一種含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，用于將物平面的圖像成像到像平面內(nèi)。該含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，沿其光軸方向包括兩個同軸放置的橢球面反射鏡和七個透射組。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，透射組G4具有正焦距，反射組G5具有負焦距，透射組G6具有負焦距，透射組G7具有正焦距，透射組G8具有正焦距，本發(fā)明的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)具有數(shù)值孔徑大、成像質(zhì)量好等優(yōu)點。
【專利說明】
一種含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)
【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)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，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IC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)域和計算機等民用領(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。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)是高尖端光刻機的核心部件，它的性能直接決定著光刻機的精度。目前國內(nèi)剛剛開始工作波長193nm的投影光學(xué)系統(tǒng)實用化研究，以往設(shè)計數(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分辨力的公式如下:
[0005]R = k! λ /NA
[0006]上式中R為光刻機的分辨力，Ic1為工藝系數(shù)因子，λ為工作波長，NA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)值孔徑來實現(xiàn)，但是光源波長縮短時，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0.93的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)。為達成所述目的，本發(fā)明提供一種含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，以物平面輸入光束傳播方向為系統(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、透射組G4、透射組G6、透射組G7、透射組G8和反射組G5，其中透射組Gl焦距為正，透射組G2焦距為正，透射組G3焦距為正，透射組G4焦距為正，透射組G6焦距為負，透射組G7焦距為正，透射組G8焦距為正，反射組G5焦距為負。
[0009]透鏡組Gl的焦距和反射組G7的焦距的比值范圍區(qū)間為[-0.7，-0.62]，
[0010]透鏡組G2的焦距和反射組G7的焦距的比值范圍區(qū)間為[-3.3 ;_2.7]，
[0011]透鏡組G3的焦距和反射組G7的焦距的比值范圍區(qū)間為[-1.6，-1.3]，
[0012]透鏡組G4的焦距和反射組G7的焦距的比值范圍區(qū)間為[-2.4，-2.2]，
[0013]透鏡組G6的焦距和反射組G7的焦距的比值范圍區(qū)間為[1.0, 1.3]，
[0014]透鏡組G7的焦距和反射組G7的焦距的比值范圍區(qū)間為[-1.1,-0.9],
[0015]透鏡組G8的焦距和反射組G7的焦距的比值范圍區(qū)間為[-0.6，-0.4]。
[0016]透射組Gl包括第一正透鏡(I)、第二正透鏡(2)、第三正透鏡(3)、第四正透鏡
(4)；
[0017]透射組G2包括第五正透鏡(5)、第六正透鏡(6)、第一負透鏡(7)、第七正透鏡
(8)；
[0018]透射組G3包括第八正透鏡(9)；
[0019]透射組G4包括第九正透鏡(10)、第十正透鏡(11)；
[0020]反射組G5包括第一反射鏡(12)、第二反射鏡(13)，其中第一反射鏡(12)焦距為正，第二反射鏡焦距(13)為負，第一反射鏡(12)的焦距和反射組G5的焦距比值范圍區(qū)間為[0.5，0.65]，第二反射鏡(13)的焦距和反射組G5的焦距比值范圍區(qū)間為[-0.5，-0.4]；
[0021]透射組G6包括第i^一正透鏡(14)、第二負透鏡(15)、第十二正透鏡(16)、第十三正透鏡(17)；
[0022]透射組G7包括第三負透鏡(18)、第十四正透鏡(19)、第十五正透鏡(20)、第十六正透鏡(21)、第十七正透鏡(22)；
[0023]透射組G8包括第十八正透鏡(23)、第十九正透鏡(24)、第二十正透鏡(25)、第二i^一正透鏡(26)。
[0024]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0025]1、本發(fā)明的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為0.93，工作波長為193nm，像方視場為26mmX5.5mm,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)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)由透射組G1、透射組G2、透射組G3、透射組G4、反射組G5、透射組G6、透射組G7、透射組G8構(gòu)成，八組鏡子同軸，減小了裝調(diào)集成難度。
