一种大数值孔径浸没式投影物镜的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种大数值孔径浸没式投影物镜，用于将物平面的图像成像到像平面内。该大数值孔径浸没式投影物镜，沿其光轴方向包括两个同轴放置的非球面反射镜和六个透射组。从光束入射方向依次排布透射组G1具有正焦距，透射组G2具有正焦距，透射组G3具有正焦距，反射组具有负光焦度，透射组G4具有负焦距，透射组G5具有正焦距，透射组G6具有正焦距，本发明的大数值孔径浸没式投影物镜可将物平面的图像缩小0.25倍成像到像平面内，该投影物镜具有数值孔径大、成像质量好、结构紧凑、容易加工装调等优点。
【专利说明】一种大数值孔径浸没式投影物镜
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于微影工艺、半导体元件制作装置中的大数值孔径浸没式投影 物镜，属于投影光学【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 光刻是一种集成电路制造技术，它利用光学投影影像的原理将掩模板上的1C图 形以曝光的方式将高分辨率图形转移到涂胶硅片上的光学曝光过程，几乎所有集成电路的 制造都是采用光学投影光刻技术。
[0003] 随着科学技术的不断进步，各类半导体芯片广泛应用于航空航天军事领域和计算 机等民用领域，随着对设备性能要求的不断提高，对半导体芯片的分辨率要求越来越高。目 前国际上光刻机的制造几乎处于垄断地位，最大的3家生产商为ASML，Nikon和Canon。从 2004年起，这几家公司就提供193nm浸没式光刻机样品供各大芯片制造商使用，至今，已开 发出多种型号的193nm浸没式光刻机。光刻技术是我国芯片产业发展的重要支持型技术之 一，投影光刻装置是大规模集成电路制造工艺的关键设备。大数值孔径高精度投影光学系 统是高尖端光刻机的核心部件，它的性能直接决定着光刻机的精度。目前国内刚刚开始工 作波长193nm的投影光学系统实用化研究，以往设计数值孔径也都不很高，最高分辨力为 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图形，已不能满足大规模集成 电路制造和研究的需求。
[0004] 由瑞利衍射定理可得到光刻机分辨力的公式如下：
[0005] R = k! λ /NA
[0006] 上式中R为光刻机的分辨力，&为工艺系数因子，λ为工作波长，ΝΑ为投影光刻 物镜的数值孔径。
[0007] 由以上公式可知，为了获得更高的分辨率，可以通过缩短光源的波长，或者增大投 影光刻物镜的数值孔径来实现，但是光源波长缩短时，由于光学玻璃对光的吸收而用于投 影光刻物镜的材料种类会受到很大限制。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有光刻物镜数值孔径小的不足，本发明的目的是提供一种工作波长为 193nm，数值孔径为1. 35的大数值孔径浸没式投影物镜。
[0009] 为达成所述目的，本发明提供一种大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于，以物 平面输入光束传播方向为系统光轴，在系统光轴上依次放置透射组G1、透射组G2、透射组 G3、反射组和透射组G4、透射组G5、透射组G6,其中透射组G1焦距为正，透射组G2焦距为 正，透射组G3焦距为正，反射组焦距为负，透射组G4焦距为负，透射组G5焦距为正，透射组 G6焦距为正；
[0010] 透镜组G1的焦距和系统总焦距的比值范围区间为[-0. 009，-0. 008]，透镜组G2的 焦距和系统总焦距的比值范围区间为[-0.01，-0.009]，透镜组G3的焦距和系统总焦距的 比值范围区间为[-0.08, -0.05]，反射组的焦距和系统总焦距的比值范围区间为[0.006， 0. 009]，透镜组G4的焦距和系统总焦距的比值范围区间为[0. 01，0. 02]，透镜组G5的焦距 和系统总焦距的比值范围区间为[-0. 02,-0. 01],透镜组G6的焦距和系统总焦距的比值范 围区间为[_0. 01，-0. 008];
