一種大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，用于將物平面的圖像成像到像平面內(nèi)。該大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，沿其光軸方向包括兩個(gè)同軸放置的非球面反射鏡和六個(gè)透射組。從光束入射方向依次排布透射組G1具有正焦距，透射組G2具有正焦距，透射組G3具有正焦距，反射組具有負(fù)光焦度，透射組G4具有負(fù)焦距，透射組G5具有正焦距，透射組G6具有正焦距，本發(fā)明的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡可將物平面的圖像縮小0.25倍成像到像平面內(nèi)，該投影物鏡具有數(shù)值孔徑大、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、容易加工裝調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于微影工藝、半導(dǎo)體元件制作裝置中的大數(shù)值孔徑浸沒式投影 物鏡，屬于投影光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 光刻是一種集成電路制造技術(shù)，它利用光學(xué)投影影像的原理將掩模板上的1C圖 形以曝光的方式將高分辨率圖形轉(zhuǎn)移到涂膠硅片上的光學(xué)曝光過程，幾乎所有集成電路的 制造都是采用光學(xué)投影光刻技術(shù)。
[0003] 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類半導(dǎo)體芯片廣泛應(yīng)用于航空航天軍事領(lǐng)域和計(jì)算 機(jī)等民用領(lǐng)域，隨著對設(shè)備性能要求的不斷提高，對半導(dǎo)體芯片的分辨率要求越來越高。目 前國際上光刻機(jī)的制造幾乎處于壟斷地位，最大的3家生產(chǎn)商為ASML，Nikon和Canon。從 2004年起，這幾家公司就提供193nm浸沒式光刻機(jī)樣品供各大芯片制造商使用，至今，已開 發(fā)出多種型號的193nm浸沒式光刻機(jī)。光刻技術(shù)是我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支持型技術(shù)之 一，投影光刻裝置是大規(guī)模集成電路制造工藝的關(guān)鍵設(shè)備。大數(shù)值孔徑高精度投影光學(xué)系 統(tǒng)是高尖端光刻機(jī)的核心部件，它的性能直接決定著光刻機(jī)的精度。目前國內(nèi)剛剛開始工 作波長193nm的投影光學(xué)系統(tǒng)實(shí)用化研究，以往設(shè)計(jì)數(shù)值孔徑也都不很高，最高分辨力為 0. 35-0. 5微米。由于分辨率低，不能制作出高精度高分辨率的圖形，已不能滿足大規(guī)模集成 電路制造和研究的需求。
[0004] 由瑞利衍射定理可得到光刻機(jī)分辨力的公式如下：
[0005] R = k! λ /NA
[0006] 上式中R為光刻機(jī)的分辨力，&為工藝系數(shù)因子，λ為工作波長，ΝΑ為投影光刻 物鏡的數(shù)值孔徑。
[0007] 由以上公式可知，為了獲得更高的分辨率，可以通過縮短光源的波長，或者增大投 影光刻物鏡的數(shù)值孔徑來實(shí)現(xiàn)，但是光源波長縮短時(shí)，由于光學(xué)玻璃對光的吸收而用于投 影光刻物鏡的材料種類會(huì)受到很大限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有光刻物鏡數(shù)值孔徑小的不足，本發(fā)明的目的是提供一種工作波長為 193nm，數(shù)值孔徑為1. 35的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡。
[0009] 為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于，以物 平面輸入光束傳播方向?yàn)橄到y(tǒng)光軸，在系統(tǒng)光軸上依次放置透射組G1、透射組G2、透射組 G3、反射組和透射組G4、透射組G5、透射組G6,其中透射組G1焦距為正，透射組G2焦距為 正，透射組G3焦距為正，反射組焦距為負(fù)，透射組G4焦距為負(fù)，透射組G5焦距為正，透射組 G6焦距為正；
[0010] 透鏡組G1的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[-0. 009，-0. 008]，透鏡組G2的 焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[-0.01，-0.009]，透鏡組G3的焦距和系統(tǒng)總焦距的 比值范圍區(qū)間為[-0.08, -0.05]，反射組的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[0.006， 0. 009]，透鏡組G4的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[0. 01，0. 02]，透鏡組G5的焦距 和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[-0. 02,-0. 01],透鏡組G6的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范 圍區(qū)間為[_0. 01，-0. 008];
