CN100587539C - 一种投影光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光刻装置的投影光学系统。现有的投影光学系统存在镜片数量多，包含非球面镜片，以及物方、像方工作距太短的问题。本发明的投影光学系统，用于将物平面内的图案投射到像平面内，所述的投影光学系统从物面到像面依次排列有六个镜片组，其中，第一、第三、第五和第六镜片组具有正光焦度，第二和第四镜片组具有负光焦度，所述的投影光学系统是由23块光学镜片组成的全折射式投影光学系统，且所述的投影光学系统中不包含非球面镜片。采用本发明的投影光学系统，可在大数值孔径的条件下，有效地降低制造成本，降低光学镜片的加工、检测和装调难度，同时也可以实现较大的物方和像方工作距。
Description
技术领域
本发明涉及光刻装置的投影光学系统，特别涉及一种不包含非球面镜片的投影光学系统。
背景技术
光刻是半导体制造工艺中非常重要的一道工序，光刻工序中所使用的曝光装置，通过投影光学系统把掩模的图案投影在如干胶片等的感光性基板上再进行曝光，曝光质量的好坏对后续的刻蚀工序将有很大的影响。随着半导体元件集成度的提高，半导体制造工艺对投影光学系统分辨率的要求也有所提高。为了满足对投影光学系统分辨率的要求，曝光装置需要缩短照明光(曝光用光)的波长，或者提高投影光学系统的像方数值孔径(NA)。
然而，采用大数值孔径的投影物镜必须使用更多的镜片数量或引入非球面镜片来校正投影物镜的像差。在美国专利US 6,606,144(公告日：2003年8月12日)中，描述了在数值孔径NA＝0.75，照明光波长为193.3nm的条件下，使用20块常规镜片加6块非球面镜片或使用28块常规镜片加3块非球面镜片的全折射系统来满足成像质量的技术方案。在另一件美国专利US 2001/0050820(公开日：2001年12月13日)中，公开了在NA＝0.725，波长为193.3nm的条件下，使用具有29块镜片且其中至少包括一块非球面镜片的全折射系统来满足成像质量的技术方案。在上述的两件专利中，投影光学系统的镜片数量都超过了26片，并且均引入了非球面镜片。镜片数量的增多将导致制造成本的增加，而非球面镜片的引入将增大光学加工的难度，同时也增加了光学镜片检测和光学装调的难度。此外，根据前一专利所提供的实施例，该方案所能实现的物方和像方工作距分别小于64mm和14mm，如此小的工作距给掩模和硅片的运动定位、传输结构等的设计带来很大的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨率的投影光学系统，它不仅能在大数值孔径的条件下抑制使用镜片的数量和非球面镜片的引入，而且能提供相对较大的物方和像方工作距及良好的成像质量。
本发明的目的是这样实现的：一种投影光学系统，用于将物平面内的图案投射到像平面内，所述的投影光学系统从物面到像面依次排列有六个镜片组，所述的投影光学系统是由23块光学镜片组成的全折射式投影光学系统，且所述的投影光学系统中不包含非球面镜片；其中：第一镜片组G1具有正光焦度，从物面到像面依次包括三个镜片L1～L3，其中，镜片L1是单凸透镜且正对物面的表面是平面，L2和L 3是凸面正对物面的正弯月透镜；第二镜片组G2具有负光焦度，从物面到像面依次包括三个镜片L4～L6，其中，L4是凸面正对物面的负弯月透镜，L5是双凹透镜，L6是凹面正对物面的负弯月透镜；第三镜片组G3具有正光焦度，从物面到像面依次排列有两个凹面正对物面的正弯月透镜L7、L8，两个双凸透镜L9、L10，以及凸面正对物面的正弯月透镜L11；第四镜片组G4具有负光焦度，从物面到像面依次包括凸面正对物面的负弯月透镜L12和两个双凹透镜L13、L14；第五镜片组G5具有正光焦度，从物面到像面依次包括凹面正对物面的正弯月透镜L15和两个双凸透镜L16、L17；第六镜片组G6具有正光焦度，从物面到像面依次包括六个镜片L18～L23，其中，L18是凹面正对像面的负弯月透镜，L19是双凸透镜，L20、L21和L22是凹面正对像面的正弯月透镜，L23为单凸透镜且正对像面的表面是平面。
