IMAGE QUALITY COMPENSATION DEVICE AND METHOD, AND OPTICAL SYSTEM

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，尤其涉及一种像质补偿装置及方法和一种光学系统。

当前的半导体封装技术领域中，用于制造集成电路芯片的光刻物镜通常具有高分辨率、大焦深，用以实现高集成度芯片的制备。同时，为使芯片制备时曝光区域的像质满足要求，则需要投影曝光用的光学成像系统具备良好的像质补偿能力。为满足产品技术上更高的要求，则需不断的缩小芯片的特征尺寸，这样就对光学系统的成像质量也提出了更为严苛的要求。因此，提高光学成像系统的成像像质质量，成为制备综合性能良好芯片的关键因素。

在光刻投影物镜实际曝光过程中，由于镜片的装配误差，环境不稳定性，照明系统引入热，镜片面型在曝光过程中会受到周围环境的影响，并且会发生一定量的不可逆转的变化，这些因素均会造成最终的成像质量降低，影响芯片的特征尺寸的质量。

现有技术中，在光刻投影物镜曝光过程中，通过改变镜片面型来实现像质的补偿方案，但该方案只能补偿单一的像质。或通过旋转热补偿组和平板组合的角度产生不同的面型对热效应进行补偿，但热补偿组的特殊镜片面型加工和检测难度高，花费成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像质补偿装置及方法和一种光学系统，以解决现有的像质补偿方案存在补偿单一、难度较大、成本较高的问题。

本发明提供一种像质补偿装置，包括镜筒、施力机构和旋转机构，所述镜筒内含有镜片，所述施力机构能够对所述镜筒施加压力，使所述镜筒里的所述镜片产生形变，所述镜筒能够随所述旋转机构的转动而转动。

可选的，所述施力机构能够随所述旋转机构的转动而转动。

可选的，所述像质补偿装置还包括镜座，所述镜座位于所述镜筒的四周，使得所述镜筒嵌设于所述镜座内。

可选的，所述旋转机构包括轴承、旋转轴、驱动齿轮和电机，所述电机连接所述旋转轴，所述旋转轴连接所述驱动齿轮，所述驱动齿轮连接所述镜座，以及所述轴承连接所述镜座。

可选的，所述施力机构横向嵌入在所述镜座中，所述施力机构能够对所述镜筒施加横向的作用力。

可选的，所述电机驱动所述旋转轴旋转，所述旋转轴带动所述驱动齿轮旋转，所述驱动齿轮带动所述镜座、所述镜筒和所述施力机构一起旋转。

可选的，所述施力机构纵向嵌入在所述镜座中，所述施力机构能够对所述镜筒施加纵向的作用力。

可选的，所述施力机构为带有万向联轴器的施力机构。

可选的，所述像质补偿装置包括柔性块，所述柔性块位于所述镜筒的下方，承担所述镜筒的重力。

可选的，所述电机驱动所述旋转轴旋转，所述旋转轴带动所述驱动齿轮旋转，所述驱动齿轮带动所述镜座、所述镜筒和所述施力机构一起旋转。

本发明还提供一种光学系统，包括如上所述的像质补偿装置，所述像质补偿装置调节一个像差项组实现像质补偿，所述像差项组为具有一定旋转角度关系的两种像差项。

可选的，所述像质补偿装置的数量为多个，多个所述像质补偿装置调节多个所述像差项组。

本发明还一种补偿光刻投影物镜像质的方法，包括：通过施力机构对所述镜筒施加压力，使所述镜筒里的镜片产生形变，以及通过旋转机构旋转实现像质的补偿。

本发明所提供的像质补偿装置及方法和包含所述像质补偿装置的光学系统，可以通过镜片的旋转和形变，实现像质的补偿，并且能够补偿多种像质，降低了像质补偿的难度，同时也降低了成本。

图1是本发明实施例1所提供的像质补偿装置的结构图；

图2是本发明实施例1所提供的像质补偿装置的截面图；

图3是泽尼克多项式排列图；

图4是Z6的拟合面型分布图；

图5是Z6的拟合面型分布图；

图6是光刻投影物镜的结构图；

图7是本发明实施例2所提供的像质补偿装置的结构图；

图8是本发明实施例2所提供的像质补偿装置的截面图；

图9是本发明实施3所提供的光学系统的原理图；

图10是Z12的拟合面型分布图；

图11是Z13的拟合面型分布图

图中标号:

1-第一镜片；2-第二镜片；3-第三镜片；4-第四镜片；5-第五镜片；7-可动镜片；8-镜筒；9-旋转机构；10-施力机构；11-轴承；12-旋转轴；13-驱动齿轮；14-电机；15-镜座；16-柔性块；20-光源；21-掩膜版；22-光学系统；23-硅片表面；24-第一像质补偿装置；25-第二像质补偿装置。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的像质补偿装置、方法和光学系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。

现有的像质补偿方案存在补偿单一、难度较大、成本较高的问题，本申请的发明人经过长期的实验和研究，发明了一种新型的像质补偿装置，解决了上述问题。本发明提供的像质补偿装置可应用于光学成像系统，对光学成像系统中的一个或多个光学元件进行调整。本领域技术人员容易理解，光学成像系统通常包括主框架及设置于所述主框架中且沿光轴方向排列的多个光 学元件，所述光学元件例如可以是具有各种形状、厚度、曲率半径、材质或其他参数的镜片。以下实施例中以光刻投影物镜为例进行说明，然而本领域技术人员应当理解，本发明的像质补偿装置也可应用于其他光学成像系统，不应以此为限。

本发明提供的像质补偿装置，包括镜筒、施力机构和旋转机构，所述镜筒位于所述旋转机构上，随旋转机构的转动而转动，所述施力机构位于所述旋转机构上，随旋转机构的转动而转动，所述施力机构对所述镜筒施加压力，使所述镜筒里的镜片产生形变。

实施例一

如图1所示，所述像质补偿装置包括镜筒8、旋转机构9和施力机构10，所述镜筒内含有镜片7，所述镜片7为可动镜片，所示镜筒8位于所述旋转机构9上，能够随着所述旋转机构9的转动而转动，所述施力机构10位于旋转机构9上，能够随着所述旋转机构9的转动而转动，所述施力机构10能够对所述镜筒8施加压力，使所述镜筒8变形，所述镜筒8能够进一步将压力传递到镜片7上，使镜片7上下表面产生形变。

图2是所述像质补偿装置的截面图，请参考图2，所述像质补偿装置还包括镜座15，所述镜座15位于所述镜片7的四周，进一步的，所述镜座15位于所述镜筒8的四周，使得所述镜筒8嵌设于所述镜座15内。所述旋转机构9包括旋转轴12、驱动齿轮13和电机14，本实施例中所述的旋转机构9为轴承类旋转机构。所述电机14与旋转轴12相连接，所述旋转轴12与所述驱动齿轮13相连接，所述驱动齿轮13与所述镜座15以齿轮传动方式连接，以使得当所述驱动齿轮13转动的时候，所述镜座15关于自身的轴线转动。所述施力机构10横向嵌入在镜座15中，并与所述镜筒8相接触，所述施力机构10能够对镜筒8施加横向的压力(图中箭头所示方向)，使镜片7产生形变，与此同时，所述电机14驱动旋转轴12旋转，所述旋转轴12带动驱动齿轮13旋转，进而使镜座15、镜筒8和施力机构10一起旋转，从而满足镜片7受力面型改变的同时实现旋转。

为了将所述像质补偿装置应用于光学成像系统，如光刻投影物镜中，所 述旋转机构9还包括轴承11，所述轴承11设置于光刻投影物镜的主框架与所述镜座15之间，以实现镜座15相对于主框架的旋转，并减小因镜座15的旋转对主框架带来的影响。

本发明所提出的像质补偿的装置的原理是基于像质之间的相互关系实现的，zernike(泽尼克)多项式可以用来拟合光学元件的表面面型，主要利用两种像差之间存在旋转角度上的固定关系，进行镜片面型的改变和镜片的旋转。泽尼克多项式是一个无穷数量的多项式完全集，其具有两个变量R和θ，其中R表示半径，θ表示相位角，图3列举了一部分泽尼克多项式，后续为了表示方便，以Z1代表第一行的公式，Z2代表第二行的公式，以此类推，Z16表示第16行的公式。由于泽尼克多项式是光学领域的公知常识，所以关于泽尼克多项式中每个公式的含义这里也不在多做说明，并且由于泽尼克多项式是无穷数量的，这里不可能列举完全，图3仅以这16项多项式为代表，本领域技术人员可以理解的是，其它未列举的部分也在本发明的保护范围。同样需要说明的是，本发明所列举的泽尼克多项式的排列顺序是目前普遍采用的排列顺序，但是不排除一些其它的排列顺序，本领域技术人员可以理解的是，其它排列顺序的泽尼克多项式也在本发明的保护范围。

