CN100468119C - 一种全折射投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全折射投影光学系统，用于将物平面内的图形成像到像平面内。所述的全折射投影光学系统分为前组和后组，并以孔径光阑为对称面。前组包括第一到第六透镜，其中第一透镜、第二透镜和第三透镜构成反远距结构；后组沿光轴依次包括第七到第十二透镜，分别与第六到第一透镜关于孔径光阑对称；且所述的全折射投影光学系统中所有表面类型为球面或平面，不包含非球面。采用本发明的全折射投影光学系统，不仅能有效地校正像差，增加工作距，提升成像质量；而且由于接近像面的第十二透镜后表面为平面，可以为采用所述全折射投影光学系统的光刻机的调焦调平系统提供测量参考平面。

Description

一种全折射投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种投影光学系统，特别涉及一种用于半导体光刻以及照相制版的全折射投影光学系统。

背景技术

随着投影光刻技术的发展，投影光学系统的性能逐步提高，并可以适用于集成电路制造等多种领域。现已将投影光刻技术成功应用于亚微米分辨率集成电路制造领域。在半导体封装技术中，投影光刻技术可用于要求较低分辨率(如几微米)、较大焦深、较高产率的金凸块/锡凸块、硅片级芯片尺度封装(WLCSP)技术等领域。

然而在现有技术中，如美国专利US 6,879,383(公告日:2005年4月12日)，其采用折反射结构，与全折射结构比，最大缺点是横向尺寸大，导致对透镜材料的要求十分苛刻，尤其是大口径的凹面反射镜的加工、检测要求都十分严格，而且视场尺寸、工作距离、装校要求、成本等方面也不如全折射结构有更大的优势。再者，该专利给出该光学系统5个实施例中，其工作距离仅达到7.5mm～11mm范围，其光学总长达到1150mm～1200mm以上。在实际投影光学系统的应用中，该工作距离将对工件台、尤其是掩模台的设计提出十分苛刻的尺寸限制，如使用0.25英寸(6.35mm)厚掩模版的掩模台，其尺寸设计将受到极大的限制。另外，该专利也没有提供成像质量，没有提到可加工性，还采用1个非球面光学元件来增加工作距离到11mm，压缩光学总长到1150mm，此非球面光学元件的引入将给光学加工、光学检测等工作带来很大的困难。

申请号为CN200310100169.6的中国专利(公开日:2005年4月20日)提供了一种用于芯片检测的双远心物镜系统，但是该专利既未给出物镜的设计数据，也未说明成像质量。

专利号为ZL98113037.2的中国专利(公告日:2003年7月23日)给出了

一种像方远心双高斯光学系统，适用于精密光学仪器的成像物镜。该专利给出了物镜数据，也给出了成像质量，但是像差根本不能满足凸块(Bumping)光刻技术的要求，而且还有2个胶合面也不符合光刻技术的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全折射投影光学系统，该系统采用全折射和反远距结构，它不仅能有效地校正像差，而且具有较大的工作距离、良好的成像质量，在装校和成本方面也兼具优势。

本发明的目的是这样实现的:一种全折射投影光学系统，沿其光轴方向包括前组、孔径光阑和后组，前组由第一到第六透镜组成，其中第一、第二和第三透镜构成反远距结构；后组由第七到第十二透镜组成，其中第十二、第十一和第十透镜构成反远距结构；所述的前组透镜和后组透镜关于孔径光阑完全对称，且所述每一透镜的光学表面均为球面。

所述的第一透镜和第十二透镜是平凹透镜，且凹面均正对孔径光阑，平面分别对着物面和像面。

所述的第二透镜和第十一透镜是弯月厚透镜，且凹面均背对着孔径光阑。

所述的第三透镜和第十透镜是平凸透镜，且凸面均正对孔径光阑。

所述的第四透镜和第九透镜、第六透镜和第七透镜是双凸透镜，第五透镜和第八透镜是双凹透镜。

第一透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第十透镜和第十二透镜选择高折射率、高色散的火石玻璃。

第二透镜、第四透镜、第九透镜和第十一透镜选择低折射率、低色散的冕牌玻璃。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果:

1.本发明的投影光学系统采用对称式的全折射结构，可以有效地校正像差，提高成像质量；

2.本发明的投影光学系统由于采用反远距结构，因此具有短焦距、大视场、长工作距的优点；

3.本发明的投影光学系统仅采用表面类型为球面或平面的透镜，没有引入非球面透镜，从而降低了透镜的加工、测试和装校难度。

4.本发明的投影光学系统由于接近像面的第十二透镜后表面为平面，可以为采用该光学系统的光刻机调焦调平系统提供测量参考平面。

附图说明

本发明的全折射投影光学系统的具体结构由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明的全折射投影光学系统的结构及光路示意图；

