CN102393560A

CN102393560A - 一种全球面折反式光刻投影物镜

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Publication number: CN102393560A
Application number: CN2011104173167A
Authority: CN
Inventors: 李艳秋; 刘晓林
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102393560B

Abstract

本发明提供一种全球面折反式光刻投影物镜，包括耦合镜组G1、折反镜组G2、会聚透镜组G3以及孔径光阑，所述折反镜组G2包括第二镜片L2和第三镜片L3，第二镜片L2和第三镜片L3之间的距离的取值范围为45mm～35mm；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第二镜片L2、孔径光阑、第三镜片L3以及会聚透镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上。本发明采用了具有折反功能的第二镜片L2和第三镜片L3，使光路在第二镜片L2和第三镜片L3之间发生多次折反，因此增加本发明光刻投影物镜设计的自由度，提高校正像差的能力，特别是球差和彗差，有益于实现高数值孔径物镜。

Description

一种全球面折反式光刻投影物镜

技术领域

本发明涉及一种全球面折反式光刻投影物镜，属于光学设计技术领域。

背景技术

光学光刻技术是集成电路、平板显示器等微电子器件制造的主流技术，且光刻投影物镜是投影曝光装置的核心部件。根据瑞利分辨率极限公式，光刻工艺最小特征尺寸

其中λ是真空中光波长，NA是投影物镜的像方数值孔径，k₁是光刻工艺因子，通过不断减小曝光波长、提高数值孔径以及降低工艺因子来提高光刻最小特性尺寸。当前曝光波长已经发展到深紫外甚至是极紫外波段，同时也不断寻求高数值孔径，以获得更高的分辨率。

传统的微缩光刻投影物镜采用全折射结构，其已经在紫外波段得到广泛的应用。但是当到深紫外波段供选择的透射光学材料只有熔石英和氟化钙两种，致使全折射系统校正色差能力很有限，也即系统工作带宽较窄，这就对深紫外激光器的带宽提出高要求，需要用到激光线宽压窄技术，致使整个曝光系统成本加大。即使是深紫外光源的带宽比较窄，由单一材料构成的全折射式光学系统也会引起较大的色差。另外，氟化钙是属于立方晶体，在深紫外波段具有本征双折射特性，会增大系统的偏振像差，主要是双向延迟像差，从而影响系统的成像性能。可见，全折射系统存在校正色差能力及氟化钙引入双向延迟的不足之处。

而对于全反射结构，如由两同心反射球面构成的经典施瓦茨查尔德Schwarzschild系统，虽然其不引入色差，但是该结构用在深紫外高NA的物镜设计时具有以下不足之处：相对口径较大的主镜会引入较大的中心遮拦，约在35％以上；主镜悬浮光路中，需要特定的支撑结构，从而又进一步增加了遮拦和衍射效应，从而影响成像对比度；设计优化参量少，系统高级像差校正能力有限，限制了数值孔径的提高；若想进一步降低中心遮拦，需要至少要引入一个高离球量的非球面来进一步校正球差，而对于高离球量的非球面的加工制造难度很大。

基于上述全折射系统在色差校正能力等方面不足，以及全反射系统大的中心遮拦和数值孔径限制等不足的情况下，进而采用折反式结构来克服两者的不足，综合利用反射镜不引入色差优势实现微缩成像，利用折射镜平衡反射镜引入的像差，从而实现高数值孔径、小中心遮拦、一定工作带宽以及高成像质量的光刻投影物镜。

美国专利US 2520635公开了一种折反式结构，它是基于典型的Schwarzschild系统的全反射结构进行的改进设计，将主镜悬浮于一个折射元件的前表面，次镜用一个曼金镜，此种结构相对其他折反结构很好的校正了球差，且具有较小的色差。但是，这种结构中心遮拦较大，而且数值孔径也受限，同时凸面反射镜需要用胶连接在折射元件上，由于胶在深紫外光照下会老化，使得反射镜会脱落，所以不适用于深紫外波段。

