CN102608737B - 一种极紫外投影光刻物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种极紫外投影光刻物镜，其为六反射镜结构，将第一反射镜M1、圆形光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3和第四反射镜M4设为第一镜组，将第五反射镜M5和第六反射镜M6设为第二镜组；第一镜组用于将物面成中间像于第五反射镜M5和第六反射镜M6之间；第二镜组用于将所述中间像成像于像面上，最终实现系统1/4的物像缩小倍率；其中，所述第六反射镜M6对第一镜组的出射光不产生遮拦，所述第五反射镜M5对第六反射镜M6的反射光不产生遮拦。本发明通过对第五镜片和第六镜片的改进，使得第五镜片和第六镜片可以无遮拦的将中间像成像于本极紫外投影光刻物镜的像面上。

Description

一种极紫外投影光刻物镜

技术领域

本发明涉及一种极紫外投影光刻物镜，其可用于扫描-步进式极紫外光刻系统中，属于光学设计技术领域。

背景技术

极紫外光刻作为最有前景的下一代光刻技术，被寄希望于实现半导制造32nm以及更高技术节点的产业化要求。极紫外光刻使用波长为11～15nm的光源照明，由于几乎所有光学材料在这一波段具有很强的吸收性，所以极紫外光刻系统均采用镀有反射薄膜的反射式光学元件。极紫外投影光刻物镜作为极紫外光刻系统的核心部件，有着高分辨力，高像质，大视场的设计要求。

光刻系统的理论分辨力可以用公式R＝k₁λ/NA计算，其中k₁为工艺因子，其与光刻系统工艺有关，λ为曝光波长，NA为投影物镜的像方数值孔径。当采用13.5nm的曝光波长，工艺因子k₁为0.5时，像方数值孔径NA为0.2的投影物镜可达到约32nm的理论分辨力。日本的Nikon公司，Cannon公司，荷兰ASML公司，德国Carl Zeiss公司等光刻机制造及相关加工企业非常重视极紫外光刻物镜的设计和制造。已公开的极紫外投影物光刻物镜设计可按反射镜片数目划分。对于4反射镜设计，当NA＞0.2时没有足够的自由度校正像差。对于5反射镜设计，当NA＞0.2时有足够的自由度校正像差，但奇数次的光路反射使得物面(掩膜)和像面(硅片)在物镜的同侧，物像同侧的扫描曝光为光刻系统机械结构的实现带来困难。6反射镜设计的NA可达到0.2以上，扫描方向视场可达到1～2mm，像差可以得到很好的校正，可以满足32nm技术节点对产业化极紫外光刻物镜的要求。

现有6反射镜设计美国专利US5071240，采用反射镜正负光焦度组合的方法校正了场曲，反射镜上较小的光线入射角保证了设计与多层反射薄膜良好的匹配。但该设计的系统总长(物面到像面的距离)过长约3000mm，系统机械结构存在稳定性的问题。另外该物镜不满足像方远心，且像方数值孔径NA只有0.05左右不满足光刻物镜高分辨力的设计要求。

现有6反射镜设计美国专利US2007/0153252中的第三种结构，该结构像方数值孔径为0.25，可以实现高分辨力的设计要求。但该设计中非球面反射镜的非球面度较大(第四反射镜M4的最大非球面度为32.2um)，增加了非球面反射镜的加工和检测的难度。

现有6反射镜设计美国专利US5815310，像方数值孔径为0.25满足高分辨力要求。其存在的问题是反射镜上的光线入射角过大，在一些结构中某些反射镜上的光线入射角超过24°。大的光线入射角会导致反射镜上镀制的多层反射薄膜引起反射光线显著的位相和振幅变化，导致光刻性能的降低。

