CN103984209B - 折反射式光刻照明中继镜组 - Google Patents
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Abstract
一种用于光刻照明系统的折反射式光刻照明中继镜组，由折射透镜组、球面反射镜阵列、孔径光阑和平面反射镜组成，本发明具有结构简单，透过率高，成像质量高的特点，容易实现光刻照明系统和投影曝光系统的远心度匹配，可为掩模板提供均匀照明。
Description
技术领域
本发明涉及光刻照明，特别是用于光刻照明系统的一种折反射式光刻照明中继镜组。
背景技术
光刻照明系统是光刻机的重要组成部分，为光刻机提供高均匀性照明、控制曝光剂量和实现离轴照明，从而提高光刻分辨率和增大焦深。中继镜组作为光刻照明系统的关键单元，将中间平面成像到掩模板上，为掩模板提供均匀照明。在步进扫描光刻机中，通过在中间平面放置扫描狭缝选择不同的工作视场，利用中继镜组1:1成像从而严格控制掩模板上的照明区域。为了减小扫描狭缝和掩模板的位置误差对放大倍率的影响，照明物镜必须采用双远心结构。同时，随着光刻曝光视场的不断增大，中继镜组在保证足够数值孔径的前提下具有很小的畸变。为了增大焦深和减少套刻误差，必须校正中继镜组的球差和场曲。所以，中继镜组具有大数值孔径、高远心度、低像差等特点，其性能直接决定了光刻照明系统的照明均匀性。
目前最常见的光刻照明中继镜组采用全折射结构。在先技术[1]（参见Mark Oskotsky,Lev Ryzhikov等.Advanced illumination system for use inmicrolithography，US7187430B2,2007）提出的一种应用于光刻照明系统的中继镜组，如图1所示。该中继镜组由10个透镜组成，其中两片采用非球面以校正像差。该镜组实现的放大倍率为1:1，在掩模板上的曝光场大小为2Yх2X=(108х22)mm,数值孔径NA=0.2125。该中继镜组的不足之处在于：
（1）结构的复杂性为光刻照明系统的对准增大了难度；
（2）每个透镜表面的吸收和反射造成能量损失，透过率低；
（3）镜组中使用了两个高阶非球面，加大了加工制造难度；
（4）透镜的材料为CaF2，价格昂贵，成本高；
（5）随着光刻分辨率的增强，光刻机的投影曝光系统在数值孔径大于0.93时，一般采用折反射式结构，其光轴与全折射式的光刻照明系统不在一条线上，这为光刻照明系统和投影曝光系统的远心度匹配增大了难度。
在先技术[2](参见Lev Ryzhikov,Stanislav Smirnov等.Relay lens used inan illumination system of a lithography system，EP1380871B1,2006)中描述了一种应用于光刻照明系统的中继镜组，如图2所示。该镜组的结构相对简单，由7个透镜组成，其中3片采用非球面。但是镜组的倍率为1.65:1，在掩模板上实现的曝光场数值孔径减小到0.1319，无法应用到高NA光刻照明系统中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有系统的不足，提出一种折反射式光刻照明中继镜组。该中继镜组具有结构简单、透过率高和成像质量高的特点，容易实现光刻照明系统和投影曝光系统的远心度匹配，可为掩模板提供均匀照明。。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于光刻照明系统的折反射式光刻照明中继镜组，其特点在于该镜组由折射透镜组、球面反射镜阵列、孔径光阑和平面反射镜组成，其位置关系是：沿光束入射方向，依次是所述的折射透镜组、孔径光阑、球面反射镜阵列，且所述的折射透镜组、孔径光阑和球面反射镜阵列相对光轴呈轴对称放置，所述的孔径光阑设置在所述的球面反射镜阵列附近，所述的孔径光阑的中心与球面反射镜阵列的中心重合；在垂直于入射光并在折射透镜组的左边一定距离处放置平面反射镜，该平面反射镜的法线与光轴成45°夹角，该平面反射镜的中心与光轴的距离和物面中心与光轴的距离相等。
