專(zhuān)利名稱(chēng)：高分辨率福布斯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福布斯非球面光刻物鏡，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)。隨著時(shí)間發(fā)展，光刻機(jī)先后經(jīng)歷了接觸式、接近式、全硅片掃描投影式、分步重復(fù)投影式到現(xiàn)在的步進(jìn)掃描投影式。隨之曝光波長(zhǎng)從436nm(g線(xiàn))，365nm(i線(xiàn))，48nm (KrF) 減小到目前常見(jiàn)的193nm(ArF)，甚至到157nm的極紫外光，與13. 5nm波長(zhǎng)的極端紫外光。20 世紀(jì)60年代以來(lái)，光刻機(jī)內(nèi)的物鏡絕大部分都是由透鏡組成。由于光刻的要求越來(lái)越高， 光刻物鏡的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，現(xiàn)在比較普遍的193nm準(zhǔn)分子激光分步光刻機(jī)的透射式物鏡多為三四十片透鏡組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。且隨著光刻機(jī)的曝光波長(zhǎng)越來(lái)越短，對(duì)折射式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更大的挑戰(zhàn)。在光刻系統(tǒng)中使用非球面設(shè)計(jì)能夠大幅提高像質(zhì)。福布斯曲面是美國(guó)QED公司著名光學(xué)專(zhuān)家G. R)rbes提出的一種正交曲面，目的在于改進(jìn)傳統(tǒng)非球面的描述方法。福布斯非球面系數(shù)的特性提供了對(duì)非球面斜率的快速計(jì)算，使得在光學(xué)設(shè)計(jì)中約束非球面度成為可能。非球面度的降低將會(huì)降低系統(tǒng)的檢測(cè)與加工難度，并且有可能降低系統(tǒng)公差靈敏度。本專(zhuān)利以專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01010278088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)量等方面有很大提高，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)，工藝性有待進(jìn)一步提尚。

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)的福布斯非球面光刻物鏡非球面?zhèn)€數(shù)多、公差靈敏度高的問(wèn)題，提出一種高分辨率福布斯非球面光刻物鏡。本發(fā)明所述的高分辨率福布斯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，共使用四片透鏡，其中有6個(gè)表面使用了福布斯非球面；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。前組透鏡包括第一負(fù)透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第四正透鏡、第二彎月透鏡、第二負(fù)透鏡、第三彎月透鏡、第三負(fù)透鏡、第四負(fù)透鏡、第五負(fù)透鏡、第四彎月透鏡、第五正透鏡、第六正透鏡、第七正透鏡、第五彎月透鏡、第六彎月透鏡、第六負(fù)透鏡、第七負(fù)透鏡、第七彎月透鏡。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(duì)位置。所述的第二正透鏡后表面為12次福布斯非球面。所述的第四負(fù)透鏡前表面為14 次福布斯非球面。所述的第六彎月透鏡后表面為12次福布斯非球面。
后組透鏡包括第八正透鏡、第九正透鏡、第八負(fù)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、第九負(fù)透鏡與第十四正透鏡。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(duì)位置。所述的第八正透鏡前表面為14次福布斯非球面。所述的第九負(fù)透鏡前表面為14 次福布斯非球面。所述的第十四正透鏡后表面為8次福布斯非球面。前后透鏡組通過(guò)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(gè)透鏡組同光軸。本發(fā)明的高分辨率福布斯非球面光刻物鏡的工作過(guò)程為將物面即掩膜置于物鏡系統(tǒng)的第一負(fù)透鏡前，各視場(chǎng)中心光線(xiàn)垂直入射第一鏡，為物方遠(yuǎn)心，經(jīng)過(guò)前透鏡組折射后各視場(chǎng)分別充滿(mǎn)第七彎月透鏡與第八正透鏡之間的光闌，再經(jīng)過(guò)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(chǎng)中心光線(xiàn)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，確保了每個(gè)非球面與非球面系數(shù)的有效性，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)在減少非球面?zhèn)€數(shù)與有效數(shù)字個(gè)數(shù)的同時(shí)提高了像質(zhì)，并大幅降低了公差靈敏度，各個(gè)透鏡元件的半徑、厚度間距在優(yōu)化中發(fā)生改變以配合福布斯非球面更好的校正像差。以中心光線(xiàn)為參考時(shí)單色均方根波像差小于0. 