CN101520543B

CN101520543B - 深紫外投影光刻物镜

Info

Publication number: CN101520543B
Application number: CN2009100093749A
Authority: CN
Inventors: 陈旭南; 罗先刚
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: CN101520543A

Abstract

深紫外投影光刻物镜，包括外层的恒温密封外套、中间层和内层结构，中间层为镜筒，由第一镜筒和第二镜筒用连接件连接而成，内层为十个光学透镜元件及十个分隔固定光学透镜元件的透镜框组件和分辨力增强组件，十个光学透镜元件和一个分辨力增强组件组成的光学系统为双远心系统，分辨力增强组件将十个光学透镜元件分为前后二组物镜，前组物镜由第一至第四透镜组成，后组物镜由第五至第十透镜组成，分辨力增强组件的光栏面既是前组物镜的像方焦面，也是后组物镜的物方焦面，同时也是光学系统的光瞳面。本发明具有分辨力增强能力，克服了现有投影光刻物镜光刻分辨力只能实现传统光学极限分辨力的不足，同时还具有结构简单、成本低、光学缩小倍率大、大幅降低制作超微细掩模难度的特点，使之能制作更高分辨力微细图形。

Description

深紫外投影光刻物镜

技术领域

本发明涉及一种深紫外投影光刻物镜，属于投影光刻装置高分辨力投影光刻物镜技术领域。

背景技术

在大规模集成电路制造工艺的关键设备中投影光刻装置是一种及其重要的设备。投影光刻物镜又是投影光刻装置的核心部件。目前国内的光刻物镜工作波长都是436纳米、365纳米、248纳米和193纳米等，数值孔径也都不很高，最高分辨力为0.15-0.5微米。由于分辨力低，不能制作高分辨力图形，已不能满足大规模集成电路制造和研究的需求。深紫外投影光刻物镜是制作超微细图形的投影光刻装置的核心部件。现有日本尼康(Nikon)、加农(Canon)、德国蔡司(Zeiss)、美国楚普(Tropel)等公司公开的深紫外(193纳米)投影光刻物镜，数值孔径都大于等于0.50-0.60，分辨力也很高；但这些物镜结构复杂，价格昂贵，一般单位都无法制造，也买不起，同时由于光学缩小倍率小，制作超微细掩模比较困难。在目前现有的投影光刻物镜中也没有加减光、位相匹配和偏振叠加等各种新型分辨力增强装置，只具有传统光学极限分辨力。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光刻分辨力更高，光学元件数量少，结构简单，掩模制作容易，具有分辨率增强技术的深紫外投影光刻物镜。

本发明的技术解决方案：深紫外投影光刻物镜，包括外层的恒温密封外套、中间层和内层结构，中间层为镜筒，由第一镜筒和第二镜筒用连接件连接而成，内层为分隔固定光学透镜元件的十个透镜框组件和分辨力增强组件，以及十个光学透镜元件和一个分辨力增强组件组成的光学系统为双远心系统，光学系统缩小倍率20倍，数值孔径NA＝0.62，分辨力增强组件将十个光学透镜元件分为前后二组物镜，前组物镜由第一至第四透镜组成，后组物镜由第五至第十透镜共六个透镜组成，分辨力增强组件的光栏面既是前组物镜的像方焦面，也是后组物镜的物方焦面，同时也是光学系统的光瞳面，分辨力增强组件对分辨率有增强作用，使光刻图形的对比度增加，提高光刻分辨力。

所述的分辨力增强组件的增强板为减光增强板，在其上面制作有边长为b的方形减光层，安装时边长方向和光刻图形线条方向保持一致，对193nm光减光40-60％，b的取值范围0.4r到0.6r，其中r为增强板的通光半径，能减少成像图形的0级光，增强光刻图形的对比度，提高光刻分辨力。