所述的折射透镜组由依次的第一透镜、第二透镜、第三透镜组成，所述的第一透镜和第二透镜在折射光路中将入射光线汇聚至第三透镜，降低了数值孔径，有效地校正了场曲，并保证物方实现远心；所述的第三透镜在折射光路中将光线发散至球面反射镜阵列，让球面反射镜阵列分配更多的光焦度，提高曝光视场；所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜在反射光路中把光线汇聚在平面反射镜上，校正了由球面反射镜阵列引起的球差，并保证像方实现远心。
所述的折射透镜组中的透镜的前后表面均为球面并镀有抗反膜，透镜使用的材料均为康宁ArF级熔石英材料。
所述的球面反射镜阵列由多个完全相同的球面反射镜组成，均为边长为3mm的六边形球面反射镜，每个球面反射镜为凹面反射镜，或凸面反射镜，反射镜表面镀有反射率可变的高反膜。
与在先技术相比，本发明能获得的有益效果如下：
1、能量利用率高。本发明中涉及的折反射式光刻照明中继镜组有3块透镜和1个球面反射镜阵列，表面均为球面，有效地降低了加工制造成本。结构的简单性降低了光刻照明系统对准难度，提高了光刻照明系统的能力利用率。
2、提高了成像质量。本发明中涉及的折反射式光刻照明中继镜组采用了球面反射镜阵列作为镜组的光阑，对称式结构大大地减小了畸变、彗差等轴外像差；通过引入第一透镜、第二透镜、第三透镜作为折射元件，校正了球面反射镜阵列引入的球差，提高了光刻照明系统的成像质量。
3、提高了掩模板上的照明均匀性。本发明涉及的光刻照明中继镜组采用对称式的结构容易实现放大倍率为1:1，并在物方和像方获得高的远心度。另外球面反射镜阵列通过改变各个球面反射镜的反射率，校正光瞳分布均匀性，使掩模板上获得很高的均匀性。
4、当光刻机的投影曝光系统在数值孔径大于0.93时，一般采用折反射式结构。采用折反射式的中继镜组，其光轴和折反射式投影曝光系统的光轴在一条线上，更容易实现光刻照明系统和投影曝光系统的远心度匹配。
附图说明
图1现有技术[1]光刻照明中继镜组的光学结构示意图
图2现有技术[2]光刻照明中继镜组的光学结构示意图
图3本发明折反射式光刻照明中继镜组的一个实施例的光学结构示意图
图4是本发明球面反射镜阵列的结构示意图
图5本发明实施例的场曲和畸变曲线
图6本发明实施例的球差曲线
图7本发明实施例的光程差曲线
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本发明。
本发明折反射式光刻照明中继镜组如图3所示。由折射透镜组G、球面反射镜阵列G4、孔径光阑L和平面反射镜M组成。其位置关系是：沿光束入射方向，依次是折射透镜组G、孔径光阑L、球面反射镜阵列G4，且所述折射透镜组G、孔径光阑L和球面反射镜阵列G4相对光轴呈轴对称放置，在垂直于入射光并在折射透镜组的左边一定距离处放置平面反射镜M，所述的平面反射镜M的法线与光轴成45°夹角，所述的平面反射镜的中心与光轴的距离和物面中心与光轴的距离相等。
所述的折射透镜组G由第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3组成。所述的第一透镜G1和第二透镜G2在折射光路中将来自扫描狭缝的光线汇聚至第三透镜组G3，降低了数值孔径，有效地校正了场曲，并保证物方实现远心；所述的第三透镜G3在折射光路中将光线发散至球面反射镜阵列G4，让球面反射镜阵列G4分配更多的光焦度，提高曝光视场；所述的第一透镜G1、第二透镜G2和第三透镜G3在反射光路中把光线汇聚在平面反射镜M上，校正了由球面反射镜阵列G4引起的球差，并保证像方实现远心.
