傅里葉變換物鏡的制作方法
【專利摘要】一種傅里葉變換物鏡，沿其光軸方向依次包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、后焦面，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點位置而形成像方遠心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡、第二透鏡具有正光焦度，第三透鏡具有負光焦度，所述的第一透鏡為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡為雙凸透鏡，第三透鏡為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。本實用新型既能滿足像傳感器尺寸和大視場角的要求，又滿足后工作距較長的要求，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足正弦條件要求，并且球差、象散、場曲、波像差都得到很好的校正，能夠用于半導體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)的光瞳測量。
【專利說明】傅里葉變換物鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種傅里葉變換物鏡，特別涉及一種用于半導體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)光瞳測量的傅里葉變換物鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導體光刻【技術(shù)領(lǐng)域】，采用氟化氬(ArF)準分子激光和浸液光刻技術(shù)、偏振照明技術(shù)，并配合雙圖形曝光技術(shù)，目前已經(jīng)實現(xiàn)32nm節(jié)點技術(shù)的量產(chǎn)，實現(xiàn)該技術(shù)的典型設(shè)備是荷蘭ASML公司基于第5代浸液光刻技術(shù)的型號為TWINSCANNXT: 1950i的光刻機。ASML公司早在PAS系列光刻機的NA=0.75時代就開始研究浸液技術(shù)、偏振照明技術(shù)等等若干關(guān)鍵技術(shù)以延續(xù)ArF光刻技術(shù)的生命。例如，PAS5500/1150C光刻機實現(xiàn)90nm節(jié)點光刻技術(shù)是采用傳統(tǒng)技術(shù)，對于TWINSCANXT:1450H光刻機(NA=0.93)采用傳統(tǒng)技術(shù)可以實現(xiàn)65nm節(jié)點技術(shù)，而采用偏振照明技術(shù)就可以將分辨率提高到57nm。在ASML公司投影物鏡數(shù)值孔徑NA為1.20型號為1750i光刻機，以及更早期的，比如1150C等光刻機中，都需要采用一個針孔相機來測量照明系統(tǒng)中照明光瞳的分布。照明光瞳的形狀、位置、能量分布等參數(shù)對實現(xiàn)各種不同圖形的精確曝光至關(guān)重要，沒有照明光瞳的測量與控制，就沒有合格的曝光圖形。
[0003]一般的，針孔相機主要由針孔掩模版、傅里葉變換物鏡、像傳感器等組成，如圖1所示。針孔掩模版位于光刻機掩模面位置，該位置就是投影物鏡的物面位置，利用針孔對不同照明視場位置進行采樣。傅里葉變換物鏡的功能是將通過針孔照明光束的角度分布轉(zhuǎn)換為空間分布，即在傅里葉變換物鏡的像面獲得照明光束的光瞳，可以用下面公式〈1>表示:
[0004]h=f*sin Θ <1>
[0005]其中，h表示在像面上的高度，f表示物鏡的焦距，Θ表示光束的視場角度(這是物位于無窮遠時的正弦條件)。像傳感器一般位于傅里葉變換物鏡的像面位置，典型的，一般采用CMOS相機或CXD相機作為像傳感器。
[0006]在現(xiàn)有技術(shù)中，根據(jù)經(jīng)典參考文獻(應(yīng)用光學，張以謨，機械工業(yè)出版社，第497?500頁)，傅里葉變換物鏡結(jié)構(gòu)形式很多，典型結(jié)構(gòu)有2種。一種是單組形式，由正負2片透鏡組成，它能使球差和正弦差得到很好的校正，但是軸外像差不能校正，因此能負擔的視場和孔徑都很小。另一種是由2組遠距透鏡組成，構(gòu)成雙遠距對稱結(jié)構(gòu)(8片透鏡)，可以校正場曲，其它像差也可以得到很好的校正。但是這種物鏡利用透鏡間隔來校正場曲，因此結(jié)構(gòu)不緊湊，軸向長度較大。
[0007]申請日為2008年12月10日的3篇中國專利( 申請人:為上海微電子裝備有限公司)，申請?zhí)柗謩e為:200810204353.8,200810204354.2,200810204356.1，公開了 3 種傅里葉透鏡系統(tǒng)。
[0008]作為傅里葉變換物鏡，最重要的是實現(xiàn)公式〈1>表示的關(guān)系，即滿足正弦條件，專利申請(200810204353.8)表2中視場1、2、7、8的“與正弦條件的誤差”計算明顯錯誤，而且視場6、7、8的“與正弦條件的絕對偏離”分別為80 μ m、147 μ m、208.6 μ m，偏差較大。
[0009]申請?zhí)枮?00810204354.2專利，表2中視場1、4的“與正弦條件的誤差”計算明顯錯誤，而且視場6、7、8的“與正弦條件的絕對偏離”分別為50.02 μ m、74.12 μ m、90.45 μ m，
