物镜像差校正镜及像差校正方法和光学系统、光刻机

摘要

本发明公开了一种物镜像差校正镜，包括相连的压力控制装置和镜头，所述镜头包括第一平板薄透镜、第二平板薄透镜、镜筒、第一隔圈、第二隔圈、第一压圈和第二压圈，第一隔圈、第二隔圈、第一压圈和第二压圈将所述第一平板薄透镜和第二平板薄透镜沿着光线入射的方向固定在所述镜筒内，所述第一平板薄透镜、所述第二平板薄透镜和所述镜筒的内壁围成填充区域，所述压力控制装置连通所述填充区域，用于调节所述填充区域内的压力，使得所述第一平板薄透镜和第二平板薄透镜变形，且所述第一平板薄透镜和第二平板薄透镜的变形可控，用于物镜中，可以补偿物镜的像差。本发明还公开了一种像差校正的方法，技术难点低，操作简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种物镜像差校正镜及像差校正方法和光学系统、光刻机。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，半导体器件的制造工艺对精度的要求越来越高，例如在光刻工艺中，先进光刻机曝光设备中的光学系统需要越来越小的像差和畸变，同时在这种光学系统的曝光设备中，需要可以实时并容易地对由各种环境及其它因素导致的像差和畸变的变化进行补偿。为了满足上述要求，一般采用设置一个或几个镜片位置或形状可调的方式进行补偿。

曝光设备中像差补偿一般用可调镜片的方式实现，即通过调整镜片的各自由度，产生像差变化，从而用于像质补偿；2008年8月28号公开的美国专利US20080204905(A1)中公开了一种由压电陶瓷驱动的特殊四杆机构，是一种利用弹性金属材料受力变形而形成的四杆机构，可实现透镜在光轴方向上的高精度位移或者使透镜发生预定变形，其缺点是需使用实时运动机构，稳定性与可靠性差，结构复杂等。

2008年4月3号公开的国际专利WO2008037496(A2)中公开了一种用于像质补偿的主动变形机构，通过给镜片轴向边缘位置施加相反方向的力，使镜片表面发生等厚变形(镜片前表面和镜片的后表面变形的面型绝对值相等，符号相反)，由于发生等厚变形，前表面与后表面变形绝大部分抵消，从而产生非常小的透射波前变化，得到特定的波前分布，用于补偿对应的波像差，专利中提到可以用于补偿Z5，Z12和Z11面型；通常来讲，这种对镜片轴向边缘位置施加相反方向的力而产生的等厚变形的表面面型与透射波前的比值在15:1以下，也就是说镜片非常大的等厚表面变形量才能得到较小的波前改变，镜片内部会产生非常大的应力，会使镜片材料内部产生密度差异，导致材料发生应力双折射，补偿过程产生其它像差改变，使像差补偿效果大大降低，同时由于镜片承受了非常大的作用力，镜片很容易产生塑性变形，这个时候就需要对主动变形机构进行一次标定和维护，一般是通过对光瞳附近的镜片单个面抛光来补偿，工序繁琐。

发明内容

本发明提供了一种物镜像差校正物镜像差校正镜，用以解决现有像差补偿装置补偿效果差、装置结构复杂的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种物镜像差校正镜，包括相连的压力控制装置和镜头，所述镜头包括第一平板薄透镜、第二平板薄透镜、镜筒、第一隔圈、第二隔圈、第一压圈和第二压圈，所述第一平板薄透镜和所述第二平板薄透镜沿光线入射方向依次设置在所述镜筒内，所述第一平板薄透镜、所述第二平板薄透镜和所述镜筒的内壁围成填充区域，所述压力控制装置连通所述填充区域，用于调节所述填充区域内的压力，所述第一平板薄透镜靠近所述填充区域的一侧设有与所述镜筒内壁固定连接的所述第一隔圈，所述第二平板薄透镜靠近所述填充区域的一侧设有与所述镜筒内壁固定连接的所述第二隔圈，所述第一平板薄透镜远离所述填充区域的一侧设有与所述镜筒固定连接的所述第一压圈，所述第二平板薄透镜远离所述填充区域的一侧设有与所述镜筒固定连接的所述第二压圈。

