CN114384762A - 投影物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影物镜，通过一柔性结构将补偿镜固定在第一气体密封腔的一端口，在外部气压发生变化时，补偿镜片在压力差的驱动下在轴向微动位移，通过补偿镜片在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率变化，对外部气压变化引起的投影物镜的倍率误差进行实时自动补偿。相比于现有技术通过高精度电机和传感器驱动补偿镜片实现轴向微动位移的方式，本发明驱动补偿镜片实现轴向微动位移的驱动力来源于气体压力差，投影物镜中驱动和控制补偿镜片的机械结构简单，加工要求和成本较低，降低了投影物镜的结构复杂性，提高了投影物镜的整体可靠性。

Description

投影物镜
技术领域
本发明涉及光刻设备技术领域，特别涉及一种光刻曝光系统中的投影物镜。
背景技术
投影光刻技术已经成功用于亚微米分辨率集成电路制造领域。在半导体封装技术中，投影光刻技术用于要求较低分辨率(如几微米)、较大焦深、较高产率的金凸块/锡凸块(bumping)、硅片级芯片尺度封装(WLCSP)技术等领域，并且对于低分辨率投影物镜系统不断提出改进提高性能的需求。用光刻机制造集成电路芯片时要求投影物镜具有较高的分辨率，以实现高集成度芯片的制备，同时还要求投影曝光用的光学成像系统具有较小的倍率误差及畸变，以满足芯片制备时，上下层之间的互连导通。
随着IC制造业的迅速发展，光刻成像技术不断提高，芯片的特征尺寸也不断的缩小，对套刻精度有了更高的要求。套准精度(Overlay)是现代高精度步进扫描投影光刻机的重要性能指标之一，也是新型光刻技术需要考虑的一个重要部分。套准精度将会严重影响产品的良率和性能。提高光刻机的套准精度，也是决定最小单元尺寸的关键。简单来讲，套准精度就是微影制程中，当前层与前层之间的叠对精度。如果微影制程的套准精度超过误差容忍度，则层间设计电路可能会因为位移产生断路或短路，从而影响产品良率。
光刻机投影物镜内部一般采用绝对压力控制方法或相对压力控制方法。绝对压力控制方法即将物镜内部气压控制在一个恒定值，当外界气压变化后，物镜内部压力不变，只有物镜物面至物镜第一个镜片和物镜最后一个镜片距像面中间气体压力随外界变化而变；相对压力控制方法即投影物镜的内部压力和外部压力随外部大气压变化而变化，一般在当地一定的海拔高度下，全年气压变化在±30mbar左右，在投影曝光过程中，由于光刻机使用场地压力变化主要引投影物镜产生倍率误差，全年气压变化在±30mbar的压力变化引起的倍率误差已经大于数个ppm，这么大的倍率变化引起的因此套刻误差是不能接受的。所以实际工艺情况需要投影物镜提供实时倍率调整能力，从而解决由于外界压力变化引起的投影物镜的倍率漂移引起严重的套刻误差，为了解决这一问题，一般投影物镜都保留一个倍率在线可调装置，一般情况下，倍率在线可调装置中倍率可动镜片位置是越靠近掩模面(物面)，效果越好，一般采用一个纵向可动镜片，通过调节可动镜片纵向位移来补偿倍率误差。可动镜片的调节机构一般采用丝母丝杆，蜗轮蜗杆和滚珠丝杆等，为了获得非常高的调整精度，光刻机中倍率可动机构的调整精度要达到纳米量级，会使可动机构的机械结构和控制变得非常复杂，并且对加工和装备的要求也非常高，而且复杂的倍率可动机构降低了投影物镜的整体可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种投影物镜，在外部气压发生变化时，补偿镜片在压力差的驱动下在轴向微动位移，以对外部气压的变化引起的投影物镜的倍率误差进行实时自动补偿。
本发明提供一种投影物镜，包括：第一气体密封腔和补偿镜片，所述第一气体密封腔由绝对压力控制，所述补偿镜片通过一柔性结构固定在所述第一气体密封腔的一端口，在外部气压与所述第一气体密封腔的内部气压不同时，所述柔性结构在压力差的作用下，带动所述补偿镜片在光轴方向微动位移，通过所述补偿镜片在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率变化来补偿所述外部气压的变化引起的投影物镜的倍率误差，以实现像差补偿。
