CN102508353B - 高分辨率福布斯非球面光刻物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率福布斯非球面光刻物镜，属于高分辨力投影光刻物镜技术领域；具体包括前透镜组、后透镜组，数值孔径为0.75，共使用29片透镜，其中有6个表面使用了福布斯非球面；透镜材料使用熔石英和氟化钙，其中氟化钙的作用为校正色差；前后透镜组通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接在一起，两个透镜组同光轴。本发明提高了现有投影光刻物镜的分辨力，确保每个非球面与非球面系数的有效性，使得系统设计在减少非球面个数与有效数字个数的同时提高了像质，并大幅降低了公差灵敏度；以中心光线为参考时单色均方根波像差小于0.5nm，畸变小于0.5nm；可以应用于照明光源波长为193nm的深紫外投影光刻装置中。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分辨率福布斯非球面光刻物镜，属于高分辨力投影光刻物镜技术领域。
背景技术
光刻是一种集成电路制造技术，利用光学的方法将掩膜版上的电路图形转移到硅片上，几乎所有集成电路的制造都是采用光学光刻技术。
随着时间发展，光刻机先后经历了接触式、接近式、全硅片扫描投影式、分步重复投影式到现在的步进扫描投影式。随之曝光波长从436nm(g线)，365nm(i线)，48nm(KrF)减小到目前常见的193nm(ArF)，甚至到157nm的极紫外光，与13.5nm波长的极端紫外光。20世纪60年代以来，光刻机内的物镜绝大部分都是由透镜组成。由于光刻的要求越来越高，光刻物镜的结构越来越复杂，现在比较普遍的193nm准分子激光分步光刻机的透射式物镜多为三四十片透镜组成，结构非常复杂。且随着光刻机的曝光波长越来越短，对折射式系统的设计提出了更大的挑战。
在光刻系统中使用非球面设计能够大幅提高像质。福布斯曲面是美国QED公司著名光学专家G.Forbes提出的一种正交曲面，目的在于改进传统非球面的描述方法。福布斯非球面系数的特性提供了对非球面斜率的快速计算，使得在光学设计中约束非球面度成为可能。非球面度的降低将会降低系统的检测与加工难度，并且有可能降低系统公差灵敏度。
本专利以专利申请号为201010278088的“深紫外全球面光刻物镜”中系统作为初始结构进行改进。原系统虽然较现有技术的其他大多数物镜在成像质量等方面有很大提高，但成像质量仍有可提高的空间，部分结构参数不是最优化的制造参数，工艺性有待进一步提高。
发明内容
本发明为进一步提高成像质量，并解决现有技术的福布斯非球面光刻物镜非球面个数多、公差灵敏度高的问题，提出一种高分辨率福布斯非球面光刻物镜。
本发明所述的高分辨率福布斯非球面光刻物镜包括前透镜组、后透镜组，数值孔径为0.75，共使用29片透镜，其中有6个表面使用了福布斯非球面；透镜材料使用熔石英和氟化钙，其中氟化钙的作用为校正色差。
前组透镜包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第二弯月透镜、第二负透镜、第三弯月透镜、第三负透镜、第四负透镜、第五负透镜、第四弯月透镜、第五正透镜、第六正透镜、第七正透镜、第五弯月透镜、第六弯月透镜、第六负透镜、第七负透镜、第七弯月透镜。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
所述的第二正透镜后表面为12次福布斯非球面。所述的第四负透镜前表面为14次福布斯非球面。所述的第六弯月透镜后表面为12次福布斯非球面。
后组透镜包括第八正透镜、第九正透镜、第八负透镜，第十正透镜、第十一正透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第九负透镜与第十四正透镜。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
所述的第八正透镜前表面为14次福布斯非球面。所述的第九负透镜前表面为14次福布斯非球面。所述的第十四正透镜后表面为8次福布斯非球面。
前后透镜组通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接在一起，两个透镜组同光轴。
本发明的高分辨率福布斯非球面光刻物镜的工作过程为：将物面即掩膜置于物镜系统的第一负透镜前，各视场中心光线垂直入射第一镜，为物方远心，经过前透镜组折射后各视场分别充满第七弯月透镜与第八正透镜之间的光阑，再经过后透镜组折射聚焦，缩小四倍成像在第十四正透镜后的像面即硅片上。各视场中心光线垂直入射像面，系统为像方远心。
本发明进一步提高了现有投影光刻物镜的分辨力，确保了每个非球面与非球面系数的有效性，使得系统设计在减少非球面个数与有效数字个数的同时提高了像质，并大幅降低了公差灵敏度，各个透镜元件的半径、厚度间距在优化中发生改变以配合福布斯非球面更好的校正像差。以中心光线为参考时单色均方根波像差小于0.5nm，畸变小于0.5nm。