[0011] 透射组G1包括第一正透镜1、第二正透镜2、第三正透镜3、第四正透镜4、第一负 透镜5 ;
[0012] 透射组G2包括第二负透镜6、第五正透镜7、第六正透镜8、第三负透镜9、第七正 透镜10 ;
[0013] 透射组G3包括第八正透镜11、第四负透镜12、第九正透镜13 ;
[0014] 反射组包括第一反射镜14、第二反射镜15,其中第一反射镜14焦距为负，第二反 射镜焦距15为正，第一反射镜14的焦距和反射组的焦距比值范围区间为[0. 5, 0. 8]，第二 反射镜15的焦距和反射组的焦距比值范围区间为[-0. 6, -0. 4];
[0015] 透射组G4包括第十正透镜16、第五负透镜17 ;
[0016] 透射组G5包括第六负透镜18、第i^一正透镜19、第十二正透镜20、第十三正透镜 21、第十四正透镜22、第十五正透镜23 ;
[0017] 透射组G6包括第十六正透镜24、第十七正透镜25、第十八正透镜26。
[0018] 进一步的，所述的大数值孔径浸没式投影物镜中的第一反射镜14、第二反射镜15 均为阶数为20次的高次非球面，其中第一反射镜14的通光口径为317_，第二反射镜15的 通光口径为240mm。
[0019] 进一步的，所述的大数值孔径浸没式投影物镜的透射组中共使用了 20个非球面， 第二正透镜2、第三正透镜3、第四正透镜4、第一负透镜5、第二负透镜6、第五正透镜7、第 六正透镜8、第三负透镜9、第七正透镜10、第八正透镜11、第四负透镜12、第九正透镜13、 第十正透镜16、第五负透镜17、第六负透镜18、第^ 正透镜19、第十二正透镜20、第十三 正透镜21、第十六正透镜24、第十七正透镜25中都使用了非球面。
[0020] 进一步的，所述的大数值孔径浸没式投影物镜的孔径光阑设置在第十五正透镜23 和第十六正透镜24之间。
[0021] 进一步的，所述的大数值孔径浸没式投影物镜中透射镜的材料都是熔石英。
[0022] 进一步的，所述的大数值孔径浸没式投影物镜的一次像面位于反射组内部。
[0023] 进一步的，所述大数值孔径浸没式投影物镜的像方处使用的浸没液为水。
[0024] 本发明具有以下优点：
[0025] 1、本发明的大数值孔径浸没式投影物镜的数值孔径为1. 35,工作波长为193nm， 像方视场为26_X5. 5_，由于物镜数值孔径大，克服了现有投影光刻物镜数值孔径小的不 足，提高了光刻分辨率。
[0026] 2、本发明的大数值孔径浸没式投影物镜由透射组G1、透射组G2、透射组G3、反射 组和透射组G4、透射组G5、透射组G6构成，七组镜子同轴，减小了装调集成难度。
[0027] 3、本发明的大数值孔径浸没式投影物镜中透射组G1包含5片透镜，透射组G2包 含5片透镜，透射组G3包含3片透镜，反射组仅包含2片反射镜，透射组G4包含2片透镜， 透射组G5包含6片透镜，透射组G6包含3片透镜，所有透射组和反射组内的镜子均为单片 镜，系统结构简单紧凑。
[0028] 4、本发明的大数值孔径浸没式投影物镜最大波像差为1. 25nm，具有良好的成像特 性。
[0029] 本发明所提出的大数值孔径浸没式投影物镜，可以应用于照明光源波长为193nm 的深紫外浸没式投影光刻装置中。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的一种大数值孔径浸没式投影物镜的结构示意图；图中"NAL. 35"的 含义为：表示该投影物镜的数值孔径为1. 35 ;"SCale :0. 14"的含义为：表示图中所示投影 物镜的结构和实际尺寸的比例为〇. 14 ;
[0031] 附图标号说明：
[0032] 1-第一正透镜、2-第二正透镜、3-第三正透镜、4-第四正透镜、5-第一负透镜、 6_第二负透镜、7-第五正透镜、8-第六正透镜、9-第三负透镜、10-第七正透镜、11-第八正 透镜、12-第四负透镜、13-第九正透镜、14-第一反射镜、15-第二反射镜、16-第十正透镜、 17-第五负透镜、18-第六负透镜、19-第i^一正透镜、20-第十二正透镜、21-第十三正透镜、 22-第十四正透镜、23-第十五正透镜、24-第十六正透镜、25-第十七正透镜、26-第十八正 透镜、27-像面。
【具体实施方式】