美国专利US 6560039公开一种折反结构，也是基于典型的Schwarzschild系统的全反射结构进行改进设计，与US 2520635的结构不同的是，将凸面反射面置于折射元件的后表面，不需要胶粘或特定的支撑结构，可以实现相对较小的中心遮拦，弥补了US 2520635结构的一些不足。但是，此专利是一个由两片光学元件组成的无限共轭距的Schwarzschild系统折反的基本结构，对于应用到深紫外高数值孔径的光刻物镜，需要做以下几点改进：将无限共轭距的望远物镜改进为有限共轭距的微缩投影成像物镜；进一步提高数值孔径、控制遮拦比、校正像差特别是球差以满足光刻物镜高成像性能的设计指标要求。

现有折反射系统虽然具有相对较小的中心遮拦和球差，以及相对较宽的工作带宽，但是仍不能满足深紫外波段的光刻物镜具有几乎接近衍射极限的高成像质量，更高的数值孔径，更小的中心遮拦，同时要满足相对较宽的工作带宽等要求。

发明内容

本发明提供一种全球面折反式光刻投影物镜，该光刻投影物镜具有高数值孔径、小的中心遮拦以及宽的工作带宽。

实现本发明的技术方案如下：

一种全球面折反式光刻投影物镜，包括耦合镜组G1、折反镜组G2、会聚透镜组G3以及孔径光阑，所述折反镜组G2包括第二镜片L2和第三镜片L3，第二镜片L2和第三镜片L3之间的距离的取值范围为45mm～35mm；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第二镜片L2、孔径光阑、第三镜片L3以及会聚透镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上；

所述第二镜片L2为弯月负透镜，其厚度范围为9～15mm；前表面为凸面，其曲率半径的取值范围为60～85mm；后表面为凹面，其曲率半径的取值范围为55～80mm；前表面中心区域为镀有抗反膜AR的透射面，外环边缘区域为镀有高反膜HR的反射面，且该中心区域为直径等于φ₂的圆，其中9mm＜φ₂＜23mm；后表面镀有抗反膜AR；

所述第三镜片L3的前表面是平面，后表面的中心区域为镀有高反膜HR的凸面反射面，且该凸面反射面的曲率半径的取值范围为12mm～25mm，后表面的外环边缘区域为镀有抗反膜AR的平面透射面；该后表面中心区域为直径等于φ₃的圆，其中7mm＜φ₃＜15mm。

进一步地，本发明所述耦合镜组G1由第一镜片L1构成，所述第一镜片L1为弯月正透镜，其前表面为曲率半径等于66mm的凸面，其后表面为曲率半径等于101.1mm的凹面。

进一步地，本发明所述会聚透镜组G3包括第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6以及第七镜片L7；会聚透镜组G3中各镜片沿光束入射方向的顺序关系为：第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6以及第七镜片L7，其中第四镜片L4、第六镜片L6和第七镜片L7为弯月正透镜，第五镜片L5为一平凹透镜；所述会聚透镜组G3用于将折反镜组G2的出射光束聚焦到像面上。

有益效果

第一、本发明采用了具有折反功能的第二镜片L2和第三镜片L3，使光路在第二镜片L2和第三镜片L3之间发生多次折反，因此增加本发明光刻投影物镜设计的自由度，提高校正像差的能力，特别是球差和彗差，有益于实现高数值孔径物镜。

第二、本发明第二镜片L2的前反射表面分担了系统的大部分光焦度，大大提高消除色差的能力；同时使用弯月负透镜作为第二镜片L2，使得在一定程度校正了折射元件引入的色差，以实现宽的工作带宽。

第三、本发明第三镜片L3的后表面中心的凸面反射面与L3镜片是一个整体，即在同一基材上制作，因此不需要专门设计支撑凸面反射面的机械结构，降低机械结构设计难度，不存在支撑结构引入的衍射问题，提高了光能利用率。

第四、本发明由于引入四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6和第七镜片L7这四个折射元件，用以校正折反镜组引入的球差，所以可以适度增大第二镜片L2和第三镜片L3的曲率半径之比，从而可以实现了更高数值孔径、更小的中心遮拦。