可选的，所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部或底部。
可选的，所述补偿镜片为所述投影物镜中靠近物面的顶部镜片，或所述补偿镜片为所述投影物镜中靠近像面的底部镜片。
可选的，所述投影物镜还包括第一气压控制单元，用于控制所述第一气体密封腔的内部压力为一设定值Pb。
可选的，当所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部时，Pb＝Pv+ΔPG；当所述补偿镜片位于所述投影物镜的底部时，Pb＝Pv-ΔPG，其中，Pv为所述外部气压的年平均值，ΔPG为克服所述补偿镜片的重力所需要的气压。
可选的，所述投影物镜还包括至少一个由相对压力控制的第二气体密封腔。
可选的，所述第二气体密封腔与所述第一气体密封腔通过中间镜片进行光学连接，且所述中间镜片通过刚性多点支撑固定。
可选的，所述投影物镜还包括第二气压控制单元，用于控制所述第二气体密封腔的内部气压与所述外部气压一致。
可选的，所述第一气压控制单元包括设置在所述第一气体密封腔的内部的第一气压传感器、设置在所述第一气体密封腔的侧壁的第一物镜进气口、与所述第一物镜进气口连接的第一气阀及与所述第一气压传感器和所述第一气阀连接的第一气压控制器；所述第二气压控制单元包括设置在所述第二气体密封腔的内部的第二气压传感器、设置在所述第二气体密封腔的侧壁的第二物镜进气口、与所述第二物镜进气口连接的第二气阀及与所述第二气压传感器和所述第二气阀连接的第二气压控制器。
可选的，所述外部气压的变化引起的投影物镜的倍率误差为σ，所述补偿镜片在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率灵敏度为β，σ和β的正负相反。
可选的，通过设计所述补偿镜片的种类来改变所述倍率灵敏度β的正负。
可选的，当所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部，所述投影物镜的倍率为放大倍率时，所述补偿镜片为凹透镜时，σ为正值，β为负值；
当所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部，所述投影物镜的倍率为缩小倍率或1倍倍率时，所述补偿镜片为凸透镜或平面镜时，σ为负值，β为正值。
可选的，所述补偿镜片在光轴方向微动位移的最大值为d，d＝β/σ。
可选的，所述补偿镜片在光轴方向微动位移至最大值时，所述柔性结构的最大弹性形变力为F，所述柔性结构的刚度设计值为K，K＝F/d。
可选的，所述柔性结构包括弹性簧片或柔性铰链。
综上，本发明提供一种投影物镜，通过一柔性结构将补偿镜固定在第一气体密封腔的一端口，在外部气压发生变化时，补偿镜片在压力差的驱动下在轴向微动位移，以通过补偿镜片在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率变化，对外部气压变化引起的投影物镜的倍率误差进行实时自动补偿。相比于现有技术通过高精度电机和传感器驱动补偿镜片实现轴向微动位移的方式，本发明驱动补偿镜片实现轴向微动位移的驱动力来源于气体压力差，投影物镜中驱动和控制补偿镜片的机械结构简单，加工要求和成本较低，降低了投影物镜的结构复杂性，提高了投影物镜的整体可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的投影物镜的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的投影物镜中补偿镜片压力驱动原理图；
图3为本发明实施例二提供的投影物镜的结构示意图；
图4为本发明实施例三提供的投影物镜的结构示意图；
图5为本发明实施例三提供的投影物镜中补偿镜片压力驱动原理图；
其中，附图标记为；
101-掩模；102-投影物镜；103-硅片；104-第一气阀；105-第一气压控制器；1020-第一气体密封腔；1021-补偿镜片；1022-柔性结构；1023-第一物镜进气口；1024-第一气压传感器；
201-掩模；202-投影物镜；203-硅片；204-第一气阀；205-第一气压控制器；206-第二气阀；207-第二气压控制器；208-第一气体密封腔；209-第二气体密封腔；2011-补偿镜片；2012-中间镜片；2013-柔性结构；2014-第一物镜进气口；2015-第一气压传感器；2016-第二物镜进气口；2017-第二气压传感器；
