專利名稱：一種高分辨率投影光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于微影工藝、半導體元件制作裝置中的深紫外投影光學系統(tǒng)，屬于高分辨率投影光學系統(tǒng)技術領域。
背景技術：
光刻是一種集成電路制造技術，它是利用光學投影影像原理，將掩模板上的高分辨率IC圖形以曝光方式轉移到涂膠硅片上，幾乎所有集成電路的制造都是采用光學投影光刻技術。最初，半導體器件制造，采用的是掩模與硅片貼在一起的接觸式光刻技術。1957年，接觸式光刻技術實現(xiàn)了特征尺寸(Feature Size)為20 μ m的動態(tài)隨機存儲器DRAM (Dynamic Random Access Memory)的制造。之后， 半導體行業(yè)引入掩模與娃片間具有一定間隙的接近式光刻技術，并分別于1971年和1974年制造出特征尺寸為10 μ m和6 μ m的DRAM。1978年，美國GCA公司研發(fā)了世界上第一臺分布重復投影光刻機，分辨率可達
2μ m,分布重復投影光刻機迅速成為半導體制造技術中的主流。分布重復投影光刻機的對準精度可達±0. 5μπι，與此前的光刻機相比，分步光刻機極大地改善了系統(tǒng)的分辨率和掩模/硅片套刻時的對準精度。光刻技術是我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支持型技術之一，投影光刻裝置是大規(guī)模集成電路制造工藝的關鍵設備，高分辨率高精度投影光學系統(tǒng)是高尖端光刻機的核心部件，它的性能直接決定著光刻機的精度。以往設計的數(shù)值孔徑都不高，最高分辨力為O. 35-0. 5 μ m。由于分辨率低，不能制作出高精度高分辨率的圖形，已不能滿足大規(guī)模集成電路制造和研究的需求。本發(fā)明提出了一種高分辨投影曝光光學系統(tǒng)，用在光刻機中可達到90nm的光刻分辨率，這對于我國的光刻技術有著重要意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有投影光學系統(tǒng)分辨率低、系統(tǒng)總長長，透鏡口徑大、裝調(diào)難度大的問題，提出了一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，其照明系統(tǒng)光源采用ArF準分子激光器，工作波長為193nm，數(shù)值孔徑達到O. 75，該高分辨率投影光學系統(tǒng)結構緊湊、僅含有4個非球面、透鏡口徑小、成像質(zhì)量好、有效降低了系統(tǒng)成本和裝調(diào)難度。一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，沿其光軸方向依次包括第一透鏡單元LI、第二透鏡單元L2、第三透鏡單元L3和第四透鏡單元L4，所述透鏡單元均處于同一光軸，其特征在于，第一透鏡單元LI具有負折光力，第二透鏡單元L2具有正折光力，第三透鏡單元L3具有負折光力，第四透鏡單元L4具有正折光力，所述透鏡中含有4個非球面。所述的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第一透鏡單元LI包括第一正透鏡I、第一彎月透鏡2、第二正透鏡3和第一雙凹透鏡4。所述的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第二透鏡單元L2包括第三正透鏡5、第四正透鏡6、第五正透鏡7、第一負透鏡8、和第二負透鏡9。
所述的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第三透鏡單元L3包括第二雙凹透鏡10、第三負透鏡11、第六正透鏡12、第七正透鏡13和第八正透鏡14。所述的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第四透鏡單元L4包括第四負透鏡15、第九正透鏡16、第十正透鏡17、第i^一正透鏡18、第十二正透鏡19、第五負透鏡20、第十三正透鏡21和第十四正透鏡22。所述的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第一透鏡單元LI、第二透鏡單元L2、第三透鏡單元L3和第四透鏡單元L4內(nèi)的透鏡都是單片鏡，用透鏡外框上的機械組件固定各個透鏡之間的相對位置。所述的一種高分辨率投影光學系統(tǒng) ，其特征在于所述的投影光學系統(tǒng)的照明光源是工作波長為193nm的ARF準分子激光器。本發(fā)明具有以下優(yōu)點I、高分辨率投影光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)為O. 75，工作波長為193nm，像方視場為26mmX 10. 5mm,由于物鏡數(shù)值孔徑大，提高了光刻分辨率，光刻分辨率可達90nm。2、工作波長為193nm的高分辨率投影光學系統(tǒng)由22片透鏡構成，系統(tǒng)中沒有使用膠合元件，只使用了 4個非球面，其中一個為雙非球面，該雙非球面放置在光線折轉較大的位置，有效的減小了系統(tǒng)的尺寸，最終系統(tǒng)總長(從掩模面到硅片面的距離)為1202mm，投影光學系統(tǒng)結構簡單，簡化了物鏡制作工藝，降低了制作成本，同時大幅度提高了物鏡質(zhì)量。3、在較短的波長下，保證了透鏡組成的光學系統(tǒng)為像方遠心、物方遠心的雙遠心系統(tǒng)。由于是雙遠心系統(tǒng)，因此即使掩模圖形和硅片偏離與傾斜，也不會改變投影光刻倍率。4、高分辨率投影光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量優(yōu)良，均方根波像差小于lnm，畸變小于O. 25nm。本發(fā)明所提出的高分辨率投影光學系統(tǒng)，可以應用于照明光源波長為193nm的深紫外投影光刻裝置中。
