CN102540435A - 一种反射型投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反射型投影光学系统，其对极紫外光有良好的反射特性，该投影光学系统包括六个反射镜，能够成实像，并在一定视场范围内能很好地消除像差。依物面发出光线所经过的反射镜顺序，该6个反射镜依次是凹、凸、凹、凹、凸、凹面形。该投影光学系统包括两个子系统，由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜组成第一光学子系统，可以形成物面的中间像。由第五反射镜、第六反射镜组成第二光学子系统，可以将中间像成像于像面。本发明实现反射镜小型化、减小各反射表面的光线入射角，提高其加工性能，大幅消减制造的时间和费用，且本发明中的投影光学系统具有对称分布的视场畸变，可有效消除动态畸变。

Description

一种反射型投影光学系统

技术领域

本发明属于集成电路制造工艺中的光刻技术，特别是一种反射型投影光学系统。

背景技术

光刻系统分辨率可由如下等式描述：

RES＝k₁×λ/NA

式中，RES表示光刻系统分辨率，k₁是光刻工艺因子，λ是曝光波长，NA是光刻物镜的像方数值孔径。从上式可以知道，减小工作曝光波长，利于提高光刻系统分辨率。目前的高分辨率光刻系统主要采用193nm曝光波长，如果能将曝光波长缩短至13nm(极紫外光)，则能有效提高光刻系统分辨率。

由于所有实用的光学材料在极紫外波段都有强烈的吸收，使得工作波长为极紫外光的成像系统必须采用全反射式结构。所幸，钼/铍(Mo/Be)多层膜在11nm处以及钼/硅(Mo/Si)多层膜在13nm处都能得到近70％的反射率。但由于Be有毒，通常情况下极紫外的成像系统光学元件表面只镀Mo/Si多层膜。为了提高光刻系统的产出率，极紫外波段的光刻物镜一般不超过10片反射镜。采用6片反射镜的极紫外投影光刻物镜已有专利申请，如中国专利CN20030100546、中国专利CN02813378、美国专利US7224441、美国专利US5815310和美国专利US6985210。

然而，中国专利CN20030100546上的第四反射镜口径仍然较大，不利于加工。光阑位于第一面反射镜和第二面反射镜之间，空间狭小，光阑调整机构布置困难。又如中国专利CN02813378所述，光阑位于第二反射镜和第三反射镜之间，空间狭小，光阑调整机构布置困难。另外，主光线在第二反射镜和第三反射镜表面的入射角很大，使得薄膜反射率下降，降低整个物镜的通光效率。又如美国专利US7224441所述，第四反射镜口径较大，不利于加工。光阑位于第一面反射镜和第二面反射镜之间，空间狭小，光阑调整机构布置困难。又如美国专利US5815310所述，第四反射镜实际直径很大，不利于加工。又如美国专利US6985210所述，光阑位于第一反射镜和第二反射镜之间，空间狭小，光阑调整机构布置困难。光线在第三面反射镜上的入射角较大，且入射角范围较大，使得薄膜的有效反射率下降，降低整个物镜的通光效率。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种反射型投影光学系统，使用具有6面反射镜的两次成像光学系统结构设计，实现反射镜小型化、减小各反射表面的光线入射角，提高其加工性能，大幅消减制造的时间和费用，且本发明中的投影光学系统具有对称分布的视场畸变，可有效消除动态畸变。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种反射型投影光学系统，其包含6片反射镜，按照光束入射顺序依次为M1反射镜、M2反射镜、M3反射镜、M4反射镜、M5反射镜、M6反射镜；其特征在于，由M1反射镜、M2反射镜、M3反射镜、M4反射镜组成第一光学子系统，可以形成第0面的中间像。由M5反射镜、M6反射镜组成第二光学子系统，可以将中间像成像于第7面；光阑设置在M2反射镜上，M2、M5反射镜是凸面反射镜，M1、M3、M4、M6都是凹面反射镜；从M3反射镜出射的光束，其下边缘光线与光轴接近平行。

