CN104865689A - 248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜 - Google Patents

Abstract

一种248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，包括设在同一光轴的前部中继镜组及后部成像镜组，该前部中继镜组由前后依次设置的第一至第三透镜组成；该后部成像镜组由前后依次设置的第四至第十二透镜组成，其中第十二透镜为平行平板镜片，在透射深紫外光线的同时用于支撑被测样品；该两个镜组安装在恒温密封套筒内，每一透镜安装在对应的透镜框内。本发明采用高数值孔径的科勒式照明设计，具有亮度均匀、不引入光源伪像、优化像差、抑制杂散光的优点，高数值孔径保证了很高的分辨力。实验证明紫外显微镜下本装置能对100nm线宽产生清晰轮廓像，适用于集成电路光刻掩模版、纳米几何结构栅格和MEMS/NEMS器件关键尺寸的检测照明。

Description

248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜

技术领域

本发明涉及一种深紫外显微照明聚束镜，属于集成电路掩模版检测装置照明聚束技术领域。本装置主要用于248nm—380nm波段，尤其是248nm、266nm及365nm波长紫外及深紫外显微镜提供低杂散光、亮度均匀的高数值孔径照明视场。

背景技术

对于线宽尺寸100nm以上的光刻掩模版、MEMS/NEMS器件及其他二维纳米几何结构样板深紫外显微镜是一种重要的检测设备。聚束镜是其中照明样品并提高分辨率的核心部件之一。目前最常见的紫外显微镜通常采用365nm照明光源，随着微电子集成电路的发展，其检测分辨率已不能适应主流技术的要求。而采用248nm深紫外光源照明检测，由于波长更短，衍射弥散斑更小，因而能够得到更高的分辨率。但是由于248nm紫外光线不能穿透大部分普通光学介质，同时折射倾角相比更长波长折射倾角也有所不同，因此需要特殊镜片设计。现在国内外生产248nm深紫外显微镜的厂家主要有美国KLA公司及日本OLYMPUS公司，但这些公司产品均采用反射式照明方式，照明光路及成像光路均由物镜实现，无专门设计的照明光学系统。而光刻掩模版及二维纳米几何结构样板是镂空栅格，因此需要透射式照明，必须采用独立照明光学系统。

在照明光学系统中，临界照明由于光学元件数量少，结构简单，成为最常用的照明设计结构。临界照明方法如图1所示，临界照明中聚束镜15出射光瞳和物方视场重合，且物镜的入射光瞳在无限远，所以聚束镜15的孔径光阑14在其前焦平面上。临界照明的缺点是会将光源13的伪像成在物平面16上，严重影响显微镜17的观察效果。

另外通常透射照明光学系统由一组镜片构成，镜片数为2-4片，具有的形式为2个平凸透镜18，孔径角为u=25°~30°（如图2所示），或者由齐明透镜19与正透镜20构成，孔径角为u=25°~30°（如图3所示）。对于更大孔径的聚束镜，则由2块弯月透镜21与2块平凸透镜18构成，孔径角u=45°（如图4所示）。对于光纤光源，如果无扩束镜组，则不能产生较大数值孔径角，另外2-4片镜片会产生很大偏转倾角，造成很大球差像差。

现有的显微镜照明光学设计及材质只适用于365nm以上紫外光线照明，不能很好的透过248nm深紫外光线。根据物理光学衍射理论，对掩模版及微纳几何结构尺寸进行测量时，更短的波长对应更小的衍射弥散斑，也对应着更高的分辨率。

临界照明结构简单，为充分利用光源的照明区域及聚束镜系统的数值孔径，其聚束镜将光源的像投影到显微镜被测样品表面，光源面与被测样品面呈物像共轭关系，因此灯丝的像将投影到被测样品表面上，产生灯丝伪影，严重影响了照明均匀性。

现有的显微镜透射照明光学系统通常只由一组2-4片镜片构成。在掩模版和微纳几何结构等纳米尺度进行测量时，±0.1°的温度会导致最终测量结果的不确定度显著增大，而深紫外灯丝发光会伴随高温释放，因此需要采用光纤导光，隔离灯丝热源。在光纤端面紫外光线出射时，出射光线与光轴夹角很小，如果不进行扩束，细光线经过聚束镜出射不会产生较大数值孔径角，因为数值孔径NA与成像分辨率有直接关系，所以最终会造成显微镜分辨率下降。另外为达到一定的出射数值孔径角，需要光线先偏离轴线发散偏转，再靠近轴线会聚偏转。因为球面光学系统都是非理想像差的光学系统，2-4片镜片产生光线偏转倾角过大，造成很大的球差像差，影响非均匀照明条纹。

