CN105652599A - 降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，包括：步骤一、根据环境温度变化，计算该投影物镜的热折变焦面漂移与热变形焦面漂移以及总焦面漂移灵敏度三者值的大小和符号关系；步骤二、计算该投影物镜的单个镜片在环境温度变化下的热折变焦面灵敏度；步骤三、选择该单个镜片中热折变焦面灵敏度高且与该总焦面漂移灵敏度相反的镜片；步骤四、将该步骤三中的镜片替换为折射率温度系数相反的镜片。

Description

降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法。

背景技术

投影光刻技术已经成功用于集成电路制造和半导体封装的金凸块/锡凸块、硅片级芯片尺度封装(WLCSP)技术等领域，这些类型的扫描光刻机或者步进光刻机上投影光刻物镜特点是中低端分辨率(如一微米到几微米，数值孔径(NA)0.2以下)、宽光谱、高产率。

在投影光刻机中光刻物镜的作用是将母版，即掩膜上的图形转移涂敷在硅片表面的光刻胶上。经过显影、定影、刻蚀，最终将模板上的图形转移到硅片上。投影光刻物镜是光刻机中的核心部件，它决定了投影光刻机的主要性能，先进的投影光刻物镜的设计，材料的制备、加工、装配、检测等各个环节，均采用了当代最高水平的技术。目前部分加工，检测技术几乎到达了物理极限。

在投影光刻机中，投影光刻物镜是影响光刻分辨力和线宽的关键，而温度变化不但导致物镜焦面位置改变，还会影响物镜的成像质量，因此恒温是保证光刻机性能稳定工作的一项重要措施。近年来，虽然环境控制采用了内部空气冷却循环，隔热套水冷循环，高精度温度传感器的反馈控制等手段，但是整个物镜内部的温度控制还是非常困难的。虽然投影光刻物镜一般都选用几大著名厂家，如OHARA、Corning、Schott等公司高质量的紫外光学材料，但是材料固有的热变形，和热折变，即使在极度苛刻的环境控温条件下，还是会导致光刻物镜的性能变差。

光刻物镜中常说的热效应分为两类：一类是曝光过程中镜片吸热引起的热效应，这种热效应引起的焦面漂移是可以补偿的；第二类是物镜环境温度的整体变化引起的热效应，即环境热效应，环境热效应主要引起焦深损失。比如后道光刻机两次调整最佳焦面时间内一般要求物镜内部环境控温在±0.1℃，而温度在这个范围内快速变化时，焦面改变是不能补偿的。因为调焦调平传感器(FLS)只能检测基片面到镜头距离(即名义的像距)，而最佳成像焦面的位置是通过多次做特殊曝光找到的，实际生产中同一批基片一般只找一次最佳成像焦面，两次调整焦面的间隔根据实际生产情况短则数天，所以在这段时间范围内如果由于环境热效应导致最佳成像焦面位置发生变化而产生的离焦量是不能补偿的。所以物镜环境热效应引起的焦面灵敏度这个指标就非常重要了。

投影光学系统的一个特征参数为焦深(depthoffocus简称DOF)，其定义如下：

$\mathrm{DOF}=k_2\frac{\mathrm{\λ}}{{\left(\mathrm{NA}\right)}^2}\·\·\·\left(1\right)$

上面公式中DOF为焦深；K2为工艺因子通常大规模生产取0.7，实验室取0.5；λ为参考波长；NA为系统数值孔径。我们用上面的公式也可以计算设计参考波长为405nm，数值孔径为NA＝0.2，k2因子取0.5，最大理论焦深为5μm。

中国专利CN101206300A提出由16片构成的对称结构，其像方数值孔径为0.1，工作波长为g、h、i线，为了校正色差，对称的半结构中用了两组分离式透镜结构上正透镜采用异常色散的光学材料CAF2(氟化钙)，但是由于CAF2(氟化钙)的温度折射率系数非常差，而且CAF2(氟化钙)材料受环境温度影响，热折变引起的焦面变化非常敏感，所以使得整个镜头的环境热效应较差，分析结果为环境热效应焦面灵敏度为46μm/℃，如果按照物镜内部环境控温在±0.1℃计算，焦深损失为4.6μm。

