CN109407469A - 像差补偿装置和方法、光刻投影物镜及其像差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种像差补偿装置和方法、光刻投影物镜及其像差补偿方法，该像差补偿装置用于对一光学成像系统进行像差补偿和校正，所述像差补偿装置包括磁流变液反射镜、用于调整所述磁流变液反射镜的磁场发生装置、波前探测器及与所述波前探测器连接的计算机控制器，所述波前探测器和磁流变液反射镜沿光路依次设置在所述光学成像系统中。本发明通过设置磁流变液反射镜，其通过改变磁流变液中磁体的位置改变反射镜面型，以实现对像质的补偿，并且可以在补偿所有像差的同时不引起任何像差的增加；本发明选择磁流变液反射镜，可以通过调整磁流变液中磁体的位置改变反射镜的形状，进而生成任何新的高阶Zernike补偿面型，无串扰影响。

Description

像差补偿装置和方法、光刻投影物镜及其像差补偿方法

技术领域

本发明涉及像差补偿，特别涉及一种像差补偿装置和方法、光刻投影物镜及其像差补偿方法。

背景技术

目前在半导体封装领域，半导体制作及封装集成技术飞速发展，对制造集成电路芯片的光刻物镜提出了更高的要求。只有投影曝光用的光学成像系统具有良好的像质补偿能力，才能使芯片制备时曝光区域的像质满足要求。集成电路芯片的尺寸在不断做小，要求光刻投影物镜的分辨率和成像质量不断提高，因此光刻投影物镜的像差指标需要不断收严。因此，提高光学成像系统像质质量，是制备综合性能良好芯片的关键因素。

目前高精度的光刻投影物镜的装调难度大，曝光状态下，由于外界环境的干扰以及镜片材料的双折射等多种因素的影响，导致光刻投影物镜像差的像质变差，需要对像质进行补偿，满足最终芯片的制造要求。现阶段主要通过对机械和环境提出严格的装配应力指标和环境控制，但该方案很难实现。

光刻投影物镜像质补偿方案主要有以下几种：

一：在镜片边缘增加热阻机构，通过在高热量位置安装具有高的导热率机构，低热量位置安装具有低的导热率机构，实现镜片表面具有对称的热分布，这样使投影物镜具有对称的热变形和热折射变，这样补偿了由热引进的不对称像质，最终的像质分布中只有对称的像差，利于补偿。但由于控制温差较大，所以控制的难度很大。

二：传统形式的像质补偿是通过选择补偿器，通过选择可动镜片对热效应进行补偿，但可动镜片对于非对称性像差的补偿能力差，可补偿的像质项较为局限，无法满足补偿所有像差的能力。

三：在反射镜上安装薄膜压电单元，通过加力的方式改变镜片面型。镜面形状的控制通过机械驱动(压电驱动)和实时位置传感器检测，精确和快速反应像差控制，但是此装置中增加很多冷却装置、温度控制装置及温度检测装置，所以整个装置的结构比较复杂。

四：通过旋转热补偿组和平板组合的角度产生不同的面型对热效应进行补偿，但热补偿组的特殊镜片面型加工和检测难度高。

五：通过主动变型机构(ALE)产生外力驱动镜片发生形变，改变镜片面型，实现热效应补偿，但可补偿项较少，较为局限。

发明内容

本发明提供一种像差补偿装置和方法、光刻投影物镜及其像差补偿方法，以实现对热效应引起的非对称性像差进行实时补偿。

为解决上述技术问题，本发明提供一种像差补偿装置，用于对一光学成像系统进行像差补偿和校正，所述像差补偿装置包括磁流变液反射镜、用于调整所述磁流变液反射镜的磁场发生装置、波前探测器及与所述波前探测器连接的计算机控制器，所述波前探测器和磁流变液反射镜沿光路依次设置在所述光学成像系统中。