偏差較大。
[0010]申請?zhí)枮?00810204356.1專利，表2中視場1、5、8的“與正弦條件的誤差”計算明顯錯誤，而且視場6、7、8的“與正弦條件的絕對偏離”分別為144.04μπι、245.2μπι、346.96 μ m，偏差較大。
[0011]根據(jù)上面的分析，這3篇涉及傅里葉變換物鏡的專利，對于滿足傅里葉變換的最基本約束條件(即正弦條件)存在較大偏離，另外聲稱的數(shù)值孔徑0.31也與較佳實施例中數(shù)據(jù)完全不符。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本實用新型的目的在于公開一種傅里葉變換物鏡，該傅里葉變換物鏡能用于半導體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)的光瞳測量，它不僅能有效地滿足正弦條件的要求、嚴格校正像差，而且滿足針孔掩模版尺寸、像傳感器尺寸的要求，以期達到實際半導體光刻設(shè)備應(yīng)用的要求。
[0013]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0014]一種傅里葉變換物鏡，用于將針孔掩模版圖形面內(nèi)的針孔變換到像傳感器光敏面內(nèi)，所述的傅里葉變換物鏡沿其光軸方向依次包括:孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、后焦面，其特征在于，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點位置而形成像方遠心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡、第二透鏡具有正光焦度，第三透鏡具有負光焦度，所述的第一透鏡為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡為雙凸透鏡，第三透鏡為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。
[0015]所有三塊透鏡均采用高透過率的熔石英材料制成。
[0016]所有三塊透鏡全部采用高透過率的熔石英材料，可選康寧公司7980牌號的熔石英材料，也可以選肖特公司的LithosilTMQ0/l-E193熔石英材料。
[0017]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果:
[0018]1、本實用新型的傅里葉變換物鏡，可以有效地既滿足像傳感器尺寸和大視場角的要求，又滿足后工作距較長的要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊；
[0019]2、本實用新型的傅里葉變換物鏡，采用正負光焦度平衡匹配，正光焦度較大，可以有效地滿足正弦條件要求，并且球差、象散、場曲、波像差都得到很好的校正；
[0020]3、本實用新型的傅里葉變換物鏡，僅采用表面類型為球面的透鏡，沒有引入非球面透鏡，從而降低了透鏡的加工、檢測和裝校的難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型的傅里葉變換物鏡所應(yīng)用的針孔相機示意圖；
[0022]圖2為本實用新型的傅里葉變換物鏡的結(jié)構(gòu)及光路圖；
[0023]圖3為本實用新型的傅里葉變換物鏡實際成像高度與正弦條件的偏離圖；
[0024]圖4為本實用新型的傅里葉變換物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF圖；
[0025]圖5為本實用新型的傅里葉變換物鏡的RMS波像差分布圖；
[0026]圖6為本實用新型的傅里葉變換物鏡的球差、象散、場曲、畸變分布圖。

【具體實施方式】
[0027]以下將對本實用新型的傅里葉變換物鏡做進一步的詳細描述。
[0028]本實用新型的目的在于公開一種能用于半導體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)光瞳測量的傅里葉變換物鏡，它不僅能有效地滿足正弦條件的要求、嚴格校正像差，而且滿足針孔掩模版尺寸、像傳感器尺寸的要求，以期達到實際半導體光刻設(shè)備光瞳測量應(yīng)用的要求。
[0029]由本實用新型的傅里葉變換物鏡構(gòu)成的針孔相機，測量對象是投影物鏡數(shù)值孔徑NA為0.75，放大倍率為-0.25的光刻機照明系統(tǒng)，相干因子為0.89，采用氟化氬(ArF)準分子激光，波長為193.368nm,因此所有透鏡全部采用高透過率的熔石英材料，可選康寧公司7980牌號的熔石英材料，也可以選肖特公司的LithosilTMQ0/l-E193熔石英材料。
[0030]本實用新型的傅里葉變換物鏡物方視場半角度要求為(預(yù)留10%余量):
[0031]U=arcsin(0.75/4*0.89*1.1)=10.6。
[0032]本實用新型的傅里葉變換物鏡像面尺寸要求為:
[0033]像傳感器的像素尺寸為16 μ mX 16 μ m，像素數(shù)量為512 X 512，邊緣各留12個像素的余量，像面尺寸為8mmX8mm,像面半高度為4mm。
[0034]本實用新型的傅里葉變換物鏡焦距要求為:
h 4 0
[0035]f = -^ = ^— = 21.7449/?/?