第五、本发明整个光刻投影物镜共采用7片熔石英镜片，镜片数量少，均采用全球面设计，无胶合件，大大降低的加工、制造、检测的难度，同时降低加工成本。

附图说明

图1为工作波段为193nm小视场投影光刻物镜的结构示意图；

图2为工作波段为193nm小视场投影光刻物镜的光学调制传递函数曲线；

图3为工作波段为193nm小视场投影光刻物镜的光程差曲线；

图4为工作波段为193nm小视场投影光刻物镜的场曲和畸变曲线。

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。

本发明的工作原理：本发明将经典的Schwarzschild系统改造成折反式结构，利用第二镜片L2和第三镜片L3代替原有Schwarzschild系统中的主次镜，利用光线在第二镜片L2和第三镜片L3之间的多次折反，使得本光刻投影物镜具有大的像方工作距离、短的焦距，大的像方数值孔径的特点。

如图1所示，本发明全球面折反式光刻投影物镜，包括耦合镜组G1、折反镜组G2、会聚透镜组G3以及孔径光阑，所述折反镜组G2包括第二镜片L2和第三镜片L3，第二镜片L2和第三镜片L3之间的距离的取值范围为35mm～45mm；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第二镜片L2、孔径光阑、第三镜片L3以及会聚透镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上。

第二镜片L2为弯月负透镜，其厚度范围为9～15mm；前表面为凸面，其曲率半径的取值范围为60～85mm；后表面为凹面，其曲率半径的取值范围为55～80mm；前表面中心区域为镀有抗反膜AR的透射面，外环边缘区域为镀有高反膜HR的反射面，且该中心区域为直径等于φ₂的圆，其中9mm＜φ₂＜23mm；后表面镀有抗反膜AR；即第二镜片L2的前表面的中心区域为折射面，边缘外环为反射面，其后表面为折射面。

所述第三镜片L3的前表面是平面，后表面的中心区域为镀有高反膜HR的凸面反射面，且该凸面的曲率半径的取值范围为12mm～25mm，后表面的外环边缘区域为镀有抗反膜AR的平面透射面；该后表面中心区域为直径等于φ₃的圆，其中7mm＜φ₃＜15mm；即第三镜片L3的前表面及后表面外环边缘为平面折射面，其后表面中心区域为反射面。

本发明耦合镜组G1由第一镜片L1构成，第一镜片L1是弯月正透镜，曲率朝向物面，其前表面为曲率半径等于66mm的凸面，其后表面为曲率半径等于101.1mm的凹面，耦合镜组G1用于将物面发出的光束耦合进入折反镜组G2。

会聚透镜组G3具有正光焦度，包括第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6以及第七镜片L7；各镜片沿光束入射方向的顺序关系为：第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6以及第七镜片L7，其中第四镜片L4、第六镜片L6和第七镜片L7为弯月正透镜，第五镜片L5为一平凹透镜；所述会聚透镜组G3用于将折反镜组G2的出射光束聚焦到像面上，且起到补偿折反镜组G2的球差的作用。

本发明中全球面折反光刻投影物镜的工作过程：由有限远物面视场发出的光束以小角度进入耦合镜组G1，耦合镜组G1将入射光束耦合成近乎平行的光束，耦合镜组G1出射的近乎平行的光束进入折反镜组G2，经过第三镜片L3后表面中心区域的小凸面反射镜将光束以大角度反射到第二镜片(折返元件)L2的反射面上，使其分配较大的光焦度，以便实现高数值孔径；光线再经孔径光阑STOP，然后再次经过第三镜片(折反元件)L3，进入会聚透镜组G3；最终以40倍的缩放倍率将物面图形成像到像面上，并且各视场中心主光线近乎平行出射，即与光轴的夹角小于0.8mrad，实现像方远心。

本发明各镜片均采用康宁ArF级熔石英材料，折射率n＝1.56038193.29nm，折射率均匀性小于1ppm，应力双折射小于1nm/cm。在设计优化过程中，合理控制优化折反镜组G2的第二镜片L2和第三镜片L3的曲率半径来控制系统的中心遮拦比，考虑光学加工、镀膜工艺、装配制造等因素，如曲率半径和通光口径的比率、空气间隔、元件的厚度、抗反膜和高反膜层之间过渡区域等，实现一种便于加工制造的深紫外小视场光刻物镜。

