CN107145041B - 光学元件六自由度定位调节装置、投影物镜及光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光学元件六自由度定位调节装置，包括镜筒、三组用于进行双自由度调节的调节支链及用于承载光学元件的支撑镜框，所述支撑镜框的下表面分别与所述调节支链的上部输出端连接，所述调节支链的下端安装面与所述镜筒的上表面固定连接,在每个调节支链的带动下，所述镜框可产生两个自由度的位移，所述镜框带动所述光学元件实现六自由度精密位移调节，通过控制六个驱动器的进给量，实现光学元件六个自由度的移动和转动位移量调节，具有实时位移调节能力，可以满足光刻物镜装调和维护时的六自由度位移精密调节需求，本发明还提供了具有上述光学元件六自由度定位调节装置的投影物镜和光刻机。

Description

光学元件六自由度定位调节装置、投影物镜及光刻机

技术领域

本发明涉及光刻投影物镜技术领域，具体涉及一种光学元件六自由度纳米定位调节装置、投影物镜和光刻机。

背景技术

随着集成电路特征线宽的不断减小，极大规模集成电路制造所需的光刻物镜的精度要求越来越高。光刻物镜中用于补偿光学系统倍率、像散、畸变、场曲和球差等指标的光学元件多自由度调节机构的精度要求也越来越高。

机构的调节量一般为微米级，而其定位精度往往需达到纳米级。传统的齿轮齿条、丝杠螺母、凸轮和蜗轮蜗杆等调节机构远不能满足多个自由度纳米定位的使用要求。

为了达到近乎苛刻的成像效果，迫切需要高精度的光学元件多自由度纳米定位机构。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光学元件六自由度纳米定位调节装置、投影物镜和光刻机，可实现光学元件六个自由度纳米级精度调节，特别适用于六个自由度定位精度要求极高的光学系统应用场合。

第一方面，本发明实施例中提供一种光学元件六自由度定位调节装置，包括镜筒，三组用于进行双自由度调节的调节支链，用于承载光学元件的支撑镜框，所述支撑镜框的下表面分别与所述调节支链的上部输出端连接，所述调节支链的下端安装面与所述镜筒的上表面固定连接,在每个调节支链的带动下，所述镜框可产生两个自由度的位移，所述镜框带动所述光学元件实现六自由度精密位移调节。

可选地，所述镜筒为回转对称形结构，所述镜筒的上表面为安装基准面，通过三组安装螺钉孔连接三个调节支链，所述镜筒以其外圆柱面作为集成到投影物镜的同轴安装基准面。

可选地，所述调节支链包括：一个调节支链本体、两个驱动器、两个传感器被测面、两个驱动杆和两个传感器，建立所述调节支链的局部坐标系，将平行于投影物镜光轴的方向作为Z轴方向，将垂直于Z轴且平行于投影物镜径向的方向作为X轴方向，将垂直X轴和Z轴的方向作为Y轴方向，构成右手直角坐标系作为调节支链和调节支链本体的局部坐标系。

可选地，所述调节支链本体的固定端具有一组安装螺钉孔且所述螺钉的数量和尺寸与所述镜筒上表面的安装螺钉孔的数量和尺寸匹配，以将所述调节支链固定在所述镜筒的上表面上。

可选地，所述两个驱动器基于局部坐标系X轴对称地安装在所述驱动器的安装面处，所述驱动器的输出端连接一个驱动杆，所述驱动杆的另一端连接杠杆臂，所述驱动器推拉所述驱动杆运动实现沿Y轴和沿Z轴的平移运动，并带动所述支撑镜框和所述光学元件沿Y轴和Z轴平移。

