CN103309017B - 傅里叶变换物镜 - Google Patents

Abstract

一种傅里叶变换物镜，构成沿光轴方向包括依次的前焦面、第一透镜至第五透镜、后焦面，第一透镜、第三透镜和第四透镜具有负光焦度，第二透镜和第五透镜具有正光焦度，第一透镜和第二透镜构成反远距结构，第三透镜、第四透镜和第五透镜构成反远距结构，所述的第一透镜、第三透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜为双凸透镜，第五透镜为弯月正透镜，第一透镜和第四透镜的凹面朝向前焦面，第三透镜和第五透镜的凹面朝向后焦面，每一透镜的光学表面均为球面。本发明既能满足像传感器尺寸和大视场角的要求，又满足后工作距较长的要求，结构紧凑，满足正弦条件要求，并且球差、象散、场曲、波像差都得到很好的校正。

Description

傅里叶变换物镜

技术领域

本发明涉及半导体光刻，特别是一种傅里叶变换物镜，特别涉及一种用于半导体光刻设备曝光光学系统中光瞳测量的傅里叶变换物镜。

背景技术

目前，在半导体光刻设备制造领域，采用氟化氩（ArF）准分子激光和浸液光刻技术，并配合双图形曝光技术，已经实现32nm节点技术。实现该技术的典型设备是荷兰ASML公司型号为1950i的光刻机，其投影物镜的数值孔径NA为1.35，放大倍率为-0.25。在ASML公司投影物镜数值孔径NA为1.20型号为1750i光刻机，以及更早期的，比如1150C等光刻机中，都需要采用一个针孔相机来测量曝光光学系统中照明光瞳的分布。照明光瞳的形状、位置、能量分布等参数对实现各种不同图形的精确曝光至关重要，没有照明光瞳的测量与控制，就没有合格的曝光图形。

一般的，针孔相机主要由针孔掩模版、傅里叶变换物镜、像传感器等组成，如图1所示。针孔掩模版位于光刻机掩模面位置，该位置就是投影物镜的物面位置，利用针孔对不同照明视场位置进行采样。傅里叶变换物镜的功能是将通过针孔照明光束的角度分布转换为空间分布，即在傅里叶变换物镜的像面获得照明光束的光瞳，可以用下面公式<1>表示：

h＝f*sinθ            <1>

其中，h表示在像面上的高度，f表示物镜的焦距，θ表示光束的视场角度（这是物位于无穷远时的正弦条件）。像传感器一般位于傅里叶变换物镜的像面位置，典型的，一般采用CMOS相机或CCD相机作为像传感器。

在现有技术中，根据经典参考文献（应用光学，张以谟，机械工业出版社，第497～500页），傅里叶变换物镜结构形式很多，典型结构有2种。一种是单组形式，由正负2片透镜组成，它能使球差和正弦差得到很好的校正，但是轴外像差不能校正，因此能负担的视场和孔径都很小。另一种是由2组远距透镜组成，构成双远距对称结构（8片透镜），可以校正场曲，其它像差也可以得到很好的校正。但是这种物镜利用透镜间隔来校正场曲，因此结构不紧凑，轴向长度较大。

申请日为2008年12月10日的3篇中国专利（申请人为上海微电子装备有限公司），申请号分别为：200810204353.8、200810204354.2、200810204356.1，公开了3种傅里叶透镜系统。

作为傅里叶变换物镜，最重要的是实现公式<1>表示的关系，即满足正弦条件，因此，申请号为200810204353.8专利中表2给出了该傅里叶透镜系统频谱面上谱点位置追踪结果，及与正弦条件的偏离。根据表2提供数据，重新计算，结果如下：

注意（1）：如果按照“(正弦条件要求的位置-实际位置)/实际位置”计算，得到-100.00%。

根据上面计算，知道该专利表2中视场1、2、7、8的“与正弦条件的误差”计算明显错误。而且，视场6、7、8的“与正弦条件的绝对偏离”分别为80μm、147μm、208.6μm，该傅里叶透镜系统应用于光刻机离轴对准系统，这么大的偏差显然无法满足离轴对准系统7级衍射光的对准精度要求。

