CN104777609A - 光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统 - Google Patents

光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统 Download PDF

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Abstract

一种光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，沿所述光学系统的光轴方向依次包括：孔径光阑、傅里叶变换物镜、四分之一波片、检偏器、中继物镜、像传感器，该光学系统用于将针孔掩模版图形面内的针孔变换到像传感器的靶面(即光敏面)内。本发明能满足像传感器尺寸、四分之一波片和检偏器的位置与尺寸要求，物方视场角较大、后工作距较长，整体结构紧凑；并且满足正弦条件的要求，球差、彗差、象散、场曲、波像差等都得到很好的校正。

Description

光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于光瞳偏振态测量的光学系统，特别涉及一种用于光刻机照明光瞳偏振态测量的光学系统。
背景技术
光刻机是一种将所需图形转移到涂覆有光敏材料的衬底目标位置上的设备。光刻机可以应用于集成电路(IC)制造、印刷电路板(PCB)制造、液晶面板(LCD)制造等。一般情况下，所需图形是在掩模或掩模版(reticle、mask)上，可以将所需图形转移到衬底(例如，硅片)上的目标位置(例如，包括一个或多个芯片的曝光场)上，所述衬底上涂覆有光敏材料(例如，光致抗蚀剂，也称为光刻胶)。公知的光刻机包括：
接触式光刻机，掩模版与衬底直接接触，光源发出光通过掩模版在衬底上曝光完成图形转移；
接近式光刻机，掩模版与衬底之间有微米级的间隙，光源发出光通过掩模版在衬底上曝光完成图形转移；
投影式光刻机，掩模版与衬底之间有成像用投影物镜，光源发出光经过照明系统、掩模版、投影物镜在衬底上曝光完成图形转移。投影式光刻机的投影物镜是将掩模版上的图形成像在衬底上，其倍率一般为缩小10倍、5倍、4倍、1倍等。公知的投影式光刻机包括：步进机，通过将所需图形一次曝光到衬底一个目标位置上，并通过步进运动，将所需图形一次曝光到衬底下一个目标位置上；以及扫描机，照明光束沿给定方向(扫描方向)扫描所需图形，同时沿该方向平行或反向平行的方式扫描衬底目标位置完成图形转移，形成一个扫描曝光场，并通过步进运动，在下一个扫描曝光场完成下一次图形转移。公知的下一代光刻技术包括：压印技术，通过将所需图形压印到衬底上，而将所需图形从掩模版转移到衬底目标位置上；无掩模光刻技术(Maskless Lithography,ML2)，通过虚拟掩模将所需图形转移到衬底目标位置上。
公知的投影式光刻机包括照明系统和投影物镜，在操作中，掩模版位于照明系统和投影物镜之间，典型的，在掩模版的下表面有由金属铬形成的所需曝光的电路图形。在曝光过程中对硅片进行精确定位，以使掩模版上电路图形通过投影物镜成像在硅片上的光刻胶表面。
半导体光刻技术不断进步，关键尺寸不断向更高节点技术推进，导致投影物镜的数值孔径(NA)不断增加。当光刻机中光线相对于光轴的角度随着NA的增加而增加时，对于光刻成像来说光波的矢量特性逐渐变得更加重要，因为只有振动方向相同的光波偏振分量才能进行干涉成像，从而对图形转移有贡献，而振动方向正交的光波偏振分量不能参与干涉成像，从而对图形转移没有贡献。因此，光刻图形的对比度，不但是由投影物镜的波前质量决定，而且当数值孔径NA增加到一定程度时，照明光瞳的偏振态对于光刻图形的对比度也具有非常大的影响。
目前的半导体前道光刻机，采用氟化氩准分子激光和浸液光刻技术(ArFi)、偏振照明技术，并配合多重曝光技术等多种分辨率增强技术，已经实现2X nm～1X nm技术节点的量产。其中，支持2X nm技术节点的典型设备是荷兰ASML公司的光刻机TWINSCAN NXT:1960Bi和日本Nikon公司的光刻机NSR-S622D；支持1X nm技术节点的典型设备是ASML公司的光刻机TWINSCAN NXT:1970Ci和Nikon公司的光刻机NSR-S630D，其中，NSR-S630D是支持10nm节点量产的光刻机。这四种型号的光刻机都是采用数值孔径NA为1.35、放大倍率为-1/4倍的浸液投影物镜，其中偏振照明系统是实现这些节点技术的必备装置。而在ASML公司早期的投影物镜数值孔径NA为1.20型号为1750i的光刻机中，偏振照明系统是该光刻机的可选装置。这两代光刻机都需要测量偏振照明系统投射在掩模版上照明光瞳的偏振态。照明光瞳的偏振光振动方向、偏振度、偏振纯度等参数对实现各种不同图形的精确曝光至关重要，没有照明光瞳偏振态的测量与控制，就没有合格的曝光图形。
