CN101349798B - 全折射式投影物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全折射式投影物镜，用于将物平面内的图案投射到像平面内，所述投影物镜系统由25片光学镜片组成，从物面到像面依次排列有五个镜片组，其中，第一和第三镜片组具有负光焦度，第二、第四和第五镜片组具有正光焦度，本发明可以控制物方和像方远心度在3毫弧度以内，提高了光刻不同层之间的互联性能，另外减少镜片使用的数量，且使用同一材料的镜片，降低了制造成本和调试的难度。

Description

全折射式投影物镜

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，且特别涉及一种全折射式投影物镜。

背景技术

随着投影光刻技术的发展，光刻机的投影光学系统性能逐步提高，目前光刻机已成功应用于亚微米和深亚微米分辨率的集成电路制造领域。用光刻机制造集成电路芯片时要求投影物镜具有较高的分辨率，以实现高集成度芯片的制备。为了满足对投影光物镜较高分辨率的要求，需要提高投影物镜的像方数值孔径(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或引进多种材料来校正投影物镜的像差。例如在美国专利US6560031(公开日2003年5月6日)中，描述了数值孔径NA＝0.7，照明波长为193.3nm的情况下的30块镜片，包含7块氟化钙的两种材料的全折射系统的技术方案。在另一件美国专利US6954316(公开日2005年10月11日)中，描述了在数值孔径NA＝0.75，照明波长为193.3nm的情况下使用30块常规镜片加1块非球面镜片、包含3块氟化钙、两种材料的全折射系统来满足成像质量的技术方案。

在上述专利中，两种投影光学系统的镜片数量太多，并采用了两种材料，将导致物镜体积过大，制造成本的增加，增加光学装调的难度，并且这两个方案的远心性都大于3毫弧度，如此的远心性给光刻机的芯片层与层之间的互联造成不良影响。

发明内容

为了克服已有技术中存在的缺点，本发明提供一种投影物镜，可以提高光刻不同层之间的互联性能，降低制造成本和调试难度。

为了实现上述目的，本发明提出一种全折射式投影物镜，用于将物平面内的图案投射到像平面内，所述投影物镜从物面到像面依次排列有五个镜片组，其包括：第一镜片组G1具有负光焦度，第二镜片组G2具有正光焦度，第三镜片组G3具有负光焦度，第四镜片组G4具有正光焦度，第五镜片组G5具有正光焦度，所述的全折射式投影物镜系统由25片光学镜片组成，且其中第一镜片组G1包含两片非球面镜片，第五镜片组G5至少包含连续三片月凸透镜片，所述第一镜片组(G1)中从物面到像面依次包括第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片，其中第一镜片和第二镜片均为月凹透镜，第一镜片和第二镜片的曲率朝向所述物面，第三镜片是双凹透镜，第四镜片是月凹透镜，第三镜片和第四镜片的曲率朝向所述像面。

可选的，所述第一镜片组(G1)中的第二镜片和第四镜片为非球面镜片，用于校正畸变和边缘视场的物方和像方的远心度。

可选的，所述第二镜片组(G2)中的镜片从物面到像面依次包括第五镜片、第六镜片、第七镜片和第八镜片，所述四个镜片均为凸透镜镜片，其中包括至少两个连续的双凸透镜。

可选的，所述第二镜片组(G2)中的第六镜片和第七镜片为双凸透镜。

可选的，所述第三镜片组(G3)从物面到像面依次包括第九镜片、第十镜片、第十一镜片和第十二镜片，所述第九镜片和第十镜片均为月凹透镜，曲率朝向所述物面，所述第十一镜片和第十二镜片均为双凹透镜。

可选的，所述第四镜片组(G4)从物面到像面依次包括第十三镜片、第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片和第十七镜片，所述第十三镜片至第十七镜片中至少包括一凹透镜，其余为凸透镜。

