专利名称：高分辨率非球面光刻物镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高分辨率非球面光刻物镜，属于高分辨力投影光刻物镜技术领 域。
背景技术：
光刻是一种集成电路制造技术，利用光学的方法将掩膜版上的电路图形转移到 硅片上，几乎所有集成电路的制造都是采用光学光刻技术。最初，半导体器件制造，采用 的是掩模与硅片贴在一起的接触式光刻技术。1957年，接触式光刻技术实现了特征尺寸 (Feature Size) ^J 20 μ m W^^^IiiL^fil^ DRAM (Dynamic Random Access Memory)的 造。之后，半导体行业引入掩模与硅片间具有一定间隙的接近式光刻技术，并分别于1971 年和1974年制造出特征尺寸为ΙΟμπι和6μπι的DRAM。1977年，光刻技术发展出具有1 1 投影光学系统的等倍投影光刻技术，并能制出造特征尺寸为4 μ m的DRAM。二十世纪八十年 代后，出现了装用折射式缩小投影光学系统的分步光刻机，并迅速成为半导体制造技术中 的主流。分步光刻机与此前的光刻机相比，极大地改善了系统的分辨率和掩模/硅片套刻 时的对准精度。投影光刻装置是实现大规模集成电路制造工艺的关键设备。投影光刻物镜则是投 影光刻装置的核心部件。工作波长193纳米投影光刻物镜是制作超微细图形的投影光刻装 置的核心部件。日本尼康(Nikon)、佳能(Canon)、德国蔡司(Zeiss)、美国楚普(Tropel)等 公司目前公开的工作波长193纳米投影光刻物镜，数值孔径都大于等于0. 50-0. 75，分辨力 较高；但这些物镜结构复杂，价格昂贵。本专利以先前申请的专利号为201010278088. 5的“深紫外全球面光刻物镜”中系 统作为初始结构进行改进。原系统虽然较现有技术的其他大多数物镜在成像质量、工艺性 方面有很大提高，但成像质量仍有可提高的空间，部分结构参数不是最优化的制造参数，譬 如负透镜厚度略小，透镜总厚度与重量较大。
发明内容
本发明为进一步提高成像质量，并解决现有技术的深紫外光刻物镜总厚度与重量 较大的问题，提出一种高分辨率非球面光刻物镜。本发明所述的高分辨率非球面光刻物镜包括前透镜组、后透镜组，数值孔径为 0. 75，共使用29片透镜，其中有3个表面使用了 10次非球面；透镜材料使用熔石英和氟化 钙，其中氟化钙的作用为校正色差。前组透镜包括第一弯月透镜、第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、 第二弯月透镜、第四正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四负透镜、第五负透镜、第三弯月 透镜、第五正透镜、第六正透镜、第七正透镜、第四弯月透镜、第五弯月透镜、第六负透镜、第 七负透镜、第六弯月透镜。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相
7对位置。所述的第六负透镜前表面为10次非球面。所述的第六弯月透镜后表面为10次非 球面。后组透镜包括第八正透镜、第九正透镜、第七弯月透镜，第十正透镜、第i^一正透 镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第八负透镜、第十四正透镜。以上透镜顺次排列，各透镜 同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。所述的第八负透镜后表面为10次非球面。前后透镜组通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接在一起，两个透镜组 同光轴。本发明的高分辨率非球面光刻物镜的工作过程为将物面即掩膜置于物镜系统的 第一弯月透镜前，各视场中心光线垂直入射第一镜，为物方远心，经过前透镜组折射后各视 场分别充满第六弯月透镜与第八正透镜之间的光阑，再经过后透镜组折射聚焦，缩小四倍 成像在第十四正透镜后的像面即硅片上。各视场中心光线垂直入射像面，系统为像方远心。本发明进一步提高了现有投影光刻物镜的分辨力，使用少量的低阶非球面大幅提 高了成像质量，各个透镜元件的半径、厚度与间距在优化中发生改变以配合非球面更好的 校正像差。以中心光线为参考时单色均方根波像差小于lnm，畸变小于0.7nm。有益效果本发明与现有技术相比具有以下优点1、投影光刻物镜的数值孔径(NA) = 0. 75，工作波长=193纳米，由于物镜数值孔 径大，提高了光刻分辨力(R)。2、工作波长193纳米投影光刻物镜由29片透镜构成，无一片胶合件，只使用了三 个10次非球面，因此物镜结构简单，简化了物镜制作工艺，降低了制作成本，同时大幅提高 了物镜质量。3、在较短的波长下，保证了透镜组成的光学系统为像方远心、物方远心的双远心 系统。由于是双远心系统，因此即使掩模图形和硅片位置少量偏离与倾斜，也不会改变投影 光刻倍率。4、成像质量优异，以中心光线为参考时均方根波像差小于lnm，畸变小于0. 7nm。 相比较与全球面系统成像质量大幅提高。本发明所提出的光刻镜头，可以应用于照明光源波长为193nm的深紫外投影光刻
装置中。
图1为本发明高分辨率非球面光刻物镜的系统结构示意图；图2为本发明的系统中非球面位置示意图。第一非球面(ASPl)为第六负透镜18前表面(即透镜第35面)。第二非球面 (ASP2)为第六弯月透镜20后表面(即透镜第40面)。第三非球面(ASP3)为第八负透镜 28后表面(即透镜第57面)。图3为具体实施方式
中光刻物镜在全场范围内光学调制传递函数图；图4为具体实施方式
中光刻物镜在硅片上所成像的场曲与畸变图。
