CN114740608B - 一种大视场高数值孔径投影光刻物镜 - Google Patents

一种大视场高数值孔径投影光刻物镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大视场高数值孔径投影光刻物镜，包括：第一透镜组，具有正光焦度；第二透镜组，具有负光焦度；第三透镜组，具有正光焦度；第四透镜组，具有负光焦度；第五透镜组，具有正光焦度；第六透镜组的具有正光焦度；所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和第六透镜组的光焦度的和为0；大视场高数值孔径投影光刻物镜共包含5个非球面透镜，每个非球面透镜包含一个非球面表面及一个球面表面；大视场高数值孔径投影光刻物镜最大像方数值孔径为0.82。本发明提供一种大视场高数值孔径投影光刻物镜，采用非球面以在实现系统高性能的同时降低结构复杂度，缩短光学系统结构长度，提高系统性能。

Description

一种大视场高数值孔径投影光刻物镜
技术领域
本发明实施例涉及光刻技术，尤其涉及一种大视场高数值孔径投影光刻物镜。
背景技术
光刻技术作为大规模集成电路的生产制造过程中最关键工艺，是利用激光将掩模图案成 像至硅片等基板上的技术。为了更好的满足工业生产需求，光刻技术的不断朝着更高分辨率、 更大曝光面积、更高产率的方向发展。而在整个投影光刻系统中，光刻物镜的性能直接决定 整个投影曝光装置的图形传递能力，因此投影光刻物镜也不断朝着更大的数值孔径、更高的 成像质量、更短的工作波长等方向发展，现有的投影光刻物镜在实现大视场高成像性能的同 时，需要较长的共轭距离以及更复杂的非球面透镜(如含有圆锥系数的非球表面)，加工难 度大成本高，结构占用空间大。
曝光镜头的视场决定曝光范围，直接影响系统的产率；而高数值孔径作为获得高分辨率 的主要手段，当总长度和镜头直径必须在某种程度上保持较小尺寸时对设计造成了巨大压力。 因此较短共轭距的大视场高数值孔径投影曝光物镜，对于集成到投影曝光设备以及应用于生 产中具有巨大优势，有效降低制造成本。
美国专利USOO6198576B1介绍了一种数值孔径为0.63的投影曝光物镜，其物镜共由 25片透镜组成，三种结构形式的物镜物面到像面的共轭距离不短于1194mm。
美国专利US 20020122164A1介绍了一种数值孔径为0.8的投影光刻物镜，其中工作波 长在248nm的两种物镜结构形式分别由27片透镜及25片透镜组成。
美国专利US20030030916A1介绍了一种最大数值孔径为0.89的投影光刻物镜，其工作 波段在248nm的物镜结构由29片透镜组成，物面到像面的共轭距离不短于1323mm。
中国专利CN111381346A介绍了一种数值孔径为0.82的投影曝光物镜，其物镜共由19 片透镜组成，物镜物面到像面的共轭距离约为1100mm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大视场高数值孔径投影光刻物镜，在现有技术背景及加 工条件下，同时满足大视场、较短共轭距、高分辨率以及其成像误差的校正。
本发明采用的技术方案为：一种大视场高数值孔径投影光刻物镜，所述物镜为双远心光 学系统，所述光刻投影物镜包括光阑及沿光轴顺次排列的第一透镜组、第二透镜组、第三透 镜组、第四透镜组、第五透镜组和第六透镜组，所述第一透镜组具有正光焦度，所述第二透 镜组具有负光焦度，所述第三透镜组具有正光焦度，所述第四透镜组具有负光焦度，所述第 五透镜组具有正光焦度，所述第六透镜组的具有正光焦度。所述第一透镜组、所述第二透镜 组、所述第三透镜组、所述第四透镜组、所述第五透镜组和所述第六透镜组的光焦度的和为 0；所述投影物镜共包含5个非球面透镜，所述非球面透镜包含一个非球面表面及一个球面 表面。所述光阑位于所述第五透镜组中相邻的两个透镜之间。
进一步地，所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，所述的第二镜组、第三镜组、第四 镜组、第五镜组均含有非球面透镜，所述单个非球面透镜非球面表面的数量为1且为凹面； 所述第二透镜组中，存在一个非球面度偏离量大于等于0.6mm的非球面透镜；所述第二透 镜组、第三透镜组、第四透镜组以及第五透镜组中非球面透镜的非球面度偏离量均小于 0.6mm。其中，所述非球面度指Q-type非球面相对于最佳拟合球面之间矢高离差的RMS值。
进一步地，所述第一透镜组中至少存在一个具有正光焦度的透镜。
进一步地，所述第二透镜组中存在至少一个具有负光焦度的透镜
进一步地，所述第三透镜组中存在多个具有正光焦度的透镜。
进一步地，所述第四透镜组中存在至少两个负光焦度的透镜。
进一步地，所述第一透镜组、第三透镜组、第五透镜组中均存在弯月透镜。
进一步地，所述第三透镜组、第五透镜组中至少各存在有两个弯月透镜。
进一步地，所述第二透镜组、五透镜组各包括至少一个非球面透镜。
