CN102486569A - 一种投影物镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种投影物镜系统，从物面至像面依次排有：一具有正光焦度的第一透镜组；一光焦度为负的第二透镜组；一光焦度为正的第三透镜组；一光焦度为负的第四透镜组；一光焦度为正的第五透镜组，其分为两组子透镜组，在两组子透镜组之间具有一光阑，其特征在于，该投影物镜系统的有效焦距f、该物面至像面的距离L、该光阑处各个视场发出的光束最大口径之差ΔR、该光阑处中心视场发出的光束的最大口径R满足以下条件：0.12＜|L/f|＜0.4；以及ΔR/R＜1％。

Description

一种投影物镜系统
技术领域
本发明涉及一种投影物镜系统，尤其涉及用于制作半导体芯片或其他微器件的步进式光刻机中的投影物镜系统。
背景技术
美国专利US6806942对于相对带宽δλ/λ＞0.002，甚至δλ/λ＞0.005的波长范围，提出了一种三凸双腰结构投影物镜，其中三个凸起具有正光焦度，两个腰部具有负光焦度，并且通过对于材料的优化选择，很好的校正色差，使系统具有较好的稳定性。
图1和图2所示为美国专利US6806942的投影物镜，共包括31片光学元件，可分成五组：G1、G2、G3、G4和G5，其中G1-G4见图1，G1包括第1片到第5片共5片透镜，第1片和第3片采用高透过率材料，第2片为负透镜；G2包括第6片到第9片，共4片透镜，均为负透镜，其中第9片采用高折射率材料；G3包括第10片到第13片共4片透镜，为正透镜，其中第13片采用高透过率材料：G4包括第14到16片，为负透镜，均采用高折射率材料。G5如图2所示，包括第17到第31片，其中第20片为光学平板，第22片、第27片、第30片和第31片采用高折射率材料。在图1中，107表示光轴，103表示物面，113表示中心视场，109和111分别表示中心视场的上下两条边缘光线，121表示边缘视场，115和119分别表示边缘视场上下两条边缘光线。图2中123表示光阑面，105表示像面。
这种结构的投影物镜的缺点在于，系统的远心较大，尤其是物方远心较差，导致本系统对于掩模面上由于加工产生的不平整度极其敏感，即掩模面上微小的凹凸经投影物镜的放大，会引起硅片面上成像质量，尤其是畸变的极大变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种投影物镜系统，其具有大孔径双远心结构，用于将该投影物镜物平面上的图案成像到投影物镜的像平面上，以避免先前技术中掩模面上微小的凹凸经投影物镜放大而引起硅片面上的成像质量之缺失。
本发明的投影物镜，从物面至像面依次排列有：第一透镜组，其光焦度为正；第二透镜组，其光焦度为负；第三透镜组，其光焦度为正；第四透镜组，其光焦度为负；第五透镜组，其光焦度为正，具有第一、第二子透镜组；以及光阑，位于该第一、第二子透镜组之间；其特征在于，该投影物镜系统的有效焦距f、该物面至像面的距离L、该光阑处各个视场发出的光束最大口径之差ΔR、该光阑处中心视场发出的光束的最大口径R满足以下条件：0.12＜|L/f|＜0.4以及ΔR/R＜1％。
该第一透镜组包括具有负光焦度的第一子透镜组，该第一子透镜组至少包括一片负透镜，该负透镜的前表面为非球面；以及具有正光焦度的第二子透镜组，该第二子透镜组至少包括三个透镜。
该第二透镜组至少包括三片负透镜。
该第三透镜组至少包括三片正透镜。
该第四透镜组至少包括三片负透镜，最后一个透镜的后表面为非球面。
该第五透镜组的第一子透镜组均为正透镜，其中最靠近光阑的正透镜的前表面弯向光阑，其弯曲顶点远离光阑，曲率半径为正值，后表面同样弯向光阑，其弯曲顶点远离光阑，且曲率半径大于该前表面的曲率半径。该第五透镜组的第二子透镜组包括一片负透镜，该负透镜的后表面为非球面。
该投影物镜还具有第一、第二、第三平板，分别位于该物面与第一透镜组之间、该光阑与该第五透镜组的第一子透镜组之间、以及该第五透镜组与该像面之间。其中，该第一、第三平板作为保护玻璃，避免内部光学镜片受外界影响，该第二平板作为预留补偿元件，可被修磨以补偿其它光学元件对系统像质的影响。
该投影物镜系统至少包括两种光学材料，一种是在工作波长处折射率大于1.6的高折射率材料，一种是在工作波长处折射率小于1.6的低折射率材料。其中，第一透镜组中第一子透镜组中的负透镜的材料为低折射率材料，第二子透镜组中至少有一个透镜的材料为高折射率材料；第二透镜组中的负透镜至少有两个的材料为高折射率材料；第三透镜组中至少有一个正透镜的材料是高折射率材料；第四透镜组中至少有两个负透镜的材料是高折射率材料；第五透镜组中第一子透镜组的透镜材料均为低折射率材料，第二子透镜组具有非球面表面的负透镜的材料为高折射率材料，且口径不小于0.9Dmax。
