CN113568281A - 一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统，其作用是把投影光刻机掩模版上的图形经过成像复制后转移到硅片上。本发明所涉及的大视场投影曝光物镜系统由20片透镜组成，物镜系统分辨力700nm，放大倍率为‑0.25倍，曝光视场44mm×44mm。本投影曝光物镜系统共轭距(物方到像方)为L＝740mm，系统结构紧凑；同时，选用对i线(365nm)透过率较高的玻璃材料，提高系统光学透过率，采用球面校正系统场曲、畸变和波像差，满足大视场投影光刻机的高精度及高产率需求。

Description

一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统

技术领域

本发明涉及一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统，用于大面积平板显示的投影光刻机，属于微电子设备及微细加工领域。

背景技术

以大规模集成电路为核心的微电子技术的快速发展，对微电子设备和微细加工技术提出了新的要求。自1978年美国推出第一台商业化的投影式光刻机，光学投影曝光作为应用领域最广、技术更新快和生命力强的微细加工技术，是驱动微电子技术进步的核心。大规模集成电路的发展，要求在较大面积的芯片上容纳越来越精细的线条，高精度(微米级)、大曝光场的光刻机需求日益增加。为提高投影光刻的生产效率，物镜曝光视场从早期的几毫米逐步增大到几十毫米，对投影物镜的设计提出了更高的要求。

目前，大面积曝光投影光刻机市场主要由日本尼康(Nikon)和佳能(Canon)公司占据。日本专利JP2000199850A介绍一种倍率-1/0.6的投影物镜。该物镜系统由37片透镜组成，其中包含一个非球面，系统NA0.1，视场为100×100mm。

日本专利JP2002072080A介绍一组由32片透镜和4个非球面组成的大面积投影曝光物镜，系统NA为0.145，曝光视场为100×100mm。

日本专利JP2006267383A提供一种NA为0.145，放大倍率为-1.25的大面积投影曝光物镜。系统由27片透镜组成，包含一个非球面，曝光视场为132×132mm。

日本专利JP2007079015A提供一种数值孔径NA为0.225，分辨力为1μm的投影物镜。该物镜系统由32片透镜组成，包含7个非球面，曝光视场面积为132×132mm。

美国专利US2009080086A提供一组数值孔径NA由0.02-0.25的投影物镜。此组投影曝光物镜均采用对称结构，物镜前半部分和后半部分关于光阑对称，放大倍率为-1，曝光半视场为50mm。

国内开展大面积投影光刻机研制的单位主要包括上海微电子装备有限公司、中科院光电技术研究所等单位。中国专利CN102401980A介绍了一种大面积投影曝光物镜，用17片透镜完成1.6倍放大倍率的投影物镜设计，曝光半视场为100mm。

中国专利CN102279457A利用对称结构，完成数值孔径NA为0.15，曝光视场为200mm的投影物镜设计。

发明内容

针对大面积投影光刻机对投影光刻物镜的像质和成像尺寸提出的新要求，本发明旨在设计一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统，满足高精度光刻机需求。为减小掩模及硅片由于位置变化引起的倍率误差和对准误差，并完成掩模和硅片的同轴对准，投影光学系统应采用双远心结构。

本发明采用的技术方案为：

一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统，该物镜系统采用双远心结构，即物镜物方和像方的主光线与光轴平行；该物镜系统分为前后两部分：透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ，光阑位于透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ的共焦面；透镜组Ⅰ由第一正光焦度透镜组(1)、负光焦度透镜组(2)、第二正光焦度透镜组(3)三组透镜组成，透镜组Ⅱ由第三正光焦度透镜组构成。

其中，透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ至少由20片透镜组成。

其中，当透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ包括20片透镜时，该20片透镜按照从前往后的顺序分别通过L1～L20表示，透镜组Ⅰ由L1～L13组成，其中，透镜组Ⅱ由L14～L20组成，其中，L2、L4～L6、L12～L13、L19为负透镜，其余均为正透镜。

其中，所述透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ组成的所述物镜系统放大倍率为-0.25。

其中，透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ组成的所述物镜系统的工作波长为365±2nm，选用不同色散特性的材料校正系统色差，具体的：