进一步地，所述第一透镜组包括2个透镜；所述第二透镜组包括2个透镜，所述第二透 镜组的2个透镜中有1个非球面透镜；所述第三透镜组包括5个透镜，所述第三透镜组的5个透镜中有1个非球面透镜；所述第四透镜组包括2个透镜，所述第四透镜组的2个透镜均为非球面透镜；所述第五透镜组包括9个透镜，所述第五透镜组的9个透镜中有1个非球面透镜；所述第六透镜组包括2个透镜。
进一步地，所述第一镜组及第六镜组中均存在一平行平板作为保护窗口。
进一步地，所述第一镜组中的平行平板透镜位于光学系统中最靠近物方的一端；第六镜 组中的平行平板透镜位于光学系统中最靠近像方的一端。
进一步地，所述光大视场高数值孔径投影光刻物镜适用于KrF准分子激光器发出的光。
进一步地，所述光刻投影物镜像方数值孔径等于0.82。
进一步地，所述光刻投影物镜的物像共轭距不大于1020mm。
进一步地，所述光刻投影物镜的物距不小于30mm；像距不小于13mm。
本发明实施例提供的大视场高数值孔径投影光刻物镜包括六个透镜组，所述系统包含上 下两个平行平板透镜作为保护窗口以减小系统工作时对光学系统造成的污染；所述第一至第 六透镜组每个镜组中至少包含两个透镜，所述第一及六透镜组中各包含一平行平板透镜。本 发明实施例中非球面透镜均包括一非球面表面及球面表面。本发明实施例中投影光刻物镜光 学系统数值孔径达0.82，而现有技术中，投影光刻物镜的共轭距通常在1250mm左右，本系 统在保证物镜各像差极小化的条件下，物像共轭距不大于1020mm，在大视场高数值孔径的 物镜系统中，实现了小共轭距高分辨率，更易于集成到投影曝光设备的现有设计和生产中， 优化系统结构、降低制造成本；相对于相同倍率或共轭距的光刻投影物镜系统，具有更长的 像距，为调整机构等预留出更多的空间，增加了系统的可操作性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种大视场高数值孔径投影光刻物镜的结构示意图；
图2为图1中所示大视场高数值孔径投影光刻物镜的视场内波像差分布图；
图3为图1中所示大视场高数值孔径投影光刻物镜的视场内畸变分布图；
图4为图1中所示大视场高数值孔径投影光刻物镜的视场内像散分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，参照附图和具体实施例对本发明进 行详细说明。
参考图1对本发明提供的一种大视场高数值孔径投影光刻物镜的光学系统结构进行描述， 光刻物镜包括沿光轴方向排列的第一透镜组LG1、第二透镜组LG2、第三透镜组LG3、第四 透镜组LG4、第五透镜组LG5和第六透镜组LG6共6个透镜组。第一透镜LG1组具有负光 焦度，包括L01至L02共2个透镜，其中L01为光焦度为0的平行平板，可有效保护镜头，L02为一弯月透镜。
第二透镜LG2组具有负光焦度，包括L03至L04共2个透镜，L03为一双凹透镜，L04为一负透镜，在靠近物端的凹面设有一非球面。通过在物镜光学系统的第一个腰部处加入非 球面表面，可有针对性且有效的矫正成像区域内的慧差，来减小由于慧差存在对物镜光学系 统成像质量的影响。
第三透镜组LG3具有正光焦度，包括L05至L09共5个透镜。在第三透镜组最后一个透镜L09靠近像方的凹面处设有一非球面表面。该非球面表面的设置可有效矫正成像区域以 及成像区域边缘的像差，特别是对于随着视场增大而愈发明显的高阶畸变具有良好的矫正效 果。
第四透镜组LG4具有负光焦度，包括L10至L11共2个透镜，透镜L10及L11均为有 双凹面的负透镜，且均为非球面透镜。
第五透镜组LG5具有正光焦度，包括L12至L20共9个透镜。所述光学系统的孔径光阑位于所述第五透镜组的L14、L15之间，在一定范围内可调，以适应不同的应用场景。其 中L15为所述物镜光学系统中通光口径最大的透镜，增加了孔径调节的响应效率。
第六透镜组LG6具有正光焦度，包括L21至L22共2个透镜，其中L22为光焦度为0 的平行平板。第六透镜组LG6中透镜L22的入光面以及出光面均为平面。这样设计的优点 在于，在保证像差最小的同时，最大限度地减小光刻投影物镜最后端的光束口径，从而使光刻投影物镜靠近像面的最后端的元器件的尺寸更小、更紧凑。
示例性地，参考图1，本发明实施例提供一种大视场高数值孔径投影光刻物镜，第一透 镜组LG1包括2个透镜，第一透镜组LG1包括沿光轴顺次排列的第一透镜L1、第二透镜L02。第一透镜L01为平行平板元件，第二透镜L02为具有正光焦度的正透镜。第一透镜组LG1中无非球面透镜。第二透镜LG2组具有负光焦度，包括L03至L04共2个透镜，L04 为一负透镜，在靠近物端的凹面设有一非球面。第三透镜组LG3具有正光焦度，包括L05 至L09共5个透镜。在第三透镜组最后一个透镜L09靠近像方的凹面处设有一非球面表面。 第四透镜组LG4具有负光焦度，包括L10至L11共2个透镜，透镜L10及L11均为有双凹 面的负透镜，且均为非球面透镜。第五透镜组LG5具有正光焦度，包括L12至L20共9个 具有正光焦度的正透镜，其中透镜L13为非球面透镜；且光学系统的孔径光阑位于所述第五 透镜组的L14、L15之间。第六透镜组LG6具有正光焦度，包括L21至L22共2个透镜，其 中L22为光焦度为0的平行平板。
