CN102298198B - 一种大视场光刻投影物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在硅片上，从掩模开始沿光轴依次设置具有负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；具有正光焦度的第三透镜组；以及具有负光焦度的第四透镜组；所述第三透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；所述第四透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称。本发明的光刻投影光学系统提供一种大曝光视场投影物镜，能校正多种像差，并实现物像空间的双远心。本发明采用1x放大倍率设计，数值孔径0.1，且提供半视场为100mm的大视场，满足高产率光刻设备需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是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
目前在半导体加工领域，微米级分辨率，高产率的投影光学系统需求日益增加。步进式光刻设备为了获得高产率，必须具有大的成像范围，宽光谱光源如汞灯，同时为了简化设计，倾向采用1x放大倍率系统。
日本专利JPA2002287029，介绍了一种1x放大倍率光刻投影物镜。物镜结构相对简单，只有12片镜片，但F数很大，F＝12相当于较小的数值孔径0.045，最大半视场110mm。
日本专利JPA2002072080介绍了另一种1x放大倍率投影物镜，该物镜也采用了多透镜结构(32个镜片)，数值孔径0.145，半视场大小为71mm。
发明内容
本发明的目的在于设计一种大视场光刻投影物镜，以相对简单的结构实现微米极的分辨率，特别是能够实现大的曝光视场，及较大的工作距离。同时还要能够较好的校正大视场范围内的像差。
本发明一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在硅片上，从掩模开始沿光轴依次设置：
具有负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；
具有正光焦度的第三透镜组；以及
具有负光焦度的第四透镜组；
所述第三透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；
所述第四透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称；
所述第一透镜组由两片透镜构成，第一透镜光焦度为正，第二透镜光焦度为负；
所述第二透镜组由四片透镜构成，光焦度依次为正、正、正、负；
所述第二透镜组包含一子透镜组，子透镜组包括第二透镜组的第一、第二和第三透镜；
其中，所述光刻投影物镜满足以下关系式：
-0.014＜f2/f1＜-0.027
0.015＜f1-2/f1＜0.023
0.59＜f2n/f2＜0.74
1.33＜V1-1/V1-2＜1.53
1.5＜V2-2/V2-3＜2.3
1.9＜V2-2/V2-4＜2.5
f1：第一透镜组的焦距；f2：第二透镜组的焦距；f2n：第二透镜组的子透镜组的焦距；f1-2：第一透镜组第二透镜的焦距；
V1-1和V1-2：第一透镜组第一透镜和第二透镜的阿贝数；V2-2和V2-3：第二透镜组第二透镜和第三透镜的阿贝数；V2-2和V2-4：第二透镜组第二透镜和第四透镜的阿贝数。
优选的，系统放大倍率为-1x。
其中所述第一透镜组的第一透镜为平凸透镜，平面面向掩模；所述第一透镜组的第二透镜为双凹透镜。
其中所述第一透镜组的第一透镜由低色散材料构成；所述第一透镜组的第二透镜由高色散材料构成。
其中所述第二透镜组的第一透镜为双凸透镜；第二透镜组的第二透镜为双凸透镜；第二透镜组的第三透镜为弯月透镜，凹面面向硅片面；第二透镜组的第四透镜为弯月透镜，凹面面向硅片面。
其中所述第二透镜组的第一透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第二透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第三透镜由高色散材料构成；第二透镜组的第四透镜由高色散材料构成。
一种光刻投影物镜，把掩模的图像聚焦成像在硅片上，从掩模开始沿光轴依次设置：
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；
具有正光焦度的第三透镜组，；所述第三透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；以及
具有正光焦度的第四透镜组；所述第四透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称；
所述第一透镜组由两片透镜构成，第一透镜光焦度为正，第二透镜光焦度为负；