301-掩模；302-投影物镜；303-硅片；304-第二气压控制器；305-第二气阀；306-第一气阀；307-第一气压控制器；308-第一气体密封腔；309-第二气体密封腔；3021-顶部镜片；3022-第二气压传感器；3023-第二物镜进气口；3024-第一物镜进气口；3025-中间镜片；3026-第一气压传感器；3027-柔性结构；3028-补偿镜片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的投影物镜作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。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。
在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
实施例一
图1为本实施例提供的投影物镜的结构示意图，如图1所示，所述投影物镜102包括：第一气体密封腔1020和补偿镜片1021，所述第一气体密封腔1020位于投影物镜102内部且由绝对压力控制，所述补偿镜片1021通过一柔性结构1022固定在所述第一气体密封腔1020的一端口，在外部气压与所述第一气体密封腔的气压不同时，在气压差的作用下，所述柔性结构1022带动所述补偿镜片1021在光轴方向微动位移，通过所述补偿镜片1021在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率变化来补偿所述外部气压的变化引起的投影物镜的倍率误差，以实现像差补偿。
如图1所示，所述投影物镜102位于掩模(物面)101和硅片(像面)103之间，照明光束将掩模101上的图案通过投影物镜102成像至硅片103上。投影物镜102内部包括若干光学透镜，各光学透镜之间的空间由内部通道连通而构成与外界大气严密隔绝的第一气体密封腔1020。所述补偿镜片1021是位于投影物镜102中各光学透镜中指定的一个镜片，也可以是在投影物镜的基础上增加的一可调镜片。
据光刻物镜光学设计常识，光刻机应用当地全年气压变化主要影响投影物镜外气体腔体(物面(掩模)与投影物镜顶部镜片之间的气体间隙，像面(硅片)与投影物镜底部顶部镜片之间的气体间隙)的压力，进而引起投影物镜倍率误差。而投影物镜靠近物面(掩模)的顶部镜片和靠近像面(硅片)的底部镜片的Z向(光轴方向)灵敏度一般具有较好的倍率调整功能，因此，用于倍率误差的补偿镜片一般选取靠近物面(掩模)的顶部镜片或靠近像面(硅片)的底部镜片，其中，倍率调整功能效果最好的为投影物镜顶部的第一个镜片，即第一个镜片Z向位移时主要产生倍率误差,而对其它WFE(波像差)影响较小。
本实施例中，所述补偿镜片1021为设置在投影物镜的顶部的第一镜片，即最接近物面(掩模)的一个镜片。所述补偿镜片1021通过一柔性结构1022固定在所述第一气体密封腔1020的一端口，且所述补偿镜片1021的一表面与所述第一气体密封腔1020接触。
所述投影物镜102还包括第一气压控制单元，所述第一气压控制单元用于控制所述第一气体密封腔1020的内部压力为一设定值Pb，所述第一气压控制单元包括设置在所述第一气体密封腔的内部的第一气压传感器1024、设置在所述第一气体密封腔1020的侧壁的第一物镜进气口1023、与所述第一物镜进气口1023连接的第一气阀104及与所述第一气压传感器1024和所述第一气阀104连接的第一气压控制器105。具体的，所述第一气体密封腔1020为绝对压力控制，当第一气体密封腔1020内部第一气压传感器1024检测到所述第一气体密封腔1020内部压力与设定值Pb产生偏差时，第一气压控制器105控制第一气阀104改变所述第一气体密封腔1020内部气压等于设定值Pb，即所述第一气体密封腔1020内部被设定为一个恒定不变的压力Pb。