请参考图4和图5，图4是Z5的拟合面型分布图，图5是Z6的拟合面型分布图，通过图4和图5的对比可知，Z5和Z6相差45度旋转角。如果设计时镜片的面型只是Z5，但实际应用时却是Z6的效果更为显著，这时就可以通过镜片的旋转和形变，实现Z6的补偿。

表1列举了一些泽尼克项之间的角度关系，图6显示了光刻投影物镜中的一部分镜片，在实际光刻投影曝光的过程中，第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5都是固定的透镜，镜片7为可动镜片，所述镜片7的面型可以改变，从而实现补偿像质。本实施例仅仅列举了实际生产过程中的一种情况，本领域技术人员可以理解的是，可根据实际需求来灵活选择镜片来补偿像质。

表1 泽尼克项之间的角度关系

实施例二

请参考图7，所述像质补偿装置包括镜筒8、旋转机构9和施力机构10，所述镜筒8内含有镜片7，所示镜筒8位于所述旋转机构9上，能够随着所述旋转机构9的转动而转动，所述施力机构10位于旋转机构9上，能够随着所述旋转机构9的转动而转动，所述施力机构10能够对所述镜筒8施加压力，使所述镜筒8变形，所述镜筒8能够进一步将压力传递到镜片7上，使镜片7上下表面产生形变。

继续参考图8，所述像质补偿装置还包括镜座15、所述镜座15位于所述镜片7的四周，进一步的，所述镜座15位于所述镜筒8的四周，使得所述镜筒8嵌设于所述镜座15内。所述镜筒8下方具有柔性块16，所述柔性块16可以承担镜筒8及镜片7的重力。所述旋转机构9包括轴承11、旋转轴12、驱动齿轮13和电机14，本实施中所述的旋转机构为轴承类旋转机构。所述轴承11与镜座15相连以支撑所述镜座15于光刻投影物镜的主框架中，所述电机14与旋转轴12相连接，所述旋转轴12与所述驱动齿轮13相连接，所述驱动齿轮13与所述镜座15以齿轮传动方式连接，以使得当所述驱动齿轮13转动的时候，所述镜座15关于自身的轴线转动。所述施力机构10纵向嵌入在所述镜座15中，并与所述镜筒8相接触，本实例中所述的施力机构10优选的为带有万向联轴器的施力机构，所述施力机构10对镜筒8施加纵向的压力(图中箭头所示方法)，对所述镜筒8进行拉伸或者挤压，从而使镜片7产 生形变，并且所述柔性块16可承担镜筒8及镜片7的重力，使镜筒8及镜片7固定在一定位置上。与此同时，所述电机14驱动旋转轴12旋转，所述旋转轴12带动驱动齿轮13旋转，进而使镜座15、镜筒8和施力机构10一起旋转，从而产生旋转受力并形成特定形变的镜片，最终实现补偿像质。

本实施例与实施例1采用的相同的原理，这里不再做多余的阐述。

实施例三

相应的，本发明还提供一种光学系统，所述光学系统包括像质补偿装置，所述像质补偿装置调节一个像差项组实现像质补偿，所述像差项组为具有一定旋转角度关系的两种像差项或多种像差项，本实施例以两种像差项作为一个像差项组为例进行说明。所述像质补偿装置为上述实施例中任意一项所提供的像质补偿装置。所述相差项为泽尼克多项式中的任意一项，例如Z5、Z6或Z7等。所述相差项组为具有一定角度关系的两种相差项，例如Z5和Z6，Z12和Z13等。以下将具体阐释所述光学系统的工作原理。

所述光学系统包括所述若干个像质补偿装置，可以调节若干个所述像差项组，请参考图9，所述光学系统22包括第一像质补偿装置24和第二像质补偿25，所述第一像质补偿装置24与第二像质补偿装置25相对放置。所述光源20发出的光经过掩膜版21后进入所述光学系统22，利用所述第一补偿装置24与第二补偿装置25可以同向或者反向旋转，进行组合式补偿像质，实现同时补偿四种像质。