所述第二透镜组由五片透镜构成，光焦度依次为负、正、正、正、负；
所述第二透镜组包含一子透镜组，子透镜组包括第二透镜组的第二、第三和第四透镜；
其中，所述光刻投影物镜满足以下关系式：
0.65＜f1/f2＜0.94
-2.7＜f1-2/f1＜-1.1
0.12＜f2n/f2＜0.33
0.44＜V1-1/V1-2＜0.65
0.45＜V2-1/V2-2＜0.67
1.1＜V2-4/V2-5＜1.35
f1：第一透镜组的焦距；f2：第二透镜组的焦距；f2n：第二透镜组的子透镜组的焦距；f1-2：第一透镜组第二透镜的焦距；
V1-1和V1-2：第一透镜组第一透镜和第二透镜的阿贝数；V2-1和V2-2：第二透镜组第一透镜和第二透镜的阿贝数；V2-4和V2-5：第二透镜组第四透镜和第五透镜的阿贝数。
优选的，系统放大倍率为-1x。
其中所述第一透镜组的第一透镜为双凸透镜；所述第一透镜组的第二透镜为弯月透镜，凹面面向硅片面。
其中所述第一透镜组的第一透镜由高色散材料构成；所述第一透镜组的第二透镜由低色散材料构成。
其中所述第二透镜组的第一透镜为双凹透镜；第二透镜组的第二透镜为近似平凸透镜，近似平面面向掩模面；第二透镜组的第三透镜为双凸透镜；第二透镜组的第四透镜为双凸透镜；第二透镜组的第五透镜为双凹透镜。
其中所述第二透镜组的第一透镜由高色散材料构成；第二透镜组的第二透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第三透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第四透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第五透镜由高色散材料构成。
本发明的光刻投影光学系统提供一种大曝光视场投影物镜，能校正多种像差，并实现物像空间的双远心。相对于以上背景技术，本发明也采用1x放大倍率设计，数值孔径0.1，且提供半视场为100mm的大视场，满足高产率光刻设备需求。
附图说明
图1所示为本发明投影物镜光学系统第一实施例结构示意图；
图2所示为本发明投影物镜光学系统第一实施例像差曲线图；
图3所示为本发明投影物镜光学系统第一实施例畸变曲线图；
图4所示为本发明投影物镜光学系统第一实施例物方及像方远心曲线图；
图5所示为本发明投影物镜光学系统第二实施例结构示意图；
图6所示为本发明投影物镜光学系统第二实施例像差曲线图；
图7所示为本发明投影物镜光学系统第二实施例畸变曲线图；
图8所示为本发明投影物镜光学系统第二实施例物方及像方远心曲线图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
第一实施例
如图1所示，图1为本发明光学系统第一实施例结构示意图。其中，光学系统的物镜10为12片结构，全部为球面，采取对称式结构。透镜组G11由两片透镜11、12构成。透镜11光焦度为正，为平凸透镜，平面111面向掩模R，由低色散材料构成；透镜12光焦度为负，由高色散材料构成。透镜组G12由四片透镜13、14、15、16构成，光焦度依次为正、正、正、负。透镜组G12包含一子透镜组G12-1n，子透镜组G12-1n包含透镜组G12的透镜13、14、15。透镜13和透镜14由低色散材料构成，透镜15和透镜16由高色散材料构成。透镜组G13与透镜组G12关于光阑AS对称；透镜组G14与G11关于光阑AS对称。
物镜前后半部系统对称，形成-1倍的放大倍率，慧差、畸变等垂轴像差自动补偿。透镜组G11由两分离的正负透镜构成，校正了场曲、像散，同时保证物方远心。透镜组G11的第一透镜11由OHARA的SFSL5Y构成，透镜组G11的第二透镜12由OHARA的PBL6Y构成，二者组合校正轴向色差及色球差。透镜组G12由三个正透镜与一个负透镜构成，补偿了透镜组G11产生的球差。透镜组G12的第一透镜13、第二透镜14由SFPL51Y构成，透镜组G12第三透镜15由PBL25Y构成，透镜组G12第四透镜16由PBM18Y构成，透镜组G12的材料匹配校正了透镜组G11的残余色差。后半部系统透镜组G13、G14的作用类似。
其中各透镜组满足如下关系式：
-0.014＜f2/f1＜-0.027
0.015＜f1-2/f1＜0.023
0.59＜f2n/f2＜0.74
1.33＜V1-1/V1-2＜1.53
1.5＜V2-2/V2-3＜2.3
1.9＜V2-2/V2-4＜2.5
f1：第一透镜组G11的焦距；f2：第二透镜组G12的焦距；f2n：第二透镜组G12的子透镜组G12-1n的焦距；f1-2：第一透镜组G11第二透镜双凹透镜12的焦距；
V1-1和V1-2：第一透镜组G11的第一透镜11和第二透镜12的阿贝数；V2-2和V2-3：第二透镜组G12的第二透镜14和第三透镜15的阿贝数；V2-2和V2-4：第二透镜组G12的第二透镜14和第四透镜16的阿贝数。
由于是-1x放大倍率系统，透镜组G13、G14及相应子透镜组、透镜也应满足类似的关系式。
上述关系式定义了透镜组G11、G12、G13、G14、及其子透镜组、透镜校正像差的结构关系。