中国专利CN101216592提出了一种投影光学系统，其像方数值孔径(NA)0.2，工作波长为g、h、i线，光学系统共包括18个透镜，同样对称的半结构上靠近光阑的位置的镜片用了温度折射率系数较高的CAF2(氟化钙),使得整个镜头的环境热效应较差，分析结果为环境热效应焦面灵敏度为23μm/℃，如果按照物镜内部环境控温在±0.1℃计算，焦深损失为2.3μm，根据公式(1)计算的结果理论焦深为5μm，已经损失了一半焦深了。

中国专利CN200780016315.3中，提出了两种典型实施例，设计像方数值孔径为0.2工作波长为g、h、i线。其中半结构是由带Caf2(氟化钙)的三组分离式透镜结构构成，总共24个镜片构成全球面折射结构，同样是CAF2(氟化钙)材料的镜片位置热折变对焦面非常敏感，所以使得整个镜头的环境热效应很差，分析结果为环境热效应焦面灵敏度为83μm/℃，如果按照物镜内部环境控温在±0.1℃计算，焦深损失为8.3μm，根据公式(1)计算的结果理论焦深为5μm，所以如果物镜内部环境控温在±0.1℃，物镜已经没有可用的焦深了；另外一种结构由20个镜片构成，不用CAF2(氟化钙)材料，半结构增加了6个面的非球面，而只用了两种光学材料LLF1(Schott公司紫外光学材料)和silica(熔融石英)，分析结果为环境热效应焦面灵敏度为24μm/℃，如果按照物镜内部环境控温在±0.1℃计算，焦深损失为2.4μm，已经损失了一半焦深了。

在投影光刻机中，投影光刻物镜工作环境的温度变化主要影响物镜的最佳成像位置的变化，引起的畸变，倍率和离焦直接影响套刻精度和焦深。目前解决办法一般采用可动元件补偿和提高温度控制需求来实现良好的像质，但是这些手段会影响光刻机产率和增加温控、补偿成本。

怎样从根本上降低环境温度变化对物镜的影响(主要影响是环境温度变化引起焦面漂移，从而引起焦深损失)，是投影光刻物镜设计中急需要解决的难题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种合理选择材料利用热折变抵消物镜总的环境热效应(主要是环境热变形)的方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，包括：

步骤一、根据环境温度变化，计算该投影物镜的热折变焦面漂移与热变形焦面漂移以及总焦面漂移灵敏度三者值的大小和符号关系；

步骤二、计算该投影物镜的单个镜片在环境温度变化下的热折变焦面灵敏度；

步骤三、选择该单个镜片中热折变焦面灵敏度高且与该总焦面漂移灵敏度相反的镜片；

步骤四、将该步骤三中的镜片替换为折射率温度系数相反的镜片。

更进一步地，该总焦面漂移灵敏度的计算公式为：其中，S_k为各个镜片的热折变引起的对焦面变化量贡献量和，ΔT为环境温度变化值，为各个镜片的折射率温度系数，Γ_k为折射率对焦面灵敏系数，k为镜片序号。

更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片非校正色差的分离式或胶合透镜光学。

更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片的折射率和阿贝数接近。

更进一步地，该步骤四中的被替换镜片满足以下条件：该被替换镜片位于该投影物镜的光阑附近。

更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片为薄透镜。

更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片与该投影物镜其他镜片正负透镜数量级光焦度数量和值平衡。

为了降低环境温度变化对投影光刻物镜性能的影响，即降低环境热效应。现有技术一般采用的方法为投影光刻物镜光学方案优化设计时所有材料全部选用低热膨胀系数和低温度折射率系数的紫外光学材料。由于紫外光学材料本身存在固有热属性，材料种类较少，这种方法降低环境热效应的效果不理想。

