CN101369053A

CN101369053A - 全折射式投影光学系统

Info

Publication number: CN101369053A
Application number: CNA2008102009081A
Authority: CN
Inventors: 蔡燕民
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: CN101369053B

Abstract

本发明公开了一种全折射式投影光学系统，选择透过率大于99.9％的两种光学材料制作，在宽带光(g线、h线)工作条件下，像方数值孔径达到0.33，像方视场较大(视场半径24.6mm)，放大倍率为－1倍，可以达到很高的成像质量(斯特列尔比Strehl Ratio大于0.96)，同时，最大远心角误差小于0.39°＝6.8mrad，倍率误差为0.02ppm。本发明的投影光学系统，其物方和像方工作距离都为15mm，而光学总长小于1160mm。本发明的投影光学系统，如果选取比较容易实现的工艺因子k1＝0.8，光刻分辨率可以达到1微米，足以满足凸块(Bumping)封装光刻机44mm×22mm尺寸芯片封装的技术要求，也可以用于前道工艺的光刻装置，并且选择高透过率光学材料，可以适用于大剂量曝光要求。

Description

全折射式投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种投影光学系统，特别涉及用于半导体光刻等相关领域的投影光学系统。

背景技术

投影光刻技术已经成功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(Bumping)、硅片级芯片尺度封装(WLCSP)技术等领域，并且对于低分辨率投影光学系统不断提出改进提高性能的需求。

美国专利US.6,879,383(公开日：2005年4月12日)提出了一种折反射投影光学系统，与全折射结构相比，最大缺点是横向尺寸大，导致对透镜材料的要求十分高，尤其是大口径的凹面反射镜的加工、检测要求都十分苛刻。而且该专利给出该光学系统的5个实施例中，其数值孔径分别为0.15、0.16、0.16、0.16和0.20，比较小，其工作距离仅达到7.5mm～11mm范围，其光学总长达到1150mm～1200mm以上。而实际用于投影光刻机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，例如对于使用0.25英寸厚掩模版的掩模台设计提出苛刻的限制。该专利提供其光学系统成像质量为：中心点亮度，即斯特列尔比(Strehl Ratio)大于0.95，对应的RMS波像差为0.036λ。

全折射结构，与折反射结构相比，在校正单色像差方面有天然的优势，而如果选用合适的光学材料组合，可以校正位置色差、倍率色差等。同时，全折射结构在视场尺寸、工作距离、装校要求、成本等方面也比折反射结构具有更大的优势。

申请号为200310100169.6的中国专利(2005年4月20日)给出了一种双远心物镜结构，涉及生物芯片检测，但是没有给出物镜结构数据、也没有给出成像质量数据。

申请号为98113037.2的中国专利(2000年6月14日)提出了一种像方远心双高斯系统，涉及精密光学仪器，虽然提供物镜结构数据，并给出成像质量曲线及数据，但是像差校正根本不满足光刻技术的要求，而且还有2个胶合面也不符合光刻技术要求。

申请号为200710040304.0的中国专利，提供满足凸块(Bumping)光刻技术的投影光学系统，像方视场可以获得期望值，但是存在像方数值孔径的限制，光学总长不能很好的达到期望值，而且因透镜材料选取而存在材料内部吸收较大的问题，这样将导致采用该投影光学系统的投影曝光装置产生因为透镜材料吸收光能引起的诸多像质劣化的负面影响问题。

申请号为200710170750.3的中国专利，提供满足凸块(Bumping)光刻技术的投影光学系统，像方视场可以获得期望值，但是存在像方数值孔径的限制，而且因透镜材料选取而存在一定的材料内部吸收问题：该专利选用3种光学材料，其中PBL26Y玻璃的透过率为:99.6％@i-line、99.8％@h-line、99.9％@g-line；SFPL51Y玻璃的透过率为：99.7％@i-line、99.9％@gh-lines；SIO2材料的透过率为：99.9％@ghi-lines(以上数据均是对10mm厚光学材料)。