有益效果
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(NA)＝0.75，工作波长＝193纳米，由于物镜数值孔径大，提高了光刻分辨力(R)。
2、工作波长193纳米投影光刻物镜由29片透镜构成，无一片胶合件，只使用了六个福布斯非球面，因此物镜结构简单，简化了物镜制作工艺，降低了制作成本，同时大幅提高了物镜质量。
3、在较短的波长下，保证了透镜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、系统中加入福布斯非球面斜率约束，可降低复杂系统光学元件的偏心与倾斜公差灵敏度，大幅降低系统装配难度，减少装配时间，帮助系统进入制造性更高、实际使用中像质更高的解空间。
5、成像质量优异，有福布斯非球面斜率约束系统只使用6个福布斯非球面与较少的优化时间，使像质大幅提高。以中心光线为参考时均方根波像差小于0.328nm，畸变小于0.5nm。与偶次非球面系统相比较成像质量大幅提高。
本发明所提出的光刻镜头，可以应用于照明光源波长为193nm的深紫外投影光刻装置中。
附图说明
图1为本发明高分辨率福布斯非球面光刻物镜的系统结构示意图；
图2为本发明的光刻物镜系统中福布斯非球面位置示意图；
图3为具体实施方式中光刻物镜在全场范围内光学调制传递函数图；
图4为具体实施方式中光刻物镜在硅片上所成像的场曲与畸变图；
图5为具体实施方式中光刻物镜在不同视场范围内的像差曲线图；
图6为现有技术中具有相同像质的8偶次非球面系统与具体实施方式中光刻物镜的各元件偏心与倾斜公差分析后各项公差项均方根波像差变化图。
标号说明：1-第一负透镜、2-第一正透镜、3-第二正透镜、4-第三正透镜、5-第四正透镜、6-第二弯月透镜、7-第二负透镜、8-第三弯月透镜、8-第三负透镜、10-第四负透镜、11-第五负透镜、12-第四弯月透镜、13-第五正透镜、14-第六正透镜、15-第七正透镜、16-第五弯月透镜、17-第六弯月透镜、18-第六负透镜、19-第七负透镜、20-第七弯月透镜、21-第八正透镜、22-第九正透镜、23-第八负透镜，24-第十正透镜、25-第十一正透镜、26-第十二正透镜、27-第十三正透镜、28-第九负透镜、29-第十四正透镜、30-像面。
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例对本发明作进一步说明。
本实例的高分辨率福布斯非球面光刻物镜采用前后透镜组组成，共使用29片透镜，其中有6个福布斯非球面。如图1所示，透镜1到透镜20为前透镜组，透镜21至透镜29为后透镜组，像面30即硅片所在表面。透镜材料使用熔石英(系统中心波长193.368nm时折射率为1.560326)作为主要的透镜材料，氟化钙(系统中心波长时折射率为1.501455)作为校正色差所用材料。
前组透镜包括第一负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3、第三正透镜4、第四正透镜5、第二弯月透镜6、第二负透镜7、第三弯月透镜8、第三负透镜9、第四负透镜10、第五负透镜11、第四弯月透镜12、第五正透镜13、第六正透镜14、第七正透镜15、第五弯月透镜16、第六弯月透镜17、第六负透镜18、第七负透镜19、第七弯月透镜20。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
所述的第二正透镜3后表面为12次福布斯非球面。所述的第四负透镜10前表面为14次福布斯非球面。所述的第六弯月透镜17后表面为12次福布斯非球面。
后组透镜包括第八正透镜21、第九正透镜22、第八负透镜23，第十正透镜24、第十一正透镜25、第十二正透镜26、第十三正透镜27、第九负透镜28、第十四正透镜29。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
所述的第八正透镜21前表面为14次福布斯非球面。所述的第九负透镜28前表面为14次福布斯非球面。所述的第十四正透镜29后表面为8次福布斯非球面。
如图2所示，第一福布斯非球面(ASP1)为第八正透镜21前表面(即透镜第41面)；第二福布斯非球面(ASP2)为第十四正透镜29后表面(即透镜第58面)；第三福布斯非球面(ASP3)为第九负透镜28前表面(即透镜第55面)；第四福布斯非球面(ASP4)为第六弯月透镜17后表面(即透镜第34面)；第五福布斯非球面(ASP5)为第四负透镜10前表面(即透镜第19面)；第六福布斯非球面(ASP6)为第二正透镜3后表面(即透镜第6面)。由于加入福布斯非球面，平衡了各种像差，像质大幅改善。