[0033] 为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进 一步说明。
[0034] 图1为本发明大数值孔径浸没式投影物镜布局示意图，26片光学元件形成透射组 G1、透射组G2、透射组G3、反射组、透射组G4、透射组G5、透射组G6,依次从光束入射方向设 置。
[0035] 透射组G1为焦距为正的单元组，包括第一正透镜1、第二正透镜2、第三正透镜3、 第四正透镜4、第一负透镜5,光线由物面投射经过透射组G1会聚后进入透射组G2。
[0036] 透射组G2为焦距为正的单元组，包括第二负透镜6、第五正透镜7、第六正透镜8、 第三负透镜9、第七正透镜10,光线由透射组1出射经过透射组G2会聚后进入透射组G3。
[0037] 透射组G3为焦距为正的单元组，包括第八正透镜11、第四负透镜12、第九正透镜 13,光线由透射组G2出射经过透射组G3会聚后进入反射组。
[0038] 反射组为焦距为负的单元组，包括第一反射镜14、第二反射镜15,光线由透射组 G3出射经过反射组发散后进入透射组G4。
[0039] 透射组G4为焦距为负的单元组，包括第十正透镜16、第五负透镜17,光线由反射 组出射经过透射组4发散后进入透射组G5。
[0040] 透射组G5为焦距为正的单元组，包括第六负透镜18、第^^一正透镜19、第十二正 透镜20、第十三正透镜21、第十四正透镜22、第十五正透镜23,光线由透射组4出射经过透 射组5会聚后进入透射组6。
[0041] 透射组G6为焦距为正的单元组，包括第十六正透镜24、第十七正透镜25、第十八 正透镜26,光线由透射组G5出射经过透射组G6会聚后到达像面。
[0042] 透射组G1、透射组G2、透射组G3、透射组G4、透射组G5、透射组G6中所有透射镜使 用的都是熔石英材料，在中心波长193nm处时熔石英玻璃的透射率为1. 560491。
[0043] 为提高大数值孔径浸没式投影物镜的像质，以物镜各个表面的半径、厚度、间隔、 非球面系数作为变量，应用光学设计软件Code-v构造特定的优化函数，对系统进行反复优 化，逐步优化为现有结果。
[0044] 本实施例通过以下技术措施实现：照明光源工作波长193纳米，像方视场 26mmX5. 5mm，投影物镜的数值孔径（NA) = 1. 35,投影物镜的光刻分辨力（R) = 40nm，投影 物镜缩小倍率为〇. 25倍，大数值孔径浸没式投影物镜第一镜子距离物面35mm，透镜组G1 的焦距和系统总焦距的比值为-〇. 0088,透镜组G2的焦距和系统总焦距的比值为-0. 0097， 透镜组G3的焦距和系统总焦距的比值为-0.063,反射组的焦距和系统总焦距的比值为 0. 0072,透镜组G4的焦距和系统总焦距的比值为0. 017,透镜组G5的焦距和系统总焦距的 比值为-〇. 015,透镜组G6的焦距和系统总焦距的比值为-0. 0092,第一反射镜14的焦距和 反射组的焦距比值为〇. 63,第二反射镜15的焦距和反射组的焦距比值为0. 57。
[0045] 本发明的大数值孔径浸没式投影物镜的将物面即掩膜置于物镜系统的第一正透 镜前35mm处，光线由物面处发出经透射组G1、透射组G2、透射组G3、反射组和透射组G4、透 射组G5、透射组G6七个单元组后成缩小0. 25倍的像到达像面即硅片上。
[0046] 本发明的大数值孔径浸没式投影物镜从掩膜面到硅片面的距离仅为1300_，结构 简单紧凑。通过优化各透镜的曲率半径、厚度、非球面系数以及改变各透镜之间的间隔减小 光学系统的各种像差。
[0047] 波像差是成像质量很高的光学系统都要用到的光学评价指标，它可以直观反应低 阶像差和高阶像差的情况。表2列出了本实施例所设计的大数值孔径浸没式投影物镜各个 视场以质心为参考的各个视场的均方根波像差，其中f 1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9、Π 0 表示10个视场，λ表示波长，可知，该系统最大波像差为1. 25nm。
[0048] 表1大数值孔径浸没式投影物镜的波像差
[0049]
【权利要求】
