CN102200624B - 光刻投影物镜 - Google Patents

Abstract

一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在硅片上，从掩模开始包括沿光轴依次设置的：第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑AS、相对于孔径光阑与第二透镜组对称的第三透镜组、相对于孔径光阑与第一透镜组对称的第四透镜组。

Description

光刻投影物镜

技术领域

本发明涉及一种投影物镜光学系统，尤其涉及一种可以应用在步进曝光设备中的光刻投影物镜。

背景技术

光学光刻是一种用光将掩模图案投影复制的技术。集成电路就是由投影曝光装置制成的。借助于投影曝光装置，具有不同掩模图案的图形被成像至基底上，如硅片或LCD板，用于制造集成电路、薄膜磁头、液晶显示板，或微机电(MEMS)等一系列结构。过去数十年曝光设备技术水平不断发展，满足了更小线条尺寸，更大曝光面积，更高可靠性及产率，更低成本的需求。为了实现这种大曝光面积下高分辨率的图案，曝光装置必须提高物镜高数值孔径，缩短光源波长，及采用更复杂的光刻工艺技术。

提高分辨率方法之一就是使用更短的曝光波长。从掩模面成像到硅片面的图案包含数层，所以必须校正光学畸变。其次，必须校正场曲，减少焦深范围内的套刻误差。最后，为了增加焦深，减小套刻误差及放大倍率误差，投影物镜必须实现物方、像方双远心。

步进式光刻设备广泛应用于光刻领域。步进式投影光学的主要特征是：

(1)大的成像范围

(2)宽光谱光源，如汞灯

(3)倾向采用1x放大倍率

为了获得高产率，必须使用宽光谱的汞灯或激光光源。光学光刻领域的大视场步进光刻装置通常使用从g线到h线宽光谱光源。掩模面的光刻胶对波长敏感，为了获得曝光光谱区域内的锐利线条，投影物镜必须校正轴向色差和倍率色差。就g-h线光源光谱区域而言，可以使用很多传统光学玻璃材料。

美国专利US 5,159,496(Oct，27，1992)，介绍了一种将掩模图案投影到光刻胶的物镜。物镜可以校正两种或三种波长的色差。物镜包含光阑，位于物方和光阑之间的前部光学系统，位于像面和光阑之间的后部光学系统。前部及后部光学系统各自包含三个透镜组。部分透镜由反常色散玻璃构成，以校正倍率色差。物镜F数较大，相当于较小的数值孔径0.04。该物镜不是远心结构，且有很大的场曲和像散。使用的光谱区域为g-h线波段。

美国专利US5,930,049(Jul，17，1999)介绍了另一种g-h线波段，高数值孔径光刻投影物镜。该物镜是一种多透镜结构(29-31个透镜)，由五个透镜组实现1/5x放大倍率。物镜应用在扫描类型光刻机中，而不是步进型光刻机。提供的实施例不能实现4纳米带宽内所需的像质，校正色差的玻璃为虚拟玻璃。无玻璃制造商提供。

美国专利US7,158,215(Jan，2，2007)介绍了另一种光刻投影物镜。该投影物镜是Offner类型折反射式1x放大倍率系统。系统包含主镜凹透镜，次镜凹面反射镜，及校正色差的弯月折射透镜。环形狭缝形的视场，一个视场方向很窄，相对宽视场方向的像差尤其是高级像散不能够校正。光阑位于较小的次镜上，如果要改变数值孔径，就不可避免产生渐晕。远心误差由物镜相对光轴的偏移量决定，不能够校正。从视场的形状判断可能是应用于扫描光刻投影装置，而不是步进光刻装置。

美国专利US7,148,953(Dec，12，2006)。介绍了另一种光刻投影物镜。该投影物镜采用Wynne-Dyson类型对称式结构。1x放大倍率系统包含一个透镜组，一个凹面反射镜和两个物像方的折转棱镜。视场是离轴的，而且一个方向很窄，这不适合应用在步进光刻中。其次，不能避免上面专利US7,158,215中的所有缺点。而且这个物镜只有很小的工作距离，物面和像面不互相平行，导致掩模和硅片的工作台需要更大的空间。Dyson类型系统需要分光棱镜，分光棱镜会产生镀膜和胶和问题，还会减少掩模和硅片面的工作距离。

综上所述，需要设计一种光刻投影物镜，使之既能满足大视场、平场的需求，也能够校正畸变、场曲、像散，和宽光谱区域内的轴向及倍率色差。还要保证物镜是双远心，掩模和硅片面工作距离较大，以留出安装空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大数值孔径、大曝光视场投影物镜。

本发明提供的一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在硅片上，从掩模开始包括沿光轴依次设置的：

具有正光焦度第一透镜组；

具有正光焦度第二透镜组；

孔径光阑AS；

具有正光焦度第三透镜组，相对于孔径光阑与第二透镜组对称；

具有正光焦度第四透镜组，相对于孔径光阑与第一透镜组对称；

其中：

第一透镜组接收从掩模出射的光线，包含六个光焦度依次为负、负、正、正、正、负的透镜，其中第一透镜和第二透镜组成具有负光焦度的第一子透镜组G1-1n，第五透镜和第六透镜组成具有负光焦度的第二子透镜组G1-2n；

第二透镜组收集从第一透镜组出射的近似平行光，并将其近似平行地出射至第三透镜组，第二透镜组包含三个光焦度依次为正、负、正的透镜，其中第一透镜和第二透镜组成具有负光焦度的子透镜组G2-1n；

第三透镜组收集从第二透镜组G1出射的近似平行光，并将其近似平行地出射至第四透镜组；

第四透镜组会聚第三透镜组的出射光线，并将其聚焦于掩模W。

其中，该光刻投影物镜的放大倍率为近似1x。

其中，第一透镜组的第一透镜为双凹透镜，第二透镜为凹面面向掩模的弯月式透镜，第三透镜为第一面为非球面的双凸透镜，第四透镜为双凸透镜，第五透镜为凹面面向硅片面的弯月透镜，第六透镜为双凹透镜；第二透镜组的第一透镜是双凸透镜，第二透镜是第二面为面向硅片的非球面的双凹透镜，第三透镜是双凸透镜。

