CN101216592A - 全折射投影光学系统 - Google Patents

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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。该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，其中该前组和该后组的透镜组件以该孔径光阑为对称面光学结构完全对称，该前组从物面一侧顺次是具有正光焦度的第一镜组及负光焦度的第二镜组；该后组从物面一侧顺次是具有负光焦度的第三镜组及正光焦度的第四镜组。且所述的全折射投影光学系统中所有表面类型为球面，不包含非球面。采用本发明的全折射投影光学系统，能有效地校正像差，提升成像质量，并增加物方和像方工作距离。

Description

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等相关领域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。
因此，如何提供一种成像质量得到良好保证的投影光学系统，并且提高投影光学系统的工作距离、并压缩其光学总长，为工件台和掩模台提供较大的设计空间，已成为业界亟待解决的技术问题。
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，不仅能有效地校正像差、具备良好的成像质量，而且具有较大的工作距离，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，其中该前组和该后组的透镜组件以该孔径光阑为对称面光学结构完全对称，该前组从物面一侧顺次是具有正光焦度的第一镜组(G1)、及负光焦度的第二镜组(G2)，该第一及第二镜组(G1、G2)由第一到第九透镜(L1-L9)组成；该后组从物面一侧顺次是具有负光焦度的第三镜组(G3)、及正光焦度的第四镜组(G4)，该第三及第四镜组(G3、G4)由第十到第十八透镜(L10-L18)组成，所述孔径光阑放置于该第二镜组(G2)和第三镜组(G3)之间。
上述的全折射投影光学系统，其中：该第一镜组(G1)沿其光轴方向包括第一到第四透镜(L1-L4)，其中该第一透镜(L1)是双凹负透镜，该第二透镜(L2)是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，该第三透镜(L3)是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，该第四透镜(L4)是双凸正透镜，该第一镜组(G1)的主要作用是保持双远心，同时校正场曲。
上述的全折射投影光学系统，其中：该第二镜组(G2)包括第五到第九透镜(L5-L9)，其中该第五透镜(L5)和第八透镜(L8)是双凹负透镜，该第六透镜(L6)、第七透镜(L7)和第九透镜(L9)是双凸正透镜。
上述的全折射投影光学系统，其中：该第四镜组(G4)具有第十五到第十八透镜(L15-L18)，该组透镜的光学参数分别与该第一镜组(G1)的第四到第一透镜(L4-L1)关于该孔径光阑对称。
上述的全折射投影光学系统，其中：该第三镜组(G3)具有第十透镜到第十四透镜(L10-L14)，该组透镜的光学参数分别与该第二镜组(G2)的第九到第五透镜(L9-L5)关于该孔径光阑对称。
上述的全折射投影光学系统，其中：所述每一透镜的光学表面均为球面。
上述的全折射投影光学系统，其中：上述第二到第五透镜(L2-L5)、第十四到第十七透镜(L14-L17)选择高折射率、高色散系数、高透过率的火石玻璃，比如PBL26Y玻璃。
上述的全折射投影光学系统其中：上述第七透镜(L7)及第十二透镜(L12)选择具有特殊色散能力、高透过率的冕牌玻璃，有利于校正二级光谱，比如选用SFPL51Y玻璃。
上述的全折射投影光学系统，其中：上述第八及第十一透镜(L8、L11)选择低折射率、低色散系数的熔石英玻璃。
上述的全折射投影光学系统，其中：上述第一透镜(L1)、第六透镜(L6)、第九透镜(L9)、第十透镜(L10)、第十三透镜(L13)及第十八透镜(L18)选择低折射率、低色散系数的氟化钙晶体。
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，并且具有大视场、长工作距的优点；
2.本发明的投影光学系统仅采用表面类型为球面的透镜，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。
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件以该孔径光阑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零，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共包括18块透镜，依次分成G1-G4四个镜组。从物面一侧顺次是具有正光焦度的第一镜组G1、负光焦度的第二镜组G2、负光焦度的第三镜组G3、正光焦度的第四镜组G4。
上述前组由该第一镜组G1及该第二镜组G2组成。
该第一镜组G1包括透镜L1-L4。其中透镜L1是双凹负透镜，透镜L2是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，透镜L3是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，透镜L4是双凸正透镜。该第一镜组G1的主要作用是保持双远心，同时校正场曲，并且该第一镜组G1具有正光焦度产生负球差，可用来平衡由该第二镜组G2的多个透镜综合产生的正球差。
该第二镜组G2包括透镜L5-L9，具有负光焦度，其中透镜L5和L8是双凹负透镜，透镜L6、L7和L9是双凸正透镜。该透镜L6、L7作用为分散光焦度负担，即减少折射面曲率，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。
这样，该投影光学系统前组的第一镜组G1和第二镜组G2二个镜组，可以校正球差、场曲、像散、位置色差、二级光谱、色球差，使轴向像差得到很好的校正。
该全折射投影光学系统的上述后组依次分成具有负光焦度的第三镜组G3、及具有正光焦度的第四镜组G4。
上述孔径光阑放置于该第二镜组G2和第三镜组G3之间。
该第三镜组G3具有透镜L10、L11、L12、L13、L14，该组透镜的光学参数分别与该第二镜组G2的透镜L9、L8、L7、L6、L5关于该孔径光阑对称。
该第四镜组G4的透镜L15、L16、L17、L18，该组透镜的光学参数分别与该第一镜组G1的透镜L4、L3、L2、L1关于该孔径光阑对称。
这样，该前组和后组的各透镜组以该孔径光阑面为对称面实现光学结构完全对称，从而使垂轴像差，即彗差、畸变、倍率色差自动校正为零。
该前组的后焦点和该后组的前焦点重合，并与该孔径光阑中心重合，就构成双远心结构的投影光学系统。物空间和像空间的成像光锥都是关于主光线对称的，即物空间和像空间的主光线平行于光轴。这样，即使物面和像面处于离焦位置，物与像的高度在垂直于光轴平面上仍然没有改变，即放大倍率没有改变。这样就保证放大倍率不随物面和像面沿光轴方向的移动而变化。
本发明的全折射投影光学系统的所有光学元件即透镜的表面类型均为球面，没有任何非球面。其中上述透镜L2-L5、L14-L17选择高折射率、高色散系数、高透过率的火石玻璃，比如PBL26Y玻璃。上述透镜L7、L12选择具有特殊色散能力、高透过率的冕牌玻璃，有利于校正二级光谱，比如选用SFPL51Y玻璃。上述透镜L8、L11选择低折射率、低色散系数的熔石英玻璃。上述透镜L1、L6、L9、L10、L13、L18选择低折射率、低色散系数的氟化钙晶体。