优选的，第0面与第一反射镜M1的距离d1跟物面最大物高H0的比值d1/H0满足以下条件：5＜d1/H0＜9。

优选的，自上述第1反射镜M1至上述第2反射镜M2的距离为d2满足以下条件：200mm＞d2＞100mm。

优选的，第3反射镜M3的曲率半径r3满足以下条件：1500mm＞r3＞700mm。

优选的，第2反射镜M2至第3反射镜M3的距离为d3跟第M3的曲率半径r3之比d3/r3满足以下条件：0.6＞d3/r3＞0.4。

优选的，第3反射镜的曲率半径r3跟第4反射镜的曲率半径r4的比值r3/r4满足以下条件：0.7＞r3/r4＞1.5。

优选的，上述第0面至第7面的轴上间隔TT跟物面最大高度H0的比值TT/H0满足以下条件：15＞TT/H0＞8。

本发明与现有技术相比的有益效果主要表现在：

(1)由于本发明的反射型投影光学系统经过两次成像，易于减小全光学系统长度，并减小反射镜口径。

(2)由于本发明的反射型投影光学系统的光阑所在位置的反射镜的非球面度较小，易于加工。

(3)由于本发明的光阑位于第二反射镜M2上，并且第二反射镜M2位于第三反射镜M3的前焦面附近，使得从第三反射镜M3出射的光线跟光轴近似平行，从而减小了反射镜M3、M4的口径。由于M3、M4反射镜的口径是该光学系统中最大的两个反射镜口径，因此本发明提高了整个光学系统的加工性能。

(4)由于本发明的反射型投影光学系统中，具有最大反射镜口径的两个反射镜M3和M4的曲率半径相当，承担的光焦度也相当，从而减小了成像光束在该两反射镜上的入射角度，降低了这两个反射表面的镀膜难度。

(5)由于本发明的视场畸变以中心视场为基准，呈对称分布，可有效减小本系统工作于扫描状态下的动态畸变。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面以本发明的较佳实例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1所示为投影光学系统物面或像面的环形视场示意图；

图2所示为本发明第一实施实例的光学系统结构图；

图3所示为本发明第一实例的畸变曲线；

图4所示为本发明第一实例的像差曲线；

图5所示为本发明第二实施实例的光学系统结构图；

图6所示为本发明第二实例的畸变曲线；

图7所示为本发明第二实例的像差曲线。

具体实施方式

以下结合附图及较好实例，对依据本发明提出的反射型投影光学系统的特征及其性能，详细说明如下：

图1是投影光学系统物面处的环形视场示意图，阴影部分表示环形视场，LY是环形视场的宽，LX是环形视场的长，R是环形视场的最大圆半径。

第1实例：

图2是本发明一个较佳实例的光学系统结构图，包括第一反射成像光学系统G1和第二反射成像光学系统G2构成，第一反射成像光学系统G1由如下部分构成：用于反射来自第0面的光线的第一反射镜M1；用于反射由第一反射镜所反射的光线的第二反射镜M2；用于反射由第二反射镜M2所反射的光线的第三反射镜M3；用于反射第三反射镜M3所反射的光线的第四反射镜M4。第二反射成像光学系统G2由如下部分构成：用于反射来自中间像的光线的第五反射镜M5；用于反射由第五反射镜M5所反射的光线的第六反射镜M6。

来自第0面(物面)的光线，经由第一反射成像光学系统G1，形成第0面的中间像，再经由第二反射成像光学系统G2，将第0面的缩小像成像在第7面上。

本发明中第0面与第一反射镜M1的距离d1跟物面最大物高H0的比值d1/H0，满足以下条件：

5＜d1/H0＜9

如果d1/H0的值小于5，则光线入射到第二反射镜M2上的入射角太大，从而难以修正投影系统产生的像差。如果d1/H0的值大于9，则使得反射型投影光学系统的总长太长，反射镜口径太大。