在上述的投影光学系统中，在所述第五镜片组和所述第六镜片组之间还设有一孔径光阑。
在上述的投影光学系统中，所述投影光学系统采用的照明光的波长是248nm、193.3nm或157nm。
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仅由23块光学镜片组成，减少了镜片数量，降低了制造成本；
2.本发明的投影光学系统仅采用表面类型为球面或平面的镜片，没有引入非球面镜片，从而降低了镜片的加工、测试和装调难度；
3.采用本发明的投影光学系统，可使物方和像方的工作距分别达到73mm和16mm，为掩模和硅片的运动定位、传输结构等的设计提供了更大的自由度。
附图说明
本发明的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为本发明的投影光学系统的镜片组成结构图及光路走向示意图；
图2为本发明的实施例的像差检测结果示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的投影光学系统作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的投影光学系统包括23片镜片且被分成G1～G6六个镜片组依次排列在物面和像面之间。第一镜片组G1、第三镜片组G 3、第五镜片组G5和第六镜片组G6具有正光焦度，第二镜片组G2和第四镜片组G4具有负光焦度。
第一镜片组G1包括三个镜片L1～L3，其中，镜片L1是单凸透镜且正对物面的表面是平面，L2和L3是凸面正对物面的正弯月透镜。第一镜片组G1的主要贡献是在保持物方、像方双远心的同时，通过正光焦度产生的正畸变来平衡G1与像面之间的多个镜片组所产生的负畸变。
第二镜片组G2具有负光焦度，它包括三个镜片L4～L6，其中，L4是凸面正对物面的负弯月透镜，L5是双凹透镜，L6是凹面正对物面的负弯月透镜。G2的主要作用是校正匹兹凡和以获得平场像面。
具有正光焦度的第三镜片组G3从物侧到像侧依次排列有两个凹面正对物面的正弯月透镜L7、L8，两个双凸透镜L9、L10，以及凸面正对物面的正弯月透镜L11。该镜片组G 3可以有效地校正由第二镜片组G2和第四镜片组G4产生的负畸变和彗差，同时也能有效地平衡第二镜片组G2和第四镜片组G4校正匹兹凡和的权重。
第四镜片组G4具有负光焦度，包括凸面正对物面的负弯月透镜L12和两个双凹透镜L13、L14。G4在避免产生彗差的同时可有效地校正球差。
第五镜片组G5具有正光焦度，包括凹面正对物面的正弯月透镜L15和两个双凸透镜L16、L17。G5在保持大像方数值孔径的同时可以有效地平衡并校正球差、畸变和匹兹凡和。
具有正光焦度的第六镜片组G6包括六个镜片L18～L23，其中，L18是凹面正对像面的负弯月透镜，L19是双凸透镜，L20、L21和L22是凹面正对像面的正弯月透镜，L23为单凸透镜且正对像面的表面是平面。第六镜片组G6的作用是在保持大像方数值孔径的同时避免产生高阶球差和负畸变。
孔径光阑AS被设置在第五镜片组G5和第六镜片组G6之间。
图1中贯穿整个投影光学系统的三组曲线，从左到右依次对应了该投影光学系统从物面的零视场、0.7视场和轴外边缘视场投影到像面的光路走向。
为了提高分辨率，本发明的投影光学系统采用工作波长为193.3nm的照明光，将像方数值孔径NA设定为0.75，并将物方和像方工作距分别增大至73mm和16mm，其余的参数设计值请参阅表1。当然，该投影物镜系统也可以采用248nm或157nm等其他波长的照明光。
本发明的实施例提供了一种能够满足表1所列的各参数要求的投影光学系统，其具有图1所示的镜片组成结构，且为了制造方便，23块镜片均采用SiO2为光学材料制成，其他的光学材料同样可以使用。
表2给出了本实施例的投影光学系统的每一片镜片的具体参数值，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镜片；“半径”及“1/2孔径”分别给出了每一表面所对应的球面半径及1/2孔径的数值；“厚度/间距”一栏给出了相邻两表面之间的中心距离，如果该两表面属于同一镜片，则“厚度/间距”的数值表示该镜片的厚度，否则表示物/像面到镜片的距离或者相邻镜片的间距。