作为优选，所述磁流变液反射镜包括：可变形反射镜和与所述可变形反射镜一体式设置的磁流变液。

作为优选，所述磁流变液包括铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂。

本发明还提供一种光刻投影物镜，包括沿光路依次设置的第一投影物镜组、所述的像差补偿装置和第二投影物镜组。

作为优选，所述磁场发生装置包括电磁线圈和与所述电磁线圈连接的电流控制装置。

作为优选，所述第一投影物镜组包括若干第一透镜，物方光线依次通过所述第一透镜，照射在所述磁流变液反射镜上。

作为优选，所述第二投影物镜组包括若干第二透镜，经磁流变液反射镜的反射光依次通过各第二透镜，达到像方位置。

作为优选，所述第一投影物镜组与所述磁流变液反射镜之间还设置有孔径光阑。

本发明还提供一种像差补偿方法，包括：

步骤1：对光学成像系统的像质进行检测，获取像质测试数据；

步骤2：根据像质测试数据对光学成像系统的全视场下的zernike项的分布进行计算，得出全视场下每个Zernike系数的常数项；

步骤3：将全视场下每个Zernike系数的常数项转化为光学成像系统中以磁流变液反射镜的磁流体位置的调整量；

步骤4：根据所述磁流变液反射镜中磁流体位置的调整量调整所述磁流变液反射镜的面型；

步骤5：重复步骤1-4，直至所述光学成像系统中的像差位于设定阈值内。

作为优选，所述步骤3中：将每个zernike系数的常数项除以波长值的结果，将上述结果带入zernike系数与相对视场的关系公式，对上述计算的结果进行加和并取反号，得到相对视场下磁流变液反射镜的调整量，将数据乘以波长获得实际的调整量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过设置磁流变液反射镜，其通过改变磁流变液中磁体的位置改变反射镜面型，以实现对像质的补偿，并且可以在补偿所有像差的同时不引起任何像差的增加；

2、本发明选择磁流变液反射镜，可以通过调整磁流变液中磁体的位置改变反射镜的形状，进而生成任何新的高阶Zernike补偿面型，无串扰影响；

3、本发明的初始面型为平面反射镜，所以不需要加工非常复杂的面型，与现有技术中通过旋转热补偿组和平板组合的角度产生不同的面型相比，本发明具有更好的灵活性，可以实时补偿像像差；

4、本发明在进行像质补偿时，不但可生成所有复杂面型，而且可以将补偿范围扩大为所有像差的常数项；

5、本发明的调整精度高、控制容易、调整范围广，可以很精确的补偿所有大范围像差随视场分布的常数项，完全避免了在等厚变形机构中进行像质补偿时需要很大外力对厚度比较大镜片产生所需面型中调整精度不高、调整量不准确等一系列问题；

6、本发明不需要加工非常复杂的面型，结构设计简单、成本低，而且操作方便。

附图说明

图1为本发明的光刻投影物镜的结构原理图；

图2为本发明的像差补偿装置的光路示意图；

图3为本发明中磁流变液反射镜的结构示意图；

图4为本发明中磁流变液反射镜变形后的结构示意图；

图5为本发明中波前探测器接收的Z5的面型平面图；

图6为本发明中波前探测器接收的Z5的面型三维图；

图7为本发明采用磁流变液反射镜改变Z5面型的平面图；

图8为本发明采用磁流变液反射镜改变Z5面型的三维图；

图9为本发明采用补偿Z5后的Z5的分布图；

图10为本发明中波前探测器接收的Z20的面型平面图；

图11为本发明中波前探测器接收的Z20的面型三维图；

图12为本发明采用磁流变液反射镜改变Z20面型的平面图；

图13为本发明采用磁流变液反射镜改变Z20面型的三维图；

图14为本发明采用补偿Z20后的Z20的分布图。

图中所示：10-第一投影物镜组、101-第一透镜、20-磁流变液反射镜、201-可变形反射镜、202-磁流变液、30-第二投影物镜组、301-第二透镜、40-波前探测器、50-计算机控制器、60-物方位置、70-像方位置、80-孔径光阑。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明光学成像系统，包括：沿着光路依次设置的第一投影物镜组10、孔径光阑80、像差补偿装置和第二投影物镜组30。其中，所述第一投影物镜组10包括若干第一透镜101，所述第二投影物镜组30包括若干第二透镜301，所述像差补偿装置包括磁流变液反射镜20、用于调整所述磁流变液反射镜20的磁场发生装置、波前探测器40及与所述波前探测器40连接的计算机控制器50，所述波前探测器40和磁流变液反射镜20沿光路依次设置在所述光学成像系统中。本实施例中的光学成像系统为光刻投影物镜。