申请号为200810204353.8专利中声称“数值孔径最大达到0.31”，而图3中MTF截止频率大约为24.48线对/mm，波长为0.6328μm。根据公知常识，知道“数值孔径最大达到0.31”是错误的。因为，根据图3数据推算数值孔径约为0.007745，同时根据表1中STOP半孔径为0.55mm，焦距为约70mm，推算数值孔径约为0.007857（该专利公开“焦距不小于70mm”，而推算时采用焦距70mm不是准确值，截止频率也是从传递函数图上估读，因此用这2种方法推算的数值孔径有一定出入）。这些推算，对于本技术领域的具有普通知识者是显而易见的。该专利的第“0017”段落声称“工作距离较长”，而表1中第10面的“厚度”数据为1.5mm，对于应用于光刻机离轴对准系统，这显然与声称的“工作距离较长”不符合。

申请号为200810204354.2专利中表2给出了该傅里叶透镜系统频谱面上谱点位置追踪结果，及与正弦条件的偏离。根据表2提供数据，重新计算，结果如下：

注意（2）：如果按照“(正弦条件要求的位置-实际位置)/实际位置”计算，得到-100.000%。

根据上面计算，知道该专利表2中视场1、4的“与正弦条件的误差”计算明显错误。而且，视场6、7、8的“与正弦条件的绝对偏离”分别为50.02μm、74.12μm、90.45μm，该傅里叶透镜系统应用于光刻机离轴对准系统，这么大的偏差显然无法满足离轴对准系统7级衍射光的对准精度要求。

申请号为200810204354.2专利名称中包含“大数值孔径”，并声称“数值孔径最大达到0.31”，而图4和图5中MTF截止频率为大约23.5线对/mm，波长为0.6328μm。根据公知常识，知道“数值孔径最大达到0.31”是错误的。因为，根据图4和图5数据推算数值孔径为约0.0074354，同时根据表1中STOP半孔径为0.55mm，焦距为约70mm，推算数值孔径约为0.007857（该专利公开“焦距不小于70mm”，而推算时采用焦距70mm不是准确值，截止频率也是从传递函数图上估读，因此用这2种方法推算的数值孔径有一定出入）。这些推算，对于本技术领域的具有普通知识者是显而易见的。另外，该专利的图4和图5都是0.7、0.9、1.0视场的传递函数MTF，是完全一样的2张图。

申请号为200810204356.1专利中表2给出了该傅里叶透镜系统频谱面上谱点位置追踪结果，及与正弦条件的偏离。根据表2提供数据，重新计算，结果如下：

注意（3）：如果按照“(正弦条件要求的位置-实际位置)/实际位置”计算，得到-100.000%。

根据上面计算，知道该专利表2中视场1、5、8的“与正弦条件的误差”计算明显错误。而且，视场6、7、8的“与正弦条件的绝对偏离”分别为144.04μm、245.2μm、346.96μm，该傅里叶透镜系统应用于光刻机离轴对准系统，这么大的偏差显然无法满足离轴对准系统7级衍射光的对准精度要求。

申请号为200810204356.1专利中声称“数值孔径最大达到0.31”，而图3和图4中MTF截止频率大约为24线对/mm，波长为0.6328μm。根据公知常识，知道“数值孔径最大达到0.31”是错误的。因为，根据图3和图4数据推算数值孔径为约0.0075936，同时根据表1中STOP半孔径为0.55mm，焦距为约70mm，推算数值孔径约为0.007857（该专利公开“焦距不小于70mm”，而推算时采用焦距70mm不是准确值，截止频率也是从传递函数图上估读，因此用这2种方法推算的数值孔径有一定出入）。这些推算，对于本技术领域的具有普通知识者是显而易见的。

根据上面的分析，这3篇涉及傅里叶变换物镜的专利，对于满足傅里叶变换的最基本约束条件（即正弦条件）存在较大偏离，另外声称的数值孔径0.31也与较佳实施例中数据完全不符合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种傅里叶变换物镜，该傅里叶变换物镜能用于半导体光刻设备曝光光学系统照明光瞳测量，它不仅能有效地满足正弦条件的要求、严格校正像差，而且满足针孔掩模版尺寸、像传感器尺寸的要求，以达到实际半导体光刻设备应用的要求。

本发明的目的是这样实现的：

一种傅里叶变换物镜，构成沿光轴方向包括依次的前焦面、第一透镜至第五透镜、后焦面，其特点在于，孔径光阑平面位于所述的前焦面，像传感器光敏面位于所述的后焦面，所述的第一透镜、第三透镜和第四透镜具有负光焦度，第二透镜和第五透镜具有正光焦度，第一透镜和第二透镜构成反远距结构，第三透镜、第四透镜和第五透镜构成反远距结构，所述的第一透镜、第三透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜为双凸透镜，第五透镜为弯月正透镜，第一透镜和第四透镜的凹面朝向前焦面，第三透镜和第五透镜的凹面朝向后焦面。