可选地，所述两个传感器基于局部坐标系X轴对称地安装在所述传感器安装孔处，每个传感器的测头前端设有传感器被测面，所述传感器被测面固定在传感器被测面安装孔处。

可选地，所述杠杆臂通过杠杆支点连接所述固定端，通过第一x向柔性板簧连接第一连杆，所述第一x向柔性板簧带动第一连杆绕X轴转动；

所述第一连杆通过第二y向柔性板簧连接第二连杆，所述第二y向柔性板簧带动所述第二连杆绕Y轴转动；

所述第二连杆通过第一y向柔性板簧连接第三连杆，所述第一y向柔性板簧带动第三连杆绕Y轴转动；

所述第三连杆通过第二x向柔性板簧连接输出端，所述第二x向柔性板簧带动所述输出端绕X轴转动；

所述输出端的上表面设有定位销孔和安装孔，通过所述定位销孔和所述安装孔将调节支链固定安装在支撑镜框的下表面上。

可选地，所述驱动杆的输入接头连接驱动器，所述驱动杆的输出接头连接杠杆臂，y向柔性板簧和x向柔性板簧置于所述输入接头和所述输出接头之间；

所述y向柔性板簧和所述x向柔性板簧构成虎克铰链，分别具有绕着Y轴和X轴柔性转动；

所述驱动杆通过柔性针连接所述输入接头和所述输出接头，所述柔性针绕着Y轴和X轴柔性转动。

可选地，所述驱动器采用压电式驱动器或磁致伸缩式驱动器。

第二方面，本发明提供一种适用于光刻机的投影物镜，包括多个光学元件以及如上述的光学元件六自由度纳米定位调节装置，其中，至少部分所述光学元件固定安装在所述光学元件六自由度纳米定位调节装置上。

第三方面，本发明提供一种光刻机，包括如上述的投影物镜。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的光学元件六自由度定位调节装置，包括镜筒，三组用于进行双自由度调节的调节支链，用于承载光学元件的支撑镜框，所述支撑镜框的下表面分别与所述调节支链的上部输出端连接，所述调节支链的下端安装面与所述镜筒的上表面固定连接,在每个调节支链的带动下，所述镜框可产生两个自由度的位移，所述镜框带动所述光学元件实现六自由度精密位移调节，通过控制六个驱动器的进给量，实现光学元件六个自由度的移动和转动位移量调节，具有实时位移调节能力，可以满足光刻物镜装调和维护时的六自由度位移精密调节需求，本发明还提供了具有上述光学元件六自由度定位调节装置的投影物镜和光刻机。

附图说明

图1为本发明实施例的光刻机的结构示意图；

图2为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的装配图；

图3为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的镜筒的示意图；

图4为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的一个调节支链的装配图；

图5为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的调节支链的示意图；

图6为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的调节支链的柔性铰链机构的局部视图；

图7为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的调节支链的柔性铰链机构的局部视图；

图8为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的调节支链的柔性铰链机构的局部视图；

图9为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的传感器被测面的示意图；

图10为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的驱动杆的示意图；

图11为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的驱动杆的示意图；

图12为本发明实施例的光学元件六自由度定位调节装置的镜框的示意图。

附图标记：1照明系统；2掩模板；3掩模台；4投影物镜；5光学元件；6可调节单元；7硅片；8硅片台；9法兰支撑；10法兰；11光轴；12镜筒；12-1安装基准面；12-2安装螺钉孔；12-3定位销孔；13调节支链；13-1调节支链本体；13-1-1定位销孔；13-1-2安装孔；13-1-3第一y向柔性板簧；13-1-4传感器被测面安装孔；13-1-5第二y向柔性板簧；13-1-6驱动器导向孔；13-1-7驱动器安装孔；13-1-8驱动器安装面；13-1-9杠杆支点；13-1-10第一x向柔性板簧；13-1-11传感器安装孔；13-1-12固定端；13-1-13杠杆臂；13-1-14第一连杆；13-1-15第二连杆；13-1-16第三连杆；13-1-17第二x向柔性板簧；13-1-18输出端；13-2驱动器；13-3传感器被测面；13-3-1安装孔；13-3-2被测面；13-4驱动杆；13-4-1输入接头；13-4-2y向柔性板簧；13-4-3输出接头；13-4-4x向柔性板簧；13-4-5柔性针；13-5传感器；14镜框；14-1安装基准面；14-2安装螺钉孔；14-3外圆柱面；14-4光学元件支撑脚。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例中提供的光学元件六自由度定位调节装置，适用于光刻机的投影物镜，结合图1所示，给出了光刻机的结构示意图，其包括：照明系统1、掩模台3、投影物镜4和硅片台8，光轴11为投影物镜的光轴。其中，投影物镜4包括：由一系列光学元件5组成的光学系统、可调节单元6、法兰支撑9和法兰10。掩模台3起到支撑和精密定位掩模2位置的作用，硅片台8起到支撑和精密定位硅片7位置的作用，投影物镜4的主要功能是，当照明系统1曝光时，以缩小倍率将掩模2上的图案通过光学曝光的方式转印到硅片7的预定位置上。投影物镜4具有大量的光学元件5，其中部分光学元件5的位移需要精确调节，以实现系统的功能。光学元件5通过可调节单元6调节其位移，并安装到投影物镜4的镜筒侧壁上。

