一種單倍率對稱式投影曝光物鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單倍率對稱式投影曝光物鏡，其作用是把投影光刻機掩模版上的圖形經(jīng)過成像復制后轉(zhuǎn)移到硅片上。投影曝光物鏡是光刻機的核心部件，決定了光刻機的主要性能。本發(fā)明所涉及的單倍率投影曝光物鏡由12片透鏡組成，采用對稱式結(jié)構(gòu)。物鏡分辨力2.5μm，放大倍率為-1，曝光視場15mm×15mm。本投影曝光物鏡系統(tǒng)由第一組透鏡組、光闌、第二組透鏡組構(gòu)成，第一和第二透鏡組相對于光闌對稱分布。本投影物鏡共軛距為500mm，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊；同時，選用對i線(365nm)透過率較高的玻璃材料，提高系統(tǒng)光學透過率，滿足投影光刻機的高精度及高產(chǎn)率需求。
【專利說明】一種單倍率對稱式投影曝光物鏡
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的一種單倍率投影曝光物鏡，用于基于數(shù)字微鏡陣列(DMD)的無掩膜投影光刻機，屬于微電子設備及微細加工領域。
【背景技術】
[0002]以大規(guī)模集成電路為核心的微電子技術的快速發(fā)展，對微電子設備和微細加工技術提出了新的要求。自1978年美國推出第一臺商業(yè)化的投影式光刻機，光學投影曝光作為應用領域最廣、技術更新快和生命力強的微細加工技術，是驅(qū)動微電子技術進步的核心。投影光刻機將掩模上的圖形，經(jīng)過投影物鏡成像復制在硅片面上。大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求在較大面積的芯片上容納越來越精細的線條，高精度的光刻機需求日益增加，掩模的制作精度成為影響光刻機性能的關鍵因素?；跀?shù)字微鏡陣列(DMD)的無掩膜光刻機具有無需掩模、結(jié)構(gòu)簡單、成本低和高分辨力等優(yōu)點，被應用于現(xiàn)代微細加工領域。無掩膜光刻機中，投影物鏡將DMD控制的出射光成像到硅片表面，通過控制DMD的出射光即可完成不同結(jié)構(gòu)尺寸的加工制作。投影物鏡受DMD尺寸限制，其曝光視場較小但要求結(jié)構(gòu)緊湊，投影物鏡的物像共軛距較?。磺彝队拔镧R多采用低數(shù)值孔徑的I倍左右的放大倍率設計。
[0003]目前，針對I倍左右放大倍率的投影物鏡，為避免系統(tǒng)色差和減小系統(tǒng)共軛距，采用發(fā)射鏡結(jié)構(gòu)設計物鏡。美國專利US7158215介紹一種折反式Ix放大倍率光刻投影物鏡系統(tǒng)，由主鏡凹透鏡、次鏡凹反射鏡和彎月折射透鏡組成。美國專利US7148953介紹了另外一種Ix放大倍率的折反式光刻投影物鏡，由一個折射透鏡組、凹面反射鏡和兩個折轉(zhuǎn)棱鏡組成。投影物鏡中采用反射鏡，能有效降低投影物鏡的口徑和共軛距，減少物鏡數(shù)目；但反射結(jié)構(gòu)尤其是離軸式反射結(jié)構(gòu)，加工及裝配較困難。
[0004]全折射式投影物鏡由于其裝配難度較低，可具有較大的物像方工作距且改變系統(tǒng)NA不會引起漸暈等優(yōu)勢得到廣泛應用。中國專利CN102200624A介紹了一種I倍放大的投影光刻物鏡。該物鏡系統(tǒng)的工作波段為gh線，共由18片透鏡組成，其中包含4片非球面。該投影物鏡設計成本和加工難度較高。
[0005]美國專利US2009080086A提供一組數(shù)值孔徑NA由0.02-0.25的投影物鏡。此組投影曝光物鏡均采用對稱結(jié)構(gòu)，物鏡前半部分和后半部分關于光闌對稱，放大倍率為-1，曝光半視場為50mm。此投影物鏡系統(tǒng)同樣具有非球面透鏡，加工制造難度較大。
[0006]日本專利JP2002072080A介紹一組由32片透鏡和4個非球面組成的大面積投影曝光物鏡，系統(tǒng)NA為0.145，曝光視場為100X 100mm。該物鏡設計和加工成本同樣較高。