现有6反射镜设计美国专利US6188513，其中部分物镜设计存在光路遮拦，导致一些视场的光学调制传递函数(MTF)降低，造成这部分视场光刻性能的降低。

发明内容

本发明的目的是为提出一种极紫外投影光刻物镜，该物镜结构紧凑，整个视场无光路遮拦，所用的非球面反射镜具有小的非球面度，反射镜上的光线入射角较小。

实现本发明的技术方案如下：

一种极紫外投影光刻物镜，其为六反射镜结构，包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5、第六反射镜M6以及圆形光阑，沿光路方向上述各部件之间的位置关系为：第一反射镜M1、圆形光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5，第六反射镜M6；将第一反射镜M1、圆形光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3和第四反射镜M4设为第一镜组，将第五反射镜M5和第六反射镜M6设为第二镜组；

第一镜组用于将物面成中间像于第五反射镜M5和第六反射镜M6之间；

第二镜组用于将所述中间像成像于像面上；其中所述第六反射镜M6对第一镜组的出射光不产生遮拦，所述第五反射镜M5对第六反射镜M6的反射光不产生遮拦。

进一步地，本发明所述孔径光阑置于第二反射镜M2上；

第一反射镜M1为凹面反射镜，其曲率半径为-816.2414mm，竖直方向上的口径为119.9426mm，与第二反射镜M2之间的间隔为-292.9301mm，第一反射镜M1上边缘距光轴的距离为123.8817mm；

第二反射镜M2为凸面反射镜，其曲率半径为-1163.4823mm，竖直方向上的口径为71.8750mm，与第三反射镜M3之间的间隔为-262.7437mm，第二发射镜M2上边缘距光轴的距离为35.9375mm；

第三反射镜M3为凸面反射镜，其曲率半径为951.3173mm，竖直方向上的口径为65.2366mm，与第四反射镜M4之间的间隔为-563.3295mm，第三反射镜M3上边缘距光轴的距离为-24.5411mm；

第四反射镜M4为凹面反射镜，其曲率半径为877.6667mm，竖直方向上的口径为120.2223mm，与第五反射镜M5之间的间隔为1009.5893mm，第四反射镜M4上边缘距光轴的距离为-179.3199mm；

第五反射镜M5的曲率半径为387.5972mm，竖直方向上的口径为53.8462mm，与第六反射镜M6之间的间隔为-377.7079mm，第五反射镜M5上边缘距光轴的距离为8.2217mm；

第六反射镜M6的曲率半径为464.3937mm，竖直方向上的口径为217.3521mm，与像面之间的间隔为433.2185mm，第六反射镜M6上边缘距光轴的距离为135.5242mm；

上述间隔前端符号的定义原则为：若当前表面与光轴的交点到沿光路方向上的后一表面与光轴的交点的方向为从左到右则间隔值为正，反之为负；上述上边缘距光轴的距离前端符号的定义原则为：当上边缘处于光轴的上方时，则上边缘距光轴的距离为正，反之为负。

有益效果

第一、本发明通过对第五镜片和第六镜片的改进，使得第五镜片和第六镜片可以无遮拦的将中间像成像于本极紫外投影光刻物镜的像面上。

第二、本发明通过对六个镜片上的各参数进行改进，使得本极紫外投影光刻物镜的像方数值孔径达到0.25，像方扫描方向视场宽度达到2mm，大的数值孔径提高了光刻分辨力，大的扫描方向视场宽度保证了硅片的产率。

第三、本发明通过对六个镜片上的各参数进行改进，使得反射镜上具有较小的光线入射角，因此可以与多层反射薄膜良好的匹配。

第四、本发明通过对六个镜片上的各参数进行改进，使得各反射镜具有小的非球面度，降低了非球面反射镜加工和检测的难度。

第五、本发明通过对六个镜片上的各参数进行改进，使得获取的投影光刻物镜具有优良的成像质量，所有视场波像差均方根(RMS)值小于0.0247λ，部分相干因子为0.5～0.8的部分相干光照明条件下，光刻物镜的静态畸变小于1.4nm。

