傅里葉變換物鏡的制作方法
【專利摘要】一種傅里葉變換物鏡，沿其光軸方向依次包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、后焦面，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點(diǎn)位置而形成像方遠(yuǎn)心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡、第二透鏡具有正光焦度，第三透鏡具有負(fù)光焦度，所述的第一透鏡為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡為雙凸透鏡，第三透鏡為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。本實(shí)用新型既能滿足像傳感器尺寸和大視場(chǎng)角的要求，又滿足后工作距較長(zhǎng)的要求，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足正弦條件要求，并且球差、象散、場(chǎng)曲、波像差都得到很好的校正，能夠用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)的光瞳測(cè)量。
【專利說明】傅里葉變換物鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種傅里葉變換物鏡，特別涉及一種用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)光瞳測(cè)量的傅里葉變換物鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體光刻【技術(shù)領(lǐng)域】，采用氟化氬(ArF)準(zhǔn)分子激光和浸液光刻技術(shù)、偏振照明技術(shù)，并配合雙圖形曝光技術(shù)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)32nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)的量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的典型設(shè)備是荷蘭ASML公司基于第5代浸液光刻技術(shù)的型號(hào)為TWINSCANNXT: 1950i的光刻機(jī)。ASML公司早在PAS系列光刻機(jī)的NA=0.75時(shí)代就開始研究浸液技術(shù)、偏振照明技術(shù)等等若干關(guān)鍵技術(shù)以延續(xù)ArF光刻技術(shù)的生命。例如，PAS5500/1150C光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)90nm節(jié)點(diǎn)光刻技術(shù)是采用傳統(tǒng)技術(shù)，對(duì)于TWINSCANXT:1450H光刻機(jī)(NA=0.93)采用傳統(tǒng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)65nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)，而采用偏振照明技術(shù)就可以將分辨率提高到57nm。在ASML公司投影物鏡數(shù)值孔徑NA為1.20型號(hào)為1750i光刻機(jī)，以及更早期的，比如1150C等光刻機(jī)中，都需要采用一個(gè)針孔相機(jī)來測(cè)量照明系統(tǒng)中照明光瞳的分布。照明光瞳的形狀、位置、能量分布等參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)各種不同圖形的精確曝光至關(guān)重要，沒有照明光瞳的測(cè)量與控制，就沒有合格的曝光圖形。
[0003]一般的，針孔相機(jī)主要由針孔掩模版、傅里葉變換物鏡、像傳感器等組成，如圖1所示。針孔掩模版位于光刻機(jī)掩模面位置，該位置就是投影物鏡的物面位置，利用針孔對(duì)不同照明視場(chǎng)位置進(jìn)行采樣。傅里葉變換物鏡的功能是將通過針孔照明光束的角度分布轉(zhuǎn)換為空間分布，即在傅里葉變換物鏡的像面獲得照明光束的光瞳，可以用下面公式〈1>表示:
[0004]h=f*sin Θ <1>
[0005]其中，h表示在像面上的高度，f表示物鏡的焦距，Θ表示光束的視場(chǎng)角度(這是物位于無窮遠(yuǎn)時(shí)的正弦條件)。像傳感器一般位于傅里葉變換物鏡的像面位置，典型的，一般采用CMOS相機(jī)或CXD相機(jī)作為像傳感器。
[0006]在現(xiàn)有技術(shù)中，根據(jù)經(jīng)典參考文獻(xiàn)(應(yīng)用光學(xué)，張以謨，機(jī)械工業(yè)出版社，第497?500頁)，傅里葉變換物鏡結(jié)構(gòu)形式很多，典型結(jié)構(gòu)有2種。一種是單組形式，由正負(fù)2片透鏡組成，它能使球差和正弦差得到很好的校正，但是軸外像差不能校正，因此能負(fù)擔(dān)的視場(chǎng)和孔徑都很小。另一種是由2組遠(yuǎn)距透鏡組成，構(gòu)成雙遠(yuǎn)距對(duì)稱結(jié)構(gòu)(8片透鏡)，可以校正場(chǎng)曲，其它像差也可以得到很好的校正。但是這種物鏡利用透鏡間隔來校正場(chǎng)曲，因此結(jié)構(gòu)不緊湊，軸向長(zhǎng)度較大。
[0007]申請(qǐng)日為2008年12月10日的3篇中國(guó)專利( 申請(qǐng)人:為上海微電子裝備有限公司)，申請(qǐng)?zhí)柗謩e為:200810204353.8,200810204354.2,200810204356.1，公開了 3 種傅里葉透鏡系統(tǒng)。
[0008]作為傅里葉變換物鏡，最重要的是實(shí)現(xiàn)公式〈1>表示的關(guān)系，即滿足正弦條件，專利申請(qǐng)(200810204353.8)表2中視場(chǎng)1、2、7、8的“與正弦條件的誤差”計(jì)算明顯錯(cuò)誤，而且視場(chǎng)6、7、8的“與正弦條件的絕對(duì)偏離”分別為80 μ m、147 μ m、208.6 μ m，偏差較大。
[0009]申請(qǐng)?zhí)枮?00810204354.2專利，表2中視場(chǎng)1、4的“與正弦條件的誤差”計(jì)算明顯錯(cuò)誤，而且視場(chǎng)6、7、8的“與正弦條件的絕對(duì)偏離”分別為50.02 μ m、74.12 μ m、90.45 μ m，
偏差較大。