第一实施例的各参数要求如表1所示：
表1
| 工作波长 | 365nm±3nm |
| 物/像方数值孔径NA | 0.1 |
| 放大倍率 | -1 |
| 视场(直径) | 200mm |
| 物像距离 | 1800mm |
| 物/像方工作距 | 170mm |
表2给出了第一实例的投影物镜的具体设计值，正的半径值表示曲率中心在表面的右边，负的半径值代表曲率中心在表面的左边。光学元件厚度或两个光学元件之间的间隔是到下一个表面的轴上距离。所有尺寸单位都是毫米。
表2中，“S#”表示表面编号；“STOP”表示孔径光阑AS；表面类型全部为球面；半径项中，“INF”表示无穷大。
表2
| S# | 半径 | 厚度与间距 | 材料 | 备注 |
| 0 | 1.00E+18 | 170.0003 | 工作距离WDI | |
| 1 | 1.00E+18 | 55 | SFSL5Y_OHARA | L1 |
| 2 | -277.756 | 304.9361 | ||
| 3 | -400.844 | 15 | PBL6Y_OHARA | L2 |
| 4 | 234.2826 | 133.0429 | ||
| 5 | 507.4085 | 42.46572 | SFPL51Y_OHARA | L3 |
| 6 | -326.233 | 17.13166 | ||
| 7 | 260.4371 | 45.4846 | SFPL51Y_OHARA | L4 |
| 8 | -992.192 | 7.758513 | ||
| 9 | 362.9919 | 27.39283 | PBL25Y_OHARA | L5 |
| 10 | 1955.639 | 51.13878 | ||
| 11 | -345.729 | 16.55092 | PBM18Y_OHARA | L6 |
| 12 | 208.5346 | 64.30986 | ||
| 13 | 1.00E+18 | 64.30986 | (Stop) | |
| 14 | -208.535 | 16.55092 | PBM18Y_OHARA | L7 |
| 15 | 345.7292 | 51.13878 | ||
| 16 | -1955.64 | 27.39283 | PBL25Y_OHARA | L8 |
| 17 | -362.992 | 7.758513 | ||
| 18 | 992.1919 | 45.4846 | SFPL51Y_OHARA | L9 |
| 19 | -260.437 | 17.13166 | ||
| 20 | 326.2327 | 42.46572 | SFPL51Y_OHARA | L10 |
| 21 | -507.409 | 133.0429 | ||
| 22 | -234.283 | 15 | PBL6Y_OHARA | L11 |
| 23 | 400.8436 | 304.9361 | ||
| 24 | 277.756 | 55 | SFSL5Y_OHARA | L12 |
| 25 | 1.00E+18 | 170.0003 | ||
| 26 | INF | 30.00 |
考虑到紫外波段投影物镜的热效应，表2中所述物镜材料取自OHARA的高透过材料。
图2为本实施例的像差图，图3为本实施例的畸变图，图4为本实施例的物方和像方远心性能图，均得到很好的校正，满足曝光的需求。
第二实施例
在本发明的另一个实施例中，通过增加两片镜片，使系统总长从1800mm压缩到1400m，工作距离减少到100mm仍可接受。
如图5所示，本发明第二实施例的光学系统中，物镜30为14片结构，全部为球面，采取对称式结构。透镜组G31由两片透镜31、32构成。透镜31光焦度为正，为双凸透镜，由高色散材料构成；透镜32光焦度为负，为弯月式透镜，其凹面304面向硅片面W，透镜32由低色散材料构成。透镜组G32由五片透镜33、34、35、36、37构成，光焦度依次为负、正、正、正、负。透镜组G32包含一子透镜组G32-1n，子透镜组G32-1n包含透镜组G32的透镜34、35、36。透镜34、35、36由低色散材料构成，透镜33、37由高色散材料构成。透镜组G33与透镜组G32关于光阑AS对称；透镜组G34与G31关于光阑AS对称。
与第一实施例类似，物镜前后半部系统对称，形成-1倍的放大倍率，慧差、畸变等垂轴像差自动补偿。
透镜组G31由两分离的正负透镜构成，校正了场曲、像散，同时保证物方远心。透镜组G31的第一透镜31由PBM18Y构成，透镜组G31的第二透镜32由SFSL5Y构成，二者组成反常色散组合。
透镜组G32的第一透镜为PBL26Y构成的双凹负透镜。透镜组G32的子透镜组G32-1n包含三个正透镜，透镜35由SFPL5Y构成，透镜36、37由SFPL51Y构成。透镜组G32的第四透镜为双凹透镜，由BSL7Y构成。透镜组G3补偿了透镜组G31产生的球差，及残余色差。后半部系统透镜组G33、G34的作用类似。
第二实施例的各参数要求如表3所示：