[0027]3、本發(fā)明的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)中透射組Gl包含4片透鏡，透射組G2包含4片透鏡，透射組G3包含I片透鏡，透射組G4包含2片透鏡，反射組G5包含2片反射鏡，透射組G6包含4片透鏡，透射組G7包含5片透鏡，透射組G8包含4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)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)具有良好的成像特性。
[0029]本發(fā)明所提出的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，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)明的一種含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]附圖標號說明:
[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-第五正透鏡、6-第六正透鏡、7-第一負透鏡、8-第七正透鏡、9-第八正透鏡、10-第十正透鏡、11-第i^一正透鏡、12-第一反射鏡、13-第二反射鏡、14-第^^一正透鏡、15-第二負透鏡、16-第十二正透鏡、17-第十三正透鏡、18-第三負透鏡、19-第十四正透鏡、20-第十五正透鏡、21-第十六正透鏡、22-第十七正透鏡、23-第十八正透鏡、24-第十九正透鏡、25-第二十正透鏡、26-第二i^一正透鏡、27-像面。
【具體實施方式】
[0033]為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0034]圖1為本發(fā)明大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)布局示意圖，26片光學(xué)元件形成透射組Gl、透射組G2、透射組G3、透射組G4、反射組G5、透射組G6、透射組G7、透射組G8，依次從光束入射方向設(shè)置。
[0035]透射組Gl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，光線由物面投射經(jīng)過透射組Gl會聚后進入透射組G2。
[0036]透射組G2為焦距為正的單元組，包括第五正透鏡5、第六正透鏡6、第一負透鏡7、第七正透鏡8，光線由透射組I出射經(jīng)過透射組G2會聚后進入透射組G3。
[0037]透射組G3為焦距為正的單元組，包括第八正透鏡9，光線由透射組G2出射經(jīng)過透射組G3會聚后進入透射組G4。
[0038]透射組G4為焦距為正的單元組，包括第九正透鏡10、第十正透鏡11，光線由透射組G3出射經(jīng)過透射組G4會聚后進入反射組G5。
[0039]反射組G5為焦距為負的單元組，包括第一反射鏡12、第二反射鏡13，光線由透射組G4出射經(jīng)過反射組G5發(fā)散后進入透射組G6。
[0040]透射組G6為焦距為負的單元組，包括第i^一正透鏡14、第二負透鏡15、第十二正透鏡16、第十三正透鏡17，光線由反射組G5出射經(jīng)過透射組G6發(fā)散后進入透射組G7。
[0041]透射組G7為焦距為正的單元組，包括第三負透鏡18、第十四正透鏡19、第十五正透鏡20、第十六正透鏡21、第十七正透鏡22，光線由透射組G6出射經(jīng)過透射組G7會聚后進入透射組G8。
[0042]透射組G8為焦距為正的單元組，包括第十八正透鏡23、第十九正透鏡24、第二十正透鏡(25)、第二十一正透鏡(26)，光線由透射組G7出射經(jīng)過透射組G8會聚后到達像面。
[0043]透射組G1、透射組G2、透射組G 3、透射組G 4、透射組G6、透射組G7，透射組G8中所有透射鏡使用的都是熔石英材料，在中心波長193nm處時熔石英玻璃的透射率為1.560491。
[0044]為提高大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)，以物鏡各個表面的半徑、厚度、間隔、非球面系數(shù)作為變量，應(yīng)用光學(xué)設(shè)計軟件Code-v構(gòu)造特定的優(yōu)化函數(shù)對系統(tǒng)進行反復(fù)優(yōu)化，逐步優(yōu)化為現(xiàn)有結(jié)果。
[0045]本實施例通過以下技術(shù)措施實現(xiàn):照明光源工作波長193納米，像方視場26mmX5.5mm，投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA) = 0.93，投影光學(xué)系統(tǒng)縮小倍率為0.25倍，大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)第一正透鏡I距離物面35mm。
[0046]本發(fā)明的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的將物面即掩膜置于投影光學(xué)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、透射組G4、反射組G5、透射組G6、透射組G7、透射組G8八個單元組后成縮小0.25倍的像到達像面即硅片上。