可选的，在所述第四镜片组(G4)中，第十六镜片为凹透镜。

可选的，所述第五镜片组(G5)从物面到像面依次包括第十八镜片、第十九镜片、第二十镜片、第二十一镜片、第二十二镜片、第二十三镜片、第二十四镜片和第二十五镜片均为凸透镜镜片，所述三个连续的月凸透镜，曲率均朝向所述像面，所述第二十四镜片和第二十五镜片为玻璃平板。

可选的，在所述第四镜片组(G4)和所述第五镜片组(G5)之间设有孔径光阑。

可选的，所述第一镜片至第二十五镜片均采用融石英光学材料制成。

可选的，所述融石英光学材料折射率为1.560289。

可选的，所述投影光学系统采用的照明光的波长是193.368nm。

本发明所述的全折射式投影物镜的有益效果主要表现在：将物方和像方远心度控制在3毫弧度以内，提高了光刻不同层之间的互联性能，另外减少镜片使用的数量，且使用同一材料的镜片，降低了制造成本和调试的难度。

附图说明

图1是本发明全折射式投影物镜的一个实施方式的镜片组成结构图及光路走向示意图；

图2是本发明全折射式投影物镜的一个实施方式的像差结果图；

图3是本发明全折射式投影物镜的一个实施方式的远心结果图。

具体实施方式

本发明提供一种全折射式投影物镜，通过将物方和像方远心度控制在3毫弧度以内，提高了光刻不同层之间的互联性能，另外减少镜片使用的数量，且使用同一材料的镜片，降低了制造成本和调试的难度。

下文中涉及的L1～L25一一对应于第一镜片至第二十五镜片。

请参考图1，图1是本发明全折射式投影物镜的一个实施方式的镜片组成结构图及光路走向示意图，从图中可以看到，所述全折射式投影物镜用于将物平面内的图案投射到像平面内，所述投影物镜从物面到像面依次排列有五个镜片组，分别是：第一镜片组G1具有负光焦度，从物面到像面依次包括四个镜片L1～L4，其中，所述镜片L1～L4均为凹透镜镜片，镜片L1和镜片L2皆为月凹透镜，曲率朝向所述物面，镜片L3是双凹透镜，镜片L4是月凹透镜，曲率朝向所述像面；第二镜片组G2具有正光焦度，从物面到像面依次包括四个镜片L5～L8，所述镜片L5～L8均为凸透镜镜片，其中包括两个连续的双凸透镜；第三镜片组G3具有负光焦度，从物面到像面依次包括四个镜片L9～L12，所述镜片L9和镜片L10均为月凹透镜，曲率朝向所述物面，所述镜片L11和镜片L12均为双凹透镜；第四镜片组G4具有正光焦度，从物面到像面依次包括五个镜片L13～L17，所述镜片L13～L17中至少包括一凹透镜，其余为凸透镜，所述镜片L17为月凹透镜；第五镜片组G5具备正光焦度，从物面到像面依次包括八个镜片L18～L25，L18～L23均为凸透镜镜片，其中包括三个连续的月凸透镜，曲率朝向所述像面，所述镜片L24和L25为玻璃平板。

所述第一镜片组G1中的镜片L2和镜片L4为非球面镜片，用于校正畸变和边缘视场的物方和像方的远心度。

非球面用以下公式来描述：

$P\left(h\right)=\frac{\mathrm{\δ}\·h^2}{1+\sqrt{1-(1-K)\·{\mathrm{\δ}}^2\·h^2}}+C_1{h}^4+\·\·\·+C_n{h}^{2n+2},\mathrm{\δ}=1/R$

这里，P是半径h(到光轴的高度)、非球面常数K和C₁至C_n的拱高函数，R是最高点半径。

所述第二镜片组G2中的镜片L6和镜片L7为双凸透镜。

在所述第四镜片组G4中，L16为一凹透镜。

在所述第四镜片组G4和所述第五镜片组G5之间设有一孔径光阑。

图1中贯穿整个投影光学系统的三组曲线，从上到下依次对应了该投影光学系统从轴外上边缘视场、物面的零视场、轴外下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波长为193.368nm的照明光源，将像方数值孔径NA定为0.75，放大倍率-1/4，像方视场26×10.5mm²，物方工作距32mm，像方工作距8mm，透镜总长1300mm.