其中，第一透镜组的第五透镜由低色散材料构成，第六透镜由高色散材料构成；第二透镜组的第一透镜由低色散玻璃构成，第二透镜由高色散玻璃构成。

其中，光刻投影物镜的带宽为400纳米到440纳米。

其中，所述光刻投影物镜满足以下关系式：

0.45＜f₁/f₂＜0.75         (1-1)

-0.84＜f_G1-1n/f₁＜0.45    (1-2)

-20＜f_e12/f₁＜-4.5        (1-3)

-1.85＜f_G1-2n/f₁＜-1.56   (1-4)

-0.75＜f_G2-1n/f₂＜-0.55   (1-5)

1.1＜V_e15/V_e16＜1.35      (1-6)

1.1＜V_e17/V_e18＜1.65      (1-7)

其中，f₁是第一透镜组的焦距，f₂是第二透镜组的焦距，f_G1-1n是第一透镜组的第一子透镜组G1-1n的焦距，f_e12是第一透镜组中第二透镜的焦距，f_G1-2n是第一透镜组的第二子透镜组G1-2n的焦距，f_G2-1n是第二透镜组的子透镜组G2-1n的焦距，V_e15和V_e16：第一透镜组的第五透镜和第六透镜的阿贝数；V_e17和V_e18是第二透镜组的第一透镜和第二透镜的阿贝数。

一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在硅片上，从掩模开始包括沿着光轴依次设置的：

具有正光焦度的第一透镜组；

具有负光焦度的第二透镜组；

孔径光阑AS；

具有负光焦度的第三透镜组，相对于孔径光阑与第二透镜组对称；

具有正光焦度的第四透镜组，相对于孔径光阑与第一透镜组对称；

第一透镜组接收来自掩模的光线，包含五个光焦度依次为负、负、正、正、正的透镜，

第一透镜和第二透镜组成具有负光焦度的子透镜组G1-1n；

第二透镜组收集从第一透镜组出射的光线，准直后出射至第三透镜组，第二透镜组包含四个光焦度依次为负、正、负、正的透镜，第二透镜和第三透镜组成具有负光焦度的子透镜组G2-1n。

其中，光刻投影物镜的放大倍率为近似1x。

其中，光刻投影物镜的带宽为400纳米到440纳米。

其中，第一透镜组的第一透镜为双凹透镜，第二透镜为凹面面向掩模的弯月式透镜，第三透镜为第一面是非球面的双凸透镜，第四透镜为凹面面向掩模的弯月透镜，第五透镜为凹面面向硅片的弯月透镜；第二透镜组的第一透镜是双凹透镜，第二透镜是双凸透镜，第三透镜为第二个面为非球面的双凹透镜，第四透镜是双凸透镜。

其中，第一透镜组的所有透镜由相同的低色散材料构成；第二透镜组的第二透镜由低色散材料构成，第三透镜由高色散材料构成。

其中，所述光刻投影物镜满足以下关系式：

-1.25＜f₁/f₂＜-0.08      (2-1)

1.65＜f_G1-1n/f₁＜1.25    (2-2)

-12＜f_e12/f₁＜-3.5       (2-3)

-1.65＜f_G1-1n/f₁＜1.25   (2-4)

0.15＜f_G2-1n/f₂＜0.55    (2-5)

1.45＜V_e156/V_e157＜1.75  (2-6)

0.8＜V_e150/V_e151＜1.25   (2-7)

其中，f₁是第一透镜组的焦距，f₂是第二透镜组的焦距，f_G1-1n是第一透镜组的子透镜组G1-1n的焦距，f_e12是第一透镜组中的第二透镜的焦距，f_G2-1n是第二透镜组的子透镜组G2-1n的焦距，V_e156和V_e157是第二透镜组的第二透镜和第三透镜的阿贝数，V_e150和V_e151：是第一透镜组的第一透镜和第二透镜的阿贝数。

一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在硅片上，从掩模开始包括沿着光轴依次设置的：

具有正光焦度的第一透镜组；

具有正光焦度的第二透镜组；

孔径光阑AS；

具有正光焦度的第三透镜组，相对于孔径光阑与第二透镜组对称；

具有正光焦度的第四透镜组，相对于孔径光阑与第一透镜组对称；

第一透镜组将来自掩模的光线会聚至第二透镜组，第一透镜组包含四个光焦度依次为负、负、正、正的透镜，第一透镜、第二透镜组成具有负光焦度的子透镜组G1-1n；

第二透镜组收集从第一透镜组出射的光线，准直后出射至第三透镜组，第二透镜组包含四个光焦度依次为负、正、负、正的透镜，第一透镜和第二透镜组成具有正光焦度的第一子透镜组G2-1p，第三透镜和第四透镜组成具有负光焦度的第二子透镜组G2-2n；

其中，光刻投影物镜的放大倍率为近似1x。

其中，光刻投影物镜的带宽为400纳米到440纳米。

其中，第一透镜组的第一透镜为双凹透镜，第二透镜为第一面为非球面且凹面面向掩模的弯月式透镜，第三透镜为凹面面向掩模的弯月透镜，第四透镜为双凸透镜；第二透镜组的第一透镜是凹面面向硅片的弯月透镜，第二透镜是双凸透镜，第三透镜为凹面面向硅片的弯月透镜，第四透镜是凹面面向硅片的正光焦度的弯月透镜。

其中，第一透镜组的第一透镜由低色散材料构成，第三透镜由高色散材料构成，第四透镜由高色散材料构成；第二透镜组的第一透镜由高色散材料构成，第二透镜由低色散材料构成，第三透镜由高色散材料构成，第四透镜由低色散材料构成。

其中，所述的光刻投影物镜满足以下关系式：

0.10＜f₁/f₂＜0.30        (3-1)

-0.85＜f_G1-1n/f₁＜-1.15  (3-2)

0.10＜f_G2-1p/f₂＜0.25    (3-3)

