CN102662307A - 一种高分辨率投影光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高分辨率投影光学系统，用于将物平面的图像成像到像平面内。该高分辨率投影光学系统，沿其光轴方向包括第一透镜单元(L1)、第二透镜单元(L2)、第三透镜单元(L3)和第四透镜单元(L4)。从光束入射方向依次排布的第一透镜单元(L1)具有负折光力，第二透镜单元(L2)具有正折光力，第三透镜单元(L3)具有负折光力，第四透镜单元(L4)具有正折光力。且所述的投影光学系统中含有4个非球面。本发明的高分辨率投影光学系统能更好的提供像质、缩短总长、减小透镜口径、提升系统分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微影工艺、半导体元件制作装置中的深紫外投影光学系统，属于高分辨率投影光学系统技术领域。
背景技术
光刻是一种集成电路制造技术，它是利用光学投影影像原理，将掩模板上的高分辨率IC图形以曝光方式转移到涂胶硅片上，几乎所有集成电路的制造都是采用光学投影光刻技术。最初，半导体器件制造，采用的是掩模与硅片贴在一起的接触式光刻技术。1957年，接触式光刻技术实现了特征尺寸(FeatureSize)为20μm的动态随机存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)的制造。之后，半导体行业引入掩模与硅片间具有一定间隙的接近式光刻技术，并分别于1971年和1974年制造出特征尺寸为10μm和6μm的DRAM。1978年，美国GCA公司研发了世界上第一台分布重复投影光刻机，分辨率可达2μm，分布重复投影光刻机迅速成为半导体制造技术中的主流。分布重复投影光刻机的对准精度可达±0.5μm，与此前的光刻机相比，分步光刻机极大地改善了系统的分辨率和掩模/硅片套刻时的对准精度。
光刻技术是我国芯片产业发展的重要支持型技术之一，投影光刻装置是大规模集成电路制造工艺的关键设备，高分辨率高精度投影光学系统是高尖端光刻机的核心部件，它的性能直接决定着光刻机的精度。以往设计的数值孔径都不高，最高分辨力为0.35-0.5μm。由于分辨率低，不能制作出高精度高分辨率的图形，已不能满足大规模集成电路制造和研究的需求。
本发明提出了一种高分辨投影曝光光学系统，用在光刻机中可达到90nm的光刻分辨率，这对于我国的光刻技术有着重要意义。
发明内容
本发明为解决现有投影光学系统分辨率低、系统总长长，透镜口径大、装调难度大的问题，提出了一种高分辨率投影光学系统，其照明系统光源采用ArF准分子激光器，工作波长为193nm，数值孔径达到0.75，该高分辨率投影光学系统结构紧凑、仅含有4个非球面、透镜口径小、成像质量好、有效降低了系统成本和装调难度。
一种高分辨率投影光学系统，沿其光轴方向依次包括第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4，所述透镜单元均处于同一光轴，其特征在于，第一透镜单元L1具有负折光力，第二透镜单元L2具有正折光力，第三透镜单元L3具有负折光力，第四透镜单元L4具有正折光力，所述透镜中含有4个非球面。
所述的一种高分辨率投影光学系统，其特征在于，第一透镜单元L1包括第一正透镜1、第一弯月透镜2、第二正透镜3和第一双凹透镜4。
所述的一种高分辨率投影光学系统，其特征在于，第二透镜单元L2包括第三正透镜5、第四正透镜6、第五正透镜7、第一负透镜8、和第二负透镜9。
所述的一种高分辨率投影光学系统，其特征在于，第三透镜单元L3包括第二双凹透镜10、第三负透镜11、第六正透镜12、第七正透镜13和第八正透镜14。
所述的一种高分辨率投影光学系统，其特征在于，第四透镜单元L4包括第四负透镜15、第九正透镜16、第十正透镜17、第十一正透镜18、第十二正透镜19、第五负透镜20、第十三正透镜21和第十四正透镜22。
所述的一种高分辨率投影光学系统，其特征在于，第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4内的透镜都是单片镜，用透镜外框上的机械组件固定各个透镜之间的相对位置。
所述的一种高分辨率投影光学系统，其特征在于：所述的投影光学系统的照明光源是工作波长为193nm的ARF准分子激光器。
本发明具有以下优点：
1、高分辨率投影光学系统的数值孔径(NA)为0.75，工作波长为193nm，像方视场为26mm×10.5mm，由于物镜数值孔径大，提高了光刻分辨率，光刻分辨率可达90nm。
2、工作波长为193nm的高分辨率投影光学系统由22片透镜构成，系统中没有使用胶合元件，只使用了4个非球面，其中一个为双非球面，该双非球面放置在光线折转较大的位置，有效的减小了系统的尺寸，最终系统总长(从掩模面到硅片面的距离)为1202mm，投影光学系统结构简单，简化了物镜制作工艺，降低了制作成本，同时大幅度提高了物镜质量。
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、高分辨率投影光学系统的成像质量优良，均方根波像差小于1nm，畸变小于0.25nm。
本发明所提出的高分辨率投影光学系统，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为本发明的一种高分辨率投影光学系统的结构示意图；
图2为本发明的一种高分辨率投影光学系统的结构中所包含的双非球面结构示意图；
