CN102789044A

CN102789044A - 一种非球面变焦距光刻物镜系统

Info

Publication number: CN102789044A
Application number: CN2012102798125A
Authority: CN
Inventors: 刘伟奇; 吕博; 冯睿; 魏忠伦; 柳华; 康玉思; 姜珊
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: CN102789044B

Abstract

一种非球面变焦距光刻物镜系统，属于光学技术领域，本发明为了解决现有光刻物镜无法实现同一光刻物镜曝光出不同比例大小的掩模板曝光图形的问题，本发明系统从物面到像面依次为：物面、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和像面；物面为掩模板所在平面；第一透镜组用于固定物面与变焦距系统第一片透镜的距离；第二透镜组起到改变光刻物镜焦距及像面尺寸的作用；第三透镜组作用在于当变倍组移动过程中补偿像面的移动，使像面在整个变倍过程中保持位置固定；第四透镜组，具有负光焦度，第五透镜组，具有正光焦度，两者构成后固定组，用于保证光刻物镜靠近像面一侧的最后一片透镜与像面距离不变；像面为刻蚀基片所在平面。

Description

一种非球面变焦距光刻物镜系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种非球面变焦距光刻物镜系统。

背景技术

在现代高分辨率集成电路制造工艺的光刻技术中光刻装置是一种十分重要的设备。光刻物镜系统是光刻装备中至关重要的核心部件。光刻装置按是否采用掩模板主要分为有掩模光刻装置和无掩模光刻装置两大类，两种光刻方式大多采用投影式光刻曝光形式。有掩模光刻装置将掩模板上的曝光图形信息投影到刻蚀基片上；无掩模光刻装置将空间光调制器的曝光图形信息投影到刻蚀基片上，刻蚀基片通过显影等复杂工艺将掩模板上的曝光图形信息呈现出来。但光刻物镜系统基本采用定焦系统，即一套光刻物镜系统只能曝光出掩模板或数字光调制器的一种比例的曝光图形，无法实现在同一光刻设备中光刻物镜的变焦距功能，即也不能实现掩模板曝光图形不同比例大小的呈现。

发明内容

本发明为了解决现有光刻物镜为定焦系统，无法实现同一光刻物镜曝光出不同比例大小的掩模板曝光图形的问题，提供一种非球面变焦距光刻物镜系统。

本发明的技术方案为：

一种非球面变焦距光刻物镜系统，从物面到像面依次为：物面、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和像面；

物面为掩模板或曝光图形点阵所在平面；

第一透镜组为前固定组，具有正光焦度，用于固定物面与变焦距系统第一片透镜的距离；

第二透镜组为变倍组，具有负光焦度，起到改变光刻物镜焦距及像面尺寸的作用；

第三透镜组为补偿组，具有正光焦度，作用在于当变倍组移动过程中补偿像面的移动，使像面在整个变倍过程中保持位置固定；

第四透镜组，具有负光焦度，第五透镜组，具有正光焦度，两者构成后固定组，用于保证光刻物镜靠近像面一侧的最后一片透镜与像面距离不变；

像面为刻蚀基片所在平面。

所述一种变焦距光刻物镜系统共包括22块透镜，从靠近物面一侧到靠近像面一侧依次排列。

所述第一透镜组由第一透镜至第三透镜组成，第一透镜为双凸正透镜、第二透镜为左凸右凹负透镜和第三透镜为双凸薄正透镜。

所述第二透镜组由第四透镜和第五透镜组成，第四透镜为左凹右凸薄负透镜，第五透镜为双凹负透镜，且第四透镜的后表面与第五透镜的前表面曲率半径相同，第四透镜和第五透镜可交合在一起或可无限接近。

所述第三透镜组由第六透镜和第七透镜组成，第六透镜和第七透镜均为双凸正透镜，同时第六透镜的前表面和第七透镜的前表面为非球面。

所述第四透镜组由第八透镜至第十二透镜组成，第八透镜为左凹右凸正弯月透镜，第九透镜至第十二透镜为左凹右凸负透镜，第十二透镜、第十三透镜均为双凹负透镜；第八透镜的后表面与第九透镜的前表面曲率半径相同，第八透镜和第九透镜可胶合在一起或可无限接近。