如图2所示，物方位置60处的光线(经过物的光线)经上述各第一透镜101后，经孔径光阑80投射到磁流变液反射镜20上，反射光依次通过第二透镜301后，到达像方位置70处。光状态下光刻投影物镜中透镜的热变形以及热折变引起的像差和光刻投影物镜(特别是前道光刻机)的装调误差引起的像差可以通过改变所述磁流变液反射镜20的面型进行补偿。具体地，本发明是通过波前探测器40对光刻投影物镜的整个像质实现探测，获取像质测试数据，并通过将该像质测试数据传输给计算机控制器50，计算出磁流变液反射镜20的调整量，最终根据调整量改变磁流变液反射镜20面型，实现像质的补偿。

磁流变液反射镜20的调整量主要是通过控制磁力的大小实现的。具体如图3和图4所示，所述磁流变液反射镜20包括可变形反射镜201和与所述可变形反射镜201一体式连接的磁流变液202。磁流变液202由铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂三种物质构成。在磁流变液202中，每一个铁磁性易磁化颗粒都可当做一个小的磁体。无磁场作用时，铁磁性易磁化颗粒随机分散在载液中，当有磁场作用时，铁磁性易磁化颗粒由于极化产生偶极距，这些极化粒子在磁场作用下相互吸引，沿磁场方向排成链状结构，从而产生了抵抗剪切应力的作用，外观表现为类固态，磁流变液202的抗剪能力随磁场变化而变化。当移去磁场后，磁流变液202立即恢复到自由流动状态，磁流变效应的响应时间很短，一般为毫秒级，并且固液态之间的转化具有可逆性。通过改变不同区域的磁场的强度大小和方向，改变该区域铁磁性易磁化颗粒的分布，将磁流变液202与可变形反射镜201组合使用，能够很准确的得到所需的磁流变液反射镜20的面型，这样能够准确的实现像质的矫正。

作为优选，所述磁场发生装置包括电磁线圈和用于控制所述电磁线圈内电流的电流控制装置。所述电流控制装置能够控制输出符合磁流变液特性范围的精度高、动态响应快的电流。利用电流控制装置改变电磁线圈中的流过电流大小，从而获得不同强度的磁场，使磁流变液202的流动性发生变化，并使不同区域的磁体所受的磁力不同，最终控制磁体的位置。

继续参照图1至图4，本发明还提供一种光刻投影物镜的像差补偿方法，包括：

步骤1：波前探测器40对光刻投影物镜的像质进行检测，获取像质测试数据，并将数据结果传递至计算机控制器50；

步骤2：根据所述像质测试数据对光刻投影物镜的全视场下的zernike项的分布进行计算，得出全视场下每个Zernike系数的常数项；具体为，先根据表1的Zernike项与相对视场的对应关系公式计算1到36项Zernike系数随视场分布的数值，对每1项的Zernike系数进行拟合，计算得出全视场下每个Zernike系数的常数项；

表1：Zernike项与相对视场的对应关系公式

表1中的x、y代表相对视场坐标下磁流变液反射镜20的位置坐标。

步骤3：将得到的全视场下每个Zernike系数的常数项转化为所述光刻投影物镜中一磁流变液反射镜20的测流体位置的调整量；具体操作步骤为：将每个zernike系数的常数项除以波长值的结果带入zernike系数与相对视场的关系公式，得到不同视场位置处的磁流变液反射镜20的调整量，对上述计算的结果进行加和并取反号，得到相对视场下磁流变液反射镜20的调整量，此时的移动量为波长，将相对视场下磁流变液反射镜20的调整量的数据乘以波长获得实际的调整量。