[0007]總體而言，目前報道的Ix投影光刻物鏡，多用于大面積平板顯示器光刻。針對DMD光刻設備高分辨力、較短共軛距的成像需求，本發(fā)明介紹一種對稱式結(jié)構(gòu)的投影光刻物鏡，滿足其成像設計要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]針對DMD無掩膜光刻機對投影光刻物鏡的像質(zhì)和系統(tǒng)尺寸提出的要求，本發(fā)明旨在設計一組投影物鏡，滿足高精度無掩膜光刻機需求。本發(fā)明目的在于利用簡單的透鏡成像，同步校正系統(tǒng)的畸變、像散、場曲和色差等；同時，系統(tǒng)共軛距較短、結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
[0009]本發(fā)明采用的技術方案為:一種單倍率對稱式投影曝光物鏡，為減小掩模及硅片由于位置變化引起的倍率誤差和對準誤差，并完成掩模和硅片的同軸對準，投影光學系統(tǒng)采用雙遠心結(jié)構(gòu)，即物鏡物方和像方主光線與光軸平行；投影物鏡系統(tǒng)分為前后兩部分透鏡組I和透鏡組II，光闌位于透鏡組I和透鏡組II的共焦面；透鏡組I和透鏡組II相對于光闌對稱分布，分別由第一負透鏡1、第一正透鏡2、第二正透鏡3、第三正透鏡4、第四正透鏡5和第二負透鏡6組成。
[0010]所述的單倍投影物鏡，其特征在于:呈對稱分布的第一負透鏡I為平凹負透鏡，物鏡系統(tǒng)的第I面和最后面為平面。
[0011]所述的單倍率投影曝光物鏡，其特征在于物鏡系統(tǒng)至少由12片透鏡組成:物鏡系統(tǒng)關于光闌對稱，系統(tǒng)放大倍率為-1。具體的，為滿足系統(tǒng)放大倍率要求，透鏡組I和透鏡組II滿足:
[0012]0.992<fI/fII<l.008
[0013]其中，fx和fn分別為前透鏡組I和后透鏡組II的焦距。
[0014]所述的單倍率投影曝光物鏡，其特征在于:物鏡系統(tǒng)的工作波長為365±3nm，選用不同色散特性的材料校正系統(tǒng)色差，具體的:
[0015]I)第一負透鏡1、第一正透鏡2和第二正透鏡3采用常用的冕玻璃，其材料特性為:
[0016]1.51〈Ndl?3〈l.53
[0017]60.16〈Vdl?3〈66.02
[0018]其中，Ndl^3分別為第一負透鏡1、第一正透鏡2和第二正透鏡3的折射率；Vdl?3為其對應的色散系數(shù)；
[0019]2)第三正透鏡4和第四正透鏡5采用輕冕玻璃，其材料特性為:
[0020]1.47〈Nd4?5〈l.49
[0021]65.59〈Vd4?5〈70.04
[0022]其中，Nd4^5分別為第三正透鏡4和第四正透鏡5的折射率；Vd4?5為其對應的色散系數(shù)；
[0023]3)第二負透鏡6采用輕火石玻璃，其材料特性滿足:
[0024]1.55〈Nd6〈l.59
[0025]39.18<Vd6<48.76
[0026]其中，Nd6為第二負透鏡6的折射率；Vd6為其對應的色散系數(shù)。
[0027]所述單倍率投影曝光物鏡，其特征在于:投影物鏡物像共軛距為500mm，即系統(tǒng)總長為500mm，結(jié)構(gòu)緊湊；物方和像方工作距大于90mm，為后續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計留出足夠的空間。為滿足系統(tǒng)需求，投影物鏡結(jié)構(gòu)滿足:
[0028]^^?<160
[0029]所述的單倍率投影曝光物鏡，其特征在于:投影物鏡數(shù)值孔徑NA為0.12，分辨力為2.5 μ m ;曝光視場為15mmX 15mm ;場曲優(yōu)于±5 μ m ;畸變優(yōu)于±0.05 μ m,滿足光刻機需求。
[0030]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0031](I)采用對稱式的兩組透鏡，用較少透鏡獲得較高的系統(tǒng)成像像質(zhì)。
[0032](2)采用常用的光學玻璃材料，節(jié)約光學系統(tǒng)的生產(chǎn)和裝配成本。