设定光刻机物镜102应用当地的全年气压的平均值为Pv，全年气压变化(投影物镜外部气压的变化)为ΔP(mbar)，即投影物镜102应用当地的全年气压的变化范围为Pv±ΔP，而外部气气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差为σppm(1e-6)，投影物镜的压力灵敏度为±σ/ΔP(ppm/mbar)。由于不同的投影物镜设计顶部的补偿镜片1021的Z向移动对应的倍率灵敏度可能有正倍率误差灵敏度和负倍率误差灵敏度两种情况，即设定投影物镜顶部的补偿镜片1021的Z向移动对应的倍率灵敏度为±β(ppm/μm)。本实施例具体实施时，必须保证外部气压和第一气体密封腔气压的压力差驱动补偿镜片Z向位移的方向与补偿镜片1021补偿上述气压差引起的倍率误差所移动的方向相同，即σ和β必须异号。
在光学设计时可以通过改变投影物镜顶部的补偿镜片的形状从而改变Z向移动对应的倍率灵敏度β的符号，根据经验和一般规律，在不同放大倍率下投影物镜顶部的补偿镜片的形状和Z向移动对应的倍率灵敏度符号关系为：当投影物镜的倍率为放大倍率时，同时投影物镜顶部的补偿镜片的形状为凹透镜时，外部气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差灵敏度σ符号为正值，投影物镜顶部补偿镜片的Z向移动对应的倍率灵敏度β符号为负值，两者相反实现补偿，即压力差驱动补偿镜片Z向位移的方向和投影物镜顶部补偿镜片的Z向移动方向相同，反之投影物镜顶部的补偿镜片的形状为凸透镜或平板时，外部气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差灵敏度σ和补偿镜片的Z向移动对应的倍率灵敏度β都为正值不能实现补偿。另外，当投影物镜的倍率为缩小倍率或1倍倍率时，同时投影物镜顶部补偿镜片的形状为凸透镜或平板时，外部气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差灵敏度σ符号为负值，投影物镜顶部补偿镜片的Z向移动对应的倍率灵敏度β符号为正，两者相反实现补偿，即压力(补偿镜片所受力)方向和投影物镜顶部补偿镜片的Z向移动方向相同，反之，投影物镜顶部补偿镜片的形状为凹透镜时，外部气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差灵敏度σ和补偿镜片Z向移动对应的倍率灵敏度β都为负值，不能实现补偿。综上所述，在光学设计时可以通过改变投影物镜顶部补偿镜片的形状来改变Z向移动对应的倍率灵敏度β符号，让其Z向移动对应的倍率灵敏度β符号与大气压力变化ΔP引起的光刻机物镜倍率误差灵敏度σ符号相反，以实现补偿，即实现压力方向和投影物镜顶部补偿镜片的Z向移动方向相同。
而当投影物镜(补偿镜片)设计完成后，外部气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差灵敏度σ和补偿镜片的Z向移动对应的倍率灵敏度β均为定值，即σ和β的符号要么相同，要么相反。本实施例，结合投影物镜倍率是放大倍率或者缩小倍率的前提条件，选择在光学设计时可以通过改变投影物镜顶部补偿镜片的形状从而改变Z向移动对应的倍率灵敏度β符号，让其Z向移动对应的倍率灵敏度β符号与外部气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差灵敏度σ符号相反，以实现补偿，即实现压力方向和投影物镜顶部补偿镜片的Z向移动方向相同。
具体的，规定如下：大气压增加为正值，即+ΔP，而大气压减小为负值，即-ΔP，沿Z向移动向上为正方向，向下为负方向。压力方向向上为正方向，向下为负方向。
补偿镜片1021指定为投影物镜102顶部的第一个镜片，且所述补偿镜片1021采用柔性结构1022固定，所述补偿镜片1021的下表面与投影物镜内部组成第一气体密封腔1020，所述补偿镜片1021压力驱动原理如图2所示，所述第一气体密封腔1020采用绝对压力控制，其内部压力始终保持设定值Pb，Pb被设定为Pb＝Pv+ΔPG。