本发明最终设计像方视场达到100um，线中心遮拦小于20％，像方远心度小于0.8mrad、像方工作距离大于10mm，综合波像差均方根值达到6nm以下，畸变小于1nm。本发明投影光刻物镜的缩放倍率为40倍，大大降低的掩膜图形的要求，降低了制造难度，适合于集成电路的小批量生产。

表1给出了本实施例的投影光刻系统的所有镜片的详细结构参数，工作波段为193.29nm±0.05nm，数值孔径为0.75、缩放倍率为40×，其中“序号”一栏表示镜片编号、空气间隔及孔径光阑面；“半径”及“半通光孔径”分别给出每个光学镜片的前后表面的曲率半径和前后表面的半通光口径，单位为mm；“厚度”一栏给出镜片中心厚度或空气间隔距离，单位为mm，其中曲率半径值前面有负号，表示该表面的曲率中心位于顶点的左边，反之曲率半径值前面为无负号，表该表面的曲率中心位于顶点的右边；“材料”一栏表示光学镜片的玻璃材料名称。表中各透镜的具体参数在实际操作中，可做微调以满足不同的系统参数要求。

表1投影物镜一个实施例的结构参数表

表2和表3给出系统的其他一阶光学特性，，其中FFL是从第一个面为起点测量的焦距，BFL是指后焦距，是从最后一面光学面测量的。

表2无限共轭距下的系统相关特性

表3有限共轭距下的系统相关特性

图2为本发明折反式光刻投影物镜的一个实施方式的光学传递函数的性能结果。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，系统MTF已基本达到衍射极限，MTF≈40％时，系统分辨率达到3565lp/mm，截止频率为7766lp/mm

图3为本发明折反式投影物镜的一个实施方式的场曲和畸变的性能结果。从图中可以看出，系统焦面偏移在弧矢与子午面上都小于30nm，用最大偏离值和最小偏离值的差来表示总偏离，其最大值Ftot＝37nm。畸变随视场变化，边缘畸变最大处为0.0026％，全视场最大畸变为1.3nm。

图4为本发明折反式投影物镜的一个实施方式的光程差曲线的性能结果。可见在带宽100pm的范围内系统色差得到很好的校正。

虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做若干变形、替换和改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种全球面折反式光刻投影物镜，其特征在于：包括耦合镜组G1、折反镜组G2、会聚透镜组G3以及孔径光阑，所述折反镜组G2包括第二镜片L2和第三镜片L3，第二镜片L2和第三镜片L3之间的距离的取值范围为45mm～35mm；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第二镜片L2、孔径光阑、第三镜片L3以及会聚透镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上；

2.根据权利要求1所述全球面折反式光刻投影物镜，其特征在于，所述φ₂等于8.394mm，所述φ₃等于8.18mm。

3.根据权利要求1所述全球面折反式光刻投影物镜，其特征在于，所述第二镜片L2前表面曲率半径为76.380mm，后表面曲率半径为62.301mm；所述第三镜片L3凸面反射面的曲率半径为16.52mm。

4.根据权利要求1所述全球面折反式光刻投影物镜，其特征在于，所述耦合镜组G1由第一镜片L1构成，所述第一镜片L1为弯月正透镜，其前表面为曲率半径等于66mm的凸面，其后表面为曲率半径等于101.1mm的凹面。

5.根据权利要求1所述全球面折反式光刻投影物镜，其特征在于，所述会聚透镜组G3包括第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6以及第七镜片L7；会聚透镜组G3中各镜片沿光束入射方向的顺序关系为：第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6以及第七镜片L7，其中第四镜片L4、第六镜片L6和第七镜片L7为弯月正透镜，第五镜片L5为一平凹透镜；所述会聚透镜组G3用于将折反镜组G2的出射光束聚焦到像面上。

6.根据权利要求5或6所述全球面折反式光刻投影物镜，其特征在于，所述各镜片的材料为熔石英。