圖I為本發(fā)明的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)的結構中所包含的雙非球面結構示意圖；圖3為本發(fā)明的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)在全視場范圍內(nèi)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的不意圖；圖4為本發(fā)明的一種高分辨率投影光學系統(tǒng)球差、場曲與畸變示意圖。標號說明1-第一正透鏡、2-第一彎月透鏡、3-第二正透鏡、4-第一雙凹透鏡、5-第三正透鏡、6-第四正透鏡、7-第五正透鏡、8-第一負透鏡、9-第二負透鏡、10-第二雙凹透鏡、11-第二負透鏡、12-第六正透鏡、13-第七正透鏡、14-第八正透鏡、15-第四負透鏡、16-第九正透鏡、17-第十正透鏡、18-第i^一正透鏡、19-第十二正透鏡、20-第五負透鏡、21-第十三正透鏡、22-第十四正透鏡、23-像面。
具體實施例方式為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進
一步說明。圖I為本發(fā)明一種高分辨率投影光學系統(tǒng)布局示意圖，22片透鏡形成第一透鏡單元LI、第二透鏡單元L2、第三透鏡單元L3和第四透鏡單元L4，從光束入射方向依次設置。第一透鏡單元LI為具有負折光力的透鏡組，包括第一正透鏡I、第一彎月透鏡2、第二正透鏡3和第一雙凹透鏡4。光線投射到第一正透鏡I后經(jīng)第一正透鏡I會聚，再經(jīng)過第一彎月透鏡2發(fā)散到達第二正透鏡3，經(jīng)第二正透鏡3會聚后入射到第一雙凹透鏡4，經(jīng)過第一雙凹透鏡4的發(fā)散到達第三正透鏡5。第二透鏡單元L2為具有正折光力的透鏡組，包括第三正透鏡5、第四正透鏡6、第 五正透鏡7、第一負透鏡8和第二負透鏡9。光線從第一透鏡單兀LI的第三正透鏡5發(fā)散后經(jīng)過第三正透鏡5、第四正透鏡6、第五正透鏡7連續(xù)三次會聚后進入第一負透鏡8，經(jīng)第一負透鏡8和第二負透鏡9的兩次發(fā)散后離開第二透鏡單元L2。第三透鏡單元L3為具有負折光力的透鏡組，包括第二雙凹透鏡10、第三負透鏡
11、第六正透鏡12、第七正透鏡13和第八正透鏡14。光線由第二雙凹透鏡10、第三負透鏡11兩個鏡子連續(xù)發(fā)散后進入到第六正透鏡12，經(jīng)第六正透鏡12、第七正透鏡13兩次會聚投射到第八正透鏡14上，第六正透鏡12、第七正透鏡13對光線的偏折角度較大，第八正透鏡14對光線進行會聚后到達光學系統(tǒng)的光闌。第四透鏡單元L4為具有正折光力的透鏡組，包括第四負透鏡15、第九正透鏡16、第十正透鏡17、第i^一正透鏡18、第十二正透鏡19、第五負透鏡20、第十三正透鏡21和第十四正透鏡22。第四透鏡組將發(fā)散的光束會聚在像面23上，它是硅片所在表面。光束經(jīng)第四負透鏡15發(fā)散后進入第九正透鏡16，經(jīng)過第九正透鏡16、第十正透鏡17、第十一正透鏡18、第十二正透鏡19連續(xù)會聚后到達第五負透鏡20，第五負透鏡20對光學進行發(fā)散后投射到第十三正透鏡21上，第十三正透鏡21對光線進行會聚后進入第十四正透鏡22，第十四正透鏡22對光線會聚后最后達到硅片上。上述透鏡均處于同一光軸，五個透鏡單元中的22片透鏡通過透鏡外框上的機械組件固定它們之間的相對位置并連接在一起。本發(fā)明中所有鏡子使用的都是熔石英光學材料。為滿足結構參數(shù)要求，并進一步提高像質(zhì)，對系統(tǒng)進行持續(xù)優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后各個表面的半徑與厚度間隔發(fā)生變化，本實施例的具體優(yōu)化措施為應用光學設計軟件構造優(yōu)化函數(shù)，并加入像差與結構限制參量，逐步優(yōu)化為現(xiàn)有結果。本實施例通過以下技術措施實現(xiàn)照明光源工作波長193.368nm，像方視場26mmX 10. 5mm，投影曝光光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA) =0.75，光刻分辨力(R) =90nm，光學系統(tǒng)縮小倍率為4倍,畸變小于O. 25nm,均方根波像差小于Inm,投影曝光光學系統(tǒng)第一片鏡子距離掩模58. 63mm,最后一片鏡子到娃片的距離為9. 16mm。本發(fā)明所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)共使用22片透鏡，在4個表面上使用了非球面，其中一個是雙非球面，所謂雙非球面是指兩個光學元件相靠的兩個表面，即前一個元件的后表面和后一個元件的前表面都采用非球面，雙非球面的結構示意圖見附圖2所示。