光学元件六自由度微位移调节装置、投影物镜和光刻机的制作方法

本发明属于光刻投影物镜技术领域，具体涉及一种光学元件六自由度微位移调节装置、投影物镜和光刻机。

背景技术：

光刻投影物镜是光刻机的核心部件之一，用于极大规模集成电路制造工艺。目前，随着集成电路特征线宽的减小，要求投影物镜具有更高的数值孔径和更小的系统波像差。用于倍率、场曲、像散、球差等指标补偿的调整装置是光学系统性能补偿的主要工具。调节机构的调节精度往往小于100nm，同时调节引入的面形RMS小于5nm。因此，传统的齿轮齿条、丝杠螺母、凸轮、涡轮蜗杆等调节机构的调节精度最高达到微米量级，不能满足使用要求。为了达到近乎苛刻的成像效果，需要设计专用的精密位移调节装置。根据光学元件的定位公差敏感度要求，常用的定位机构包括偏心调节机构、轴向调节机构和倾斜调节机构等。对于38nm或者更小节点的投影物镜，光学元件的定位公差更加严格，有的元件对多个自由度都很敏感，因此需要多自由度调节机构，而现有技术的光学元件调节装置，存在制造成本高、非线性误差大、加工难度大的问题。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提出了一种光学元件六自由度微位移调节装置，包括：镜筒；三个调节支链，沿镜筒的圆周方向分别安装于所述镜筒上，每个调节支链提供两个自由度的位移调节；以及支撑镜框，其安装于所述三个调节支链上，在每个调节支链的驱动下，所述支撑镜框可在两个自由度产生位移；其中，光学元件固定于所述支撑镜框内，在所述三个调节支链的驱动下，所述支撑镜框带动所述光学元件实现六自由度位移调节。

根据本发明的另一个方面，提出了一种投影物镜，包括多个光学元件以及多个上述光学元件六自由度微位移调节装置，其中至少部分光学元件固定在所述光学元件六自由度微位移调节装置上。

根据本发明的再一个方面，提出了一种光刻机，包括上述投影物镜。

本发明可以同时实现六个自由度位移调节，特别适用于对六个自由度都很敏感的光学元件调节，有效提高了光学元件位移调节精度。

附图说明

图1为本发明实施例的光刻机结构示意图；

图2为本发明实施例的光学元件六自由度微位移调节装置装配图；

图3为本发明实施例的镜筒的示意图；

图4为本发明实施例的一个调节支链的装配图；

图5为本发明实施例的调节支链的示意图；

图6为本发明实施例的调节支链的柔性铰链机构局部视图；

图7为本发明实施例的L形柔性连接板示意图；

图8为本发明实施例的L形柔性连接板示意图；

图9为本发明实施例的支撑镜框示意图。

【符号说明】

1照明系统；2掩模板；3掩模台；4投影物镜；5光学元件；6调节机构；7硅片；8硅片台；9法兰支撑；10法兰；11光轴；12镜筒；12-1安装基准面；12-2安装螺钉孔；12-3同轴安装基准；13调节支链；13-1调节支链主体；13-1-1安装螺钉孔；13-1-2上连杆；13-1-3Y向柔性板簧；13-1-4中间连杆；13-1-5安装面；13-1-6安装螺钉孔；13-1-7固定端；13-1-8安装螺钉孔；13-1-9对称柔性四杆机构；13-1-9-1第一板簧；13-1-9-2第二板簧；13-1-9-3连杆；13-1-9-4第三板簧；13-1-9-5第四板簧；13-1-10-1第五板簧；13-1-10-2第六板簧；13-1-10折叠柔性铰链；13-1-11下连杆；13-1-12X向柔性板簧；13-1-13驱动连接杆；13-2驱动器；13-3L形柔性连接板；13-3-1可动端连接螺钉孔；13-3-2L形板簧；13-3-3固定端连接螺钉孔；13-3-4固定端安装基准面；13-3-5可动端安装基准面；14支撑镜框；14-1安装基准面；14-2安装螺钉孔；14-3同轴安装基准；14-4光学元件支撑脚。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的光学元件六自由度微位移调节装置，适用于光刻机的投影物镜，如图1所示，给出了光刻机的结构示意图，其包括：照明系统1、掩模台3、投影物镜4和硅片台8，光轴11为投影物镜的光轴。其中，投影物镜4包括：由一系列光学元件5组成的光学系统、光学元件调节机构6、法兰支撑9和法兰10。掩模台3起到支撑和精密定位掩模2位置的作用，硅片台8起到支撑和精密定位硅片7位置的作用，投影物镜4的主要功能是，当照明系统1曝光时，以缩小倍率将掩模2上的图案通过光学曝光的方式转印到硅片7的预定位置上。投影物镜4具有大量的光学元件5，其中部分光学元件5的位移需要精确调节，以实现系统的功能。光学元件5通过调节机构6调节其位移，并安装到投影物镜4的镜筒侧壁上。