1.9＜V_e171/V_e173＜2.55   (3-4)

2.10＜V_e171/V_e74＜2.60   (3-5)

0.30＜V_e175/V_e76＜0.50   (3-6)

0.35＜V_e177/V_e78＜0.45    (3-7)

其中，f₁是第一透镜组的焦距，f₂是第二透镜组的焦距，f_G1-1n是第一透镜组的子透镜组G1-1n的焦距，f_G2-1p是第二透镜组第一子透镜组G2-1p的焦距，V_e171和V_e173是第一透镜组的第一透镜和第三透镜的阿贝数，V_e174是第一透镜组的第四透镜的阿贝数，V_e175和V_e176是第二透镜组的第一透镜和第二透镜的阿贝数，V_e177和V_e178是第二透镜组的第三透镜和第四透镜的阿贝数。

根据本发明的光刻投影物镜，能校正多种像差，特别是畸变、场曲、像散、轴向色差、倍率色差，并实现物像空间的双远心。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1所示为根据本发明第一实施例的光刻投影物镜的示意图；

图2所示为根据本发明第一实施例的光刻投影物镜的波像差曲线；

图3所示为根据本发明第一实施例的光刻投影物镜的场曲、像散、畸变像差；

图4所示为根据本发明第一实施例的光刻投影物镜的倍率色差；

图5所示为根据本发明第一实施例的光刻投影物镜的边缘光线像差曲线；

图6所示为根据本发明第一实施例的光刻投影物镜的远心误差；

图7所示为根据本发明第二实施例的光刻投影物镜的示意图；

图8所示为根据本发明第二实施例的光刻投影物镜的波像差曲线；

图9所示为根据本发明第二实施例的光刻投影物镜的场曲、像散、畸变像差；

图10所示为根据本发明第二实施例的光刻投影物镜的倍率色差；

图11所示为根据本发明第二实施例的光刻投影物镜的边缘光线像差曲线；

图12所示为根据本发明第二实施例的光刻投影物镜的远心误差；

图13所示为根据本发明第三实施例的光刻投影物镜的示意图；

图14所示为根据本发明第三实施例的光刻投影物镜的波像差曲线；

图15所示为根据本发明第三实施例的光刻投影物镜的场曲、像散、畸变像差；

图16所示为根据本发明第三实施例的光刻投影物镜的倍率色差；

图17所示为根据本发明第三实施例的光刻投影物镜的边缘光线像差曲线；

图18所示为根据本发明第三实施例的光刻投影物镜的远心误差。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。

本发明提供一种大数值孔径、大曝光视场的投影物镜，且能够校正宽光谱g-h线波像差。该投影物镜能够良好校正畸变、场曲、像散，轴向及倍率色差，并实现物像方空间双远心的物面和像面分离，整个系统为近似1x放大倍率。

第一实施例：

图1为根据本发明第一实施例的光刻投影物镜30的光学系统示意图。

物镜30包含四个正透镜组G1，G2，G3和G4。孔径光阑AS 100位于第二透镜组G2与第三透镜组G3之间。掩模R投影到硅片W的线性放大倍率为近似1x。第一透镜组G1与第四透镜组G4关于光阑对称。第二透镜组G2与第三透镜组G3也关于光阑对称。

第一透镜组G1将来自掩模的光线会聚至第二透镜组。第一透镜组G1包含六个透镜1、2、3、4、5、6，光焦度依次为负、负、正、正、正、负。第一透镜组包含两个子透镜组G1-1n和G1-2n，第一子透镜组G1-1n为负光焦度，包含第一透镜组的第一透镜1、第二透镜2；第二子透镜组G1-2n为负光焦度，包含第一透镜组的第五透镜5、第六透镜6。第一透镜组的第一透镜1为负光焦度，是双凹透镜，第一透镜组G1的第二透镜2为负光焦度弯月式透镜，且凹面103面向掩模R。第一透镜组G1的第三透镜3为正光焦度双凸透镜。第三透镜3第一面105为非球面，用来校正像散和远心误差。第一透镜组G1的第四透镜4为正光焦度双凸透镜。第一透镜组G1的第五透镜5为正光焦度弯月透镜，凹面110面向硅片W。第一透镜组G1的第六透镜6为负光焦度的双凹透镜，由高色散材料构成。以上第一透镜组的透镜结构组合校正了像散，场曲，远心，且压缩了光学系统总长。

第二透镜组G2收集从第一透镜组G1出射的近似平行光，也近似平行地出射至第三透镜组G3。第二透镜组G2包含三个透镜7、8、9，光焦度依次为正、负、正。第二透镜组G2包含一负光焦度的子透镜组G2-1n，子透镜组G2-1n包含第二透镜组G2的第一透镜7和第二透镜8。第二透镜组G2的第一透镜7是正光焦度的双凸透镜。第二透镜组G2的第二透镜8为负光焦度的双凹透镜，由高色散玻璃构成。第二透镜组G2第二透镜8面向硅片W的面130为非球面，用于补偿高级球差。第二透镜组G2的第三透镜9是正光焦度的双凸透镜。以上第二透镜组的透镜结构组合校正了球差，轴向色差和二级光谱。

第三透镜组与第二透镜组相对于光阑AS对称。第三透镜组G3收集从第二透镜组G2出射的近似平行光，也是近似平行地出射至第四透镜组G4。第三透镜组G3包含三个透镜10、11、12，光焦度依次为正、负、正。第三透镜组G3包含一负光焦度的子透镜组G3-1n，子透镜组G3-1n包含第三透镜组G3的第二透镜11，第三透镜12。第三透镜组G3的第一透镜10为双凸正透镜。第三透镜组G3的第二透镜11为双凹的负透镜，由高色散材料构成。第三透镜组G3第二透镜11的面向掩模R的面140为非球面，用于补偿高级球差。第三透镜组G3的第三透镜12是正光焦度的双凸透镜。