申请号为200710173558.X的中国专利，提供满足凸块(Bumping)光刻技术的投影光学系统，像方视场可以获得期望值，但是存在像方数值孔径的限制，而且因透镜材料选取而存在材料内部吸收较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成像质量良好、双远心控制良好的投影光学系统，以提高投影光学系统的工作距离，为工件台和掩模台提供较大的设计空间。

为了达到上述目的，本发明提供一种全折射式投影光学系统，沿其光轴方向从物面到像面依次排列正光焦度的第一镜组、正光焦度的第二镜组和正光焦度的第三镜组，其中，所述第一镜组从物面一侧顺次排列凹面朝向物面一侧的弯月正透镜(第一透镜)、凹面朝向物面一侧的弯月负透镜(第二透镜)、凹面朝向物面一侧的弯月正透镜(第三透镜)、凹面朝向物面一侧的弯月正透镜(第四透镜)；所述第二镜组从物面一侧顺次排列双凹负透镜(第五透镜)、凹面朝向物面一侧的弯月正透镜(第六透镜)、凹面朝向物面一侧的弯月正透镜(第七透镜)、双凸正透镜(第八透镜)、双凸正透镜(第九透镜)、双凸正透镜(第十透镜)、凸面朝向物面一侧的弯月正透镜(第十一透镜)、双凹负透镜(第十二透镜)、双凸正透镜(第十三透镜)、双凹负透镜(第十四透镜)；所述第三镜组从物面一侧顺次排列凸面朝向物面一侧的弯月正透镜(第十五透镜)、凸面朝向物面一侧的弯月正透镜(第十六透镜)、凸面朝向物面一侧的弯月负透镜(第十七透镜)、凸面朝向物面一侧的弯月负透镜(第十八透镜)；孔径光阑放置于所述第九透镜和第十透镜之间。

所述的第一透镜和第二透镜的入射表面为非球面，第十七透镜和第十八透镜的出射表面为非球面。

该第一透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十八透镜可以使用高透过率的冕牌玻璃SFPL51Y。

该第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜可以使用高透过率的火石玻璃PBL1Y。

本发明的投影光学系统选用冕牌玻璃SFPL51Y和火石玻璃PBL1Y作为制作透镜的材料，该两种材料在宽带光(g线、h线)工作条件下(10mm厚光学材料)的透过率都大于99.9％，使得该投影光学系统在宽带光工作条件下，像方数值孔径达到0.33，像方视场较大(视场半径24.6mm)，放大倍率为-1倍，可以达到很高的成像质量(视场内最大的RMS波像差小于0.032λ＝13nm，对应的斯特列尔比(Strehl Ratio)大于0.96，成像质量优于背景技术中提到的专利)，同时，最大远心角误差小于0.39°＝6.8mrad，倍率误差为0.02ppm。本发明的投影光学系统，其物方和像方工作距离都为15mm，而光学总长(物像共轭距)小于1160mm。

根据上述数据可知，本发明的投影光学系统，各项指标均达到实际应用的要求，像方数值孔径达到0.33，如果选取比较容易实现的工艺因子k1＝0.8，那么光刻分辨率可以达到1微米(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24.6mm，可以提供44.0mm×22.0mm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，也可以用于前道工艺的光刻装置，并且选择高透过率光学材料，可以适用于大剂量曝光技术要求。

附图说明

图1是本发明的投影光学系统的光路图；

图2是本发明的投影光学系统的传递函数MTF。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种投影光学系统，其像方数值孔径达到0.33，工作波长为436nm、405nm，即光学领域上定义的g线、h线，像方视场半径是24.6mm，可以提供44.0mm×22.0mm的矩形视场，其作用是将物面的图形投影成像在像面上。