作为优选，所述压力控制装置包括液管和液压控制装置，所述液管一端连通所述填充区域，另一端连接所述液压控制装置。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均为环状支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均为环状压块，所述环状支撑块与所述环状压块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括沿周向均匀设置成环状的多个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括沿周向均匀设置成环状的多个压块，所述支撑块与所述压块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括两个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括两个压块，所述两个支撑块分设在物镜坐标系的Y轴正向和Y轴负向，或所述两个支撑块分设在所述物镜坐标系的X轴正向和X轴负向。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括两个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括两个压块，所述两个支撑块分设在物镜坐标系的第一象限和第三象限，或所述两个支撑块分设在所述物镜坐标系的第二象限和第四象限，且所述两个支撑块与所述物镜坐标系的轴线成45度角。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括三个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括三个压块，所述三个支撑块中的一个支撑块位于物镜坐标系的X轴上。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括三个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括三个压块，所述三个支撑块中的一个支撑块位于物镜坐标系的Y轴上。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括四个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括四个压块，所述四个支撑块分设在物镜坐标系的X轴正向、X轴负向、Y轴正向及Y轴负向上。

作为优选，所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括四个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括四个压块，所述四个支撑块分设在物镜坐标系的四个象限中，且所述四个支撑块与所述物镜坐标系中的轴线成22.5度角。

作为优选，所述第一平板薄透镜与所述镜筒之间以及所述第二平板薄透镜与所述镜筒之间采用密封软胶密封。

本发明采用的技术方案，所述物镜像差校正镜通过液压控制装置分别使所述第一平板薄透镜和所述第二平板薄透镜产生非等厚变形，固定所述第一平板薄透镜和所述第二平板薄透镜的所述压块和所述支撑块的分布不同，所述第一平板薄透镜和所述第二平板薄透镜变形后产生不同的面型，所述物镜像差校正镜结构简单，并且应用于物镜中，可以用于校正物镜的像差，根据泽尼克多项式中的面型分布，设置所述第一平板薄透镜和所述第二平板薄透镜的固定方式，可以产生相应的泽尼克多项式中的面型，实现对物镜在像面产生对应常数项相应的泽尼克像差改变的实时调整。

本发明还公开了一种采用上述物镜像差校正镜的像差校正方法，其步骤如下：

步骤1：根据所述物镜的成像得到所述物镜存在的Zernike常数项像差；

步骤2：若所述物镜的Zernike像差中Z4呈现视场的二阶场曲，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈和所述第二隔圈选为环状支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈选为环状压块，所述环状压块与所述环状支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的物面或像面处，转向步骤9；

步骤3：若所述投影物镜的Zernike像差中的Z5呈现视场的常数项0°或90°的像散，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括两个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括两个压块，所述两个支撑块分设在物镜坐标系的Y轴正向和Y轴负向，或所述两个支撑块分设在所述物镜坐标系的X轴正向和X轴负向，所述压块与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，转向步骤9；

步骤4：若所述投影物镜的Zernike像差中的Z6呈现视场的常数项±45°的像散，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括两个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括两个压块，所述两个支撑块分设在物镜坐标系的第一象限和第三象限，或所述两个支撑块分设在所述物镜坐标系的第二象限和第四象限，且所述两个支撑块与所述物镜坐标系的轴线成45度角，所述压块与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，转向步骤9；

步骤5：若所述投影物镜的Zernike像差中的Z10呈现视场的常数项的三叶像差，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括三个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括三个压块，所述三个支撑块中的一个支撑块位于物镜坐标系的X轴上，所述压块与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，转向步骤9；

步骤6：若所述投影物镜的Zernike像差中的Z11呈现视场的常数项的三叶像差，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括三个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括三个压块，所述三个支撑块中的一个支撑块位于物镜坐标系的Y轴上，所述压块与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，转向步骤9；

步骤7：若所述投影物镜的Zernike像差中的Z17呈现视场的常数项的四叶像差，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括四个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括四个压块，所述四个支撑块分设在物镜坐标系的X轴正向、X轴负向、Y轴正向及Y轴负向上，所述压块与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，转向步骤9；

步骤8：若所述投影物镜的Zernike像差中的Z18呈现视场的常数项的四叶像差，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈和所述第二隔圈均包括四个支撑块，所述第一压圈和所述第二压圈均包括四个压块，所述四个支撑块分设在物镜坐标系的四个象限中，且所述四个支撑块与所述物镜坐标系中的轴线成22.5度角，所述压块与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，转向步骤9；

步骤9：调节所述压力控制装置控制所述像差校正镜中填充区域的压力，使得所述第一平板薄透镜和所述第二平板薄透镜分别产生变形，对所述像差进行补偿校正。

本发明采用的技术方案，技术难点低，操作简单。

本发明还公开了一种光学系统，包括物镜和上述物镜像差校正镜。

本发明采用的技术方案，上述物镜像差校正镜设置在物镜的像面、物面或光瞳处，所述物镜像差校正镜产生泽尼克多项式中的面型，可以实现对物镜在像面处产生的像差进行校正，提高了所述光学系统的精度。

