CN103616757B - 一种非球面紫外光刻物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种非球面紫外光刻物镜，用于将物平面的图像成像到像平面内。该非球面紫外光刻物镜，沿其光轴方向包括透射组1、透射组2、透射组3、透射组4、透射组5和透射组6，从光束入射方向依次排布透射组1具有负光焦度，透射组2具有正光焦度，透射组3具有负光焦度，透射组4具有正光焦度，透射组5具有正光焦度，透射组6具有正光焦度，本发明的非球面紫外光刻物镜具有成像质量好，结构紧凑，较高的光刻效率等优点。

Description

一种非球面紫外光刻物镜
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非球面紫外光刻物镜，属于投影光学技术领域。
背景技术
光学投影光刻是利用光学投影成像的原理，将掩模版上IC图形以分步重复或步进扫描曝光的方式将高分辨力图形转移到涂胶硅片上的光学曝光过程。光学投影光刻技术是在接触式和接近式光刻技术基础上发展起来的。采用投影光刻，可以延长掩模使用寿命，如果采用缩小倍率的投影物镜，还便于掩模制作。光学投影光刻经历了分步重复光刻(stepper)和步进扫描光刻(scanner)的发展过程。随着科学技术的不断进步，各类半导体芯片广泛应用于航空航天军事领域和计算机等民用领域，随着对设备性能要求的不断提高，对半导体芯片的分辨率要求越来越高。目前国际上光刻机的制造几乎处于垄断地位，最大的3家生产商为荷ASML，Nikon和Canon。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。目前国内刚刚开始工作波长193nm的投影光学系统实用化研究，以往设计数值孔径也都不很高，最高分辨力为0.35-0.5微米。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。
由瑞利衍射定理可得到光刻机分辨力的公式如下：
R＝k1λ/NA
上式中R为光刻机的分辨力，k1为工艺系数因子，λ为工作波长，NA为投影光刻物镜的数值孔径。
由以上公式可知，为了获得更高的分辨率，可以通过缩短光源的波长，或者增大投影光刻物镜的数值孔径来实现，但是光源波长缩短时，由于光学玻璃对光的吸收而用于投影光刻物镜的材料种类会受到很大限制。本发明提出了一种数值孔径为0.93的非球面紫外光刻物镜，对于高端光刻机中的投影曝光光学系统有一定的参考价值。
发明内容
本发明为解决现有光刻物镜数值孔径小的不足，提出了一种工作波长为248nm，数值孔径为0.93的非球面紫外光刻物镜，该镜头具有数值孔径大，成像质量好，结构紧凑，较高的光刻效率等优点。
本发明采用的技术方案为：一种非球面紫外光刻物镜，沿其光轴方向依次包括透射组1、透射组2、透射组3、透射组4、透射组5和透射组6，所有透射组均处于同一光轴，其特征在于，透射组1具有负光焦度，透射组2具有正光焦度，透射组3具有负光焦度，透射组4具有正光焦度，透射组5具有正光焦度，透射组6具有正光焦度。
透射组1包括第一平板保护窗口1、第一正透镜2、第一负透镜3、第二正透镜4和第二负透镜5。
透射组2包括第三正透镜6、第四正透镜7和第五正透镜8。
透射组3包括第三负透镜9、第六正透镜10和第四负透镜11。
透射组4包括第五负透镜12、第七正透镜13、第八正透镜14和第九正透镜15。
透射组5包括第六负透镜16、第十正透镜17和第十一正透镜18；
透射组6包括第十二正透镜19、第七负透镜20、第十三正透镜21、第十四正透镜22、第二平板保护窗口23。
进一步的，所述的一种非球面紫外光刻物镜透射镜使用的光学材料都是熔石英。
进一步的，非球面紫外光刻物镜的孔径光阑设置在透射组4和透射组5之间。
进一步的，非球面紫外光刻物镜的束腰（通光口径最小的镜片）设置在透射组3中。
本发明具有以下优点：
1、本发明的非球面紫外光刻物镜的数值孔径为0.93，工作波长为248纳米，像方视场为26mm×10.5mm，由于物镜数值孔径大，克服了现有投影光刻物镜数值孔径小的不足，提高了光刻分辨率。
2、本发明的非球面紫外光刻物镜由透射组1、透射组2、透射组3、透射组4、透射组5和透射组6构成，六个透射组同轴，减小了装调集成难度。
3、本发明的非球面紫外光刻物镜中透射组1包含5片透镜，透射组2包含3片透镜，透射组3包含3片透镜，透射组4包含4片透镜，透射组5包含3片透镜，透射组6包含5片透镜，所有透射组内的镜子均为单片镜，系统结构简单紧凑。
4、本发明的非球面紫外光刻物镜具有良好的成像特性。
本发明所提出的非球面紫外光刻物镜，可以应用于照明光源波长为248nm的深紫外投影光刻装置中。
附图说明
图1为本发明的一种非球面紫外光刻物镜的结构示意图；
标号说明：1-保护窗口、2-第一正透镜、3-第一负透镜、4-第二正透镜、5-第二负透镜、6-第三正透镜、7-第四正透镜、8第五正透镜、9-第三负透镜、10-第六正透镜、11-第四负透镜、12-第五负透镜、13-第七正透镜、14-第八正透镜、15-第九正透镜、16-第六负透镜、17-第十正透镜、18-第十一正透镜、19-第十二正透镜、20-第七负透镜、21-第十三正透镜、22-第十四正透镜、23-第二平板保护窗口、24-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为本发明非球面紫外光刻物镜布局示意图，23片光学元件形成透射组1、透射组2、透射组3、透射组4、透射组5、透射组6，依次从光束入射方向设置。
透射组1为具有负光焦度的透射组，包括第一平板保护窗口1、第一正透镜2、第一负透镜3、第二正透镜4和第二负透镜5。光线由物面投射经过透射组1发散后进入透射组2。
透射组2为具有正光焦度的透射组，包括第三正透镜6、第四正透镜7和第五正透镜8。光线由透射组1进入透射组2后，经过透射组2会聚后离开透射组2。
透射组3为具有负光焦度的透射组，包括第三负透镜9、第六正透镜10和第四负透镜11。光线由透射组2进入透射组3后，经过透射组3发散后离开透射组3。
透射组4为具有正光焦度的透射组，包括第五负透镜12、第七正透镜13、第八正透镜14和第九正透镜15。光线由透射组3进入透射组4后，经过透射组4会聚后离开透射组4。
透射组5为具有正光焦度的透射组，包括第六负透镜16、第十正透镜17和第十一正透镜18。光线由透射组4进入透射组5后，经过透射组5会聚后离开透射组5。光阑面设置在第九正透镜15和第六负透镜16之间。
透射组6为具有正光焦度的透射组，包括第十二正透镜19、第七负透镜20、第十三正透镜21、第十四正透镜22、第二平板保护窗口23。光线由透射组5进入透射组6后，经过透射组6会聚后到达像面。
该非球面紫外光刻物镜中所有透射镜使用的都是熔石英材料，在中心波长248nm处时熔石英玻璃的透射率为1.508390。
为提高非球面紫外光刻物镜的像质，以物镜各个表面的半径、厚度、间隔、非球面系数作为变量，应用光学设计软件Code-v构造特定的优化函数，对系统进行反复优化，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248纳米，像方视场26mm×10.5mm，光学系统的数值孔径(NA)=0.93，光学系统缩小倍率为4倍，非球面紫外光刻物镜第一镜子距离物面39.85mm，光线由物面处发出经透射组1、透射组2、透射组3、透射组4、透射组5、透射组6后成缩小四倍的像到达像面即硅片上。
本发明的非球面紫外光刻物镜从掩膜面到硅片面的距离为1368mm，结构简单紧凑。通过优化各透镜的曲率半径、厚度、非球面系数以及改变各透镜之间的间隔减小光学系统的各种像差。
波像差是成像质量很高的光学系统的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。表2列出了本实施例所设计的非球面紫外光刻物镜各个视场以质心为参考的各个视场的均方根波像差，其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9、f10表示10个视场，λ表示波长，可知，该系统最大波像差为3.85nm。
表1非球面紫外光刻物镜的波像差
视场 均方根波像差
f1 0.0073λ
f2 0.0087λ
f3 0.0106λ
f4 0.0118λ
f5 0.0096λ
f6 0.0116λ
f7 0.0118λ
f8 0.0129λ
f9 0.0141λ
f10 0.0155λ
本发明通过优化各个镜子的曲率半径、厚度参数、非球面系数以及透镜间隔，得到了高分辨率、像质优良的非球面紫外光刻物镜，具有整结构简单紧凑、成像优良等优点。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 (4)