图3为本发明的一种高分辨率投影光学系统在全视场范围内调制传递函数(MTF)的示意图；
图4为本发明的一种高分辨率投影光学系统球差、场曲与畸变示意图。
标号说明：1-第一正透镜、2-第一弯月透镜、3-第二正透镜、4-第一双凹透镜、5-第三正透镜、6-第四正透镜、7-第五正透镜、8-第一负透镜、9-第二负透镜、10-第二双凹透镜、11-第三负透镜、12-第六正透镜、13-第七正透镜、14-第八正透镜、15-第四负透镜、16-第九正透镜、17-第十正透镜、18-第十一正透镜、19-第十二正透镜、20-第五负透镜、21-第十三正透镜、22-第十四正透镜、23-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施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种高分辨率投影光学系统布局示意图，22片透镜形成第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4，从光束入射方向依次设置。第一透镜单元L1为具有负折光力的透镜组，包括第一正透镜1、第一弯月透镜2、第二正透镜3和第一双凹透镜4。光线投射到第一正透镜1后经第一正透镜1会聚，再经过第一弯月透镜2发散到达第二正透镜3，经第二正透镜3会聚后入射到第一双凹透镜4，经过第一双凹透镜4的发散到达第三正透镜5。
第二透镜单元L2为具有正折光力的透镜组，包括第三正透镜5、第四正透镜6、第五正透镜7、第一负透镜8和第二负透镜9。光线从第一透镜单元L1的第三正透镜5发散后经过第三正透镜5、第四正透镜6、第五正透镜7连续三次会聚后进入第一负透镜8，经第一负透镜8和第二负透镜9的两次发散后离开第二透镜单元L2。
第三透镜单元L3为具有负折光力的透镜组，包括第二双凹透镜10、第三负透镜11、第六正透镜12、第七正透镜13和第八正透镜14。光线由第二双凹透镜10、第三负透镜11两个镜子连续发散后进入到第六正透镜12，经第六正透镜12、第七正透镜13两次会聚投射到第八正透镜14上，第六正透镜12、第七正透镜13对光线的偏折角度较大，第八正透镜14对光线进行会聚后到达光学系统的光阑。
第四透镜单元L4为具有正折光力的透镜组，包括第四负透镜15、第九正透镜16、第十正透镜17、第十一正透镜18、第十二正透镜19、第五负透镜20、第十三正透镜21和第十四正透镜22。第四透镜组将发散的光束会聚在像面23上，它是硅片所在表面。光束经第四负透镜15发散后进入第九正透镜16，经过第九正透镜16、第十正透镜17、第十一正透镜18、第十二正透镜19连续会聚后到达第五负透镜20，第五负透镜20对光学进行发散后投射到第十三正透镜21上，第十三正透镜21对光线进行会聚后进入第十四正透镜22，第十四正透镜22对光线会聚后最后达到硅片上。
上述透镜均处于同一光轴，五个透镜单元中的22片透镜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。本发明中所有镜子使用的都是熔石英光学材料。
为满足结构参数要求，并进一步提高像质，对系统进行持续优化，经过优化后各个表面的半径与厚度间隔发生变化，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，逐步优化为现有结果。
本实施例通过以下技术措施实现：照明光源工作波长193.368nm，像方视场26mm×10.5mm，投影曝光光学系统的数值孔径(NA)＝0.75，光刻分辨力(R)＝90nm，光学系统缩小倍率为4倍，畸变小于0.25nm，均方根波像差小于1nm，投影曝光光学系统第一片镜子距离掩模58.63mm，最后一片镜子到硅片的距离为9.16mm。
本发明所述的高分辨率投影光学系统共使用22片透镜，在4个表面上使用了非球面，其中一个是双非球面，所谓双非球面是指两个光学元件相靠的两个表面，即前一个元件的后表面和后一个元件的前表面都采用非球面，双非球面的结构示意图见附图2所示。本发明的高分辨率深紫外投影光学系统将物面即掩膜置于物镜系统的第一正透镜前58.63mm处，各视场中心光线垂直入射第一正透镜，该高分辨率投影光学系统在物方为物方远心，光线经过L1透镜单元发散后进入L2透镜单元，L2透镜单元将光线聚焦后，此时光学系统的通光口径达到最小，L3透镜单元将光线发散后在光阑处汇聚，然后经过L4透镜单元折射聚焦，缩小四倍成像在第十四正透镜22后的像面即硅片上。高分辨率投影光学系统五个视场的主光线垂直入射像面，系统为像方远心光路。
下面表1列出了高分辨率投影光学系统各个表面的具体参数，表中的“序号”是从光线入射端开始排列，第一正透镜1的光束入射面为序号1，光束出射面为序号2，其它镜面序号以此类推；“曲率半径”分别给出每个波面所对应的球面半径；“间距”给出相邻两个表面之间沿光轴的中心距离，如果两个表面属于同一块镜片，则间距表示该镜片的厚度，第29面是系统的孔径光阑，孔径光阑控制着进入光学系统光束的大小。
光学系统的具体参数如下：
表1高分辨率投影光学系统的具体参数
所述的四个非球面系数为：
6面：
-0.395515E-07
-0.462438E-11
-0.470221E-15
-0.319398E-19
-0.144078E-22
7面：
-0.341698E-07
-0.255694E-11
-0.345384E-15
-0.669729E-19
0.229967E-23
25面：
0.561518E-08
-0.599073E-11
0.576526E-15
