專利名稱：高分辨率非球面光刻物鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高分辨率非球面光刻物鏡，屬于高分辨力投影光刻物鏡技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
光刻是一種集成電路制造技術(shù)，利用光學(xué)的方法將掩膜版上的電路圖形轉(zhuǎn)移到 硅片上，幾乎所有集成電路的制造都是采用光學(xué)光刻技術(shù)。最初，半導(dǎo)體器件制造，采用 的是掩模與硅片貼在一起的接觸式光刻技術(shù)。1957年，接觸式光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了特征尺寸 (Feature Size) ^J 20 μ m W^^^IiiL^fil^ DRAM (Dynamic Random Access Memory)的 造。之后，半導(dǎo)體行業(yè)引入掩模與硅片間具有一定間隙的接近式光刻技術(shù)，并分別于1971 年和1974年制造出特征尺寸為ΙΟμπι和6μπι的DRAM。1977年，光刻技術(shù)發(fā)展出具有1 1 投影光學(xué)系統(tǒng)的等倍投影光刻技術(shù)，并能制出造特征尺寸為4 μ m的DRAM。二十世紀(jì)八十年 代后，出現(xiàn)了裝用折射式縮小投影光學(xué)系統(tǒng)的分步光刻機(jī)，并迅速成為半導(dǎo)體制造技術(shù)中 的主流。分步光刻機(jī)與此前的光刻機(jī)相比，極大地改善了系統(tǒng)的分辨率和掩模/硅片套刻 時的對準(zhǔn)精度。投影光刻裝置是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路制造工藝的關(guān)鍵設(shè)備。投影光刻物鏡則是投 影光刻裝置的核心部件。工作波長193納米投影光刻物鏡是制作超微細(xì)圖形的投影光刻裝 置的核心部件。日本尼康(Nikon)、佳能(Canon)、德國蔡司(Zeiss)、美國楚普(Tropel)等 公司目前公開的工作波長193納米投影光刻物鏡，數(shù)值孔徑都大于等于0. 50-0. 75，分辨力 較高；但這些物鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。本專利以先前申請的專利號為201010278088. 5的“深紫外全球面光刻物鏡”中系 統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。原系統(tǒng)雖然較現(xiàn)有技術(shù)的其他大多數(shù)物鏡在成像質(zhì)量、工藝性 方面有很大提高，但成像質(zhì)量仍有可提高的空間，部分結(jié)構(gòu)參數(shù)不是最優(yōu)化的制造參數(shù)，譬 如負(fù)透鏡厚度略小，透鏡總厚度與重量較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，并解決現(xiàn)有技術(shù)的深紫外光刻物鏡總厚度與重量 較大的問題，提出一種高分辨率非球面光刻物鏡。本發(fā)明所述的高分辨率非球面光刻物鏡包括前透鏡組、后透鏡組，數(shù)值孔徑為 0. 75，共使用29片透鏡，其中有3個表面使用了 10次非球面；透鏡材料使用熔石英和氟化 鈣，其中氟化鈣的作用為校正色差。前組透鏡包括第一彎月透鏡、第一負(fù)透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、 第二彎月透鏡、第四正透鏡、第二負(fù)透鏡、第三負(fù)透鏡、第四負(fù)透鏡、第五負(fù)透鏡、第三彎月 透鏡、第五正透鏡、第六正透鏡、第七正透鏡、第四彎月透鏡、第五彎月透鏡、第六負(fù)透鏡、第 七負(fù)透鏡、第六彎月透鏡。以上透鏡順次排列，各透鏡同光軸，用透鏡外框上的機(jī)械組件固定它們之間的相
