CN102436058B

CN102436058B - 一种用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜

Info

Publication number: CN102436058B
Application number: CN 201110417492
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: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102436058A

Abstract

本发明提供一种用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，包括耦合镜组G1、折反镜组G2、准直镜组G3以及孔径光阑；所述折反镜组G2包括第四镜片L4及第五镜片L5，第四镜片L4和第五镜片L5之间距离的取值范围为49～53mm；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第四镜片L4、孔径光阑、第五镜片L5以及准直镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上。本发明在第四镜片L4和第五镜片L5之间采用折反式全球面的结构设计，在反射面上分配较大的光焦度，大大降低了对激光器光源带宽的要求，使得本发明与高数值孔径光刻投影物镜和波前像差传感器配合使用，可实现高数值孔径光刻投影物镜波像差的检测。

Description

一种用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜

技术领域

本发明涉及一种用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，属于光学设计技术领域。

背景技术

光学光刻是光刻机用光学投影曝光的方法将掩模板上的电路器件结构图形刻蚀到硅片上的过程。光刻机主要由曝光光源、照明系统、掩模、光刻投影物镜以及硅片工件台五部分组成。为获取更高的光刻分辨率，要求曝光光源出射光的波长向深紫外甚至是极紫外波段发展，同时也要求光刻投影物镜需要具有高的数值孔径NA，因此，需要开发针对于深紫外入射光、高数值孔径投影光刻物镜的像差检测技术。

通常采用基于夏克-哈特曼波前传感器的像差检测技术以及基于干涉原理的像差检测技术实现对光刻机投影光刻物镜的像差检测。如图1所示，基于夏克-哈特曼波前传感器的像差检测原理框图，在投影物镜的物面上放置一针孔掩膜板，由前级准分子激光器照明系统将此针孔掩模板进行照明，由此针孔发出的光束进入投影物镜，以高数值孔径光束微缩成像至像面上，再经过后级准直物镜将投影出射光束进行耦合平行出射，为了保证光束完好耦合，准直物镜的入瞳与投影物镜的出瞳要求重合，在准直物镜的出瞳位置处放置夏克-哈特曼波前传感器，通过对准直物镜波像差进行标定后进而实现对投影物镜的波像差检测。

当前，若采用全反射结构（如施瓦茨查尔德系统Schwarzschild）的准直物镜实现上述深紫外入射光、高数值孔径投影光刻物镜的像差检测，存在以下不足：第一、Schwarzschild系统包括两个同心的球面镜，只能校正三级球差、慧差和像散，系统的五级球差限制了系统数值孔径的增大，当数值孔径大于0.6，至少要引入一个非球面来校正像差，加大系统的制造难度和成本；第二、受限于Schwarzschild系统校正球差的原则，约束了主次镜的曲率半径之比约为2.6左右，因此系统中心遮拦也受到限制，约在30%以上；第三，Schwarzschild系统的主反射镜是悬浮在光路中，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，不能将投影物镜的光束完全耦合进入准直物镜中。

针对于本发明，TW201126200A是与其最接近的现有技术。

发明内容

本发明提供一种用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，该准直物镜工作带宽宽，数值孔径大且遮拦比小，可以满足对深紫外入射光、高数值孔径投影光刻物镜的像差检测。

实现本发明的技术方案如下：

一种用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，包括耦合镜组G1、折反镜组G2、准直镜组G3以及孔径光阑；所述折反镜组G2包括第四镜片L4及第五镜片L5，第四镜片L4和第五镜片L5之间距离的取值范围为49～53mm；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第四镜片L4、孔径光阑、第五镜片L5以及准直镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上；

第四镜片L4的后表面为平面，前表面的中心区域为镀有高反膜HR的凸面反射面，前表面的外环边缘区域为镀有抗反膜AR的平面透射面；第四镜片L4前表面的中心区域为直径等于φ₄的圆，其中5mm<φ₄<8mm，第四镜片上凸面反射面的曲率半径的取值范围为12mm～18mm；

第五镜片L5为弯月负透镜，其厚度的取值范围为8～15mm；前表面为凹面，其曲率半径的取值范围为65～70mm，且前表面镀有抗反膜AR；后表面为凸面，其曲率半径的取值范围为80～88mm，后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；第五镜片L5后表面中心区域为直径等于φ₅的圆，其中2mm<φ₅<20mm。

本发明所述耦合镜组G1包括第一镜片L1、第二镜片L2以及第三镜片L3，沿光束入射方向其顺序关系为：第一镜片L1、第二镜片L2以及第三镜片L3，所述耦合镜组G1用于将入射光耦合至折反镜组G2内。

