CN102707414B - 光刻投影物镜 - Google Patents

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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< fG1-1n / f1< -1.15          (3－2)
0.10< fG2-1p / f2< 0.25            (3－3)
 1.9< Vel71 / Vel73< 2.55           (3－4)
2.10< Vel71 / Ve74< 2.60            (3－5)
0.30< Vel75 / Ve76< 0.50           (3－6)
0.35< Vel77 / Ve78< 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，fG1-1n是第一透镜组的子透镜组 G1-1n的焦距，fG2-1p是第二透镜组第一子透镜组 G2-1p的焦距，Vel71 和Vel73 是第一透镜组的第一透镜和第三透镜的阿贝数，Vel74是第一透镜组的第四透镜的阿贝数，Vel75和Vel76是第二透镜组的第一透镜和第二透镜的阿贝数，Vel77和Vel78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< fG1-1n / f1< -0.45          (1－2)
-20< fel2/ f1<-4.5               (1－3)
-1.85< fG1-2n / f1< -1.56          (1－4)
-0.75< fG2-1n / f2< -0.55          (1－5)
1.1< Vel5 / Vel6< 1.35             (1－6)
1.1< Vel7 / Vel8< 1.65             (1－7)
其中：
f1 ：透镜组G1的焦距；
f2 ：透镜组G2的焦距；
fG1-1n ：透镜组G1的子透镜组 G1-1n的焦距；
fel2 ：子透镜组 G1-1n中弯月式透镜2的焦距；
fG1-2n：透镜组G1的子透镜组 G1-2n的焦距；
fG2-1n ：透镜组G2的子透镜组G2-1n 的焦距；
Vel5 和Vel6 ：子透镜组G1-2n中透镜5和透镜6的阿贝数；
Vel7 和Vel8：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(mm) 备注
  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 83.49668 0.5   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：
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< fG1-1n / f1< -1.25      (2－2)
-12< fel2/ f1<-3.5            (2－3)
0.15< fG2-1n / f2< 0.55        (2－4)
1.45< Vel56 / Vel57< 1.75       (2－5)
0.8< Vel50 / Vel51< 1.25        (2－6)
其中：
f1 ：透镜组G1的焦距；
f2 ：透镜组G2的焦距；
fG1-1n ：透镜组G1的子透镜组 G1-1n的焦距；
fel2 ：子透镜组 G1-1n弯月式透镜51的焦距；
fG2-1n ：透镜组G2的子透镜组G2-1n 的焦距；
Vel56 和Vel57 ：子透镜组G1-2n中的透镜56和透镜57的阿贝数；
Vel50 和Vel51：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(mm) 备注
  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 22.19611 CAF2_SPECIAL 46.976  
Sphere -87.4581 2.827303   47.52  
Sphere Infinity 2.827303   43.078 stop
Sphere 87.45815 22.19611 CAF2_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 8 SFPL51Y_OHARA 44.054  
Sphere 163.3681 46.2727   40.318  
  Infinity 0     Image
其中，非球面参数为:
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< fG1-1n / f1< -1.15             (3－2)
0.10< fG2-1p / f2< 0.25               (3－3)
1.9< Vel71 / Vel73< 2.55                (3－4)
2.10< Vel71 / Ve74< 2.60              (3－5)
0.30< Vel75 / Ve76< 0.50               (3－6)
0.35< Vel77 / Ve78< 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；
fG1-1n ：第一透镜组G1的第一子透镜组 G1-1n的焦距；
fG2-1p：第二透镜组G2的第一子透镜组 G2-1p的焦距；
Vel71 和Vel73 ：第一透镜组G1中第一透镜71和第三透镜73的阿贝数；
Vel74 ：第一透镜组G1中第四透镜74的阿贝数；
Vel75和Vel76：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；
Vel77和Vel78：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(mm) 备注
  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 8.50096 CAF2_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:
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。
2.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，光刻投影物镜的带宽为400纳米到440纳米。
4.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。
5.根据权利要求4所述的光刻投影物镜，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。
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，
所述的光刻投影物镜满足以下关系式：
0.10<f1/ f2<0.30                 (3－1)
-0.85< fG1-1n / f1< -1.15          (3－2)
0.10< fG2-1p / f2< 0.25            (3－3)
 1.9< Vel71 / Vel73< 2.55        (3－4)
2.10< Vel71 / Ve174< 2.60            (3－5)
0.30< Vel75 / Ve176< 0.50            (3－6)
0.35< Vel77 / Ve178< 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，fG1-1n是第一透镜组的子透镜组 G1-1n的焦距，fG2-1p是第二透镜组第一子透镜组 G2-1p的焦距，Vel71 和Vel73 是第一透镜组的第一透镜和第三透镜的阿贝数，Vel74是第一透镜组的第四透镜的阿贝数，Vel75和Vel76是第二透镜组的第一透镜和第二透镜的阿贝数，Vel77和Vel78是第二透镜组的第三透镜和第四透镜的阿贝数。
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