CN113866994B - 一种准直镜及像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种准直镜及像传感器，所述准直镜包括沿光束入射方向依次间隔排布的孔径光阑、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组和所述第三透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和所述第三透镜的焦距满足以下关系式：3<f2/f<5，且0.5<f3/f<2，且f1<‑0.5×f2，且0.5<f/d<0.6；其中，f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距，f为总焦距，d为所述孔径光阑限定的光斑直径。如此设计，可保证准直镜的数值孔径在水中大于1.35，因此，可满足浸没式投影物镜的偏振像差测量传量传感器的数值孔径NA≥1.35的要求。

Description

一种准直镜及像传感器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种准直镜及像传感器。

背景技术

光学光刻是光刻机用光学投影曝光的方法将掩模板上的电路器件结构图形刻蚀到硅片上的过程。光刻机主要由曝光光源、照明系统、掩模、投影物镜以及硅片工件台五部分组成。为获取更高的光刻分辨率，要求曝光光源出射光的波长向深紫外甚至是极紫外波段发展，同时也要求投影物镜需要具有高的数值孔径NA，而高数值孔径使得投影物镜的偏振像差对曝光图案的影响不可忽略。

为了测量投影物镜的偏振像差，通常在投影物镜的像方设置起检测偏振态功能的像传感器，像传感器由准直镜、偏振元件、图像传感器组成。偏振元件的正常工作条件需要入射光束为平行或小角度偏离平行的类平行光。准直镜的功能为将在投影物镜像方汇聚的小视场的类点光源转化为类平行光。

然而，在利用现有像传感器在测量投影物镜的偏振像差时，由于准直镜的数值孔径NA在水中小于1.35，因此无法满足浸没式投影物镜的偏振像差测量传量传感器的NA≥1.35的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准直镜及像传感器，以满足浸没式投影物镜的偏振像差测量传量传感器的数值孔径NA≥1.35的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种准直镜，所述准直镜包括沿光束入射方向依次间隔排布的孔径光阑、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组和所述第三透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和所述第三透镜的焦距满足以下关系式：

3<f2/f<5，且0.5<f3/f<2，且f1<-0.5×f2，且0.5<f/d<0.6；

其中，f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距，f为总焦距，d为所述孔径光阑限定的光斑直径；

所述第一透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的两个透镜，所述第一透镜组的远离所述第二透镜组的透镜具有负光焦度，所述第一透镜组的靠近所述第二透镜组的透镜具有正光焦度；所述第二透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的两个透镜，所述第二透镜组的各透镜均具有正光焦度；所述第三透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的三个透镜或四个透镜，所述第三透镜组的各透镜均具有正光焦度。

可选的，在所述的准直镜中，所述准直镜适用于入射光源为氟化氩激光，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组的材料均采用熔石英。

可选的，在所述的准直镜中，所述第三透镜组的所有透镜中的至少一个为可移动透镜，所述可移动透镜用于通过X方向、Y方向和/或Z方向上的移动而补偿在装配过程中由于公差而产生的波像差，其中，X方向、Y方向和Z方向中的一者与光路传播方向相同，且X方向、Y方向和Z方向相互垂直。

可选的，在所述的准直镜中，所述可移动透镜在X方向、Y方向和Z方向上的可移动距离大于所述可移动透镜在补偿所述波像差时相应在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量。

可选的，在所述的准直镜中，所述X方向、Y方向和Z方向上的补偿量为利用蒙特卡罗公差分析多个公差样本在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量的3σ值而得到。

可选的，在所述的准直镜中，所述可移动透镜为所述第三透镜组的沿光束入射方向的第二个透镜。

本发明还提供一种像传感器，用于测量浸没式投影物镜的偏振像差，其特征在于，包括：一如上所述的准直镜，所述准直镜用于将所述浸没式投影物镜出射的点光源转化为类平行光。

可选的，在所述的像传感器中，所述像传感器还包括偏振元件，所述偏振元件的入射光线为所述类平行光，所述偏振元件的孔径与所述孔径光阑限定的光班直径d的大小相匹配。

可选的，在所述的像传感器中，所述孔径光阑限定的光斑直径d的大小为7mm±2mm。

在本发明提供的准直镜及像传感器中，所述准直镜包括沿光束入射方向依次间隔排布的孔径光阑、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组和所述第三透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和所述第三透镜的焦距满足以下关系式：3<f2/f<5，且0.5<f3/f<2，且f1<-0.5×f2，且0.5<f/d<0.6；其中，f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距，f为总焦距，d为所述孔径光阑限定的光斑直径。如此设计，可保证准直镜的数值孔径在水中大于1.35，因此，可满足浸没式投影物镜的偏振像差测量传量传感器的数值孔径NA≥1.35的要求。