所述的分辨力增强板组件的增强板为位相增强板，位相增强板由石英基板以及石英基板下平面制作的减光层和石英基板上平面制作的位相层组成，减光层是一个两台阶的正方形减光层，外正方形边长为c₁，c₁的取值范围0.4至0.55r₁，内正方形边长为c₂，c₂的取值范围为0.2r₁至0.4r₁，其中r₁为位相增强板的通光半径，从外正方形到内正方形之间区域比内正方形区域对193nm光减光要少些。位相层完全透光，由16x16-64x64个小方块阵列图形组成，位相取值为0，π/4，π/2，π四个值，它是针对不同掩模线条和点孔图形的不同分布而制作的，由于放置了具有减光和位相补偿的位相增强板，在成像光减少不多的情况下，增强了光刻图形的对比度，提高微细图形的光刻分辨力。

所述的分辨力增强组件的增强板为偏振增强板，S偏振方向是一致的，它并且平行于下表面正方形减光层的某一边长，也平行于光刻图形的线条方向，从光刻物镜前组射下来的光线，通过增强板的偏振层后，从增强板偏振层下面出射的偏振光，S偏振全是由上面所说的平行于正方形某一边长的S偏振光，该单一偏振光再通过光刻物镜后组，成像于硅片上，成像偏振光在图形的两个方向上对称，起互相叠加的作用。与此偏振增强板相配对，作在石英基板下平面的减光层是一个由两个台阶的正方形减光层组成，外正方边长为d₁，d₁取值范围为0.3r₂到0.5r₂，内正方形边长为d₂，d₂取值范围为0.1r₂到0.3r₂，其中r₂为偏振增强板的通光半径，从外正方形到内正方形之间区域比内正方形区域对193nm光减光要少些。由于具有减光和偏振特性的偏振增强板，让成像光中能互相叠加的光通过，起抵消作用的光不通过，大幅增强了光刻图形的对比度，提高微细图形的光刻分辨力。

所述的分辨力增强组件的增强板为另一偏振增强板，S偏振方向是和与由圆心为起点沿直径方向放射形射线相垂直，对该偏振层中，以板中心为圆心直经为5mm的圆面不作偏振层。从光刻物镜前组射下来的光线，通过增强板的偏振层后，从增强板偏振层下面出射的偏振光，S偏振全是由上面所述的与由圆心为起点的放射线相垂直，该成像偏振光也是以中心为对称互相叠加。与此放射型偏振层相配对，作在石英基板下平面的减光层是由两个台阶的圆形减光层组成，外圆形直径为фe₁，，фe₁取值范围为0.3r₃到0.5r₃，内层圆形直径为фe₂，фe₂取值范围为0.1r₃到0.3r₃，其中r₃为偏振增强板的通光半径，从外圆形到内圆形之间区域比内圆区域对193nm光减光要少些。由于具有减光和偏振特性的偏振增强板，让成像光中能互相叠加的光通过，起抵消作用的光不通过，大幅增强了光刻图形的对比度，提高微细图形的光刻分辨力。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)投影光刻物镜的数值孔径大(NA＝0.62)，工作波长短((＝193纳米)，最佳传递函数MTF＝0.43；在2500对线/毫米，离焦±0.2微米时，传递函数MTF≥0.38。由于物镜数值孔径大，提高了光刻分辨力，最细光刻分辨力达到0.15微米。

(2)本发明仅由11个光学元件构成(10个透镜和增强板)，光学元件数少，又无一胶合件，因此物镜结构很简单，简化了物镜制作，也降低了制作成本，同时提高了物镜质量。

(3)在较短的波长下，保证了光学元件组成的光学系统为像方远心、物方远心的双远心系统。由于是双远心系统，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倍率。

(4)物镜缩小倍率达到20倍，比一般产品的5倍倍率大了3倍，因此降低了超微细掩模制作的难度，这就降低了制作集成电路的成本，适用于集成电路器件研究和小批量制作生产。

(5)在物镜的数值孔径大波长短的同时，在物镜的光瞳面安装了减光、位相匹配补偿和偏振叠加等各种形式的分辨力增强装置，使其在分辨力本来已很高的情况下，使成像分辨力和焦深得到更大的提高和改善，达到最细光刻分辨力0.11微米。