与现有技术相比较，本发明采用了合理选择材料利用热折变抵消物镜总的环境热效应(主要是环境热变形)的方法。具体的是利用了热折变的特异性，即光学材料的折射率温度系数dn/dt有正值也有负值，选择能引起热折变与物镜总的环境热效应影响互相抵消的光学材料来代替现有材料。从而能有效的降低投影光刻物镜环境热效应灵敏度，从而降低了环境温度变化对投影光刻物镜性能的影响，从而提高了投影光刻物镜对环境温度变化的适应性。

本发明从设计上降低光刻物镜的环境热效应(主要影响是环境温度变化引起焦面漂移，从而引起焦深损失)，从根本上降低投影光刻物镜镜头环境热效应对焦面的灵敏度，减小焦深损失，提高成像质量，还间接的降低了光刻物镜温度控制需求，从而降低成本。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是环境温度变化对物镜的影响示意图；

图2是环境温度变化引起的四大因素所占比例的示意图；

图3是Schott紫外玻璃热膨胀系数示意图；

图4是OHARA紫外玻璃热膨胀系数示意图；

图5是Schott紫外玻璃折射率温度系数示意图；

图6是OHARA紫外玻璃折射率温度系数示意图；

图7是单正透镜模型中热变形和热折变的作用机理；

图8是镜头环境温度性能优化流程图；

图9是光学系统100结构示意图；

图10是光学系统100优化前单个镜片热折变示意图；

图11是光学系统200优化材料后的结构示意图；

图12是光学系统200优化材料后的结构示意图；

图13镜头优化前后环境温度引起的波像差恶化程度对比示意图；

图14是光学系统300结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

环境温度变化对投影光刻物镜的主要影响如图1所示，首先环境温度变化引起镜筒镜座的热变形，由于投影光刻物镜机械设计为了考虑物镜的模态和可靠性，所用的材料和装配方式已定；其次引起镜片材料的热折变和热变形，光学材料的选择决定了投影光刻物镜的环境热折变和热变形性能，所以这一部分可以在光学设计初期进行优化；最后引起填充气体的热折变，由于投影光刻物镜环境温度控制一般较高，一般能控制在±0.1℃范围内，所以环境温度引起的填充气体的热折变量较小，这一点可以从图2环境温度变化引起的四大因素所占比例中看出来。所以下文主要分析环境热效应的热折变和热变形两种因素。

下面对引起热变形和热折变的材料特性参数进行分析，即光学材料的热膨胀系数和折射率温度系数。

对于热变形，如图3Schott公司的紫外玻璃热膨胀系数和图4OHARA公司的紫外玻璃热膨胀系数可知，引起材料热变形的玻璃热膨胀系数全部都为正值；

对于热折变，如图5Schott公司的紫外玻璃折射率温度系数和图6OHARA公司的紫外玻璃折射率温度系数可知，引起材料热折变的折射率温度系数(dn/dt)有的为正值，有的为负值。

所以可以利用热折变的特异性，选择能引起热折变与物镜总的环境热效应影响(主要是热变形)互相抵消的光学材料来代替现有材料。从而能有效的降低投影光刻物镜环境热效应灵敏度，从而降低了环境温度变化对投影光刻物镜性能的影响，从而提高了投影光刻物镜对环境温度变化的适应性。

这一补偿原理可以用一个简单的单透镜环境热效应模型来说明，如图7单正透镜模型中热变形和热折变的作用机理图可知，对于环境温度变化引起的单正透镜的热变形，由于所有的光学材料的热膨胀系数都为正值，温度升高后焦点都向右漂移，焦距增加；对于环境温度变化引起的热折变，当温度升高后折射率温度系数(dn/dt)为负值的光学材料热折变引起焦点向左漂移，焦距缩短；温度升高后折射率温度系数(dn/dt)为正值的光学材料热折变引起焦点向右漂移，焦距增加。所以对于降低这个单正透镜环境热效应的方法为选取折射率温度系数(dn/dt)为负值的光学材料就能使热折变抵消热变形引起的焦面漂移。

实际的投影光刻物镜中由于镜片数量多，形状多变，材料种类多样，比上面的单透镜环境热效应模型复杂多了，我们用上面这一环境热效应补偿原理仍然能有效的补偿投影光刻物镜环境热效应。