7對位置。所述的第六負(fù)透鏡前表面為10次非球面。所述的第六彎月透鏡后表面為10次非 球面。后組透鏡包括第八正透鏡、第九正透鏡、第七彎月透鏡，第十正透鏡、第i^一正透 鏡、第十二正透鏡、第十三正透鏡、第八負(fù)透鏡、第十四正透鏡。以上透鏡順次排列，各透鏡 同光軸，用透鏡外框上的機(jī)械組件固定它們之間的相對位置。所述的第八負(fù)透鏡后表面為10次非球面。前后透鏡組通過透鏡外框上的機(jī)械組件按一定間距固定連接在一起，兩個透鏡組 同光軸。本發(fā)明的高分辨率非球面光刻物鏡的工作過程為將物面即掩膜置于物鏡系統(tǒng)的 第一彎月透鏡前，各視場中心光線垂直入射第一鏡，為物方遠(yuǎn)心，經(jīng)過前透鏡組折射后各視 場分別充滿第六彎月透鏡與第八正透鏡之間的光闌，再經(jīng)過后透鏡組折射聚焦，縮小四倍 成像在第十四正透鏡后的像面即硅片上。各視場中心光線垂直入射像面，系統(tǒng)為像方遠(yuǎn)心。本發(fā)明進(jìn)一步提高了現(xiàn)有投影光刻物鏡的分辨力，使用少量的低階非球面大幅提 高了成像質(zhì)量，各個透鏡元件的半徑、厚度與間距在優(yōu)化中發(fā)生改變以配合非球面更好的 校正像差。以中心光線為參考時單色均方根波像差小于lnm，畸變小于0.7nm。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑(NA) = 0. 75，工作波長=193納米，由于物鏡數(shù)值孔 徑大，提高了光刻分辨力(R)。2、工作波長193納米投影光刻物鏡由29片透鏡構(gòu)成，無一片膠合件，只使用了三 個10次非球面，因此物鏡結(jié)構(gòu)簡單，簡化了物鏡制作工藝，降低了制作成本，同時大幅提高 了物鏡質(zhì)量。3、在較短的波長下，保證了透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)為像方遠(yuǎn)心、物方遠(yuǎn)心的雙遠(yuǎn)心 系統(tǒng)。由于是雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)，因此即使掩模圖形和硅片位置少量偏離與傾斜，也不會改變投影 光刻倍率。4、成像質(zhì)量優(yōu)異，以中心光線為參考時均方根波像差小于lnm，畸變小于0. 7nm。 相比較與全球面系統(tǒng)成像質(zhì)量大幅提高。本發(fā)明所提出的光刻鏡頭，可以應(yīng)用于照明光源波長為193nm的深紫外投影光刻
裝置中。


圖1為本發(fā)明高分辨率非球面光刻物鏡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)中非球面位置示意圖。第一非球面(ASPl)為第六負(fù)透鏡18前表面(即透鏡第35面)。第二非球面 (ASP2)為第六彎月透鏡20后表面(即透鏡第40面)。第三非球面(ASP3)為第八負(fù)透鏡 28后表面(即透鏡第57面)。圖3為具體實(shí)施方式
中光刻物鏡在全場范圍內(nèi)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)圖；圖4為具體實(shí)施方式
中光刻物鏡在硅片上所成像的場曲與畸變圖。
標(biāo)號說明1_第一彎月透鏡、2-第一負(fù)透鏡、3-第一正透鏡、4-第二正透鏡、5-第 三正透鏡、6-第二彎月透鏡、7-第四正透鏡、8-第二負(fù)透鏡、9-第三負(fù)透鏡、10-第四負(fù)透 鏡、11-第五負(fù)透鏡、12-第三彎月透鏡、13-第五正透鏡、14-第六正透鏡、15-第七正透鏡、 16-第四彎月透鏡、17-第五彎月透鏡、18-第六負(fù)透鏡、19-第七負(fù)透鏡、20-第六彎月透鏡、 21-第八正透鏡、22-第九正透鏡、23-第七彎月透鏡，24-第十正透鏡、25-第i^一正透鏡、 26-第十二正透鏡、27-第十三正透鏡、28-第八負(fù)透鏡、29-第十四正透鏡、30-像面，其中第 六負(fù)透鏡前表面(即透鏡第35面)、第六彎月透鏡后表面(即透鏡第40面)、第八負(fù)透鏡 后表面(即透鏡第57面)為十次非球面。