附图说明

图1为本发明的极紫外投影光刻物镜结构示意图；

图2为具体实施方式中物镜物方离轴环形视场图；

图3为具体实施方式中实施例的第五片反射镜M5、第六片反射镜M6具体结构图；

图4为具体实施方式中实施例涉及的无光路遮拦的物镜第五片反射镜M5上通光区域和反射区域图；

图5为具体实施方式中实施例涉及的无光路遮拦的物镜第六片反射镜M6上通光区域和反射区域图；

图6为具体实施方式中存在光路遮拦的物镜设计第五片反射镜M5上通光区域和反射区域图；

图7为具体实施方式中存在光路遮拦的物镜设计第六片反射镜M6上通光区域和反射区域图；

图8为具体实施方式中实施例涉及的无光路遮拦的物镜在全视场内光学调制传递函数(MTF)图；

图9为空间频率为16700lp/mm(对应30nm分辨力)时MTF随焦深的变化图；

图10为具体实施方式中物镜在部分相干因子为0.5～0.8的部分相干光照明条件下，对应30nm线宽，子午面视场点y方向的静态畸变曲线；

图11为具体实施方式中物镜在部分相干因子为0.5～0.8的部分相干光照明条件下，对应30nm线宽，子午面视场点y方向的线宽变化率曲线；

图12为具体实施方式中物镜在部分相干因子为0.5～0.8的部分相干光照明条件下，对应30nm线宽，子午面视场点45°方向的线宽变化率曲线；

图13为具体实施方式中物镜子午面视场点的均方根波像差。

具体实施方式

现有的六反射镜光刻物镜，在M5的下边缘和M6的上边缘存在光路遮拦(即光路反射区域和通光区域互相重叠)。存在光路遮拦的物镜设计中第五反射镜M5上反射区域和通光区域如附图4所示；存在光路遮拦的物镜设计中第六反射镜M6上反射区域和通光区域如附图5所示。对于现有六镜设计，系统的中间像通常设置在第六反射镜M6的下边缘附近，因此如果第六反射镜M6下边缘存在光路遮挡将导致大量成像光束无法到达像面成像。为了使所有成像光束可以无遮挡的通过，不被反射镜镜片遮拦，可以将遮挡通光部分的反射镜去除。但由于反射镜的缺失，通过镜片的成像光束不能全部被反射到达像面成像，从而导致渐晕。

因此本发明通过对第五反射镜M5和第六反射镜M6的各参数进行设计，从而保证全视场无光路遮拦，克服了已有物镜设计在第五反射镜M5的上边缘和第六反射镜M6的下边缘存在光路遮拦，所导致的边缘视场光学调制函数(MTF)降低，分辨力降低的问题。

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明的极紫外投影光刻物镜，其为共轴光学系统，且关于光轴旋转对称，其物面即掩膜所在平面，像面即硅片所在平面；具体包括第一镜组和第二镜组，其中第一镜组包括四枚反射镜，第二镜组包括两枚反射镜，第二镜组的两枚反射镜为第五反射镜M5和第六反射镜M6；沿光路方向的位置关系为：第一镜组，第五反射镜M5，第六反射镜M6。

第一镜组的功能与现有六反射镜组成的物镜的第一反射镜M1至第四反射镜M4的功能相同，用于将本极紫外投影光刻物镜的物面(即硅片)成中间像于第五镜片M5和第六镜片M6之间，且所述中间像处于第六镜片M6的下边缘。中间像设置在M6的下边缘处是由于中间像处光束口径最小，可以最大程度上避免光路反射区域和通光区域发生重叠，产生光路遮拦。

如图2所示，本发明投影光刻物镜的物方采用离轴环视场，环形半径为116mm，物方视场宽度为8mm，弦长为104mm，子午面13各视场点(F1～F13)用于进行像质评价。