步骤4：所述计算机控制器50根据上述计算得出的所述磁流变液反射镜中磁流体位置的调整量，调整所述磁流变液反射镜20的面型；

步骤5：重复步骤1-4，直至所述光刻投影物镜中的像差处于设定阈值内。

本发明建立了完整的利用磁流变液反射镜技术提高像质质量的新方法，得到了在相对视场下不同位置磁流变液202中磁体位置的调整量，进而可以完成所有像差随视场分布常数项实时补偿任务。由此可知，本发明可以实现前道光刻投影物镜中非对称热效应以及加工公差、装配公差引起的像差补偿任务的可行性，为今后生产高质量光刻投影物镜发展具有重要意义并奠定了坚实的基础。

下面以波像差中像散项Z5(像散@45°&离焦)为例进行说明，图5表示的是波前探测器40接收到的Z5的面型平面图，其中也包括面型中的数据，图6是波前探测器40接收到的Z5的面型三维图。这样通过磁流变液反射镜20变形，形成与波前探测器40接收的Z5的面型图相反的面型，能够对Z5实现补偿，磁流变液反射镜20的变形后的面型如图7所示，图8为磁流变液反射镜20变形后的三维图。补偿后Z5的分布如图9所示，可以看出已将Z5全部补偿。

本发明还可以对高阶波像差进行补偿，以七级像差Z20为例进行说明。图10表示的是波前探测器40接收到的Z20的面型平面图，也包括面型中的数据，图11是波前探测器40接收到的Z20的面型三维图，这样通过磁流变液反射镜20变形，形成与波前探测器40接收的Z20的面型图相反的面型，能够对Z20实现补偿，磁流变液反射镜20的变形后的面型如图12所示，图13为磁流变液反射镜20变形后的三维图。补偿后Z20的分布的平面图如图14所示，可以看出已将Z20全部补偿。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种像差补偿装置，用于对一光学成像系统进行像差补偿和校正，其特征在于，所述像差补偿装置包括磁流变液反射镜、用于调整所述磁流变液反射镜的磁场发生装置、波前探测器及与所述波前探测器连接的计算机控制器，所述波前探测器和磁流变液反射镜沿光路依次设置在所述光学成像系统中。

2.如权利要求1所述的像差补偿装置，其特征在于，所述磁流变液反射镜包括：可变形反射镜和与所述可变形反射镜一体式设置的磁流变液。

3.如权利要求2所述的像差补偿装置，其特征在于，所述磁流变液包括铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂。

4.如权利要求1所述的像差补偿装置，其特征在于，所述磁场发生装置包括电磁线圈和与所述电磁线圈连接的电流控制装置。

5.一种包括如权利要求1-4任一所述的像差补偿装置的光刻投影物镜，其特征在于，包括沿光路依次设置的第一投影物镜组、所述像差补偿装置和第二投影物镜组。

6.如权利要求5所述的光刻投影物镜，其特征在于，所述第一投影物镜组包括若干第一透镜，物方光线依次通过所述第一透镜，照射在所述磁流变液反射镜上。

7.如权利要求6所述的光刻投影物镜，其特征在于，所述第二投影物镜组包括若干第二透镜，经磁流变液反射镜的反射光依次通过各第二透镜，达到像方位置。

8.如权利要求5所述的光刻投影物镜，其特征在于，所述第一投影物镜组与所述磁流变液反射镜之间还设置有孔径光阑。

9.一种像差补偿方法，其特征在于，包括：

步骤1：对一光学成像系统的像质进行检测，获取像质测试数据；

步骤2：根据所述像质测试数据对光学成像系统的全视场下的zernike项的分布进行计算，得出全视场下每个Zernike系数的常数项；

步骤3：将得到的全视场下每个Zernike系数的常数项转化为所述光学成像系统中一磁流变液反射镜的磁流体位置的调整量；

步骤4：根据所述磁流变液反射镜中磁流体位置的调整量调整所述磁流变液反射镜的面型；

步骤5：重复步骤1-4，直至所述光学成像系统中的像差位于设定阈值内。

10.如权利要求9所述的像差补偿方法，其特征在于，所述步骤3中：将每个zernike系数的常数项除以波长值的结果带入zernike系数与相对视场的对应关系公式，对上述计算的结果进行加和并取反号，得到相对视场下磁流变液反射镜的调整量，将数据乘以波长获得实际的调整量。

11.一种采用如权利要求9-10中任一所述方法补偿光刻投影物镜的像差的方法，所述光学成像系统为光刻投影物镜。