本發(fā)明的高分辨率深紫外投影光學系統(tǒng)將物面即掩膜置于物鏡系統(tǒng)的第一正透鏡前58. 63mm處，各視場中心光線垂直入射第一正透鏡，該高分辨率投影光學系統(tǒng)在物方為物方遠心，光線經(jīng)過LI透鏡單元發(fā)散后進入L2透鏡單元，L2透鏡單元將光線聚焦后，此時光學系統(tǒng)的通光口徑達到最小，L3透鏡單元將光線發(fā)散后在光闌處匯聚，然后經(jīng)過L4透鏡單元折射聚焦，縮小四倍成像在第十四正透鏡22后的像面即硅片上。高分辨率投影光學系統(tǒng)五個視場的主光線垂直入射像面,系統(tǒng)為像方遠心光路。下面表I列出了高分辨率投影光學系統(tǒng)各個表面的具體參數(shù)，表中的“序號”是從光線入射端開始排列，第一正透鏡I的光束入射面為序號I，光束出射面為序號2，其它鏡面序號以此類推；“曲率半徑”分別給出每個波面所對應的球面半徑；“間距”給出相鄰兩個表面之間沿光軸的中心距離，如果兩個表面屬于同一塊鏡片，則間距表示該鏡片的厚度，第29面是系統(tǒng)的孔徑光闌，孔徑光闌控制著進入光學系統(tǒng)光束的大小。光學系統(tǒng)的具體參數(shù)如下表I高分辨率投影光學系統(tǒng)的具體參數(shù)
權利要求
1.一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，沿其光軸方向依次包括第一透鏡單元(LI)、第二透鏡單元(L2)、第三透鏡單元(L3)和第四透鏡單元(L4)，所述透鏡單元均處于同一光軸，其特征在于，第一透鏡單元(LI)具有負折光力，第二透鏡單元(L2)具有正折光力，第三透鏡單元(L3)具有負折光力，第四透鏡單元(L4)具有正折光力。
2.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第一透鏡單元(LI)包括第一正透鏡(I)、第一彎月透鏡(2)、第二正透鏡(3)和第一雙凹透鏡(4)。
3.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第二透鏡單元(L2)包括第三正透鏡(5)、第四正透鏡(6)、第五正透鏡(7)、第一負透鏡(8)、和第二負透鏡(9)。
4.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第三透鏡單元(L3)包括第二雙凹透鏡(10)、第三負透鏡(11)、第六正透鏡(12)、第七正透鏡(13)和第八正透鏡(14)。
5.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第四透鏡單元(L4)包括第四負透鏡(15)、第九正透鏡(16)、第十正透鏡(17)、第i^一正透鏡(18)、第十二正透鏡(19)、第五負透鏡(20)、第十三正透鏡(21)和第十四正透鏡(22)。
6.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，光學系統(tǒng)的束腰，即系統(tǒng)中口徑最小的透鏡，設置在第三透鏡單元(L3)中。
7.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)中至少含有4個非球面，且第一透鏡單元(LI)、第三透鏡單元(L3)、第四透鏡單元(L4)中都至少要包含有一個非球面，第一透鏡單元(LI)中至少包含有一個雙非球面。
8.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，第一透鏡單元(LI)、第二透鏡單元(L2)、第三透鏡單元(L3)和第四透鏡單元(L4)內(nèi)的透鏡都是單片鏡，用透鏡外框上的機械組件固定各個透鏡之間的相對位置。
9.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，所有透鏡使用同一種玻璃材料，第一透鏡單元(LI)、第二透鏡單元(L2)、第三透鏡單元(L3)和第四透鏡單元(L4)內(nèi)的透鏡材料均為熔石英。
10.根據(jù)權利要求I所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)，其特征在于，所述的高分辨率投影光學系統(tǒng)的照明光源是工作波長為193nm的ArF準分子激光器。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種高分辨率投影光學系統(tǒng)，用于將物平面的圖像成像到像平面內(nèi)。該高分辨率投影光學系統(tǒng)，沿其光軸方向包括第一透鏡單元(L1)、第二透鏡單元(L2)、第三透鏡單元(L3)和第四透鏡單元(L4)。從光束入射方向依次排布的第一透鏡單元(L1)具有負折光力，第二透鏡單元(L2)具有正折光力，第三透鏡單元(L3)具有負折光力，第四透鏡單元(L4)具有正折光力。且所述的投影光學系統(tǒng)中含有4個非球面。本發(fā)明的高分辨率投影光學系統(tǒng)能更好的提供像質(zhì)、縮短總長、減小透鏡口徑、提升系統(tǒng)分辨率。
文檔編號G02B13/00GK102662307SQ20121013263
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權日2012年5月2日
發(fā)明者劉志祥, 廖志遠, 朱紅偉, 白瑜, 邢廷文 申請人:中國科學院光電技術研究所