[0011] 透射組G1包括第一正透鏡1、第二正透鏡2、第三正透鏡3、第四正透鏡4、第一負(fù) 透鏡5 ;
[0012] 透射組G2包括第二負(fù)透鏡6、第五正透鏡7、第六正透鏡8、第三負(fù)透鏡9、第七正 透鏡10 ;
[0013] 透射組G3包括第八正透鏡11、第四負(fù)透鏡12、第九正透鏡13 ;
[0014] 反射組包括第一反射鏡14、第二反射鏡15,其中第一反射鏡14焦距為負(fù)，第二反 射鏡焦距15為正，第一反射鏡14的焦距和反射組的焦距比值范圍區(qū)間為[0. 5, 0. 8]，第二 反射鏡15的焦距和反射組的焦距比值范圍區(qū)間為[-0. 6, -0. 4];
[0015] 透射組G4包括第十正透鏡16、第五負(fù)透鏡17 ;
[0016] 透射組G5包括第六負(fù)透鏡18、第i^一正透鏡19、第十二正透鏡20、第十三正透鏡 21、第十四正透鏡22、第十五正透鏡23 ;
[0017] 透射組G6包括第十六正透鏡24、第十七正透鏡25、第十八正透鏡26。
[0018] 進(jìn)一步的，所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡中的第一反射鏡14、第二反射鏡15 均為階數(shù)為20次的高次非球面，其中第一反射鏡14的通光口徑為317_，第二反射鏡15的 通光口徑為240mm。
[0019] 進(jìn)一步的，所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的透射組中共使用了 20個(gè)非球面， 第二正透鏡2、第三正透鏡3、第四正透鏡4、第一負(fù)透鏡5、第二負(fù)透鏡6、第五正透鏡7、第 六正透鏡8、第三負(fù)透鏡9、第七正透鏡10、第八正透鏡11、第四負(fù)透鏡12、第九正透鏡13、 第十正透鏡16、第五負(fù)透鏡17、第六負(fù)透鏡18、第^ 正透鏡19、第十二正透鏡20、第十三 正透鏡21、第十六正透鏡24、第十七正透鏡25中都使用了非球面。
[0020] 進(jìn)一步的，所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的孔徑光闌設(shè)置在第十五正透鏡23 和第十六正透鏡24之間。
[0021] 進(jìn)一步的，所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡中透射鏡的材料都是熔石英。
[0022] 進(jìn)一步的，所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的一次像面位于反射組內(nèi)部。
[0023] 進(jìn)一步的，所述大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的像方處使用的浸沒液為水。
[0024] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0025] 1、本發(fā)明的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的數(shù)值孔徑為1. 35,工作波長為193nm， 像方視場為26_X5. 5_，由于物鏡數(shù)值孔徑大，克服了現(xiàn)有投影光刻物鏡數(shù)值孔徑小的不 足，提高了光刻分辨率。
[0026] 2、本發(fā)明的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡由透射組G1、透射組G2、透射組G3、反射 組和透射組G4、透射組G5、透射組G6構(gòu)成，七組鏡子同軸，減小了裝調(diào)集成難度。
[0027] 3、本發(fā)明的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡中透射組G1包含5片透鏡，透射組G2包 含5片透鏡，透射組G3包含3片透鏡，反射組僅包含2片反射鏡，透射組G4包含2片透鏡， 透射組G5包含6片透鏡，透射組G6包含3片透鏡，所有透射組和反射組內(nèi)的鏡子均為單片 鏡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
[0028] 4、本發(fā)明的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡最大波像差為1. 25nm，具有良好的成像特 性。
[0029] 本發(fā)明所提出的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，可以應(yīng)用于照明光源波長為193nm 的深紫外浸沒式投影光刻裝置中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的一種大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中"NAL. 35"的 含義為：表示該投影物鏡的數(shù)值孔徑為1. 35 ;"SCale :0. 14"的含義為：表示圖中所示投影 物鏡的結(jié)構(gòu)和實(shí)際尺寸的比例為〇. 14 ;
[0031] 附圖標(biāo)號說明：
[0032] 1-第一正透鏡、2-第二正透鏡、3-第三正透鏡、4-第四正透鏡、5-第一負(fù)透鏡、 6_第二負(fù)透鏡、7-第五正透鏡、8-第六正透鏡、9-第三負(fù)透鏡、10-第七正透鏡、11-第八正 透鏡、12-第四負(fù)透鏡、13-第九正透鏡、14-第一反射鏡、15-第二反射鏡、16-第十正透鏡、 17-第五負(fù)透鏡、18-第六負(fù)透鏡、19-第i^一正透鏡、20-第十二正透鏡、21-第十三正透鏡、 22-第十四正透鏡、23-第十五正透鏡、24-第十六正透鏡、25-第十七正透鏡、26-第十八正 透鏡、27-像面。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn) 一步說明。