[0047]本發(fā)明的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)從掩膜面到硅片面的距離僅為1250mm，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。
[0048]對本實施例制作的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)采用以下兩種評價手段進行測評:
[0049]1、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)評價
[0050]光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是確定投影曝光光學(xué)系統(tǒng)分辨率和焦深的直接評價。系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)已達到系統(tǒng)衍射極限，光學(xué)系統(tǒng)的截止頻率為95701p/mm，具有極高的分辨率。
[0051]2、畸變
[0052]畸變是一種光線從掩膜上的一個點射出并聚焦在一個點上的像差。在存在散光和場曲時，這些點落在平面的前面或后面。而在只存在畸變的情況下，這些點落在與光軸垂直的平面上，但是與光軸的距離是不對的。存在畸變時，圖像很清晰，但是有錯位，全視場最大畸變?yōu)?.32nm。
[0053]本發(fā)明通過優(yōu)化各個鏡子的曲率半徑、厚度參數(shù)、非球面系數(shù)以及透鏡間隔，得到了像質(zhì)優(yōu)良的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，具有整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成像優(yōu)良等優(yōu)點。
[0054]以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，以物平面輸入光束傳播方向為系統(tǒng)光軸，在系統(tǒng)光軸上依次放置透射組以、透射組似、透射組63、透射組64、透射組⑶、透射組以、透射組⑶和反射組⑶，其中透射組以焦距為正，透射組似焦距為正，透射組⑵焦距為正，透射組(?焦距為正，透射組⑶焦距為負，透射組以焦距為正，透射組⑶焦距為正，反射組⑶焦距為負； 透鏡組以的焦距和反射組以的焦距的比值范圍區(qū)間為[-0.7，-0.62]， 透鏡組似的焦距和反射組以的焦距的比值范圍區(qū)間為[-3.3 -2.7]， 透鏡組⑵的焦距和反射組以的焦距的比值范圍區(qū)間為[-1.6，-1.3]， 透鏡組(?的焦距和反射組以的焦距的比值范圍區(qū)間為[-2.4，-2.2]， 透鏡組⑶的焦距和反射組以的焦距的比值范圍區(qū)間為[1.0，1.3]， 透鏡組以的焦距和反射組以的焦距的比值范圍區(qū)間為[-1.1，-0.9]， 透鏡組⑶的焦距和反射組以的焦距的比值范圍區(qū)間為[-0.6，-0.4]； 透射組以包括第一正透鏡(1)、第二正透鏡(2)、第三正透鏡(3),第四正透鏡(4)； 透射組似包括第五正透鏡(5)、第六正透鏡(6)、第一負透鏡(7)、第七正透鏡(8)； 透射組63包括第八正透鏡(9)； 透射組64包括第九正透鏡(10)、第十正透鏡(11)；反射組⑶包括第一反射鏡(12)、第二反射鏡(13),其中第一反射鏡(12)焦距為正，第二反射鏡焦距(13)為負，第一反射鏡(12)的焦距和反射組仍的焦距比值范圍區(qū)間為[0.5, 0.65]，第二反射鏡(13)的焦距和反射組(?的焦距比值范圍區(qū)間為[-0.5,-0.4]；透射組⑶包括第^^一正透鏡(14)、第二負透鏡(15)、第十二正透鏡(16)、第十三正透鏡(17)； 透射組以包括第三負透鏡(18)、第十四正透鏡(19)、第十五正透鏡(20),第十六正透鏡(21)、第十七正透鏡(22)； 透射組⑶包括第十八正透鏡(23)、第十九正透鏡(24)、第二十正透鏡(25)、第二^^一正透鏡(26)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)中的第一反射鏡(12)和第二反射鏡(13)均為橢球面，其中第一反射鏡(12)的通光口徑為282皿，第二反射鏡(13)的通光口徑為222臟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的透射組中共使用了 19個非球面，透射組以至少包含3個非球面，透射組62至少包含3個非球面，透射組64至少包含2個非球面，反射組⑶至少包含2個非球面，透射組⑶至少包含4個非球面，透射組67至少包含3個非球面，透射組⑶至少包含2個非球面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè)置在第十七正透鏡(22)和第十八正透鏡(23)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的含有兩個反射鏡的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)中透射鏡的材料都是熔石英，反射鏡的材料都是銀。
【文檔編號】G02B13/00GK104375263SQ201410669843
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】白瑜, 邢廷文, 鄧超, 朱紅偉, 呂保斌, 廖志遠 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所