sin U sin 10.6
[0036]該針孔相機要求的針孔掩模版上針孔直徑為0.3mm,從針孔面到像面距離小于45mm,像方工作距大于10mm。
[0037]傅里葉變換物鏡完善成像，一般要求波像差的RMS值小于1/14波長，即小于13.8nm。
[0038]本實用新型的傅里葉變換物鏡的約束參數(shù)如表I所示。
[0039]表I半導體光刻設(shè)備光瞳測量用傅里葉變換物鏡的設(shè)計約束參數(shù)
[0040]
約束項目[#1
工作波長193.368nm
物方視場半角10.6o
針孔直徑0.3mm
像面半高度4.0mm
像素尺寸16μιηΧ16μπι
焦距21.7449mm
像方工作距>10mm
從針孔面到像面距離〈45ππη
透鏡組長度〈15mm
波像差RMS值<13.8nm
實際像高與正弦條件偏差~小于16 um (單像素尺寸)
[0041]本實用新型傅里葉變換物鏡一個實施例如圖2所示，本實用新型的傅里葉變換物鏡，用于將針孔掩模版圖形面內(nèi)的針孔變換到像傳感器光敏面內(nèi)，所述的傅里葉變換物鏡沿其光軸方向依次包括:孔徑光闌(即針孔掩模版圖形面內(nèi)的針孔)101、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、后焦面202，所述的傅里葉變換物鏡，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點位置而形成像方遠心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡L1、第二透鏡L2具有正光焦度，第三透鏡L3具有負光焦度，所述的第一透鏡LI為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡L2為雙凸透鏡，第三透鏡L3為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。
[0042]所述的傅里葉變換物鏡，所有三塊透鏡全部采用高透過率的熔石英材料，可選康寧公司7980牌號的熔石英材料，也可以選肖特公司的LithosilTMQ0/l-E193熔石英材料。
[0043]根據(jù)前面表I中半導體光刻設(shè)備光瞳測量用傅里葉變換物鏡約束參數(shù)，本實用新型公開的傅里葉變換物鏡的設(shè)計數(shù)據(jù)如表2所示。為了光學加工、光學檢測的方便以及降低成本，本實用新型所有元件的光學表面均為球面，沒有任何非球面元件。
[0044]表2給出了本實施例的傅里葉變換物鏡的每一片透鏡的具體設(shè)計參數(shù)值，其中，“表面”一欄指示了從物面(Object)到像面(Image)之間每個光學表面的編號，其中STOP表示孔徑光闌?！鞍霃健?一欄給出了每一表面所對應(yīng)的球面半徑?！昂穸?間隔”一欄給出了相鄰兩表面之間的軸向距離，如果該兩表面屬于同一透鏡，則“厚度/間隔”的數(shù)值表示該透鏡的厚度，否則表示物/像面到透鏡的距離或者相鄰透鏡的間距?！肮鈱W材料” 一欄即指明所對應(yīng)透鏡的材料?！鞍肟讖健币粰谥该髁怂鶎?yīng)表面的1/2孔徑值，即半高度?！八鶎賹ο蟆?一欄指示了從物面到像面之間每一表面所對應(yīng)的透鏡。除了 LI?L3這3塊透鏡之夕卜，透鏡LI前面還設(shè)置有孔徑光闌STOP，其孔徑尺寸的改變將影響該傅里葉變換物鏡的成像效果。
[0045]表2本實用新型的傅里葉變換物鏡的設(shè)計參數(shù)
[0046]
表面半徑mm 厚度/間距mm 光學材料半孔徑mm 所屬對象 Object 1.00E+18~ 1.00E+18物面
Stop 1.00E+18~ 16.10520.1500孔徑光闌
26.1665 3.7739corning7980 3.3490LI
[0047]表間半徑丨nm 厚度/間距mm光學材料半孔徑丨丨丨丨丨丨所屬對象飛 ^6.0160 I13145 I^ 2.9311 I
49.809丨2.6436corning79S() 3.0666 I
