CN102645730B - 一种实验型浸没式投影光刻物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验型浸没式投影光刻物镜，通过采用较大的相对孔径的Schwarzschild折反结构和3片弯月透镜组成的折射透镜组，提高系统的数值孔径，并且可使数值孔径达到1.20，提高了光刻分辨率；通过采用弯月透镜来平衡由Schwarzschild折反结构产生的负匹兹伐场曲，起到平像场和扩大像方视场的作用；通过采用具有10次非球面的第八平凸透镜L8校正系统遗留的高级孔径正球差和残余负彗差，最终在提高数值孔径的同时保证了光刻系统的成像质量；整套系统仅使用了8枚镜片，结构简单、紧凑，保证了成像质量的同时，降低了制作成本。

Description

一种实验型浸没式投影光刻物镜

技术领域

本发明涉及高分辨力投影光刻物镜技术领域，具体涉及一种实验型深紫外浸没式光刻物镜。

背景技术

在复杂、昂贵的产业化浸没式ArF光刻设备研制成功之前，诸多关键技术的研发是需要在微小型化实验样机上进行的，从而缩短研发的周期和成本，更有效的支撑产业化光刻机的研制。

超高分辨率实验型浸没式光刻物镜是浸没光刻实验平台中的关键性部件。目前日本Nikon，美国Corning等公司公开的实验型光刻物镜包括：小视场全折射投影光刻物镜，Schwarzschild折反式投影光刻物镜，Newtonian折反式投影光刻物镜等。

其中，使用熔石英材料制造的全折射光刻投影物镜对光源的线宽极为敏感；使用熔石英和氟化钙材料制造的高数值孔径全折射光刻投影物镜结构复杂，为了保证其工作带宽，利用两种材料消色差，导致镜片较多，系统总长度较长，成本较高。现有Newtonian折反式投影光刻物镜，其拥有比较大的工作带宽，但是其中心遮拦过大，导致物镜像方中低频对比度大幅降低。现有Schwarzschild折反式投影光刻物镜，如图1所示，其使用了较少的镜片，拥有一定的工作带宽，较小的中心遮拦，但是该光刻投影物镜的数值孔径仅在0.5～1.05之间，分辨力有限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实验型浸没式投影光刻物镜，能够在增加数值孔径的基础上保证成像质量，并且使用的镜片数量较少。

本发明的一种实验用浸没式投影光刻物镜，包括从掩膜板到光刻面同光轴依次排列的第一正透镜L1、第二曼金凹反射镜L2、光阑、第三曼金凸反射镜L3、第四弯月透镜L4、第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6、第七弯月透镜L7、第八平凸透镜L8和第九去离子水层L9，其中：

第二曼金凹反射镜L2和第三曼金凸反射镜L3形成Schwarzschild折反结构，用于提高光刻系统的像方数值孔径和保证70pm的工作带宽，其中，所述第二曼金凹反射镜L2前表面的曲率半径为72.5726mm，后表面的曲率半径为51.6399mm，前表面的通光口径为89.9900mm，后表面的通光口径为68.7597mm，厚度为18.7122mm;所述第三曼金凹反射镜L3与第二曼金凹反射镜L2的间隔为36.1248mm，其前表面为平面，后表面的外圈为平面，内圈的凹面镜的曲率半径为9.4858mm，前表面的通光口径为44.0435mm，后表面的外圈通光口径为40.5562mm，内圈凹面镜的通光口径为4.6000mm，平面厚度为5.4702mm，内圈凹面镜厚度为5.1957mm；

光阑放置在第二曼金凹反射镜L2的后表面的圆环形平面上，用于消除像方的象散和彗差；

第一正透镜L1放置在掩膜板和第二曼金凹反射镜L2之间，用于使该投影光刻物镜的缩小倍率为100倍，且使通过光阑中心的主光线与光轴的角度小于4个毫弧度；

第四弯月透镜L4弯向掩膜板，其产生正的匹兹伐场曲用来平衡由Schwarzschild折反结构产生的负匹兹伐场曲；

第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6和第七弯月透镜L7组成折射透镜组，三者均弯向光刻面，用于对从第四弯月透镜L4的透射光线进行向下偏折来扩大物镜系统的数值孔径，以及产生的负球差平衡Schwarzschild折反结构产生的正球差；

