一种自由曲面折反式光刻投影物镜制造技术

本发明专利技术提供一种自由曲面折反式光刻投影物镜，属于高分辨力投影光刻物镜技术领域，包括第一透镜组G1，第二反射镜组G2，第三透镜组G3，其中第一透镜组G1为双高斯结构，保证物方远心的同时将掩膜(物平面)成像到第一中间像，第二反射镜组G2为反射结构，将第一中间像成像到第二中间像，第三透镜组G3为会聚透镜组，将第二中间像成像到硅片(像平面)，实现像方高数值孔径，最终实现系统1/4的物像缩放倍率；系统共使用23个光学元件，其中4个表面使用自由曲面，数值孔径达到1.2，通过对各自由曲面参数进行调整，使得所述投影物镜具有优良的成像质量，结构紧凑，节约材料，综合单色波像差均方根(RMS)值小于0.005λ，全视场畸变小于1nm。

Free curved surface catadioptric lithographic projection objective

The invention provides a freeform catadioptric lithographic projection lens, which belongs to the technical field of high resolution projection lithography lens includes a first lens group, G1 G2 group, the second mirror, the third lens group G3, wherein the first lens group G1 double Gauss structure, ensure the telecentric and mask (object plane as to the first intermediate imaging), second mirror group G2 reflection structure, the first intermediate image to second intermediate image, the third lens group G3 lens group, the second intermediate image to a silicon wafer (image plane), to achieve as high numerical aperture, realize image zoom ratio system of 1/4 system; a total of 23 optical elements, of which 4 surface using free-form surface, numerical aperture is 1.2, by adjusting the parameters of the free surface, so that the projection lens has excellent image quality, compact structure. To save material, the root mean square (RMS) value of integrated monochromatic wave aberration is less than 0.005 lambda, and the distortion of full field of view is less than 1nm.