[0010]申請(qǐng)?zhí)枮?00810204356.1專利，表2中視場(chǎng)1、5、8的“與正弦條件的誤差”計(jì)算明顯錯(cuò)誤，而且視場(chǎng)6、7、8的“與正弦條件的絕對(duì)偏離”分別為144.04μπι、245.2μπι、346.96 μ m，偏差較大。
[0011]根據(jù)上面的分析，這3篇涉及傅里葉變換物鏡的專利，對(duì)于滿足傅里葉變換的最基本約束條件(即正弦條件)存在較大偏離，另外聲稱的數(shù)值孔徑0.31也與較佳實(shí)施例中數(shù)據(jù)完全不符。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本實(shí)用新型的目的在于公開一種傅里葉變換物鏡，該傅里葉變換物鏡能用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)的光瞳測(cè)量，它不僅能有效地滿足正弦條件的要求、嚴(yán)格校正像差，而且滿足針孔掩模版尺寸、像傳感器尺寸的要求，以期達(dá)到實(shí)際半導(dǎo)體光刻設(shè)備應(yīng)用的要求。
[0013]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0014]一種傅里葉變換物鏡，用于將針孔掩模版圖形面內(nèi)的針孔變換到像傳感器光敏面內(nèi)，所述的傅里葉變換物鏡沿其光軸方向依次包括:孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、后焦面，其特征在于，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點(diǎn)位置而形成像方遠(yuǎn)心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡、第二透鏡具有正光焦度，第三透鏡具有負(fù)光焦度，所述的第一透鏡為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡為雙凸透鏡，第三透鏡為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。
[0015]所有三塊透鏡均采用高透過率的熔石英材料制成。
[0016]所有三塊透鏡全部采用高透過率的熔石英材料，可選康寧公司7980牌號(hào)的熔石英材料，也可以選肖特公司的LithosilTMQ0/l-E193熔石英材料。
[0017]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0018]1、本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡，可以有效地既滿足像傳感器尺寸和大視場(chǎng)角的要求，又滿足后工作距較長(zhǎng)的要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊；
[0019]2、本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡，采用正負(fù)光焦度平衡匹配，正光焦度較大，可以有效地滿足正弦條件要求，并且球差、象散、場(chǎng)曲、波像差都得到很好的校正；
[0020]3、本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡，僅采用表面類型為球面的透鏡，沒有引入非球面透鏡，從而降低了透鏡的加工、檢測(cè)和裝校的難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡所應(yīng)用的針孔相機(jī)示意圖；
[0022]圖2為本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡的結(jié)構(gòu)及光路圖；
[0023]圖3為本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡實(shí)際成像高度與正弦條件的偏離圖；
[0024]圖4為本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF圖；
[0025]圖5為本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡的RMS波像差分布圖；
[0026]圖6為本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡的球差、象散、場(chǎng)曲、畸變分布圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]以下將對(duì)本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0028]本實(shí)用新型的目的在于公開一種能用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備照明系統(tǒng)光瞳測(cè)量的傅里葉變換物鏡，它不僅能有效地滿足正弦條件的要求、嚴(yán)格校正像差，而且滿足針孔掩模版尺寸、像傳感器尺寸的要求，以期達(dá)到實(shí)際半導(dǎo)體光刻設(shè)備光瞳測(cè)量應(yīng)用的要求。
[0029]由本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡構(gòu)成的針孔相機(jī)，測(cè)量對(duì)象是投影物鏡數(shù)值孔徑NA為0.75，放大倍率為-0.25的光刻機(jī)照明系統(tǒng)，相干因子為0.89，采用氟化氬(ArF)準(zhǔn)分子激光，波長(zhǎng)為193.368nm,因此所有透鏡全部采用高透過率的熔石英材料，可選康寧公司7980牌號(hào)的熔石英材料，也可以選肖特公司的LithosilTMQ0/l-E193熔石英材料。
[0030]本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡物方視場(chǎng)半角度要求為(預(yù)留10%余量):
[0031]U=arcsin(0.75/4*0.89*1.1)=10.6。
[0032]本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡像面尺寸要求為:
[0033]像傳感器的像素尺寸為16 μ mX 16 μ m，像素?cái)?shù)量為512 X 512，邊緣各留12個(gè)像素的余量，像面尺寸為8mmX8mm,像面半高度為4mm。
[0034]本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡焦距要求為:
h 4 0
[0035]f = -^ = ^— = 21.7449/?/?

