降低光刻投影物镜环境热效应影响的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种降低光刻投影物镜环境热 效应影响的方法。
【背景技术】
[0002] 投影光刻技术已经成功用于集成电路制造和半导体封装的金凸块/锡凸块、硅片 级芯片尺度封装（WLCSP)技术等领域，这些类型的扫描光刻机或者步进光刻机上投影光刻 物镜特点是中低端分辨率（如一微米到几微米，数值孔径（ΝΑ)0. 2以下）、宽光谱、高产率。
[0003] 在投影光刻机中光刻物镜的作用是将母版，即掩膜上的图形转移涂敷在硅片表面 的光刻胶上。经过显影、定影、刻蚀，最终将模板上的图形转移到硅片上。投影光刻物镜是 光刻机中的核心部件，它决定了投影光刻机的主要性能，先进的投影光刻物镜的设计，材料 的制备、加工、装配、检测等各个环节，均采用了当代最高水平的技术。目前部分加工，检测 技术几乎到达了物理极限。
[0004] 在投影光刻机中，投影光刻物镜是影响光刻分辨力和线宽的关键，而温度变化不 但导致物镜焦面位置改变，还会影响物镜的成像质量，因此恒温是保证光刻机性能稳定工 作的一项重要措施。近年来，虽然环境控制采用了内部空气冷却循环，隔热套水冷循环，高 精度温度传感器的反馈控制等手段，但是整个物镜内部的温度控制还是非常困难的。虽然 投影光刻物镜一般都选用几大著名厂家，如OHARA、Corning、Schott等公司高质量的紫外 光学材料，但是材料固有的热变形，和热折变，即使在极度苛刻的环境控温条件下，还是会 导致光刻物镜的性能变差。
[0005] 光刻物镜中常说的热效应分为两类：一类是曝光过程中镜片吸热引起的热效应， 这种热效应引起的焦面漂移是可以补偿的；第二类是物镜环境温度的整体变化引起的热效 应，即环境热效应，环境热效应主要引起焦深损失。比如后道光刻机两次调整最佳焦面时间 内一般要求物镜内部环境控温在±〇. rc，而温度在这个范围内快速变化时，焦面改变是不 能补偿的。因为调焦调平传感器（FLS)只能检测基片面到镜头距离（即名义的像距），而最 佳成像焦面的位置是通过多次做特殊曝光找到的，实际生产中同一批基片一般只找一次最 佳成像焦面，两次调整焦面的间隔根据实际生产情况短则数天，所以在这段时间范围内如 果由于环境热效应导致最佳成像焦面位置发生变化而产生的离焦量是不能补偿的。所以物 镜环境热效应引起的焦面灵敏度这个指标就非常重要了。
[0006] 投影光学系统的一个特征参数为焦深（depth of focus简称D0F)，其定义如下：
[0007]
[0008] 上面公式中D0F为焦深；K2为工艺因子通常大规模生产取0. 7,实验室取0. 5 ; λ 为参考波长；ΝΑ为系统数值孔径。我们用上面的公式也可以计算设计参考波长为405nm，数 值孔径为NA = 0. 2, k2因子取0. 5,最大理论焦深为5 μ m。
[0009] 中国专利CN101206300A提出由16片构成的对称结构，其像方数值孔径为0. 1，工 作波长为g、h、i线，为了校正色差，对称的半结构中用了两组分离式透镜结构上正透镜采 用异常色散的光学材料CAF2 (氟化钙），但是由于CAF2 (氟化钙）的温度折射率系数非常 差，而且CAF2 (氟化钙）材料受环境温度影响，热折变引起的焦面变化非常敏感，所以使得 整个镜头的环境热效应较差，分析结果为环境热效应焦面灵敏度为46 μ m/°C，如果按照物 镜内部环境控温在±0. 1°C计算，焦深损失为4. 6 μ m。
[0010] 中国专利CN101216592提出了一种投影光学系统，其像方数值孔径（ΝΑ)0· 2,工作 波长为g、h、i线，光学系统共包括18个透镜，同样对称的半结构上靠近光阑的位置的镜片 用了温度折射率系数较高的CAF2 (氟化钙），使得整个镜头的环境热效应较差，分析结果为 环境热效应焦面灵敏度为23ym/°C，如果按照物镜内部环境控温在±0. 1°C计算，焦深损 失为2.3 μ m，根据公式（1)计算的结果理论焦深为5 μ m，已经损失了一半焦深了。
