CN103837966B - 一种用于i线大面积平板投影光刻机的物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其采用了双远心、28片4组对称结构，其中使用了2个低阶非球面。本设计的像方有效视场可以达到132×132mm，像方数值孔径能提高至0.17以弥补国内光学加工所造成的分辨率下降问题，能显著提高国产大面积平板光刻机的成像质量和生产效率。
Description
技术领域
本发明设计一种i线大面积平板投影光刻机的物镜设计，属于微纳加工设备中的光学系统设计领域。
背景技术
目前，几乎所有的新一代显示设备都采用液晶平板（LCD、LED）作为显像设备，市场前景十分广阔。但国产大面积液晶平板制造设备几乎处于空白状态，所有成熟生产线都十分依赖进口设备。所以基于i线的大面积平板投影光刻机是液晶平板生产线国产化需要攻克的核心设备之一。
国内现有大面积平板光刻机主要存在图像传输能力差和生产效率低两个问题。而造成这两个问题的主要原因就是国内缺乏一款大视场、高数值孔径的光刻投影物镜。
日本早期专利JP2000199850A公布了一种用于i线大面积平板光刻机的投影物镜设计。该物镜的数值孔径NA约为0.1，有效视场83.2×83.2mm，放大倍率约为M=-1.67×。整套光学系统根据使用场合不同镜片数在36～40枚之间浮动，其中采用了一个低阶非球面来矫正波像差。由于数值孔径较低且非球面数只有一个，这款物镜的分辨率不会太高。根据公式可知，即使工艺因子降低到0.5，物镜实际能达到的分辨率也不会低于2um。但整个物镜拥有超过36枚镜片，这样依然可以将场曲控制在5um以内，畸变控制在-2.5×10-4%到2.5×10-4%之间。
由于上述投影物镜包含镜片数过多，导致其光学透过率较低，对于新一代的大面积平板光刻机来说并不是好的选择。日本随后公布的专利JP2007079015A中提出一款超高数值孔径的大面积平板光刻机投影物镜设计。该物镜的数值孔径NA可以高达0.225，有效视场132×132mm，放大倍率M=-1.25×。整个物镜的光学系统包含有32枚镜片，采用了7个低阶非球面。由于较高的数值孔径和多个非球面的使用，这款投影物镜的成像质量非常高，场曲可以控制在3um以下，畸变可以控制在10-4%以下。
可以看出目前国外成熟的大视场、高数值孔径光刻机投影物镜都采用了25枚以上的镜片，光学结构十分复杂。与此同时，由于国内的光学加工装配水平与日本、美国、德国等光学发达国家还有一定的差距，工艺因子很难控制到0.5以内。所以国外现有的成熟设计很难直接应用到国产大面积平板光刻机上。
发明内容
为了解决上述难题，本发明设计了一种用于i线大面积平板投影光刻机的物镜设计。该物镜具有大视场、高数值孔径的特点，可以有效地降低光学加工装配的工艺因子，平衡各类像差，达到较高的分辨率和图像传输能力。
该物镜共轭距L=1500mm，共有28枚镜片。所有镜片分为四组镜头独立设计再整合优化。
第一组包含6枚镜片（G1，镜片编号L1～L6）；
第二组包含7枚镜片(G2,镜片编号L7～L13)，其中第4枚镜片朝向像方的入射面为一个14阶非球面；
第三组包含8枚镜片（G3,镜片编号L14～L21）；
第四组包含7枚镜片（G4科教片L22～L28），其中第1枚镜片朝向物方的入射面为一个14阶非球面。
以上四组镜头组成一个双远心对称结构，光阑两边各设置一个低阶非球面可以较好矫正本投影物镜的波像差。
本发明一种用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其光学系统总共包含28枚镜片，与国外成熟设计方案的镜片数相近。但该物镜只使用了两个14阶的低阶非球面，能较好地平衡像差且大大降低了镜片面型的加工难度。
本发明中，镜头数值孔径NA可以高达0.17，根据公式可知，较大的数值孔径NA，可以弥补光学加工装配工艺水平（工艺因子）对分辨率造成的影响。即使该镜头的工艺因子取K=0.7，理论上依然可以保证分辨率σ达到1.5um。
当NA=0.17时，根据焦深计算公式DOF＝λ2NA,可计算得知该物镜的焦深约为±12.6um左右，故场曲要控制在焦深的1/3～1/2左右才能有效曝光。物镜使用多个非球面可以有效校正场曲和畸变，保证曝光的成像质量。
该镜头为放大成像，放大倍率M=-1.25×，物方光刻掩模板的尺寸为93.4×93.4mm有效像方视场132×132mm。
本发明中，由于镜头的视场较大，所以需要严格控制镜头的畸变，尤其是边缘视场的畸变。根据[0014]中所提到的镜头理论分辨率σ＝1.5um，为保证物镜投影成像的失真较小，畸变需要严格控制在0.0005%或更低。
物镜的玻璃材料全部选用成都光明光电公司生产的H-K9L、F2、QF3，经过实际测试，这三种牌号的国产玻璃材料在i线成像中性能较好。
三种玻璃材料在i线下的参数如下表格所示：
| 折射率（n365） | 阿贝数 | |