"5-29.54302.24842.9921
~6-4.15485.0197coming?980 2.8437
~1-6.816410.00004.0343
Image1.0OE+180.00004.0694像面
[0048]根據(jù)本實用新型較佳實施例所公開的數(shù)據(jù)，采用C0DE_V軟件進行實際光線追跡得到不同視場角的實際像高，并與滿足正弦條件的像高進行比較，如下表3所示，可以看出，各視場位置實際像高與正弦條件的絕對偏差都小于16 μ m (如圖3所示)，即小于像傳感器上I個像素的尺寸。
[0049]表3實際像高與滿足正弦條件像高的比較
[0050]
半視場角"?ΕΜΜ?相對偏差絕對偏差μιιι
om ^ 0:00000 ^ 0,00000 ^ ~ ^ om
L060.402270.406851.14%4M
2Λ20.804400.813181.09%8J8
3J81.206251,218471.01%12,22
4241.607701,622250.91%14.55
5302.008592.024050.77%15.46
6362.408792.423440.61%14.65
7^422.808172,820020,42%11.85
8^483.206593.213320.21%6J3
9^543.603913.60281-0.03%-1,10
10,604.000003.98803-0.30%-11,97
[0051]當在表I中工作波長、視場等參數(shù)條件下，根據(jù)專業(yè)光學設(shè)計軟件CODE—V的分析計算可知，其像差校正程度如下。
[0052]圖4顯示了本實施例的傅里葉變換物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，接近衍射極限；圖5是本實施例的傅里葉變換物鏡的RMS波像差的分布，最差RMS波像差為0.llnm，這反映了本實用新型的傅里葉變換物鏡的成像質(zhì)量接近完善成像。圖6是本實施例的傅里葉變換物鏡的球差、象散、場曲、畸變圖，畸變最大值為-2.0%，這是為了滿足正弦條件而預(yù)留的負畸變。
[0053]從表2中數(shù)據(jù)可得，從針孔面到像面距離為41.105mm，滿足<45mm的要求，表2中第7面的數(shù)據(jù)為10.0000，也滿足像方工作距要求。
[0054]釆用本實用新型的傅里葉變換物鏡，完全滿足用于測量照明光瞳分布的針孔相機的技術(shù)要求，成像質(zhì)量優(yōu)良，并且達到實際光刻照明光瞳測量的應(yīng)用要求。
【權(quán)利要求】
1.一種傅里葉變換物鏡，沿其光軸方向依次包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、后焦面，其特征在于，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點位置而形成像方遠心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡、第二透鏡具有正光焦度，第三透鏡具有負光焦度，所述的第一透鏡為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡為雙凸透鏡，第三透鏡為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傅里葉變換物鏡，其特征在于，所述的每一透鏡的光學表面均為球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傅里葉變換物鏡，其特征在于，所有三塊透鏡均采用高透過率的熔石英材料制成。
【文檔編號】G03F7/20GK204028439SQ201420156068
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】蔡燕民, 王向朝, 唐鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所