5nm,畸變小于0. 5nm。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(zhǎng)=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(zhǎng)193納米投影光刻物鏡由四片透鏡構(gòu)成，無(wú)一片膠合件，只使用了六個(gè)福布斯非球面，因此物鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了物鏡制作工藝，降低了制作成本，同時(shí)大幅提高了物鏡質(zhì)量。3、在較短的波長(zhǎng)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偏離與傾斜，也不會(huì)改變投影光刻倍率。4、系統(tǒng)中加入福布斯非球面斜率約束，可降低復(fù)雜系統(tǒng)光學(xué)元件的偏心與傾斜公差靈敏度，大幅降低系統(tǒng)裝配難度，減少裝配時(shí)間，幫助系統(tǒng)進(jìn)入制造性更高、實(shí)際使用中像質(zhì)更高的解空間。5、成像質(zhì)量?jī)?yōu)異，有福布斯非球面斜率約束系統(tǒng)只使用6個(gè)福布斯非球面與較少的優(yōu)化時(shí)間，使像質(zhì)大幅提高。以中心光線(xiàn)為參考時(shí)均方根波像差小于0. 328nm，畸變小于 0. 5nm。與偶次非球面系統(tǒng)相比較成像質(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(zhǎng)為193nm的深紫外投影光刻
裝置中。


圖1為本發(fā)明高分辨率福布斯非球面光刻物鏡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的光刻物鏡系統(tǒng)中福布斯非球面位置示意圖；圖3為具體實(shí)施方式
中光刻物鏡在全場(chǎng)范圍內(nèi)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)圖4為具體實(shí)施方式
中光刻物鏡在硅片上所成像的場(chǎng)曲與畸變圖；圖5為具體實(shí)施方式
中光刻物鏡在不同視場(chǎng)范圍內(nèi)的像差曲線(xiàn)圖；圖6為現(xiàn)有技術(shù)中具有相同像質(zhì)的8偶次非球面系統(tǒng)與具體實(shí)施方式
中光刻物鏡的各元件偏心與傾斜公差分析后各項(xiàng)公差項(xiàng)均方根波像差變化圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明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-第四正透鏡、6-第二彎月透鏡、7-第二負(fù)透鏡、8-第三彎月透鏡、8-第三負(fù)透鏡、10-第四負(fù)透鏡、11-第五負(fù)透鏡、12-第四彎月透鏡、13-第五正透鏡、14-第六正透鏡、15-第七正透鏡、 16-第五彎月透鏡、17-第六彎月透鏡、18-第六負(fù)透鏡、19-第七負(fù)透鏡、20-第七彎月透鏡、21-第八正透鏡、22-第九正透鏡、23-第八負(fù)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-第九負(fù)透鏡、29-第十四正透鏡、30-像面。
具體實(shí)施例方式為了更好地說(shuō)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)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)例的高分辨率福布斯非球面光刻物鏡采用前后透鏡組組成，共使用四片透鏡，其中有6個(gè)福布斯非球面。如圖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，像面30即硅片所在表面。透鏡材料使用熔石英(系統(tǒng)中心波長(zhǎng)193. 368nm 時(shí)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(zhǎng)時(shí)折射率為1. 501455) 作為校正色差所用材料。前組透鏡包括第一負(fù)透鏡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、第二彎月透鏡6、第二負(fù)透鏡7、第三彎月透鏡8、第三負(fù)透鏡9、第四負(fù)透鏡10、第五負(fù)透鏡11、第四彎月透鏡12、第五正透鏡13、第六正透鏡14、第七正透鏡15、第五彎月透鏡 16、第六彎月透鏡17、第六負(fù)透鏡18、第七負(fù)透鏡19、第七彎月透鏡20。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(duì)位置。所述的第二正透鏡3后表面為12次福布斯非球面。所述的第四負(fù)透鏡10前表面為14次福布斯非球面。所述的第六彎月透鏡17后表面為12次福布斯非球面。后組透鏡包括第八正透鏡21、第九正透鏡22、第八負(fù)透鏡23，第十正透鏡24、第 i^一正透鏡25、第十二正透鏡沈、第十三正透鏡27、第九負(fù)透鏡觀(guān)、第十四正透鏡四。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(duì)位置。所述的第八正透鏡21前表面為14次福布斯非球面。所述的第九負(fù)透鏡觀(guān)前表面為14次福布斯非球面。所述的第十四正透鏡四后表面為8次福布斯非球面。如圖2所示，第一福布斯非球面(ASPl)為第八正透鏡21前表面(即透鏡第41 面)；第二福布斯非球面(ASP》為第十四正透鏡四后表面(即透鏡第58面)；第三福布斯非球面(ASP； )為第九負(fù)透鏡觀(guān)前表面(即透鏡第55面)；第四福布斯非球面(ASP4)為第六彎月透鏡17后表面(即透鏡第34面)；第五福布斯非球面(ASPO為第四負(fù)透鏡10 前表面(即透鏡第19面)；第六福布斯非球面(ASP6)為第二正透鏡3后表面(即透鏡第6 面)。由于加入福布斯非球面，平衡了各種像差，像質(zhì)大幅改善。前后透鏡組通過(guò)透鏡外框上的機(jī)械組件固定它們之間的相對(duì)位置并連接在一起， 各透鏡同光軸。