第四透镜组与第一透镜组相对光阑对称。第四透镜组会聚第三透镜组的出射光线，并聚焦于硅片W。第四透镜组包含六个透镜13、14、15、16、17、18，光焦度依次为负、正、正、正、负、负。第四透镜组G4包含两个子透镜组G4-1n及G4-2n，第一子透镜组G4-1n为负光焦度，包含第四透镜组的第一透镜13和第二透镜14；第二子透镜组G4-2n为负光焦度，包含第四透镜组的第五透镜17和第六透镜18。第四透镜组的第一透镜13为负光焦度的双凹透镜，由高色散材料构成。第四透镜组的第二透镜14为正光焦度弯月透镜，凹面114面向掩模R。第四透镜组的第三透镜15为正光焦度双凸透镜。第四透镜组第四透镜16，是双凸透镜，透镜16的面向硅片W的面117为非球面，用于校正像散和远心误差。第四透镜组第五透镜17为负光焦度弯月透镜，透镜17凹面120面向硅片W。第四透镜组的第六透镜18为负光焦度双凹透镜。

第一透镜组G1和第四透镜组G4分别靠近物面和像面，用于校正物镜的远心误差，像散和场曲。第二透镜组G2和第三透镜组G3均靠近光阑AS，用于校正物镜的球差和轴向色差。

投影物镜关于光阑对称，所以不存在慧差，畸变及倍率色差。正光焦度透镜使用低色散材料，负光焦度透镜使用高色散材料，这种组合校正了色差。单个透镜对总色差的贡献量与轴向点近轴光线投射高度的平方、透镜光焦度、材料阿贝数的倒数，三者成正比。第二及第三透镜组的设计校正了轴向色差。第一及第四透镜组校正了像散。第一透镜组透镜3及第四透镜组透镜16的非球面有助于校正子午像散和整个系统的远心。球差由第二及第三透镜组校正。

场曲和弧矢像散的校正通过第一透镜组G1的第一子透镜组G1-1n中的负透镜1及厚弯月式弱负光焦度透镜2组合实现，其中弯月透镜2的凹面103面向掩模R。相同的校正通过第四透镜组G4的第二子透镜组G4-2n中的负透镜18及厚弯月式弱负光焦度透镜17组合实现，其中弯月透镜17的凹面120面向硅片W。

透镜组G1的第三、第四透镜3、4和透镜组G4的第三、第四透镜15、16用于校正子午像散和远心误差。由于这个目的，这些透镜都被设计为正光焦度，透镜3的第一个面105和透镜16的第二个面117为高次非球面。透镜3的非球面105面向掩模R，透镜16的非球面117面向硅片W。

望远式子透镜组G1-2n包含正光焦度低色散透镜5和负光焦度高色散透镜6，G1-2n子透镜组用来压缩透镜总长，同时补偿由子透镜组G1-1n及透镜3、4带来的色球差。类似的望远式子透镜组G4-1n包含负光焦度高色散透镜13和正光焦度低色散透镜14，G4-1n子透镜组用来压缩透镜总长，同时补偿由子透镜组G4-2n及透镜15、16带来的色球差。子透镜组G1-2n的透镜5和子透镜组G4-1n的透镜14由熔融石英构成。子透镜组G1-2n的透镜6和子透镜组G4-1n的透镜13由BSM51Y-OHARA构成。

由于光源具有400到440nm宽带宽，必须校正轴向色差和二级光谱。这是通过以下方法实现的：子透镜组G2-1n的透镜7由低色散反常色散材料构成，透镜8由高色散材料构成。同样的，子透镜组G3-1n的透镜11由高色散材料构成，透镜12由低色散反常色散材料构成。Caf2作为低色散反常色散材料，BSM51Y作为高色散材料。子透镜组G2-1n与G3-1n的光焦度都是负值，透镜组G2的第三透镜9与透镜组G3的第一透镜10为正光焦度。透镜9、10补偿子透镜组G2-1n与G3-1n带来的球差。

以下透镜组G1、G2、G3、G4、及其子透镜组透镜间的关系式进一步确立了物镜像质优化的基础。

0.45＜f₁/f₂＜0.75         (1-1)

-0.84＜f_G1-1n/f₁＜-0.45   (1-2)

-20＜f_e12/f₁＜-4.5        (1-3)

-1.85＜f_G1-2n/f₁＜-1.56   (1-4)

-0.75＜f_G2-1n/f₂＜-0.55   (1-5)

1.1＜V_e15/V_e16＜1.35      (1-6)

1.1＜V_e17/V_e18＜1.65      (1-7)

其中：

f₁：透镜组G1的焦距；

f₂：透镜组G2的焦距；

f_G1-1n：透镜组G1的子透镜组G1-1n的焦距；

f_e12：子透镜组G1-1n中弯月式透镜2的焦距；

f_G1-2n：透镜组G1的子透镜组G1-2n的焦距；

f_G2-1n：透镜组G2的子透镜组G2-1n的焦距；

V_e15和V_e16：子透镜组G1-2n中透镜5和透镜6的阿贝数；

V_e17和V_e18：子透镜组G2-1n中透镜7和透镜8的阿贝数；

由于是近似1x放大倍率系统，透镜组G3、G4及相应子透镜组、透镜也应满足类似的关系式。

关系式(1-1)-(1-7)定义了透镜组G1、G2、G3、G4、及其子透镜组、透镜校正像差的结构关系。

本实施例中光刻投影物镜中的各透镜的参数如表1所示：

表面类型    半径(mm)    厚度(mm)    材料    通光口径    备注

                                            (mm)

            Infinity    45.14445                        Object

Sphere      -126.932    8.116472    SILICA  42.09159

Sphere      211.6409    16.78667            49.11572

Sphere      -98.6014    30.26171    SILICA  49.11738

Sphere      -76.7787    2.542089            62.68226

Asphere     -154.404    34.13505    SILICA  73.31192    A(1)