表3
| 工作波长 | 365nm±3nm |
| 物/像方数值孔径NA | 0.1 |
| 放大倍率 | -1 |
| 视场(直径) | 200mm |
| 物像距离 | 1400mm |
| 物/像方工作距 | 100mm |
以下透镜组G31、G32、G33、G34、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。
0.65＜f1/f2＜0.94
-2.7＜f1-2/f1＜-1.1
0.12＜f2n/f2＜0.33
0.44＜V1-1/V1-2＜0.65
0.45＜V2-1/V2-2＜0.67
1.1＜V2-4/V2-5＜1.35
f1：第一透镜组G31的焦距；f2：第二透镜组G32的焦距；f2n：第二透镜组G32的子透镜组G32-1n的焦距；f1-2：第一透镜组G31弯月式第二透镜32的焦距；
V1-1和V1-2：第一透镜组G31第一透镜31和第二透镜32的阿贝数；V2-1和V2-2：第二透镜组G32第一透镜33和第二透镜34的阿贝数；V2-4和V2-5：第二透镜组G32第四透镜36和第五透镜37的阿贝数。
由于是-1x放大倍率系统，透镜组G33、G34及相应子透镜组、透镜也应满足类似的关系式。
上述关系式定义了透镜组G31、G32、G33、G34、及其子透镜组、透镜校正像差的结构关系。
表4给出了本实例的投影物镜的具体设计值，正的半径值表示曲率中心在表面的右边，负的半径值代表曲率中心在表面的左边。光学元件厚度或两个光学元件之间的间隔是到下一个表面的轴上距离。所有尺寸单位都是毫米。
表4中，“S#”表示表面编号，“STOP”表示孔径光阑AS，表面类型全部为球面。半径项中，“INF”表示无穷大。
表4
| S# | 半径 | 厚度与间距 | 材料 | 备注 |
| 0 | INF | 100 | 工作距离WDI | |
| 1 | 451.7592 | 34.49461 | PBM18Y_OHARA | L1 |
| 2 | -415.624 | 134.1063 | ||
| 3 | 368.0461 | 30 | SFSL5Y_OHARA | L2 |
| 4 | 143.4072 | 130.0898 | ||
| 5 | -117.851 | 20 | PBL26Y_OHARA | L3 |
| 6 | 406.2378 | 37.09429 | ||
| 7 | 1005.518 | 38.85729 | SFSL5Y_OHARA | L4 |
| 8 | -199.185 | 3 | ||
| 9 | 665.471 | 29.1856 | SFPL51Y_OHARA | L5 |
| 10 | -219.494 | 3 | ||
| 11 | 246.1716 | 23.89752 | SFPL51Y_OHARA | L6 |
| 12 | -578.545 | 8.558107 | ||
| 13 | -336.761 | 16.92375 | BSL7Y_OHARA | L7 |
| 14 | 268.5001 | 90.79328 | ||
| 15 | INF | 90.79328 | (Stop) | |
| 16 | -268.5 | 16.92375 | BSL7Y_OHARA | L8 |
| 17 | 336.7612 | 8.558107 | ||
| 18 | 578.5449 | 23.89752 | SFPL51Y_OHARA | L9 |
| 19 | -246.172 | 3 | ||
| 20 | 219.4942 | 29.1856 | SFPL51Y_OHARA | L10 |
| 21 | -665.471 | 3 | ||
| 22 | 199.1854 | 38.85729 | SFSL5Y_OHARA | L11 |
| 23 | -1005.52 | 37.09429 | ||
| 24 | -406.238 | 20 | PBL26Y_OHARA | L12 |
| 25 | 117.851 | 130.0898 | ||
| 26 | -143.407 | 30 | SFSL5Y_OHARA | L13 |
| 27 | -368.046 | 134.1063 | ||
| 28 | 415.6244 | 34.49461 | PBM 18Y_OHARA | L14 |
| 29 | -451.759 | 100 | ||
| 30 | INF |
图6为本实施例的像差图，图7为本实施例的畸变图，图8为本实施例的物方和像方远心性能图，均得到很好的校正，满足曝光的需求。
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 (12)
1.一种光刻投影物镜，用于把位于所述投影物镜的物平面内的图案投射到所述投影物镜像平面内，其特征在于从所述物平面开始沿光轴依次设置：
具有负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；