投影物镜的物方工作距离＞40mm，像方工作距离＞10mm，所成像与光轴的夹角＜3mrad，像方数值孔径大于0.5。
较佳地，投影物镜的物方工作距离＞45mm，像方工作距离＞12mm，所成像与光轴的夹角＜1mrad，投影物镜系统有效焦距与物面到像面的距离之比在0.15-0.3之间，光阑处由各个视场发出的光束最大口径之差与中心视场发出的光束的最大口径之比＜0.5％，像方数值孔径大于0.65。
上述投影物镜系统可被用于微光刻系统中。
本发明的投影物镜数值孔径最大可以达到0.65以上，适用于紫外光谱范围，尤其是i-line波段，最大光谱宽度可以达到5nm。具有双远心效果，即在物方，物面上的各视场的主光线平行于光轴入射到第一光学元件上；在像方，各视场点的主光线准平行于光轴出射，成像在像面上，其与光轴的夹角＜3mrad，某些情况下可以达到1mrad以下。因此，本发明的投影物镜对于掩模面上由于加工产生的不平整度并不敏感，即掩模面上微小的凹凸不会引起硅片面上成像质量，尤其是畸变的显著变化。
物面到像面的距离(L)与投影物镜系统有效焦距(f)之比在0.12-0.4之间，更优的是在0.15-0.3之间，从而有利于控制畸变在一定范围内，同时也保证了系统结构的紧凑。
此投影物镜系统光阑处由各个视场发出的光束最大口径之差与中心视场发出的光束的最大口径之比＜1％，更优的＜0.5％。这样既减少了光瞳遮拦，而且有利于在整场内得到能量均匀的线条。
本发明的投影物镜可广泛用于280nm节点技术中，特别是可以用于240nm节点技术中。
附图说明
图1和图2所示为美国专利US6806942的投影物镜的结构示意图；
图3所示为根据本发明的实施例的投影物镜的结构示意图；
图4所示为图3中的投影物镜的近轴场曲和畸变图；
图5所示为图3中的投影物镜的像差曲线图。
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。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。
根据本发明的投影物镜的总长不超过1200mm，适用于i-line光谱范围，光谱宽度可达5nm，放大倍率0.25，像方数值孔径＞0.5，优选＞0.65，像方对角线视场＞56mm，有效焦距(f)与物面到像面的距离(L)之比的范围0.12＜|L/f|＜0.4，优选0.15＜|L/f|＜0.3，在物方，物面上的各视场的主光线平行于光轴入射到第一光学元件上；在像方，各视场点的主光线准平行于光轴出射，成像在像面上，其与光轴的夹角＜3mrad，优选＜1mrad。物方工作距离＞40mm，优选＞45mm，像方工作距离＞10mm，优选＞12mm。此处的物方工作距离指物面到物方光学平板的距离，或者在物方没有保护玻璃的情况下，指物面到第一片光学透镜在沿光轴方向的最短距离，像方工作距离指像方光学平板到像面的距离，或者在像方没有保护玻璃的情况下，指最后一片光学元件到像面在沿光轴方向的最短距离。
图3所示为根据本发明的投影物镜的一实施例。如图3所示，其中Object和Image分别代表物面和像面，AS是光阑，整个投影物镜共包括30片光学元件：27片光学透镜和P1、P2、P3三片光学平板。沿光线传播方向按依次排列，根据光焦度的分布情况可以分成五组，分别是第一透镜组S1、第二透镜组S2、第三透镜组S3、第四透镜组S4和第五透镜组S5。第一透镜组S1的光焦度为正，包括L1-L5共5片光学透镜，其中L1为负透镜，采用折射率＜1.6的低折射率材料，其前表面为非球面1，此非球面与其最佳拟合球面的矢高差不超过0.3mm，其作用是减小高级像差的产生，有利于后继畸变的校正；第二透镜组S2的光焦度为负，包括L6-L8三片负透镜，其中L7和L8采用折射率高于1.6的高折射率材料；第三透镜组S3的光焦度为正，包括L9-L11三片正透镜，均采用折射率低于1.6的低折射率材料；第四透镜组S4的光焦度为负，包括L12-L15四片透镜，其中透镜L13和透镜L14采用n＞1.6的高折射率材料，透镜L15采用n＜1.6的低折射率材料且透镜L15后表面为非球面，其作用是校正与视场有关像差；第五透镜组S5的光焦度为正，包括L16-L27共12片光学透镜以及一个光学平板P2，这些光学元件根据其作用可以分成两个子透镜组：LS1和LS2，在两个子透镜组之间存在一光阑AS。第一子透镜组LS1包括L16-L18三片光学透镜，以及光学平板P2，光学透镜均为正透镜，采用n＜1.6的低折射率材料，其中最靠近光阑的正透镜L18的第一表面弯向光阑，其弯曲顶点远离光阑，曲率半径为正值；第二表面同样弯向光阑，其弯曲顶点远离光阑，且曲率半径大于第一表面，这种结构有效校正了光阑面的Petzval场曲。第二子透镜组LS2包括L19-L27共9片透镜，除L20外均采用n＜1.6的低折射率材料；L20为负透镜，采用n＞1.6的高折射率材料，且L20的后表面为非球面，口径不小于0.9Dmax，其主要作用是校正与光阑有关的像差。光阑处由各个视场发出的光束最大口径之差与中心视场发出的光束的最大口径之比＜1％，优选＜0.5％。