附图说明

图1为本发明实施例1的光学和机械总结构图；

图2为本发明实施例1的离焦传递函数MTF曲线图；

图3为本发明实施例1的畸变曲线图；

图4为本发明实施例1的增强组件减光增强板结构示意图；

图5为本发明实施例2的光学和机械总结构图；

图6为本发明实施例2的分辨力增强组件位相增强板的结构图；

图7为本发明实施例2增分辨力强组件位相增强板小方块阵列位相层结构示意图；

图8为本发明实施例3的光学和机械总结构图；

图9为本发明实施例3的分辨力增强组件偏振增强板的结构图；

图10为本发明实施例3的分辨力增强组件偏振增强板的偏振层结构示意图；

图11为本发明实施例3的分辨力增强组件偏振增强板偏振层结构的另一结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例1包括恒温外套8、中间层、光学透镜元件和透镜框组件三层结构。通有精密恒温的洁净循环水的恒温外套8为深紫外投影光刻物镜的外层。恒温外套8密封套装在镜筒外面。恒温外套8使镜筒和光学透镜框组件恒温，同时也使镜筒内的光学透镜元件和元件之间的间隔空间与外界大气隔开。

中间层为镜筒，它由第一镜筒6和第二镜筒10用连接件连接而成，第一镜筒6中安装有增强组件7，内壁有互相平行的台阶面，以支撑物镜内层透镜框组件2、透镜框组件3、透镜框组件4和透镜框组件5，第二镜筒10上有高精度分隔和支撑物镜内部的所有光学透镜元件及其透镜框组件的法兰，内壁也有互相平行的台阶面，以支撑物镜内层其余透镜框组件。

内层为被封在中间层镜筒内的10个光学元件和10支撑光学元件的透镜框组件和分辨力增强组件7。从掩模29一侧起，依次是固定压圈1、第一透镜28及第一透镜框组件2、第二透镜27及第二透镜框组件3、第三透镜26及第三透镜框组件4、第四透镜25及第四透镜框组件5、分辨力增强组件7的减光增强板24、第五透镜22及第五透镜框组件9、第六透镜21及第六透镜框组件11、第七透镜20及第七透镜框组件12、第八透镜19及第八透镜框组件13、第九透镜18及第九透镜框组件14、第十透镜17及第十透镜框组件15。该物镜包含的11个光学元件(10个和一个分辨力增强组件7的减光增强板24)，无一胶合件。其中，第一透镜28为前凹后凸弯月型负透镜；第二透镜27为前凸后凹弯月型负透镜；第三透镜26为前凸后凹正透镜；第四透镜25为双凹负透镜；第五透镜22为前凹后凸弯月型负透镜；第六透镜21为双凸正透镜；第七透镜20为双凸正透镜；第八透镜19为前凸后凹弯月型负透镜；第九透镜18为前凸后凹弯月型负透镜；第十透镜17为前凸后凹正透镜。

以上11个光学透镜元件组成的光学系统为像方远心、物方远心的双远心系统，保证掩模图形和硅片的偏离与倾斜也不会改变投影光刻倍率。分辨力增强组件7将十个光学透镜元件分为前后二组，前组物镜由第一透镜28、第二透镜27、第三透镜26、第四透镜25和减光增强板24共五个元件组成，后组物镜由第五透镜22、第六透镜21、第七透镜20、第八透镜19、第九透镜18、第十透镜17共六个元件组成；增强组件7中减光增强板24的下表面，即光栏面23既是前组物镜的像方焦面，也是后组物镜的物方焦面，同时也是光学系统的光瞳面。掩模面29上的掩模图形，通过投影光刻物镜被缩小20.2倍投影成像于像面(硅片面)16上。由于物镜数值孔径大，NA＝0.62，使最细光刻分辨力达到0.15微米。