自上述第一反射镜M1至上述第二反射镜M2的距离为d2，则二者满足如下条件：

200mm＞d2＞100mm。

如果d2大于200mm，则使得反射型投影光学系统总长太长，最大反射镜口径太大。如果小于100mm，则使得光线入射到反射镜上的入射角太大，从而难以修正系统产生的像差。

本发明中，光阑设置在第二反射镜M2上，并且，第二反射镜M2至第三反射镜M3的距离为d3跟第三反射镜的曲率半径r3的比值d3/r3，满足以下条件：

0.6＞d3/r3＞0.4

如果d3/r3的值大于0.6或小于0.4，都将使得从第三反射镜M3出射的光线跟光轴的夹角变大。为了避免第三反射镜M3和第六反射镜M6对成像光束的遮拦影响，必须让第三反射镜M3或第四反射镜M4的通光部分远离光轴，从而增大了第三反射镜M3或第四反射镜M4的口径。

本发明中，第3反射镜M3的曲率半径r3，满足如下条件：

1500mm＞r3＞700mm

如果r3大于1500mm，则使得反射型投影光学系统的最大反射镜口径太大。如果小于700mm，则成像光束与反射镜容易发生干涉，并产生难以消除的像差。

本发明中，第三反射镜M3的曲率半径r3跟第四反射镜M4的曲率半径r4的比值r3/r4，则较好的是如满足条件：

0.7＞r3/r4＞1.5

如果r3/r4小于0.7，则成像光束与反射镜容易发生干涉，并产生难以消除的像差。如果r3/r4大于1.5，则使得反射型投影光学系统的最大反射镜口径太大。

本发明中，从物面至像面的轴上间隔TT跟物面最大高度H0的比值TT/H0，满足如下条件：

15＞TT/H0＞8

如果TT/H0大于15，则使得反射型投影光学系统总长太长，最大反射镜口径太大。如果TT/H0小于8，则使得光线入射到反射镜上的入射角太大，从而难以修正产生的像差。

图3是本施例的视场畸变像差示意图。畸变以中心视场呈中心对称分布，最大畸变小于6nm。这样的畸变分布显著减小光刻系统扫描曝光时的动态畸变。

图4是本实例的子午垂轴像差和弧矢垂轴像差曲线示意图。子午和弧矢两个方向的垂轴像差都得到了很好的修正。

下表中的“序号”是按光线入射顺序排列，第一反射镜M1的序号为1，第二反射镜M2的序号为2，其它镜面序号以此类推；R分别给出每个反射面所对应的球面曲率半径；d给出相邻两个表面之间沿光轴的中心距离。序号为1的d，表示第1反射镜到第2反射镜的距离。透镜组的具体参数如下：

表(1)给出了实例1的光学系统重要指标。表(2)给出了光学系统各表面曲率半径及间隔，其中R表示反射镜的曲率半径，d表示间隔。表(3)给出了各表面的非球面系数，非球面的描述公式如下：

$Z=\frac{\left(\frac{1}{R}\right)h^2}{1+\sqrt{1-(1+k){\left(\frac{1}{R}\right)}^2{h}^2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+......$

表(3)