[0034] 圖1為本發(fā)明大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡布局示意圖，26片光學(xué)元件形成透射組 G1、透射組G2、透射組G3、反射組、透射組G4、透射組G5、透射組G6,依次從光束入射方向設(shè) 置。
[0035] 透射組G1為焦距為正的單元組，包括第一正透鏡1、第二正透鏡2、第三正透鏡3、 第四正透鏡4、第一負(fù)透鏡5,光線由物面投射經(jīng)過透射組G1會(huì)聚后進(jìn)入透射組G2。
[0036] 透射組G2為焦距為正的單元組，包括第二負(fù)透鏡6、第五正透鏡7、第六正透鏡8、 第三負(fù)透鏡9、第七正透鏡10,光線由透射組1出射經(jīng)過透射組G2會(huì)聚后進(jìn)入透射組G3。
[0037] 透射組G3為焦距為正的單元組，包括第八正透鏡11、第四負(fù)透鏡12、第九正透鏡 13,光線由透射組G2出射經(jīng)過透射組G3會(huì)聚后進(jìn)入反射組。
[0038] 反射組為焦距為負(fù)的單元組，包括第一反射鏡14、第二反射鏡15,光線由透射組 G3出射經(jīng)過反射組發(fā)散后進(jìn)入透射組G4。
[0039] 透射組G4為焦距為負(fù)的單元組，包括第十正透鏡16、第五負(fù)透鏡17,光線由反射 組出射經(jīng)過透射組4發(fā)散后進(jìn)入透射組G5。
[0040] 透射組G5為焦距為正的單元組，包括第六負(fù)透鏡18、第^^一正透鏡19、第十二正 透鏡20、第十三正透鏡21、第十四正透鏡22、第十五正透鏡23,光線由透射組4出射經(jīng)過透 射組5會(huì)聚后進(jìn)入透射組6。
[0041] 透射組G6為焦距為正的單元組，包括第十六正透鏡24、第十七正透鏡25、第十八 正透鏡26,光線由透射組G5出射經(jīng)過透射組G6會(huì)聚后到達(dá)像面。
[0042] 透射組G1、透射組G2、透射組G3、透射組G4、透射組G5、透射組G6中所有透射鏡使 用的都是熔石英材料，在中心波長193nm處時(shí)熔石英玻璃的透射率為1. 560491。
[0043] 為提高大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的像質(zhì)，以物鏡各個(gè)表面的半徑、厚度、間隔、 非球面系數(shù)作為變量，應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Code-v構(gòu)造特定的優(yōu)化函數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)優(yōu) 化，逐步優(yōu)化為現(xiàn)有結(jié)果。
[0044] 本實(shí)施例通過以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)：照明光源工作波長193納米，像方視場 26mmX5. 5mm，投影物鏡的數(shù)值孔徑（NA) = 1. 35,投影物鏡的光刻分辨力（R) = 40nm，投影 物鏡縮小倍率為〇. 25倍，大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡第一鏡子距離物面35mm，透鏡組G1 的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值為-〇. 0088,透鏡組G2的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值為-0. 0097， 透鏡組G3的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值為-0.063,反射組的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值為 0. 0072,透鏡組G4的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值為0. 017,透鏡組G5的焦距和系統(tǒng)總焦距的 比值為-〇. 015,透鏡組G6的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值為-0. 0092,第一反射鏡14的焦距和 反射組的焦距比值為〇. 63,第二反射鏡15的焦距和反射組的焦距比值為0. 57。
[0045] 本發(fā)明的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的將物面即掩膜置于物鏡系統(tǒng)的第一正透 鏡前35mm處，光線由物面處發(fā)出經(jīng)透射組G1、透射組G2、透射組G3、反射組和透射組G4、透 射組G5、透射組G6七個(gè)單元組后成縮小0. 25倍的像到達(dá)像面即硅片上。
[0046] 本發(fā)明的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡從掩膜面到硅片面的距離僅為1300_，結(jié)構(gòu) 簡單緊湊。通過優(yōu)化各透鏡的曲率半徑、厚度、非球面系數(shù)以及改變各透鏡之間的間隔減小 光學(xué)系統(tǒng)的各種像差。