由于投影光刻镜头一般由多个镜片构成，可以利用热折变的特异性，通过在镜头中热折变灵敏度高位置的材料用较低或相反的折射率温度系数的材料替换。使镜头总的热折变抵消热变形甚至总的环境温度的影响，下面公式(2)为环境温度变化的热折变引起的焦面漂移总和的近似表达式。

$S_k=\mathrm{\ΔT}\·\frac{{\mathrm{dn}}_k}{\mathrm{dt}}\·{\mathrm{\Γ}}_k....................................\left(2\right)$

为各个镜片的热折变引起的对焦面变化量贡献量和，环境温度变化值为ΔT，为各个镜片的折射率温度系数，Γ_k为折射率对焦面灵敏系数，k为镜片序号。由于光学玻璃折射率温度系数系数有正也有负，所以各个镜片环境温度变化引起的焦面漂移热折变总和可以减小或改变符号，在投影光刻物镜光学结构优化设计时在镜头的热折变引起的焦面变化灵敏度高的位置的镜片更换折射率温度系数相反的材料，不但能使环境热效应中热折变引起的焦面漂移最小，还可以使其和镜片热变形，甚至总的环境温度影响抵消。

投影光刻物镜环境温度性能优化设计的流程见图8所示，具体的优化步骤为：

S801：光学方案选型。

S802：光学性能优化。

S803：先对镜头进行总的环境温度分析，分析总的焦面漂移灵敏度。

S804：分别分析环境温度引起的热折变、热变形灵敏度；判断环境温度变化引起的主要三大因素热折变焦面漂移与热变形焦面漂移以及总的焦面漂移三者值的大小和符号关系；对镜头单个镜片进行环境温度分析，分析单个镜片热折变焦面灵敏度。

S805：找出单个镜片中热折变焦面灵敏度高且与总的焦面漂移灵敏度相反的镜片更换折射率温度系数相反的材料。

重新进入S802优化光学性能。

重新进行S803环境温度分析，满足情况后结束。

优化设计过程中还要注意以下几点：

第一、尽量避免使用厚透镜；第二、初始光学性能优化选材时尽量不在光阑附近使用热膨胀系数大和温度折射率系数绝对值大的材料，这些材料一般可以用到靠近物像面位置；第三、尽量不要更换校正色差的分离式或胶合透镜光学材料；第四、一般选择靠近光栏附近镜片更换材料；第五、正负透镜数量及光焦度分配合理，尽量保持数量和值平衡；第六、更换材料时尽量选取折射率和阿贝数接近的材料；第七、一般环境温度焦面漂移优化后，环境温度引起的倍率误差也会减小。

本发明方案的应用之一，图9所示为光学系统100结构示意图，其中：

曝光波长：g谱线具有435nm；h谱线具有405nm；i谱线具有365nm

数值孔径：0.2NA

半视场高度：31mm

工作距：40mm

物像共轭距：900mm

光学系统100各波长的折射率如表1所示：

表1

光学系统100镜头数据如表2所示：

表2

设计结果看，案例光学性能接近衍射极限，WFE为0.04wave,成像质量非常好，下面用codeV软件的环境分析功能输入如下命令分析光学系统100环境温度性能:

由于实例为对称结构，环境温度变化后焦面不动仍然具有对称性，所以不会引起倍率误差，所以我们只分析焦面漂移的影响。我们用codeV软件用上述命令对光学系统100进行环境温度分析，得知，镜头焦面对环境温度的灵敏度为34.5μm/℃，如果环境整体控温需求为±0.1℃，那么环境温度引起的焦面漂移为3.45μm。投影光学系统的一个特征参数为焦深(depthoffocus简称DOF)，其定义如公式(3)所示：

$\mathrm{DOF}=k_2\frac{\mathrm{\λ}}{{\left(\mathrm{NA}\right)}^2}\·\·\·\left(3\right)$

上面的设计参考波长为405nm，数值孔径为NA＝0.2，k2因子取0.5，所以理论焦深为5μm，根据公式(2)计算环境温度影响下焦面漂移为3.45μm，可见只是环境温度影响就使焦深损2/3。