第1面

第2面

第3面

第4面

第5面

第6面

K

0

0

0

0

0

0

A

6.8159e-10

1.9020e-8

7.9355e-11

-3.3723e-11

1.6543e-8

2.7745e-11

B

-7.6789e-15

1.3096e-12

-4.3834e-16

-1.6104e-15

1.2531e-12

1.2585e-16

C

1.9473e-19

1.3855e-16

1.0962e-20

3.9069e-20

-1.1083e-17

4.5290e-22

D

-3.1475e-24

-3.0322e-21

-1.2005e-25

-3.7519e-25

5.6964e-21

1.9647e-27

第2实例：

图5是本发明第2个较好实例的光学系统结构图，包括第1反射成像光学系统G1和第2反射成像光学系统G2。第1反射成像光学系统G1由如下部分构成：用于反射来自第0面的光线的反射镜M1；用于反射由第1反射镜M1所反射的光线的第2反射镜M2；用于反射由第2反射镜M2所反射的光线的第3反射镜M3；用于反射第3反射镜M3所反射的光线的第4反射镜M4。第2反射成像光学系统G2由如下部分构成：用于反射来自中间像的光线的第5反射镜M5；用于反射由第5反射镜M5所反射的光线的第6反射镜M6。来自第0面(物面)的光线，经由第1反射成像光学系统G1，形成第0面的中间像，再经由第2反射成像光学系统G2，将第0面的缩小像成像在第7面上。

下表中的“序号”是按光线入射顺序排列，第一反射镜M1的序号为1，第二反射镜M2的序号为2，其它镜面序号以此类推；R分别给出每个反射面所对应的球面曲率半径；d给出相邻两个表面之间沿光轴的中心距离。序号为1的d，表示第1反射镜到第2反射镜的距离。透镜组的具体参数如下：

表(4)给出了实例2的光学系统重要指标。表(5)给出了该光学系统各表面曲率半径及间隔，其中R表示曲率半径，d表示间隔。表(6)给出了各表面的非球面系数。

表(6)

第1面

第2面

第3面

第4面

第5面

第6面

K

0

0

0

0

0

0

A

2.8707e-9

-8.1354e-9

1.0346e-10

-2.9669e-10

-3.6653e-9

1.6193e-10

B

-1.7355e-14

0

-2.1028e-16

4.0901e-15

1.4653e-12

1.3494e-15

C

3.6077e-19

0

5.7020e-21

-8.2793e-20

-1.8829e-17

9.4994e-21

D

-2.9765e-24

0

-6.5704e-26

6.9936e-25

1.6895e-21

9.0162e-26

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种反射型投影光学系统，其包含6片反射镜，按照光束入射顺序依次为M1反射镜、M2反射镜、M3反射镜、M4反射镜、M5反射镜、M6反射镜；其特征在于，由M1反射镜、M2反射镜、M3反射镜、M4反射镜组成第一光学子系统，可以形成第0面的中间像。由M5反射镜、M6反射镜组成第二光学子系统，可以将中间像成像于第7面；光阑设置在M2反射镜上，M2、M5反射镜是凸面反射镜，M1、M3、M4、M6都是凹面反射镜；从M3反射镜出射的光束，其下边缘光线与光轴接近平行。

2.根据权利要求1所述的反射型投影光学系统，其特征在于，第0面与第一反射镜M1的距离d1跟物面最大物高H0的比值d1/H0满足以下条件：5＜d1/H0＜9。

3.根据权利要求2所述的反射型投影光学系统，其特征在于，自上述第1反射镜M1至上述第2反射镜M2的距离为d2满足以下条件：200mm＞d2＞100mm。

4.根据权利要求3所述的反射型投影光学系统，其特征在于，第3反射镜M3的曲率半径r3满足以下条件：1500mm＞r3＞700mm。

5.根据权利要求4所述的反射型投影光学系统，其特征在于，第2反射镜M2至第3反射镜M3的距离为d3跟第M3的曲率半径r3之比d3/r3满足以下条件：0.6＞d3/r3＞0.4。

6.根据权利要求5所述的反射型投影光学系统，其特征在于，第3反射镜的曲率半径r3跟第4反射镜的曲率半径r4的比值r3/r4满足以下条件：0.7＞r3/r4＞1.5。

7.根据权利要求6所述的反射型投影光学系统，其特征在于，上述第0面至第7面的轴上间隔TT跟物面最大高度H0的比值TT/H0满足以下条件：15＞TT/H0＞8。

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