第八平凸透镜L8朝向掩膜板的前表面为10次非球面，朝向光刻面的后表面为平面，用于校正其前方系统产生的高级孔径正球差和负彗差；

第九去离子水层L9的厚度为光刻面到第八平凸透镜L8的后表面的距离。

第四弯月透镜L4与第三曼金凹反射镜L3的间隔为1.9999mm，前表面的曲率半径为-237.7144mm，后表面的曲率半径为-390.1425mm，前表面的通光口径为39.5875mm，后表面的通光口径为36.7787mm，厚度为4.6081mm。

第五弯月透镜L5与第四弯月透镜L4的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为26.8055mm，后表面的曲率半径为29.9469mm，前表面的通光口径为30.6670mm，后表面的通光口径为27.2434mm，厚度为4.5414mm;

第六弯月透镜L6与第五弯月透镜L5的间隔为0.8000mm,前表面的曲率半径为17.3196mm，后表面的曲率半径为18.6260mm，前表面的通光口径为24.2475mm，后表面的通光口径为19.8892mm，厚度为5.0740mm;

所述第七弯月透镜L7与第六弯月透镜L6的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为12.5238mm，后表面的曲率半径为15.8638mm，前表面的通光口径为17.5333mm，后表面的通光口径为12.4326mm，厚度为5.3113mm。

第八平凸透镜L8与第七弯月透镜L7的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为6.3105mm，后表面为平面，前表面的通光口径为8.8347mm，后表面的通光口径为1.5792mm，厚度为4.9405mm；所述第八平凸透镜L8的前表面的非球面的系数如下：二次系数K为0.2777，四次系数A为-1.1020e-005，六次系数B为2.2428e-006，八次系数C为-3.0477e-008，十次系数D为4.8028e-009。

第一正透镜L1与掩膜板的距离为165.0428mm，其前表面的曲率半径为-1656.0477mm，后表面的曲率半径为-104.1981mm，前表面的通光口径为7.6413mm，后表面的通光口径为7.7046mm，厚度为5.3779mm;

光阑的通光孔径为68.7597mm;

第九去离子水层L9的厚度为0.5000mm。

第一正透镜L1、第二曼金凹反射镜L2、第三曼金凸反射镜L3、第四弯月透镜L4、第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6、第七弯月透镜L7和第八平凸透镜L8均采用熔石英加工而成。

本发明的一种实验型浸没式投影光刻物镜，相比于现有技术具有如下有益效果：

1、通过采用较大的相对孔径的Schwarzschild折反结构和3片弯月透镜组成的折射透镜组，提高系统的数值孔径，并且可使数值孔径达到1.20，相比传统的Schwarzschild折反式投影物镜，本发明克服了原有投影物镜分辨率低的不足的缺陷，提高了光刻分辨率；

2、通过采用第四弯月透镜L4来平衡由Schwarzschild折反结构产生的负匹兹伐场曲，起到平像场和扩大像方视场的作用；通过采用折射透镜组消除Schwarzschild折反结构产生的正球差；通过采用具有10次非球面的第八平凸透镜L8校正系统遗留的高级孔径正球差和残余负彗差，最终在提高数值孔径的同时保证了光刻系统的成像质量；

3、整套系统仅使用了8枚镜片，结构简单、紧凑，保证了成像质量的同时，降低了制作成本。

附图说明

图1为现有技术中的一种Schwarzschild折反式投影光刻物镜示意图。

图2为本发明的实验型浸没式投影光刻物镜的结构示意图。

图3为本发明的第八平凸透镜的非球面位置示意图。

图4为本发明的实施例中的投影光刻物镜在全场范围内的光学调制传递函数图。

图5为本发明的实施例中的光刻物镜场曲与畸变图。

图6为本发明的实施例中的光刻物镜光程差曲线图。

其中，MASK-物方掩模板、L1-第一正透镜、L2-第二曼金凹反射镜、L3-第三曼金凸反射镜、L4-第四弯月透镜、L5-第五弯月透镜、L6-第六弯月透镜、L7-第七弯月透镜、L8-第八平凸透镜、L9-第九去离子水层。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的一种实验用浸没式投影光刻物镜，包括从掩膜板到光刻面同光轴依次排列的第一正透镜L1、第二曼金凹反射镜L2、光阑、第三曼金凸反射镜L3、第四弯月透镜L4、第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6、第七弯月透镜L7、第八平凸透镜L8和第九去离子水层L9，其中：

