CN101320122B - 一种投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影光学系统，由22片镜片分成六个镜片组依次排列在物面和像面之间组成，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中使用了一块负厚弯月透镜来校正场曲和像散，将场曲和像散控制在±2nm以内，通过引入四个非球面，较好地实现了物方和像方双远心，使得物方和像方远心误差均小于1mrad。该投影光学系统具有较大的物方和像方工作距，为工件台和掩模台及其对准系统提供较大的空间布局。

Description

一种投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种用于半导体光刻以及照相制版的投影光学系统，特别涉及一种双远心投影光学系统。

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28片。镜片数量的增多将导致制造成本的增加，同时也增加了光学装调的难度。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，小的物和像方工作距给掩模和硅片的运动定位、传输结构等的结构设计带来很大的困难。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种镜片数量较少、物方和像方工作距较大的投影光学系统，以降低制造成本及光学装调难度。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

根据本发明的一种投影光学系统，从物面到像面依次排列有六个镜片组：第一镜片组G1具有正光焦度，从物面到像面依次包括两个镜片L1～L2，其中，镜片L1是单凸透镜且正对物面的表面是平面，L2是正透镜；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L3～L5，其中，L3是凸面正对物面的负弯月透镜，L4是双凹透镜，L5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L6、L7，两个双凸透镜L8、L9，以及凸面正对物面的正弯月透镜L10；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厚弯月透镜L11和两个双凹透镜L12、L13；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L14和双凸透镜L15；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L16～L22，其中，L16和L17是正透镜，L18是凹面朝向物面的正弯月透镜，L19、L20和L21是凹面正对像面的正弯月透镜，L22为单凹透镜且正对像面的表面是平面。

进一步地，在所述第五镜片组G5和所述第六镜片组G6之间还设有一孔径光阑。

在上述投影光学系统中，所述第四镜片组G4中的负厚弯月透镜L11用于校正整个系统的场曲和像散，该负厚弯月透镜L11的厚度＞60mm。

在上述投影光学系统中，镜片L3靠近像面的表面、镜片L10靠近像面的表面、镜片L15靠近物面的表面、以及镜片L21靠近物面的表面均为非球面。

在上述投影光学系统中，所有的镜片均采用SiO₂为光学材料制成，且所述投影光学系统可采用波长是248nm、193nm或157nm的照明光。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

1、本发明使用22块镜片包含4个非球面，较好地实现了物方和像方双远心结构，减小了光学总长，降低了制造成本和光学装调难度；

2、本发明利用一块厚弯月透镜较好地实现场曲和像散的校正，将场曲和像散都控制在±2nm以内；

3、本发明提供较大的物距和像距(物距68mm，像距16mm)，为工件台和掩模台及其对准系统提供较大的空间布局。

附图说明

图1是本发明的投影光学系统的透镜组成图。

图2是本发明的投影光学系统的像散场曲和畸变图。

具体实施方式

本发明提供了一种双远心投影光学系统(物方和像方远心误差均小于1mrad)，使用了一块负厚弯月透镜校正了场曲和像散(场曲和像散均在±2nm以内)，同时获得较好的畸变和成像质量，并且提供了较大的物方和像方工作距：物方68mm，像方16mm。

如图1所示，本发明的投影光学系统包括22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G3、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包括两个镜片L1～L2，其中，镜片L1是单凸透镜且正对物面的表面是平面，L2是正透镜。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L3～L5，其中，L3是凸面正对物面的负弯月透镜，L4是双凹透镜，L5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L6、L7，两个双凸透镜L8、L9，以及凸面正对物面的正弯月透镜L10。该镜片组G3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厚弯月透镜L11和两个双凹透镜L12、L13。G4在避免产生彗差的同时可有效地校正球差，同时负厚弯月透镜L11较好的校正了整个镜头的场曲和像散，且该负厚弯月透镜的厚度满足＞60mm。

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L14和双凸透镜L15。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包括七个镜片L16～L22，其中，L16和L17是双凸透镜，L18是凹面朝向物面的正弯月透镜，L19、L20和L21是凹面正对像面的正弯月透镜，L22为单凹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两组曲线，从左到右依次对应了该投影光学系统从物面的1.0视场和轴上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68mm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。