-0.784285E-19
0.458275E-22
42面：
C -0.895692E-08
D 0.240531E-11
E -0.230141E-15
0.121763E-19
0.574073E-24
在实际操作中，以上各透镜的具体参数(如曲率半径，透镜厚度，透镜间隔)可做一定的调整来满足不同的系统参数要求。
对本实施例制作的深紫外非球面投影光学系统采用以下三种评价手段进行测评：
1、调制传递函数(MTF)评价
光学调制传递函数(MTF)是确定投影曝光光学系统分辨率和焦深的直接评价。系统的光学调制传递函数已达到系统衍射极限。图3给出了高分辨率投影光学系统各视场的调制传递函数曲线，由图可知，光学系统的截止频率为7800lp/mm，具有极高的分辨率，在最佳(理想)像面上MTF≈40％时，分辨率达到3900lp/mm。
2、均方根波像差
波像差是成像质量很高的光学系统都要用到的光学评价指标，它可以直观反应低阶像差和高阶像差的情况。光线可以看做光波会聚在一个点上，理想情况下应该是一个球面波，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。表2列出了本实施例所设计的投影光学系统各个视场以质心为参考的均方根波像差，其中ω表示全视场。我们设计的投影光学系统均方根波像差的最小值为0.1nm，最大值为0.72nm。
表2各视场的均方根波像差
| 视场 | 均方根波像差 |
| 0 | 0.0006λ |
| 0.3ω | 0.0010λ |
| 0.5ω | 0.0019λ |
| 0.9ω | 0.0035λ |
| ω | 0.0046λ |
3、球差、像散、场曲与畸变
像散导致光线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。畸变是主光线像差，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度，不等于理想像高，这种差别就是畸变。光学系统焦面偏移在弧矢与子午面上都小于45nm，边缘畸变最大处为2.1e-8，故全视场最大畸变小于0.25nm。
本发明通过4个非球面，优化各个镜子的半径与厚度参数，得到了像质优良，结构参数合理的系统。系统中只使用了12次阶非球面，我国的制造能力目前能够满足12次非球面的制造与检测，结构紧凑，为双远心结构且远心度高，极高的像质能够很好的满足70nm光刻的要求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高分辨率投影光学系统，沿其光轴方向依次包括第一透镜单元(L1)、第二透镜单元(L2)、第三透镜单元(L3)和第四透镜单元(L4)，所述透镜单元均处于同一光轴，其特征在于，第一透镜单元(L1)具有负折光力，第二透镜单元(L2)具有正折光力，第三透镜单元(L3)具有负折光力，第四透镜单元(L4)具有正折光力。
2.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，第一透镜单元(L1)包括第一正透镜(1)、第一弯月透镜(2)、第二正透镜(3)和第一双凹透镜(4)。
3.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，第二透镜单元(L2)包括第三正透镜(5)、第四正透镜(6)、第五正透镜(7)、第一负透镜(8)、和第二负透镜(9)。
4.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，第三透镜单元(L3)包括第二双凹透镜(10)、第三负透镜(11)、第六正透镜(12)、第七正透镜(13)和第八正透镜(14)。
5.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，第四透镜单元(L4)包括第四负透镜(15)、第九正透镜(16)、第十正透镜(17)、第十一正透镜(18)、第十二正透镜(19)、第五负透镜(20)、第十三正透镜(21)和第十四正透镜(22)。
6.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，光学系统的束腰，即系统中口径最小的透镜，设置在第三透镜单元(L3)中。
7.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，系统中至少含有4个非球面，且第一透镜单元(L1)、第三透镜单元(L3)、第四透镜单元(L4)中都至少要包含有一个非球面，第一透镜单元(L1)中至少包含有一个双非球面。
8.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，第一透镜单元(L1)、第二透镜单元(L2)、第三透镜单元(L3)和第四透镜单元(L4)内的透镜都是单片镜，用透镜外框上的机械组件固定各个透镜之间的相对位置。
9.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，所有透镜使用同一种玻璃材料，第一透镜单元(L1)、第二透镜单元(L2)、第三透镜单元(L3)和第四透镜单元(L4)内的透镜材料均为熔石英。
10.根据权利要求1所述的高分辨率投影光学系统，其特征在于，所述的高分辨率投影光学系统的照明光源是工作波长为193nm的ArF准分子激光器。
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