本发明所述准直镜组G3包括第六镜片L6和第七镜片L7，沿光束入射方向其顺序关系为：第六镜片L6和第七镜片L7，所述准直镜组G3用于将折反镜组G2出射的光束转换成平行光束出射。

有益效果

第一、本发明在第四镜片L4和第五镜片L5之间采用折反式全球面的结构设计，在反射面上分配较大的光焦度，大大降低了对激光器光源带宽的要求，使得本发明与高数值孔径光刻投影物镜和波前像差传感器配合使用，可实现高数值孔径光刻投影物镜波像差的检测。

第二、本发明第五镜片L5外环边缘区域为镀高反膜HR的反射面，该高反膜分担了系统的大部分光焦度，且使用负弯月形的第五镜片L5一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、本发明准直物镜，光路在其内部发生了多次折反，其可优化的参量增多，因此提高了本发明准直物镜设计的自由度，提高校正像差的能力，特别是球差和彗差。

第四、本发明第四镜片L4的前表面中心区域的凸面反射面与第四镜片L4是一个整体，也即在同一基材上制作，因此不需要特定的支撑结构来支撑小凸面反射镜，降低机械结构设计难度，同时不会引入由于支撑结构引入的衍射问题，提高光能利用率；通过引入准直镜组G3，可以适度增大第四镜片和第五镜片的曲率半径之比，可以提高数值孔径、减小遮拦比等。

第五、本发明准直物镜共采用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。

第六、本发明通过调整孔径光阑位置实现准直物镜的入瞳与投影物镜的出瞳相匹配，使其可适用于对不同光刻机像差的检测。

附图说明

图1为基于夏克哈特曼波前传感器的像差检测原理框图；

图2为本发明准直物镜的结构示意图；

图3为工作波段为193nm准直物镜光学调制传递函数；

图4为工作波段为193nm准直物镜的光程差曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明设计原理：本发明将Schwarzschild系统改造成折反式结构，利用具有折反射功能的第四镜片L4和第五镜片L5分别代替Schwarzschild系统中的两个球心位置相同的球面主反射镜和球面次反射镜，利用光线在第四镜片L4和第五镜片L5之间多次折反，获取可以满足对深紫外入射光、高数值孔径投影光刻物镜的像差进行检测的准直物镜。

如图2所示，本发明用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，包括耦合镜组G1、折反镜组G2、准直镜组G3以及孔径光阑；所述折反镜组G2包括第四镜片L4及第五镜片L5，第四镜片L4和第五镜片L5之间距离的取值范围为49～53mm；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第四镜片L4、孔径光阑、第五镜片L5以及准直镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上。

第四镜片L4的后表面为平面，前表面的中心区域为镀有高反膜HR的凸面反射面，前表面的外环边缘区域为镀有抗反膜AR的平面透射面；第四镜片L4前表面的中心区域为直径等于φ₄的圆，其中5mm<φ₄<8mm，第四镜片上凸面反射面的曲率半径的取值范围为12mm～18mm。本发明较佳的选取第四镜片中心区域的直径φ₄为7.1mm。

第五镜片L5为弯月负透镜，其厚度的取值范围为8～15mm；前表面为凹面，其曲率半径的取值范围为65～70mm，且前表面镀有抗反膜AR；后表面为凸面，其曲率半径的取值范围为80～88mm，后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；第五镜片L5后表面中心区域为直径等于φ₅的圆，其中2mm<φ₅<20mm。本发明较佳的选取第五镜片中心区域的直径φ₅为18.1mm。

本发明中较佳地令第四镜片L4上凸面反射面的曲率半径为14.677mm；所述第五镜片L5前表面凹面的曲率半径为68.030mm；所述第五镜片后表面凸面的曲率半径为84.580mm。

本发明耦合镜片组G1由第一镜片L1、第二镜片L2以及第三镜片L3组成,其具有正光焦度，镜片L1、L2和L3都是弯月负透镜，曲率背向物面，该镜组将物面发出的光束耦合进入折反镜组G2。折反镜组G2中的第四镜片L4和第五镜片L5是具有折射和反射两种功能的元件，耦合镜片组G1出射的光束进入折反镜组G2，先经过第四镜片L4折射,再经第五镜片L5的前表面折射—后前表面反射—前表面折射，会聚光束再经过第四镜片L4的后表面折射进入L4后表面中心区域的凸面反射面，经过该面反射后，再次经过第四镜片L4的后表面折射，在第四镜片L4与第五镜片L5之间形成一个中间实像，以便使准直物镜的出瞳满足波前传感器的探测要求；准直镜组G3由第六镜片L6和第七镜片L7组成，镜片L6和L7皆为弯月正透镜；准直镜组G3将中间像发出的发散光束准直，并形成有限远的出瞳距离和特定大小的出瞳直径，其中出瞳大小由波前像差传感器的探测面积决定。可以调整位于第四镜片L4与第五镜片L5中间的孔径光阑，实现与前级投影物镜的光瞳匹配。

