CN104199175A - 一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜 - Google Patents

一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，其作用是把投影光刻机掩模版上的图形经过成像复制后转移到硅片上。投影曝光物镜是光刻机的核心部件，决定了光刻机的主要性能。本发明所涉及的大视场投影曝光物镜由26片透镜组成，物镜分辨力1.5μm，放大倍率为-1.25倍，曝光视场132mm×132mm。本投影曝光物镜采用4面非球面校正系统场曲、畸变和波像差；同时，选用对i线(365nm)透过率较高的玻璃材料，提高系统光学透过率，满足大视场投影光刻机的高精度及高产率需求。

Description

一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜
技术领域
本发明涉及的一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，用于大面积平板显示的投影光刻机，属于微电子设备及微细加工领域。
背景技术
以大规模集成电路为核心的微电子技术的快速发展，对微电子设备和微细加工技术提出了新的要求。自1978年美国推出第一台商业化的投影式光刻机，光学投影曝光作为应用领域最广、技术更新快和生命力强的微细加工技术，是驱动微电子技术进步的核心。大规模集成电路的发展，要求在较大面积的芯片上容纳越来越精细的线条，高精度(微米级)、大曝光场的光刻机需求日益增加。为提高投影光刻的生产效率，物镜曝光视场从早期的几毫米逐步增大到几十毫米，对投影物镜的设计提出了更高的要求。
目前，大面积曝光投影光刻机市场主要由日本尼康(Nikon)和佳能(Canon)公司占据。日本专利JP2000199850A介绍一种倍率-1/0.6的投影物镜。该物镜系统由37片透镜组成，其中包含一个非球面，系统NA0.1，视场为100×100mm。
日本专利JP2002072080A介绍一组由32片透镜和4个非球面组成的大面积投影曝光物镜，系统NA为0.145，曝光视场为100×100mm。
日本专利JP2006267383A提供一种NA为0.145，放大倍率为-1.25的大面积投影曝光物镜。系统由27片透镜组成，包含一个非球面，曝光视场为132×132mm。
日本专利JP2007079015A提供一种数值孔径NA为0.225，分辨力为1μm的投影物镜。该物镜系统由32片透镜组成，包含7各非球面，曝光视场面积为132×132mm。
美国专利US2009080086A提供一组数值孔径NA由0.02-0.25的投影物镜。此组投影曝光物镜均采用对称结构，物镜前半部分和后半部分关于光阑对称，放大倍率为-1，曝光半视场为50mm。
国内开展大面积投影光刻机研制的单位主要包括上海微电子装备有限公司、中科院光电技术研究所等单位。中国专利CN102401980A介绍了一种大面积投影曝光物镜，用17片透镜完成1.6倍放大倍率的投影物镜设计，曝光半视场为100mm。
中国专利CN102279457A利用对称结构，完成数值孔径NA为0.15，曝光视场为200mm的投影物镜设计。
发明内容
针对大面积投影光刻机对投影光刻物镜的像质和成像尺寸提出的新要求，本发明旨在设计一种应用于投影光刻机的大视场投影物镜，满足高精度光刻机需求。为减小掩模及硅片由于位置变化引起的倍率误差和对准误差，并完成掩模和硅片的同轴对准，投影光学系统应采用双远心结构。
本发明采用的技术方案为：一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，该投影曝光物镜采用双远心结构，即物镜物方和像方主光线与光轴平行；投影曝光物镜分为前后两部分：透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ，光阑位于透镜组Ⅰ和Ⅱ的共焦面；透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ分别由两组透镜组成，透镜系统从掩模面到硅片面沿光轴依次由正光焦度的透镜组1、负光焦度透镜组2、光阑、负光焦度透镜组3和正光焦度透镜组4组成。
所述大视场投影曝光物镜，其特征在于物镜系统至少由26片透镜组成：投影曝光物镜第一片透镜是双凹的负透镜；最后一片透镜为玻璃平板，作为光学保护窗口同时便于替换。
所述的大视场投影曝光物镜，其特征在于：为减小系统体积和重量、减小透镜片数、节约材料和透镜加工成本，使用非球面校正系统像差。
本发明所述的大视场投影曝光物镜，应用于i线(365nm)曝光光刻机，玻璃选用对i线透过率较高的材料，完成放大倍率为1.25×投影物镜设计。投影物镜物像共轭距不超过1700mm，即系统总长小于1700mm；物方工作距不小于60mm，像方工作距不小于70mm，为后续物镜结构设计留出足够的空间。投影物镜数值孔径NA为0.16，分辨力为1.5μm；曝光视场为132mm×132mm；场曲优于±4μm；畸变优于±0.08μm，满足高精度大面积光刻机需求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)利用现有光学设计手段，采用26片物镜组成的透射结构，完成1.5μm的大面积曝光投影物镜设计。在大曝光视场内较好的校正系统的色差、场曲和畸变等像差，满足目前国内处于领先水平的平板显示器光刻机的实际使用需求。
(2)为减小投影物镜系统的体积和重量，减少透镜数量和节约成本，采用4片非球面校正系统像差。同时，利用光学设计软件控制非球面镜的非球面度，满足现有光学加工技术的要求。
(3)物镜结构采用双远心光路，能满足高精度光刻机在实际使用过程中的对准精度和套刻精度要求。并使用目前国内玻璃厂商生产的光学玻璃材料完成具备自主知识产权的投影物镜设计。
附图说明
本发明所述的大视场投影曝光物镜具体结构形式和像质特性以附图形式作进一步阐述：
图1为本发明所述的大视场投影曝光物镜的光学结构示意图。
图2为本发明所述的投影物镜系统的场曲和畸变示意图。
图3为本发明所述的投影物镜像差曲线示意图。
图4为本发明所述的投影物镜波像差示意图。
图5为本发明所述投影物镜的物方和像方远心度示意图，其中图5(a)为物方远心度，图5(b)为像方远心度。
具体实施方式
本发明旨在提供一种大视场投影曝光物镜，用于i线光刻机。结合附图对本发明的具体实施措施作详细说明。
根据高精度大视场投影光刻机的要求，本发明所述的投影物镜光学指标要求如下所示：
●工作波长：365±2.5nm
●分辨力：1.5μm
●数值孔径NA：0.16
●放大倍率：1.25×
●曝光视场：132mm×132mm
●物像共轭距：1700mm
●物方工作距：60mm
●像方工作距：70mm
本发明所述的投影物镜采用双远心结构，物镜系统由26片透镜组成：投影物镜第一片透镜是双凹的负透镜；最后一片透镜为玻璃平板，作为光学保护窗口同时便于替换。
本发明所述是投影物镜结构如图1所示。投影物镜系统分为前后两部分透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ，光阑位于透镜组Ⅰ和Ⅱ的共焦面；前透镜组Ⅰ和后透镜组Ⅱ分别由两组透镜组成，透镜系统从掩模面到硅片面沿光轴依次由正光焦度的透镜组1、负光焦度透镜组2、光阑、负光焦度透镜组3和正光焦度透镜组4组成。