当外界大气压P＝Pv时，此时，投影物镜顶部的补偿镜片1021处于中间位置B，Pb＝Pv+ΔPG,在Pv的基础上设置过压ΔPG的目的是为了克服补偿镜片1021重力(这里忽略性结构1022的重力)，即补偿镜片1021处于中间位置B时，柔性结构1022的弹性形变力F＝0；当外界大气压逐渐变小后，即外界大气压由Pv→Pv-ΔP，外部气压小于第一气体密封腔1020的内部气压，气压差将会产生压力差驱动补偿镜片1021Z向向上移动，同时驱动柔性结构1022产生弹性形变，当气压差产生的压力的绝对值等于柔性结构1022的弹性形变力时，补偿镜片1021处于稳定静止状态且同时产生了Z向移动量，向上最大位移至位置A(向上极限位置)。即当外界大气压由Pv→Pv-ΔP时，柔性结构1022的弹性形变力F逐渐增大，补偿镜片1021的Z向位移由0向上增加至最大值d。同理，当外界大气压逐渐变大后，即外界大气压由Pv→Pv+ΔP时，气压差引起的压力将驱动补偿镜片1021Z向向下移动，柔性结构1022的弹性形变力F由0增加至最大值，补偿镜片1021Z向位移由0向下增加至最大值d，处于位置C(向下极限位置)。即位置A和位置C是柔性结构1022的弹性形变力F最大时补偿镜片1021Z向最大位移位置，位置A和位置C时柔性结构1022的弹性形变力F和补偿镜片1021Z向位移相等，方向相反。
当补偿镜片1021处于位置A和位置C时，柔性结构1022的弹性形变力(最大弹性形变力)F为：
F＝abs((Pv+ΔPG)*S2-(Pv+ΔP)*S1-G)
其中，S1为所述补偿镜片与所述外部气压的接触面积，S2为所述补偿镜片与所述第一气体密封腔的接触面积，G为所述补偿镜片所受的重力。
而补偿镜片1021在柔性结构1022带动下Z向位移的最大值d为：
d＝β/σ
从而获得柔性结构1022的刚度设计值K：
K＝F/d
进而可以根据计算所得的刚度设计值K选择适合的柔性结构1022，例如所述柔性结构1022包括具有弹性形变的弹性簧片或线切割加工的柔性铰链块。
实施例二
图3为本实施例提供的投影物镜的结构示意图，如图3所示，所述投影物镜202位于掩模201(物面)和硅片203(像面)之间，照明光束将掩模201上的图案通过投影物镜202成像至硅片203上。其中，所述投影物镜202包括：一个第一气体密封腔208、至少一个第二气体密封腔209及补偿镜片2011，所述第一气体密封腔208由绝对压力控制，所述第二气体密封腔209由相对压力控制，所述补偿镜片2011通过一柔性结构2013固定在第一气体密封腔208的一端口，在外部气压与所述第一气体密封腔的气压不同时，在压力差的作用下，所述柔性结构2013带动所述补偿镜片2011在轴(Z)方向微动位移，通过所述补偿镜片2011在光轴方向微动位移对应的投影物镜202的倍率变化来补偿所述外部气压的变化引起的投影物镜202的倍率误差，以实现像差补偿。
本实施例中，投影物镜202包括一个第一气体密封腔208和一个第二气体密封腔209，所述第二气体密封腔209与所述第一气体密封腔208通过中间镜片2012进行光学连接，且所述中间镜片2012通过刚性多点支撑固定，以保证当第一气体密封腔208和第二气体密封腔209产生压力差后投影物镜202内部的中间镜片2012保持位移不变。
所述投影物镜202还包括第一气压控制单元和第二气压控制单元，所述第一气压控制单元用于控制所述第一气体密封腔208的内部压力为一设定值Pb,所述第二气压控制单元用于控制所述第二气体密封腔209的内部气压与所述外部气压一致。即可以理解，中间镜片2012将投影物镜内部各光学透镜之间的空间由内部通道连通而构成与外界大气严密隔绝的气体密封腔划分成两个密封腔：第一气体密封腔208和第二气体密封腔209。
具体的，所述第一气压控制单元包括设置在所述第一气体密封腔208的内部的第一气压传感器2015、设置在所述第一气体密封腔208的侧壁的第一物镜进气口2014、与所述第一物镜进气口2014连接的第一气阀204及与所述第一气压传感器2015和所述第一气阀204连接的第一气压控制器205；所述第二气压控制单元包括设置在所述第二气体密封腔209的内部的第二气压传感器2017、设置在所述第二气体密封腔209的侧壁的第二物镜进气口2016、与所述第二物镜进气口2016连接的第二气阀206及与所述第二气压传感器2017和所述第二气阀206连接的第二气压控制器207。其中所述第一气阀204和所述第二气阀206分别与进气口1和进气口2连接，实现气体的导通。