第二曼金凹反射镜L2和第三曼金凸反射镜L3形成Schwarzschild折反结构，用于提高光刻系统的像方数值孔径和保证70pm的工作带宽；

第二曼金凹反射镜L2前表面的曲率半径为72.5726mm，后表面的曲率半径为51.6399mm，前表面的通光口径为89.9900mm，后表面的通光口径为68.7597mm，厚度为18.7122mm;

第三曼金凹反射镜L3与第二曼金凹反射镜L2的间隔为36.1248mm，其前表面为平面，后表面的外圈为平面，内圈的凹镜的曲率半径为9.4858mm，前表面的通光口径为44.0435mm，后表面的外圈通光口径为40.5562mm，内圈凹镜的通光口径为4.6000mm，平面厚度为5.4702mm，内圈凹镜厚度为5.1957mm；

光阑放置在第二曼金凹反射镜L2的后表面的圆环形平面上，用于消除像方的象散和彗差；

第一正透镜L1放置在掩膜板和第二曼金凹反射镜L2之间，用于使该投影光刻物镜的倍率为缩小100倍，且使通过光阑中心的主光线与光轴的角度小于4个毫弧度；

第四弯月透镜L4弯向掩膜板，其产生正的匹兹伐场曲，用来平衡由Schwarzschild折反结构产生的负匹兹伐场曲；

第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6和第七弯月透镜L7组成折射透镜组，三者均弯向光刻面，用来向下偏折从第四弯月透镜L4透射光线的角度，扩大系统的数值孔径，以及产生负球差，平衡Schwarzschild折反结构产生的正球差；

第八平凸透镜L8朝向掩膜板的前表面为10次非球面，朝向光刻面的后表面为平面，用来校正其前方系统产生的高级孔径正球差和负彗差；

第九去离子水层L9的厚度为光刻面到第八平凸透镜L8的后表面的距离。

第一正透镜L1、第二曼金凹反射镜L2、第三曼金凸反射镜L3、第四弯月透镜L4、第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6、第七弯月透镜L7和第八平凸透镜L8均采用熔石英加工而成。

本发明的工作原理为：将物方掩模板置于物镜系统第一正透镜L1之前，各视场中心光线垂直进入第一正透镜L1第一正透镜L1对光线进行校正远心误差，使其误差小于4个毫弧度，同时使投影光刻物镜的缩小倍率为100倍。

光线经第一正透镜折射后，穿过第二曼金凹反射镜L2的中心孔洞到达第三曼金凸反射镜L3上，再经L3中心的凹面镜反射，到达第二曼金凹反射镜L2，接着光线通过L2的汇聚反射到达L3中心凹面镜之外的平行平板上：其中，由于第三曼金凸反射镜L3和第二曼金凹反射镜L2的相对孔径都较大，光线经过第三曼金凸反射镜L3的凹面镜反射后，以较大的角度投向第二曼金凹反射镜L2，随后再经第二曼金凹反射镜L2的反射，从而使光线以更大的角度投向像面，由此有利于提高系统的像方数值孔径。本发明中，第二曼金凹反射镜L2的前表面的通光孔径D为89.9900mm，曲率半径r为72.5726，则其前表面的相对孔径为2D/r=2.5，该值几乎达到了现有检测设备的极限值，由此相应地最大程度地增大了物镜系统的数值孔径。

光线从第三曼金凸反射镜L3出射后，由于第四弯月透镜L4弯向物方，产生正的匹兹伐场曲，可以平衡Schwarzschild折反结构产生的负匹兹伐场曲，起到了平像场和扩大像方视场的作用。本发明中，由于Schwarzschild折反结构中的第二曼金凹反射镜L2和第三曼金凸反射镜L3的各个参数已知，由此，可根据以上参数设计第四弯月透镜L4，本实施例中，选取得第四弯月透镜L4的参数为：其与第三曼金凹反射镜L3的间隔为1.9999mm，前表面的曲率半径为-237.7144mm，后表面的曲率半径为-390.1425mm，前表面的通光口径为39.5875mm，后表面的通光口径为36.7787mm，厚度为4.6081mm，可使其对校正Schwarzschild折反结构的负匹兹伐场曲达到较好的效果。