【技术实现步骤摘要】
一种自由曲面折反式光刻投影物镜
本专利技术涉及一种自由曲面折反式光刻投影物镜，可用于扫描-步进式深紫外光刻系统中，属于光学设计

技术介绍
光刻是一种集成电路制造技术，光学光刻为主流技术，光刻投影物镜是投影曝光装置的核心部件。掩模板上的IC图形经光刻投影物镜投影成像到涂胶硅片上。由于科学技术不断提高，多种半导体芯片广泛应用于航空航天军事领域和计算机等民用领域，因此对光刻技术要求越来越高。国外浸没式光刻机已经实现产业化，日本的Nikon公司，Canon公司，荷兰ASML公司，德国CarlZeiss公司技术相对成熟，而我国基础相对薄弱，同时，国际上限制中国进口高端光刻机，因此，我国必须自主设计研制大数值孔径(NA)浸没式光刻机。光刻投影物镜作为投影曝光装置的核心部件其结构经历了几代的进化。比如，最初的DUV光刻物镜使用全球面折射式结构，数值孔径约0.7；随着非球面应用到DUV光刻物镜中，其数值孔径达到0.9，完成了DUV光刻物镜第一次跳跃；采用像方液浸技术，数值孔径达到了1.07，为第二次技术革新；最新的技术跳跃为使用反射镜的折返式结构，可以使数值孔径达到1.2，1.3。随着非球面和浸没技术的应用，及物镜结构的发展，DUV光刻物镜的数值孔径超过1，能够实现更高分辨力。然而，深紫外光刻物镜元件数量多，影响系统的透过率，体积大，不利于机械调整。对于既定结构和成像性能的光刻投影物镜强行减少元件数量，会使镜片边缘对入射光线产生遮拦。为了解决这一困难，需要在物镜中增加自由度，提高像差校正的能力，因此引入多自由度的非旋转对称曲面，既能够消除遮拦又能够很好的校正像差。现有美国专利US8643824B2报道的自由曲面深紫外光刻物镜设计，使用6面自由曲面反射镜，6片全球面折射元件结构使像方数值孔径达到0.8，波像差为80mλ，虽然系统使用的元件数量少，但是其数值孔径小，分辨力低，没有满足高成像性能要求。现有美国专利US7869122B2的第三十六种结构，该结构像方数值孔径为1.2，可以实现高分辨力的设计要求，但是该结构包含25个光学元件，玻璃材料总厚度为659mm，系统总长1253mm，元件数量多，影响系统的透过率，体积大，不利于机械调整。
技术实现思路
为解决现有技术问题，本专利技术提供一种自由曲面折反式光刻投影物镜：包括第一透镜组G1、第二反射镜组G2、第三透镜组G3以及孔径光阑；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：第一透镜组G1、第二反射镜组G2、第三透镜组G3，孔径光阑位于第三透镜组中，其中，所述第一透镜组G1是复杂化双高斯结构，具有正光焦度，缩放倍率范围为1.1～1.8，将物平面发出的远心光束经过第一透镜组G1成像到第一中间像，该第一中间像位于第二反射镜组G2第一片反射镜之前；第一透镜组G1包含至少一片折射元件。所述第二反射镜组G2包含至少二片反射元件，具有负光焦度，校正所述投影物镜的场曲，缩放倍率范围为0.6～1.4；第一中间像经第二反射镜组G2成像到第二中间像，该第二中间像位于第三透镜组G3第一片透镜之前。所述第三透镜组G3是会聚透镜结构，具有正光焦度，包含至少一片折射元件，实现数值孔径的增大及缩小成像，缩放倍率范围为0.15～0.28；第二中间像经第三透镜组G3成像到像平面上。所述自由曲面折反式光刻投影物镜，物面和像面之间的距离范围为200mm～2500mm。优选地，第一透镜组G1包括第一镜片L1正透镜、第二镜片L2弯月透镜、第三镜片L3正透镜、第四镜片L4正透镜、第五镜片L5负透镜、第六镜片L6正透镜、第七镜片L7负透镜、第八镜片L8正透镜、第九镜片L9正透镜；其中，第一镜片L1前表面为非球面，第二镜片L2后表面为非球面，第三镜片L3后表面为非球面，第八镜片L8前表面为自由曲面，第九镜片L9前表面为非球面。优选地，第二反射镜组G2包括第十镜片L10凹面反射镜、第十一镜片L11凹面反射镜；其中，第十镜片L10和第十一镜片L11都为自由曲面。优选地，第三透镜组G3包括第十二镜片L12正透镜、第十三镜片L13负透镜、第十四镜片L14负透镜、第十五镜片L15负透镜、第十六镜片L16正透镜、第十七镜片L17正透镜、第十八镜片L18正透镜、第十九镜片L19正透镜、第二十镜片L20正透镜、第二十一镜片L21弯月透镜、第二十二镜片L22弯月透镜、第二十三镜片L23平凸透镜；其中，第十三镜片L13前表面为非球面，第十六镜片L16后表面为自由曲面，第十七镜片L17前表面为非球面，第十八镜片L18前表面为非球面，第二十镜片L20前表面为非球面，第二十一镜片L21后表面为非球面。优选地，孔径光阑位于第十八镜片L18后表面之后，所述孔径光阑的通光孔径范围为130mm～150mm。优选地，所述投影物镜使用浸没液体折射率范围为1.4～1.65，位于第二十三镜片L23后表面之后，厚度范围为1mm～5mm。优选地，所述投影物镜的第二十三镜片L23为平凸透镜，平面朝向像面，镜片最大口径φ1，其中40mm<φ1<60mm。优选地，所述投影物镜使用至少一片高折射率材料,折射率范围为1.4～1.99。优选地，第二十三镜片L23使用氟化钙玻璃，其余透镜均使用熔石英玻璃。优选地，像方数值孔径范围为0.5～1.65。优选地，缩放倍率范围为0.1～1.0。优选地，畸变范围为0.1nm～3.0nm。有益效果：(1)、本专利技术通过对高数值孔径折反式光刻投影物镜进行改进，使用四面自由曲面替换四面非球面，增加了系统的自由度，消除了因元件数量减少导致校正像差能力不足而产生的中心遮拦问题。(2)、本专利技术通过使用自由曲面折反式光刻投影物镜减少了两个折射元件，使玻璃透镜总厚度减小为631mm，节约材料成本。(3)、本专利技术通过对23个光学元件设计参数进行改进，使得本自由曲面折反式光刻投影物镜的像方数值孔径达到1.2，提高了光刻分辨力；像方扫描方向视场宽度达到5.5mm，保证了硅片的产率。(4)、本专利技术通过对23个光学元件上的四面自由曲面的各项参数进行改进，使得获取的光刻投影物镜具有优良的成像质量，综合单色波像差均方根(RMS)值小于0.0474λ，全视场畸变小于1nm。(5)、本专利技术获得的光刻物镜结构紧凑,系统总长仅为1232mm。附图说明图1为本专利技术的自由曲面折反式光刻投影物镜结构示意图。图2为减少光学元件后系统足迹图。图3为自由曲面折反式光刻投影物镜像方离轴视场图。图4为增加自由曲面后系统足迹图。图5为本专利技术的无光路遮拦的物镜在所有视场点的光学调制传递函数(MTF)图，其中图5(a)对应图3中视场点F1-F5的MTF，图5(b)对应图3中视场点F6-F10的MTF，图5(c)对应图3中视场点F11-F15的MTF，图5(d)对应图3中视场点F16的MTF。图6为本专利技术的物镜在空间频率为6630lp/mm(对应75nm分辨力)时MTF随焦深的变化图，其中图6(a)为图3中视场点F1-F5的MTF随焦深的变化图，图6(b)为图3中视场点F6-F10的MTF随焦深的变化图，图6(c)为图3中视场点F11-F15的MTF随焦深的变化图，图6(d)为图3中视场点F16的MTF随焦深的变化图。图7为本专利技术的具体实施方式中物镜在全视场内成像畸变的分布图。图8为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由曲面折反式光刻投影物镜，其特征在于：包括第一透镜组G1、第二反射镜组G2、第三透镜组G3以及孔径光阑；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：第一透镜组G1、第二反射镜组G2、第三透镜组G3，孔径光阑位于第三透镜组G3中,其中；所述第一透镜组G1是复杂化双高斯结构，具有正光焦度，缩放倍率范围为1.1～1.8，将物平面发出的远心光束经过第一透镜组G1成像为第一中间像，该第一中间像位于第二反射镜组G2第一片反射镜之前；第一透镜组G1包含至少一片折射元件；所述第二反射镜组G2包含至少二片反射元件，具有负光焦度，校正所述投影物镜的场曲，缩放倍率范围为0.6～1.4；第一中间像经第二反射镜组G2成像为第二中间像，该第二中间像位于第三透镜组G3的第一片透镜之前；所述第三透镜组G3是会聚透镜结构，具有正光焦度，包含至少一片折射元件，实现数值孔径的增大及缩小成像，缩放倍率范围为0.15～0.28；第二中间像经第三透镜组G3成像到像平面上；所述自由曲面折反式光刻投影物镜，物面和像面之间的距离范围为200mm～2500mm。