[0033](3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，投影物鏡的物像共軛距即系統(tǒng)總長度不超過500mm，同時具有較大的物像方工作距，為后續(xù)投影物鏡與照明系統(tǒng)、掩模和硅片系統(tǒng)的接口設計留出足夠的空間，滿足光刻機整體裝配需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]本發(fā)明所述的單倍率投影曝光物鏡具體結(jié)構(gòu)形式和像質(zhì)特性以附圖形式作進一步闡述:
[0035]圖1為本發(fā)明所述的投影曝光物鏡的光學結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖2為本發(fā)明所述的投影物鏡系統(tǒng)的場曲(a)和畸變(b)示意圖。
[0037]圖3為本發(fā)明所述的投影物鏡像差曲線示意圖。
[0038]圖4為本發(fā)明所述的投影物鏡波像差示意圖。
[0039]圖5為本發(fā)明所述投影物鏡的物方和像方遠心度示意圖。
[0040]圖6為本發(fā)明所述的投影物鏡離焦± 10 μ m時的MTF曲線。
【具體實施方式】
[0041]本發(fā)明旨在提供一種單倍率投影曝光物鏡，用于i線光刻機。結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施措施作詳細說明。
[0042]根據(jù)高精度投影光刻機的要求，本發(fā)明所述的投影物鏡光學指標要求如下所示:
[0043]?工作波長:365 ± 3nm
[0044]?分辨力:2.5μηι
[0045]?數(shù)值孔徑 NA:0.12
[0046]?放大倍率:Ix
[0047]?曝光視場:15_X 15_
[0048]?物像共軛距:小于500mm
[0049]?物方工作距:大于90_
[0050]?像方工作距:大于9Omm
[0051]本發(fā)明所述的投影物鏡采用雙遠心結(jié)構(gòu)，物鏡系統(tǒng)由12片透鏡組成。本發(fā)明所述是投影物鏡結(jié)構(gòu)如圖1所示。投影物鏡系統(tǒng)分為前后兩部分透鏡組I和透鏡組II，光闌位于透鏡組I和II的共焦面；透鏡組I和透鏡組II相對于光闌對稱分布，分別由第一負透鏡
1、第一正透鏡2、第二正透鏡3、第三正透鏡4、第四正透鏡5和第二負透鏡6組成。
[0052]所述的單倍投影物鏡，其特征在于:呈對稱分布的第一負透鏡I為平凹負透鏡，物鏡系統(tǒng)的第I面和最后面為平面。
[0053]所述的單倍率投影曝光物鏡，其特征在于物鏡系統(tǒng)至少由12片透鏡組成:物鏡系統(tǒng)關于光闌對稱，系統(tǒng)放大倍率為-1。具體的，為滿足系統(tǒng)放大倍率要求，透鏡組I和透鏡組II滿足:
[0054]0.992<fI/fII<l.008
[0055]其中，fx和fn分別為前透鏡組I和后透鏡組II的焦距。
[0056]所述的單倍率投影曝光物鏡，其特征在于:物鏡系統(tǒng)的工作波長為365±3nm，選用不同色散特性的材料校正系統(tǒng)色差，具體的:
[0057]I)第一負透鏡1、第一正透鏡2和第二正透鏡3采用常用的冕玻璃，其材料特性為:
[0058]1.51〈Ndl~3〈l.53
[0059]60.16〈Vdl~3〈66.02
[0060]其中，Ndl^3分別為第一負透鏡1、第一正透鏡2和第二正透鏡3的折射率；Vdl~3為其對應的色散系數(shù)；
[0061]2)第三正透鏡4和第四正透鏡5采用輕冕玻璃，其材料特性為:
[0062]1.47〈Nd4~5〈l.49
[0063]65.59〈Vd4~5〈70.04
[0064]其中，Nd4^5分別為第三正透鏡4和第四正透鏡5的折射率；Vd4~5為其對應的色散系數(shù)；
[0065]3)第二負透鏡6采用輕火石玻璃，其材料特性滿足:
[0066]1.55〈Nd6〈l.59
[0067]39.18<Vd6<48.76
[0068]其中，Nd6為第二負透鏡6的折射率；Vd6為其對應的色散系數(shù)。
[0069]所述單倍率投影曝光物鏡，其特征在于:投影物鏡物像共軛距為500mm，即系統(tǒng)總長為500mm，結(jié)構(gòu)緊湊；物方和像方工作距大于90mm，為后續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計留出足夠的空間。為滿足系統(tǒng)需求，投影物鏡結(jié)構(gòu)滿足:
[0070]^^?<160
[0071]具體地，為保證系統(tǒng)透過率同時校正系統(tǒng)的色差，投影物鏡由對稱的前透鏡組I和后透鏡組II組成:平凹負透鏡1、雙凸正透鏡2和雙凸正透鏡3選用冕玻璃K9 ;雙凸正透鏡4和雙凸正透鏡5選用輕冕玻璃QK3 ;雙凹負透鏡6選用輕火石玻璃QF5。設計結(jié)果如表格I所示:
[0072]表格I
[0073]
【權(quán)利要求】
1.一種單倍率對稱式投影曝光物鏡，其特征在于:該投影曝光物鏡采用雙遠心結(jié)構(gòu)，即物鏡物方和像方主光線與光軸平行；投影物鏡系統(tǒng)分為前后兩部分透鏡組I和透鏡組II，光闌位于透鏡組I和透鏡組II的共焦面；透鏡組I和透鏡組II相對于光闌對稱分布，依次由第一負透鏡(I)、第一正透鏡(2)、第二正透鏡(3)、第三正透鏡(4)、第四正透鏡(5)和第二負透鏡(6)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單倍率對稱式投影曝光物鏡，其特征在于:呈對稱分布的負透鏡(I)為平凹負透鏡，物鏡系統(tǒng)的第I面和最后面為平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單倍率對稱式投影曝光物鏡，其特征在于:透鏡組I和透鏡組II組成的物鏡系統(tǒng)至少由12片透鏡組成:透鏡組I和透鏡組II關于光闌對稱，透鏡組I和透鏡組II組成的系統(tǒng)放大倍率為-1，具體的，為滿足系統(tǒng)放大倍率要求，透鏡組I和透鏡組II滿足:
0.992<fI/fII<l.008 其中，fx和分別為透鏡組I和透鏡組II的焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單倍率對稱式投影曝光物鏡，其特征在于:透鏡組I和透鏡組II組成的物鏡系統(tǒng)的工作波長為365±3nm，選用不同色散特性的材料校正系統(tǒng)色差，具體的: 1)第一負透鏡(I)、第一正透鏡(2)和第二正透鏡(3)采用常用的冕玻璃，其材料特性為:
1.51〈Ndl?3〈l.53
60.16〈Vdl?3〈66.02 其中，Ndl^3分別為第一負透鏡(I)、第一正透鏡(2)和第二正透鏡(3)的折射率；Vd卜3為其對應的色散系數(shù)； 2)第三正透鏡(4)和第四正透鏡(5)采用輕冕玻璃，其材料特性為:
1.47〈Nd4?5〈l.49
65.59〈Vd4?5〈70.04 其中，Nd4^5分別為第三正透鏡(4)和第四正透鏡(5)的折射率；Vd4?5為其對應的色散系數(shù)； 3)第二負透鏡(6)采用輕火石玻璃，其材料特性滿足:
1.55〈Nd6〈l.59
39.18<Vd6<48.76 其中，Nd6為第二負透鏡(6)的折射率；Vd6為其對應的色散系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單倍率對稱式投影曝光物鏡，其特征在于:投影物鏡物像共軛距為500mm，即系統(tǒng)總長為500mm，結(jié)構(gòu)緊湊；物方和像方工作距大于90mm，為后續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計留出足夠的空間，為滿足系統(tǒng)需求，投影物鏡結(jié)構(gòu)滿足: K160。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單倍率對稱式投影曝光物鏡，其特征在于:投影物鏡數(shù)值孔徑NA為0.12,分辨力為2.5 μ m ;曝光視場為15mmX 15mm ;場曲優(yōu)于±5 μ m ;畸變優(yōu)于±0.05 μ m，滿足光刻機需求。
【文檔編號】G02B13/22GK104199173SQ201410479916
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】朱咸昌, 胡松, 趙立新 申請人:中國科學院光電技術研究所