本发明提出的光学元件六自由度微位移调节装置，即调节结构6，可以实现对光学元件的六自由度调节，其整体结构如图2所示，包括镜筒12、三个调节支链13、和支撑镜框14，光学元件5粘接于支撑镜框14内，支撑镜框14的下表面连接三个调节支链13，调节支链13的下表面和镜筒12上表面固定连接，三个调节支链13安装在镜筒12的安装基准面上。

如图3所示，所述的镜筒12为回转对称形结构，其上表面为安装基准面12-1，通过三组安装螺钉孔12-2分别固定连接三个调节支链13，三组安装螺钉孔12-2中两两之间的分布角度分别为α、β、δ，三个分布角度可以相等也可以不相等，图中每组安装螺钉孔均有四个螺钉孔，但本发明不限于此，安装螺钉孔的数量可以根据固定连接的情况进行调节。

镜筒12以其外圆柱面作为集成到投影物镜4的同轴安装基准12-3，即以外圆柱面为安装基准面，镜筒12可以同轴安装固定到投影物镜的内壁，从而将光学元件六自由度微位移调节装置整体固定安装在投影物镜的内壁，并利用光学元件六自由度微位移调节装置来调节其上的光学元件5在投影物镜4光学系统中的位置。

如图4、图5和图6所示，调节支链13包括：一个调节支链主体13-1，两个驱动器13-2和两个L形柔性连接板13-3。参见图2、以及图4至图6所示，可以建立调节支链的局部坐标系，将平行于投影物镜(光学元件六自由度微位移调节装置，或者镜筒12)光轴11的方向作为Z轴方向，将垂直于Z轴且平行于投影物镜(光学元件六自由度微位移调节装置，或者镜筒12)径向的方向作为X轴方向，将垂直X轴和Z轴的方向作为Y轴方向，构成三维直角坐标系作为调节支链的局部坐标系。

调节支链主体13-1包括：固定端13-1-7、下连杆13-1-11、中间连杆13-1-4、上连杆13-1-2以及两个驱动连接杆13-1-13；其中，

固定端13-1-7的底端具有一组安装螺钉孔13-1-6，该组安装螺钉孔的数量和尺寸与镜筒12上表面的一组安装螺钉孔的数量和尺寸匹配，以将调节支链13安装固定在镜筒12的上表面。

固定端13-1-7的顶端通过两个柔性铰链机构，即对称柔性四杆机构13-1-9和折叠柔性铰链13-1-10，与下连杆13-1-11和两个驱动连接杆13-1-13连接，两个驱动连接杆13-1-13位于固定端13-1-7和下连杆13-1-11的两侧且关于局部坐标系X轴对称布置。

中间连杆13-1-4和下连杆13-1-11之间通过X向柔性板簧13-1-12连接，该X向柔性板簧可以实现中间连杆13-1-4绕X轴的转动功能，上连杆13-1-2和中间连杆13-1-4之间通过Y向柔性板簧13-1-3连接，该Y向柔性板簧可以实现上连杆13-1-2绕Y轴的转动和沿X轴的平移功能，上连杆13-1-2作为调节支链主体13-1的输出端，设置有连接支撑镜框14的安装螺钉孔13-1-1。下连杆13-1-11、中间连杆13-1-4和上连杆13-1-2组成连杆组件，作为驱动器的调节对象。

由此可见，本发明的调节支链为分体式结构，其加工难度低，使用常规的车削、铣削和电火花线切割即可加工，制作工艺简单，易于实现。

并且X向柔性板簧13-1-12和Y向柔性板簧13-1-3不仅用于支撑中间连杆13-1-4和上连杆13-1-2，起到支撑作用，还起到位移被动调节功能，当对光学元件进行主动调节时，X向柔性板簧13-1-12和Y向柔性板簧13-1-3还在这三个自由度提供一定裕量的被动调节，提高了光学元件的六自由度平动位移调节精度。

图6为柔性铰链机构的主视图。对称柔性四杆机构13-1-9关于调节支链主体13-1的局部坐标系X轴对称，可以实现连杆组件绕X轴的转动和沿Z轴的平移，其中沿Z轴的平移作为调节支链13提供的一个自由度的位移调节。对称柔性四杆机构13-1-9包括第一板簧13-1-9-1、第二板簧13-1-9-2、连杆13-1-9-3、第三板簧13-1-9-4和第四板簧13-1-9-5。

两个折叠柔性铰链13-1-10连接对称柔性四杆机构13-1-9，其关于调节支链主体13-1的局部坐标系X轴对称设置，可以实现连杆组件绕X轴的转动和沿Y轴的平移和沿Z轴的平移，其中沿Y轴的平移和沿Z轴的平移作为调节支链13提供的两个自由度的位移调节。折叠柔性铰链13-1-10包括第五板簧13-1-10-1和第六板簧13-1-10-2。

