CN100388056C - 一种投影物镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种投影物镜光学系统,包括:一个光轴;一个凹面球面反射镜;一组具有正光焦度的透镜组;一对棱镜,所述具有正光焦度的透镜组和一对棱镜提供对光谱中g,h,i三线波长的色差校正。本发明的投影物镜光学系统能在大视场、宽光谱照明的条件下,具有很好的成像质量,能达到较小的分辨率(最小可分辨2μm),能得到大焦深,并保证物方平面与像方平面的平行性,有效降低整机设计的技术风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种投影物镜光学系统,尤其涉及一种具有大视场、1×放大倍率、宽光谱、物方视场与像方视场平行、折反式结构形式的投影物镜光学系统。
背景技术
目前,投影式光刻技术已在亚微米级分辨率的集成电路(IC)制造中得到广泛使用。随着植金凸块(Gold-bumping)和其他硅片级IC封装技术的发展,对相应的低分辨率(如,几个微米)、大焦深以及高产率的投影物镜光学系统的需求日益增加,投影式光刻技术也逐渐在该领域得到发展和应用。
本发明与美国专利US 6,879,383(以下简称“383专利”)具有相似的结构形式,同属于经典的Dyson-Wynne光学结构形式。
请参阅图1,图1为“383专利”的投影物镜光学系统100的示意图。光学系统100是一个具有大视场(方形视场大小61.5mm×61.5mm或更大,或者矩形视场大小50mm×100mm或更大)、宽光谱(g,h,i汞灯光线,波长分别为436nm,405nm,365nm)、消色差、消像散的折反式投影光学系统,以1×放大倍率将掩模图案所成的像投影至基底(硅片)上。
投影物镜(指的是本发明?)光学系统100包含一个沿光轴A1的凹面球面反射镜M,凹面球面反射镜M带有一个孔径光阑AS2。所述凹面球面反射镜M包含一个轴上的孔径AP,可引入光线,用于对准物像或观察物方(如掩模)。投影物镜光学系统基本上相对于孔径光阑对称,因此可以消除彗差、畸变和横向色差。投影物镜光学系统内所有的球面基本同轴。
投影物镜光学系统100还包含一个远离凹面球面反射镜M的视场校正透镜组G。透镜组G包含一个由面S3和面S4构成的正透镜L1,S3为平面,S4为凸面。透镜组G还包含与透镜L1相邻的负透镜L2和L3。透镜L2两表面为S5和S6,透镜L3两表面为S7和S8。负透镜L2和L3均为弯月形结构,S6和S8为凸面。与透镜组G相邻的一个棱镜PA具有两表面S1A和S2A,另一个棱镜PB具有两表面S1B和S2B。面S1A面向物面OP2,面S1B面向像面IP2。物面OP2和像面IP2分别距离面S1A和S1B一段工作距离WDA和WDB,且WDA=WDB。棱镜PA和PB未包含在透镜组G中,这两个棱镜可以校正像差(包括色差)。
尽管“383专利”中描述的光学系统具有大视场、宽光谱、像质好等特点,但其物面和像面之间存在一定夹角,这种物面和像面的不平行性为整机设计带来了困难。因此需要设计一种投影物镜光学系统,使之既能满足大视场、宽光谱和像质好的需求,也能保证物面与像面的平行性,从而降低整机设计的技术风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种投影物镜光学系统,该投影物镜光学能满足大视场、宽光谱、物像平行、成像质量好的要求,以1×放大倍率将掩模图案所成的像投影至硅片基底上。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种投影物镜光学系统,包括:
一个光轴;
