CN104950427A - 一种大视场高数值孔径全球面光刻机投影物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场高数值孔径全球面光刻机投影物镜，其像方有效视场为132×132mm，像方数值孔径可达0.17。物镜采用物方、像方双远心结构，共使用了21片透镜，所有透镜表面都为纯球面。本发明以对称、简单的结构实现所需的微米级的分辨率，保证了曝光所需足够的光强，能很好地解决国内现有大面积平板光刻设备的分辨率低、图像传递能力差的问题，同时，本发明实现了对系统研制的短周期、低成本的控制。

Description

一种大视场高数值孔径全球面光刻机投影物镜
技术领域
本发明涉及一种大视场、高数值孔径、全球面的i-line光刻机投影物镜，属于微纳加工技术领域。
背景技术
随着各行业对LCD、LED面板的需求量不断扩大，生产厂家对微米级分辨率光刻的高产率要求逐渐凸显，这就要求光刻机物镜的视场变得更大。同时，为了尽可能增加利润空间，对光刻机物镜制作的时间周期和价格成本也必须有很好的控制。
日本专利JP2006266738A公布了一种应用于365nm波长的大面积光刻投影物镜，其像方有效视场为132mm×132mm，像方NA为0.145。光学系统总共包含27片镜片，其中应用了1个非球面。
中国专利CN103837967A公布了一种应用于365nm波长的大面积光刻投影物镜，其像方有效视场为132mm×132mm，像方NA为0.17。光学系统总共包含25片镜片，其中应用了5个非球面。
考虑国内光学加工、装配工艺等因素后，选取工艺因子为0.7，则使用像方NA为0.17的光刻机投影物镜能实现微米级分辨率曝光。在很好地校正各种像差和提高曝光光强的基础上，降低光刻机投影物镜的制作时间周期和价格成本，成为了光刻机投影物镜设计的新难题。
发明内容
本发明提供了一种大视场高数值孔径全球面光刻机投影物镜，其为一种大视场、高数值孔径、全球面的i-line光刻机投影物镜。本发明提供的投影物镜能校正多种像差，特别是畸变、场曲、像散、轴向色差、倍率色差，并提高曝光光强。
本发明采用的技术方案为：一种大视场高数值孔径全球面光刻机投影物镜，它将掩模上图像转移成像到硅片面上，系统从掩模面开始沿光轴依次包含：一具有正光焦度的第一透镜组G1；一具有较小正光焦度或较小负光焦度的第二透镜组G2；一具有正光焦度的第三透镜组G3；一具有正光焦度的第四透镜组G4；
其中，所述各透镜组焦距满足以下关系：
8.0＜|fG2/fG1|＜20.0
0.18＜|fG3/fG2|＜0.3
0.21＜|fG4/fG3|＜0.56
其中：
fG1：所述第一透镜组G1的焦距；
fG2：所述第二透镜组G2的焦距；
fG3：所述第三透镜组G3的焦距；
fG4：所述第四透镜组G4的焦距。
所述第一透镜组G1由至少两片透镜构成，其中一片为负透镜，凹面面对掩膜方向，另一片为正透镜；所述第二透镜组G2由至少四片透镜构成；其中除了包含一片正透镜外，还包含了两片凹面相对的负透镜，及位于两负透镜之间的一片双凹负透镜；所述第三透镜组G3由至少三片透镜构成；其中包含一片正透镜和一对凹面相对的负透镜；所述第四透镜组G4由至少两片透镜构成；其中一片为正透镜，另一片为负透镜，凹面面对硅片面。
所述投影物镜系统成近似对称，对称轴为孔径光阑，即第一透镜组G1、第二透镜组G2与第三透镜组G3、第四透镜组G4以孔径光阑为中心呈对称排列。
所述第一透镜组G1、第二透镜组G2与第三透镜组G3、第四透镜组G4呈对称排列构成一个物方、像方双远心光路。
所述投影物镜适用的波段为I线，其中心波长为365nm。
所述投影物镜由至少一种高折射率材料与至少一种低折射率材料构成。
所述高折射率材料是指I线折射率大于1.55的材料，包括I线折射率大于1.55且阿贝数小于45的材料；所述低折射率材料是指I线折射率小于1.55的材料，包括I线折射率小于1.55且阿贝数大于55的材料。
所述第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4分别至少包含了一片高折射率小阿贝数材料的透镜和一片低折射率大阿贝数材料的透镜。
本发明与现有技术相比有以下优势：
1、本发明所涉及的光刻机投影物镜镜片数量较少，只有21片，这对于提高曝光光强、降低时间周期和降低价格成本都有利。
2、本发明所涉及的光刻机投影物镜镜片表面全部为球面，这可以进一步降低时间周期和降低价格成本。
3、本发明所涉及的光刻机投影物镜结构简单且对称，对于系统校正像差和在物镜装调时控制像差都有利。
鉴于以上的优势，本发明的大视场、高数值孔径、全球面的i-line光刻机投影物镜，适合于光刻机研发、生产企业或科研单位使用。
附图说明
图1所示为本发明光刻机投影物镜一实施例的光学结构示意图；
图2所示为本发明光刻机投影物镜一实施例成像MTF曲线图；
图3所示为本发明光刻机投影物镜一实施例成像畸变、场曲曲线图；
图4所示为本发明光刻机投影物镜一实施例物方及像方远心曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的实施例光刻机投影物镜的镜片数量为21片，各参数要求如表1所示：