图2为本发明的实施例的传递函数MTF示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的全折射投影光学系统作进一步的详细描述。

本发明提供了一种全折射投影光学系统，如图1所示，该投影光学系统为对称式结构，即从物面一侧顺次包含前组、孔径光阑、后组，并且前组和后组的各透镜组元以孔径光阑面为对称面光学结构完全对称(表面半径、间隔相等，光学材料一致)，放大倍率为-1。倍率为-1的对称式结构的优点是根据初级像差理论，垂轴像差:彗差、畸变、倍率色差自动校正为0，然后采用前组和后组分别校正轴向像差的方案。

本发明的全折射投影光学系统的前组包括6块透镜，从物面一侧顺次是平凹透镜L1、弯月厚透镜L2、平凸透镜L3、双凸透镜L4、双凹透镜L5和双凸透镜L6。其中L1、L2、L3构成反远距结构，具有短焦距、大视场、长工作距的优点。

L1和L5的主要作用是产生正球差，用来平衡由L3、L4、L6多个透镜综合产生的负球差。L2的主要作用是靠其前后表面的弯曲以及厚度的变化来校正该系统的场曲。其中透镜L1是平凹透镜且靠近物面的一面为平面，L2是凹面对着物面一侧的弯月厚透镜，L3是平凸透镜且靠近物面的一面为平面。

靠近孔径光阑的L4、L6一起提供汇聚光束的正光焦度能力，这样可以降低折射面的曲率，以避免产生高级球差，有利于轴上点高级球差与轴外点高级球差的校正，解决球差校正与像散校正的矛盾问题。L3、L5和L6选择高折射率、高色散的火石玻璃，可以有效地平衡由其它透镜产生的位置色差。

这样，该全折射投影光学系统前组的6块透镜，可以校正球差、场曲、像散、位置色差，使轴向像差得到很好的校正。

该全折射投影光学系统的后组包括6块透镜，从孔径光阑沿光轴方向顺次是双凸透镜L7、双凹透镜L8、双凸透镜L9、平凸透镜L10、弯月厚透镜L11和平凹透镜L12。其中L10是平凸透镜，且靠近像面的一面为平面；L11是凹面对着像面一侧的弯月厚透镜；透镜L12是平凹透镜，且靠近像面的一面为平面。

前组的L1、L2、L3、L4、L5、L6与后组的L12、L11、L10、L9、L8、L7，分别对称于孔径光阑。因此前组和后组的各透镜组元以孔径光阑面为对称面光学结构完全对称，垂轴像差:彗差、畸变、倍率色差自动校正。

如表1所示，本发明的全折射投影光学系统的像方数值孔径为0.13，工作波长为436nm和365nm，即光学领域定义的g线和i线；像方视场半径是31.466mm；由于是对称式结构，物方和像方工作距均为35mm，放大倍率为-1倍。

表2给出了本实施例的全折射投影光学系统的每一块透镜的具体参数值，其中，“所属对象”一栏指示了从物面到像面之间每一表面所对应的透镜；“半径”一栏给出了每一表面所对应的球面半径；“厚度/间距”一栏给出了相邻两表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则“厚度/间距”的数值表示该透镜的厚度，否则表示物/像面到透镜的距离或者相邻透镜的间距。“光学材料”一栏即指明所对应透镜的材料，“半孔径”一栏指明了所对应表面的1/2孔径值。

以透镜L1和L2为例，L1的前表面1的球面半径为1e+018，即为平面，L1的前表面1到物面的间距为35mm，其光学材料为F4，L1前表面1的半孔径为34.454208mm；L1的后表面2的球面半径为219.460149mm，L1的前表面1到L1的后表面2，即透镜L1的中心厚度为10mm，L1的后表面2的半孔径为35.109879mm，即L1是平凹透镜且平面正对物面一侧。L2的前表面3的球面半径和半孔径分别为-70.979006mm和39.825035mm，L2的前表面3到L1的后表面2的间距为38.661399mm，透镜L2的光学材料为K9；L2的后表面4的球面半径和半孔径分别为-86.504020mm和47.259243mm，透镜L2的中心厚度为22.826417mm，即L2是凹面对着物面一侧的弯月厚透镜。除了像面(表面Image)的半孔径表示像方视场半径外，其余各表面的参数值含义根据L1、L2类推。