当第一气压传感器2015检测到所述第一气体密封腔208内部气压与设定值Pb产生偏差时，第一气压控制器205控制第一气阀204改变第一物镜进气口2014的进气量，以使第一气体密封腔208内部气压等于设定值Pb，即投影物镜202内部第一气体密封腔208内部气压被设定为一个恒定不变的设定值Pb。当所述第二气压传感器2017检测到所述第二气体密封腔209内部气压与外部实时气压P产生偏差时，第二气压控制器207控制所述第二气阀206改变所述第二物镜进气口2016的进气量，以使所述第二气体密封腔209内部气压与外部实时气压P相等，即投影物镜202内部的第二气体密封腔209被设定为一个与外部实时气压P保持相同的跟随气压。
本实施例中光刻机物镜202内部第一气体密封腔208的压力设定值Pb和压力补偿实现方案与实施例一相同，区别在于投影物镜202内部第二气体密封腔209由于采用了相对压力控制方式，投影物镜202的压力灵敏度将会大于实施例一中投影物镜102的压力灵敏度，因此，本实施例中投影物镜202固定所述补偿镜片2011的柔性结构2013的刚度设计值K会小于实施例一中柔性结构1022的刚度设计值K，从而在外部气压与所述第一气体密封腔208的气压不同时，在压力差的作用下，所述柔性结构2013带动所述补偿镜片2011在光轴方向向上或下微动位移的位移量大于实施例一中柔性结构1022带动补偿镜片1021在光轴方向向上或下微动位移的位移量。其中，柔性结构2013刚度设计值K的计算公式可参考实施例一。
实施例三
本实施例提供一种投影物镜，与实施例二的区别在于本实施例将补偿镜片通过柔性结构固定在投影物镜的底部(靠近像面)。
图4为本实施例提供的投影物镜的结构示意图，如图4所示，所述投影物镜302位于掩模版301(物面)和硅片303(像面)之间，照明光束将掩模301上的图案通过投影物镜302成像至硅片303上。所述投影物镜302包括：一个第一气体密封腔308、至少一个第二气体密封腔309及补偿镜片3028，所述第一气体密封腔308由绝对压力控制，所述第二气体密封腔309由相对压力控制，所述补偿镜片3028通过一柔性结构3027固定在所述第一气体密封腔308的底部，在外部气压与所述第一气体密封腔305的气压不同时，在压力差的作用下，所述柔性结构3027带动所述补偿镜片3028在光轴方向微动位移，通过所述补偿镜片3028在光轴方向微动位移对应的投影物镜302的倍率变化来补偿所述外部气压的变化引起的投影物镜302的倍率误差，以实现像差补偿。
本实施例中，投影物镜302包括一个第一气体密封腔308和一个第二气体密封腔309，所述第二气体密封腔309与所述第一气体密封腔308通过中间镜片3025进行光学连接，且所述中间镜片3025通过刚性多点支撑固定，以保证当第一气体密封腔308和第二气体密封腔309产生压力差后投影物镜302内部的中间镜片3025保持位移不变。
所述投影物镜302还包括第一气压控制单元和第二气压控制单元，所述第一气压控制单元用于控制所述第一气体密封腔308的内部压力为一设定值Pb,所述第二气压控制单元用于控制所述第二气体密封腔309的内部气压与所述外部气压一致。即可以理解，中间镜片3025将投影物镜内部各光学透镜之间的空间由内部通道连通而构成与外界大气严密隔绝的气体密封腔划分成两个密封腔：第一气体密封腔308和第二气体密封309。
具体的，所述第一气压控制单元包括设置在所述第一气体密封腔308的内部的第一气压传感器3026、设置在所述第一气体密封腔308的侧壁的第一物镜进气口3024、与所述第一物镜进气口3024连接的第一气阀306及与所述第一气压传感器3026和所述第一气阀306连接的第一气压控制器307；所述第二气压控制单元包括设置在所述第二气体密封腔309的内部的第二气压传感器3022、设置在所述第二气体密封腔309的侧壁的第二物镜进气口3023、与所述第二物镜进气口3023连接的第二气阀305及与所述第二气压传感器3022和所述第二气阀305连接的第二气压控制器304。其中所述第一气阀306和所述第二气阀305分别于进气口1和进气口2连接，实现气体的导通。