表1
工作波长 365nm±2.5nm
像方数值孔径NA 0.17
像方视场(直径) 186.7
放大倍率 -1.25
物象共轭距 1700mm
本发明的实施例光刻机投影物镜由21片透镜组成，21片透镜全部为球面。分为四个透镜组，它们分别是第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4。
所述第一透镜组G1由四片透镜构成，它们的光焦度分别为负、正、正、正。第一透镜组G1至少包含了一片正透镜和一片负透镜，其中负透镜凹面面对掩膜方向。
所述第二透镜组G2由六片透镜构成，它们的光焦度分别为负、负、负、正、正、正。第二透镜组G2至少包含了以下四片透镜：其中一片为正透镜，另外三片为两片凹面相对的负透镜及位于两负透镜之间的一片双凹负透镜。
所述第三透镜组G3由八片透镜构成，它们的光焦度分别为正、正、正、负、负、负、负、负。第三透镜组G3至少包含了以下三片透镜：一片正透镜和一对凹面相对的负透镜。
所述第四透镜组G4由三片透镜构成，它们的光焦度分别为正、正、负。第四透镜组G4至少包含了一片正透镜和一片负透镜，其中负透镜凹面面对硅片面方向。
本发明的实施例光刻机投影物镜的孔径光阑位于第二透镜组G2和第三透镜组G3之间。
本发明的实施例光刻机投影物镜的四个透镜组以孔径光阑为对称中心依次排列，构成一个物方、像方双远心光路。所谓双远心就是物面上每个视场点发出的主光线与光轴平行，且该光线也以平行于光轴的方向入射到像面上。所谓主光线是指每个视场发出的经过光阑中心的光线。物面上每个视场点发出的主光线与光轴平行，且该光线也以平行于光轴的方向入射到像面上，这保证了即使位于物面的掩模图案和位于像面的硅片存在一定安装误差，也不会造成大数值孔径投影光学系统的倍率等光学性能的显著降低。
本发明的实施例光刻机投影物镜适用的波段为I线，其波长为365nm，带宽为±2.5nm。
本发明的实施例光刻机投影物镜由至少一种高折射率材料与至少一种低折射率材料构成。其中，高折射率材料是指I线折射率大于1.55的材料，包括I线折射率大于1.55且阿贝数小于45的材料；所述低折射率材料是指I线折射率小于1.55的材料，包括I线折射率小于1.55且阿贝数大于55的材料。
本发明的实施例光刻机投影物镜的第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4分别至少包含了一片高折射率小阿贝数材料的透镜和一片低折射率大阿贝数材料的透镜。
表2给出了本实施例光刻机投影物镜的每一片镜片的具体参数，其中，表2中的“表面序号”是从光线入射端开始对表面的计数；表2中的“半径”分别给出了每个表面顶点处所对应的曲率半径，如果顶点的曲率中心位于顶点左边，则曲率半径为负，反之为正，如果某个表面顶点区域为平面，则将之曲率半径记为“∞”；表2中的“厚度/间隔”给出了相邻两表面之间沿光轴的间隔距离，如果两个表面属于同一片透镜，则为该透镜的厚度，“厚度/间隔”的正负由光线的走向决定，如果光线由左向右，则“厚度/间隔”为正，反之为负。表2中的“材料”给出了各个透镜材料，缺省处为空气。
表2中的所有长度单位为毫米。
表2
表面序号 半径 厚度/间隔 材料
物面 INF 80.01
1 -256.283 32.21 K9
2 510.527 3.00
3 665.350 48.51 K9
4 -339.676 0.50
5 -1458.048 48.09 F2
6 -374.890 0.50
7 380.033 48.73 K9
8 -515.406 4.97
9 400.703 18.35 K9
10 194.599 293.29
11 -386.874 26.64 K9
12 1042.502 30.63
13 -182.492 23.06 F2
14 2703.228 0.50
15 2592.035 57.35 K9
16 -237.770 1.35
17 -4453.855 37.93 K9
18 -338.845 0.50
19 2260.135 18.99 F2
20 -1914.519 0.50
Stop INF 65.53
22 622.904 30.47 K9
23 -3487.986 4.00
24 275.075 52.41 K9
25 -2768.345 0.50
26 224.934 51.86 K9
27 1456.009 5.29
28 -15508.620 25.91 F2
29 144.602 71.38
30 358.971 55.38 K9
31 253.489 33.51
32 6670.775 8.32 K9
33 368.297 30.38
34 -197.897 53.96 K9
35 -264.157 16.00
36 -165.261 50.94 K9
37 -264.556 50.98
38 629.749 47.47 K9
39 -583.770 31.81