如图2所示，为本发明实施例1的传递函数MTF曲线。在2500对线/毫米，离焦±0.2微米范围时，传递函数MTF≥0.38。图中横坐标表示离焦量(每单位刻度：微米)，纵坐标表示传递函数MTF值(每单位刻度：0.1)。曲线30和31分别表示像高0.0毫米时子午和弧矢方向上的MTF曲线，曲线32和33分别表示像高1.0毫米时子午和弧矢方向上的MTF曲线，曲线34和35分别表示像高2.0毫米时子午和弧矢方向上的MTF曲线，曲线36和37分别表示像高3.0毫米时子午和弧矢方向上的MTF曲线，曲线38和39分别表示像高5.0毫米时子午和弧矢方向上的MTF曲线。

如图3所示，本发明实施例1在192.5nm、193nm和193.5nm波长时的畸变曲线40、41和42，这些曲线表明，全视场最大畸变值小于万分之五。图中，横坐标表示畸变相对值，每单位刻度为0.00005，纵坐标表示归一视场，每单位刻度为0.1。

如表1所示，为深紫外投影光刻物镜实施例1光学系统主要结构数据。表中列出了从第一透镜28到第十透镜17及增强板24的材料、折射率、各曲率半径、厚度、间隔、通光直径和焦距数据。

表1：本发明实施例1、实施例2、实施例3光学系统结构数据

如图4所示，为本发明实施例1分辨力增强组件减光增强板24的结构示意图。分辨力增强组件7中减光增强板24的下表面，即光栏面23也是光学系统的光瞳面，在其上面制作有边长为b的方形减光层43，安装时边长方向和光刻图形线条方向保持一致，对193nm光减光50％，b＝0.5r，其中r为增强板的通光半径，减光增强板24能减少成像图形的0级光，增强光刻图形的对比度，提高光刻分辨力，使其优于0.15微米。

如图5所示，为本发明实施例2的光学和机械总结构图。它与实施例1同样包括恒温外套8、中间层、光学透镜元件和透镜框组件三层结构的11个光学元件(含分辨力增强组件)，中间层同样为镜筒，它由第一镜筒44和第二镜筒10用连接件连接而成，第一镜筒44中作有与镜筒轴线垂直的导轨，导轨上安装有包括位相增强板45，内壁同样有互相平行的台阶面，以支撑物镜内层一至四各透镜框组件，第二镜筒10内也同样支撑物镜内层其余透镜框组件。

该实施例2的11个光学元件组成的光学系统同样为双远心系统。分辨力增强组件为位相增强组板45，它也将光学系统分为前后二组，位相增强组板45的下表面23(即光栏面)，同样既是前组物镜的像方焦面，也是后组物镜的物方焦面，同时也是光学系统的光瞳面。掩模面29上的掩模图形，通过投影光刻物镜被缩小20.2倍投影成像于像面(硅片面)16上。实施例2和实施例1因元件的几何参数未变，它的传递函数和畸变曲线都保持与实施例1相同。

如图6所示，为本发明实施例2分辨力增强组件中的位相增强板45的结构示意图。位相增强板45由石英基板46以及石英基板下平面制作的减光层47和石英基板上平面制作的位相层48组成，减光层47可用镀膜方法制作，它是一个两台阶的正方形减光层，外正方形边长为c₁，c₁＝0.5r₁，内正方形边长为c₂，c₂＝0.3r₁，其中r₁为位相增强板的通光半径，从外正方形到内正方形之间区域对193nm光减光30％，内正方形区域减光80％。位相层48位于位相增强板46的上表面，它完全透光，位相层48是由32x32个小方块阵列图形49组成，如图7所示，位相取值为0，π/4，π/2，π四个值，对应颜色为由黑至白，它是针对不同掩模线条和点孔图形的不同分布而制作的。该深紫外投影光刻物镜实施例2，由于放置了具有减光与位相补偿的位相增强板45，增强了光刻图形的对比度，提高微细图形的光刻分辨力，最细光刻分辨力达到0.12微米。