标号说明1_第一弯月透镜、2-第一负透镜、3-第一正透镜、4-第二正透镜、5-第 三正透镜、6-第二弯月透镜、7-第四正透镜、8-第二负透镜、9-第三负透镜、10-第四负透 镜、11-第五负透镜、12-第三弯月透镜、13-第五正透镜、14-第六正透镜、15-第七正透镜、 16-第四弯月透镜、17-第五弯月透镜、18-第六负透镜、19-第七负透镜、20-第六弯月透镜、 21-第八正透镜、22-第九正透镜、23-第七弯月透镜，24-第十正透镜、25-第i^一正透镜、 26-第十二正透镜、27-第十三正透镜、28-第八负透镜、29-第十四正透镜、30-像面，其中第 六负透镜前表面(即透镜第35面)、第六弯月透镜后表面(即透镜第40面)、第八负透镜 后表面(即透镜第57面)为十次非球面。
具体实施例方式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。本实施例的高分辨率非球面光刻物镜采用前后透镜组组成，共使用29片全球面 透镜，其中有三个10次非球面。如附图1所示，透镜1到透镜20为前透镜组，透镜21至透镜 29为后透镜组，30为像面即硅片所在表面。透镜材料使用熔石英(系统中心波长193. 368nm 时折射率为1. 560326)作为主要的透镜材料，氟化钙(系统中心波长时折射率为1. 501455) 作为校正色差所用材料。前组透镜包括第一弯月透镜1、第一负透镜2、第一正透镜3、第二正透镜4、第三正 透镜5、第二弯月透镜6、第四正透镜7、第二负透镜8、第三负透镜9、第四负透镜10、第五 负透镜11、第三弯月透镜12、第五正透镜13、第六正透镜14、第七正透镜15、第四弯月透镜 16、第五弯月透镜17、第六负透镜18、第七负透镜19、第六弯月透镜20。所述的第六负透镜18前表面(即透镜第35面)为10次非球面。所述的第六弯月透镜20后表面(即透镜第40面)为10次非球面。后组透镜包括第八正透镜21、第九正透镜22、第七弯月透镜23，第十正透镜24、第 i^一正透镜25、第十二正透镜26、第十三正透镜27、第八负透镜28、第十四正透镜29。以上 透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。所述的第八负透镜28后表面(即透镜第57面)为10次非球面。在透镜第35面、透镜第40面与较为靠近像面的透镜第57面，分别加入10阶非球 面，以平衡各种像差，像质大幅改善。前后透镜组通过透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置并连接在一起， 各透镜同光轴。本发明所述的前后透镜组中的29片全球面透镜与现有技术相比，每一个透镜的 半径与厚度、以及透镜的间距都进行了不同程度的优化。本实施例的具体优化措施为应用 光学设计软件构造优化函数，并加入像差与结构限制参量，逐步得到现有结果。本实施例可以通过以下技术措施实现工作波长193纳米投影光刻物镜的数值孔 径(NA) = 0. 75，畸变小于0. 7nm,以中心光线为参考时均方根波像差小于lnm，光学系统缩 小倍率为4倍。其各透镜的具体参数如下
权利要求
高分辨率非球面光刻物镜，其特征在于包括前后透镜组，共29块透镜，其中有3个10次非球面，其中前组透镜包括第一弯月透镜、第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二弯月透镜、第四正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四负透镜、第五负透镜、第三弯月透镜、第五正透镜、第六正透镜、第七正透镜、第四弯月透镜、第五弯月透镜、第六负透镜、第七负透镜、第六弯月透镜；以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置；所述的第六负透镜前表面为10次非球面；所述的第六弯月透镜后表面为10次非球面；后组透镜包括第八正透镜、第九正透镜、第七弯月透镜，第十正透镜、第十一正透镜、第十二正透镜、第十三正透镜、第八负透镜、第十四正透镜；以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置；所述的第八负透镜后表面为10次非球面；前后透镜组通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接在一起，两个透镜组同光轴；以上各透镜的具体参数如下 半径 间距 玻璃标号 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.根据权利要求1所述的高分辨率非球面光刻物镜，其特征在于所述的高分辨率非 球面光刻物镜照明光源工作波长193纳米，投影光刻物镜的数值孔径(NA) = 0. 75，畸变小 于0. 7nm,以中心为参考时均方根波像差小于lnm，光学系统缩小倍率为4倍。
3.根据权利要求1所述的高分辨率非球面光刻物镜，其特征在于所述的高分辨率非 球面光刻物镜的透镜材料包括熔石英和氟化钙，其中，氟化钙的作用为校正色差。
4.根据权利要求1所述的深紫外全球面光刻物镜，其特征在于所述的各透镜的具体参数在实际操作中，可做微调以满足相近的系统参数与像质参数要求。
全文摘要
本发明涉及一种高分辨率非球面光刻物镜，属于高分辨力投影光刻物镜技术领域。本发明的高分辨率非球面光刻物镜包括前透镜组、后透镜组，数值孔径为0.75，共使用29片透镜，其中有3个表面使用了10次非球面；透镜材料使用熔石英和氟化钙，其中氟化钙的作用为校正色差。本发明进一步提高了现有投影光刻物镜的分辨力，使用少量的低阶非球面大幅提高了成像质量，各个透镜元件的半径、厚度间距在优化中发生改变以配合非球面更好的校正像差。以中心光线为参考时单色均方根波像差小于1nm，畸变小于0.7nm。
文档编号G02B13/18GK101975983SQ201010279318
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者刘丽辉, 常军, 李林, 李艳秋, 韩星, 马斌, 黄一帆 申请人:北京理工大学