所述第五透镜组由第十三透镜至第二十二透镜组成，第十三透镜为左凹右凹负透镜，同时第十三透镜后表面为非球面，第十四透镜为左凹右凸正透镜，第十五透镜为双凸正透镜，第十六透镜和第十七透镜均为左凸右凹正透镜，第十八透镜为左凸右凹负透镜镜，第十九透镜为双凹负透镜，第二十透镜为左凸右凹正透镜，第二十一透镜和第二十二透镜为左凸右凹正弯月透镜。

工作原理说明：第一透镜组G1将物方的远心光束压缩进变倍组，第二透镜组G2即变倍组自左向右地移动到四个变焦距位置，第三透镜组G3即补偿组同时自左向右移动来补偿变倍组移动过程中像面的移动同时将物方远心光束再次压入第四透镜组，第四透镜组将光束颠倒入射到由十片透镜组成的第五透镜组第五透镜组主要完成像差的校正及产生像方远心。在整个变焦过程中控制物面O到像面I的距离始终为805mm，物面到第一透镜前表面的距离为147.5733mm，第二十二透镜后表面到像面的距离为3.5mm。

本发明的有益效果是：本发明将变焦距与双远心结构结合在一个系统中，在一组光刻物镜系统中实现不同倍率高分辨率的成像质量；本发明光变焦距光刻物镜的所有透镜均为球面镜，光学总长短、通光口径较小，结构紧凑，降低了加工难度和制造成本。

附图说明

图1为本发明的光学系统在变焦位置zoom1时的结构示意图。

图2为本发明的光学系统在变焦位置zoom1时的传递函数。

图3为本发明的光学系统在变焦位置zoom1时离焦1μm的传递函数。

图4为本发明的光学系统在变焦位置zoom1时的场曲图。

图5为本发明的光学系统在变焦位置zoom1时的畸变图。

图6为本发明的光学系统在变焦位置zoom2时的结构示意图。

图7为本发明的光学系统在变焦位置zoom2时的传递函数。

图8为本发明的光学系统在变焦位置zoom2时离焦1μm的传递函数。

图9为本发明的光学系统在变焦位置zoom2时的场曲图。

图10为本发明的光学系统在变焦位置zoom2时的畸变图。

图11为本发明的光学系统在变焦位置zoom3时的结构示意图。

图12为本发明的光学系统在变焦位置zoom3时的传递函数。

图13为本发明的光学系统在变焦位置zoom3时离焦1μm的传递函数。

图14为本发明的光学系统在变焦位置zoom3时的场曲图。

图15为本发明的光学系统在变焦位置zoom3时的畸变图。

图16为本发明的光学系统在变焦位置zoom4时的结构示意图。

图17为本发明的光学系统在变焦位置zoom4时的传递函数。

图18为本发明的光学系统在变焦位置zoom4时离焦1μm的传递函数。

图19为本发明的光学系统在变焦位置zoom4时的场曲图。

图20为本发明的光学系统在变焦位置zoom4时的畸变图。

具体实施方式

下面结合附图对实施方式进一步说明。

实施例1：如图1所示，本发明按zoom1的结构提供了一种工作在410nm波长的折射式非球面变焦距光刻物镜系统，用于将物面O的图案成像在像面I上，其由22片光学透镜组成，从物面一方到像面一方将透镜标记为L1~L22，该22片光学透镜按光焦度及在本发明系统中的作用被分成G1~G5组，光焦度的分配从物面到像面依次为正-负-正-负-正，物面到像面距离为805mm，系统中最大镜片全口径小于153mm，像方F数2，像方数值孔径0.2，放大倍率为0.25，像面大小14.8mm。