已有的在光刻机中建立的光传感器，例如用于照明光瞳测量的针孔相机，通常不能测量偏振态。如果需要测量照明光瞳的偏振态，需要引入对光波偏振态的调制和转换元件，例如，波片、检偏器等。因此，用于光刻机照明光瞳偏振态测量的光学系统，一般需要包括：针孔掩模版、傅里叶变换物镜、波片、检偏器、中继物镜、像传感器等，如图1所示，针孔掩模版位于光刻机的掩模面位置，该位置也是投影物镜的物面位置，利用针孔对不同照明视场位置进行光瞳采样测量。傅里叶变换物镜的功能是将通过针孔照明光束的光瞳角度分布转换为在傅里叶变换物镜后焦面上的空间位置分布，即在该傅里叶变换物镜的后焦面位置获得照明光束的光瞳。波片和检偏器的功能是对照明光束的光瞳偏振态进行调制和转换，其中调制是通过旋转波片来实现的。中继物镜是起关键作用的部件，其功能是选择照明光瞳偏振态测量所需的调制光束，并将其继续成像到像传感器的靶面上。像传感器的靶面位于中继物镜的像面位置，典型的，一般采用CMOS相机或CCD相机作为像传感器。
发明内容
本发明的目的在于公开一种光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，该光学系统的作用是将针孔掩模版图形面内的针孔变换到像传感器的靶面(即光敏面)内，该光学系统不但能有效地校正各种所需校正的像差，而且满足针孔掩模版尺寸、波片和检偏器尺寸、像传感器尺寸的结构要求，并满足光刻机照明光瞳偏振态测量的实际应用要求。
本发明的目的是这样实现的：
一种光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，该光学系统用于将针孔掩模版图形面内的针孔变换到像传感器的靶面(即光敏面)内，沿该光学系统的光轴方向依次包括：孔径光阑平面、傅里叶变换物镜、四分之一波片、检偏器、中继物镜、像传感器，其特征在于，孔径光阑平面位于傅里叶变换物镜的前焦面，四分之一波片位于傅里叶变换物镜的后焦面，像传感器光敏面位于中继物镜的像面位置，所述的傅里叶变换物镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述的第一透镜、第四透镜和第五透镜是凹面朝向孔径光阑面的弯月透镜，第三透镜是凹面朝向像平面的弯月透镜，第二透镜为双凸透镜，所述的中继物镜包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜，所述的第六透镜和第十一透镜为凹面朝向孔径光阑面的弯月透镜，第九透镜和第十透镜为凹面朝向像平面的弯月透镜，第七透镜为双凹透镜，第八透镜为双凸透镜。
所述的傅里叶变换物镜的焦距为10.771mm，其中的第一透镜、第二透镜和第五透镜具有正光焦度，第三透镜和第四透镜具有负光焦度。
所述的中继物镜中的第六透镜、第八透镜和第九透镜具有正光焦度，第七透镜、第十透镜和第十一透镜具有负光焦度，所述的中继物镜中的第六透镜、第七透镜和第八透镜的组合焦距为75mm，第九透镜、第十透镜和第十一透镜的组合焦距为75mm，所述的中继物镜构成-1倍的转像系统。
所述的第一透镜至第十一透镜全部采用高透过率的熔石英材料制成，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的LithosilTM Q0/1-E193熔石英材料。四分之一波片采用石英晶体材料制成。检偏器采用氟化镁(MgF2)晶体材料制成。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，可以有效地满足像传感器尺寸要求，视场角大，后工作距较长，满足四分之一波片和检偏器的位置与尺寸要求，并且结构紧凑；
2、本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，采用正负光焦度的合理匹配，很好地满足了光瞳测量所需要的正弦条件要求，并且球差、彗差、象散、场曲、波像差都得到很好的校正；
3、本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，仅采用表面类型为球面的透镜，没有引入非球面透镜，从而降低了透镜的加工、检测和装校的难度。
附图说明