具體實(shí)施例方式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。本實(shí)施例的高分辨率非球面光刻物鏡采用前后透鏡組組成，共使用29片全球面 透鏡，其中有三個10次非球面。如附圖1所示，透鏡1到透鏡20為前透鏡組，透鏡21至透鏡 29為后透鏡組，30為像面即硅片所在表面。透鏡材料使用熔石英(系統(tǒng)中心波長193. 368nm 時折射率為1. 560326)作為主要的透鏡材料，氟化鈣(系統(tǒng)中心波長時折射率為1. 501455) 作為校正色差所用材料。前組透鏡包括第一彎月透鏡1、第一負(fù)透鏡2、第一正透鏡3、第二正透鏡4、第三正 透鏡5、第二彎月透鏡6、第四正透鏡7、第二負(fù)透鏡8、第三負(fù)透鏡9、第四負(fù)透鏡10、第五 負(fù)透鏡11、第三彎月透鏡12、第五正透鏡13、第六正透鏡14、第七正透鏡15、第四彎月透鏡 16、第五彎月透鏡17、第六負(fù)透鏡18、第七負(fù)透鏡19、第六彎月透鏡20。所述的第六負(fù)透鏡18前表面(即透鏡第35面)為10次非球面。所述的第六彎月透鏡20后表面(即透鏡第40面)為10次非球面。后組透鏡包括第八正透鏡21、第九正透鏡22、第七彎月透鏡23，第十正透鏡24、第 i^一正透鏡25、第十二正透鏡26、第十三正透鏡27、第八負(fù)透鏡28、第十四正透鏡29。以上 透鏡順次排列，各透鏡同光軸，用透鏡外框上的機(jī)械組件固定它們之間的相對位置。所述的第八負(fù)透鏡28后表面(即透鏡第57面)為10次非球面。在透鏡第35面、透鏡第40面與較為靠近像面的透鏡第57面，分別加入10階非球 面，以平衡各種像差，像質(zhì)大幅改善。前后透鏡組通過透鏡外框上的機(jī)械組件固定它們之間的相對位置并連接在一起， 各透鏡同光軸。本發(fā)明所述的前后透鏡組中的29片全球面透鏡與現(xiàn)有技術(shù)相比，每一個透鏡的 半徑與厚度、以及透鏡的間距都進(jìn)行了不同程度的優(yōu)化。本實(shí)施例的具體優(yōu)化措施為應(yīng)用 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)，并加入像差與結(jié)構(gòu)限制參量，逐步得到現(xiàn)有結(jié)果。本實(shí)施例可以通過以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)工作波長193納米投影光刻物鏡的數(shù)值孔 徑(NA) = 0. 75，畸變小于0. 7nm,以中心光線為參考時均方根波像差小于lnm，光學(xué)系統(tǒng)縮 小倍率為4倍。其各透鏡的具體參數(shù)如下
權(quán)利要求
高分辨率非球面光刻物鏡，其特征在于包括前后透鏡組，共29塊透鏡，其中有3個10次非球面，其中前組透鏡包括第一彎月透鏡、第一負(fù)透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第二彎月透鏡、第四正透鏡、第二負(fù)透鏡、第三負(fù)透鏡、第四負(fù)透鏡、第五負(fù)透鏡、第三彎月透鏡、第五正透鏡、第六正透鏡、第七正透鏡、第四彎月透鏡、第五彎月透鏡、第六負(fù)透鏡、第七負(fù)透鏡、第六彎月透鏡；以上透鏡順次排列，各透鏡同光軸，用透鏡外框上的機(jī)械組件固定它們之間的相對位置；所述的第六負(fù)透鏡前表面為10次非球面；所述的第六彎月透鏡后表面為10次非球面；后組透鏡包括第八正透鏡、第九正透鏡、第七彎月透鏡，第十正透鏡、第十一正透鏡、第十二正透鏡、第十三正透鏡、第八負(fù)透鏡、第十四正透鏡；以上透鏡順次排列，各透鏡同光軸，用透鏡外框上的機(jī)械組件固定它們之間的相對位置；所述的第八負(fù)透鏡后表面為10次非球面；前后透鏡組通過透鏡外框上的機(jī)械組件按一定間距固定連接在一起，兩個透鏡組同光軸；以上各透鏡的具體參數(shù)如下 半徑 間距 玻璃標(biāo)號 物面 ∞ 68.04774 1 287.882 12 SIO2 2 221.974 6.5654 3 145.064 13.9 SIO2 4 460.2362 31.69243 5 6364.995 27.61898 SIO2 6 232.091 0.5 7 810.0899 29.82606 SIO2 8 339.034 0.5 9 323.8489 29.77231 SIO2 10 1012.35 0.5 11 209.0542 45.31999 SIO2 12 126.2162 14.24639 13 210.4571 29.93556 SIO2 14 443.612 0.512135 15 628.697 34.09739 SIO2 16 129.0868 19.43334 17 1206.875 13.2 SIO2 18 