Sphere      -125.644    0.5                 75.44307

Sphere      202.0771    31.50521    SILICA  80.17842

Sphere      -244.778    0.5                 80.59215

Sphere      99.11957    32.08076    SILICA  71.28397

Sphere      1841.601    20.92147            65.18342

Sphere      -3161.45    8           BSM51Y  52.72192

Sphere      69.60824    138.834             47.79705

Sphere      665.4425    24.19691    CAF2    47.39707

Sphere      -84.4703    0.5                 47.36307

Sphere      -83.4967    8.003024    BSM51Y  47.1338

Asphere     234.0162    14.10928            48.66002    A(2)

Sphere      200.9549    28.86588    CAF2    52.89498

Sphere      -114.815    5.000002            53.58722

Sphere      Infinity    5.000002            51.629      stop

Sphere      114.8153    28.86588    CAF2    54.05004

Sphere    -200.955        14.10928               53.45288

Asphere   -234.016        8.003024    BSM51Y     49.43503     A(3)

Sphere    83.496680.5     48.10195

Sphere    84.47029        24.19691    CAF2       48.37204

Sphere    -665.443        138.834                48.43772

Sphere    -69.6082        8           BSM51Y     48.57738

Sphere    3161.448        20.92147               53.65113

Sphere    -1841.6         32.08076    SILICA     66.13762

Sphere    -99.1196        0.5                    72.11115

Sphere    244.7777        31.50521    SILICA     81.65227

Sphere    -202.077        0.5                    81.28062

Sphere    125.6437        34.13505    SILICA     76.17766

Asphere   154.4039        2.542089               74.34292     A(4)

Sphere    76.77872        30.26171    SILICA     63.23572

Sphere    98.60136        16.78667               49.47638

Sphere    -211.641        8.116472    SILICA     49.65886

Sphere    126.9322        45.14445               42.39329

          Infinity                                            Image

其中，非球面参数为：

ASPHERIC CONSTANTS

$Z=\frac{{\left(\mathrm{CURV}\right)Y}^2}{1+{(1-(1+K){\left(\mathrm{CURV}\right)}^2{Y}^2)}^{1/2}}+{\left(A\right)Y}^4+{\left(B\right)Y}^6+{\left(C\right)Y}^8+{\left(D\right)Y}^{10}$

表1

本实施例的光刻投影物镜的波像差如图2所示，其中全视场波前已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的视场像差如图3所示，其中场曲、像散已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的倍率色差如图4所示，其中全视场倍率色差已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的边缘光线像差曲线如图5所示，其中0.2数值孔径的球差和离轴球差已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的远心误差如图6所示，其中物镜为校正远心的双远心结构。

第二实施例：

图7所示为根据本发明第二实施例的光刻投影物镜40的光学系统示意图。

物镜40包含四个透镜组G1，G2，G3和G4。孔径光阑AS位于第二透镜组G2与第三透镜组G3之间。掩模R投影到硅片W的线性放大倍率为近似1x。第一透镜组G1与第四透镜组G4关于光阑对称。第二透镜组G2与第三透镜组G3也关于光阑对称。透镜组G1，G2，G3和G4的光焦度依次为正、负、负、正。

第一透镜组G1将来自掩模的光线会聚至第二透镜组。第一透镜组G1包含五个透镜50、51、52、53、54，光焦度依次为负、负、正、正、正。第一透镜组包含一个子透镜组G1-1n，子透镜组G1-1n为负光焦度，包含第一透镜组的第一透镜50、第二透镜51。第一透镜组的第一透镜50为负光焦度的双凹透镜，第一透镜组G1的第二透镜51为负光焦度的弯月式透镜，且凹面202面向掩模R。第一透镜组G1的第三透镜52为正光焦度双凸透镜。第三透镜52的第一面204为非球面，用于校正像散和远心误差。第一透镜组G1的第四透镜53为正光焦度弯月透镜，透镜53的凹面206面向掩模R。第一透镜组G1的第五透镜54为正光焦度弯月透镜，凹面208面向硅片W。以上第一透镜组的透镜结构组合校正了像散，场曲，远心，且压缩了光学系统总长。

第二透镜组G2收集从第一透镜组G1出射的光线，准直后出射至第三透镜组G3。第二透镜组G2包含四个透镜55、56、57、58，光焦度依次为负、正、负、正。第二透镜组G2包含一负光焦度的子透镜组G2-1n，子透镜组G2-1n包含第二透镜组G2的第二透镜56和第三透镜57。第二透镜组G2的第一透镜55是双凹透镜。第二透镜组G2的第二透镜56是双凸透镜，由低色散玻璃构成。第二透镜组G2第三透镜57为双凹透镜，由高色散材料构成。第三透镜57的第二个面210为非球面以补偿高级球差及减小物镜的F数。第二透镜组G2的第四透镜58是正光焦度的双凸透镜。以上第二透镜组的四个透镜结构组合校正了球差，轴向色差和二级光谱。

投影物镜为近似1x放大倍率系统，关于光阑AS对称。第四透镜组G4与第一透镜组G1结构近似对称。第三透镜组G3与第二透镜组G2结构近似对称。

第一透镜组G1和第四透镜组G4分别靠近物面和像面，校正物镜的远心误差、像散和场曲。第二透镜组G2和第三透镜组G3均靠近光阑AS，校正物镜的球差和轴向色差。

与第一实施例相类似，投影物镜关于光阑对称，所以不存在慧差，畸变及倍率色差。正光焦度透镜使用低色散材料，负光焦度透镜使用高色散材料，这种组合校正了色差。第二及第三透镜组的设计校正了轴向色差。第一及第四透镜组校正了像散。第一透镜组的透镜52及第四透镜组的透镜65的非球面有助于校正子午像散和整个系统的远心。球差由第二透镜组G2及第三透镜组G3校正。第二透镜组G2的透镜57及第三透镜组G3的透镜60的非球面校正了高级球差。场曲的校正通过透镜组G1、G2、G3、G4的光焦度组合来实现。