三片平行平板分别位于最接近物面的第一片透镜位置，光阑前一片透镜位置和最接近像面的最后一片透镜位置。其中第一片光学平板和最后一片光学平板均作为保护玻璃，避免内部光学透镜受到外界系统干扰；光阑前一片透镜可作为预留补偿元件，必要时可进行修磨，以补偿其他光学元件的加工误差对于系统像质的影响。
投影物镜系统的具体参数参见表1和表2。
表1
Figure BSA00000367929000061
Figure BSA00000367929000071
表2
Figure BSA00000367929000072
图4所示为图3中的投影物镜的近轴场曲和畸变图。可以看出本结构有很小的场曲和像散值，场曲小于100nm，像散小于70nm。
图5所示为图3中的投影物镜的像差曲线图。可以看出本案例中各种主要像差都得到很好校正，仅剩余少量色球差。
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 (14)

1.一种投影物镜系统，从物面至像面依次排列有：
第一透镜组，其光焦度为正；
第二透镜组，其光焦度为负；
第三透镜，其光焦度为正；
第四透镜组，其光焦度为负；
第五透镜组，其光焦度为正，具有第一、第二子透镜组；以及
光阑，位于该第一、第二子透镜组之间；
其特征在于，该投影物镜系统的有效焦距f、该物面至像面的距离L、该光阑处各个视场发出的光束最大口径之差ΔR、该光阑处中心视场发出的光束的最大口径R满足以下条件：
0.12＜|L/f|＜0.4         (1)；
ΔR/R＜1％               (2)。
2.根据权利要求1所述的投影物镜系统，其中，该第一透镜组包括具有负光焦度的第一子透镜组，该第一子透镜组至少包括一片负透镜，该负透镜的前表面为非球面；以及具有正光焦度的第二子透镜组，该第二子透镜组至少包括三个透镜。
3.根据权利要求1所述的投影物镜系统，其中，该第二透镜组至少包括三片负透镜。
4.根据权利要求1所述的投影物镜系统，其中，该第三透镜组至少包括三片正透镜。
5.根据权利要求1所述的投影物镜系统，其中，该第四透镜组至少包括三片负透镜，最后一个透镜的后表面为非球面。
6.根据权利要求1所述的投影物镜系统，其中，该第五透镜组的第一子透镜组均为正透镜，其中最靠近光阑的正透镜的前表面弯向光阑，其弯曲顶点远离光阑，曲率半径为正值，后表面同样弯向光阑，其弯曲顶点远离光阑，且曲率半径大于该前表面的曲率半径。
7.如权利要求1或6所述的投影物镜系统，其中，该第五透镜组的第二子透镜组包括一片负透镜，该负透镜的后表面为非球面。
8.根据权利要求1所述的透镜物镜系统，还包括第一、第二、第三平板，分别位于该物面与第一透镜组之间、该光阑与该第五透镜组的第一子透镜组之间、以及该第五透镜组与该像面之间。
9.根据权利要求8所述的投影物镜系统，其中，该第一、第三平板作为保护玻璃，避免内部光学镜片受外界影响，该第二平板作为预留补偿元件，可被修磨以补偿其它光学元件对系统像质的影响。
10.根据权利要求1-8中任意一个所述的投影物镜系统，其中，该投影物镜系统至少包括两种光学材料，一种是在工作波长处折射率大于1.6的高折射率材料，一种是在工作波长处折射率小于1.6的低折射率材料。
11.根据权利要求10所述的投影物镜系统，其中，该第一透镜组中第一子透镜组中的负透镜的材料为低折射率材料，该第一透镜组中的第二子透镜组中至少有一个透镜的材料为高折射率材料；该第二透镜组中的负透镜至少有两个的材料为高折射率材料；该第三透镜组中至少有一个正透镜的材料是高折射率材料；该第四透镜组中至少有两个负透镜的材料是高折射率材料；该第五透镜组中第一子透镜组的透镜材料均为低折射率材料，该第五透镜组中第二子透镜组具有非球面表面的负透镜的材料为高折射率材料，且口径不小于0.9Dmax。
12.根据权利要求1所述的投影物镜系统，其中，投影物镜的物方工作距离＞40mm，像方工作距离＞10mm，像方数值孔径大于0.5。
13.根据权利要求1所述的投影物镜系统，其中，投影物镜的物方工作距离＞45mm，像方工作距离＞12mm，所成像与光轴的夹角＜1mrad，该物面到像面的距离与投影物镜系统有效焦距之比在0.15-0.3之间，该光阑处由各个视场发出的光束最大口径之差与中心视场发出的光束的最大口径之比＜0.5％，像方数值孔径大于0.65。
14.一种微光刻系统，其特征在于，使用了根据权利要求1-13中任意一个所述的投影物镜系统。
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