因而，该第二镜组G2选用火石玻璃与冕牌玻璃的优化组合可以有效地平衡由于该第一镜组G1镜组产生的位置色差和色球差。该透镜L7选择具有特殊色散性能的冕牌玻璃，有利于校正二级光谱。
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0.20，工作波长为436nm、405nm、365nm，即光学领域定义的g线、h线、i线；像方视场半径是24.9324mm，可以提供44.5mm×22.5mm的矩形视场，作用是将物面的图形投影成像在像面上；由于是对称式结构，物方和像方工作距均为26.9616mm，放大倍率为-1倍。
表1
    工作波长     436nm、405nm、365nm
    像方数值孔径     0.20
    像方视场(半径)     24.9324mm
    放大倍率     -1
    物像共轭距(光学总长)     949.999851mm
    物方工作距     26.9616mm
    像方工作距     26.9616mm
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”一栏指明了所对应透镜的材料，“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-153.371276mm，L1的前表面1到物面的间距为29.998mm，其光学材料为CAF2，L1前表面1的半孔径为30.3685mm；L1的后表面2的球面半径为369.690131mm，L1的前表面1到L1的后表面2，即透镜L1的中心厚度为29.995586mm，L1的后表面2的半孔径为37.4155mm，即L1是双凹透镜。L2的前表面3的球面半径和半孔径分别为-64.240404mm和40.9135mm，L2的前表面3到L1的后表面2的间距为26.485611mm，透镜L2的光学材料为PBL26Y；L2的后表面4的球面半径和半孔径分别为-86.193057mm和54.0867mm，透镜L2的中心厚度为29.998197mm，即L2是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。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～L18的18块透镜外，透镜L9和L10之间还设置有孔径光阑STOP，其到透镜L9后表面18的间距为1.000000mm，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、405nm、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9.9nm，远心角误差小于0.21°＝3.7mrad，倍率误差为2.7ppm。在宽带光(g线、h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。物像共轭距小于950mm，物方和像方工作距均为26.96mm。
本发明的投影光学系统的数值孔径最大达到0.20，系统的最高光学分辨率能达到0.5μm(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24.9324mm，可以提供44.5mm×22.5mm的矩形像方视场，足以满足凸块(Bumping)封装光刻机用于44mm×22mm视场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，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2
表面 半径(mm) 厚度(mm) 光学材料 半孔径(mm) 所述对象
  Object 1e+018  29.998  24.9324   物面
  1 -153.371276  29.995586  CAF2  30.3685 L1
  2 369.690131  26.485611  37.4155
  3 -64.240404  29.998197  PBL26Y  40.9135 L2
  4 -86.193057  16.484818  54.0867
  5 -2202.658242  19.381399  PBL26Y  66.6424 L3
  6 -147.461554  1.000000  67.5655
  7 292.198039  14.873805  PBL26Y  69.3659 L4
  8 -950.282974  199.902121  69.1721
  9 -141.955287  6.000000  PBL26Y  45.2232 L5
  10 163.640901  1.812169  46.2554
  11 187.549048  15.569838  CAF2  46.5371 L6
  12 -197.856444  1.000000  46.9559
  13 161.217423  17.478328  SFPL51Y  47.5302 L7
  14 -180.785241  23.179562  47.2214
  15 -267.843349  29.071782  SIO2  40.0395 L8
  16 113.833490  3.367140  35.7441
  17 190.599220  8.402412   CAF2  35.8126 L9
  18 -635.153438  1.000000  35.7639
  Stop 1e+018  1.000000  34.5614   孔径光阑
  20 635.153438  8.402412  CAF2  35.7584 L10
  21 -190.599220  3.367140  35.7672
  22 -113.833490  29.071782  SIO2  35.6985 L11
  23 267.843349  23.179562  39.9799
表2(续)
   24  180.785241  17.478328  SFPL51Y  47.1528 L12
   25  -161.217423  1.000000  47.4646
   26  197.856444  15.569838  CAF2  46.8954 L13
   27  -187.549048  1.812169  46.4746
   28  -163.640901  6.000000  PBL26Y  46.1930 L14
   29  141.955287  199.902121  45.1663
   30  950.282974  14.873805  PBL26Y  69.1191 L1 5
   31  -292.198039  1.000000  69.3138
   32  147.461554  19.381399  PBL26Y  67.5202 L16
   33  2202.658242  16.484818  66.5930
   34  86.193057  29.998197  PBL26Y  54.0596 L17
   35  64.240404  26.485611  40.8954
   36  -369.690131  29.995586  CAF2  37.3960 L18
   37  153.371276  29.998031  30.3588
   Image  1e+018  -0.001746  24.9324     像面