发明内容

针对现有深紫外显微镜无248nm透射照明聚束光学系统，不能提供大数值孔径的照明光源，进而影响成像分辨率的情况，本发明提出了一种深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，可以实现透过248nm深紫外光线，并提供视场范围D=50μm，数值孔径达0.67的均匀照明视场。

本发明的技术方案是：一种248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，包括设在同一光轴的前部中继镜组及后部成像镜组，该前部中继镜组由前后依次设置的第一至第三透镜组成；该后部成像镜组由前后依次设置的第四至第十一透镜组成；该前部中继镜组及后部成像镜组安装在恒温密封套筒内，每一透镜分别安装在对应的透镜框内。

还包括同轴设在所述的第十一透镜后面的第十二透镜，该第十二透镜为平行平板镜片，在透射深紫外光线的同时用于支撑被测样品，对光线没有偏转作用。

为实现对248nm深紫外光线有高透射率，所述的12片透镜采用熔融石英玻璃或氟化钙制成，对紫外光线的透过率超过0.95。

在各透镜表面镀有至少一层介质增透膜。

根据光线光路，光纤光源出光端面位置在聚束镜第一透镜迎向光线凹面中心，逆光线方向沿光轴46mm处，聚束镜最大物方孔径角约为2°。

深紫外光线首先通过前部中继镜组的第一至第三透镜，其中第一透镜是负透镜，作用是光线扩束；第二透镜是弯月形透镜，作用是光线小角度偏转；第三透镜是正透镜将扩束后光线会聚到后部成像镜组的物方焦距处；深紫外光线随后通过后部成像镜组的第四至第十二透镜，其中第四至第五透镜为实现光线向偏离轴线方向偏转的弯月形透镜，第六至第十一透镜是为实现光线向朝向轴线方向偏转的透镜；在后部镜组中，第六透镜是弯月形透镜；第七至第八透镜是双凸正透镜；第九至第十一是弯月形透镜；采用第四至第十一透镜的作用是使光线先发散，后会聚，使最终光线偏向光轴的角度更大，从而保证深紫外聚束镜有更大的数值孔径，提高成像分辨率；第六至第十一透镜每一透镜曲面对光线的偏转程度大致相等，从而最大程度的减少球差和像差对均匀照明视场的影响。

所述的中继镜组孔径光阑位于中继镜组第一透镜第一面上，用于限制进入中继镜组的光线孔径；中继镜组的视场光阑位于成像镜组的前焦平面上，限制中继镜组的照明光源的视场；同时中继镜组的孔径光阑限制了成像镜组的视场，是成像镜组的视场光阑；中继镜组的视场光阑限制了成像镜组的光束的孔径，是成像物镜的孔径光阑，形成了前后镜组之间窗对瞳，瞳对窗的效果；最终光源上每一点经过成像镜组后平行出射，样品平面上每一点都被光源所有发光点发出的光线均匀照明，消除了灯丝伪影。

其照明视场圆域直径D=50μm，数值孔径NA>0.67。

本发明的优点是：本发明的深紫外聚束镜为248nm、266nm及365nm深紫外及紫外显微镜提供均匀照明视场，该装置采用高数值孔径的科勒式照明设计，具有亮度均匀、不引入光源伪像、优化像差、抑制杂散光的优点，同时高数值孔径保证了很高的分辨力。实验证明紫外显微镜下本装置能对100nm线宽产生清晰轮廓像，十分适用于集成电路光刻掩模版、纳米几何结构栅格和MEMS/NEMS器件关键尺寸的检测照明。

附图说明

图1是现有临界照明光学结构示意图；

图2是第一种现有一般透射照明光学结构示意图；

图3是第二种现有一般透射照明光学结构示意图；

图4第三种现有一般透射照明光学结构示意图；

图5是本发明的光学结构示意图。

具体实施方式

参见图5，本发明一种248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，包括设在同一光轴的前部中继镜组及后部成像镜组，该前部中继镜组由前后依次设置的第一至第三透镜1-3组成；该后部成像镜组由前后依次设置的第四至第十二透镜4-12组成，其中最后的第十二透镜12为平行平板镜片，在透射深紫外光线的同时用于支撑被测样品。该前部中继镜组及后部成像镜组安装在恒温密封套筒内，每一透镜均安装在对应的透镜框内。

图5中沿光线传播方向自左向右起依次分别是第一透镜1为双凹负透镜；第二透镜2为前凹后凸弯月形正透镜2；第三透镜3为双凸正透镜；第四透镜4为前凹后凸弯月形负透镜；第五透镜5为前凹后凸弯月形负透镜；第六透镜6为前凹后凸弯月形正透镜；第七透镜7为双凸正透镜；第八透镜8为双凸正透镜；第九透镜9为前凸后凹弯月形正透镜；第十透镜10为前凸后凹弯月形正透镜；第十一透镜11为前凸后凹弯月形正透镜；第十二透镜12为熔融石英平行平板；相关透镜参数如表1所示。