[0047] 波像差是成像質(zhì)量很高的光學(xué)系統(tǒng)都要用到的光學(xué)評價(jià)指標(biāo)，它可以直觀反應(yīng)低 階像差和高階像差的情況。表2列出了本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡各個(gè) 視場以質(zhì)心為參考的各個(gè)視場的均方根波像差，其中f 1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9、Π 0 表示10個(gè)視場，λ表示波長，可知，該系統(tǒng)最大波像差為1. 25nm。
[0048] 表1大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡的波像差
[0049]

【權(quán)利要求】
1. 一種大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于，以物平面輸入光束傳播方向?yàn)橄到y(tǒng) 光軸，在系統(tǒng)光軸上依次放置透射組G1、透射組G2、透射組G3、反射組和透射組G4、透射組 G5、透射組G6,其中透射組G1焦距為正，透射組G2焦距為正，透射組G3焦距為正，反射組焦 距為負(fù)，透射組G4焦距為負(fù)，透射組G5焦距為正，透射組G6焦距為正； 透鏡組G1的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[-0.009, -0.008]，透鏡組G2的 焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[-0.01，-0.009]，透鏡組G3的焦距和系統(tǒng)總焦距的 比值范圍區(qū)間為[-0.08, -0.05]，反射組的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[0.006， 0. 009]，透鏡組G4的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[0. 01，0. 02]，透鏡組G5的焦距 和系統(tǒng)總焦距的比值范圍區(qū)間為[-0. 02,-0. 01],透鏡組G6的焦距和系統(tǒng)總焦距的比值范 圍區(qū)間為[_〇. 01，-〇. 008]; 透射組G1包括第一正透鏡（1)、第二正透鏡（2)、第三正透鏡（3)、第四正透鏡（4)、第 一負(fù)透鏡（5); 透射組G2包括第二負(fù)透鏡￠)、第五正透鏡（7)、第六正透鏡（8)、第三負(fù)透鏡（9)、第 七正透鏡（10); 透射組G3包括第八正透鏡（11)、第四負(fù)透鏡（12)、第九正透鏡（13); 反射組包括第一反射鏡（14)、第二反射鏡（15)，其中第一反射鏡（14)焦距為負(fù)， 第二反射鏡焦距（15)為正，第一反射鏡（14)的焦距和反射組的焦距比值范圍區(qū)間為 [0.5,0. 8]，第二反射鏡（15)的焦距和反射組的焦距比值范圍區(qū)間為[-0.6,-0. 4]; 透射組G4包括第十正透鏡（16)、第五負(fù)透鏡（17); 透射組G5包括第六負(fù)透鏡（18)、第i^一正透鏡（19)、第十二正透鏡（20)、第十三正透 鏡（21)、第十四正透鏡（22)、第十五正透鏡（23); 透射組G6包括第十六正透鏡（24)、第十七正透鏡（25)、第十八正透鏡（26)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于：所述的大數(shù)值孔 徑浸沒式投影物鏡中的第一反射鏡（14)、第二反射鏡（15)均為階數(shù)為20次的高次非球面， 其中第一反射鏡（14)的通光口徑為317mm，第二反射鏡（15)的通光口徑為240mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于：所述的大數(shù)值孔 徑浸沒式投影物鏡的透射組中共使用了 20個(gè)非球面，第二正透鏡（2)、第三正透鏡（3)、第 四正透鏡（4)、第一負(fù)透鏡（5)、第二負(fù)透鏡（6)、第五正透鏡（7)、第六正透鏡（8)、第三負(fù)透 鏡（9)、第七正透鏡（10)、第八正透鏡（11)、第四負(fù)透鏡（12)、第九正透鏡（13)、第十正透鏡 (16)、第五負(fù)透鏡（17)、第六負(fù)透鏡（18)、第^^一正透鏡（19)、第十二正透鏡（20)、第十三 正透鏡（21)、第十六正透鏡（24)、第十七正透鏡（25)中都使用了非球面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于：所述的大數(shù)值孔 徑浸沒式投影物鏡的孔徑光闌設(shè)置在第十五正透鏡（23)和第十六正透鏡（24)之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于：所述的大數(shù)值孔 徑浸沒式投影物鏡中透射鏡的材料都是熔石英。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于：所述的大數(shù)值孔 徑浸沒式投影物鏡的一次像面位于反射組內(nèi)部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡，其特征在于：所述大數(shù)值孔徑 浸沒式投影物鏡的像方處使用的浸沒液為水。
【文檔編號】G03F7/20GK104111515SQ201410330973
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】白瑜, 邢廷文, 林嫵媚, 朱紅偉, 呂保斌, 廖志遠(yuǎn), 鄧超 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所