本发明还公开了一种光刻机，包括上述光学系统。

本发明采用的技术方案，采用所述物镜像差校正镜后，所述光刻机的光学系统可以实时对像差和畸变的变化进行补偿，提高了光刻机的光刻效率。

附图说明

图1是本发明一具体实施例的物镜像差校正镜的结构示意图；

图2～3分别是本发明一具体实施例的第一平板薄透镜和第二平板薄透镜变形示意图；

图4～7分别是本发明一具体实施例的压块分布示意图；

图8是本发明一具体实施例的泽尼克多项式系数示意图；

图9是本发明一具体实施例的泽尼克多项式中的面型的分布图。

图1～7中所示：1-第一平板薄透镜、2-第二平板薄透镜、3-镜筒、4-密封软胶、5-填充区域、6-液管、7-液压控制装置、8-第一隔圈、91-第一压圈、911-压块、92-第二压圈。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参见图1，一种物镜像差校正镜，包括相连的压力控制装置和镜头，所述压力控制装置控制所述镜头的压力，使得所述镜头发生变形从而产生泽尼克多项式中的面型分布。

所述镜头包括第一平板薄透镜1、第二平板薄透镜2、镜筒3、第一隔圈8、第一压圈91和第二压圈92，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2沿光线入射方向依次设置在所述镜筒3内，所述第一平板薄透镜1与所述镜筒3之间以及所述第二平板薄透镜2与所述镜筒3之间采用密封软胶4密封填充，所述第一平板薄透镜1、所述第二平板薄透镜2和所述镜筒3的内壁围成填充区域5，所述压力控制装置连通所述填充区域5，向所述填充区域5内输入填充液，控制所述填充液的压力使得所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2产生变形，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2之间设有与所述镜筒3内壁固定连接的所述第一隔圈8，所述第一平板薄透镜1远离所述填充区域5的一侧设有与所述镜筒3固定连接的所述第一压圈91，所述第二平板薄透镜2远离所述填充区域5的一侧设有与所述镜筒3固定连接的所述第二压圈92。

所述压力控制装置包括液管6和液压控制装置7，所述液管6一端连通所述填充区域5，另一端连接所述液压控制装置7。

请参见图2和图3，所述液压控制装置7通过所述液管6向所述填充区域5内输入填充液，控制所述填充区域5内填充液的压力，使所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2分别产生变形。请参见图3，当填充液的压力大于大气压力时，填充液向外挤压所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2，所述第一压圈91阻止所述第一平板薄透镜1向外，造成位于所述第一压圈91一侧的所述第一平板薄透镜1的侧面由于受力不均产生变形，所述第一平板薄透镜1产生非等厚变形，同理，所述第二平板薄透镜2产生非等厚变形，且所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2的变形量相等；请参见图2，当填充液的压力小于大气压力时，大气向内挤压所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2，所述第一隔圈8阻止所述第一平板薄透镜1向内，造成位于所述第一隔圈8一侧的所述第一平板薄透镜1的侧面由于受力不均而产生变形，所述第一平板薄透镜1产生非等厚变形，同理，所述第二平板薄透镜2产生非等厚变形，且所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2的变形量相等。上述变形方式中，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2承受的压力较小，镜片使用寿命长。

所述第一隔圈8包括至少一个支撑块(图中未示出)，当所述支撑块为一个时，所述支撑块为环状支撑块，当所述支撑块为多个时，多个所述支撑块沿周向均匀设置，请参见图4～6，所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括至少一个压块911，当所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括压块一个固定块911时，所述压块911为环状压块，当所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括多个压块911时，多个所述压块911沿周向均匀设置，所述支撑块与所述压块911位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上。所述压块911和所述支撑块采用不同的分布形式，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2会产生不同的变形。

请参见图4、图8和图9，若物镜的Zernike像差中Z4呈现视场的二阶场曲，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈8为一个连续环状的支撑块，所述第一压圈91和所述第二压圈92均一个连续环状的压块911，所述支撑块与所述压块911位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，此时，所述物镜像差校正镜具有Z4面型改变。当把此具有Z4面型改变的所述物镜像差校正镜设置在物镜的物面或像面处，产生的Z4面型直接在物面或像面产生Z4波前改变，使物镜在像面实现像差校正。所述物镜像差校正镜设置在物镜的物面或像面处，当液体压力等于大气压力时，由于靠近物面或像面位置的镜片各视场光束穿过所述物镜像差校正镜不同位置，靠近物面或像面位置子孔径与通光口径比值远小于1：1，中心视场的光线穿过所述物镜像差校正镜表面中心位置，边缘视场的光线穿过所述物镜像差校正镜表面的边缘位置，导致中心视场点和边缘视场点在轴向的成像位置点产生差异，即场曲变大，所以通过在物镜的物面或像面处放置具有Z4面型改变的物镜像差校正镜，可以实现场曲的实时调整。由于所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2均发生非等厚变形，镜片较小的形变量就能产生较大的波前改变，提高了补偿的灵敏度。