本发明实施例提供的一种大视场高数值孔径投影光刻物镜的数值孔径可以达到0.82，成 像光束的波长可以为248.338nm，倍率为-1/4，像方半视场高度54.6mm，透镜最大口径小于 335.1mm，最大非球面透镜口径小于262mm，非球面透镜数量为5个，透镜数量为22个。 非球面平均偏离度为0.42mm，非球面最大偏离度为0.65mm，像方远心度小于1.92mrad，波 像差RMS(场内最大值)为0.005311个波长，畸变(视场内最大值)为3.74nm，像散(视场内最 大值)为18.81nm，。光刻投影物镜的物像共轭距小于等于1020mm。物像共轭距为光刻投影 的物平面与像平面之间的距离。现有技术中，光刻投影物镜的物像共轭距通常在1250mm左 右，本发明实施例提供的投影光刻物镜具有更小的物像共轭距，从而可以缩短光刻投影物镜 的结构长度。
表1一种大视场高数值孔径投影光刻物镜的一种具体设计值
表面序号 元件编号 表面类型 半径(mm) 厚度(mm) 材料
物面 球面 1.00E+18 30
1 L01 球面 1.00E+18 10 SILICA_SPECIAL
2 球面 1.00E+18 0.5 ′N2′
3 L02 球面 193.740965 12.6641477 SILICA_SPECIAL
4 球面 329.180192 20.4217447 ′N2′
5 L03 球面 -190.6591 10 SILICA_SPECIAL
6 球面 252.947742 30.8531176 ′N2′
7 L04 非球面 -136.09251 11.2668997 SILICA_SPECIAL
8 球面 -332.44847 15.4099852 ′N2′
9 L05 球面 1999.35095 41.0775103 SILICA_SPECIAL
10 球面 -232.34743 2.1493365 ′N2′
11 L06 球面 634.271843 42.3310678 SILICA_SPECIAL
12 球面 -400.83842 1.44940131 ′N2′
13 L07 球面 355.750899 42.0869064 SILICA_SPECIAL
14 球面 -983.35932 0.5 ′N2′
15 L08 球面 228.439424 39.1361894 SILICA_SPECIAL
16 球面 1854.2417 3.53476092 ′N2′
17 L09 球面 156.650501 22.426585 SILICA_SPECIAL
18 非球面 191.022398 85.2153938 ′N2′
19 L10 非球面 -173.2206 10 SILICA_SPECIAL
20 球面 87.7166365 32.8271426 ′N2′
21 L11 球面 -103.18333 10 SILICA_SPECIAL
22 非球面 157.94109 40.5401294 ′N2′
23 L12 球面 -433.48237 13.4900815 SILICA_SPECIAL
24 球面 -292.45756 45.9483384 ′N2′
25 L13 非球面 -4681.7797 33.8476026 SILICA_SPECIAL
26 球面 -348.88968 5.86336245 ′N2′
27 L14 球面 1.00E+18 52.001909 SILICA_SPECIAL
28 球面 -286.35323 25.5984754 ′N2′
29 球面 1.00E+18 1 ′N2′
30 L15 球面 681.182076 49.2918157 SILICA_SPECIAL
31 球面 -697.41699 0.5 ′N2′
32 L16 球面 471.217757 46.6276812 SILICA_SPECIAL
33 球面 -1399.9757 0.53347424 ′N2′
34 L17 球面 232.27704 38.205986 SILICA_SPECIAL
35 球面 511.17932 0.50952603 ′N2′
36 L18 球面 154.471351 48.3241444 SILICA_SPECIAL
37 球面 432.509526 9.9117865 ′N2′
38 L19 球面 221.642745 20.7317313 SILICA_SPECIAL
39 球面 232.735979 30.538215 ′N2′
40 L20 球面 -648.58111 10 SILICA_SPECIAL
41 球面 267.574255 18.8598847 ′N2′
42 L21 球面 61.1218338 26.1950747 SILICA_SPECIAL