进一步的，在本发明提供的准直镜及像传感器中，所述可移动透镜在X方向、Y方向和Z方向上的可移动距离大于所述可移动透镜在补偿所述波像差时相应在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量。即，设置有充足的补偿空间来获得较好的波像差，从而使得所述准直线能够出射的类平行光具有较好的平行度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种示范性的准直镜的光路结构示意图；

图2为本发明实施提供的一种示范性的准直镜的镜片L1在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量直方图；

图3为本发明实施例提供的一种示范性的准直镜的镜片L1补偿波像差的情况下，加上公差后的像面波像差的累计概率图；

图4为本发明实施例提供的另一种示范性的准直镜的光路结构示意图；

图5为本发明实施提供的另一种示范性的准直镜的镜片L1在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量直方图；

图6为本发明实施例提供的另一种示范性的准直镜的镜片L1补偿波像差的情况下，加上公差后的像面波像差的累计概率图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的准直镜及像传感器作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

请参考图1及图3，本实施例提供一种准直镜，所述准直镜包括：孔径光阑、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述孔径光阑、所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组沿光束入射方向依次间隔排布。

这里需要说明的是，在光学设计中由于点光源的波像差在商业光学软件中更容易评判，因此准直镜在进行设计时，一般采用沿着光束传播方向由平行光转换为点光源的设计，即物面为平行入射光斑，像面为汇聚点。而在应用于测量投影物镜的偏振像差时，只需改变光路传播方向即可，即设计时准直镜的像面变成应用时的物面，而设计时准直镜的物面变成应用时的相面，从而可将投影物镜出射的点光源转化为类平行光。因此，应当理解，本实施中所述光束入射方向是指由平行光转换为点光源的方向。

所述第一透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组和所述第三透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和所述第三透镜的焦距满足以下关系式：3<f2/f<5，且0.5<f3/f<2，且f1<-0.5×f2，且0.5<f/d<0.6；其中，f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距，f为总焦距，d为所述孔径光阑限定的光斑直径。

本实施例提供的准直镜采用以上设计时，可保证准直镜的数值孔径在水中大于1.35，因此，可满足浸没式投影物镜的偏振像差测量传量传感器的数值孔径NA≥1.35的要求。

如前所述，为获取更高的光刻分辨率，要求曝光光源出射光的波长向深紫外发展，因此，本实施例中，较佳的，所述准直线为深紫外准直镜，即，所述准直镜适用于入射光源为氟化氩激光(ArF激光器的波段)，波长为193nm。相应的，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组的材料均采用熔石英。镜片采用熔石英，在波长193nm下的折射率为1.5602。水在ArF激光波段下的折射率为1.4362。

本实施例中，所述第一透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的两个透镜，所述第一透镜组的远离所述第二透镜组的透镜具有负光焦度，所述第一透镜组的靠近所述第二透镜组的透镜具有正光焦度；所述第二透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的两个透镜，所述第一透镜组的各透镜均具有正光焦度；所述第三透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的三个或四个透镜，所述第三透镜组的各透镜均具有正光焦度。如此设计，使得入射的平行光先逐渐发散，而后又逐渐汇聚至像面，可减小慧差及球差。

优选的，所述第三透镜组的所有透镜中的至少一个为可移动透镜，且为了便于设计，较佳的，所述可移动透镜为所述第三透镜组的沿光束入射方向的第二个透镜。所述可移动透镜用于通过X方向、Y方向和/或Z方向上的移动而补偿在装配过程中由于公差而产生的波像差，其中，X方向、Y方向和Z方向中的一者与光路传播方向相同，且X方向、Y方向和Z方向相互垂直。

进一步优选的，所述可移动透镜在X方向、Y方向和Z方向上的可移动距离大于所述可移动透镜在补偿所述波像差时相应在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量。即，设置有充足的补偿空间来获得较好的波像差，从而使得所述准直线能够出射的类平行光具有较好的平行度。其中，所述X方向、Y方向和Z方向上的补偿量可利用蒙特卡罗公差分析多个公差样本在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量的3σ值而得到。