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，合理控制优化第五镜片L5和第四镜片L4的曲率半径来控制系统的中心遮拦比，满足对准直物镜入瞳和出瞳的大小和位置的要求，同时考虑光学加工及检测、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，实现了一种便于加工制造的深紫外准直物镜。

表1给出了本实施例的准直物镜的所有镜片详细的结构参数，其中“序号”一栏表示镜片编号、空气间隔及特定表面；“半径”及“全通光孔径”分别给出每个光学镜片的前后表面曲率半径和前后表面的全通光口径，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，该表面的曲率中心位于顶点的右边；“厚度”一栏给出镜片中心厚度或镜片间的中心空气间隔距离，单位为mm；“材料”一栏表示光学镜片的玻璃材料。其中,第一镜片L1、第二镜片L2、第三镜片L3、第六镜片L6和第七镜片L7为透镜；第四镜片L4和第五镜片L5为折反射镜，第四镜片L4的后表面及前表面外环边缘为平面折射面，其前表面中心区域为反射面，第二镜片L2的后表面的中心区域为折射面，边缘外环及后表面为折射面。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准直物镜实施例的结构参数

附图3，是本发明折反式准直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4485lp/mm，截止频率为7722lp/mm。

附图4，是本发明折反式准直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。

本发明采用折反式schwarzchild结构，最终设计物方视场为20um，中心遮拦小于18%，物方远心度小于9.2urad，物方工作距离大于10mm，综合波像差均方根值达到5nm以下，本实施例中准直物镜的入瞳位于距离第一个光学表面（第一镜片L1的前表面）以右1086mm处，出瞳距为140mm，出瞳大小与波前传感器的探测面大小匹配为7.8mm。本发明通过调整孔径光阑位置可实现准直物镜的入瞳与投影物镜的出瞳相匹配，准直物镜的入瞳距离的调节范围为12000mm至40mm；出瞳距离和大小对光阑位置不敏感，出瞳距大于140mm，出瞳大小与波前传感器的探测面大小匹配，满足像差传感器的探测距离与位置对准直物镜出瞳的要求。

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

1.一种用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，该准直物镜包括折反镜组G2和准直镜组G3，且所述折反镜组G2包括第四镜片L4及第五镜片L5；其特征在于，所述准直物镜还包括耦合镜组G1和孔径光阑；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：耦合镜组G1、第四镜片L4、孔径光阑、第五镜片L5以及准直镜组G3，且所述各部件的中心在同一直线上，且第四镜片L4和第五镜片L5之间距离的取值范围为49～53mm；

所述第四镜片L4的后表面为平面，前表面的中心区域为镀有高反膜HR的凸面反射面，前表面的外环边缘区域为镀有抗反膜AR的平面透射面；第四镜片L4前表面的中心区域为直径等于φ₄的圆，其中5mm<φ₄<8mm，第四镜片上凸面反射面的曲率半径的取值范围为12mm～18mm；

所述第五镜片L5为弯月负透镜，其厚度的取值范围为8～15mm；前表面为凹面，其曲率半径的取值范围为65～70mm，且前表面镀有抗反膜AR；后表面为凸面，其曲率半径的取值范围为80～88mm，后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；第五镜片L5后表面中心区域为直径等于φ₅的圆，其中2mm<φ₅<20mm。

2.根据权利要求1所述用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，其特征在于，所述耦合镜组G1包括第一镜片L1、第二镜片L2以及第三镜片L3，沿光束入射方向其顺序关系为：第一镜片L1、第二镜片L2以及第三镜片L3，所述耦合镜组G1用于将入射光耦合至折反镜组G2内。

3.根据权利要求1所述用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，其特征在于，所述准直镜组G3包括第六镜片L6和第七镜片L7，沿光束入射方向其顺序关系为：第六镜片L6和第七镜片L7，所述准直镜组G3用于将折反镜组G2出射的光束转换成平行光束出射。

4.根据权利要求2或3所述用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，其特征在于，所述各镜片的材料为熔石英。

5.根据权利要求1所述用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，其特征在于，所述第四镜片中心区域的直径φ₄为7.1mm；所述第五镜片中心区域的直径φ₅为18.1mm。

6.根据权利要求5所述用于深紫外波段的全球面折反式准直物镜，其特征在于，所述第四镜片L4上凸面反射面的曲率半径为14.677mm；所述第五镜片L5前表面凹面的曲率半径为68.030mm；所述第五镜片后表面凸面的曲率半径为84.580mm。