场曲和弧矢像散的校正通过第一透镜组G1的第一子透镜组G1-1n中的负透镜50及厚弯月式(弱光焦度的负透镜)51组合实现。弯月透镜51的凹面202面向掩模R。

透镜组G1的第三透镜52、第四透镜53、第五透镜54均为正光焦度透镜，用来校正像散和远心误差。透镜52的面204为面向掩模R的非球面，校正高级像散。

为了补偿由子透镜组G1-1n带来的场曲和色球差，透镜52、53、54由与子透镜组G1-1n相同的低色散材料SFPL51Y OHARA构成。

校正轴向色差和二级光谱是通过以下方法实现的：子透镜组G2-1n的透镜56由低色散反常色散材料构成，透镜57由高色散材料构成。Caf2作为低色散反常色散材料，BSM51Y作为高色散材料。子透镜组G2-1n的光焦度都是负值，透镜组G2的第一透镜55为负光焦度，透镜组G2第四透镜58为正光焦度。透镜58补偿子透镜组G2-1n带来的球差。

以下透镜组G1、G2，及其子透镜组和透镜间的关系式进一步确立了物镜像质优化的基础。

-1.25＜f₁/f₂＜-0.08        (2-1)

-1.65＜f_G1-1n/f₁＜-1.25    (2-2)

-12＜f_e12/f₁＜-3.5         (2-3)

0.15＜f_G2-1n/f₂＜0.55      (2-4)

1.45＜V_e156/V_e157＜1.75    (2-5)

0.8＜V_e150/V_e151＜1.25     (2-6)

其中：

f₁：透镜组G1的焦距；

f₂：透镜组G2的焦距；

f_G1-1n：透镜组G1的子透镜组G1-1n的焦距；

f_e12：子透镜组G1-1n弯月式透镜51的焦距；

f_G2-1n：透镜组G2的子透镜组G2-1n的焦距；

V_e156和V_e157：子透镜组G1-2n中的透镜56和透镜57的阿贝数；

V_e150和V_e151：子透镜组G2-1n中的透镜50和透镜51的阿贝数。

关系式(2-1)-(2-6)定义了投影物镜透镜组G1、G2、G3、G4、及其子透镜组、透镜校正像差的结构关系。

本实施例中光刻投影物镜中的各透镜的参数如表2所示：

表面类型    半径(mm)    厚度(mm)    材料             通光口径  备注

                                                     (mm)

            Infinity    46.2727                                Object

Sphere      -163.368    8           SFPL51Y_OHARA    40.395

Sphere      309.9971    21.53847                     44.121

Sphere      -67.2551    34.9658     SFPL51Y_OHARA    44.738

Sphere      -83.9536    12.87321                     60.309

Asphere     -620.063    23.31362    SFPL51Y_OHARA    74.016    A(1)

Sphere      -202.432    0.5                          78.014

Sphere      402.9276    31.88811    SFPL51Y_OHARA    84.714

Sphere      -209.634    0.537955                     85.172

Sphere      179.934     21.99608    SFPL51Y_OHARA    82.072

Sphere      966.3272    132.4133                     80.846

Sphere      -842.049    8.399738    BSM51Y_OHARA     43.475

Sphere      83.90816    30.81834                     40.397

Sphere      147.4593    27.07599    CAF2_SPECIAL     42.63

Sphere      -69.2363    1.488135                     42.41

Sphere      -65.9941    8.109269    BSM51Y_OHARA     41.811

Sphere      305.0855    14.77455                     43.728

Sphere      352.8892    22.19611C   AF2_SPECIAL      46.976

Sphere      -87.4581    2.827303                     47.52

Sphere      Infinity    2.827303                     43.078    stop

Sphere      87.45815    22.19611C   AF2_SPECIAL      47.835

Sphere    -352.889    14.77455                    47.329

Sphere    -305.085    8.109269    BSM51Y_OHARA    44.099

Sphere    65.99408    1.488135                    42.113

Sphere    69.23631    27.07599    CAF2_SPECIAL    42.714

Sphere    -147.459    30.81834                    42.915

Sphere    -83.9082    8.399738    BSM51Y_OHARA    40.598

Sphere    842.0489    132.4133                    43.685

Sphere    -966.327    21.99608    SFPL51Y_OHARA   80.96

Sphere    -179.934    0.537955                    82.174

Sphere    209.6341    31.88811    SFPL51Y_OHARA   85.243

Sphere    -402.928    0.5                         84.786

Sphere    202.4321    23.31362    SFPL51Y_OHARA   78.043

Asphere   620.0626    12.87321                    74.035   A(2)

Sphere    83.95359    34.9658     SFPL51Y_OHARA   60.285

Sphere    67.25506    21.53847                    44.696

Sphere    -309.997    8S          FPL51Y_OHARA    44.054

Sphere    163.3681    46.2727                     40.318

          Infinity    0                                    Image

其中，非球面参数为：

ASPHERIC CONSTANTS

$Z=\frac{{\left(\mathrm{CURV}\right)Y}^2}{1+{(1-(1+K){\left(\mathrm{CURV}\right)}^2{Y}^2)}^{1/2}}+{\left(A\right)Y}^4+{\left(B\right)Y}^6+{\left(C\right)Y}^8+{\left(D\right)Y}^{10}$

表2

本实施例的光刻投影物镜的波像差曲线如图8所示，其中全视场波前已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的视场像差如图9所示，其中场曲、像散已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的倍率色差如图10所示，其中全视场倍率色差已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的边缘光线像差曲线如图11所示，其中0.2数值孔径的球差和离轴球差已被校正。

本实施例的光刻投影物镜的远心误差如图12所示，其中物镜为校正远心的双远心结构。

第三实施例

图13所示为根据本发明的第三实施例的光刻投影物镜70的光学系统示意图。

物镜70包含四个正光焦度透镜组G1，G2，G3和G4。孔径光阑AS位于第二透镜组G2与第三透镜组G3之间。掩模R投影到硅片W的线性放大倍率为近似1x。第一透镜组G1与第四透镜组G4关于光阑对称。第二透镜组G2与第三透镜组G3关于光阑对称。