表3为分别对光学系统100分别分析热折变和热变形对引起的焦面灵敏度：从表3可以看出，光学系统100环境温度影响下热折变的焦面漂移大于热变形。

	焦面漂移灵敏度
		镜片热折变	25.46μm/℃
镜片热变形	11.6μm/℃

表3

对单个镜片的热折变引起的焦面灵敏度分析，如图10所示，热折变灵敏度高的为L8、L10、L11、L13，且与总的环境温度影响方向同号。

通过尝试，如图12所示，选取对光学性能影响较小且热折变灵敏度高的L10和L11的caf2材料换成折射率温度系数相反的silica。

图11为光学系统200材料更换并优化后的结构示意图，更换材料优化后的光学系统200镜头数据如表4所示：

表4

重新对光学系统200进行环境分析得到焦面对环境温度的灵敏度下降到9.5μm/℃。

光学系统100和光学系统200环境温度性能优化前后对比分析如表5所示：

	0.1℃引起WFE变化量(wave)	环境温度引起的焦面灵敏度(μm/℃)
			优化前	0.040	34.50
优化后	0.004	9.50

表5

另外根据图13所示，本发明方案应用在此实施例后，环境温度引起的波像差恶化程度明显降低。

本发明提供第二实施方式，图9所示为光学系统300结构示意图，我们用更换材料，利用热折变的特异性，部分抵消热变形后，更换L12、L16、L17、L18、L19材料由sfsl5y(OHARA紫外光学材料)换成pbl7y(OHARA紫外光学材料)，结果光学系统300总的环境温度变化引起的热效应明显降低，如表6所示：

	优化前	优化后
			环境温度对焦面的灵敏度	44μm/K	27μm/K

表6

环境温度对倍率的灵敏度优化前后对比如表7所示：

	优化前	优化后
			环境温度对倍率的灵敏度	4.2ppm/K	2.5ppm/K

表7

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，其特征在于，包括：

步骤一、根据环境温度变化，计算所述投影物镜的热折变焦面漂移与热变形焦面漂移以及总焦面漂移灵敏度三者值的大小和符号关系；

步骤二、计算所述投影物镜的单个镜片在环境温度变化下的热折变焦面灵敏度；

步骤三、选择所述单个镜片中热折变焦面灵敏度高且与所述总焦面漂移灵敏度相反的镜片；

步骤四、将所述步骤三中的所述镜片替换为折射率温度系数相反的镜片。

2.如权利要求1所述的降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，其特征在于，所述步骤一为折射率对焦面灵敏系数，k为镜片序号。

3.如权利要求1所述的降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，其特征在于，所述步骤四中的替换镜片满足以下条件：所述替换镜片非校正色差的分离式或胶合透镜光学。

4.如权利要求1所述的降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，其特征在于，所述步骤四中的替换镜片满足以下条件：所述替换镜片的折射率和阿贝数接近。

5.如权利要求1所述的降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，其特征在于，所述步骤四中的被替换镜片满足以下条件：所述被替换镜片位于所述投影物镜的光阑附近。

6.如权利要求1所述的降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，其特征在于，所述步骤四中的替换镜片满足以下条件：所述替换镜片为薄透镜。

7.如权利要求1所述的降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法，其特征在于，所述步骤四中的替换镜片满足以下条件：所述替换镜片与所述投影物镜其他镜片正负透镜数量级光焦度数量和值平衡。

8.一种带有内部温度环境控制系统的投影物镜，确定所述投影物镜组成的光学方案，然后确定所述投影物镜组成的光学透镜的整体性能，通过CodeV软件环境分析后，不符合确立所述光学透镜的热折变和热变形与焦面漂移灵敏度的对应关系，先选定单个所述光学透镜中热折变焦面灵敏度高且与所述总焦面漂移灵敏度相反的镜片，再选定所述镜片替换为折射率温度系数相反的镜片，再次确定所述投影物镜组成的所述光学透镜的整体性能，其特征在于，所述光学透镜中每个所述镜片的选择使用了降低所述光刻投影物镜环境热效应影响的方法。