另外，本实施例还提供一种像传感器，所述像传感器用于测量浸没式投影物镜的偏振像差，所述像传感器包括：本实施例所提供的所述准直镜，所述准直镜用于将所述浸没式投影物镜出射的点光源转化为类平行光。在测量所述浸没式投影物镜的偏振像差时，所述第三透镜组较所述第二透镜组更靠近所述浸没式投影物镜。

为了实现偏振像差的测量，所述像传感器还可包括偏振元件，所述像传感器还包括偏振元件，所述偏振元件的入射光线为所述类平行光，且所述偏振元件的孔径与所述孔径光阑限定的光班直径d的大小相匹配。一般的，所述偏振元件的孔径越大，相应的价格越高，因为，为了节约成本，较佳的，进行所述准直镜的设计时，可设计所述孔径光阑限定的光斑直径d为一较小值，该较小值可采用7mm±2mm，例如为5mm、7mm、9mm等。

以下结合两个示范性的实施例对本实施例提供的所述准直镜做进一步描述。

【示例一】

如图1所示，准直镜CL1从物面到像面包括七块镜片，七块镜片均为球面，像方在应用时浸没在水中。平行光从物面入射，光斑直径为7mm，由孔径光阑1限制。准直镜CL1的光束线逐渐发散至镜面7，之后逐渐汇聚至像面16，目的是减小慧差及球差。镜片L1为可动镜片，用于补偿在装配过程中由公差引起的像差，可以在X方向、Y方向和Z方向上补偿。图1中，z方向为光路传播方向。图2为在用蒙特卡罗公差分析时，在试验1005个公差样本后，镜片L1在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量，X方向、Y方向和Z方向上的补偿量的3σ值分别为0.25mm，0.24mm及0.45mm，均小于镜片L1周围的空气间隔(即镜片L1的可移动距离)，即镜片L1有足够的空间进行补偿。如图3所示，通过镜片L1的补偿，在带有公差情况下，像面的波像差在累计概率为90％时的波像差为0.75个波长，像质效果较好，其中Field1，Field2，Field3及Field4分别对应于像方高度0，0.013mm、0.006mm及0.015mm的视场。

表1为本实施例一的准直镜CL1的具体设计参数。其中序号列对应图1中的镜面编号。其中半径列中的正值表示曲率中心在镜片表面的右边，负值表示曲率中心在表面的左边，平板用Infinity标注；厚度/间距列中，有材料标注的是光学元件厚度，材料列空缺的一个光学元件到下一个光学元件在轴上z方向上的空气间隔；材料列中的熔石英在ArF波段下的折射率为1.5602，水在此波段下的折射率为1.4362。

表1

像面在镜片L2中，像点为光线在水中发散后的反向延长线形成的虚像。因此在表1中的第15个镜面后的间距为负值。

所述准直镜的透镜组满足以下关系式：

3<f2/f<5，且0.5<f3/f<2，且f1<-0.5*f2，且0.5<f/d<0.6。

准直镜CL1能保证像方的数值孔径在水中大于1.35，有充足的补偿空间来获得较好的波像差。当把准直镜CL1应用在测量投影物镜的偏振像差时，需改变准直镜CL1的光路方向，此时光路方向为所述光束入射方向相反的方向，此时准直镜将点光源转换为平行光束。

当准直镜每一个光学元件的参数值以表1所示的数值等比例缩放得到的参数值，也在本发明实施例的保护范围内。

【示例二】

如图4所示，准直镜CL2从物面到像面包括八块镜片，八块镜片均为球面，像方在应用时浸没在水中。平行光从物面入射，光斑直径为7mm，由孔径光阑17限制。准直镜CL2的光束线逐渐发散至镜面23，之后逐渐汇聚至像面34，目的是减小慧差及球差。镜片L3为可动镜片，用于补偿在装配过程中由公差引起的像差，可以在X方向、Y方向和Z方向上补偿。图5中，z方向为光路传播方向。图5为在用蒙特卡罗公差分析时，在试验1000个公差样本后，镜片L3在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量，X方向、Y方向和Z方向上的补偿量的3σ值分别为0.55mm，0.53mm及0.88mm，使得镜片L3有足够的空间进行补偿。如图6所示，通过镜片L3的补偿，在带有公差情况下，像面的波像差在累计概率为90％时的波像差为0.95个波长，像质效果较好，其中Field1，Field2，Field3及Field4分别对应于像方高度0，0.013mm，0.006mm，及0.015mm的视场。