sin U sin 10.6
[0036]該針孔相機(jī)要求的針孔掩模版上針孔直徑為0.3mm,從針孔面到像面距離小于45mm,像方工作距大于10mm。
[0037]傅里葉變換物鏡完善成像，一般要求波像差的RMS值小于1/14波長(zhǎng)，即小于13.8nm。
[0038]本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡的約束參數(shù)如表I所示。
[0039]表I半導(dǎo)體光刻設(shè)備光瞳測(cè)量用傅里葉變換物鏡的設(shè)計(jì)約束參數(shù)
[0040]
約束項(xiàng)目[#1
工作波長(zhǎng)193.368nm
物方視場(chǎng)半角10.6o
針孔直徑0.3mm
像面半高度4.0mm
像素尺寸16μιηΧ16μπι
焦距21.7449mm
像方工作距>10mm
從針孔面到像面距離〈45ππη
透鏡組長(zhǎng)度〈15mm
波像差RMS值<13.8nm
實(shí)際像高與正弦條件偏差~小于16 um (單像素尺寸)
[0041]本實(shí)用新型傅里葉變換物鏡一個(gè)實(shí)施例如圖2所示，本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡，用于將針孔掩模版圖形面內(nèi)的針孔變換到像傳感器光敏面內(nèi)，所述的傅里葉變換物鏡沿其光軸方向依次包括:孔徑光闌(即針孔掩模版圖形面內(nèi)的針孔)101、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、后焦面202，所述的傅里葉變換物鏡，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點(diǎn)位置而形成像方遠(yuǎn)心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡L1、第二透鏡L2具有正光焦度，第三透鏡L3具有負(fù)光焦度，所述的第一透鏡LI為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡L2為雙凸透鏡，第三透鏡L3為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。
[0042]所述的傅里葉變換物鏡，所有三塊透鏡全部采用高透過率的熔石英材料，可選康寧公司7980牌號(hào)的熔石英材料，也可以選肖特公司的LithosilTMQ0/l-E193熔石英材料。
[0043]根據(jù)前面表I中半導(dǎo)體光刻設(shè)備光瞳測(cè)量用傅里葉變換物鏡約束參數(shù)，本實(shí)用新型公開的傅里葉變換物鏡的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。為了光學(xué)加工、光學(xué)檢測(cè)的方便以及降低成本，本實(shí)用新型所有元件的光學(xué)表面均為球面，沒有任何非球面元件。
[0044]表2給出了本實(shí)施例的傅里葉變換物鏡的每一片透鏡的具體設(shè)計(jì)參數(shù)值，其中，“表面”一欄指示了從物面(Object)到像面(Image)之間每個(gè)光學(xué)表面的編號(hào)，其中STOP表示孔徑光闌?！鞍霃健?一欄給出了每一表面所對(duì)應(yīng)的球面半徑。“厚度/間隔”一欄給出了相鄰兩表面之間的軸向距離，如果該兩表面屬于同一透鏡，則“厚度/間隔”的數(shù)值表示該透鏡的厚度，否則表示物/像面到透鏡的距離或者相鄰?fù)哥R的間距?！肮鈱W(xué)材料” 一欄即指明所對(duì)應(yīng)透鏡的材料?！鞍肟讖健币粰谥该髁怂鶎?duì)應(yīng)表面的1/2孔徑值，即半高度?！八鶎賹?duì)象” 一欄指示了從物面到像面之間每一表面所對(duì)應(yīng)的透鏡。除了 LI?L3這3塊透鏡之夕卜，透鏡LI前面還設(shè)置有孔徑光闌STOP，其孔徑尺寸的改變將影響該傅里葉變換物鏡的成像效果。
[0045]表2本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)
[0046]
表面半徑mm 厚度/間距mm 光學(xué)材料半孔徑mm 所屬對(duì)象 Object 1.00E+18~ 1.00E+18物面
Stop 1.00E+18~ 16.10520.1500孔徑光闌
26.1665 3.7739corning7980 3.3490LI
[0047]表間半徑丨nm 厚度/間距mm光學(xué)材料半孔徑丨丨丨丨丨丨所屬對(duì)象飛 ^6.0160 I13145 I^ 2.9311 I