前后透镜组通过透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置并连接在一起，各透镜同光轴。
本发明所述的前后透镜组中的29片透镜与现有技术相比，每一个透镜的半径与厚度、以及透镜的间距都进行了不同程度的优化。本实施例的具体优化措施为应用光学设计软件构造优化函数，并加入像差与结构限制参量，逐步得到现有结果。
本实施例可以通过以下技术措施实现：工作波长193纳米投影光刻物镜的数值孔径(NA)＝0.75，畸变小于0.5nm，以中心光线为参考时均方根波像差小于0.5nm，光学系统缩小倍率为4倍。其各透镜的具体参数如下：
| 半径(毫米) | 间距(毫米) | 玻璃标号 | |
| 物面 | ∞ | 86.43822187 | |
| 1 | -144.6188544 | 12 | SI02 |
| 2 | 599.7125332 | ∞ | |
| 3 | 25276.15165 | 25.23140404 | SI02 |
| 4 | -222.6391828 | 1.000000011 | |
| 5 | ∞ | 25.53763452 | SI02 |
| 6 | -362.0892464 | 1 | |
| 7 | 446.4302142 | 25.01288961 | SI02 |
| 8 | -728.5155945 | 1 | |
| 9 | 238.300211 | 26.53595723 | SI02 |
| 10 | 6640.237714 | 1.000000021 | |
| 11 | 230.6074825 | 25.07485746 | SI02 |
| 12 | 105.6294485 | 29.29892699 | |
| 13 | 910.915972 | 27.98554751 | SI02 |
| 14 | 196.4707275 | 1 | |
| 15 | 116.5935003 | 13.7157095 | SI02 |
| 16 | 160.7164798 | 26.19983183 | |
| 17 | -280.9718943 | 12.00000005 | SI02 |
| 18 | 196.1484938 | 30.8665752 | |
| 19 | -166.0092803 | 12.00000144 | SI02 |
| 20 | -311.3200088 | 5.363721644 | |
| 21 | -209.6667271 | 12 | SI02 |
| 22 | 1688.303537 | 37.71723524 | |
| 23 | -355.1046392 | 18.95596313 | SI02 |
| 24 | -219.9880429 | 1.000000006 | |
| 25 | 3329.842612 | 50.42236126 | SI02 |
| 26 | -235.1248701 | 1 | |
| 27 | 1046.39696 | 28.22841714 | SI02 |
| 28 | -804.464265 | 1.175153291 | |
| 29 | 259.311809 | 52.14248286 | CAF2 |
| 30 | -3291.585882 | 1.073343366 | |
| 31 | 320.3295016 | 26.50968915 | SI02 |
| 32 | 1240.179806 | 27.03630156 | |
| 33 | 211.3266508 | 18.80511552 | SI02 |
| 34 | 144.6673928 | 43.0312764 |
| 35 | -314.2444957 | 12 | SI02 |
| 36 | 161.0848759 | 41.8449751 | |
| 37 | -184.1756923 | 18.70270669 | SI02 |
| 38 | -3154.573967 | 40.06764676 | |
| 39 | -317.726622 | 53.03041936 | CAF2 |
| 40 | -230.2358129 | 2.588621911 | |
| 41 | ∞ | 1 | |
| 42 | 441.772503 | 39.85441125 | CAF2 |
| 43 | ∞ | ∞ | |
| 44 | 376.0512317 | 27.69512392 | CAF2 |
| 45 | -11674.90859 | 43.35308247 | |
| 46 | -228.4500679 | 12.00347754 | SI02 |
| 47 | ∞ | 4.976439971 | |
| 48 | 541.5143418 | 43.38135171 | SI02 |
| 49 | -462.1279214 | 1 | |