第一透镜组G1将来自掩模R的光线会聚至第二透镜组G2。第一透镜组G1包含四个透镜71、72、73、74，光焦度依次为负、负、正、正。第一透镜组G1包含一个子透镜组G1-1n，子透镜组G1-1n为负光焦度，包含第一透镜组G1的第一透镜71、第二透镜72。第一透镜组的第一透镜71为负光焦度双凹透镜，由低色散材料构成。第一透镜组G1的第二透镜72为负光焦度弯月式透镜，且凹面310面向掩模R。第二透镜72第一面310为非球面，用于校正像散和远心误差。第一透镜组G1的第三透镜73为正光焦度弯月透镜，凹面350面向掩模R，由高色散材料构成。

第一透镜组G1的第四透镜74为正光焦度双凸透镜，由高色散材料构成。

以上第一透镜组G1透镜结构组合校正了像散，场曲，远心，且压缩了光学系统总长。第一透镜组G1的材料组合校正了轴向色差和二级光谱。

第二透镜组G2收集从第一透镜组G1出射的光线，并出射至第三透镜组G3。第二透镜组G2包含四个透镜75、76、77、78，光焦度依次为负、正、负、正。第二透镜组G2包含一正光焦度的子透镜组G2-1p，和一负光焦度的子透镜组G2-2n。子透镜组G2-1p包含第二透镜组G2的第一透镜75和第二透镜76。第二透镜组G2的第一透镜75是负光焦度的弯月透镜，其凹面315面向硅片W，由高色散材料构成。第二透镜组G2的第二透镜76是双凸透镜，由低色散材料构成。

子透镜组G2-2n包含第二透镜组G2的第三透镜77，第四透镜78，。第二透镜组G2的第三透镜77为负光焦度透镜，其凹面325面向硅片W。第三透镜77由高色散材料构成。第二透镜组G2的第四透镜78是正光焦度的弯月透镜，其凹面335面向硅片W，由低色散玻璃构成。

以上第二透镜组的四个透镜结构组合校正了球差，轴向色差和二级光谱。

投影物镜为近似1x放大倍率系统，关于光阑AS对称。第四透镜组G4与第一透镜组G1结构近似对称。第三透镜组G3与第二透镜组G2结构近似对称。

第一透镜组G1和第四透镜组G4分别靠近物面和像面，校正物镜的远心误差，像散和场曲。第二透镜组G2和第三透镜组G3靠近光阑AS，校正物镜的球差和轴向色差，且并不引入弧矢像散。

投影物镜关于光阑对称，所以不存在慧差，畸变及倍率色差。此对称系统前半部透镜组G1和G2的光焦度匹配及色散材料的匹配，校正了轴向色差、二级光谱和色球差。第一透镜组G1的第一透镜71由低色散的OHARA玻璃SFPL51Y构成，为负光焦度。第一透镜组G1的第三透镜73由高色散的OHARA玻璃PBM18Y构成，为正光焦度。第一透镜组G1的第四透镜74由高色散的OHARA玻璃PBM2Y构成，为正光焦度。

子透镜组G2-1p的第一透镜75及子透镜组G2-2n的第一透镜77分别由高色散的OHARA玻璃PBM2Y和PBL25Y构成。子透镜组G2-1p的第二透镜76及子透镜组G2-2n的第二透镜78分别由低色散的OHARA玻璃SFPL51Y和CAF2构成。以上玻璃组合校正了400到440nm范围内的色球差及二级光谱。

第一透镜组G1及第四透镜组G4校正了视场像差。第一透镜组G1的第一负透镜71及弱负光焦度非球面弯月透镜72组合有助于校正子午像散和弧矢像散。弯月透镜72的非球面凹面310面向掩模R。相似的校正通过第四透镜组G4的负透镜86及弱负光焦度非球面弯月透镜85来实现。透镜85的非球面凹面面向硅片W。

第一透镜组G1的非球面透镜72及第四透镜组G4的非球面透镜85组合校正残余的子午像散及残余的远心误差。

场曲的校正要通过正负光焦度的匹配完成，第一子透镜组G1-1n为负光焦度，第一透镜组G1的透镜73和74为正光焦度，二者组合校正场曲。第二透镜组G2子透镜组G2-1p光焦度为正，子透镜组G2-2n光焦度为负，二者组合校正场曲。

以下透镜组G1、G2、G3、G4，及其子透镜组和透镜间的关系式进一步确立了物镜像质优化的基础。

0.10＜f₁/f₂＜0.30          (3-1)

-0.85＜f_G1-1n/f₁＜-1.15    (3-2)

0.10＜f_G2-1p/f₂＜0.25      (3-3)

1.9＜V_e171/V_e173＜2.55     (3-4)

2.10＜V_e171/V_e74＜2.60    (3-5)

0.30＜V_e175/V_e76＜0.50    (3-6)

0.35＜V_e177/V_e78＜0.45    (3-7)

其中：

f₁：第一透镜组G1的焦距；

f₂：第二透镜组G2的焦距；

f_G1-1n：第一透镜组G1的第一子透镜组G1-1n的焦距；

f_G2-1p：第二透镜组G2的第一子透镜组G2-1p的焦距；

V_e171和V_e173：第一透镜组G1中第一透镜71和第三透镜73的阿贝数；

V_e174：第一透镜组G1中第四透镜74的阿贝数；

V_e175和V_e176：第二透镜组G2的第一子透镜组G2-1p中的第一透镜75和第二透镜76的阿贝数；

V_e177和V_e178：第二透镜组G2的第二子透镜组G2-1n中的第一透镜77和第二透镜78的阿贝数。

由于是近似1x放大倍率系统，透镜组G3、G4及相应子透镜组、透镜也应满足类似的关系式。

关系式(3-1)-(3-7)定义了投影物镜透镜组G1、G2、G3、G4、及其子透镜组、透镜校正像差的结构关系。

本实施例中光刻投影物镜中的各透镜的参数如表3所示：

表面类型    半径(mm)    厚度(mm)    材料          通光口径    备注

(mm)

            Infinity    37.08826                              Object

Sphere      -101.842    8.442844    SFPL51Y_OHARA 45.93631

Sphere      1228.205    22.28772                  57.06461

Asphere     -73.2562    34.36661    BSM51Y_OHARA  57.06749    A(1)