如图8所示，为本发明实施例3的光学和机械总结构示意图，它与实施例2相同，包括恒温外套8、中间层、内层为光学透镜元件和透镜框组件三层结构的11个光学元件，中间层同样为镜筒，它由第一镜筒44和第二镜筒10用连接件连接而成，第一镜筒44中制作有与镜筒轴线垂直的导轨，导轨上安装有包括偏振增强板50，内壁同样有互相平行的台阶面，以支撑物镜内层一至四各透镜框组件，第二镜筒10内也同样支撑物镜内层其余透镜框组件。

该实施例3的11个光学元件组成的光学系统同样为双远心系统。偏振增强板50也将光学系统分为前后二组，偏振增强板50的下表面23，同样既是前组物镜的像方焦面，也是后组物镜的物方焦面，同时也是光学系统的光瞳面。掩模面29上的掩模图形，通过投影光刻物镜投影成像于像面16上。实施例3因元件的几何参数同样未改变，它的传递函数和畸变曲线都保持与实施例1和实施例2相同。

如图9所示，为本发明实施例3偏振增强板50的结构示意图。偏振增强板50由石英基板51、石英基板下平面制作的减光层52和石英基板上平面偏振层53组成，减光层52是一个由两个台阶的正方形减光层组成，用镀膜方法制作，外正方边长为d₁，d₁＝0.4r₂，内正方边长为d₂，d₂＝0.2r₂，其中r₂为偏振增强板的通光半径，从外正方形到内正方形之间区域对193nm光减光30％，内正方形区域减光75％。增强板上平面偏振层53是对偏振方向有要求的偏振层。

如图10所示，为本发明实施例3偏振增强板的偏振层53结构示意图，偏振层53的偏振方向(S方向)是一致的，并且平行于正方形的某一边长，也平行于光刻图形的线条方向，从光刻物镜前组射下来的光线，通过增强板的偏振层53后，从增强板偏振层53下面出射的偏振光，偏振S为由上面所述的平行于正方形某一边长的S偏振光构成，该单一偏振光通过光刻物镜后组，成像于硅片上，成像偏振光以两个方向为对称起叠加的作用。

如图11所示，为本发明实施例3增强板偏振层55偏振方向的结构示意图，其S偏振方向是和与由圆心为起点沿直径方向放射形射线相垂直，对该偏振层，以板中心为圆心直经为5mm的圆面不作偏振层。从光刻物镜前组射下来的光线，通过增强板的偏振层55后，从增强板偏振层55下面出射的偏振光，S偏振全是由上面所述的与由圆心为起点的放射线相垂直，该成像偏振光也是以中心为对称互相叠加。与此放射型偏振层55相配对，作在石英基板下平面的减光层54是由两个台阶的圆形减光层组成，外圆形直径为фe₁，фe₁＝0.4r₃，内圆形直径为фe₂，фe₂＝0.2r₃，其中r₃为偏振增强板的通光半径，从外圆到内圆之间区域对193nm光减光35％，内圆面区域减光85％。

本发明实施例3，由于放置了具有减光和偏振特性的偏振增强板50，让能互相叠加的成像光光通过，起抵消作用的光不通过，大幅增强了光刻图形的对比度，提高微细图形的光刻分辨力，最细光刻分辨力达到0.11微米。

Claims

1.深紫外投影光刻物镜，包括外层的恒温密封外套(8)、中间层和内层结构，中间层为镜筒，由第一镜筒和第二镜筒用连接件连接而成，内层为十个光学透镜元件及十个分隔固定光学透镜元件的透镜框组件和分辨力增强组件(7)，十个光学透镜元件和一个分辨力增强组件组成的光学系统为双远心系统，其特征在于：所述分辨力增强组件(7)将十个光学透镜元件分为前后二组物镜，前组物镜由第一至第四透镜组成，后组物镜由第五至第十透镜组成，分辨力增强组件(7)的光栏面(23)既是前组物镜的像方焦面，也是后组物镜的物方焦面，同时也是光学系统的光瞳面；所述的分辨力增强组件(7)为减光增强板(24)，在其上面制作有边长为b的正方形减光层(43)，b的取值范围为0.4r到0.6r，其中r为减光增强板(24)的通光半径。