具体的，本发明所述的投影物镜中：正光焦度的透镜组1由7片透镜组成，分别为双凹负透镜1、弯月负透镜2、弯月正透镜3、双凸正透镜4、弯月正透镜5、弯月负透镜6和平凹负透镜7组成。
负光焦度透镜组2由4片透镜组成，包括双凹负透镜8和双凸透镜9组成的虚拟胶合透镜组、弯月负透镜10和双凸正透镜11。
负光焦度透镜组3由6片透镜组成：双凸正透镜12、双凸正透镜13、双凸正透镜14、双凸正透镜15、双凹负透镜16和平凹负透镜17。
正光焦度透镜组4包含9片透镜，由双凹负透镜18、弯月负透镜19、弯月正透镜20、双凸正透镜21、双凸正透镜22、弯月正透镜23、弯月负透镜24、双凹负透镜25和平板26组成。
为校正系统色差，投影物镜需选用两种以上的材料。为节约投影物镜设计成本，本发明所述的投影物镜选用常用的K9和F2两种材料，用于系统像差优化设计，设计结果如下表格1所示：
表格1
序号 面型 半径 厚度 玻璃材料
OBJ Sphere INF 60.00
1 Sphere -574.781 15.00 HK9L_CDGM
2 Sphere 898.484 84.42
3 Sphere -246.718 40.00 HK9L_CDGM
4 Sphere -373.673 1.92
5 Sphere -1475.081 50.00 F2_CDGM
6 Sphere -337.890 1.00
7 Sphere 1290.896 49.19 F2_CDGM
8 Sphere -471.001 1.00
9 Sphere 303.600 42.66 F2_CDGM
10 Sphere 1240.559 1.00
11 Sphere 363.257 25.07 HK9L_CDGM
12 Sphere 202.630 52.15
13 Sphere -572.522 15.00 HK9L_CDGM
14 Sphere INF 214.87
15 Sphere -210.516 15.00 F2_CDGM
16 Asphere 283.015 2.00
17 Sphere 292.476 53.53 HK9L_CDGM
18 Sphere -183.384 36.78
19 Sphere -176.263 15.00 HK9L_CDGM
20 Sphere -513.453 1.00
21 Sphere 1442.084 24.67 HK9L_CDGM
22 Sphere -529.694 1.00
Stop Sphere INF 1.00
24 Sphere 925.350 25.93 HK9L_CDGM
25 Sphere -620.980 1.00
26 Sphere 574.094 27.50 HK9L_CDGM
27 Sphere -921.951 1.00
28 Sphere 335.189 30.67 HK9L_CDGM
29 Sphere -2268.898 1.00
30 Sphere 508.320 31.45 HK9L_CDGM
31 Sphere -482.692 2.69
32 Asphere -406.329 15.00 F2_CDGM
33 Sphere 218.829 99.29
34 Sphere -518.652 15.00 HK9L_CDGM
35 Sphere INF 122.66
36 Asphere -162.425 15.00 HK9L_CDGM
37 Sphere 2343.057 39.96
38 Sphere -206.841 15.00 HK9L_CDGM
39 Sphere -312.409 1.00
40 Sphere -660.840 47.62 F2_CDGM
41 Sphere -253.479 1.00
42 Sphere 1067.227 50.84 HK9L_CDGM
43 Sphere -682.360 1.00
44 Sphere 684.174 46.06 F2_CDGM
45 Sphere -2044.125 1.00
46 Sphere 411.144 43.15 F2_CDGM
47 Sphere 1561.425 1.00
48 Sphere 286.781 31.87 F2_CDGM
49 Sphere 234.975 122.41
50 Asphere -788.403 15.00 HK9L_CDGM
51 Sphere 1134.980 6.64
52 Sphere INF 15.00 HK9L_CDGM
53 Sphere INF 70.00
IMG Sphere INF 0.00
其中，OBJ为投影物镜物面即掩模面；IMG为投影物镜像面即硅片面；STOP为系统光阑面；INF表示半径为无穷大，即为平面。投影物镜系统包含4个14阶非球面Asphere，根据非球面计算公式计算其非球面度：
z = cy 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 y 2 + Ay 4 + By 6 + Cy 8 + Dy 10 + Ey 12 + Fy 14
投影物镜系统包含4个非球面：16面，32面，36面和50面。各非球面的系数如下所示：
●16面非球面系数：
c＝1/R＝1/283.015
k＝0
A＝4.75E-10 B＝-1.05E-13 C＝1.58E-18
D＝1.30E-22 E＝-1.16E-26 F＝4.99E-31
●32面非球面系数：
c＝1/R＝1/-406.329
k＝0
A＝-1.49E-09 B＝1.44E-13 C＝-2.07E-18
D＝5.10E-23 E＝-4.26E-27 F＝1.17E-31
●36面非球面系数：
c＝1/R＝1/-162.425
k＝0
A＝-7.51E-10 B＝4.13E-14 C＝1.62E-18
D＝2.39E-22 E＝-7.15E-27 F＝5.77E-31
●50面非球面系数
c＝1/R＝1/-788.403
k＝0
A＝-3.43E-10 B＝4.01E-14 C＝-4.64E-19
D＝-7.18E-24 E＝1.80E-28 F＝6.35E-33
图2为投影物镜系统的场曲和畸变，表明该投影物镜系统的场曲优于±4μm，相对畸变优于0.0001％，绝对畸变优于0.07μm。
图3所示的投影物镜像差曲线和图4所示的波像差曲线表明，投影物镜系统具有较好的像质，波像差优于±0.25λ。
图5所示的投影物镜物方(如图5(a)所示)和像方(如图5(b)所示)远心度优于0.5rad，满足光刻机套刻及对准过程中的误差需求。
总体上，本发明所述的大视场投影曝光物镜，具有较高的像质。设计过程中，综合优化投影物镜的倍率、色差、场曲、畸变和波像差等像差，满足高精度、大面积曝光光刻机需求。本发明所详述的设计实例仅用于说明本发明的优势和合理性，凡以本发明技术方案为基础优化设计的投影物镜实例均属于本发明的范畴。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域及本领域人员所公知的技术。