正透镜L1、L3、L8～L11、L14～L17、L20以及负透镜L2、L4、L13采用冕玻璃，其材料特性满足：

1.51<N_d<1.53

60.16<V_d<66.02

其中，N_d为冕玻璃的折射率；V_d为其对应的色散系数；

负透镜L5～L6、L12、L19以及正透镜L7采用火石玻璃，其材料特性满足：

1.59<N_d<1.61

36.95<V_d<42.76

其中，N_d为透镜L5～L7、L12、L19的折射率；V_d为其对应的色散系数。

其中，该物镜系统的物像共轭距不超过740mm，即系统总长小于等于740mm；物方工作距不小于72mm，像方工作距不小于18mm。

其中，该物镜系统数值孔径NA为0.38，分辨力为700nm；曝光视场为44mm×44mm；场曲优于±2μm；畸变优于±0.02μm，满足高精度大面积光刻机需求。

透镜组Ⅰ由第一正透镜L1、第一负透镜L2、第二正透镜L3、第二负透镜L4、第三负透镜L5、第四负透镜L6、第三正透镜L7、第四正透镜L8、第五正透镜L9、第六正透镜L10、第七正透镜L11和第五负透镜L12、第六负透镜L13组成；透镜组Ⅱ由第八正透镜L14、第九正透镜L15、第十正透镜L16、第十一正透镜L17、第十二正透镜L18、第七负透镜L19、第十三正透镜L20组成。

所述第一正光焦度透镜组(1)由3片透镜组成，分别为双凸正透镜L1、弯月负透镜L2、双凸正透镜L3；

所述负光焦度透镜组(2)由3片透镜组成，分别为弯月负透镜L4、双凹负透镜L5，弯月负透镜L6；

所述第二正光焦度透镜组(3)由7片透镜组成，分别为双凸正透镜L7、双凸正透镜L8、双凸正透镜L9、双凸正透镜L10、双凸正透镜L11、双凹负透镜L12和双凹负透镜L13；

所述第三正光焦度透镜组(4)由7片透镜组成，分别为弯月正透镜L14、双凸正透镜L15、双凸正透镜L16、平凸正透镜L17、双凸正透镜L18、双凹负透镜19、双凸正透镜L20。

本发明所述的大视场投影曝光物镜系统，应用于i线(365nm)曝光光刻机，玻璃选用对i线透过率较高的材料，完成放大倍率为-0.25×投影物镜设计。投影物镜物像共轭距不超过740mm，即系统总长小于740mm；物方工作距不小于72mm，像方工作距不小于18mm，为后续物镜结构设计留出足够的空间。投影物镜数值孔径NA为0.38，分辨力为700nm；曝光视场为44mm×44mm；场曲优于±2μm；畸变优于±0.02μm，满足高精度大面积光刻机需求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)利用现有光学设计手段，采用20片物镜组成的透射结构，完成分辨率为700nm的大面积曝光投影物镜设计。在大曝光视场内较好的校正系统的色差、场曲和畸变等像差，满足目前国内处于领先水平的平板显示器光刻机的实际使用需求。

(2)采用常用的光学玻璃材料，节约光学系统的生产和装配成本。

(3)系统结构紧凑，投影物镜的物像共轭距即系统总长度不超过740mm，同时具有较大的物像方工作距，为后续投影物镜与照明系统、掩模和硅片系统的接口设计留出足够的空间，满足光刻机整体装配需求。

附图说明

本发明所述的大视场投影曝光物镜具体结构形式和像质特性以附图形式作进一步阐述：

图1为本发明所述的大视场投影曝光物镜的光学结构示意图。

图2为本发明所述的投影物镜系统的场曲和畸变示意图。

图3为本发明所述的投影物镜像差曲线示意图。

图4为本发明所述的投影物镜波差曲线示意图。

图5为本发明所述投影物镜的光学传递函数MTF曲线示意图。

图6为本发明所述的投影物镜离焦±10μm时的MTF曲线。

具体实施方式

本发明旨在提供一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统，尤其用于i线光刻机。结合附图对本发明的具体实施措施作详细说明。

根据高精度大视场投影光刻机的要求，本发明所述的投影物镜光学指标要求如下所示：

·工作波长：365±2.5nm

·分辨力：700nm

·数值孔径NA：0.38

·放大倍率：-0.25^×

·曝光视场：44mm×44mm

·物像共轭距：740mm

·物方工作距：72mm

·像方工作距：18mm

本发明所述是投影物镜系统结构如图1所示。投影物镜系统分为前后两部分透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ，光阑位于透镜组Ⅰ和Ⅱ的共焦面；前透镜组Ⅰ和后透镜组Ⅱ分别由两组透镜组成，透镜系统从掩模面到硅片面沿光轴依次由第一正光焦度透镜组(1)、负光焦度透镜组(2)、光阑、第二正光焦度透镜组(3)和第三正光焦度透镜组(4)组成。

具体的，本发明所述的投影物镜系统中：

所述第一正光焦度透镜组(1)由3片透镜组成，分别为双凸正透镜L1、弯月负透镜L2、双凸正透镜L3；

所述负光焦度透镜组(2)由3片透镜组成，分别为弯月负透镜L4、双凹负透镜L5，弯月负透镜L6；

所述第二正光焦度透镜组(3)由7片透镜组成，分别为双凸正透镜L7、双凸正透镜L8、双凸正透镜L9、双凸正透镜L10、双凸正透镜L11、双凹负透镜L12和双凹负透镜L13；