一个凹面球面反射镜;
一组具有正光焦度的透镜组,与所述凹面球面反射镜间隔一定的距离;按照离所述凹面球面反射镜从远到近的距离排列,包括:
一个第一平凸透镜,凸面朝向所述凹面球面反射镜,平面背向所述凹面球面反射镜;
一个弯月形负透镜,与第一平凸透镜相邻,并间隔一段距离,具有凹面和凸面,其凹面朝向第一平凸透镜的凸面,其凸面朝向所述凹面球面反射镜;
一个正透镜,具有凹面和凸面,其凹面朝向相邻弯月形负透镜,凸面朝向所述凹面球面反射镜;
一个双凹负透镜,与正透镜间隔一段较大距离,其中一个凹面朝向正透镜,另一凹面朝向所述凹面球面反射镜;
一个第二平凸透镜,平面朝向双凹负透镜,凸面朝向所述凹面球面反射镜;
一对棱镜,每一个棱镜都具有相应的第一和第二平面,所述棱镜第二平面与第一平凸透镜的平面沿光轴的方向紧密接触,而所述棱镜第一平面则分别朝向物方平面和像方平面;
所述具有正光焦度的透镜组和一对棱镜提供对光谱中g,h,i三线波长的色差校正。
其中,所述的投影物镜光学系统必须至少具有一个大小为44mm×44mm的方形视场,且数值孔径为0.18或更大。
所述具有正光焦度的透镜组中的光学透镜的表面均为球面。
所述的投影物镜光学系统的物方平面与像方平面平行。
所述光谱中g,h,i三种谱线的波长分别为436纳米,405纳米,365纳米。
本发明的投影光学系统能在大视场、宽光谱的条件下,具有很好的成像质量,能达到较小的分辨率(最小可分辨2μm),能得到大焦深,并保证物方平面与像方平面的平行性,有效降低整机设计的技术风险。
附图说明
附图1为现有的光学系统示意图;
附图2为本发明投影物镜光学系统示意图;
附图3为本发明投影物镜光学系统的视场区域示意图。
具体实施方式
请参阅图2,图2为本发明投影物镜光学系统200的示意图。这里所有附图仅为了说明原理,并未按实际尺寸绘制,某些尺寸有意夸张表示。
投影物镜光学系统200包含一个光轴A2,一个凹面球面反射镜M1,其凹面为12。系统孔径光阑AS1设置于凹面球面反射镜M1处。
与凹面球面反射镜M1相邻的是一个平凸透镜E5,与凹面球面反射镜M1间隔一段距离。平凸透镜E5具有两个表面10和11,面11为凸面,面向凹面球面反射镜M1的凹面。与平凸透镜E5相邻的是一个双凹负透镜E4,具有两个表面8和9,面9面向凹面球面反射镜M1。正透镜E3与双凹负透镜E4间隔一段较大距离,E3具有两个表面6和7,面7为凸面,面6为凹面,凸面7朝向双凹负透镜E4。与正透镜E3相邻的是弯月形负透镜E2,具有两表面4和5,面5为凸面,面4为凹面,凸面5朝向正透镜E3。弯月形负透镜E2与正透镜E3之间间隔一段很小的距离。平凸透镜E1与弯月形负透镜E2相邻,间隔一段距离,两表面为2和3,面2为平面,面3为凸面,凸面3朝向弯月形负透镜E2。平凸透镜E1、弯月形负透镜E2、正透镜E3、双凹负透镜E4以及平凸透镜E5构成一组具有正光焦度的透镜组。
棱镜P1的表面A2与棱镜P2的表面B2与平凸透镜E1的平面2紧密接触,棱镜P1的面A1朝向物面OP,并与物面OP间隔一段距离WD1。棱镜P2的面B1朝向像面IP,并与像面IP间隔一段距离WD2。由于系统相对于孔径光阑对称,因此,WD1与WD2相等。具有正光焦度的透镜组和棱镜P1与P2对于系统像差校正,包括对于光谱中g,h,i三线波长的色差校正,具有一定作用。并且投影物镜光学系统的物方平面与像方平面平行。
本发明的投影物镜光学系统具有很好的成像质量,其单色波像差(波长为365nm)小于44nm,能满足硅片级集成电路封装应用(如植金凸块光刻技术),而不需要很高的分辨率。由于本发明投影物镜光学系统采用折反式Dyson-Wynne结构形式,本发明投影物镜光学系统能很好的校正色差与像散,能基本消除彗差、畸变和横向色差。所有透镜及反射镜表面均为球面。