第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6和第七弯月透镜L7组成折射透镜组，三者均弯向光刻面，三者依次对入射光线向下偏折，增大光线投向像面的角度，从而扩大系统的数值孔径；三片弯月透镜均产生负球差，根据Schwarzschild折反结构产生的正球差对折射透镜组进行设计，产生负球差对正球差进行平衡。本实施例采用的折射透镜组的参数如下：第五弯月透镜L5与第四弯月透镜L4的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为26.8055mm，后表面的曲率半径为29.9469mm，前表面的通光口径为30.6670mm，后表面的通光口径为27.2434mm，厚度为4.5414mm;第六弯月透镜L6与第五弯月透镜L5的间隔为0.8000mm,前表面的曲率半径为17.3196mm，后表面的曲率半径为18.6260mm，前表面的通光口径为24.2475mm，后表面的通光口径为19.8892mm，厚度为5.0740mm;第七弯月透镜L7与第六弯月透镜L6的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为12.5238mm，后表面的曲率半径为15.8638mm，前表面的通光口径为17.5333mm，后表面的通光口径为12.4326mm，厚度为5.3113mm。

经过第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6和第七弯月透镜L7的折射，光线投射到第八平凸透镜L8的前表面，由于第八平凸透镜L8的前表面为10次非球面，可以根据其之前的系统产生的高级孔径正球差和负彗差对该非球面的参数进行设计，产生高级孔径负球差和正彗差进行校正，使透镜系统得到良好的成像质量。本实施例中，以主光轴为z轴，依照右手坐标系原则，确定坐标系（x,y,z）,则第八平凸透镜L8的非球面面型可用如下方程表示：

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

其中，h²＝x²+y²，c为曲面顶点的曲率，则各系数如下表：

当光线从第八平凸透镜L8的后表面的平面出射后，去离子水层L9又对其进行折射聚焦，最后成像在去离子水层L9后方的像面即硅片上。本实施例中第九去离子水层L9的厚度为0.5000mm。

第一正透镜L1与掩膜板的距离为165.0428mm，其前表面的曲率半径为-1656.0477mm，后表面的曲率半径为-104.1981mm，前表面的通光口径为7.6413mm，后表面的通光口径为7.7046mm，厚度为5.3779mm;光阑的通光孔径为68.7597mm。

根据以上对物镜系统各部件的设计，投影光刻物镜的数值孔径（NA）为1.20，工作带宽为70pm，投影物镜与硅片之间充满去离子纯水，整个光学系统的缩小倍率为100，均方根波像差小于6.5nm。以上各透镜的具体参数在实际操作中，可以微调以满足不同系统的参数要求。

对本实施例制作的超高分辨率实验型浸没式投影光刻物镜采用以下三种评价手段进行评测：

1、光学传递函数评价

光学传递函数（MTF）能全面反映光学系统的成像性质，能直接评价物镜的分辨力。在本实施例中，系统的MTF已基本达到了衍射极限。在全场范围内，光学调制传递函数（MTF）由图3表明，该投影光刻物镜在理想像面上MTF≈45%时，分辨率达到6240lp/mm，截止分辨率为12400lp/mm。

2、场曲与畸变

图4所示为本实施例的投影光刻物镜的场曲与畸变图。从图中可以看出，系统焦面的偏移在子午面上小于20nm，在弧矢面上小于50nm。畸变随视场变化，在边缘视场处畸变最大，相对畸变为0.012%，全视场最大畸变为3nm。

3、均方根波像差评价

如果光学系统成像符合理想，则由同一物点发出的全部光线均聚焦于理想像点，对应的波面应该是一个以理想像点为中心的球面，即理想波面。由于透镜存在像差，故实际波面与理想波面会有小量的偏差。对于一个像差修正的非常好的光学系统，其成像质量可以用均方根波像差（RMS）来评价。本实施例所设计的投影光刻物镜，以中心波长的光线为参考时均方根波像差的最小值为4.69nm，最大值为7.58nm。

本发明为基于去离子纯水的浸没式投影光刻物镜，数值孔径达到了1.20。整套物镜仅使用了熔石英材料，共八枚镜片，其中含1个非球面，拥有70pm的带宽，能够达到极高的像质。

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 (6)

1.一种实验用浸没式投影光刻物镜，其特征在于，包括从掩膜板到光刻面同光轴依次排列的第一正透镜L1、第二曼金凹反射镜L2、光阑、第三曼金凸反射镜L3、第四弯月透镜L4、第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6、第七弯月透镜L7、第八平凸透镜L8和第九去离子水层L9，其中：