43 球面 259.028312 4.15111415 ′N2′
44 L22 球面 1.00E+18 10.3052335 SILICA_SPECIAL
45 球面 1.00E+18 13
像面 球面 1.00E+18 0
表1中示出的一种大视场高数值孔径投影光刻物镜可以为图1中所示。一个透镜一般包 括两个表面，每一个表面为一个折射面。表1中的序号根据各个透镜的表面来进行编号。其 中，1号表面对应透镜L01的第一表面，29号表面表示光阑。正的半径值表示曲率中心在表 面靠近像面一侧，负的半径值代表曲率中心在表面靠近物面一侧。“厚度”一栏中的数值表示 当前表面到下一个表面的轴上距离。折射率是在中心波长为248.338nm时的折射率。透镜材 料可以为熔融二氧化硅材料，表示为‘Silica’，“透镜材料”一栏中的N2表示氮气。
本发明示例性实施方式中，非球面可以用Q-type非球面多项式表示。Q-type非球面多 项式为：
Figure BDA0003558394960000061
其中，z为表面Z向的轴向矢高，cbfs为最佳拟合球面的曲率，
Figure BDA0003558394960000062
x和y分别为X向和Y向的坐标值，X向、Y向和Z向符合笛卡尔坐标系，k为最佳拟合圆锥的圆锥 系数，u为归一化径向距离，am为多项式系数，/>
Figure BDA0003558394960000063
为以am为系数的m阶正交化jacobi多项 式。
表2一种大视场高数值孔径投影光刻物镜中非球面的一种具体设计值，对应Q-type非球 面多项式中的具体参数。
参数 表面7 表面18 表面19 表面22 表面25
Y半径 -190.6590974 191.0223984 -173.2206031 157.9415089 -4681.779676
归一化半直径 64.90930842 94.55014449 58.05342135 61.19373964 130.681228
k 0 0 -0.017106534 0.049744155 0
4阶Q con系数 -1.439852233 -0.410796086 -1.332534117 0.270540424 1.022252356
6阶Q con系数 -0.234635853 -0.429826797 -0.107438578 -0.256840753 -0.258196763
8阶Q con系数 -0.000890066 -0.067469238 0.009737871 0.019890033 0.016435572
10阶Q con系数 0.001249794 -0.003115805 0.001097021 -0.000177642 2.03E-05
12阶Q con系数 0.000531361 0.001358071 1.28E-04 -1.58E-04 -0.000188802
14阶Q con系数 0.000144884 0.000520694 1.53E-05 2.31E-05 2.60E-05
16阶Q con系数 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
18阶Q con系数 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
20阶Q con系数 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
表2中的“表面7”、“表面18”、“表面19”、“表面22”和“表面25”与表1中的序号“7”、“18”、“19”、“22”、“25”一一对应。
图2为图1中所示一种大视场高数值孔径投影光刻物镜的视场内波像差分布图，参考图 1和图3，像差已消除，视场内成像良好。
图3为图1中所示一种大视场高数值孔径投影光刻物镜的视场内畸变分布图，参考图1 和图4，畸变已消除，视场内成像良好。
图4为图1中所示一种大视场高数值孔径投影光刻物镜的视场内像散分布图，参考图1 和图4，像散已消除，视场内成像良好。其中，图2、图3以及图4的横坐标为X物方视场 高度，表示的是物方视场在X方向高度，横坐标的单位是mm，图2、图3以及图4的纵坐 标为Y物方视场高度，表示的是物方视场在Y方向高度，纵坐标的单位是mm。
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人 员所公知的技术。

Claims (9)

