CN103197418B

CN103197418B - 一种对准4f光学系统

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Publication number: CN103197418B
Application number: CN201210005216.8A
Authority: CN
Inventors: 王诗华
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: CN103197418A

Abstract

本发明提出了一种用于光刻设备的对准4F光学系统，用于把物面上硅片对准标记成像在参考光栅板后表面，其特征在于，从物面开始沿光轴依次包括前组透镜L1、L2、L3，经偏振分束器PBS组件分光后，分为红光后组透镜L4、L5、L6和绿光后组透镜L4’、L5’、L6’。本发明提出的一种4F光学系统，具有较长的前工作距L，其与前组焦距fL之比达0.816；透镜的口径较小，其有效通光口径与前组焦距之比小至0.61；几乎将标记的各级次衍射光均成像在参考光栅后表面上，各干涉像的纵向范围小于2.2um；各级次像波前像差很小，均小于0.05λ；结构前后对称，光线很流畅地通过各透镜，因此公差很松，易于加工与装调。

Description

一种对准4F光学系统

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，特别涉及一种用于光刻装置对准系统的4F光学系统。

背景技术

光刻曝光系统的典型结构如图1所示。目前光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准，光栅对准是指均匀照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息。高级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光（包括高级）在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准中心位置。

光栅对准是通过4F光学系统实现的。目前的ATHENA对准系统，采用如图2所示的四象限相位光栅作为对准标记。成像光路图如图3所示，L1、L2、L3构成4f光学系统的前组，L4、L5、L6构成4f光学系统的后组，对准标记位于4F光学系统的前焦面上，参考光栅位于4F光学系统后焦面上。

相干成像过程如下：使激光束垂直照射标记，位于频谱面上的滤波光阑只让分支光栅p1b与p1c的衍射±1—±7级、分支光栅p1a与p1d的衍射±1级光通过；位于频谱面附近的楔板组，使±m（1≤m≤7）级次衍射光偏折相同的角度，则在像面上一定的横向位置+m、-m级次光相干涉，形成干涉条纹。

由于不同m级次衍射光的偏转角度不同，则在像面上形成光强正弦分布、相互错开、周期不等的16组干涉条纹，如图4所示。当硅片相对于参考光栅板移动扫描时，透过各子振幅光栅的光强发生周期性变化。当各子光栅后的光强均为最大时，即对准位置。

发明内容

本发明的目的在于提出一种4F光学系统，根据机械空间布局的需要，使前工作距L较长、透镜的口径较小。

本发明提出了一种用于光刻设备的对准4F光学系统，用于把物面上硅片对准标记成像在参考光栅板后表面，其特征在于，从物面开始沿光轴依次包括前组透镜L1、L2、L3，经偏振分束器PBS组件分光后，分为红光后组透镜L4、L5、L6和绿光后组透镜L4’、L5’、L6’，所述透镜L1、L2、L3全部为球面镜，光焦度均为正；所述透镜L1、L2、L3之间焦距满足以下关系式：

0.316<fL1/fL<0.443

0.276<fL2/fL<0.4

0.247<fL3/fL<0.334

其中：fL1为透镜L1的焦距；fL2为透镜L2的焦距；fL3为透镜L3的焦距；fL为前组透镜L1、L2、L3的总焦距；

所述透镜L4、L5、L6全部为球面镜，光焦度均为正；所述透镜L4、L5、L6之间焦距满足以下关系式： 0.247<fL4/fL’<0.334

0.276<fL5/fL’<0.4

0.316<fL6/fL’<0.443

其中：fL4为透镜L4的焦距；fL5为透镜L5的焦距；fL6为透镜L6的焦距；fL’为后组透镜L4、L5、L6的总焦距。

其中，所述前工作距L与前组透镜焦距fL之比为0.816。

其中，所述光学系统的数值孔径与前组透镜焦距fL之比为0.61。

较优地，所述红、绿光支路共用前组透镜；红光支路的前、后组透镜完全对称；绿光支路的L1、L2完全对称于L6’、L5’，L3与L4’弯曲方向相同，曲率接近对称，其光焦度之比在0.95与1.05之间。