以镜片L1和L2为例，L1的上表面1是平面，其球面半径无限大，表示为1.00E+18，1/2孔径为60.75364mm；下表面2是凸面正对像面的负弯月形，其球面半径的大小为-9722.924494mm(负号“-”表示了表面的弯曲方向)，1/2孔径为61.96411mm；L1的上表面1到物面(表面0)的距离为73mm，上表面1和下表面2的中心间距10.19745035mm即为镜片L1的厚度，而L1的下表面2到L2的上表面3的距离1mm则表示相邻两块镜片L1、L2的间距。镜片L2的上表面3和下表面4均为凸面正对物面的正弯月形，上、下表面3、4的球面半径分别为149.907816和1066.505214mm，1/2孔径分别为64.95785和64.36384mm，镜片L2的厚度为22.87619115mm。除了像面(表面48)的1/2孔径表示像方视场的半径外，其余各表面的参数值含义根据L1、L2类推。
除了六个镜片组G1G6的23块镜片外，镜片L17和L18之间还设置有孔径光阑AS，其1/2孔径大小的改变将影响该投影光学系统的成像效果。
图2显示了本实施例的投影光学系统的像差检测结果，从左到右的三个坐标系中的曲线分别表示系统的球差、像散场曲和畸变情况。从图中可以看出：本实施例的投影光学系统产生的球差范围约在-0.25～0.3μm之间，像散和场曲的绝对值控制在0.07μm以内，并且几乎不产生畸变。
采用本发明的投影光学系统，可在大数值孔径的条件下，有效地降低制造成本，降低光学镜片的加工、检测和装调难度，同时也可以实现较大的物方和像方工作距。
表1
| 工作波长 | 193.368nm |
| 像方数值孔径NA | 0.75 |
| 放大倍率 | -0.25 |
| 像方视场(直径) | 23.4mm |
| 物像距离 | 1200mm |
| 物方工作距 | 73mm |
| 像方工作距 | 16mm |
| 折射率(SiO<sub>2</sub>) | 1.560289 |
表2
表2(续)
Claims (3)
1、一种投影光学系统，用于将物平面内的图案投射到像平面内，所述的投影光学系统从物面到像面依次排列有六个镜片组，其特征在于：所述的投影光学系统是由2 3块光学镜片组成的全折射式投影光学系统，且所述的投影光学系统中不包含非球面镜片；其中
第一镜片组G1具有正光焦度，从物面到像面依次包括三个镜片L1～L3，其中，镜片L1是单凸透镜且正对物面的表面是平面，L2和L3是凸面正对物面的正弯月透镜；
第二镜片组G2具有负光焦度，从物面到像面依次包括三个镜片L4～L6，其中，L4是凸面正对物面的负弯月透镜，L5是双凹透镜，L6是凹面正对物面的负弯月透镜；
第三镜片组G3具有正光焦度，从物面到像面依次排列有两个凹面正对物面的正弯月透镜L7、L8，两个双凸透镜L9、L10，以及凸面正对物面的正弯月透镜L11；
第四镜片组G4具有负光焦度，从物面到像面依次包括凸面正对物面的负弯月透镜L12和两个双凹透镜L13、L14；
第五镜片组G5具有正光焦度，从物面到像面依次包括凹面正对物面的正弯月透镜L15和两个双凸透镜L16、L17；
第六镜片组G6具有正光焦度，从物面到像面依次包括六个镜片L18～L23，其中，L18是凹面正对像面的负弯月透镜，L19是双凸透镜，L20、L21和L22是凹面正对像面的正弯月透镜，L23为单凸透镜且正对像面的表面是平面。
2、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：在所述第五镜片组和所述第六镜片组之间还设有一孔径光阑。
3、如权利要求1所述的投影光学系统，其特性在于：所述投影光学系统采用的照明光的波长是248nm、193.3nm或157nm。
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