本发明提出的光学元件六自由度定位调节装置，即可调节单元6，用于实现光学元件的六自由度精密定位，结合图2所示。光学元件六自由度定位调节装置包括镜筒12、三个调节支链13、和支撑镜框14。光学元件5粘接于支撑镜框14内，支撑镜框14的下表面连接三个调节支链13的上部输出端，调节支链13的下端安装面和镜筒12上表面固定连接，三个调节支链13安装于镜筒12的上表面上。

结合图3所示，所述的镜筒12为回转对称形结构，其上表面为安装基准面12-1，通过三组安装螺钉孔12-2连接三个调节支链13。镜筒12以其外圆柱面作为集成到投影物镜4的同轴安装基准面，可以同轴安装到投影物镜的内壁，从而将光学元件六自由度定位调节装置安装在投影物镜的内壁，并利用该装置来调节其上的光学元件5在投影物镜4光学系统中相对于其他光学元件的位置。

结合图4、图5、图6、图7和图8所示，调节支链13包括：一个调节支链本体13-1，两个驱动器13-2，两个传感器被测面13-3，两个驱动杆13-4和两个传感器13-5。建立调节支链的局部坐标系，将平行于投影物镜(光学元件六自由度定位调节装置，或者镜筒12)光轴11的方向作为Z轴方向，将垂直于Z轴且平行于投影物镜(光学元件六自由度定位调节装置，或者镜筒12)径向的方向作为X轴方向，将垂直X轴和Z轴的方向作为Y轴方向，构成右手直角坐标系作为调节支链13和调节支链本体13-1的局部坐标系。

所述的调节支链本体13-1，固定端13-1-12的底端具有一组安装螺钉孔，其数量和尺寸与镜筒12上表面的安装螺钉孔的数量和尺寸匹配，以将调节支链13固定在镜筒12的上表面上。

两个驱动器13-2关于局部坐标系X轴对称地安装在驱动器安装面13-1-8处，驱动器13-2的输出端连接一个驱动杆13-4，驱动杆的另一端连接杠杆臂13-1-13。驱动器13-2可以推拉驱动杆13-4运动，驱动杆13-4带动输出端13-1-18实现沿Y轴和沿Z轴的平移运动，并带动支撑镜框14和光学元件5沿Y轴和Z轴平移，实现两个自由度的微位移调节。

两个传感器13-5关于局部坐标系X轴对称地安装在传感器安装孔13-1-11处，每个传感器13-5的测头前端有一个精修的传感器被测面13-3，该被测面固定在传感器被测面安装孔13-1-4处。

杠杆臂13-1-13通过杠杆支点13-1-9连接固定端13-1-12，通过第一x向柔性板簧13-1-10连接第一连杆13-1-14，该板簧可以实现第一连杆13-1-14绕X轴的转动功能。