较优地，所述透镜L1为弯月透镜，且透镜弯向物面；主光线的物距l与所述透镜L1的第一表面的曲率半径r满足关系0.98<r/l<1.24；主光线的物距l与所述透镜L1的第二表面的齐明点物距l0满足关系1.03<l0/l<1.13。

较优地，所述透镜L2为弯月透镜，且透镜弯向物面；主光线的物距l小于所述透镜L2的第一表面的曲率半径r2；主光线的物距l与所述透镜L2的第二表面的齐明点物距l02满足关系0.935<l02/l<1.063。

较优地，所述透镜L3的第一表面几乎为平面，其曲率半径与4F前组透镜的焦距之比大于10，第二表面为凸面。

较优地，所述透镜L4的第一表面为凸面，第二表面几乎为平面，其曲率半径与4F前组透镜的焦距之比大于10。

较优地，所述透镜L5和L5’为弯月透镜，且透镜弯向像面；主光线的像距l’与该透镜第一表面的齐明点像距l02’满足关系0.979 <l02’/l’<1.074；其主光线的像距l’小于该透镜第二表面的曲率半径r2’。

较优地，所述透镜L6和L6’为弯月透镜，且透镜弯向像面；主光线的像距l’与该透镜第一表面的齐明点像距l0’满足关系1.05 <l0’/l’<1.13；主光线的像距l’与该透镜第二表面曲率半径r’满足关系0.997<r’/ l’<1.334。

本发明提出的一种4F光学系统，具有较长的前工作距L，其与前组焦距fL之比达0.816；透镜的口径较小，其有效通光口径与前组焦距之比小至0.61；几乎将标记的各级次衍射光均成像在参考光栅后表面上，各干涉像的纵向范围小于2.2um；各级次像波前像差很小，均小于0.05λ；结构前后对称，光线很流畅地通过各透镜，因此公差很松，易于加工与装调。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1为光刻装置的对准系统工作原理结构示意图；

图2为光刻装置常用对准标记示意图；

图3为4F光学系统光路示意图；

图4为参考光栅各分支光栅的分布、对准位置时参考光栅面上的标记干涉像分布示意图；

图5为本发明双波长光路4F光学系统结构示意图；

图6为主光线通过前组透镜的光路图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

如图5所示，本发明的4F光学系统工作波长532nm、633nm；共用4F光学系统前组，且前工作距不小于75mm（焦距约92mm）；四象限标记每象限的尺寸200um×200um；多级次光的视场角如下表1所示（本设计将多级次衍射光作多重结构处理）：

表1

设计结果如下：

整个对准系统包括红光4F光学系统、绿光4F光学系统。红、绿光4F光学系统共用前组透镜，后组透镜略有区别，共用的方式如图5，红、绿光在PBS的分束面处分离。

4F光学系统前组透镜由三片透镜组成，分别为L1、L2、L3。从物面发出的主光线与光轴的夹角较大，然后通过L1、L2、L3逐渐偏折，最后几乎与光轴平行。

L1、L2、L3透镜全部为球面镜，光焦度均为正，各透镜满足以下关系：

0.316<fL1/fL<0.443

0.276<fL2/fL<0.4

0.247<fL3/fL<0.334

其中fL1为透镜L1的焦距、fL2为透镜L2的焦距、fL3为透镜L3的焦距、fL为透镜组L1、L2、L3的总焦距。

L1为弯月透镜，且透镜弯向物面。物面至该透镜第一表面的中心距离l与第一表面的曲率半径r大致相等，即对第一表面而言，主光线的物距l与曲率半径r满足以下关系：

0.98<r/l<1.24。

主光线的物距l与第二表面的齐明点物距l0半径大致相等, l0=r*（1+n）/n，其中n为透镜材料的折射率，r为该表面曲率半径。l0与l满足以下关系：

1.03<l0/l<1.13。

L2为弯月透镜，且透镜弯向物面。主光线的物距l小于该透镜第一表面的曲率半径r2。

主光线的物距l与该透镜第二表面的齐明点物距l0半径大致相等, l0与l满足以下关系：

0.935<l0/l<1.063。

L3的第一表面几乎为平面，其曲率半径与4F前组透镜的焦距之比大于10，第二表面为凸面。

4F光学系统后组透镜由三片透镜组成，分别为L4、L5、L6和L4’、L5’、L6’。主光线进入L4时几乎与光轴平行，然后通过后组透镜逐渐偏折，最后与光轴的夹角较大，此夹角几乎与在物面处主光线与光轴的夹角相等。