第二镜组用于将中间像成像于本极紫外投影光刻物镜的像面上；所述第六镜片M6对第一镜组的出射光不产生遮拦，所述第五镜片M5对第六镜片的反射光不产生遮拦。

最终该极紫外光刻投影物镜实现了以1/4的物像缩小倍率成像于像面上。

本实施例所涉及的无光路遮拦的物镜M5上反射区域和通光区域如附图6所示；M6上反射区域和通光区域如附图7所示。

第五反射镜M5为凸面反射镜，其曲率半径为385～390mm，相对于第六反射镜之间的距离为375～380mm，竖直方向上的口径为50～55mm，且其上边缘距光轴的距离为8～8.5mm；

第六反射镜M6为凹面反射镜，其曲率半径为462～467mm，竖直方向上的口径为215～220mm，且其上边缘距离光轴的距离为133～138mm。

实施例一

本发明的极紫外投影光刻物镜，包括第一镜组和第二镜组，第一镜组包括圆形光阑和四枚反射镜，其中四枚反射镜分别为第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3及第四反射镜M4，第二镜组包括两枚反射镜，分别为第五反射镜M5和第六反射镜M6；沿光路方向上述各反射镜及圆形光阑之间的位置关系为：第一反射镜M1、圆形光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5、第六反射镜M6。

表1给出了本实施实例各镜片的具体设计参数；半径值前面有负号则表示该镜片的曲率中心位于顶点的左边，反之，半径值前面无负号则表示该镜片的曲率中心位于顶点的右边；间隔为：前表面与光轴的交点到沿光路方向上的后一表面与光轴的交点之间的距离，如果当前表面与光轴的交点到沿光路方向上的后一表面与光轴的交点的方向为从左到右则间隔值为正，反之为负；上边缘距光轴的距离：当上边缘处于光轴的上方时，则上边缘距光轴的距离为正，反之为负。

表1各反射镜的设计参数

本投影光刻物镜中各反射镜均为非球面镜，下面根据非球面系数给定原则，给定各反射镜的设计参数；

以光轴为z轴，依照右手坐标系原则，确定坐标系(x，y，z)，则其非球面面型可用方程：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{h}^2}}+A{h}^4+B{h}^6+C{h}^8+D{h}^{10}+E{h}^{12}$

其中h²＝x²+y²，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，A，B，C，D，E分别为4，6，8，10，12次非球面系数。表2给出本实施实例中各反射镜的设计参数及非球面系数。

表2各反射镜的非球面系数

本发明极紫外投影光刻物镜的工作过程：

照明系统发出的光线经掩膜反射后入射到第一反射镜M1上，经过第一反射镜M1反射后各视场的光线分别充满第二反射镜M2上的光阑，再经过第三反射镜M3和第四反射镜M4成中间像于第六反射镜M6下边缘附近，且中间像的中心与光轴之间的距离为-89.9437mm。中间像经过第二镜组G2后各视场主光线垂直于像面出射(像方远心)，最终成像于像面即硅片面上。

依照本实施例设计的一种投影光刻物镜，当入射光的波长为13.5nm时，则各性能参数如表3所示：

表3投影光刻系统的参数

本实施例的综合数据如表4所示：

表4投影光刻系统的综合数据

系统总长(物面到像面的距离)1394.7379mm。中心视场最大主光线入射角小于16°，保证设计可以与反射薄膜良好的匹配。像方中心视场主光线入射角度为0.1°，保证了像面有微小轴向移动的情况下物镜的放大倍率不变。反射镜具有小的非球面度，其中M6的最大非球面度为18.0um，保证了反射镜加工和检测的精度。

对本实施例的极紫外光刻物镜采用以下三种评价指标进行评价：

1、光学调制传递函数MTF

分辨力和焦深是光刻物镜的重要技术指标，光学调制传递函数是对物镜分辨力和焦深的直接评价。如附图8所示实施例的MTF已经接近衍射极限。如附图9所示在100nm的焦深范围，空间频率为16700lp/mm(对应30nm分辨力)的线条，系统在全视场范围内传递函数均大于45％。

