CN104238092A - 一种用于桌面stepper光刻机的投影物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，其采用了双远心、14片结构，工作波长为i线(365nm)。该物镜光学共轭总长(物方到像方)L＝500mm，物方、像方工作距均为60mm。物方有效视场为75mm×75mm，物方数值孔径NA＝0.055。经过面型优化和机械结构微调后，该光刻投影物镜像方分辨力能达到<5mm。该光刻机的投影物镜的数值孔径较高，可以有效提高光刻分辨力；该光刻机的投影物镜的总片数较少，且未采用非球面，可以在有效平衡像差的同时，降低加工装配的难度；该光刻机的投影物镜的光学共轭距较短，可以很好地集成入小型化光刻设备之中。

Description

一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜

技术领域

本发明涉及一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，属于微纳加工设备中的光学系统设计领域。

背景技术

根据摩尔定律，集成电路的集成度每三年就会在原有基础上增加2倍，器件的特征尺寸因此缩小到原值的目前，摩尔定律依然有效，很大程度上归功于光刻设备的进步。但光刻机设备性能在不断向前突破的同时，其体积也进一步增大。目前大型高精度光刻机系统市场被荷兰ASML、日本NIKON和Canon三家厂商垄断。

但实验室级的小型化光刻系统需要在保证光刻效果的同时兼顾成本和设备体积。设计制造一款可以用于实验室成像高质量桌面级别的STEPPER光刻机，其核心是设计一种。

中国专利201010585454.1公布了一种用于365nm波长的投影光刻物镜，其采用了18片镜片，各类像差都矫正得较好。但该镜头全采用国外OHARA厂商生产的材料，成本较高。

日本专利JP2006266738A公布了一种应用于i线的光刻投影物镜，其工艺因子可以控制在0.4以下。其光学系统由27枚镜片组成，其中有一个14阶非球面。该物镜成像质量优异，成为现阶段国内外大型光刻物镜的设计原型。该物镜成像质量虽然出众，但造价不菲且体积庞大，故并不适用于实验室级光刻设备。

国内目前在投影光刻物镜设计、加工、装配等方面落后国外较多。由于工艺的限制，国内光刻投影物镜的工艺因子一般限制在0.7～0.8左右。与此同时，为了达到提高分辨力的目的，国内同等分辨力光刻投影物镜的数值孔径设计值比国外高。这就大大增加了物镜的设计难度。特别是桌面STEPPER光刻机这类对各分系统体积有较大限制的光刻设备，高性能的投影物镜设计进一步受到限制。总之，要用较少的镜片在较大视场范围内矫正各类像差并降低加工装配难度是目前桌面STEPPER这类小型化光刻机亟需突破的难题。

发明内容

为了解决上述提到的问题，使小型化的桌面STEPPER光刻机本发明设计了一种大视场高数值孔径的i-line光刻机投影物镜，镜片数较少，可以有效地校正各类像差，达到较高的成像质量。

本发明采用的技术方案为：一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，其特征是该光刻投影物镜物象共轭距L＝500mm；

从入射方向开始到光阑前，为第一透镜组，依次设置L1～L7共7枚镜片，其中第2枚即镜片L2、第6枚即镜片L6为负透镜，其余镜片均为正透镜；

从光阑开始到像面前，为第二透镜组，依次设置L8～L14共7枚镜片，其中第9枚即镜片L9、第13枚即镜片L13为负透镜，其余镜片均为正透镜；

第一透镜组与第二透镜组镜片类型关于光阑成镜像对称，构成双远心结构，物方、像方远心度均控制在±0.5度以内。

进一步的，其工作波长为i线，即365nm。

进一步的，其物方工作距、像方工作距均为60mm。

进一步的，该双远心结构式光刻投影物镜在物面、像面有一定偏离的情况下，依然保证镜头有良好的成像质量以及相同的放大倍率；该双远心结构式光刻投影物镜平衡了透过率和镜片片数之间的关系，透过率估算可以达到40％以上，而14枚镜片的应用能够有效矫正多种像差，尤其是边缘视场的畸变和场曲。

进一步的，该双远心结构式光刻投影物镜的放大倍率M＝-1×。

进一步的，其物方有效视场为75mm×75mm，物方数值孔径为NA＝0.055；

同时，根据瑞利公式k代表光刻工艺因子，NA为物镜数值孔径，其中工艺因子取0.7，该物镜的分辨率理论上能达到<5μm。

进一步的，其镜片材料牌号分别为H-K9L、H-QK3L以及F2的玻璃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、该光刻物镜的数值孔径较高，可以有效提高光刻分辨力；