1.一种大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述投影光刻物镜为双远心光学系统，所述投影光刻物镜包括光阑及沿光轴顺次排列的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和第六透镜组，所述第一透镜组具有正光焦度，所述第二透镜组具有负光焦度，所述第三透镜组具有正光焦度，所述第四透镜组具有负光焦度，所述第五透镜组具有正光焦度，所述第六透镜组的具有正光焦度；所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组、所述第四透镜组、所述第五透镜组和所述第六透镜组的光焦度的和为0；所述投影物镜共包含5个非球面透镜，所述非球面透镜包含一个非球面表面及一个球面表面；所述光阑位于所述第五透镜组中相邻的两个透镜之间；
所述的第二镜组、第三镜组、第四镜组、第五镜组均含有非球面透镜，所述单个非球面透镜非球面表面的数量为1且为凹面；所述第二透镜组中，存在一个非球面度偏离量大于等于0.6mm的非球面透镜；所述第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组以及第五透镜组中非球面透镜的非球面度偏离量均小于0.6mm，其中，所述非球面度指Q-type非球面相对于最佳拟合球面之间矢高离差的RMS值；
第一透镜组(LG1)包括2个透镜，第一透镜组(LG1)包括沿光轴顺次排列的第一透镜(L01)、第二透镜(L02)；第一透镜(L01)为平行平板元件，第二透镜(L02)为具有正光焦度的正透镜；第一透镜组(LG1)中无非球面透镜；第二透镜(LG2)组具有负光焦度，包括沿光轴顺次排列的第三透镜(L03)至第四透镜(L04)共2个透镜，第四透镜(L04)为一负透镜，在靠近物端的凹面设有一非球面；第三透镜组LG3具有正光焦度，包括沿光轴顺次排列的第五透镜(L05)、第六透镜(L06)、第七透镜(L07)、第八透镜(L08)、第九透镜(L09)共5个透镜；在第三透镜组最后一个透镜第九透镜(L09)靠近像方的凹面处设有一非球面表面；第四透镜组(LG4)具有负光焦度，包括沿光轴顺次排列的第十透镜(L10)、第十一透镜(L11)共2个透镜，第十透镜(L10)及第十一透镜(L11)均为有双凹面的负透镜，且均为非球面透镜；第五透镜组(LG5)具有正光焦度，包括沿光轴顺次排列的第十二透镜(L12)、第十三透镜(L13)、第十四透镜(L14)、第十五透镜(L15)、第十六透镜(L16)、第十七透镜(L17)、第十八透镜(L18)、第十九透镜(L19)、第二十透镜(L20)共9个具有正光焦度的正透镜，其中第十三透镜(L13)为非球面透镜；且光学系统的孔径光阑位于所述第五透镜组的第十四透镜(L14)、第十五透镜(L15)之间；第六透镜组(LG6)具有正光焦度，包括沿光轴顺次排列的第二十一透镜(L21)、第二十二透镜(L22)共2个透镜，其中第二十二透镜(L22)为光焦度为0的平行平板。
2.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述第一透镜组中至少存在一个具有正光焦度的透镜。
3.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述第二透镜组中存在至少一个具有负光焦度的透镜。
4.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述第三透镜组中存在多个具有正光焦度的透镜。
5.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述第四透镜组中存在至少两个负光焦度的透镜。
6.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述第一透镜组、第三透镜组、第五透镜组中均存在弯月透镜。
7.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述第三透镜组、第五透镜组中至少各存在有两个弯月透镜。
8.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于：所述第二透镜组、五透镜组各包括至少一个非球面透镜。
9.根据权利要求1所述的大视场高数值孔径投影光刻物镜，其特征在于，所述第一透镜组包括2个透镜；
所述第二透镜组包括2个透镜，所述第二透镜组的2个透镜中有1个非球面透镜；
所述第三透镜组包括5个透镜，所述第三透镜组的5个透镜中有1个非球面透镜；
所述第四透镜组包括2个透镜，所述第四透镜组的2个透镜均为非球面透镜；
所述第五透镜组包括9个透镜，所述第五透镜组的9个透镜中有1个非球面透镜；
所述第六透镜组包括2个透镜；
所述第一镜组及第六镜组中均存在一平行平板作为保护窗口；
所述第一镜组中的平行平板透镜位于光学系统中最靠近物方的一端；第六镜组中的平行平板透镜位于光学系统中最靠近像方的一端；
所述光刻投影物镜适用于ArF准分子激光器发出的光；
所述光刻投影物镜像方数值孔径等于0.82；
所述光刻投影物镜的物像共轭距不大于1020mm；
所述光刻投影物镜的物距不小于30mm；像距不小于13m。
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