所述的每一透镜的光学表面均为球面。

所有五块透镜均采用高透过率的熔石英材料制成。

所有五块透镜全部采用高透过率的熔石英材料，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的Lithosil^TM Q0/1-E193熔石英材料。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明的傅里叶变换物镜采用2个反远距结构，可以有效的既满足像传感器尺寸和大视场角的要求，又满足后工作距较长的要求，并且结构紧凑；

2、本发明的傅里叶变换物镜采用正负光焦度平衡匹配，正光焦度较大，可以有效的满足正弦条件要求，并且球差、象散、场曲、波像差都得到很好的校正；

3、本发明的傅里叶变换物镜仅采用表面类型为球面的透镜，没有引入非球面透镜，从而降低了透镜的加工、检测和装校的难度。

附图说明

图1为本发明的傅里叶变换物镜所应用的针孔相机示意图；

图2为本发明的傅里叶变换物镜的结构及光路图；

图3为本发明的傅里叶变换物镜的调制传递函数MTF图；

图4为本发明的傅里叶变换物镜的RMS波像差分布图；

图5为本发明的傅里叶变换物镜的球差、象散、场曲、畸变分布图。

具体实施方式

以下将对本发明的傅里叶变换物镜做进一步的详细描述。

本发明的目的在于提供一种能用于半导体光刻设备曝光光学系统照明光瞳测量的傅里叶变换物镜，它不仅能有效地满足正弦条件的要求、严格校正像差，而且满足针孔掩模版尺寸、像传感器尺寸的要求，以达到实际半导体光刻设备应用的要求。

由本发明的傅里叶变换物镜构成的针孔相机，测量对象是投影物镜数值孔径NA为1.35，放大倍率为-0.25的光刻机照明系统，采用氟化氩（ArF）准分子激光，波长为193.368nm，因此所有透镜全部采用高透过率的熔石英材料，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的Lithosil^TM Q0/1-E193熔石英材料。

本发明的傅里叶变换物镜物方视场半角度要求为（预留10%余量）：

U＝arcsin(1.35/4*1.1)＝21.8°

本发明的傅里叶变换物镜像面尺寸要求为：

像传感器的像素尺寸为16μm×16μm，像素数量为512×512，像传感器的像面尺寸为8.192mm×8.192mm，像面半高度为4.096mm。

本发明的傅里叶变换物镜焦距要求为：

$f=\frac{h}{\sin U}=\frac{4.096}{\sin 21.8}=11.0295\mathrm{mm}$

该针孔相机要求的针孔掩模版上针孔直径为0.3mm，从针孔面到像面距离小于25mm，像方工作距大于5mm。

傅里叶变换物镜完善成像，一般要求波像差的RMS值小于1/14波长，即小于13.8nm，一般要求正弦差小于2.5μm。

本发明的傅里叶变换物镜的约束参数如表1所示。

表1半导体光刻设备光瞳测量用傅里叶变换物镜参数

本发明傅里叶变换物镜一个实施例，如图2所示，本发明的傅里叶变换物镜，用于将针孔掩模版图形面内的针孔变换到像传感器光敏面内，所述的傅里叶变换物镜沿其光轴方向包括孔径光阑平面（即针孔面）、第一至第五透镜L1～L5、像平面，所述的傅里叶变换物镜，针孔位于其前焦面位置，像传感器光敏面位于其后焦面位置，所述的第一透镜、第三透镜和第四透镜具有负光焦度，第二透镜和第五透镜具有正光焦度，第一透镜和第二透镜构成反远距结构，第三透镜、第四透镜和第五透镜构成反远距结构，所述的第一透镜、第三透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜为双凸透镜，第五透镜为弯月正透镜，第一透镜和第四透镜的凹面朝向孔径光阑面，第三透镜和第五透镜的凹面朝向像面，且所述每一透镜的光学表面均为球面。

所述的傅里叶变换物镜，所有五块透镜全部采用高透过率的熔石英材料，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的Lithosil^TM Q0/1-E193熔石英材料。

根据前面表1中半导体光刻设备光瞳测量用傅里叶变换物镜参数，本发明提供的傅里叶变换物镜的设计数据如表2所示。为了光学加工、光学检测的方便以及降低成本，本发明所有元件的光学表面均为球面，没有任何非球面元件。