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	68mm
像方工作距	16mm
		折射率(SiO<sub>2</sub>)	1.560289

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，22块镜片均采用SiO2为光学材料制成，实现了对轴向色差的校正，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59.87115mm；下表面2是凸面正对像面的球面，其球面半径的大小为-576.354mm(负号“-”表示了表面的弯曲方向)，1/2孔径为61.58551mm；L1的上表面1到物面(表面0)的距离为68.01064mm(即物方工作距约为68mm)，上表面1和下表面2的中心间距17.33722mm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0.618389mm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分别为凸面正对物面和凸面正对像面的球面，上、下表面3、4的球面半径分别为163.0717mm和-2469.85mm，1/2孔径分别为63.77933mm和62.74443mm，镜片L2的厚度为28.26126mm。除了像面(表面46)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。

需要注意的是，本实施例的投影光学系统采用了四个非球面表面，分别是：镜片L3的下表面6、镜片L10的下表面20、镜片L15的上表面29、镜片L21的上表面42，将这些非球面表面记为ASP1～ASP4，则非球面ASP1～ASP4的计算方程如下：

$z=\frac{\frac{1}{R}{h}^2}{1+\sqrt{1-(1-\mathrm{EX}){\left(\frac{1}{R}\right)}^2{h}^2}}+\underset{k=1}{\mathrm{\Σ}}{C}_k{h}^{2k+2}$

其中，z表示矢高，h表示高度，R表示曲率半径，EX表示离心率，C_k表示非球面系数。

本实施例中，ASP1的非球面系数为：R＝105.6292，EX＝0，C₁＝-3.44e-008，C₂＝-9.47e-013，C₃＝2.07e-017，C₄＝6.49e-020，C₅＝5.81e-023，C₆＝-2.05e-026；ASP2的非球面系数为：R＝-2721.07，EX＝0，C₁＝2.22e-008，C₂＝-2.91e-013，C₃＝8.04e-018，C₄＝-3.04e-022，C₅＝1.87e-026，C₆＝-8.03e-031；ASP3的非球面系数为：R＝1757.858，EX＝0，C₁＝-7.36e-011，C₂＝-9.87e-015，C₃＝-5.88e-019，C₄＝1.36e-024，C₅＝-1.75e-027，C₆＝-3.47e-032；ASP4的非球面系数为：R＝113.9123，EX＝0，C₁＝2.71e-009，C₂＝1.83e-013，C₃＝1.46e-016，C₄＝-2.49e-020，C₅＝3.68e-024，C₆＝4.18e-029。

除了六个镜片组G1～G6的22块镜片外，镜片L15和L16之间还设置有孔径光阑，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设计结果，从左到右的两个坐标系中的曲线分别表示系统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像散和场曲的绝对值控制在±2nm以内，并且畸变为零。

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和装调难度，同时也可以实现较大的物方和像方工作距。

表2

表2(续)

Claims (6)

1.一种投影光学系统，用于将物面内的图案投射到像面内，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：

第一镜片组G1具有正光焦度，从物面到像面依次包括两个镜片L1～L2，其中，镜片L1是单凸透镜且正对物面的表面是平面，L2是正透镜；

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L3～L5，其中，L3是凸面正对物面的负弯月透镜，L4是双凹透镜，L5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L6、L7，两个双凸透镜L8、L9，以及凸面正对物面的正弯月透镜L10；

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厚弯月透镜L11和两个双凹透镜L12、L13；

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L14和双凸透镜L15；

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L16～L22，其中，L16和L17是正透镜，L18是凹面朝向物面的正弯月透镜，L19、L20和L21是凹面正对像面的正弯月透镜，L22为单凹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G5和所述第六镜片组G6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，其特征在于：所述第四镜片组G4中的负厚弯月透镜L11用于校正整个系统的场曲和像散，该负厚弯月透镜L11的厚度＞60mm。

4.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：镜片L3靠近像面的表面、镜片L10靠近像面的表面、镜片L15靠近物面的表面、以及镜片L21靠近物面的表面均为非球面。

5.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述投影光学系统的所有镜片均采用SiO₂为光学材料制成。

6.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述投影光学系统采用波长是248nm、193nm或157nm的照明光。

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