Sphere      -79.9522    0.888375                  69.4291

Sphere      -290.959    29.27068    PBM18Y_OHARA  83.0979

Sphere      -112.325    3.244132                  84.38392

Sphere      375.4784    26.14982    PBM2Y_OHARA   85.99502

Sphere      -473.064    229.5342                  85.38206

Sphere    79.25227    12.27328    PBM2Y_OHARA      31.82516

Sphere    67.57454    4.320224                     29.15049

Sphere    72.59654    20.89909    SFPL51Y_OHARA    28.97495

Sphere    -321.347    0.586682                     26.80145

Sphere    -211.639    8.021006    PBL25Y_OHARA     26.80078

Sphere    52.78387    0.5                          25.20058

Sphere    51.87459    8.50096C    AF2_SPECIAL      25.34734

Sphere    201.7557    3.626122                     25.21417

Sphere    Infinity    3.626122                     29.85606        stop

Sphere    -201.756    8.50096     CAF2_SPECIAL     25.29557

Sphere    -51.8746    0.5                          25.48163

Sphere    -52.7839    8.021006    PBL25Y_OHARA     25.35727

Sphere    211.6395    0.586682                     27.25712

Sphere    321.3472    20.89909    SFPL51Y_OHARA    27.25186

Sphere    -72.5965    4.320224                     29.51223

Sphere    -67.5745    12.27328    PBM2Y_OHARA      29.71287

Sphere    -79.2523    229.5342                     32.53597

Sphere    473.0643    26.14982    PBM2Y_OHARA      88.253

Sphere    -375.478    3.244132                     88.75278

Sphere    112.3253    29.27068    PBM18Y_OHARA     86.43404

Sphere    290.9591    0.888375                     85.7513

Sphere    79.95215    34.36661    BSM51Y_OHARA     70.52317

Asphere   73.25615    22.28772                     58.56589        A(2)

Sphere    -1228.2     8.442844    SFPL51Y_OHARA    59.63069

Sphere    101.8418    37.08826                     47.11564

          Infinity    0                                            Image

其中，非球面参数为：

ASPHERIC CONSTANTS

$Z=\frac{{\left(\mathrm{CURV}\right)Y}^2}{1+{(1-(1+K){\left(\mathrm{CURV}\right)}^2{Y}^2)}^{1/2}}+{\left(A\right)Y}^4+{\left(B\right)Y}^6+{\left(C\right)Y}^8+{\left(D\right)Y}^{10}$

表3

本实施例的光刻投影物镜的波像差曲线如图14所示。

本实施例的光刻投影物镜的视场像差如图15所示。

本实施例的光刻投影物镜的倍率色差如图16所示。

本实施例的光刻投影物镜的边缘光线像差曲线如图17所示。

本实施例的光刻投影物镜的校正远心误差如图18所示。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在基底上，从掩模开始包括沿光轴依次设置的：

具有正光焦度第一透镜组；

具有正光焦度第二透镜组；

孔径光阑AS；

具有正光焦度第三透镜组，所述第三透镜组相对于孔径光阑与第二透镜组对称设置；

具有正光焦度第四透镜组，所述第四透镜组相对于孔径光阑与第一透镜组对称设置；

其中：

第一透镜组接收从掩模出射的光线，包含六个光焦度依次为负、负、正、正、正、负的透镜，其中第一透镜和第二透镜组成具有负光焦度的第一子透镜组G1-1n，第五透镜和第六透镜组成具有负光焦度的第二子透镜组G1-2n；

第二透镜组收集从第一透镜组出射的近似平行光，并将其近似平行地出射至第三透镜组，第二透镜组包含三个光焦度依次为正、负、正的透镜，其中第一透镜和第二透镜组成具有负光焦度的子透镜组G2-1n；

第三透镜组收集从第二透镜组G1出射的近似平行光，并将其近似平行地出射至第四透镜组；

第四透镜组会聚第三透镜组的出射光线，并将其聚焦于基底。

2.根据权利要求1所述的光刻投影物镜，其中，该光刻投影物镜的放大倍率为近似1x。

3.根据权利要求2所述的光刻投影物镜，其中，第一透镜组的第一透镜为双凹透镜，第二透镜为凹面面向掩模的弯月式透镜，第三透镜为第一面为非球面的双凸透镜，第四透镜为双凸透镜，第五透镜为凹面面向基底面的弯月透镜，第六透镜为双凹透镜；第二透镜组的第一透镜是双凸透镜，第二透镜是第二面为面向基底的非球面的双凹透镜，第三透镜是双凸透镜。

4.根据权利要求3所述的光刻投影物镜，其中，第一透镜组的第五透镜由低色散材料构成，第六透镜由高色散材料构成；第二透镜组的第一透镜由低色散玻璃构成，第二透镜由高色散玻璃构成。

5.根据权利要求1所述的光刻投影物镜，其中，光刻投影物镜的带宽为400纳米到440纳米。

6.根据权利要求1～5中任意一个所述的光刻投影物镜，其中，

所述光刻投影物镜满足以下关系式：

0.45＜f₁/f₂＜0.75                  (1-1)

-0.84＜f_G1-1n/f₁＜-0.45            (1-2)

-20＜f_e12/f₁＜-4.5                 (1-3)

-1.85＜f_G1-2n/f₁＜-1.56            (1-4)

-0.75＜f_G2-1n/f₂＜-0.55            (1-5)

1.1＜V_e15/V_e16＜1.35               (1-6)

1.1＜V_e17/V_e18＜1.65               (1-7)

其中，f₁是第一透镜组的焦距，f₂是第二透镜组的焦距，f_G1-1n是第一透镜组的第一子透镜组G1-1n的焦距，f_e12是第一透镜组中第二透镜的焦距，f_G1-2n是第一透镜组的第二子透镜组G1-2n的焦距，f_G2-1n是第二透镜组的子透镜组G2-1n的焦距，V_e15和V_e16：第一透镜组的第五透镜和第六透镜的阿贝数；V_e17和V_e18是第二透镜组的第一透镜和第二透镜的阿贝数。

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