对绿光4F光学系统后组透镜而言，有如下特点：

绿光4F光学系统后组透镜与前组透镜大体对称，其中L1、L2与L6’、L5’完全对称，L3与L4’弯曲方向相同，曲率接近对称，其光焦度之比在0.95与1.05之间。

L4’、L5’、L6’透镜全部为球面镜，光焦度均为正，各透镜满足以下关系：

0.247<fL4/fL’<0.334

0.276<fL5/fL’<0.4

0.316<fL6/fL’<0.443

其中fL4为透镜L4的焦距、fL5为透镜L5的焦距、fL6为透镜L6的焦距、fL’为透镜组L4、L5、L6的总焦距。

L4的第一个面为凸面，第二个面几乎为平面，其曲率半径与4F后组透镜的焦距之比大于10。

L5为弯月透镜，且透镜弯向像面。主光线的像距l’与该透镜第一表面的齐明点像距l0’大致相等, l0’=r*（1+n）/n，其中n为透镜材料的折射率，r为该表面曲率半径。l0’与l’满足以下关系：

0.979<l0’/l’<1.074。

主光线的像距l’小于该透镜第二表面的曲率半径r’。

L6为弯月透镜，且透镜弯向像面。主光线的像距l’与该透镜第一表面的齐明点像距l02’大致相等, l02’与l’满足以下关系：

1.05<l02’/l’<1.13。

主光线的像距l’与该透镜第二表面的曲率半径r2’较接近，两者满足以下关系：

0.997<r2’/ l’<1.334。

绿光4F光学系统前、后组透镜大体对称，但后工作距较偏离前工作距；红光4F光学系统前、后组透镜完全对称，且后工作距较接近前工作距。经计算，红光4F光学系统后组也具备绿光4F光学系统后组的特点。

表3给出了本实例透镜的具体设计值，正的半径值表示曲率中心在表面的右边，负的半径值代表曲率中心在表面的左边。光学元件厚度或两个光学元件之间的间隔是到下一个表面的轴上距离。所有尺寸单位都是毫米。

表3中，“S#”表示表面编号，“Standard”表示球面，“Tilted”表示倾斜平面，“INF”表示无穷大，“STOP”表示孔径光阑。表格栏中有两个数据的，不带括弧的数据为红光支路数据，带括弧的数据为绿光支路数据。批注“见表4”的为折光用楔板数据，具体见表4的多重结构数据。

表3

表4中，“GLSS (14)”表示表面14的玻璃材料，“PAR1 (14)”表示表面14的参数1，“PAR2 (16)” 表示表面16的参数2。

表4（a）

Multiconfig

GLSS (14)

PAR1 (14)

GLSS (17)

PAR1 (17)

GLSS (20)

PAR1 (20)

Config 1

Config 2

BK7

-0.008526

Config 3

BK7

-0.017052

BK7

0.029841

Config 4

BK7

-0.017052

Config 5

BK7

-0.008526

BK7

0.029841

Config 6

BK7

-0.008526

BK7

-0.017052

Config 7

BK7

0.029841

Config 8

表4（b）

Multiconfig

GLSS (15)

PAR2 (16)

GLSS (18)

PAR2 (19)

GLSS (21)

PAR2 (22)

Config 9

Config 10

Config 11

BK7

0.008526

Config 12

BK7

0.017052

BK7

-0.029841

Config 13

BK7

-0.017052

Config 14

BK7

0.008526

BK7

-0.029841

Config 15

BK7

0.008526

BK7

0.017052

Config 16

BK7

-0.029841

前工作距与焦距之比较大，为0.816；透镜的有效口径与焦距之比较小，为0.61。

表5，为红、绿光支路各重结构的焦面相对参考光栅后表面的轴向位置及16重结构的焦面范围。由表可知，焦面范围小于2.2um。

表5

表6，为红、绿光支路各重结构最大视场时（正方形光瞳200um×200um，正方形中心X=100um、Y=100um），出射光波前像差的P-V值。由表可知，各重结构最大视场时的出射波前像差很小，几乎完美成像。