下面具体描述本实施例非球面变焦距光刻物镜系统的具体结构。

第一透镜组G1具有正光焦度，包括三片透镜即第一透镜L1~第三透镜L3，其中，第一透镜L1为双凸正透镜，第二透镜L2为左凸右凹负透镜（右边朝像面），第三透镜L3为双凸薄正透镜。第一透镜L1采用双凸正透镜的目的在于将轴外视场光线压低，避免镜片过大通光口径的产生，第二透镜L2可以提供较大的球差，同时平衡第一透镜L1的负畸变，第三透镜L3采用薄正透镜校正第二透镜L2产生的过大的正Petzval场曲。

第二透镜组G2具有负光焦度，包括两片透镜即第四透镜L4和第五透镜L5，其中第四透镜L4为左凹右凸负透镜（右凸面朝像面），第五透镜L5为双凹负透镜，其中第四透镜L4的右凸面和第五透镜L5的左凹面曲率半径相等，第四透镜L4和第五透镜L5间隔无限小（为加工方便可将第四透镜L4、第五透镜L5做双胶合处理），较佳的，第二透镜组G2采用较少的镜片数，同时保证负光焦度的产生，主要目的有两点：尽量在第二透镜组G2变倍组减少镜片数量已使整个系统的镜片数量减少进而可缩短系统总长，使系统结构较紧凑，另一方面校正第一透镜组G1的负畸变。

第三透镜组G3具有正光焦度，包括两片透镜即第六透镜L6和第七透镜L7，第六透镜L6和第七透镜L7均为双凸正透镜，且两镜前表面均为非球面，两片镜产生较大的正光焦度，作为补偿组出现在系统前部，主要目的是当第二透镜组G2在变焦过程中保持像面不发生移动及实现系统变倍的功能，另外两个正光焦度的透镜可以校正前两组透镜的正球差，第六透镜L6和第七透镜L7产生负的子午和弧矢彗差，补偿前两组的较大的正彗差，同时校正第二透镜组G2产生的正Petzval场曲及负畸变。

第四透镜组G4具有负光焦度，包括六片透镜即第八透镜L8~第十三透镜L13，第八透镜L8为左凹右凸正透镜，第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11为左凹右凸负透镜，第十二透镜L12、第十三透镜L13为双凹负透镜，其中第八透镜L8的右凸面和第九透镜L9的左凹面曲率半径相等，间隔无限小（为加工方便可做双胶合处理）。由于经过前三组透镜组后各视场的边缘光线近乎平行于光轴，在后组镜片数量较少而直接会聚到像面上时将产生很大的像差，尤其在像方数值孔径较大时像差甚为严重，第四透镜组G4将入射光向外发散一定角度和后面的透镜组构成一个凸部，校正单色像差。

第五透镜组G5具有正光焦度，承担光焦度最多，综合补偿变焦过程中像面的成像质量，同时产生各视场均一的照度及大的像方数值孔径值。包括十片透镜即第十三透镜L13~第二十二透镜L22，第十三透镜L13为左凹右凹负透镜，同时，第十三透镜L13后表面为非球面，第十四透镜L14为左凹右凸正弯月透镜，第十五透镜L15为双凸正透镜，第十六透镜L16为双突正弯月透镜，第十七透镜L17为左凸右凹正透镜，第十八透镜L18为左凸右凹负透镜，第十九透镜L19为双凹负透镜，第二十透镜L20为左凸右凹正透镜，第二十一透镜L21、第二十二透镜L22为左凸右凹正弯月透镜，其中第十八透镜L18、第十九透镜L19主要用于平衡系统正透镜产生的初级球差，最后两块左凸右凹正弯月透镜L21、L22主要校正像面弯曲。

下面表1给出的是系统处在zoom1位置时非球面变焦距光刻物镜中各个镜片的设计参数，记录了每一片透镜前后表面曲率半径、折射率，色散阿贝数及镜片厚度或相邻两个镜片表面的间隔距离（曲率半径和厚度或间隔的单位为mm）。

表1：具体实施实例的光学系统结构参数表。

按照非球面变焦距光学系统的原则需要给出所有变焦位置所对应的数值列表，表2是本发明四个变焦位置所对应的间隔数值列表（可变间距D1、可变间距D2、可变间距D3单位为mm）。