第一连杆13-1-14通过第二y向柔性板簧13-1-5连接第二连杆13-1-15，该板簧可以实现第二连杆13-1-15绕Y轴的转动功能。

第二连杆13-1-15通过第一y向柔性板簧13-1-3连接第三连杆13-1-16该板簧可以实现第三连杆13-1-16绕Y轴的转动功能。此外，

第一y向柔性板簧13-1-3和第二y向柔性板簧13-1-5组成移动铰链，实现第三连杆13-1-16沿着X轴的移动功能。

第三连杆13-1-16通过第二x向柔性板簧13-1-17连接输出端13-1-18，该板簧可以实现输出端13-1-18绕X轴的转动功能。

输出端13-1-18的上表面有一个定位销孔13-1-1和一组安装孔13-1-2，以将调节支链13固定安装在支撑镜框14的下表面上。

杠杆臂13-1-13、第一连杆13-1-14、第二连杆13-1-15、第三连杆13-1-16和输出端13-1-18组成连杆组件，作为驱动器的调节对象。

由此可见，本发明的调节支链为分体式结构，其易于加工，使用常规的车削、铣削和电火花线切割即可加工，易于实现。此外，

本发明采用的上述柔性铰链机构，调节行程微小，可以获得几十至100μm级的调节行程，具有较大的光学元件承载能力。此外，

本发明采用的驱动器13-2可以采用压电式、磁致伸缩式等驱动方式，以实现纳米级驱动。此外，

本发明通过控制六个驱动器的进给量，实现光学元件六个自由度的移动和转动位移量调节，具有实时位移调节能力，可以满足光刻物镜装调和维护时的六自由度位移精密调节需求。

结合图9所示，传感器被测面13-3为L形结构，其通过安装孔13-3-1固定安装在传感器被测面安装孔13-1-4处，以此将被测面13-3-2置于传感器13-5的上方有效测量距离之内。

结合图10所示，驱动杆13-4的输入接头13-4-1连接驱动器13-2，输出接头13-4-3连接杠杆臂13-1-13。y向柔性板簧13-4-2和x向柔性板簧13-4-4置于输入接头13-4-1和输出接头13-4-3之间。

y向柔性板簧13-4-2和x向柔性板簧13-4-4构成虎克铰链，分别具有绕着Y轴和X轴的转动柔性，避免杠杆转动产生的剪切力传递到驱动器13-2。此外，

结合图11所示，驱动杆13-4也可用该形式，即通过柔性针13-4-5连接输入接头13-4-1和输出接头13-4-3，柔性针13-4-5具有绕着Y轴和X轴的转动柔性。

结合图12所示，支撑镜框14为回转对称形结构，其上表面和下表面为安装基准面14-1，通过三组安装螺钉孔14-2连接三个调节支链13的安装孔13-1-2。三组安装螺钉孔14-2相邻两个之间的分布角度分别为α、β、δ，分布角度之间可以相等也可以不相等。支撑镜框14以其外圆柱面14-3作为光学元件5的同轴安装基准，并通过其内周的光学元件支撑脚14-4以粘接的方式固定光学元件5。

本发明光学元件六自由度微位移调节装置的工作过程为：

根据控制系统指令，每个调节支链13的驱动器13-2输出一定的位移，通过驱动杆13-1-13一端带动杠杆臂13-1-13转动，经由第一x向柔性板簧13-1-10、第一连杆13-1-14、第二y向柔性板簧13-1-5、第二连杆13-1-15、第一y向柔性板簧13-1-3、第三连杆13-1-16、第二x向柔性板簧13-1-17和输出端13-1-18，带动支撑镜框14和光学元件5沿Y轴平移或沿Z轴平移，从而实现光学元件两自由度微位移调节，通过上述方式控制三个调节支链13，即可实现光学元件六自由度纳米定位。

本发明提供的光学元件六自由度定位调节装置可以同时实现六个自由度位移调节，特别适用于对六个自由度都很敏感的光学元件重新定位。

本发明还提供了一种适用于光刻机的投影物镜，包括多个光学元件5以及若干光学元件六自由度定位调节装置，其中至少部分光学元件5固定安装在上述光学元件六自由度定位调节装置上。

本发明还提供了一种光刻机，其包括上述投影物镜，以及照明系统1、掩模台3、硅片7和硅片台8，其中，投影物镜4包括：由一系列光学元件5组成的光学系统、可调节单元6、法兰支撑9和法兰10。掩模台3起到支撑和精密定位掩模2位置的作用，硅片台8起到支撑和精密定位硅片7位置的作用，投影物镜4的主要功能是，当照明系统1曝光时，以缩小倍率将掩模2上的图案通过光学曝光的方式转印到硅片7的预定位置上。投影物镜4具有大量的光学元件5，其中部分光学元件5的位移需要精确调节，以实现系统的功能。光学元件5通过可调节单元6调节其位移，并安装到投影物镜4的镜筒侧壁上。