[0011] 中国专利CN200780016315. 3中，提出了两种典型实施例，设计像方数值孔径为 0.2工作波长为g、h、i线。其中半结构是由带Caf2(氟化钙）的三组分离式透镜结构构 成，总共24个镜片构成全球面折射结构，同样是CAF2 (氟化钙）材料的镜片位置热折变对 焦面非常敏感，所以使得整个镜头的环境热效应很差，分析结果为环境热效应焦面灵敏度 为83 μ m/°C，如果按照物镜内部环境控温在±0. 1°C计算，焦深损失为8. 3 μ m，根据公式 (1)计算的结果理论焦深为5μπι，所以如果物镜内部环境控温在±0. TC，物镜已经没有 可用的焦深了；另外一种结构由20个镜片构成，不用CAF2 (氟化钙）材料，半结构增加了 6个面的非球面，而只用了两种光学材料LLF1 (Schott公司紫外光学材料）和silica(熔 融石英），分析结果为环境热效应焦面灵敏度为24 μ m/°C，如果按照物镜内部环境控温在 ±0. 1°C计算，焦深损失为2. 4 μ m，已经损失了一半焦深了。
[0012] 在投影光刻机中，投影光刻物镜工作环境的温度变化主要影响物镜的最佳成像位 置的变化，引起的畸变，倍率和离焦直接影响套刻精度和焦深。目前解决办法一般采用可动 元件补偿和提高温度控制需求来实现良好的像质，但是这些手段会影响光刻机产率和增加 温控、补偿成本。
[0013] 怎样从根本上降低环境温度变化对物镜的影响（主要影响是环境温度变化引起 焦面漂移，从而引起焦深损失），是投影光刻物镜设计中急需要解决的难题。
【发明内容】
[0014] 为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种合理选择材料利用热折变抵消 物镜总的环境热效应（主要是环境热变形）的方法。
[0015] 为了实现上述发明目的，本发明公开一种降低光刻投影物镜环境热效应影响的方 法，包括：
[0016] 步骤一、根据环境温度变化，计算该投影物镜的热折变焦面漂移与热变形焦面漂 移以及总焦面漂移灵敏度三者值的大小和符号关系；
[0017] 步骤二、计算该投影物镜的单个镜片在环境温度变化下的热折变焦面灵敏度；
[0018] 步骤三、选择该单个镜片中热折变焦面灵敏度高且与该总焦面漂移灵敏度相反的 镜片；
[0019] 步骤四、将该步骤三中的镜片替换为折射率温度系数相反的镜片。
[0020] 更进一步地，该总焦面漂移灵敏度的计算公式为：
其中，Sk为各个 dn； 镜片的热折变引起的对焦面变化量贡献量和，△ T为环境温度变化值，f为各个镜片的折 射率温度系数，rk为折射率对焦面灵敏系数，k为镜片序号。
[0021] 更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片非校正色差的分 离式或胶合透镜光学。
[0022] 更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片的折射率和阿贝 数接近。
[0023] 更进一步地，该步骤四中的被替换镜片满足以下条件：该被替换镜片位于该投影 物镜的光阑附近。
[0024] 更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片为薄透镜。
[0025] 更进一步地，该步骤四中的替换镜片满足以下条件：该替换镜片与该投影物镜其 他镜片正负透镜数量级光焦度数量和值平衡。
[0026] 为了降低环境温度变化对投影光刻物镜性能的影响，即降低环