(2)、该光刻物镜的总片数较少，且未采用非球面，可以在有效平衡像差的同时，降低加工装配的难度；

(3)、该光刻物镜的光学共轭距较短，可以很好地集成入小型化光刻设备之中。

附图说明

图1为本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜光学构图，其中L1为第一块镜片，L2为第二块镜片，L3为第三块镜片，L4为第四块镜片，L5为第五块镜片，L6为第六块镜片，L7为第七块镜片，L8为第八块镜片，L9为第九块镜片，L10为第十块镜片，L11为第十一块镜片，L12为第十二块镜片，L13为第十三块镜片，L14为第十四块镜片；此外，图中objective space为物镜的物面，STO为物镜光阑，image space为物镜的像面；

图2为本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜MTF曲线；

图3为本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜场曲和畸变；

图4为本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜点扩散斑图；

图5为本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜波像差；

图6为本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜光学机械装配图。

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。

一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，其特征是该光刻投影物镜物象共轭距L＝500mm。

从物面(objective space)入射方向开始到光阑(STO)前，为第一透镜组，依次设置L1～L7共7枚镜片。其中第2枚(L2)、第6枚(L6)镜片为负透镜，其余镜片均为正透镜。

从光阑(STO)开始到像面(image space)前，为第二透镜组，依次设置L8～L14共7枚镜片，其中第9枚(L9)、第13枚(L13)镜片为负透镜，其余镜片均为正透镜。

第一透镜组与第二透镜组镜片类型关于光阑成镜像对称，构成双远心结构。

本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜总共包含14枚镜片，少于国外现有的成熟设计方案，并能较好地校正各类像差。物镜结构参数如下表所示：

该镜头为等倍率成像，物方视场75mm×75mm，放大倍率<5um，物方数值孔径0.06。根据瑞利公式可知，数值孔径NA与分辨力成正比，即数值孔径越大，光刻物镜所成的最小线宽最窄。本投影物镜物方数值孔径0.06，若工艺因子k取0.8，理论上可以保证该投影物镜的分辨力<5um，完全能够满足实验室级一次性曝光3英寸硅片的需求。

焦深是双远心光刻投影物镜的重要指标之一。焦深的计算公式为其中NA＝0.055为光刻工艺因子，一般取k₂＝0.7。本发明中的镜头焦深计算约为±90um左右。

本物镜成像面积为75mm×75mm，属于较大面积光刻成像投影物镜。在此类光刻投影物镜的设计中，畸变和场曲对成像质量影响较大。在像差优化时。为了保证镜头拥有良好的成像质量，最大畸变应该控制在分辨力的即同时，最大场曲应该控制在焦深的左右，即curvature of

本投影光刻物镜共有14枚镜片，可以有效平衡各类像差，尤其是畸变和场曲。经过优化计算后，物镜最大畸变的绝对值小于0.5μm，最大场曲的绝对值低于20μm。

本发明中的双远心光刻投影物镜可以很好的逼近衍射极限，具有良好的分辨率和成像对比度，其MTF曲线也逼近衍射极限。

本物镜采用国产成都光明光电股份有限公司生产的玻璃材料，牌号为H-K9L、F2、H-QK3L。这三种牌号玻璃在i线实际测试中性能较好，透过率较高。

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(ν)
			H-K9L	1.53622	500.7057
F2	1.66623	228.6286
			H-QK3L	1.50405	555.9296

其中阿贝数的计算公式为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。阿贝数主要用来衡量某一玻璃材料或介质在对应波段内的色散程度。其值与玻璃色散能力成反比，火石玻璃(F2)色散能力大于冕牌玻璃(H-K9L、H-QK3L)。

具体实例：

本发明的结构如附图1所示，高压汞灯出射光线经过照明系统准直匀光以后平行入射到掩模板上，即物镜的物面。其中掩模版尺寸最大不超过75mm×75mm。经过本发明一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物后，在匀好胶的硅片表面上成-1倍等比例的掩模图像。

如附图1所示，物镜以第一块镜片(L1)朝向物面的入射面为第一面，沿着光轴以此类推，总共28个光学表面，14块镜片，物象共轭距为L＝500mm。所有镜片以光阑为中心成镜像对称、双远心结构，可以保证物、像面有微量偏离的情况下，成像质量和放大倍率都不会发生变化。