请参见图5、图8和图9，若所述投影物镜的Zernike像差中的Z5呈现视场的常数项0°或90°的像散，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈8包括两个支撑块，所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括两个压块911，参见图5(a)，所述两个支撑块分设在物镜坐标系的Y轴正向和Y轴负向，或所述两个支撑块分设在所述物镜坐标系的X轴正向和X轴负向，所述支撑块与所述压块911位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，所述第一平板薄透镜1和第二平板薄透镜2产生变形，根据泽尼克多项式系数分布，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2同时产生泽尼克多项式中的Z5面型补偿所述物镜的像差。

若所述投影物镜的Zernike像差中的Z6呈现视场的常数项±45°的像散，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈8包括两个支撑块，所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括两个压块911，参见图5(b)，所述两个支撑块分设在物镜坐标系的第一象限和第三象限，或所述两个支撑块分设在所述物镜坐标系的第二象限和第四象限，且所述两个支撑块与所述物镜坐标系的轴线成45度角，所述支撑块与所述压块911位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2同时产生泽尼克多项式中的Z6面型补偿所述物镜的像差。

请参见图6、图7和图8，若所述投影物镜的Zernike像差中的Z10呈现视场的常数项的三叶(3-Tetrafoil)像差，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈8包括三个支撑块，所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括三个压块911，压块参见图6(a)，所述三个支撑块中的一个支撑块位于物镜坐标系的X轴上，所述压块与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，将调整好的所述物镜像差校正镜安装在靠近所述物镜的光瞳位置处，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2同时产生泽尼克多项式中的Z10面型补偿所述物镜的像差。

若所述投影物镜的Zernike像差中的Z11呈现视场的常数项的三叶(3-Tetrafoil)像差，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈8包括三个支撑块，所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括三个压块911，参见图6(b)，所述三个支撑块中的一个支撑块位于物镜坐标系的Y轴上，所述压块911与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2同时产生泽尼克多项式中的Z11面型补偿所述物镜的像差。

请参见图7、图8和图9，若所述投影物镜的Zernike像差中的Z17呈现视场的常数项的四叶(4-Tetrafoil)像差，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈8包括四个支撑块，所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括四个压块911，参见图7(a)，所述四个支撑块分设在物镜坐标系的X轴正向、X轴负向、Y轴正向及Y轴负向上，所述压块911与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2同时产生泽尼克多项式中的Z17面型补偿所述物镜的像差。

若所述投影物镜的Zernike像差中的Z18呈现视场的常数项的四叶像差(4-Tetrafoil)，则所述物镜像差校正镜中的所述第一隔圈8包括四个支撑块，所述第一压圈91和所述第二压圈92均包括四个压块911，参见图7(b)，所述四个支撑块分设在物镜坐标系的四个象限中，且所述四个支撑块与所述物镜坐标系中的轴线成22.5度角，所述压块911与所述支撑块位置对应，且均设置在与所述光线入射方向平行的轴线上，所述第一平板薄透镜1和所述第二平板薄透镜2同时产生泽尼克多项式中的Z18面型补偿所述物镜的像差。

所述支撑块和所述压块911的数量及分布与所述物镜像差校正镜产生的面型分布及其透射波前改变的对应关系如下表所示：

表1

当把具有Z5、Z6、Z10、Z11、Z17和Z18中任意一种面型改变的物镜像差校正镜设置在物镜光瞳处，各视场光线在光瞳位置产生相应的波前改变，由于物镜中靠近光瞳位置的镜片各视场光束穿过所述物镜像差校正镜相同区域，靠近光瞳位置子孔径与通光口径比值接近1：1，中心视场的光线和边缘视场的光线穿过所述物镜像差校正镜表面上几乎相同的位置，所述物镜像差校正镜产生的面型就直接在物镜光瞳上产生相应的波前改变，从而使中心视场的光线和边缘视场的光线在物镜光瞳上产生相同的波前改变，也就是使物镜在像面产生对应常数项的相应泽尼克像差改变，所以在物镜光瞳位置放置所述物镜像差校正镜，通过改变所述物镜像差校正镜产生Z5、Z6、Z10、Z11、Z17和Z18中任意一种面型分布，实现对物镜在像面产生对应常数项相应的泽尼克像差改变的实时调整。

将上述物镜像差校正镜设置在光刻物镜中，形成一种光学系统，光束经过所述光学系统成像，具有较小的波像差和畸变，采用所述光学系统成像的光刻机，可以实时对由各种环境和其它因素导致的像差进行补偿，提高了光刻机的分辨率。