| 50 | 427.4395953 | 26.11226234 | CAF2 |
| 51 | -9116.632074 | 1.003449087 | |
| 52 | 155.117228 | 41.42431997 | CAF2 |
| 53 | 395.5792902 | 38.24651432 | |
| 54 | 114.0672548 | 23.46443377 | CAF2 |
| 55 | 325.4572514 | 9.19794828 | |
| 56 | 2507.507771 | 21.338361 | SI02 |
| 57 | 465.6436207 | 2.03971571 | |
| 58 | 418.139501 | 45.72825174 | SI02 |
| 59 | 381.8450857 | 9.001605926 | |
| 像面 | ∞ | ∞ |
所述的六个福布斯非球面系数为：
| 福布斯非球面数据 | ||
| 4面 | Y半口径 | -222.6391828 |
| 归一化半口径 | 92.37791909 | |
| 4阶Qbfs系数 | 0.022609411 | |
| 6阶Qbfs系数 | -0.003122142 | |
| 8阶Qbfs系数 | 0.000859775 | |
| 10阶Qbfs系数 | -0.000108869 | |
| 12阶Qbfs系数 | 6.50E-06 | |
| 19面 | Y半口径 | -166.0092803 |
| 归一化半口径 | 72.84538716 | |
| 4阶Qbfs系数 | 0.207356045 | |
| 6阶Qbfs系数 | -0.007534442 | |
| 8阶Qbfs系数 | 0.003184499 | |
| 10阶Qbfs系数 | -0.000525396 | |
| 12阶Qbfs系数 | 7.77E-05 |
| 14阶Qbfs系数 | -5.94E-06 | |
| 34面 | Y半口径 | 144.6673928 |
| 归一化半口径 | 88.55203471 | |
| 4阶Qbfs系数 | -0.053153204 | |
| 6阶Qbfs系数 | 0.020325828 | |
| 8阶Qbfs系数 | -0.003345144 | |
| 10阶Qbfs系数 | 0.000435624 | |
| 12阶Qbfs系数 | -3.38E-05 | |
| 42面 | Y半口径 | 441.772503 |
| 归一化半口径 | 122.7140033 | |
| 4阶Qbfs系数 | 0.186237631 | |
| 6阶Qbfs系数 | 0.04817039 | |
| 8阶Qbfs系数 | -0.002555892 | |
| 10阶Qbfs系数 | -0.000132494 | |
| 12阶Qbfs系数 | 5.23E-05 | |
| 14阶Qbfs系数 | -9.98E-06 | |
| 56面 | Y半口径 | 2507.507771 |
| 归一化半口径 | 64.85362438 | |
| 4阶Qbfs系数 | 0.15435544 | |
| 6阶Qbfs系数 | 0.027527596 | |
| 8阶Qbfs系数 | 0.003897279 | |
| 10阶Qbfs系数 | 0.000250883 | |
| 12阶Qbfs系数 | 1.76E-05 | |
| 14阶Qbfs系数 | 3.14E-06 | |
| 59面 | Y半口径 | 381.8450857 |
| 归一化半口径 | 23.44458094 | |
| 4阶Qbfs系数 | 0.032543796 | |
| 6阶Qbfs系数 | -0.001327654 | |
| 8阶Qbfs系数 | -1.17E-06 |
高分辨率福布斯光刻物镜使用6个非球面，系统参数如下所示：
| 参数 | 指标 |
| 放大率 | -0.25 |
| 数值孔径 | 0.6667 |
| 物方工作距离(mm) | 86.4382 |
| 物像距离(mm) | ≤1300 |
以上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。
对本实施例制作的高分辨率福布斯非球面光刻物镜采用以下三种评价手段进行测评：
1、光学传递函数评价
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。在全场范围内光学调制传递函数(FMT)图3表明，设计的光刻物镜可以在最佳(理想)像面上MTF≈40％时，分辨率达到4000lp/mm。截至分辨率为7700lp/mm。
2、像散、场曲与畸变