图1为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的应用示意图；
图2为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的结构及光路图；
图3为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的衍射调制传递函数MTF图；
图4为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的RMS波像差分布图；
图5为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的球差、象散、场曲、畸变分布图；
图6为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的正弦条件偏离DSC分布图；
图7为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的在波片入射表面上的入射角度；
图8为本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的像方远心角误差的分布图。
具体实施方式
以下将对本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统做进一步的详细描述。
本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，其测量对象是投影物镜数值孔径NA为1.35、放大倍率为-0.25的光刻机照明光瞳。由于采用氟化氩(ArF)准分子激光，波长为193.368nm，因此，所有透镜全部采用高透过率的熔石英材料，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的LithosilTM Q0/1-E193熔石英材料，四分之一波片采用石英晶体材料，检偏器采用氟化镁(MgF2)晶体材料。
在波长为193.368nm时，熔石英材料的折射率为1.560259，氟化镁晶体材料o光折射率为1.427670，石英晶体材料o光折射率为1.66091。
本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的像面尺寸要求为：
像传感器的像素尺寸为16μm×16μm，像素数量为512×512。设计考虑边缘留12个像素不用，这样像传感器的像面尺寸为8mm×8mm，半高度为4mm。照明光瞳偏振态测量用光学系统的物方视场角度应该与照明系统像方数值孔径匹配，系统设计要求预留10％的设计余量，这样其物方视场角为：
U＝arcsin(1.35/4*1.1)＝21.80°
照明光瞳偏振态测量要求在像传感器靶面上获得照明系统的光瞳，不同位置的像素对应不同的光瞳位置，这样，要求该光学系统的焦距为：
f = h sin U = 40 sin 21.80 = 10.771 mm
系统设计要求所述的针孔掩模版上针孔直径为0.2mm，从针孔面到像面的距离小于310mm，像方工作距大于17.53mm。
光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统需要完善成像，一般要求波像差的RMS值小于1/14波长，即小于13.67nm。
光瞳偏振态测量要求在像传感器靶面上获得照明系统光瞳，需要满足正弦条件要求，因此，需要保留一定的负畸变，系统设计要求正弦条件偏离DSC<1μm。
本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的约束参数如表1所示。
表1 光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统约束参数
约束项目 约束参数
工作波长 193.368nm
约束项目 约束参数
物方视场半角 21.80°
像传感器靶面半径 4.0mm
总焦距 10.771mm
针孔直径 0.2mm
CCD靶面像素尺寸 16μm×16μm
波像差RMS值 <13.67nm
正弦条件偏离DSC <1μm
像方远心角误差 <5mrad
在波片表面的入射角 <1°
像方工作距 >17.53mm
从针孔面到像面的距离 <310mm
熔石英材料折射率 1.560259193.368nm
氟化镁o光折射率 1.427670193.368nm
石英晶体o光折射率 1.660910193.368nm