表2给出了本实施例的傅里叶变换物镜的每一片透镜的具体设计参数值，其中，“表面”一栏指示了从物面（Object）到像面（Image）之间每个光学表面的编号，其中STOP表示孔径光阑。“半径”一栏给出了每一表面所对应的球面半径。“厚度/间隔”一栏给出了相邻两表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则“厚度/间隔”的数值表示该透镜的厚度，否则表示物/像面到透镜的距离或者相邻透镜的间距。“光学材料”一栏即指明所对应透镜的材料。“半孔径”一栏指明了所对应表面的1/2孔径值，即半高度。“所属对象”一栏指示了从物面到像面之间每一表面所对应的透镜。

以透镜L1和L2为例，L1的前表面2的球面半径为-2.011618mm（其正负号表示了表面的弯曲方向），L1的前表面2到孔径光阑的间距为3.176317mm，其光学材料为corning7980，L1前表面2的半孔径为1.247147mm；L1的后表面3的球面半径为-2.778126mm，L1的前表面2到L1的后表面3，即透镜L1的中心厚度为1.000000mm，L1的后表面3的半孔径为1.697792mm，即L1是凹面朝向孔径光阑的弯月透镜。

L2的前表面4的球面半径和半孔径分别为42.939553mm和2.160007mm，L2的前表面4到L1的后表面3的间距为0.500000mm，透镜L2的光学材料为corning7980，L2的后表面5的球面半径和半孔径分别为-5.210862mm和2.260736mm，透镜L2的厚度为1.011073mm，即L2为双凸透镜。除了像面（表面Image）的半孔径表示像方视场半高度外，其余各表面的参数值含义可以根据L1、L2的描述类推。

除了L1～L5这5块透镜之外，透镜L1前面还设置有孔径光阑STOP，其孔径尺寸的改变将影响该投影光学系统的成像效果。

表2本发明的傅里叶变换物镜的设计参数

根据本发明较佳实施例所公开的数据，采用CODE_V软件进行实际光线追迹得到不同视场角的实际像高，并与满足正弦条件的像高进行比较，如下表3所示，可以看出，各视场位置实际像高与正弦条件的偏离都小于0.1μm。

表3实际像高与正弦条件的比较

当在表1中工作波长、视场等参数条件下，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知，其像差校正程度如下。

图3显示了本实施例的傅里叶变换物镜的调制传递函数MTF，接近衍射极限，图4是本实施例的傅里叶变换物镜的RMS波像差的分布，最大值为0.03nm。这反映了本发明的傅里叶变换物镜的成像质量接近完善成像。

图5是本实施例的傅里叶变换物镜的球差、象散、场曲、畸变图，其中球差最大值为5.9μm，场曲最大值为0.51μm，象散最大值为0.44μm，都是在像差容限之内。而畸变最大值为-7.15%，这是为了满足正弦条件而预留的负畸变。

从表2中数据可得，从针孔面到像面距离为22.938mm，满足<25mm的要求。表2中第11面的数据为5.002396，也满足像方工作距>5mm的要求。

采用本发明的傅里叶变换物镜，完全满足用于测量照明光瞳分布的针孔相机的技术要求，成像质量优良，并且达到实际照明光瞳测量的应用要求。

Claims (3)

1.一种傅里叶变换物镜，构成沿光轴方向包括依次的前焦面、第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、后焦面，其特征在于，孔径光阑平面位于所述的前焦面，像传感器光敏面位于所述的后焦面，所述的第一透镜、第三透镜和第四透镜具有负光焦度，第二透镜和第五透镜具有正光焦度，第一透镜和第二透镜构成反远距结构，第三透镜、第四透镜和第五透镜构成反远距结构，所述的第一透镜、第三透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜为双凸透镜，第五透镜为弯月正透镜，第一透镜和第四透镜的凹面朝向前焦面，第三透镜和第五透镜的凹面朝向后焦面，该傅里叶变换物镜的设计参数如下：

该傅里叶变换物镜的性能参数为：工作波长为193.368nm、物方视场半角为21.8°、针孔直径为0.3mm、像面半高度为4.096mm、焦距为11.0295mm。

2.如权利要求1所述的傅里叶变换物镜，其特征在于，所述的每一透镜的光学表面均为球面。

3.如权利要求1所述的傅里叶变换物镜，其特征在于，所有五块透镜均采用熔石英材料制成。