所述的折射透镜组G中的透镜前后表面均为球面并镀有抗反膜AR，透镜使用的材料均为康宁ArF级熔石英材料，在工作波长为193.368nm下的折射率n=1.56038，射率均匀性小于1ppm，应力双折射小于1nm/cm。
所述的球面反射镜阵列G4由多个完全相同的球面反射镜组成，均为边长为3mm的六边形球面反射镜，每个球面反射镜可以为凹面反射镜，也可以为凸面反射镜，其前表面镀有反射率可变的高反膜HR。
所述的孔径光阑L设置在所述的球面反射镜阵列G4附近，其中心与球面反射镜阵列G4的中心重合。
所述的球面反射镜阵列G4通过改变各个球面反射镜的反射率，校正光瞳分布的均匀性，提高掩模板上照明均匀性。
所述的平面反射镜M的前表面镀有高反膜HR。
本发明折反射光刻照明中继镜组的工作过程：光束依次经过具有正光焦度的第一透镜G1、第二透镜G2后被汇聚，降低了光束的数值孔径，并校正了场曲，经过第三透镜G3以大角度被发散至球面反射镜阵列G4上，使其分配较大的光焦度，以便实现高数值孔径和大曝光视场。被反射回的光束依次经过第三透镜G3、第二透镜G2和第一透镜G1后以汇聚的形式入射至平面反射镜M上，该平面反射镜使得各视场的主光线以90°反射在掩模板上，各视场中心主光线近乎平行出射，与光轴的夹角小于1mrad，实现像方远心。该中继镜组通过引入球面反射镜阵列G4使结构实现对称性，具有很小的轴外像差，同时利用后继的折射透镜组G平衡由球面反射镜阵列引起的球差，提高了光刻照明系统的成像质量。通过改变球面反射镜阵列G4的各个球面反射镜反射率，校正光瞳分布均匀性，使掩模板上获得很高的均匀性。另外，由于折反射式中继镜组的光轴和折反射式投影曝光系统的光轴在一条线上，更容易实现光刻照明系统和投影曝光系统的远心度匹配。
本发明实施例的工作波段为193.368nm，倍率为1，像方视场达到2Yх2X=(108х22)mm，数值孔径为0.34，像方远心度小于1mrad，物方和像方工作距离大于100mm。本实施例的结构数据如下表：
其中，球面反射镜阵列由边长为3mm，形状为六边形的凹面反射镜拼接而成，每个球面反射镜的半径r=-1084.92mm。
图5为本发明折反射式光刻照明中继镜组实施例的场曲和畸变曲线。从图中可以看出，系统焦面偏移在弧矢与子午面上都小于0.2mm。畸变随视场变化，边缘畸变最大处为0.00053％。
图6为本发明折反射式光刻照明中继镜组实施例的球差曲线。其中中心视场数值孔径为0.34的球差和边缘视场引起的离轴球差已被校正。
图7为本发明折反射式光刻照明中继镜组实施例的光程差曲线。
实验表明，本发明具有结构简单，透过率高，成像质量高的特点，容易实现光刻照明系统和投影曝光系统的远心度匹配，可为掩模板提供均匀照明。
本发明中所述的只是本发明的一种具体实施例，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 (2)
1.一种用于光刻照明系统的折反射式光刻照明中继镜组，其特征在于该镜组由折射透镜组、球面反射镜阵列、孔径光阑和平面反射镜组成，其位置关系是：沿光束入射方向，依次是所述的折射透镜组、孔径光阑、球面反射镜阵列，且所述的折射透镜组、孔径光阑和球面反射镜阵列相对光轴呈轴对称放置，所述的孔径光阑设置在所述的球面反射镜阵列的前方5mm处，所述的孔径光阑的中心与球面反射镜阵列的中心均位于光轴上；在垂直于入射光并在折射透镜组的左边一定距离处放置平面反射镜，该平面反射镜的法线与光轴成45°夹角，该平面反射镜的中心与光轴的距离和物面中心与光轴的距离相等；
所述的折射透镜组由依次的第一透镜、第二透镜、第三透镜组成，所述的第一透镜和第二透镜在折射光路中将入射光线汇聚至第三透镜，降低了数值孔径，有效地校正了场曲，并保证物方实现远心；所述的第三透镜在折射光路中将光线发散至球面反射镜阵列，让球面反射镜阵列分配更多的光焦度，提高曝光视场；所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜在反射光路中把光线汇聚在平面反射镜上，校正了由球面反射镜阵列引起的球差，并保证像方实现远心；
所述的球面反射镜阵列由多个完全相同的球面反射镜组成，均为边长为3mm的六边形球面反射镜，每个球面反射镜为凹面反射镜，或凸面反射镜，反射镜表面镀有反射率可变的高反膜。
2.根据权利要求1所述的折反射式光刻照明中继镜组，其特征在于所述的折射透镜组中的透镜的前后表面均为球面并镀有抗反膜，透镜使用的材料均为康宁ArF级熔石英材料。
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