表6

图6，为红光支路Config 7的两个视场的主光线通过前组透镜的光路图。由图可知，光线很流畅地通过各透镜，逐步偏折聚焦最后几乎平行于光轴。而后组几乎对称于前组，两个视场的主光线几乎都平行于光轴入射，逐步偏折聚焦最后在参考光栅后表面相交，形成干涉条纹。由于光线在前、后组中，没有先发散再聚焦及先聚焦再发散，光线很流畅通过各透镜，故公差很松，便于加工与装调。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims

1. 一种用于光刻设备的对准4F光学系统，用于把物面上硅片对准标记成像在参考光栅板后表面，其特征在于，包括红光支路和绿光支路，所述红光支路包括红光后组透镜L4、L5和L6，所述绿光支路包括绿光后组透镜L4’、L5’和L6’，从物面开始沿光轴依次包括前组透镜L1、L2、L3，经偏振分束器PBS组件分光后，分为红光后组透镜L4、L5、L6和绿光后组透镜L4’、L5’、L6’，所述透镜L1、L2、L3全部为球面镜，光焦度均为正；所述透镜L1、L2、L3之间焦距满足以下关系式：

0.316<fL1/fL<0.443

0.276<fL2/fL<0.4

0.247<fL3/fL<0.334

0.276<fL5/fL’<0.4

0.316<fL6/fL’<0.443

2.根据权利要求1所述的4F光学系统，其特征在于：所述4F光学系统的前工作距L与前组透镜总焦距fL之比为0.816。

3.根据权利要求1所述的4F光学系统，其特征在于：所述前组透镜的有效通光口径与前组透镜总焦距fL之比为0.61。

4.根据权利要求1所述的4F光学系统，其特征在于：所述红、绿光支路共用前组透镜；红光支路的前、后组透镜完全对称；绿光支路的L1、L2完全对称于L6’、L5’，L3与L4’弯曲方向相同，曲率对称， L3与L4’的光焦度之比在0.95与1.05之间。

5.根据权利要求1所述的4F光学系统，其特征在于：所述透镜L1为弯月透镜，且透镜弯向物面；主光线的物距l与所述透镜L1的第一表面的曲率半径r满足关系0.98<r/l<1.24；主光线的物距l与所述透镜L1的第二表面的齐明点物距l0满足关系1.03<l0/l<1.13。

6.根据权利要求1所述的4F光学系统，其特征在于：所述透镜L2为弯月透镜，且透镜弯向物面；主光线的物距l小于所述透镜L2的第一表面的曲率半径r2；主光线的物距l与所述透镜L2的第二表面的齐明点物距l02满足关系0.935<l02/l<1.063。

7.根据权利要求1所述的4F光学系统，其特征在于：所述透镜L3的第一表面几乎为平面，其曲率半径与4F光学系统前组透镜的总焦距之比大于10，第二表面为凸面。

8.根据权利要求1所述的4F光学系统，其特征在于：所述透镜L4的第一表面为凸面，第二表面几乎为平面，其曲率半径与4F光学系统后组透镜的总焦距之比大于10。

9.根据权利要求4所述的4F光学系统，其特征在于：所述透镜L5和L5’为弯月透镜，且透镜L5和L5’弯向像面；所述4F光学系统的主光线的像距l’与透镜L5和L5’第一表面的齐明点像距l02’满足关系0.979 <l02’/l’<1.074；所述4F光学系统的主光线的像距l’小于透镜L5和L5’第二表面的曲率半径r2’。

10.根据权利要求4所述的4F光学系统，其特征在于：所述透镜L6和L6’为弯月透镜，且透镜L6和L6’弯向像面；所述4F光学系统的主光线的像距l’与透镜L6和L6’第一表面的齐明点像距l0’满足关系1.05 <l0’/l’<1.13；所述4F光学系统的主光线的像距l’与透镜L6和L6’第二表面曲率半径r’满足关系0.997<r’/ l’<1.334。