Claims (10)

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：该前组和该后组的透镜组件以该孔径光阑为对称面光学结构完全对称，该前组从物面一侧顺次是具有正光焦度的第一镜组(G1)、及负光焦度的第二镜组(G2)，该第一及第二镜组(G1、G2)由第一到第九透镜(L1-L9)组成；该后组从物面一侧顺次是具有负光焦度的第三镜组(G3)、及正光焦度的第四镜组(G4)，该第三及第四镜组(G3、G4)由第十到第十八透镜(L10-L18)组成，所述孔径光阑放置于该第二镜组(G2)和第三镜组(G3)之间。
2.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：该第一镜组(G1)沿其光轴方向包括第一到第四透镜(L1-L4)，其中该第一透镜(L1)是双凹负透镜，该第二透镜(L2)是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，该第三透镜(L3)是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，该第四透镜(L4)是双凸正透镜。
3.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：该第二镜组(G2)包括第五到第九透镜(L5-L9)，其中该第五透镜(L5)和第八透镜(L8)是双凹负透镜，该第六透镜(L6)、第七透镜(L7)和第八透镜(L9)是双凸正透镜。
4.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：该第三镜组(G3)具有第十透镜到第十四透镜(L10-L14)，该组透镜的光学参数分别与该第二镜组(G2)的第九到第五透镜(L9-L5)关于该孔径光阑对称。
5.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：该第四镜组(G4)具有第十五到第十八透镜(L15-L18)，该组透镜的光学参数分别与该第一镜组(G1)的第四到第一透镜(L4-L1)关于该孔径光阑对称。
6.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：所述每一透镜的光学表面均为球面。
7.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：所述第二到第五透镜(L2-L5)、第十四到第十七透镜(L14-L17)选择高折射率、高色散系数、高透过率的火石玻璃。
8.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：所述第七透镜(L7)及第十二透镜(L12)选择具有特殊色散能力、高透过率的冕牌玻璃，有利于校正二级光谱。
9.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：所述第八及第十一透镜(L8、L11)选择低折射率、低色散系数的熔石英玻璃。
10.如权利要求1所述的全折射投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜(L1)、第六透镜(L6)、第九透镜(L9)、第十透镜(L10)、第十三透镜(L13)及第十八透镜(L18)选择低折射率、低色散系数的氟化钙晶体。
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