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面折反式光刻投影物镜，其特征在于：包括第一透镜组G1、第二反射镜组G2、第三透镜组G3以及孔径光阑；上述各部件沿光束入射方向的顺序关系为：第一透镜组G1、第二反射镜组G2、第三透镜组G3，孔径光阑位于第三透镜组G3中,其中；所述第一透镜组G1是复杂化双高斯结构，具有正光焦度，缩放倍率范围为1.1～1.8，将物平面发出的远心光束经过第一透镜组G1成像为第一中间像，该第一中间像位于第二反射镜组G2第一片反射镜之前；第一透镜组G1包含至少一片折射元件；所述第二反射镜组G2包含至少二片反射元件，具有负光焦度，校正所述投影物镜的场曲，缩放倍率范围为0.6～1.4；第一中间像经第二反射镜组G2成像为第二中间像，该第二中间像位于第三透镜组G3的第一片透镜之前；所述第三透镜组G3是会聚透镜结构，具有正光焦度，包含至少一片折射元件，实现数值孔径的增大及缩小成像，缩放倍率范围为0.15～0.28；第二中间像经第三透镜组G3成像到像平面上；所述自由曲面折反式光刻投影物镜，物面和像面之间的距离范围为200mm～2500mm。2.根据权利要求1所述自由曲面折反式光刻投影物镜，其特征在于，第一透镜组G1包括第一镜片L1正透镜、第二镜片L2弯月透镜、第三镜片L3正透镜、第四镜片L4正透镜、第五镜片L5负透镜、第六镜片L6正透镜、第七镜片L7负透镜、第八镜片L8正透镜、第九镜片L9正透镜；其中，第一镜片L1前表面为非球面，第二镜片L2后表面为非球面，第三镜片L3后表面为非球面，第八镜片L8前表面为自由曲面，第九镜片L9前表面为非球面。3.根据权利要求1所述自由曲面折反式光刻投影物镜，其特征在于，第二反射镜组G2包括第十镜片L10凹面反射镜、第十一镜片L11凹面反射镜；其中，第十镜片L10和第十一镜片L11都为自由曲面。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳秋，毛姗姗，刘岩，姜家华，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11