本发明的实施利提供了一种能够满足上述所列的各种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，25块镜片均采用融石英光学材料制成，折射率为1.560289。

表1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，“序号”一栏表示从物面到像面之间每一个表面所对应的序号；“表面性质”表示该表面是球面还是非球面，“半径”及“1/2孔径”分别给出了每一个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，并且还给出了非球面镜片L2和镜片L4的常数值。

表1

接着，请参考图2，图2是本发明全折射式投影物镜的一个实施方式的像差结果图，从左到右的两个坐标系曲线分别表示系统的像散场曲和畸变情况，左图像散场曲示意图中，横坐标为离焦量，单位为mm，纵坐标为物高；右图畸变示意图中，横坐标为畸变百分比，纵坐标为物高，从图2中可以看出，本发明的实施例的场曲绝对值控制在0.35um以内，并且几乎不产生畸变。

图3是本发明全折射式投影物镜的一个实施方式的远心结果图，从下到上的两个坐标系曲线分别表示为十个场点F1～F10的物方和像方远心度.F1～F10依次对应物高0mm、2mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、40mm、56mm的场点，从图中的结果可以看出，将物方和像方远心度控制在了3毫弧度以内，从而提高了光刻不同层之间的互联性能，

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种全折射式投影物镜，用于将物平面内的图案投射到像平面内，所述投影物镜从物面到像面依次排列有五个镜片组，第一镜片组(G1)具有负光焦度，第二镜片组(G2)具有正光焦度，第三镜片组(G3)具有负光焦度，第四镜片组(G4)具有正光焦度，第五镜片组(G5)具有正光焦度，所述的全折射式投影物镜系统由25片光学镜片组成，且其中第一镜片组(G1)包含两片非球面镜片，第五镜片组(G5)至少包含连续三片月凸透镜片，其特征在于：所述第一镜片组(G1)中从物面到像面依次包括第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片，其中第一镜片和第二镜片均为月凹透镜，第一镜片和第二镜片的曲率朝向所述物面，第三镜片是双凹透镜，第四镜片是月凹透镜，第三镜片和第四镜片的曲率朝向所述像面。

2.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述第一镜片组(G1)中的第二镜片和第四镜片为非球面镜片，用于校正畸变和边缘视场的物方和像方的远心度。

3.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述第二镜片组(G2)中的镜片从物面到像面依次包括第五镜片、第六镜片、第七镜片和第八镜片，所述四个镜片均为凸透镜镜片，其中包括至少两个连续的双凸透镜。

4.如权利要求3所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述第二镜片组(G2)中的第六镜片和第七镜片为双凸透镜。

5.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述第三镜片组(G3)从物面到像面依次包括第九镜片、第十镜片、第十一镜片和第十二镜片，所述第九镜片和第十镜片均为月凹透镜，曲率朝向所述物面，所述第十一镜片和第十二镜片均为双凹透镜。

6.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述第四镜片组(G4)从物面到像面依次包括第十三镜片、第十四镜片、第十五镜片、第十六镜片和第十七镜片，所述第十三镜片至第十七镜片中至少包括一凹透镜，其余为凸透镜。

7.如权利要求6所述的全折射投影物镜，其特征在于：在所述第四镜片组(G4)中，第十六镜片为凹透镜。

8.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述第五镜片组(G5)从物面到像面依次包括第十八镜片、第十九镜片、第二十镜片、第二十一镜片、第二十二镜片、第二十三镜片、第二十四镜片和第二十五镜片均为凸透镜镜片，其中包括三个连续的月凸透镜，曲率均朝向所述像面，所述第二十四镜片和第二十五镜片为玻璃平板。

9.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：在所述第四镜片组(G4)和所述第五镜片组(G5)之间设有孔径光阑。

10.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述第一镜片至第二十五镜片均采用融石英光学材料制成。

11.如权利要求10所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述融石英光学材料折射率为1.560289。

12.如权利要求1所述的全折射投影物镜，其特征在于：所述投影光学系统采用的照明光的波长是193.368nm。

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