表2：四个变倍位置所对应的间隔数值列表。

缩放倍率	可变间距D1	可变间距D2	可变间距D3
				-0.4×	5.28	18.10	139.95

-0.35×	45.35	18.40	99.57
				-0.3×	90.39	19.35	53.59
-0.25×	141.15	21.38	0.80

表3：所述的三个非球面的系数。

	第六透镜L6前表面即第10面
		圆锥常数	-5.38893613944192
四阶系数	-1.92184531329035e-011
		六阶系数	7.23401258038461e-013
八阶系数	-2.83773384313823e-016
		十阶系数	1.90051392957873e-020
	第七透镜L7前表面即第10面
		圆锥常数	-2.4778161925864
四阶系数	-7.23822915742309e-010
		六阶系数	-5.1760451912916e-013
八阶系数	1.86408911699729e-016
		十阶系数	-1.05141167532204e-020
	第十三透镜L13后表面即第24面
		圆锥常数	67.910408432423
四阶系数	4.21031751168951e-009
		六阶系数	2.32067777353833e-013
八阶系数	5.3488729811918e-017
		十阶系数	-5.46742648884707e-022

在上述具体实施例1中，如图2所示，本光学系统的传递函数图形，可见各视场传递函数在500cl/mm时均大于0.4。如图3所示，在实际工作中发生调焦不准，产生1μm离焦时的传递函数图形，可见各视场传递函数在500cl/mm时均接近或大于0.4。如图4和图5所示，实施例1的场曲及畸变图。

由于本发明光刻物镜系统有四个变焦位置，分别为zoom1、zoom2、zoom3、zoom4，像方数值孔径在zoom1、zoom2、zoom3、zoom4位置分别为0.25、0.3、0.35、0.4，zoom1缩放比为-0.4，zoom2缩放比为-0.35，zoom3缩放比为-0.3，zoom4缩放比为-0.25，即可将物面缩小2.5倍到缩小4倍，像方F数在zoom1、zoom2、zoom3、zoom4位置处分别为2、1.75、1.5、1.25。

同样其它三个变焦位置情况的实施方法可参照上述在zoom1位置实施例1的描述。

实施例2：

如图6所示，本发明在变焦位置zoom2的结构示意图，如图7所示，本光学系统在变焦位置zoom2的传递函数图形，如图8所示，本发明在变焦位置zoom2离焦1μm时的传递函数图形，如图9和图10所示，本发明在变焦位置zoom2场曲及畸变图形。

实施例3：

如图11所示，本发明在变焦位置zoom3的结构示意图，如图12所示，本光学系统的传递函数图形，如图13所示，本发明在变焦位置zoom3离焦1μm时的传递函数图形，如图14和图15所示，本发明在变焦位置zoom3时的场曲及畸变图形。

实施例4：

如图16所示，本发明在变焦位置zoom4的结构示意图，如图17所示，本光学系统在zoom4位置的传递函数图形，如图18所示，本光学系统在zoom4位置离焦1μm时的传递函数图形，如图19和图20所示，本光学系统在zoom4位置场曲及畸变图形。

同样，在上述三个变焦位置时，光学系统各视场（0.0、0.3、0.5、0.7、1.0子午及弧矢方向）的传递函数均接近衍射极限，在500cl/mm时各视场的传递函数值均接近或大于0.4，同时在系统发生1μm离焦(2μm焦深)的情况下依然能保持很好的传递函数值,在500cl/mm时各视场的传递函数值均接近或大于0.4，在三个各变焦位置的场曲和畸变值均较小，场曲小于4μm，像散小于5μm，各视场最大畸变小于0.0057%，最大绝对畸变小于0.426μm，在满足分辨率的情况下基本消除了畸变的影响，提供了良好的像质。

按上述设置即可以得到具有可变倍率的非球面变焦距光刻物镜系统。

本发明用22片全球面透镜组合成物方远心和像方远心的双远心结构，物方主光线及像方主光线均平行于光轴，其会聚中心在物方和像方的无穷远处，该双远心光刻物镜系统可避免由于物面的离焦而造成错误的缩放倍率及像面照度不均匀。