当第一气压传感器3026检测到所述第一气体密封腔308内部气压与设定值Pb产生偏差时，第一气压控制器307控制第一气阀306改变第一物镜进气口3024的进气量，以使第一气体密封腔308内部气压等于设定值Pb，即投影物镜内部第一气体密封腔308内部气压被设定为一个恒定不变的设定值Pb。当所述第二气压传感器3022检测到所述第二气体密封腔309内部气压与外部实时气压P产生偏差时，第二气压控制器304控制所述第二气阀305改变所述第二物镜进气口3023的进气量，以使所述第二气体密封腔309内部气压与外部实时气压P相等，即投影物镜内部的第二气体密封腔309被设定为一个与外部实时气压P保持相同的跟随气压。
设定光刻机物镜302应用当地的全年气压的平均值为Pv，全年气压变化(投影物镜外部气压的变化)为ΔP(mbar)，即投影物镜302应用当地的全年气压的变化范围为Pv±ΔP，而外部气气压变化ΔP引起的投影物镜的倍率误差为σppm(1e-6)，投影物镜的压力灵敏度为±σ/ΔP(ppm/mbar)。由于不同的投影物镜设计顶部的补偿镜片1021的Z向移动对应的倍率灵敏度可能有正倍率误差灵敏度和负倍率误差灵敏度两种情况，即设定投影物镜底部的补偿镜片3028的Z向移动对应的倍率灵敏度为±β(ppm/μm)。本实施例具体实施时，必须保证外部气压和第一气体密封腔气压的压力差驱动补偿镜片Z向位移的方向与补偿镜片3028补偿上述气压差引起的倍率误差所移动的方向相同，即σ和β必须异号。
本实施例中，补偿镜片3028指定为投影物镜302底部(靠近像面)的第一个镜片，且所述补偿镜片3028采用柔性结构3027固定，所述补偿镜片3028的下表面与投影物镜内部组成第一气体密封腔308，所述补偿镜片3028压力驱动原理如图5所示，所述第一气体密封腔308采用绝对压力控制，其内部压力始终保持设定值Pb，Pb被设定为Pb＝Pv-ΔPG。当外界大气压P＝Pv时，此时，投影物镜底部的补偿镜片3028处于中间位置B′，Pb＝Pv-ΔPG,在Pv的基础上设置过压ΔPG的目的是为了克服补偿镜片3028重力(这里忽略性结构3027的重力)，即补偿镜片3028处于中间位置B′时，柔性结构3027的弹性形变力F＝0；当外界大气压逐渐变小后，即外界大气压由Pv→Pv-ΔP，外部气压小于第一气体密封腔308的内部气压，气压差将会产生压力差驱动补偿镜片3028Z向向下移动，同时驱动柔性结构3027产生弹性形变，当气压差产生的压力Fp绝对值等于柔性结构3027的弹性形变力F时，补偿镜片3028处于稳定静止状态且同时产生了Z向移动量，向下最大位移至位置C′(向下极限位置)。当外界大气压逐渐变大，即外界大气压由Pv→Pv+ΔP时，外部气压大于第一气体密封腔308的内部气压，气压差将会产生压力差驱动补偿镜片3028为Z向向上移动，同时驱动柔性结构3027产生弹性形变，当气压差产生的压力绝对值等于柔性结构3027的弹性形变力时，补偿镜片3028处于稳定静止状态且同时产生了Z向移动量，向上最大位移至位置A′(向上极限位置)。综上所述，位置A′和位置C′是柔性结构3027的弹性形变力F最大时补偿镜片3028Z向的最大位移位置，位置A′和位置C′时柔性结构1022的弹性形变力F和补偿镜片1021Z向位移相等，方向相反。
当补偿镜片3028处于位置A′和位置C′时，柔性结构3027的弹性形变力(最大弹性形变力)为F(具体计算可参考实施例一)，而补偿镜片3028在柔性结构3027带动下Z向位移的最大值为d：d＝β/σ，从而获得柔性结构3027的刚度设计值K：K＝F/d。
需要说明的是，本实施例中补偿镜片3028指定为投影物镜302底部(靠近像面)的第一个镜片，投影物镜302顶部(靠近物面)镜片3021同中间镜片3025均采用刚性多点支撑固定，保证当第一气体密封腔308和第二气体密封腔309产生压力差后顶部镜片3021和中间镜片3025二个镜片均保持位移不变。另外，在本发明其他实施例中，所述投影物镜也可以仅包括一个绝对压力控制的第一气体密封腔，而不设置有相对压力控制的第二气体密封腔。
综上所述，本发明提供一种投影物镜，通过一柔性结构将补偿镜固定在第一气体密封腔的一端口，在外部气压发生变化时，补偿镜片在压力差的驱动下在轴向微动位移，以通过补偿镜片在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率变化，对外部气压变化引起的投影物镜的倍率误差进行实时自动补偿。相比于现有技术通过高精度电机和传感器驱动补偿镜片实现轴向微动位移的方式，本发明驱动补偿镜片实现轴向微动位移的驱动力来源于气体压力差，投影物镜中驱动和控制补偿镜片的机械结构简单，加工要求和成本较低，降低了投影物镜的结构复杂性，提高了投影物镜的整体可靠性。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