本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，如图2所示，所述的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，该光学系统用于将针孔掩模版图形面内的针孔变换到像传感器的靶面(即光敏面)内，沿该光学系统的光轴方向依次包括：孔径光阑平面、傅里叶变换物镜、四分之一波片、检偏器、中继物镜、像传感器，孔径光阑平面位于傅里叶变换物镜的前焦面，四分之一波片位于傅里叶变换物镜的后焦面位置，像传感器光敏面位于中继物镜的像面位置。
所述的傅里叶变换物镜包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5，所述的第一透镜L1、第四透镜L4和第五透镜L5是凹面朝向孔径光阑面的弯月透镜，第三透镜L3是凹面朝向像平面的弯月透镜，第二透镜L2为双凸透镜。
所述的中继物镜包括第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10和第十一透镜L11，所述的第六透镜L6和第十一透镜L11为凹面朝向孔径光阑面的弯月透镜，第九透镜L9和第十透镜L10为凹面朝向像平面的弯月透镜，第七透镜L7为双凹透镜，第八透镜L8为双凸透镜。
所述的傅里叶变换物镜的焦距为10.771mm，其中的第一透镜L1、第二透镜L2和第五透镜L5具有正光焦度，第三透镜L3和第四透镜L4具有负光焦度。
所述的中继物镜中的第六透镜L6、第八透镜L8和第九透镜L9具有正光焦度，第七透镜L7、第十透镜L10和第十一透镜L11具有负光焦度，所述的中继物镜中的第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8的组合焦距为75mm，第九透镜L9、第十透镜L10和第十一透镜L11的组合焦距为75mm，所述的中继物镜构成-1倍的转像系统。
所述的第一透镜至第十一透镜L1～L11全部采用高透过率的熔石英材料制成，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的LithosilTM Q0/1-E193熔石英材料。四分之一波片采用石英晶体材料制成。检偏器采用氟化镁(MgF2)晶体材料制成。
根据前面表1中光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的约束参数，本发明公开了所述光学系统的设计数据如表2所示。为了光学加工、光学检测的方便以及降低成本，本发明所有元件的光学表面均为球面，没有任何非球面元件。
表2给出了本实施例的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的每一片透镜、四分之一波片、检偏器的具体设计参数值，其中，“表面”一栏指示了从物面(Object)到像面(Image)之间每个光学表面的编号，其中STOP表示孔径光阑。“半径”一栏给出了每一表面所对应的球面半径。“厚度/间隔”一栏给出了相邻两表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则“厚度/间隔”的数值表示该透镜的厚度，否则表示物/像面到透镜的距离或者相邻透镜的间距。“光学材料”一栏即指明所对应透镜的材料。“半孔径”一栏指明了所对应表面的1/2孔径值，即半高度。“所属对象”一栏指示了从物面到像面之间每一表面所对应的各个透镜。
表2 本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统的设计数据
以透镜L1和L2为例，L1的前表面2的球面半径为-5.577mm(其正负号表示了表面的弯曲方向)，L1的前表面2到孔径光阑的间距为4.000mm，其光学材料为corning7980，L1前表面2的半孔径为1.6055mm；L1的后表面3的球面半径为-5.078mm，L1的前表面2到L1的后表面3，即透镜L1的中心厚度为2.345mm，L1的后表面3的半孔径为2.3366mm，即L1是凹面朝向孔径光阑的弯月透镜。
L2的前表面4的球面半径和半孔径分别为13.838mm和2.6249mm，L2的前表面4到L1的后表面3的间距为0.200mm，透镜L2的光学材料为corning7980，L2的后表面5的球面半径和半孔径分别为-9.644mm和2.8309mm，透镜L2的厚度为2.702mm。除了像面(表面Image)的半孔径表示像方视场半高度外，其余各表面的参数值含义可以根据透镜L1、L2的描述类推。波片和检偏器参数的表示方法与透镜一致，其中1.0E+18表示平面。