所述的第一透镜1的第一面与光轴交点距左侧光源46mm，中继前镜组对光纤光源及其他灯丝高压放电光源扩束，调节前后镜组沿光轴方向的距离保证光线经前镜组成像至后镜组的前焦面上。后部成像镜组采用第四至第十一透镜4-11的作用是使光线先发散，后会聚。其中第四透镜4至第五透镜5使光线等倾角发散，倾角为11°；第六透镜6至第十一透镜11使光线等倾角会聚,倾角为11°。中继前镜组与后镜组之间距离根据实际需求使用光学仿真来确定。

本发明装置照明视场圆域直径可达D=50μm，数值孔径NA>0.67。

表1 透镜参数

本发明的前部中继镜组（第一镜组）的作用是对光纤端面出射深紫外光线进行扩束，并向后部成像镜组会聚。孔径光阑在第一透镜1的迎向光线面上，限制进入后部成像镜组（第二镜组） 的光线孔径角。后部成像镜组由第四透镜4至第十二透镜12组成，作用是形成科勒照明光束，系统的视场光阑面在第四透镜4附近，其中孔径光阑面与显微镜物方焦平面为物像共轭关系，保证显微镜物方视场照明均匀。视场光阑在后部成像镜组的焦距附近，保证经过第二镜组的紫外光线平行出射，消除杂散光对照明视场的影响。本发明能够实现248nm深紫外光线小像差、高数值孔径的均匀照明，因而能显著增强测量线宽尺寸100nm以上的光刻掩模版、MEMS/NEMS器件的分辨率和对比度。特别适用于被测样品的透射式照明，适用的光源对象包括为隔离热源造成的测量误差采用的光纤光源以及其他金属灯丝高压放电产生的深紫外光源。

Claims (8)

1.一种248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，包括设在同一光轴的前部中继镜组及后部成像镜组，该前部中继镜组由前后依次设置的第一至第三透镜组成；该后部成像镜组由前后依次设置的第四至第十一透镜组成；该前部中继镜组及后部成像镜组安装在恒温密封套筒内，每一透镜分别安装在对应的透镜框内。

2.根据权利要求1所述的248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，还包括同轴设在所述的第十一透镜后面的第十二透镜，该第十二透镜为平行平板镜片，在透射深紫外光线的同时用于支撑被测样品，对光线没有偏转作用。

3.根据权利要求2所述的248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，为实现对248nm深紫外光线有高透射率，所述的12片透镜采用熔融石英玻璃或氟化钙制成，对紫外光线的透过率超过0.95。

4.根据权利要求2所述的248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，在各透镜表面镀有至少一层介质增透膜。

5.根据权利要求1所述的248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，根据光线光路，光纤光源出光端面位置在聚束镜第一透镜迎向光线凹面中心，逆光线方向沿光轴46mm处，聚束镜最大物方孔径角约为2°。

6.根据权利要求1所述的248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，深紫外光线首先通过前部中继镜组的第一至第三透镜，其中第一透镜是负透镜，作用是光线扩束；第二透镜是弯月形透镜，作用是光线小角度偏转；第三透镜是正透镜将扩束后光线会聚到后部成像镜组的物方焦距处；深紫外光线随后通过后部成像镜组的第四至第十二透镜，其中第四至第五透镜为实现光线向偏离轴线方向偏转的弯月形透镜，第六至第十一透镜是为实现光线向朝向轴线方向偏转的透镜；在后部镜组中，第六透镜是弯月形透镜；第七至第八透镜是双凸正透镜；第九至第十一是弯月形透镜；采用第四至第十一透镜的作用是使光线先发散，后会聚，使最终光线偏向光轴的角度更大，从而保证深紫外聚束镜有更大的数值孔径，提高成像分辨率；第六至第十一透镜每一透镜曲面对光线的偏转程度大致相等，从而最大程度的减少球差和像差对均匀照明视场的影响。

7.根据权利要求1所述的248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，所述的中继镜组孔径光阑位于中继镜组第一透镜第一面上，用于限制进入中继镜组的光线孔径；中继镜组的视场光阑位于成像镜组的前焦平面上，限制中继镜组的照明光源的视场；同时中继镜组的孔径光阑限制了成像镜组的视场，是成像镜组的视场光阑；中继镜组的视场光阑限制了成像镜组的光束的孔径，是成像物镜的孔径光阑，形成了前后镜组之间窗对瞳，瞳对窗的效果；最终光源上每一点经过成像镜组后平行出射，样品平面上每一点都被光源所有发光点发出的光线均匀照明，消除了灯丝伪影。

8.根据权利要求1所述的248nm深紫外高数值孔径科勒照明聚束镜，其特征在于，其照明视场圆域直径D=50μm，数值孔径NA>0.67。