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 (15)

1.一种投影物镜，其特征在于，包括：第一气体密封腔和补偿镜片，所述第一气体密封腔由绝对压力控制，所述补偿镜片通过一柔性结构固定在所述第一气体密封腔的一端口，在外部气压与所述第一气体密封腔的内部气压不同时，所述柔性结构在压力差的作用下，带动所述补偿镜片在光轴方向微动位移，通过所述补偿镜片在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率变化来补偿所述外部气压的变化引起的投影物镜的倍率误差，以实现像差补偿。
2.根据权利要求1所述的投影物镜，其特征在于，所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部或底部。
3.根据权利要求1所述的投影物镜，其特征在于，所述补偿镜片为所述投影物镜中靠近物面的顶部镜片，或所述补偿镜片为所述投影物镜中靠近像面的底部镜片。
4.根据权利要求2所述的投影物镜，其特征在于，所述投影物镜还包括第一气压控制单元，用于控制所述第一气体密封腔的内部压力为一设定值Pb。
5.根据权利要求4所述的投影物镜，其特征在于，当所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部时，Pb＝Pv+ΔPG；当所述补偿镜片位于投影物镜的底部时，Pb＝Pv-ΔPG，其中，Pv为所述外部气压的年平均值，ΔPG为克服所述补偿镜片的重力所需要的气压。
6.根据权利要求4所述的投影物镜，其特征在于，所述投影物镜还包括至少一个由相对压力控制的第二气体密封腔。
7.根据权利要求6所述的投影物镜，其特征在于，所述第二气体密封腔与所述第一气体密封腔通过中间镜片进行光学连接，且所述中间镜片通过刚性多点支撑固定。
8.根据权利要求7所述的投影物镜，其特征在于，所述投影物镜还包括第二气压控制单元，用于控制所述第二气体密封腔的内部气压与所述外部气压一致。
9.根据权利要求8所述的投影物镜，其特征在于，所述第一气压控制单元包括设置在所述第一气体密封腔的内部的第一气压传感器、设置在所述第一气体密封腔的侧壁的第一物镜进气口、与所述第一物镜进气口连接的第一气阀及与所述第一气压传感器和所述第一气阀连接的第一气压控制器；所述第二气压控制单元包括设置在所述第二气体密封腔的内部的第二气压传感器、设置在所述第二气体密封腔的侧壁的第二物镜进气口、与所述第二物镜进气口连接的第二气阀及与所述第二气压传感器和所述第二气阀连接的第二气压控制器。
10.根据权利要求1所述的投影物镜，其特征在于，所述外部气压的变化引起的投影物镜的倍率误差为σ，所述补偿镜片在光轴方向微动位移对应的投影物镜的倍率灵敏度为β，σ和β的正负相反。
11.根据权利要求10所述的投影物镜，其特征在于，通过设计所述补偿镜片的种类改变所述倍率灵敏度β的正负。
12.根据权利要求11所述的投影物镜，其特征在于，
当所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部，所述投影物镜的倍率为放大倍率时，所述补偿镜片为凹透镜时，σ为正值，β为负值；
当所述补偿镜片位于所述投影物镜的顶部，所述投影物镜的倍率为缩小倍率或1倍倍率时，所述补偿镜片为凸透镜或平面镜时，σ为负值，β为正值。
13.根据权利要求10所述的投影物镜，其特征在于，所述补偿镜片在光轴方向微动位移的最大值为d，d＝β/σ。
14.根据权利要求13所述的投影物镜，其特征在于，所述补偿镜片在光轴方向微动位移至最大值时，所述柔性结构的最大弹性形变力为F，所述柔性结构的刚度设计值为K，K＝F/d。
15.根据权利要求1所述的投影物镜，其特征在于，所述柔性结构包括弹性簧片或柔性铰链。
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