2、部分相干光照明条件下的静态畸变和线宽误差

极紫外光刻系统采用部分相干光源照明，部分相干因子的典型值为0.5～0.8。图10为本实施例所述光刻物镜在部分相干因子为0.5～0.8，对应30nm线宽，子午面视场点y方向的静态畸变曲线。如附图10所示所有视场点的y方向静态畸变均小于1.4nm。

由于系统关于光轴旋转对称，所以只考察y方向和45°方向的线宽误差。图11和图12分别为本实施例所述光刻物镜在部分相干因子为0.5～0.8，对应30nm线宽，子午面视场点y方向和45°方向的线宽误差。如附图11所示，所有视场点y方向线条的线宽误差均小于0.6％，如附图12所示，所有视场点45°方向线条的线宽误差均小于0.2％。

3、均方根波像差

均方根波像差是表征一个光学系统成像性能的重要指标。图13为本实施例所述光刻物镜子午面视场点的均方根波像差。如附图13所示，全视场波像差RMS值最大为0.0247λ，全视场的平均波像差RMS值为0.0132λ。.

本实施例的极紫外投影光刻物镜像质优良，具有继续增大数值孔径且不产生光路遮挡的潜力。

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)

1.一种极紫外投影光刻物镜，其为六反射镜结构，包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5、第六反射镜M6以及圆形光阑，沿光路方向上述各部件之间的位置关系为：第一反射镜M1、圆形光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5，第六反射镜M6；将第一反射镜M1、圆形光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3和第四反射镜M4设为第一镜组，将第五反射镜M5和第六反射镜M6设为第二镜组；其特征在于：

第一镜组用于将物面成中间像于第五反射镜M5和第六反射镜M6之间；

第二镜组用于将所述中间像成像于像面上；其中所述第六反射镜M6对第一镜组的出射光不产生遮拦，所述第五反射镜M5对第六反射镜M6的反射光不产生遮拦；

所述圆形光阑置于第二反射镜M2上；

定义半径值前面有负号则表示该镜片的曲率中心位于顶点的左边，反之，半径值前面无负号则表示该镜片的曲率中心位于顶点的右边；则

第一反射镜M1为凹面反射镜，其曲率半径为-816.2414mm，竖直方向上的口径为119.9426mm，与第二反射镜M2之间的间隔为-292.9301mm，第一反射镜M1上边缘距光轴的距离为123.8817mm；

第二反射镜M2为凸面反射镜，其曲率半径为-1163.4823mm，竖直方向上的口径为71.8750mm，与第三反射镜M3之间的间隔为-262.7437mm，第二发射镜M2上边缘距光轴的距离为35.9375mm；

第三反射镜M3为凸面反射镜，其曲率半径为951.3173mm，竖直方向上的口径为65.2366mm，与第四反射镜M4之间的间隔为-563.3295mm，第三反射镜M3上边缘距光轴的距离为-24.5411mm；

第四反射镜M4为凹面反射镜，其曲率半径为877.6667mm，竖直方向上的口径为120.2223mm，与第五反射镜M5之间的间隔为1009.5893mm，第四反射镜M4上边缘距光轴的距离为-179.3199mm；

第五反射镜M5为凸面反射镜，其曲率半径为387.5972mm，竖直方向上的口径为53.8462mm，与第六反射镜M6之间的间隔为-377.7079mm，第五反射镜M5上边缘距光轴的距离为8.2217mm；

第六反射镜M6为凹面反射镜，其曲率半径为464.3937mm，竖直方向上的口径为217.3521mm，与像面之间的间隔为433.2185mm，第六反射镜M6上边缘距光轴的距离为135.5242mm；

上述间隔前端符号的定义原则为：若当前表面与光轴的交点到沿光路方向上的后一表面与光轴的交点的方向为从左到右则间隔值为正，反之为负；上述上边缘距光轴的距离前端符号的定义原则为：当上边缘处于光轴的上方时，则上边缘距光轴的距离为正，反之为负。

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