在泽尼克多项式中，相差项Z5、Z6、Z12和Z13均是像散项，其中，Z5、Z6为低阶像差。由图3Z1-Z16公式及含义可知：Z5和Z12是在0°或90°方向上的对称分布，Z6和Z13是在±45°方向上对称分布。当通过对镜片施加力使镜片面型产生Z5时，同样也会产生一定量级的Z12。如表格2所示为仿真数据，当给产生Z5分布的驱动力为100N时得到的镜片面型形变量，产生1.0393nm的Z5时，会产生0.0777nm的Z12。当补偿Z5的量级较大时，需要考虑Z12的影响，此时如有两片镜片为补偿机构，则可以相互抵消，同时像质补偿装置通过旋转可以补偿Z6和Z13，即可以实现两个像质补偿装置 补偿四种像质，相差项Z5和Z6构成相差项组，相差项Z12和Z13构成相差项组，本实施例中采用两个像质补偿装置调节了两个相差组项实现像质补偿。图10为Z12的拟合面型分布图，图11为Z13的拟合面型分布图，两者可以通过镜片旋转45°相互转换。

表2 仿真数据

上述实施例以两个像质补偿装置为例，本领域技术人员可以理解的是，包含其它数量的像质补偿装置的光学系统也在本发明的保护范围之内。且对于其他不同的具有一定旋转角度对应关系的镜片组对的像质补偿装置的光学系统也在本发明的保护范围之内。

相应的，本发明还提供一种补偿光刻投影物镜像质的方法，包括：通过施力机构对所述镜筒施加压力，使所述镜筒里的镜片产生形变，再通过旋转机构旋转实现像质的补偿。所述施力机构、镜筒、镜片和旋转机构均是上述实施例中任意一项所述的施力机构、镜筒、镜片和旋转机构。

所述补偿像质的方法采用泽尼克多项式，所述泽尼克多项式拟合所述镜片的面型。以下将结合实施例1具体阐述像质补偿的方法。

请参考图2，所述像质补偿装置还包括镜座15、所述镜座15位于所述镜片7的四周，使得所述镜片7嵌设于所述镜座15内。所述旋转机构9包括轴 承11、旋转轴12、驱动齿轮13和电机14，本实施中所述的旋转机构9为轴承类旋转机构。所述轴承11与镜座15相连以支撑所述镜座15于光刻投影物镜的主框架中，所述电机14与旋转轴12相连接，所述旋转轴12与所述驱动齿轮13相连接，所述驱动齿轮13与所述镜座15以齿轮传动方式连接，以使得当所述驱动齿轮13转动的时候，所述镜座15关于自身的轴线转动。所述施力机构10横向嵌入在镜座15中，与所述镜筒8相接触，所述施力机构10对镜筒8施加横向的压力(图中箭头所示方向)，使镜片7产生形变，与此同时，所述电机14驱动旋转轴12旋转，所述旋转轴12带动驱动齿轮13旋转，进而使镜座15、镜筒8和施力机构10一起旋转，从而满足镜片7受力面型改变的同时实现旋转，最终达到补偿像质目的。

本发明所提出的像质补偿的方法的原理是基于像质之间的相互关系实现的，zernike(泽尼克)多项式可以用来拟合光学元件的表面面型，主要利用两种像差之间存在旋转角度上的固定关系，进行镜片面型的改变和镜片的旋转。泽尼克多项式是一个无穷数量的多项式完全集，其具有两个变量R和θ，其中R表示半径，θ表示相位角，图3列举了一部分泽尼克多项式，后续为了表示方便，以Z1代表第一行的公式，Z2代表第二行的公式，以此类推，Z16表示第16行的公式。由于泽尼克多项式是光学领域的公知常识，所以关于泽尼克多项式中每个公式的含义这里也不在多做说明，并且由于泽尼克多项式是无穷数量的，这里不可能列举完全，图3仅以这16项多项式为代表，本领域技术人员可以理解的是，其它未列举的部分也在本发明的保护范围。同样需要说明的是，本发明所列举的泽尼克多项式的排列顺序是目前普遍采用的排列顺序，但是不排除一些其它的排列顺序，本领域技术人员可以理解的是，其它排列顺序的泽尼克多项式也在本发明的保护范围。

请参考图4和图5，图4是Z5的拟合面型分布图，图5是Z6的拟合面型分布图，通过图4和图5的对比可知，Z5和Z6相差45度旋转角。如果设计时镜片的面型只是Z5，但实际应用时却是Z6的效果更为显著，这时就可以通过镜片的旋转和形变，实现Z6的补偿。

综上所述，本发明所提供的像质补偿装置及方法和包含所述像质补偿装置的光学系统，可以通过镜片的旋转和形变，实现像质的补偿，并且能够补偿多种像质，降低了像质补偿的难度，同时也降低了成本。

上述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。