除了L1～L11这11块透镜、四分之一波片、检偏器之外，透镜L1前面还设置有孔径光阑STOP，其孔径尺寸的改变将影响该光学系统的成像效果。
当在表1中工作波长、视场角度、孔径光阑直径等参数条件下，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知，其像差校正程度如下：
图3显示了该光学系统的衍射调制传递函数MTF，由于像素尺寸为16μm(对应空间频率为31.25线对/毫米)，从图3可见，在32线对/毫米时MTF大于0.58(优于分辨要求的MTF>0.4)。
图4是该光学系统的RMS波像差的分布，最大值为0.19nm，这反映了本发明的光学系统的成像质量接近于完善成像。
图5是该光学系统的球差、象散、场曲、畸变图，其中球差最大值为-0.3μm，场曲最大值为-29μm，象散最大值为-19μm，都在像差容限之内。而畸变最大值为-7.2％，这是为了满足正弦条件要求而预留的负畸变。
根据本发明较佳实施例所公开的数据，采用CODE_V软件进行实际光线追迹得到不同视场角的实际像高，并与满足正弦条件要求的像高进行比较，如下表3所示，可以看出，其中绝对偏差最大值为0.661μm，各视场位置实际像高与正弦条件要求像高的偏离都满足正弦条件偏离DSC<1μm的要求(如图6所示)。
表3 实际像高与正弦条件要求像高的比较
图7是该光学系统在四分之一波片入射表面的入射角度，其中主光线的最大入射角为0.25度，正子午光线的最大入射角为0.75度，都满足在波片入射表面的入射角<1°的要求。
图8是该光学系统在像面上主光线的入射角(即像方远心角)，其中主光线的最大入射角为2.79mrad，满足像方远心角误差<5mrad的要求。
从表2中数据可得，从针孔面到像面距离为309.998mm，满足<310mm的要求。表2中第28面的数据为60.199，也满足像方工作距>17.53mm的要求。
采用本发明的光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，完全满足用于测量照明光瞳偏振态分布的技术要求，成像质量优良，并且达到实际照明光瞳偏振态测量的应用要求。

Claims (4)

1.一种光刻机照明光瞳偏振态测量用光学系统，沿所述光学系统的光轴方向依次包括：孔径光阑、傅里叶变换物镜、四分之一波片、检偏器、中继物镜、像传感器，其特征在于，孔径光阑平面位于所述的傅里叶变换物镜的前焦面，所述的四分之一波片位于傅里叶变换物镜的后焦面，所述的像传感器的光敏面位于中继物镜的像面位置，所述的傅里叶变换物镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述的第一透镜、第四透镜和第五透镜是凹面朝向孔径光阑面的弯月透镜，第三透镜是凹面朝向像平面的弯月透镜，第二透镜为双凸透镜，所述的中继物镜包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜，所述的第六透镜和第十一透镜为凹面朝向孔径光阑面的弯月透镜，第九透镜和第十透镜为凹面朝向像平面的弯月透镜，第七透镜为双凹透镜，第八透镜为双凸透镜，所述的傅里叶变换物镜的焦距为10.771mm，所述的第一透镜、第二透镜和第五透镜具有正光焦度，第三透镜和第四透镜具有负光焦度，所述的中继物镜的第六透镜、第八透镜和第九透镜具有正光焦度，第七透镜、第十透镜和第十一透镜具有负光焦度，所述的中继物镜的第六透镜、第七透镜和第八透镜的组合焦距为75mm，第九透镜、第十透镜和第十一透镜的组合焦距为75mm，所述的第一透镜至第十一透镜全部采用高透过率的熔石英材料制成，选康宁公司7980牌号的熔石英材料，或选肖特公司的LithosilTMQ0/1-E193熔石英材料，四分之一波片采用石英晶体材料制成，所述的检偏器采用氟化镁(MgF2)晶体材料制成。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，每一个光学零件的具体设计参数值如下：
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，光学系统的工作波长为193.368nm，入瞳直径为0.2mm，物方视场角度为21.80度。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述的中继物镜构成-1倍的转像系统。
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