所述第三正光焦度透镜组(4)包含7片透镜，分别为弯月正透镜L14、双凸正透镜L15、双凸正透镜L16、平凸正透镜L17、双凸正透镜L18、双凹负透镜19、双凸正透镜L20。

为校正系统色差，投影物镜需选用两种以上的材料。为节约投影物镜设计成本，本发明所述的投影物镜系统选用常用的冕玻璃K9和火石玻璃F2两种材料，用于系统像差优化设计，设计结果如下表格1所示：

表格1

其中，OBJ为投影物镜物面即掩模面；IMG为投影物镜像面即硅片面；STOP为系统光阑面；INF表示半径为无穷大，即为平面。

图2为投影物镜系统的场曲和畸变，表明该投影物镜系统的场曲优于±2μm，相对畸变优于0.0001％，绝对畸变优于0.02μm。

图3所示的投影物镜像差曲线和图4所示的波像差曲线表明，投影物镜系统具有较好的像质，波像差优于±0.5λ。

图5所示的投影光刻物镜的MTF曲线。

图6所示的离焦MTF曲线表明，离焦±10μm时物镜系统的MTF≥0.8，系统具有较好的像质。

总体上，本发明所述的大视场投影曝光物镜，具有较高的像质。设计过程中，综合优化投影物镜的倍率、色差、场曲、畸变和波像差等像差，满足高精度、大面积曝光光刻机需求。本发明所详述的设计实例仅用于说明本发明的优势和合理性，凡以本发明技术方案为基础优化设计的投影物镜实例均属于本发明的范畴。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域及本领域人员所公知的技术。

Claims (8)

1.一种应用于投影光刻机的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：该物镜系统采用双远心结构，即物镜物方和像方的主光线与光轴平行；该物镜系统分为前后两部分：透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ，光阑位于透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ的共焦面；透镜组Ⅰ由第一正光焦度透镜组(1)、负光焦度透镜组(2)、第二正光焦度透镜组(3)三组透镜组成，透镜组Ⅱ由第三正光焦度透镜组构成。

2.根据权利要求1所述的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ至少由20片透镜组成。

3.根据权利要求2所述的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：当透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ包括20片透镜时，该20片透镜按照从前往后的顺序分别通过L1～L20表示，透镜组Ⅰ由L1～L13组成，透镜组Ⅱ由L14～L20组成，其中，L2、L4～L6、L12～L13、L19为负透镜，其余均为正透镜。

4.根据权利要求2所述的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：所述透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ组成的所述物镜系统放大倍率为-0.25。

5.根据权利要求3所述的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：透镜组Ⅰ和透镜组Ⅱ组成的所述物镜系统的工作波长为365±2nm，选用不同色散特性的材料校正系统色差，具体的：

1)正透镜L1、L3、L8～L11、L14～L17、L18、L20以及负透镜L2、L4、L13采用冕玻璃，其材料特性满足：

1.51<N_d<1.53

60.16<V_d<66.02

其中，N_d为冕玻璃的折射率；V_d为其对应的色散系数；

2)负透镜L5～L6、L12、L19以及正透镜L7采用火石玻璃，其材料特性满足：

1.59<N_d<1.61

36.95<V_d<42.76

其中，N_d为透镜L5～L7、L12、L19的折射率；V_d为其对应的色散系数。

6.根据权利要求1所述的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：该物镜系统的物像共轭距不超过740mm，即系统总长小于等于740mm；物方工作距不小于72mm，像方工作距不小于18mm。

7.根据权利要求1所述的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：该物镜系统数值孔径NA为0.38，分辨力为700nm；曝光视场为44mm×44mm；场曲优于±2μm；畸变优于±0.02μm，满足高精度大面积光刻机需求。

8.根据权利要求3所述的大视场投影曝光物镜系统，其特征在于：

所述第一正光焦度透镜组(1)由3片透镜组成，分别为双凸正透镜L1、弯月负透镜L2、双凸正透镜L3；

所述负光焦度透镜组(2)由3片透镜组成，分别为弯月负透镜L4、双凹负透镜L5，弯月负透镜L6；

所述第二正光焦度透镜组(3)由7片透镜组成，分别为双凸正透镜L7、双凸正透镜L8、双凸正透镜L9、双凸正透镜L10、双凸正透镜L11、双凹负透镜L12和双凹负透镜L13；

所述第三正光焦度透镜组(4)由7片透镜组成，分别为弯月正透镜L14、双凸正透镜L15、双凸正透镜L16、平凸正透镜L17、双凸正透镜L18、双凹负透镜19、双凸正透镜L20。

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