49.809丨2.6436corning79S() 3.0666 I
"5-29.54302.24842.9921
~6-4.15485.0197coming?980 2.8437
~1-6.816410.00004.0343
Image1.0OE+180.00004.0694像面
[0048]根據(jù)本實(shí)用新型較佳實(shí)施例所公開的數(shù)據(jù)，采用C0DE_V軟件進(jìn)行實(shí)際光線追跡得到不同視場(chǎng)角的實(shí)際像高，并與滿足正弦條件的像高進(jìn)行比較，如下表3所示，可以看出，各視場(chǎng)位置實(shí)際像高與正弦條件的絕對(duì)偏差都小于16 μ m (如圖3所示)，即小于像傳感器上I個(gè)像素的尺寸。
[0049]表3實(shí)際像高與滿足正弦條件像高的比較
[0050]
半視場(chǎng)角"?ΕΜΜ?相對(duì)偏差絕對(duì)偏差μιιι
om ^ 0:00000 ^ 0,00000 ^ ~ ^ om
L060.402270.406851.14%4M
2Λ20.804400.813181.09%8J8
3J81.206251,218471.01%12,22
4241.607701,622250.91%14.55
5302.008592.024050.77%15.46
6362.408792.423440.61%14.65
7^422.808172,820020,42%11.85
8^483.206593.213320.21%6J3
9^543.603913.60281-0.03%-1,10
10,604.000003.98803-0.30%-11,97
[0051]當(dāng)在表I中工作波長(zhǎng)、視場(chǎng)等參數(shù)條件下，根據(jù)專業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODE—V的分析計(jì)算可知，其像差校正程度如下。
[0052]圖4顯示了本實(shí)施例的傅里葉變換物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，接近衍射極限；圖5是本實(shí)施例的傅里葉變換物鏡的RMS波像差的分布，最差RMS波像差為0.llnm，這反映了本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡的成像質(zhì)量接近完善成像。圖6是本實(shí)施例的傅里葉變換物鏡的球差、象散、場(chǎng)曲、畸變圖，畸變最大值為-2.0%，這是為了滿足正弦條件而預(yù)留的負(fù)畸變。
[0053]從表2中數(shù)據(jù)可得，從針孔面到像面距離為41.105mm，滿足<45mm的要求，表2中第7面的數(shù)據(jù)為10.0000，也滿足像方工作距要求。
[0054]釆用本實(shí)用新型的傅里葉變換物鏡，完全滿足用于測(cè)量照明光瞳分布的針孔相機(jī)的技術(shù)要求，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良，并且達(dá)到實(shí)際光刻照明光瞳測(cè)量的應(yīng)用要求。
【權(quán)利要求】
1.一種傅里葉變換物鏡，沿其光軸方向依次包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、后焦面，其特征在于，孔徑光闌中心位于所述的傅里葉變換物鏡的前焦點(diǎn)位置而形成像方遠(yuǎn)心光路，像傳感器光敏面位于所述的傅里葉變換物鏡的后焦面，即傅里葉變換頻譜面，所述的第一透鏡、第二透鏡具有正光焦度，第三透鏡具有負(fù)光焦度，所述的第一透鏡為凸面朝向孔徑光闌面的彎月透鏡，第二透鏡為雙凸透鏡，第三透鏡為凸面朝向后焦面的彎月透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傅里葉變換物鏡，其特征在于，所述的每一透鏡的光學(xué)表面均為球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傅里葉變換物鏡，其特征在于，所有三塊透鏡均采用高透過率的熔石英材料制成。
【文檔編號(hào)】G03F7/20GK204028439SQ201420156068
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】蔡燕民, 王向朝, 唐鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所