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本發(fā)明所述的前后透鏡組中的四片透鏡與現(xiàn)有技術(shù)相比，每一個(gè)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(guò)以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)工作波長(zhǎng)193納米投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑(NA) = 0. 75，畸變小于0. 5nm,以中心光線(xiàn)為參考時(shí)均方根波像差小于0. 5nm，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
1.高分辨率福布斯非球面光刻物鏡，其特征在于共四塊透鏡，包括6個(gè)福布斯非球面，分為前后透鏡組，其中前組透鏡包括第一負(fù)透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第四正透鏡、第二彎月透鏡、第二負(fù)透鏡、第三彎月透鏡、第三負(fù)透鏡、第四負(fù)透鏡、第五負(fù)透鏡、第四彎月透鏡、 第五正透鏡、第六正透鏡、第七正透鏡、第五彎月透鏡、第六彎月透鏡、第六負(fù)透鏡、第七負(fù)透鏡、第七彎月透鏡；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(duì)位置；所述的第二正透鏡后表面為12次福布斯非球面；所述的第四負(fù)透鏡前表面為14次福布斯非球面；所述的第六彎月透鏡后表面為12次福布斯非球面；后組透鏡包括第八正透鏡、第九正透鏡、第八負(fù)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、第九負(fù)透鏡與第十四正透鏡；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(duì)位置；所述的第八正透鏡前表面為14次福布斯非球面；所述的第九負(fù)透鏡前表面為14次福布斯非球面；所述的第十四正透鏡后表面為8次福布斯非球面；前后透鏡組通過(guò)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(gè)透鏡組同光軸；以上各透鏡的具體參數(shù)如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率福布斯非球面光刻物鏡，其特征在于所述的高分辨率福布斯非球面光刻物鏡照明光源工作波長(zhǎng)193納米，投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑(NA) =0. 75，畸變小于0. 5nm,以中心為參考時(shí)均方根波像差小于0. 5nm，光學(xué)系統(tǒng)縮小倍率為4倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率福布斯非球面光刻物鏡，其特征在于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所述的高分辨率福布斯非球面光刻物鏡，其特征在于裝配公差靈敏度降低了 3倍以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率福布斯非球面光刻物鏡，其特征在于所述的各透鏡的具體參數(shù)在實(shí)際操作中，做微調(diào)以滿(mǎn)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福布斯非球面光刻物鏡，屬于高分辨力投影光刻物鏡技術(shù)領(lǐng)域；具體包括前透鏡組、后透鏡組，數(shù)值孔徑為0.75，共使用29片透鏡，其中有6個(gè)表面使用了福布斯非球面；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；前后透鏡組通過(guò)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(gè)透鏡組同光軸。本發(fā)明提高了現(xiàn)有投影光刻物鏡的分辨力，確保每個(gè)非球面與非球面系數(shù)的有效性，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)在減少非球面?zhèn)€數(shù)與有效數(shù)字個(gè)數(shù)的同時(shí)提高了像質(zhì)，并大幅降低了公差靈敏度；以中心光線(xiàn)為參考時(shí)單色均方根波像差小于0.5nm，畸變小于0.5nm；可以應(yīng)用于照明光源波長(zhǎng)為193nm的深紫外投影光刻裝置中。
文檔編號(hào)G02B13/14GK102508353SQ20111035222
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者劉麗輝, 常軍, 李林, 李艷秋, 韓星, 馬斌, 黃一帆 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)