1. 一种大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于，以物平面输入光束传播方向为系统 光轴，在系统光轴上依次放置透射组G1、透射组G2、透射组G3、反射组和透射组G4、透射组 G5、透射组G6,其中透射组G1焦距为正，透射组G2焦距为正，透射组G3焦距为正，反射组焦 距为负，透射组G4焦距为负，透射组G5焦距为正，透射组G6焦距为正； 透镜组G1的焦距和系统总焦距的比值范围区间为[-0.009, -0.008]，透镜组G2的 焦距和系统总焦距的比值范围区间为[-0.01，-0.009]，透镜组G3的焦距和系统总焦距的 比值范围区间为[-0.08, -0.05]，反射组的焦距和系统总焦距的比值范围区间为[0.006， 0. 009]，透镜组G4的焦距和系统总焦距的比值范围区间为[0. 01，0. 02]，透镜组G5的焦距 和系统总焦距的比值范围区间为[-0. 02,-0. 01],透镜组G6的焦距和系统总焦距的比值范 围区间为[_〇. 01，-〇. 008]; 透射组G1包括第一正透镜（1)、第二正透镜（2)、第三正透镜（3)、第四正透镜（4)、第 一负透镜（5); 透射组G2包括第二负透镜￠)、第五正透镜（7)、第六正透镜（8)、第三负透镜（9)、第 七正透镜（10); 透射组G3包括第八正透镜（11)、第四负透镜（12)、第九正透镜（13); 反射组包括第一反射镜（14)、第二反射镜（15)，其中第一反射镜（14)焦距为负， 第二反射镜焦距（15)为正，第一反射镜（14)的焦距和反射组的焦距比值范围区间为 [0.5,0. 8]，第二反射镜（15)的焦距和反射组的焦距比值范围区间为[-0.6,-0. 4]; 透射组G4包括第十正透镜（16)、第五负透镜（17); 透射组G5包括第六负透镜（18)、第i^一正透镜（19)、第十二正透镜（20)、第十三正透 镜（21)、第十四正透镜（22)、第十五正透镜（23); 透射组G6包括第十六正透镜（24)、第十七正透镜（25)、第十八正透镜（26)。
2. 根据权利要求1所述的大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于：所述的大数值孔 径浸没式投影物镜中的第一反射镜（14)、第二反射镜（15)均为阶数为20次的高次非球面， 其中第一反射镜（14)的通光口径为317mm，第二反射镜（15)的通光口径为240mm。
3. 根据权利要求1所述的大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于：所述的大数值孔 径浸没式投影物镜的透射组中共使用了 20个非球面，第二正透镜（2)、第三正透镜（3)、第 四正透镜（4)、第一负透镜（5)、第二负透镜（6)、第五正透镜（7)、第六正透镜（8)、第三负透 镜（9)、第七正透镜（10)、第八正透镜（11)、第四负透镜（12)、第九正透镜（13)、第十正透镜 (16)、第五负透镜（17)、第六负透镜（18)、第^^一正透镜（19)、第十二正透镜（20)、第十三 正透镜（21)、第十六正透镜（24)、第十七正透镜（25)中都使用了非球面。
4. 根据权利要求1所述的大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于：所述的大数值孔 径浸没式投影物镜的孔径光阑设置在第十五正透镜（23)和第十六正透镜（24)之间。
5. 根据权利要求1所述的大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于：所述的大数值孔 径浸没式投影物镜中透射镜的材料都是熔石英。
6. 根据权利要求1所述的大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于：所述的大数值孔 径浸没式投影物镜的一次像面位于反射组内部。
7. 根据权利要求1所述的大数值孔径浸没式投影物镜，其特征在于：所述大数值孔径 浸没式投影物镜的像方处使用的浸没液为水。
【文档编号】G03F7/20GK104111515SQ201410330973
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】白瑜, 邢廷文, 林妩媚, 朱红伟, 吕保斌, 廖志远, 邓超 申请人:中国科学院光电技术研究所