| H-K9L | 1.53622 | 500.7057 |
| F2 | 1.66623 | 228.6286 |
| QF3 | 1.61200 | 267.6581 |
其中阿贝数的计算公式为υ＝(n365-1)(n362-n368)；其中n365、n362、n368分别为曝光中心波长和波段上下线所对应的折射率。
附图说明
图1为本发明i线大面积平板投影光刻机物镜结构图；
图2为本发明i线大面积平板投影光刻机物镜MTF曲线；
图3为本发明i线大面积平板投影光刻机物镜像差曲线；
图4为本发明i线大面积平板投影光刻机物镜点扩散斑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
本发明的结构如附图1所示，掩膜板（物面）经过本发明i线大面积平板投影光刻机物镜，放大成像在硅片上。
本物镜以第1枚物镜朝向物方的入射面为第1面，以此类推，共计56个面，28枚镜片。其中第20、43面均为14阶低阶非球面，通过精修面型可以有效补偿物镜波像差，以此校正大视场范围内的场曲、色差、球差等多种对成像质量造成严重影响的像差。
为降低制造成本，经过多次严格实际测量，成都光明光电公司生产的H-K9L、F2、QF3三种牌号玻璃在i线成像中性能良好，透过率较高。本例中也采用这三款玻璃进行设计和优化。
采用国产玻璃优化设计后，物镜透过率有所下降，比采用肖特玻璃时的透过率低10%左右。
本例中，物镜面型加工公差较一般光学面型加工公差严格。由于口径较大，中频误差和高频误差都需严格控制。
在装配时需对各镜片间的空气间隙和镜片的厚度进行微调，以调整因面型加工产生的像质偏差，保证物镜成像质量达到最优。
照上述方案实施本例后，该物镜的像质可以很好地逼近理论计算结果。物镜的MTF曲线如附图2所示，与衍射极限差值的最大处低于4%。
物镜的场曲和畸变如附图3所示，最大场曲小于6um，满足场曲小于倍焦深(DOF)；物镜的最大畸变约为2×10-4%，换算成绝对约量为0.19um，满足畸变小于等于倍分辨率（工艺因子取0.7，分辨率为σ＝1.5um）。
点扩散斑如附图4所示，各视场点扩散斑的几何直径和均方根直径都低于
上述具体实施方式及结果均不是本发明性能的最佳体现，但各项评价指标都达到或者超越了设计预期。若在实际应用中能有效降低光学加工装配的工艺因子，则成像质量可以进一步提高。
Claims (7)
1.一种用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其特征是从入射方向开始依次设置有第一透镜组编号G1，镜片编号L1～L6，共6枚镜片；
第二透镜组编号G2，镜片编号L7～L13，共7枚镜片、光栏(STOP)，其中第4枚镜片朝向像方的入射面为一个14阶非球面；
第三透镜组编号G3，镜片编号L14～L21，共8枚镜片；
以及第四透镜组编号G4，镜片编号L22～L28，共7枚镜片，其中第1枚镜片朝向物方的入射面为一个14阶非球面；四个透镜组总共28枚镜片关于光栏对称构成一个双远心光路，其中有2个面采用了14阶非球面以平衡像差。
2.根据权利要求1所述的用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其特征是：其光学系统共轭距小于1500mm，物方工作距80mm，像方工作距大于100mm，工作波长为365nm。
3.根据权利要求1所述的用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其特征是：其光学系统为放大成像，放大倍率M＝-1.25×。
4.根据权利要求1所述的用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其特征是：其光路结构为双远心光路，物方、像方的远心度均控制在±0.4度。
5.根据权利要求1、2、3、4之一所述的用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其特征是：其像方有效视场为132×132mm，像方数值孔径达到0.17；根据公式其中k为光刻工艺因子，NA为物镜数值孔径，λ为光刻波长，σ为分辨率，当光刻工艺因子取0.7时，该物镜的分辨率理论上达到1.5um。
6.根据权利要求5所述的用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其特征是：其镜片材料采用成都光明光电公司的、牌号分别为H-K9L、H-QK3L以及F2的玻璃。
7.根据权利要求6所述的用于i线大面积平板投影光刻机的物镜，其特征是：采用国产玻璃优化设计之后，分辨率σ达到1.5um，场曲为σ/3，畸变控制在全视场的0.0003％以下。
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