210.6486 21.48033 19 230.923 13.02 SIO2 20 361.0262 18.95117 21 228.819 14.1 SIO2 22 2161.029 44.39872 23 1057.95 21.08942 SIO2 24 306.469 0.500873 25 2677.576 35.67205 SIO2 26 314.753 0.5 27 1085.945 39.07586 SIO2 28 382.195 0.5 29 211.2432 49.83807 CAF2 30 9917.512 0.5 31 212.3262 23.1 SIO2 32 108.2633 0.507347 33 108.7488 24.54285 SIO2 34 142.6591 47.10856 35 273.068 18.1 SIO2 36 165.6149 45.92228 37 168.324 17.00883 SIO2 38 434.215 26.70709 39 217.495 40.0699 CAF2 40 171.658 2.962581 ST0 1.00E+18 0.505691 42 1084.665 34.98534 CAF2 43 346.534 0.5 44 342.2677 35.79381 CAF2 45 1277.77 17.61283 46 348.682 25.4 SIO2 47 1851.09 33.93939 48 638.9566 32.19414 SIO2 49 723.2 0.5 50 323.6347 36.41279 CAF2 51 1830.96 0.5 52 162.6255 43.47341 CAF2 53 415.6428 3.714167 54 196.7659 26.12903 CAF2 55 577.7424 7.299869 56 2842.98 54.81898 SIO2 57 99.34601 2.428926 58 93.48931 51.46798 SIO2 59 2421.709 9.000045 像面 ∞ 4.50E 05
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率非球面光刻物鏡，其特征在于所述的高分辨率非 球面光刻物鏡照明光源工作波長193納米，投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑(NA) = 0. 75，畸變小 于0. 7nm,以中心為參考時均方根波像差小于lnm，光學(xué)系統(tǒng)縮小倍率為4倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率非球面光刻物鏡，其特征在于所述的高分辨率非 球面光刻物鏡的透鏡材料包括熔石英和氟化鈣，其中，氟化鈣的作用為校正色差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深紫外全球面光刻物鏡，其特征在于所述的各透鏡的具體參數(shù)在實(shí)際操作中，可做微調(diào)以滿足相近的系統(tǒng)參數(shù)與像質(zhì)參數(shù)要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高分辨率非球面光刻物鏡，屬于高分辨力投影光刻物鏡技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的高分辨率非球面光刻物鏡包括前透鏡組、后透鏡組，數(shù)值孔徑為0.75，共使用29片透鏡，其中有3個表面使用了10次非球面；透鏡材料使用熔石英和氟化鈣，其中氟化鈣的作用為校正色差。本發(fā)明進(jìn)一步提高了現(xiàn)有投影光刻物鏡的分辨力，使用少量的低階非球面大幅提高了成像質(zhì)量，各個透鏡元件的半徑、厚度間距在優(yōu)化中發(fā)生改變以配合非球面更好的校正像差。以中心光線為參考時單色均方根波像差小于1nm，畸變小于0.7nm。
文檔編號G02B13/18GK101975983SQ201010279318
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者劉麗輝, 常軍, 李林, 李艷秋, 韓星, 馬斌, 黃一帆 申請人:北京理工大學(xué)