所述第二曼金凹反射镜L2和第三曼金凸反射镜L3形成Schwarzschild折反结构，用于提高光刻系统的像方数值孔径和保证70pm的工作带宽，其中，所述第二曼金凹反射镜L2前表面的曲率半径为72.5726mm，后表面的曲率半径为51.6399mm，前表面的通光口径为89.9900mm，后表面的通光口径为68.7597mm，厚度为18.7122mm;所述第三曼金凹反射镜L3与第二曼金凹反射镜L2的间隔为36.1248mm，其前表面为平面，后表面的外圈为平面，内圈的凹面镜的曲率半径为9.4858mm，前表面的通光口径为44.0435mm，后表面的外圈通光口径为40.5562mm，内圈凹面镜的通光口径为4.6000mm，平面厚度为5.4702mm，内圈凹面镜厚度为5.1957mm；

所述光阑放置在第二曼金凹反射镜L2的后表面的圆环形平面上，用于消除像方的象散和彗差；

所述第一正透镜L1放置在掩膜板和第二曼金凹反射镜L2之间，用于使该投影光刻物镜的缩小倍率为100倍，且使通过光阑中心的主光线与光轴的角度小于4个毫弧度；

所述第四弯月透镜L4弯向掩膜板，其产生正的匹兹伐场曲用来平衡由Schwarzschild折反结构产生的负匹兹伐场曲；

所述第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6和第七弯月透镜L7组成折射透镜组，三者均弯向光刻面，用于对从第四弯月透镜L4的透射光线进行向下偏折来扩大物镜系统的数值孔径，以及产生的负球差平衡Schwarzschild折反结构产生的正球差；

所述第八平凸透镜L8朝向掩膜板的前表面为10次非球面，朝向光刻面的后表面为平面，用于校正其前方系统产生的高级孔径正球差和负彗差；所述第八平凸透镜L8的前表面的非球面的系数如下：二次系数K为0.2777，四次系数A为-1.1020e-005，六次系数B为2.2428e-006，八次系数C为-3.0477e-008，十次系数D为4.8028e-009；

所述第九去离子水层L9的厚度为光刻面到第八平凸透镜L8的后表面的距离。

2.如权利要求1所述的一种实验用浸没式投影光刻物镜，其特征在于，所述第四弯月透镜L4与第三曼金凹反射镜L3的间隔为1.9999mm，前表面的曲率半径为-237.7144mm，后表面的曲率半径为-390.1425mm，前表面的通光口径为39.5875mm，后表面的通光口径为36.7787mm，厚度为4.6081mm。

3.如权利要求2所述的一种实验用浸没式投影光刻物镜，其特征在于，所述第五弯月透镜L5与第四弯月透镜L4的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为26.8055mm，后表面的曲率半径为29.9469mm，前表面的通光口径为30.6670mm，后表面的通光口径为27.2434mm，厚度为4.5414mm;

所述第六弯月透镜L6与第五弯月透镜L5的间隔为0.8000mm,前表面的曲率半径为17.3196mm，后表面的曲率半径为18.6260mm，前表面的通光口径为24.2475mm，后表面的通光口径为19.8892mm，厚度为5.0740mm;

所述第七弯月透镜L7与第六弯月透镜L6的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为12.5238mm，后表面的曲率半径为15.8638mm，前表面的通光口径为17.5333mm，后表面的通光口径为12.4326mm，厚度为5.3113mm。

4.如权利要求3所述的一种实验用浸没式投影光刻物镜，其特征在于，所述第八平凸透镜L8与第七弯月透镜L7的间隔为0.8000mm，前表面的曲率半径为6.3105mm，后表面为平面，前表面的通光口径为8.8347mm，后表面的通光口径为1.5792mm，厚度为4.9405mm。

5.如权利要求4所述的一种实验用浸没式投影光刻物镜，其特征在于，所述第一正透镜L1与掩膜板的距离为165.0428mm，其前表面的曲率半径为-1656.0477mm，后表面的曲率半径为-104.1981mm，前表面的通光口径为7.6413mm，后表面的通光口径为7.7046mm，厚度为5.3779mm;

所述光阑的通光孔径为68.7597mm;

所述第九去离子水层L9的厚度为0.5000mm。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种实验用浸没式投影光刻物镜，其特征在于，所述第一正透镜L1、第二曼金凹反射镜L2、第三曼金凸反射镜L3、第四弯月透镜L4、第五弯月透镜L5、第六弯月透镜L6、第七弯月透镜L7和第八平凸透镜L8均采用熔石英加工而成。

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