Claims (5)

1.一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，其特征在于：该投影曝光物镜采用双远心结构，即物镜物方和像方主光线与光轴平行；投影曝光物镜分为前后两部分：透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ，光阑位于透镜组Ⅰ和Ⅱ的共焦面；透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ分别由两组透镜组成，透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ从掩模面到硅片面沿光轴依次由正光焦度的透镜组(1)、负光焦度透镜组(2)、光阑、负光焦度透镜组(3)和正光焦度透镜组(4)组成。
2.根据权利要求1所述的应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，其特征在于：透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ至少由26片透镜组成：该投影曝光物镜第一片透镜是双凹的负透镜；最后一片透镜为玻璃平板，作为光学保护窗口同时便于替换。
3.根据权利要求1所述的应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，其特征在于：为减小系统体积和重量、减小透镜片数、节约材料和透镜加工成本，共使用4片14阶非球面校正系统像差。
4.根据权利要求1所述的应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，其特征在于：该投影曝光物镜物像共轭距不超过1700mm，即系统总长小于1700mm；物方工作距不小于60mm，像方工作距不小于70mm，为后续物镜结构设计留出足够的空间。
5.根据权利要求1所述的应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜，其特征在于：该投影曝光物镜数值孔径NA为0.16，分辨力为1.5μm；曝光视场为132mm×132mm；场曲优于±4μm；畸变优于±0.08μm，满足高精度大面积光刻机需求。
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