该投影光学系统为全折射式结构，放大倍率为-1。如图1所示，该投影光学系统共包括18块透镜，沿其光轴方向从物面到像面依次分为第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3，其中第一镜组G1从物面一侧顺次排列第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4。第二镜组G2从物面一侧顺次排列第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14。第三镜组G3从物面一侧顺次排列第十五透镜L15、第十六透镜L16、第十七透镜L17、第十八透镜L18。孔径光阑放置于第九透镜L9和第十透镜L10之间。

该投影光学系统构成双远心结构，双远心性能由远心角误差来评价，该投影光学系统的最大远心角误差小于0.39°＝6.8mrad，满足设计要求。双远心结构，保证放大倍率不随着物面和像面沿光轴方向的移动而变化。物空间和像空间的成像光锥都是对称的，即物空间和像空间的主光线平行于光轴，就形成双远心结构的投影物镜。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的投影高度仍然没有改变，即放大倍率没有改变。

该投影光学系统第一镜组G1的第一透镜L1是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；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是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜。

该投影光学系统第二镜组G2的第五透镜L5是双凹负透镜；该第六透镜L6是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第七透镜L7是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第八透镜L8是双凸正透镜；该第九透镜L9是双凸正透镜；该第十透镜L10是双凸正透镜；该第十一透镜L11是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第十二透镜L12是双凹负透镜；该第十三透镜L13是双凸正透镜；该第十四透镜L14是双凹负透镜。

该投影光学系统第三镜组G3的第十五透镜L15是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第十六透镜L16是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第十七透镜L17是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜；该第十八透镜L18是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜。

本发明的投影光学系统，所述的第一透镜L1和第二透镜L2的入射表面为非球面，第十七透镜L17和第十八透镜L18的出射表面为非球面，其余32个透镜表面均为球面。其中非球面表面采用多项式拟合，公式如下:

p (h) = \frac{h^{2} / r}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) h^{2} / r^{2}}} + C_{4} * h^{4} + C_{6} * h^{6} + C_{8} h^{8} + C_{10} * h^{10} + Λ

(式1)

其中，r表示表面半径，h表示表面上的任意点到光轴的距离，常数k、C₄、C₆、C₈、C₁₀...等是非球面系数。

目前的封装工艺，如凸块工艺(Bumping)的投影光刻技术，使用的曝光剂量很大，通常可以达到3000mJ/cm²，甚至更大，这样导致的后果就是投影物镜热效应(Lens Heating Effect)很大，引起投影物镜像质的严重劣化。因此，实际工艺情况要求投影物镜在设计阶段就需要密切关注光学材料的吸收问题。基于这些考虑，本专利选择日本OHARA公司的2种高透射率光学玻璃：火石玻璃PBL1Y、冕牌玻璃SFPL51Y，它们在g线、h线的透射率都大于99.9％，这表示它们对光能的吸收比较小(小于0.1％)，有利于降低物镜热效应影响。

该投影光学系统的第一透镜L1、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十八透镜L18可以使用高透过率的冕牌玻璃SFPL51Y。第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16、第十七透镜L17可以使用高透过率的火石玻璃PBL1Y。

该投影光学系统通过这两种高透射率光学玻璃(PBL1Y火石玻璃、SFPL51Y冕牌玻璃)的优化组合，可以有效地校正位置色差，同时球差、像散和场曲也得到很好校正，即轴向像差都得到很好校正。而垂轴像差，如彗差、畸变、倍率色差也得到很好校正。

通过上述投影光学系统的光学设计，在宽带光(g线、h线)工作条件下，可以有效地获得高成像质量，参见图2所示的由光学设计软件CODE_V仿真获得的传递函数MTF，其视场内最大的RMS(均方根值)波像差小于0.032λ＝13nm，对应的斯特列尔比(Strehl Ratio)大于0.96，成像质量优于背景技术中提到的专利。同时，最大远心角误差小于0.39°＝6.8mrad，倍率误差为0.02ppm。物像共轭距小于1160mm，物方和像方工作距为15mm。