本发明提供的方案可以同时实现六个自由度位移调节，特别适用于对六个自由度都很敏感的光学元件重新定位。通过控制六个驱动器的进给量，实现光学元件六个自由度的移动和转动位移量调节，具有实时位移调节能力，可以满足光刻物镜装调和维护时的六自由度位移精密调节需求。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种光学元件六自由度纳米定位调节装置、投影物镜和光刻机进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，包括：

镜筒；

三组用于进行双自由度调节的调节支链；

用于承载光学元件的支撑镜框；

所述支撑镜框的下表面分别与所述调节支链的上部输出端连接，所述调节支链的下端安装面与所述镜筒的上表面固定连接,在每个调节支链的带动下，所述镜框可产生两个自由度的位移，所述镜框带动所述光学元件实现六自由度精密位移调节；所述调节支链包括：一个调节支链本体、两个驱动器、两个传感器被测面、两个驱动杆和两个传感器。

2.根据权利要求1所述的光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，所述镜筒为回转对称形结构，所述镜筒的上表面为安装基准面，通过三组安装螺钉孔连接三个调节支链，所述镜筒以其外圆柱面作为集成到投影物镜的同轴安装基准面。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，建立所述调节支链的局部坐标系，将平行于投影物镜光轴的方向作为Z轴方向，将垂直于Z轴且平行于投影物镜径向的方向作为X轴方向，将垂直X轴和Z轴的方向作为Y轴方向，构成右手直角坐标系作为调节支链和调节支链本体的局部坐标系。

4.根据权利要求3所述的光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，所述调节支链本体的固定端具有一组安装螺钉孔且所述螺钉的数量和尺寸与所述镜筒上表面的安装螺钉孔的数量和尺寸匹配，以将所述调节支链固定在所述镜筒的上表面上。

5.根据权利要求3所述的光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，所述两个驱动器基于局部坐标系X轴对称地安装在所述驱动器的安装面处，所述驱动器的输出端连接一个驱动杆，所述驱动杆的另一端连接杠杆臂，所述驱动器推拉所述驱动杆运动实现沿Y轴和沿Z轴的平移运动，并带动所述支撑镜框和所述光学元件沿Y轴和Z轴平移。

6.根据权利要求3所述的光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，所述两个传感器基于局部坐标系X轴对称地安装在所述传感器安装孔处，每个传感器的测头前端设有传感器被测面，所述传感器被测面固定在传感器被测面安装孔处。

7.根据权利要求5所述的光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，所述杠杆臂通过杠杆支点连接所述固定端，通过第一x向柔性板簧连接第一连杆，所述第一x向柔性板簧带动第一连杆绕X轴转动；

所述第一连杆通过第二y向柔性板簧连接第二连杆，所述第二y向柔性板簧带动所述第二连杆绕Y轴转动；

所述第二连杆通过第一y向柔性板簧连接第三连杆，所述第一y向柔性板簧带动第三连杆绕Y轴转动；

所述第三连杆通过第二x向柔性板簧连接输出端，所述第二x向柔性板簧带动所述输出端绕X轴转动；

所述输出端的上表面设有定位销孔和安装孔，通过所述定位销孔和所述安装孔将调节支链固定安装在支撑镜框的下表面上。

8.根据权利要求3所述的光学元件六自由度定位调节装置，其特征在于，所述驱动杆的输入接头连接驱动器，所述驱动杆的输出接头连接杠杆臂，y向柔性板簧和x向柔性板簧置于所述输入接头和所述输出接头之间；

所述y向柔性板簧和所述x向柔性板簧构成虎克铰链，分别具有绕着Y轴和X轴柔性转动；

所述驱动杆通过柔性针连接所述输入接头和所述输出接头，所述柔性针绕着Y轴和X轴柔性转动。

9.一种适用于光刻机的投影物镜，其特征在于，包括多个光学元件以及如权利要求1-8中任一项所述的光学元件六自由度纳米定位调节装置，其中，至少部分所述光学元件固定安装在所述光学元件六自由度纳米定位调节装置上。

10.一种光刻机，其特征在于，包括如权利要求9所述的投影物镜。