìn)入折反鏡組G2，經(jīng)過第三鏡片L3后表面中心區(qū)域的小凸面反射鏡將光束以大角度反射到第二鏡片(折返元件)L2的反射面上，使其分配較大的光焦度，以便實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑；光線再經(jīng)孔徑光闌STOP，然后再次經(jīng)過第三鏡片(折反元件)L3，進(jìn)入會(huì)聚透鏡組G3 ；最終以40倍的縮放倍率將物面圖形成像到像面上，并且各視場(chǎng)中心主光線近乎平行出射，即與光軸的夾角小于0. Smrad,實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心。本發(fā)明各鏡片均采用康寧ArF級(jí)熔石英材料，折射率η = 1. 560380193. ^nm，折射率均勻性小于lppm，應(yīng)力雙折射小于lnm/cm。在設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，合理控制優(yōu)化折反鏡組G2的第二鏡片L2和第三鏡片L3的曲率半徑來控制系統(tǒng)的中心遮攔比，考慮光學(xué)加工、 鍍膜工藝、裝配制造等因素，如曲率半徑和通光口徑的比率、空氣間隔、元件的厚度、抗反膜和高反膜層之間過渡區(qū)域等，實(shí)現(xiàn)一種便于加工制造的深紫外小視場(chǎng)光刻物鏡。本發(fā)明最終設(shè)計(jì)像方視場(chǎng)達(dá)到lOOum，線中心遮攔小于20%，像方遠(yuǎn)心度小于 0. 8mrad、像方工作距離大于10mm，綜合波像差均方根值達(dá)到6nm以下，畸變小于lnm。本發(fā)明投影光刻物鏡的縮放倍率為40倍，大大降低的掩膜圖形的要求，降低了制造難度，適合于集成電路的小批量生產(chǎn)。表1給出了本實(shí)施例的投影光刻系統(tǒng)的所有鏡片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，工作波段為 193. ^nm士0. 05nm，數(shù)值孔徑為0. 75、縮放倍率為40X，其中“序號(hào)”一欄表示鏡片編號(hào)、空氣間隔及孔徑光闌面；“半徑”及“半通光孔徑”分別給出每個(gè)光學(xué)鏡片的前后表面的曲率半徑和前后表面的半通光口徑，單位為mm; “厚度”一欄給出鏡片中心厚度或空氣間隔距離， 單位為mm，其中曲率半徑值前面有負(fù)號(hào)，表示該表面的曲率中心位于頂點(diǎn)的左邊，反之曲率半徑值前面為無負(fù)號(hào)，表該表面的曲率中心位于頂點(diǎn)的右邊；“材料” 一欄表示光學(xué)鏡片的玻璃材料名稱。表中各透鏡的具體參數(shù)在實(shí)際操作中，可做微調(diào)以滿足不同的系統(tǒng)參數(shù)要求。表1投影物鏡一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種全球面折反式光刻投影物鏡，其特征在于包括耦合鏡組G1、折反鏡組G2、會(huì)聚透鏡組G3以及孔徑光闌，所述折反鏡組G2包括第二鏡片L2和第三鏡片L3，第二鏡片L2和第三鏡片L3之間的距離的取值范圍為45mm 35mm ；上述各部件沿光束入射方向的順序關(guān)系為耦合鏡組G1、第二鏡片L2、孔徑光闌、第三鏡片L3以及會(huì)聚透鏡組G3，且所述各部件的中心在同一直線上；所述第二鏡片L2為彎月負(fù)透鏡，其厚度范圍為9 15mm ；前表面為凸面，其曲率半徑的取值范圍為60 85mm ；后表面為凹面，其曲率半徑的取值范圍為55 80mm ；前表面中心區(qū)域?yàn)殄冇锌狗茨R的透射面，外環(huán)邊緣區(qū)域?yàn)殄冇懈叻茨R的反射面，且該中心區(qū)域?yàn)橹睆降扔讦?的圓，其中9mm< Φ2 < 23mm;后表面鍍有抗反膜AR;所述第三鏡片L3的前表面是平面，后表面的中心區(qū)域?yàn)殄冇懈叻茨R的凸面反射面， 且該凸面反射面的曲率半徑的取值范圍為12mm 25mm，后表面的外環(huán)邊緣區(qū)域?yàn)殄冇锌狗茨R的平面透射面；該后表面中心區(qū)域?yàn)橹睆降扔讦?3的圓，其中7mm < Φ3< 15mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述全球面折反式光刻投影物鏡，其特征在于，所述Φ2等于 8. 394mm,所述 Φ 3 等于 8. 18mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述全球面折反式光刻投影物鏡，其特征在于，所述第二鏡片L2前表面曲率半徑為76. 380mm,后表面曲率半徑為62. 301mm ；所述第三鏡片L3凸面反射面的曲率半徑為16. 52mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述全球面折反式光刻投影物鏡，其特征在于，所述耦合鏡組Gl由第一鏡片Ll構(gòu)成，所述第一鏡片Ll為彎月正透鏡，其前表面為曲率半徑等于66mm的凸面， 其后表面為曲率半徑等于101. Imm的凹面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述全球面折反式光刻投影物鏡，其特征在于，所述會(huì)聚透鏡組G3 包括第四鏡片L4、第五鏡片L5、第六鏡片L6以及第七鏡片L7 ；會(huì)聚透鏡組G3中各鏡片沿光束入射方向的順序關(guān)系為第四鏡片L4、第五鏡片L5、第六鏡片L6以及第七鏡片L7，其中第四鏡片L4、第六鏡片L6和第七鏡片L7為彎月正透鏡，第五鏡片L5為一平凹透鏡；所述會(huì)聚透鏡組G3用于將折反鏡組G2的出射光束聚焦到像面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述全球面折反式光刻投影物鏡，其特征在于，所述各鏡片的材料為熔石英。
全文摘要
本發(fā)明提供一種全球面折反式光刻投影物鏡，包括耦合鏡組G1、折反鏡組G2、會(huì)聚透鏡組G3以及孔徑光闌，所述折反鏡組G2包括第二鏡片L2和第三鏡片L3，第二鏡片L2和第三鏡片L3之間的距離的取值范圍為45mm～35mm；上述各部件沿光束入射方向的順序關(guān)系為耦合鏡組G1、第二鏡片L2、孔徑光闌、第三鏡片L3以及會(huì)聚透鏡組G3，且所述各部件的中心在同一直線上。本發(fā)明采用了具有折反功能的第二鏡片L2和第三鏡片L3，使光路在第二鏡片L2和第三鏡片L3之間發(fā)生多次折反，因此增加本發(fā)明光刻投影物鏡設(shè)計(jì)的自由度，提高校正像差的能力，特別是球差和彗差，有益于實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑物鏡。
文檔編號(hào)G02B17/08GK102393560SQ20111041731
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者劉曉林, 李艷秋 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)