本发明的非球面变焦距光刻物镜系统由五个透镜组构成，从物面到接收面光焦度分配情况是：正-负-正-负-正，光阑位于第一透镜组的第一片透镜，整个光学系统由22片全球面透镜组成，多种透镜形状及光焦度的组合可有效校正轴外视场像差，得到较好的成像质量。通过调整变倍组、补偿组的位置实现变倍功能，前固定组和后固定组中透镜的不同组合有保证了像面在不同便被位置时保持位置不变，物面与像面距离恒为805mm，前固定组第一片透镜与后固定组最后一片透镜距离恒为655.4mm，结构紧凑有效提高了系统透过率。全球面透镜的采用大大降低了加工难度，便于实际的生产加工制造。本发明是一种能够提供可变倍率，具有高分辨率、畸变小、所用透镜镜片数量较少，最大口径较小，结构紧凑的光刻物镜。

Claims

1.一种非球面变焦距光刻物镜系统，其特征在于，从物面一侧到像面一侧依次为：物面（O）、第一透镜组（G1）、第二透镜组（G2）、第三透镜组（G3）、第四透镜组（G4）、第五透镜组（G5）和接收面（I）；

物面（O）为掩模板或曝光图形点阵所在平面；

第一透镜组（G1）为前固定组，具有正光焦度，用于固定物面（O）与变焦距系统第一片透镜的距离；

第二透镜组（G2）为变倍组，具有负光焦度，起到改变光刻物镜焦距及像

面尺寸的作用；

第三透镜组（G3）为补偿组，具有正光焦度，作用在于当变倍组移动过程中补偿像面的移动，使像面在整个变倍过程中保持位置固定；

第四透镜组（G4），具有负光焦度，第五透镜组（G5），具有正光焦度，两者构成后固定组，用于保证光刻物镜靠近像面一侧的最后一片透镜与像面距离不变；

像面（I）为刻蚀基片所在平面；

变焦距光刻物镜系统共包括22块透镜，从靠近物面一侧到靠近像面一侧依次排列；

第一透镜组（G1）由第一透镜至第三透镜组成，第一透镜为双凸透镜、第二透镜为负弯月透镜和第三透镜为双凸透镜；

第二透镜组（G2）由第四透镜和第五透镜组成，第四透镜为薄负透镜，第五透镜为负透镜，且第四透镜的后表面与第五透镜的前表面曲率半径相同，第四透镜和第五透镜可交合在一起或可无限接近；

第三透镜组（G3）由第六透镜和第七透镜组成，第六透镜为双凸透镜，第七透镜为双凸透镜，同时，第六透镜和第七透镜的前表面为非球面；

第四透镜组（G4）由第八透镜至第十二透镜组成，第八透镜为正弯月透镜、第九透镜为负弯月透镜、第十透镜至第十二透镜为薄负弯月透镜；且第八透镜的后表面与第九透镜的前表面曲率半径相同，第八透镜和第九透镜可交合在一起或可无限接近；

第五透镜组（G5）由第十三透镜至第二十二透镜组成，第十三透镜为负透镜，后表面为非球面，第十四透镜至第十五透镜为正透镜，第十七透镜为正弯月透镜，第十八透镜为厚弯月镜，第十九透镜为负透镜，第二十透镜为薄正透镜，第二十一透镜和第二十二透镜为厚正透镜。

2.根据权利要求1所述的一种非球面变焦距光刻物镜系统，其特征在于，光刻物镜系统中最大透镜全口径小于153mm。

3.根据权利要求1所述的一种非球面变焦距光刻物镜系统，其特征在于，光刻物镜系统的总长为805mm，光学透镜组的总长655.4mm，物面（O）到第一透镜前表面的距离为147.5733mm,第二十二透镜后表面到像面（I)的距离为3.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种非球面变焦距光刻物镜系统，其特征在于，光刻物镜系统的工作波长为410nm。