除了前后组L1～L12的12块透镜外，透镜L6和L7之间还设置有孔径光阑STOP，其到透镜L6后表面12的间距为50mm，其1/2孔径尺寸的改变将影响该投影光学系统的成像效果。

图2显示了本实施例的全折射投影光学系统的传递函数MTF，反映了该全折射投影光学系统的成像质量。当工作波长为436nm和365nm时，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知:视场内RMS波像差的最大值为12.6nm，传递函数MTF接近衍射极限，视场内畸变的最大值为4nm，在宽带光(g线、i线)工作条件下，可以有效获得高成像质量，同时可以实现较大的物方和像方视场尺寸。

本发明的全折射投影光学系统的数值孔径最大达到0.13，系统的最高光学分辨率能达到0.75μm(对于占空比1:1周期性物体的半周期长度)。像方视场半径达到31.466mm，可以提供44.5mm×44.5mm的方形像方视场，足以满足凸块(Bumping)封装光刻机用于44mm×44mm尺寸芯片封装的技术要求。

本发明的全折射投影光学系统所有光学元件的表面类型均为球面或平面，没有任何非球面，因此不会引入光学加工、光学检测与成本等方面的难题。

表1

 

工作波长	436nm、365nm
		像方数值孔径	0.13
像方视场(半径)	31.466mm
		放大倍率	-1
物方工作距	35mm
		像方工作距	35mm

表2

 

所属对象	表面	半径(mm)	厚度/间距(mm)	光学材料	半孔径(mm)
						物面	Object	1e+018	35
L1	1	1e+018	10	F4	34.454208
							2	219.460149	38.661399		35.109879
L2	3	-70.979006	22.826417	K9	39.825035
							4	-86.504020	52.363875		47.259243
L3	5	1e+018	18	ZF3	61.267357
							6	-232.921694	407.558571		62.371716
L4	7	829.614757	15	K7	58.694984
							8	-323.368584	34.864648		58.463829
L5	9	-261.424577	10.295197	ZF3	53.304882
							10	332.853966	10.524234		53.518036
L6	11	363.560819	15	ZBAF4	55.081348
							12	-341.997117	50		55.219353
孔径光阑	Stop	1e+018	50		50.844082
						L7	14	341.997117	15	ZBAF4	54.305706
	15	-363.560819	10.524234		54.169266
						L8	16	-332.853966	10.295197	ZF3	52.648640
	17	261.424577	34.864648		52.458176
						L9	18	323.368584	15	K7	57.582256
	19	-829.614757	407.558571		57.823044
						L10	20	232.921694	18	ZF3	61.970451
	21	1e+018	52.363875		60.867073
						L11	22	86.504020	22.826417	K9	47.064907
	23	70.979006	38.661399		39.682198
						L12	24	-219.460149	10	F4	35.012245
	25	1e+018	35		34.375195
						像面	Image	1e+018	0.013331		31.466690

Claims (7)

1、一种全折射投影光学系统，沿其光轴方向包括前组、孔径光阑和后组，其特征在于:所述的前组由第一到第六透镜(L1～L6)组成，其中第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)构成反远距结构；所述的后组由第七到第十二透镜(L7～L12)组成，其中第十二透镜(L12)、第十一透镜(L11)和第十透镜(L10)构成反远距结构；所述的前组透镜(L1～L6)和后组透镜(L12～L7)关于孔径光阑完全对称，且所述每一透镜的光学表面为球面或平面；所述第一透镜(L1)和第十二透镜(L12)是平凹透镜，且凹面正对孔径光阑；所述第二透镜(L2)和第十一透镜(L11)是弯月厚透镜，且凹面背对着孔径光阑；所述第三透镜(L3)和第十透镜(L10)是平凸透镜，且凸面正对孔径光阑；所述第四透镜(L4)和第九透镜(L9)是双凸透镜；所述第五透镜(L5)和第八透镜(L8)是双凹透镜；所述第六透镜(L6)和第七透镜(L7)是双凸透镜。

2、如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于:所述的第一透镜(L1)和第十二透镜(L12)选择高折射率、高色散的火石玻璃。

3、如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于:所述的第二透镜(L2)和第十一透镜(L11)选择低折射率、低色散的冕牌玻璃。

4、如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于:所述的第三透镜(L3)和第十透镜(L10)选择高折射率、高色散的火石玻璃。

5、如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于:所述的第四透镜(L4)和第九透镜(L9)选择低折射率、低色散的冕牌玻璃。

6、如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于:所述的第五透镜(L5)和第八透镜(L8)选择高折射率、高色散的火石玻璃。

7、如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于:所述的第六透镜(L6)和第七透镜(L7)选择高折射率、高色散的火石玻璃。

Images