40 342.414 73.18 F2
41 5820.215 27.90
42 2012.237 42.67 K9
43 432.721 90.85
像面 INF 0.00
以上各元件的具体参数在实际操作中，可根据数值孔径的大小做调整及优化，以满足不同的系统参数要求。
对本实施例光刻机投影物镜采用两种手段进行像差评价：
1、光学调制传递函数
图2为本实施例光刻机投影物镜光学调制传递函数示意图。光学调制传递函数(MTF)用于评价不同空间频率的图形经过光学系统传递到像面处的效率，光学调制传递函数(MTF)曲线横坐标是空间频率，单位是线对/毫米，纵坐标是调制函数。如图2所示的本实施例光刻机投影物镜的MTF已经接近衍射极限。
图2中，“DIFFRACTION LIMIT”为系统达到衍射极限时的调制传递函数曲线；“T”与“R”分别代表系统在子午方向与弧矢方向的调制传递函数曲线；“0.1FIELD”、“0.2FIELD”、“0.3FIELD”和“0.4FIELD”代表系统四个视场高度处的调制传递函数曲线；“WAVELENGTHWEIGHT”分别指出了评价该系统MTF时所使用的波长及其权重；“DEFOCUSING”指出了评价该系统MTF时的离焦量。
2、场曲与畸变
图3为本实施例光刻机投影物镜场曲与畸变示意图，左侧是场曲示意图，横坐标代表不同视场像点偏离焦面的量，纵坐标是物方视场高度，虚线表示像点在弧矢面上的场曲大小，实线表示像点在子午面上的场曲大小；右侧是畸变示意图，横坐标代表畸变百分比，纵坐标是物方视场高度。由图3可以看出，本实施例光刻机投影物镜的场曲控制在5um以内，畸变控制在0.1um以内。
以上所述，仅为本发明的部分实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种大视场高数值孔径全球面光刻机投影物镜，该投影物镜将掩模上图像转移成像到硅片面上，其特征在于：该投影物镜从掩模面开始沿光轴依次包含：
一具有正光焦度的第一透镜组(G1)；
一具有较小正光焦度或较小负光焦度的第二透镜组(G2)；
一具有正光焦度的第三透镜组(G3)；
一具有正光焦度的第四透镜组(G4)；
其中，所述各透镜组焦距满足以下关系：
8.0＜|fG2/fG1|＜20.0
0.18＜|fG3/fG2|＜0.3
0.21＜|fG4/fG3|＜0.56
其中：
fG1：所述第一透镜组(G1)的焦距；
fG2：所述第二透镜组(G2)的焦距；
fG3：所述第三透镜组(G3)的焦距；
fG4：所述第四透镜组(G4)的焦距。
2.如权利要求1所述的光刻机投影物镜，其特征在于：
所述第一透镜组(G1)由至少两片透镜构成，其中一片为负透镜，凹面面对掩膜方向，另一片为正透镜；
所述第二透镜组(G2)由至少四片透镜构成；其中除了包含一片正透镜外，还包含了两片凹面相对的负透镜，及位于两负透镜之间的一片双凹负透镜；
所述第三透镜组(G3)由至少三片透镜构成；其中包含一片正透镜和一对凹面相对的负透镜；
所述第四透镜组(G4)由至少两片透镜构成；其中一片为正透镜，另一片为负透镜，该负透镜凹面面对硅片面。
3.如权利要求1所述的光刻机投影物镜，其特征在于：
所述投影物镜系统成近似对称，对称轴为孔径光阑，即第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)与第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)以孔径光阑为中心呈对称排列。
4.如权利要求1所述的光刻机投影物镜，其特征在于：
所述第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)与第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)呈对称排列构成一个物方、像方双远心光路。
5.如权利要求1所述的光刻机投影物镜，其特征在于：
所述投影物镜适用的波段为I线，其中心波长为365nm。
6.如权利要求2所述的光刻机投影物镜，其特征在于：
所述投影物镜由至少一种高折射率材料与至少一种低折射率材料构成。
7.如权利要求2所述的光刻机投影物镜，其特征在于：
所述高折射率材料是指I线折射率大于1.55的材料，包括I线折射率大于1.55且阿贝数小于45的材料；所述低折射率材料是指I线折射率小于1.55的材料，包括I线折射率小于1.55且阿贝数大于55的材料。
8.如权利要求2所述的光刻机投影物镜，其特征在于：
所述第一透镜组(G1)至少包含了一片高折射率小阿贝数材料的透镜和一片低折射率大阿贝数材料的透镜；
所述第二透镜组(G2)至少包含了一片高折射率小阿贝数材料的透镜和一片低折射率大阿贝数材料的透镜；
所述第三透镜组(G3)至少包含了一片高折射率小阿贝数材料的透镜和一片低折射率大阿贝数材料的透镜；
所述第四透镜组(G4)至少包含了一片高折射率小阿贝数材料的透镜和一片低折射率大阿贝数材料的透镜。
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