具有正光焦度的第三透镜组；所述第三透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；以及
具有负光焦度的第四透镜组；所述第四透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称；
所述第一透镜组由两片透镜构成，第一透镜光焦度为正，第二透镜光焦度为负；
所述第二透镜组由四片透镜构成，光焦度依次为正、正、正、负；
所述第二透镜组包含一子透镜组，子透镜组包括第二透镜组的第一、第二和第三透镜；
其中，所述光刻投影物镜满足以下关系式：
-0.014＜F2/f1＜-0.027
0.015＜f1-2/f1＜0.023
0.59＜F2n/F2＜0.74
1.33＜V1-1/V1-2＜1.53
1.5＜V2-2/V2-3＜2.3
1.9＜V2-2/V2-4＜2.5
f1：第一透镜组的焦距；F2：第二透镜组的焦距；F2n：第二透镜组的子透镜组的焦距；f1-2：第一透镜组第二透镜的焦距；
V1-1和V1-2：第一透镜组第一透镜和第二透镜的阿贝数；V2-2和V2-3：第二透镜组第二透镜和第三透镜的阿贝数；V2-2和V2-4：第二透镜组第二透镜和第四透镜的阿贝数。
2.根据权利要求1所述光刻投影物镜，其特征在于放大倍率为-1x。
3.根据权利要求1所述光刻投影物镜，其中所述第一透镜组的第一透镜为平凸透镜，平面面向掩模；所述第一透镜组的第二透镜为双凹透镜。
4.根据权利要求1所述光刻投影物镜，其中所述第一透镜组的第一透镜由低色散材料构成；所述第一透镜组的第二透镜由高色散材料构成。
5.根据权利要求1所述光刻投影物镜，其中所述第二透镜组的第一透镜为双凸透镜；第 二透镜组的第二透镜为双凸透镜；第二透镜组的第三透镜为弯月透镜，凹面面向硅片面；第二透镜组的第四透镜为弯月透镜，凹面面向硅片面。
6.根据权利要求1所述光刻投影物镜，其中所述第二透镜组的第一透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第二透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第三透镜由高色散材料构成；第二透镜组的第四透镜由高色散材料构成。
7.一种光刻投影物镜，用于把位于所述投影物镜的物平面内的图案投射到所述投影物镜像平面内，其特征在于从所述物平面开始沿光轴依次设置：
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；
具有正光焦度的第三透镜组；所述第三透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；以及
具有正光焦度的第四透镜组；所述第四透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称；
所述第一透镜组由两片透镜构成，第一透镜光焦度为正，第二透镜光焦度为负；
所述第二透镜组由五片透镜构成，光焦度依次为负、正、正、正、负；
所述第二透镜组包含一子透镜组，子透镜组包括第二透镜组的第二、第三和第四透镜；
其中，所述光刻投影物镜满足以下关系式：
0.65＜f1/F2＜0.94
-2.7＜f1-2/f1＜-1.1
0.12＜F2n/F2＜0.33
0.44＜V1-1/V1-2＜0.65
0.45＜V2-1/V2-2＜0.67
1.1＜V2-4/V2-5＜1.35
f1：第一透镜组的焦距；F2：第二透镜组的焦距；F2n：第二透镜组的子透镜组的焦距；f1-2：第一透镜组第二透镜的焦距；
V1-1和V1-2：第一透镜组第一透镜和第二透镜的阿贝数；V2-1和V2-2：第二透镜组第一透镜和第二透镜的阿贝数；V2-4和V2-5：第二透镜组第四透镜和第五透镜的阿贝数。
8.根据权利要求7所述光刻投影物镜，其特征在于放大倍率为-1x。
9.根据权利要求7所述光刻投影物镜，其中所述第一透镜组的第一透镜为双凸透镜；所述第一透镜组的第二透镜为弯月透镜，凹面面向硅片面。
10.根据权利要求7所述光刻投影物镜，其中所述第一透镜组的第一透镜由高色散材料构成；所述第一透镜组的第二透镜由低色散材料构成。
11.根据权利要求7所述光刻投影物镜，其中所述第二透镜组的第一透镜为双凹透镜；第二透镜组的第二透镜为近似平凸透镜，近似平面面向掩模面；第二透镜组的第三透镜为双凸透镜；第二透镜组的第四透镜为双凸透镜；第二透镜组的第五透镜为双凹透镜。
12.根据权利要求7所述光刻投影物镜，其中所述第二透镜组的第一透镜由高色散材料构成；第二透镜组的第二透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第三透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第四透镜由低色散材料构成；第二透镜组的第五透镜由高色散材料构成。
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