本发明采用的上述柔性铰链机构，调节行程微小，可以获得100μm级的调节行程，并且具有较大的承载能力，可以支撑大重量的光学元件。

两个驱动器13-2关于调节支链13的局部坐标系X轴对称布置，两个驱动器13-2安装在两个驱动连接杆的安装面13-1-5处，可以推拉驱动连接杆13-1-13运动，驱动连接杆13-1-13带动连杆组件在沿Y轴的平移和沿Z轴的平移这两个自由度运动，并通过上连杆13-1-2将运动输出，带动支撑镜框14和光学元件5沿Y轴和Z轴平移，实现两个自由度的微位移调节。

本发明采用驱动器提高了位移调节精度，其可以通过同时控制六个驱动器的进给量，精确控制光学元件的XYZ位移量，同时补偿光学元件的倾斜和旋转误差，保证光学元件的六自由度平动位移调节精度，并且具有实时位移调节能力，可以满足光刻物镜装调和维护时的六自由度位移调节需求。

如图7和图8所示，分别为L形柔性连接板的主视图和后视图。两个L形柔性连接板13-3关于调节支链13的局部坐标系Y轴对称布置，L形柔性连接板13-3轮廓大致为长方体，其中，其两个L形板簧13-3-2关于X轴对称，其沿Z轴的两端分别用于连接下连杆13-1-11和固定端13-1-7。可动端连接螺钉孔13-3-1位于可动端安装基准面13-3-5上，对应于下连杆13-1-11上的安装螺钉孔13-1-8，可利用螺钉通过可动端连接螺钉孔13-3-1和安装螺钉孔13-1-8，将L形柔性连接板13-3固定于下连杆13-1-11上；固定端连接螺钉孔13-3-3位于固定端安装基准面13-3-4上，对应于固定端13-1-7上的安装螺钉孔13-1-8，可利用螺钉通过固定端连接螺钉孔13-3-3和安装螺钉孔13-1-8，将L形柔性连接板13-3固定于固定端。L形柔性连接板13-3允许连杆组件绕着X轴转动、沿着Y轴和Z轴平移，限制连杆组件沿着X轴平移，绕着Y轴和Z轴的转动。

本发明的L形柔性连接板，允许沿着Y轴和Z轴平移，限制沿着X轴平移、绕着Y轴和Z轴的转动，可以进一步提高沿着Y轴和Z轴平移的二自由度位移调节精度，消除了其他自由度的运动带来的误差，提高了光学元件的六自由度平动位移调节精度。

如图9所示，支撑镜框14为回转对称形结构，其上表面和下表面为安装基准面14-1，通过安装基准面14-1的三组安装螺钉孔14-2与三个调节支链13上连杆13-1-2的安装螺钉孔13-1-1，将支撑镜框14固定安装三个调节支链13上。在三组安装螺钉孔14-2两两之间的分布角度分别为α、β、δ，分布角度之间可以相等也可以不相等，对应于镜筒12上表面三组安装螺钉孔12-2两两之间的分布角度α、β、δ。支撑镜框14以其外圆柱面作为光学元件5的同轴安装基准14-3，并通过其内周的光学元件支撑脚14-4以粘接的方式固定光学元件5。

驱动器13-2可以采用压电式、磁致伸缩式等驱动方式，以实现纳米级驱动。本发明优选压电驱动器，其驱动行程为3mm，精度小于30nm，满足使用要求。

本发明光学元件六自由度微位移调节装置的工作过程为：

根据控制系统指令，每个调节支链13的驱动器13-2输出一定的位移，通过驱动连接杆13-1-13一端带动折叠柔性铰链13-1-10和对称柔性四杆机构13-1-9运动，从而带动下连杆13-1-11沿Y轴平移或沿Z轴平移，并经由X向柔性板簧13-1-12、中间连杆13-1-4、Y向柔性板簧13-1-3传递到输出端上连杆13-1-2，带动连杆组件整体沿Y轴平移或沿Z轴平移，通过上连杆13-1-2带到支撑镜框14和光学元件5沿Y轴平移或沿Z轴平移，从而实现光学元件两自由度微位移调节，通过上述方式控制三个调节支链13，即可实现光学元件六自由度微位移调节，补偿光学元件5的位置误差，直到到达目标位置，保证光学元件的位移调节精度同时达到小于100nm，同时调节引入的面形RMS小于5nm。

本发明的六自由度微位移调节装置，可以同时实现六个自由度位移调节，特别适用于对六个自由度都很敏感的光学元件调节。

本发明还提供了一种适用于光刻机的投影物镜，包括多个光学元件5以及若干光学元件六自由度微位移调节装置，其中至少部分光学元件5固定安装在上述光学元件六自由度微位移调节装置上。

本发明还提供了一种光刻机，其包括上述投影物镜，以及照明系统1、掩模台3、硅片7、硅片台8等其他部件。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的光学元件六自由度微位移调节装置、投影物镜和光刻机有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构和形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如，固定端与连杆组件之间还可以通过其他类型的连接结构连接，只要可以使连杆组件相对于固定端产生位移即可；上连杆、中间连杆和下连杆之间也采用其他支撑结构连接，只要可以稳定支撑被调节的光学元件即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。