本发明是一种用于集成电路封装的光刻投影物镜光学系统。
其特点描述如下:
1)大视场。这里的视场是指使方形成像区域44mm×44mm内成像质量满足系统要求所需要的成像范围。请参阅图3,图3为像方视场的示意图,图中半圆区域为像方视场范围,方形区域为硅片所处位置,半圆半径为像方高度。根据此图可计算得,投影物镜光学系统的物方视场(物方高度与像方高度相等)需大于69.6mm。本发明投影物镜光学系统的视场为72mm。
2)宽光谱。光源采用汞灯光线中的g,h,i三种谱线,其波长分别为436nm,405nm,365nm。
3)1×放大倍率。物方视场与像方视场大小相等。
4)物像平行。物方视场与像方视场平行,有利于整机设计
5)折反式光学系统,Dyson-Wynne形式。
表1中所列的数据为投影物镜光学系统一个具体实施例子的参数。由于投影物镜光学系统具有对称性,表1中仅列出从物面OP到凹面球面反射镜M的参数值。
在表1中,一个正的半径值表示曲率中心在表面的右边,负的半径值则表示曲率中心在表面的左边。光学元件厚度或两个光学元件之间的间隔是到下一表面的轴上距离。所有的尺寸单位都是毫米。
在表1中,“S#”表示表面编号,“STOP”表示孔径光阑AS,“REFL”表示反射面。表面类型项中,“FLT”表示平面,“SPH”表示球面。半径项中,“INF”表示半径值为无穷大。“CC”表示凹面,“CX”表示凸面。
表1
表1中所述的投影物镜光学系统,其光学材料均采用熔石英(FusedSilica),且所有光学表面均为球面。投影物镜光学系统数值孔径为0.18,视场高度为72mm,工作波长为g,h,i三线,波长值分别为436nm,405nm,365nm,适合宽光谱的紫外汞灯光源。
Claims (5)
1.一种投影物镜光学系统,其特征在于,所述的一种投影物镜光学系统包括:
一个光轴;
一个凹面球面反射镜;
一组具有正光焦度的透镜组,与所述凹面球面反射镜间隔一定的距离;按照离所述凹面球面反射镜从远到近的距离排列,包括:
一个第一平凸透镜,凸面朝向所述凹面球面反射镜,平面背向所述凹面球面反射镜;
一个弯月形负透镜,与第一平凸透镜相邻,并间隔一段距离,具有凹面和凸面,其凹面朝向第一平凸透镜的凸面,其凸面朝向所述凹面球面反射镜;
一个正透镜,具有凹面和凸面,其凹面朝向相邻弯月形负透镜,凸面朝向所述凹面球面反射镜;
一个双凹负透镜,与正透镜间隔一段较大距离,其中一个凹面朝向正透镜,另一凹面朝向所述凹面球面反射镜;
一个第二平凸透镜,平面朝向双凹负透镜,凸面朝向所述凹面球面反射镜;
一对棱镜,每一个棱镜都具有相应的第一和第二平面,所述棱镜第二平面与第一平凸透镜的平面沿光轴的方向紧密接触,而所述棱镜第一平面则分别朝向物方平面和像方平面;
所述具有正光焦度的透镜组和一对棱镜提供对光谱中g,h,i三种谱线的色差校正。
2.根据权利要求1所述的一种投影物镜光学系统,其特征在于:所述的投影物镜光学系统必须至少具有一个大小为44mm×44mm的方形视场,且数值孔径为0.18或更大。
3.根据权利要求1所述的一种投影物镜光学系统,其特征在于:所述具有正光焦度的透镜组中的光学透镜的表面均为球面。
4.根据权利要求1所述的一种投影物镜光学系统,其特征在于:所述的投影物镜光学系统的物方平面与像方平面平行。
5.根据权利要求1所述的一种投影物镜光学系统,其特征在于:所述光谱中g,h,I三种谱线的波长分别为436纳米,405纳米,365纳米。
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