CN101221280B - 全反射投影光学系统 - Google Patents

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本发明提供了一种全反射投影光学系统，以利用成像光线将位于物镜物平面内的图案投射到物镜像平面内，其包括位于物面之后该成像光线依次经过的第一至第四反射镜，其中该四面反射镜构成双远心投影物镜结构，即孔径光阑位于该第二反射镜上并关于光轴旋转对称，该第二反射镜位于第一反射镜焦点位置，并且该第三反射镜和第四反射镜将该孔径光阑的像成在像方无限远处。因而，本发明的物方主光线和像方主光线均与光轴平行，有利于减小畸变，扩大视场并且系统结构合理。

Description

全反射投影光学系统
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反射投影光学系统。
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。
随着半导体芯片特征尺寸的不断减小，为了得到更加精细的结构，投影物镜所使用的波长在不断减少，同时像方数值孔径不断增大。在45nm节点技术以后，EUV(极紫外)光刻技术将具有极大的优势，对于极紫外波段(波长小于15nm)，几乎所有的玻璃都有很强的吸收性，此时传统的折射式和折反射结构已不再适用，取而代之的是全反射系统结构。
如图1所示，美国专利US6226346采用四片反射镜结构，R1-R4分别为第一至第四反射镜，R3使用球面镜，其余使用高次非球面，M和Wafer分别为物面和像面位置。此系统的特点是：环形视场及使用高次非球面镜较好的控制了畸变，系统分辨率可达0.1um，像方数值孔径在0.1以上。但是由于物方主光线和光轴存在夹角，以及控制畸变的需要，难以扩大视场，其最大视场宽度不超过3mm。
如图2及3所示，美国专利US6556648中给出了两种不同的光阑位于第二反射镜上的四片反射镜结构，视场宽度可以做到4mm，但像方远心而物方非远心，不利于畸变校正，同时第一反射镜和第四反射镜距离过小，且像方工作距离很短，在实际工作中很难实现。其中A1-A4、B1-B4分别表示第一至第四反射镜，与专利US6226346相比，该光阑位于第二反射镜位置，有效控制了物方主光线与视场的夹角(仍未达到物方远心)，扩大了视场。其不足之处是：两种方案的像方工作距离都很短，A1和A4的距离过近(如图2所示)，不利于机械安装。
因此，如何提供一种投影光学系统以保证成像质量良好，并且提高投影物镜系统的工作距离、并压缩光学总长，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反射投影光学系统，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：一种全反射投影光学系统，以利用成像光线将位于物镜物平面内的图案投射到物镜像平面内，其包括位于物面之后该成像光线依次经过的第一至第四反射镜，其中，该第一至第四反射镜构成双远心投影物镜结构，物方主光线和像方主光线均与光轴平行，孔径光阑位于该第二反射镜上并关于光轴旋转对称，该第二反射镜位于第一反射镜焦点位置，并且该第三反射镜和第四反射镜将该孔径光阑的像成在像方无限远处。
上述的全反射投影光学系统，其中：该第一反射镜位于光轴以上，该第三、四反射镜位于光轴以下，均为离轴放置，该第二反射镜位于光轴处，为旋转对称结构。
上述的全反射投影光学系统，其中：该第一、四反射镜具有负光焦度，该第三反射镜具有正光焦度，该第二反射镜为平面镜。
上述的全反射投影光学系统，其中：该第一反射镜和第三反射镜为凹面镜，该第四反射镜为凸面镜。
上述的全反射投影光学系统，其中：该第一、第三及第四反射镜均采用高次非球面。
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、孔径光阑位于第一反射镜焦点处，入瞳呈在物方无限远，即保证物方主光线与光轴平行，从而有效地控制了畸变，有利于扩大视场。
2、像方工作距离(像面到第四反射镜的距离)大于100mm，像面到第三反射镜的水平距离在30mm以上，便于机械安装。
附图说明
本发明的全反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为一种传统的光学系统结构及光路示意图。
图2为另一种传统的光学系统结构及光路示意图。
图3为又一种传统的光学系统结构及光路示意图。
图4为本发明的全反射投影光学系统的结构及光路示意图。
图5为本发明的视场示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的全反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反射投影光学系统，如图4所示，该投影光学系统为四片反射镜双远心的投影物镜结构，物方主光线和像方主光线均与光轴平行。该系统由镜组组成，即包括位于物面之后光线依次经过的第一至第四反射镜M1-M4。孔径光阑STOP位于第二反射镜M2上，关于光轴C1旋转对称。该第三反射镜M3和第四反射镜M4均位于光轴C1下方，光线经过该第三反射镜M3后到达第四反射镜M4，中间不经过光轴C1，不存在中间像点，最终成像位置位于光轴C1下方。该种全反射投影光学系统为倒像系统，成像放大率在1/3～1/4之间。
其中，该第一、四反射镜M1、M4具有负折射能力，第三反射镜M3具有正折射能力，整个系统呈倒像，像面位于光轴C1以下。
该第一反射镜M1位于光轴C1以上，该第三、四反射镜M3、M4位于光轴C1以下，均为离轴放置，该第二反射镜M2位于光轴C1处，为旋转对称结构。该第三、四反射镜M3、M4之间不存在中间像面。像面到该第四反射镜M4之间的距离大于50mm，像面到该第三反射镜M3边缘的距离大于30mm。
该第二反射镜M2使用平面镜，不具有光焦度，该第一、第三及第四反射镜M1、M3、M4均使用高次非球面。其中，该第一反射镜M1和第三反射镜M3为凹面镜，该第四反射镜M4为凸面镜。
本发明的全反射投影光学系统采用物方像方双远心结构，该孔径光阑STOP位于该第二反射镜M2处，该第二反射镜M2位于第一反射镜M1焦点位置，从而保证入瞳在物方无限远。同时该第三反射镜M3和第四反射镜M4将光阑STOP的像成在像方无限远处，即出瞳位于像方无限远，整个系统满足双远心结构。这样既可以有效的控制畸变，也有利于扩大视场。
整个全反射投影光学系统结构合理，像方工作距离大于100mm以上，像面到该第三反射镜M3的水平距离在30mm以上，有利于机械结构的安装调试。
如图5所示，为本发明的视场特征，即整个视场呈四分之一环形结构，对中心张角60°，最大视场半径120mm，宽度大于2mm，并且宽度最大可达5mm。系统物方数值孔径NA＝0.05，像方数值孔径NA在0.15～0.2左右。
如表1所示，为本发明各反射镜的曲率半径值，镜片间距及非球面系数值。
表1
反射镜 曲率半径 间距 非球面系数
M1 -850 -425  3.5
M2 Infinity 660 0
M3 -235 -96 -1.01
M4 -59 150 -2.74
综上所述，本发明的全反射投影光学通过采用全折射和反远距结构，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。