如附图1所示，类似于本发明中较大视场的光刻物镜材料全部使用国产成都光明光电公司的产品，这在国内尚缺乏实际应用案例。对于矫正像差，保证透过率等问题有较大的难度。

由于本镜头是应用于实验室级的光刻机设备，为控制和降低成本，经过严格的实验测试后，成都光明光电公司的H-K9L、H-QK3L、F2三种牌号的玻璃在365nm波段成像中性能良好，透过率相对较高且价格较国外同类产品低，故本镜头采用这三款玻璃进行优化设计。

应用上述三种玻璃材料后，该物镜的透过率经过ZEMAX软件估算后，大致为50％左右。所以本例中14枚镜片在采用国产玻璃时拥有良好的透过率。

在光学元件和机械元件装配时，需要对各镜片之间的中心距进行微量调整，以弥补因面型加工产生的像质偏差，以保障物镜成像质量达到最优。

按照上述方案实施本例后，镜头的光学机械装配结构如附图2所示。该机械分为两段式镜筒进行装配，镜片之间通过隔圈保证中心距，其中每个隔圈公差均为正值。在装配过程中可以对隔圈进行研修，以讲调整镜头的像质调整至最佳。

按上述方案实施本例后，该物镜的MTF曲线可以较好地逼近衍射极限，如附图3所示。同时如附图4所示，该物镜场曲最大约为17μm左右，满足场曲小于倍焦深(DOF)；物镜的最大畸变约为0.1μm，小于倍设计要求分辨力(σ＝5um)。

按上述方案实施本例后，如附图5所示，物镜的点扩散斑几何直径和均方根直径均小于衍射爱里斑直径，表明物镜各视场的分辨力均达到设计要求σ＝5um，甚至更优。

光刻机投影物镜属于高成像质量、高精密的光学系统，通常需要用波像差对其进行综合评价。该物镜由于是双远心结构，一般利用像面的波前面与物方无穷远入射的波前面之间的偏差作为物镜的波像差进行参考。附图6为本例中物镜的波像差，可以看出最大波像差小于表面物镜的整体像差矫正的较好。

上述具体实施方式及结果并不是本发明成像性能的最好体现，但其各项评价指标均优于设计要求，具有较好的成像效果。若能在镜面加工和光机结构装配时进一步降低工艺因子，物镜的成像质量将一步得到提升。此外，该物镜体积较小且共轭距较短，可以满足实验室级桌面STEPPER光刻机一次曝光较大面积硅片(3英寸)的需求。

Claims (7)

1.一种用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，其特征是该光刻投影物镜物象共轭距L＝500mm；

从入射方向开始到光阑前，为第一透镜组，依次设置L1～L7共7枚镜片，其中第2枚即镜片L2、第6枚即镜片L6为负透镜，其余镜片均为正透镜；

从光阑开始到像面前，为第二透镜组，依次设置L8～L14共7枚镜片，其中第9枚即镜片L9、第13枚即镜片L13为负透镜，其余镜片均为正透镜；

第一透镜组与第二透镜组镜片类型关于光阑成镜像对称，构成双远心结构，物方、像方远心度均控制在±0.5度以内。

2.根据权利要求1所述的用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，其特征是：其工作波长为i线，即365nm。

3.根据权利要求1所述的用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，其特征是：其物方工作距、像方工作距均为60mm。

4.根据权利要求1所述的用于桌面STEPPER光刻机的投影物镜，其特征是：该双远心结构式光刻投影物镜在物面、像面有一定偏离的情况下，依然保证镜头有良好的成像质量以及相同的放大倍率；该双远心结构式光刻投影物镜平衡了透过率和镜片片数之间的关系，透过率估算可以达到40％以上，而14枚镜片的应用能够有效矫正多种像差，尤其是边缘视场的畸变和场曲。

5.根据权利要求1所述的用于桌面STEPPER光刻机的双远心投影物镜，其特征是：该双远心结构式光刻投影物镜的放大倍率M＝-1×。

6.根据权利要求1所述的用于桌面STEPPER光刻机的双远心投影物镜，其特征是：其物方有效视场为75mm×75mm，物方数值孔径为NA＝0.055；

同时，根据瑞利公式k代表光刻工艺因子，NA为物镜数值孔径，其中工艺因子取0.7，该物镜的分辨率理论上能达到<5μm。

7.根据权利要求1所述的用于桌面STEPPER光刻机的双远心投影物镜，其特征是：镜片材料牌号分别采用国产H-K9L、H-QK3L以及F2的玻璃。