1.一种非球面紫外光刻物镜，在光轴上从物方到像方依次包括第一透射组、第二透射组、第三透射组、第四透射组、第五透射组和第六透射组，所有透射组均处于同一光轴，其特征在于，第一透射组具有负光焦度，第二透射组具有正光焦度，第三透射组具有负光焦度，第四透射组具有正光焦度，第五透射组具有正光焦度，第六透射组具有正光焦度；
第一透射组包括第一平板保护窗口(1)、第一正透镜(2)、第一负透镜(3)、第二正透镜(4)和第二负透镜(5)；
第二透射组包括第三正透镜(6)、第四正透镜(7)和第五正透镜(8)；
第三透射组包括第三负透镜(9)、第六正透镜(10)和第四负透镜(11)；
第四透射组包括第五负透镜(12)、第七正透镜(13)、第八正透镜(14)和第九正透镜(15)；
第五透射组包括第六负透镜(16)、第十正透镜(17)和第十一正透镜(18)；
第六透射组包括第十二正透镜(19)、第七负透镜(20)、第十三正透镜(21)、第十四正透镜(22)、第二平板保护窗口(23)和像面(24)。
2.根据权利要求1所述的一种非球面紫外光刻物镜，其特征在于：所述的非球面紫外光刻物镜透射镜使用的光学材料都是熔石英。
3.根据权利要求1所述的一种非球面紫外光刻物镜，其特征在于，非球面紫外光刻物镜的孔径光阑设置在第四透射组和第五透射组之间。
4.根据权利要求1所述的一种非球面紫外光刻物镜，其特征在于，非球面紫外光刻物镜的束腰即通光口径最小的镜片设置在第三透射组中。
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