Claims (6)

1.一种全反射投影光学系统，以利用成像光线将位于物镜物平面内的图案投射到物镜像平面内，其包括位于物面之后该成像光线依次经过的第一至第四反射镜，其特征在于：
该第一至第四反射镜构成双远心投影物镜结构，物方主光线和像方主光线均与光轴平行，孔径光阑位于该第二反射镜上并关于光轴旋转对称，该第二反射镜位于第一反射镜焦点位置，并且该第三反射镜和第四反射镜将该孔径光阑的像成在像方无限远处。
2.如权利要求1所述的全反射投影光学系统，其特征在于：该第一反射镜位于光轴以上，该第三、四反射镜位于光轴以下，均为离轴放置，该第二反射镜位于光轴处，为旋转对称结构。
3.如权利要求1所述的全反射投影光学系统，其特征在于：该第一、四反射镜具有负光焦度，该第三反射镜具有正光焦度，该第二反射镜为平面镜。
4.如权利要求3所述的全反射投影光学系统，其特征在于：该第一反射镜和第三反射镜为凹面镜。
5.如权利要求3所述的全反射投影光学系统，其特征在于：该第四反射镜为凸面镜。
6.如权利要求1所述的全反射投影光学系统，其特征在于：该第一、第三及第四反射镜均采用高次非球面。
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