该投影光学系统典型的设计数据参见表1、表2和表3。其中，表1是系统总的设计指标，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，表3给出了该投影光学系统中4个非球面表面对应于式1中的各个系数的具体数值。

表2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“半孔径”分别给出了每一表面所对应的球面半径及半孔径的数值；“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的前表面1和后表面2的半径分别为-53.895316mm和-46.104526mm，半孔径分别为30.045961mm和31.878807mm；L1的前表面1到物面(Object)的距离为23mm，L1前、后表面1、2的中心间距10.104917mm即为镜片L1的厚度，而L1后表面2到L2前表面3的距离4.718412mm则表示相邻两块镜片L1、L2的间距。镜片L2的前表面3和后表面4的半径分别为-39.903901mm和-93.664650mm，半孔径分别为31.995247mm和51.444126mm，镜片L2的厚度为36.940570mm。除了像面(Image)的半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。

表1

工作波长	436nm、405nm
工作波长	436nm、405nm	像方数值孔径	0.33
像方视场(半径)	24.6mm	像方数值孔径	0.33
像方视场(半径)	24.6mm	放大倍率	-1
物像共轭距(光学总长)	1159.999944mm	放大倍率	-1
物像共轭距(光学总长)	1159.999944mm	物方工作距	15mm
像方工作距	15mm	物方工作距	15mm

表2

表3

表面1k＝1.372037C4＝1.950555e-006C6＝1.397084e-009C8＝-1.426370e-013C10＝2.291263e-015C12＝-1.733862e-018C14＝-8.717326e-026C16＝9.591393e-025	表面3k＝0.206551C4＝2.705537e-007C6＝2.589337e-010C8＝-8.082656e-016C10＝2.258518e-016C12＝1.403036e-027C14＝2.225647e-032C16＝6.533653e-026
		表面35k＝1.429538C4＝-5.208072e-007C6＝-2.634872e-010C8＝-1.912155e-013C10＝5.556001e-017C12＝-1.222498e-019C14＝-1.633800e-033C16＝7.307341e-027	表面37k＝12.364402C4＝-1.250596e-006C6＝-3.999803e-010C8＝3.104144e-013C10＝-1.449905e-015C12＝1.816824e-018C14＝-1.000636e-021C16＝-9.6228278e-026

Claims

1.一种全折射式投影光学系统，沿其光轴方向从物面到像面依次排列正光焦度的第一镜组、正光焦度的第二镜组和正光焦度的第三镜组，其特征在于：

所述第一镜组从物面一侧依次包括：第一透镜，其为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；第二透镜，其为凹面朝向物面一侧的弯月负透镜；第三透镜，其为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；第四透镜，其为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；

所述第二镜组从物面一侧依次包括：第五透镜，其为双凹负透镜；第六透镜，其为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；第七透镜，其为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；第八透镜，其为双凸正透镜；第九透镜，其为双凸正透镜；第十透镜，其为双凸正透镜；第十一透镜，其为凸面朝向物面一侧的弯月正透镜；第十二透镜，其为双凹负透镜；第十三透镜，其为双凸正透镜；第十四透镜，其为双凹负透镜；

所述第三镜组从物面一侧依次包括：第十五透镜，其为凸面朝向物面一侧的弯月正透镜；第十六透镜，其为凸面朝向物面一侧的弯月正透镜；第十七透镜，其为凸面朝向物面一侧的弯月负透镜；第十八透镜，其为凸面朝向物面一侧的弯月负透镜；

其中，所述第九透镜和第十透镜之间设置有一孔径光阑。

2.根据权利要求1所述的全折射式投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的入射表面为非球面，第十七透镜和第十八透镜的出射表面为非球面。

3.根据权利要求1所述的全折射式投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十八透镜使用高透过率的冕牌玻璃SFPL51Y。

4.根据权利要求1所述的全折射式投影光学系统，其特征在于：所述第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜使用高透过率的火石玻璃PBL1Y。