对于像散和场曲，光线从掩膜上的一个点射出并聚焦在一个点上，但是这个点不一定与其他点在一个焦平面上。像散导致水平方向和垂直方向聚焦在不同的位置，最佳焦点的位置偏离设计的理想像面位置，场曲随之产生。像散和场曲导致环带每一个场x方向和y方向聚焦位置偏离所设计的理想像面位置。
畸变是一种光线从掩膜上的一个点射出并聚焦在一个点上的像差。在存在散光和场曲时，这些点落在平面的前面或后面。而在只存在畸变的情况下，这些点落在与光轴垂直的平面上，但是与光轴的距离是不对的。存在畸变时，图像很清晰，但是有错位。
本实施例的光刻物镜在硅片上所成像的场曲与畸变如图4所示。系统焦面偏移在弧矢与子午面上都小于30nm，我们用最大偏离值和最小偏离值的差来表示总偏离，即Ftot＝Fmax-Fmin，其最大值Ftot＝30nm。畸变随视场变化，边缘畸变最大处为4e-6％，故全视场最大畸变小于0.5nm。
3、均方根波像差
光线可以看做光波会聚在一个点上，理想情况下，这应该是一个球面波，但是因为透镜存在像差，实际的图像波前可能与理想球面波有小量的偏差。一个像差得到很好修正的光学系统，其成像质量是由均方根(RMS)波面差来判断。本实施例的光刻物镜在不同视场范围内的像差曲线如图5所示；系统低阶像差完全矫正，只有少量高阶像差残余。本实施例的物镜以中心光线为参考时单色均方根波像差的最小值为0.1544nm，最大值为0.3281nm。系统波像差数据如下：波像差
4、装配公差灵敏度
光学系统中，每一种几何像差可以看做是以结构参数为自变量的函数，每一个自变量的改变将会引起像差函数产生一增量，将各个参量增量产生的像差增量按绝对值求和，把它控制在像差容限内，这样求出的参量增量就定义为该参量的公差。一个光学系统的公差给的合理与否，将直接关系到产品的质量和生产成本的高低。光刻物镜中通过应用福布斯多项式与非球面斜率约束，公差能够降低3倍以上，图6为八偶次非球面系统与有斜率约束的福布斯非球面系统的各元件偏心与倾斜公差分析后各项公差项均方根波像差变化。八偶次非球面系统使用传统方法设计，作为对照组，与有斜率约束的福布斯非球面系统具有相同的像差指标。图中，BTX(Barrel Beta Tilt)为X方向倾斜0.01mrad，BTY(Barrel Alpha Tilt)为Y方向倾斜0.01mrad，DSX(Element X-decenter)为元件X方向偏心2μm。DSY(ElementY-decenter)为元件Y方向偏心2μm。
本发明通过6个基于福布斯多项式的非球面，经过非球面斜率约束，优化各个半径与厚度参数，挑选出最有效的非球面位置，大幅度降低了公差灵敏度，得到了优良像质。新系统结构紧凑，为双远心结构且远心度高，能够达到极高的像质。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.高分辨率福布斯非球面光刻物镜，其特征在于：共29块透镜，包括6个福布斯非球面，分为前后透镜组，其中：
前组透镜包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第二弯月透镜、第二负透镜、第三弯月透镜、第三负透镜、第四负透镜、第五负透镜、第四弯月透镜、第五正透镜、第六正透镜、第七正透镜、第五弯月透镜、第六弯月透镜、第六负透镜、第七负透镜、第七弯月透镜；以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置；
所述的第一正透镜后表面为12次福布斯非球面；所述的第四负透镜前表面为14次福布斯非球面；所述的第六弯月透镜后表面为12次福布斯非球面；
后组透镜包括第八正透镜、第九正透镜、第八负透镜，第十正透镜、第十一正透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第九负透镜与第十四正透镜；以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置；
所述的第八正透镜前表面为14次福布斯非球面；所述的第九负透镜前表面为14次福布斯非球面；所述的第十四正透镜后表面为8次福布斯非球面；
前后透镜组通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接在一起，两个透镜组同光轴；
以上各透镜的具体参数如下：
所述的六个福布斯非球面系数为：
。
2.根据权利要求1所述的高分辨率福布斯非球面光刻物镜，其特征在于：所述的高分辨率福布斯非球面光刻物镜照明光源工作波长193纳米，投影光刻物镜的数值孔径(NA)=0.75，畸变小于0.5nm，以中心为参考时均方根波像差小于0.5nm，光学系统缩小倍率为4倍。
3.根据权利要求1所述的高分辨率福布斯非球面光刻物镜，其特征在于：透镜材料包括熔石英和氟化钙，其中，氟化钙的作用为校正色差。
4.根据权利要求1所述的高分辨率福布斯非球面光刻物镜，其特征在于：装配公差灵敏度降低了3倍以上。
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