表2为本实施例二的准直镜CL2的具体设计参数。其中序号列对应图4中的镜面编号。其中半径列中的正值表示曲率中心在镜片表面的右边，负值表示曲率中心在表面的左边，平板用Infinity标注；厚度/间距列中，有材料标注的是光学元件厚度，材料列空缺的一个光学元件到下一个光学元件在轴上z方向上的空气间隔；材料列中的熔石英在ArF波段下的折射率为1.5602，水在此波段下的折射率为1.4362。

表1

像面在镜片L4中，像点为光线在水中发散后的反向延长线形成的虚像。因此在表2中的第33个镜面后的间距为负值。

所述准直镜的透镜组同样满足以下关系式：

3<f2/f<5，且0.5<f3/f<2，且f1<-0.5*f2，且0.5<f/d<0.6。

准直镜CL2能保证像方的数值孔径在水中大于1.35，有充足的补偿空间来获得较好的波像差。当把准直镜应用CL2在测量投影物镜的偏振像差时，需改变准直镜CL1的光路方向，此时光路方向为所述光束入射方向相反的方向，此时准直镜将点光源转换为平行光束。

当光学准直系统中每一个光学元件的参数值以表2所示的数值等比例缩放得到的参数值，也在本发明实施例的保护范围内。

综上所述，本发明提供的所述准直镜及像传感器解决了现有准直镜不满足浸没式投影物镜的偏振像差测量传量传感器的数值孔径NA≥1.35的要求的技术问题。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种准直镜，其特征在于，所述准直镜包括沿光束入射方向依次间隔排布的孔径光阑、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组和所述第三透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和所述第三透镜的焦距满足以下关系式：

3<f2/f<5，且0.5<f3/f<2，且f1<-0.5×f2，且0.5<f/d<0.6；

其中，f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距，f为总焦距，d为所述孔径光阑限定的光斑直径；

所述第一透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的两个透镜，所述第一透镜组的远离所述第二透镜组的透镜具有负光焦度，所述第一透镜组的靠近所述第二透镜组的透镜具有正光焦度；所述第二透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的两个透镜，所述第二透镜组的各透镜均具有正光焦度；所述第三透镜组包括沿光束入射方向间隔分布的三个透镜或四个透镜，所述第三透镜组的各透镜均具有正光焦度。

2.如权利要求1所述的准直镜，其特征在于，所述准直镜适用于入射光源为氟化氩激光，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组的材料均采用熔石英。

3.如权利要求1所述的准直镜，其特征在于，所述第三透镜组的所有透镜中的至少一个为可移动透镜，所述可移动透镜用于通过X方向、Y方向和/或Z方向上的移动而补偿在装配过程中由于公差而产生的波像差，其中，X方向、Y方向和Z方向中的一者与光路传播方向相同，且X方向、Y方向和Z方向相互垂直。

4.如权利要求3所述的准直镜，其特征在于，所述可移动透镜在X方向、Y方向和Z方向上的可移动距离大于所述可移动透镜在补偿所述波像差时相应在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量。

5.如权利要求4所述的准直镜，其特征在于，所述X方向、Y方向和Z方向上的补偿量为利用蒙特卡罗公差分析多个公差样本在X方向、Y方向和Z方向上的补偿量的3σ值而得到。

6.如权利要求3所述的准直镜，其特征在于，所述可移动透镜为所述第三透镜组的沿光束入射方向的第二个透镜。

7.一种像传感器，用于测量浸没式投影物镜的偏振像差，其特征在于，包括：一如权利要求1～6任一项所述的准直镜，所述准直镜用于将所述浸没式投影物镜出射的点光源转化为类平行光。

8.如权利要求7所述的像传感器，其特征在于，所述像传感器还包括偏振元件，所述偏振元件的入射光线为所述类平行光，所述偏振元件的孔径与所述孔径光阑限定的光班直径d的大小相匹配。

9.如权利要求7所述的像传感器，其特征在于，所述孔径光阑限定的光斑直径d的大小为7mm±2mm。

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