CN103472586A

CN103472586A - 一种投影光学系统

Info

Publication number: CN103472586A
Application number: CN2013104286357A
Authority: CN
Inventors: 冉英华; 邢廷文; 林妩媚; 吕保斌; 陈红丽; 张海波; 白瑜
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103472586B

Abstract

本发明提供一种投影光学系统，用于将物面的图像成像到像面。该系统沿光轴方向依次安置第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，四个透镜组处于同一光轴。第一透镜组具有负光焦度，第二透镜组具有正光焦度，第三透镜组具有负光焦度，第四透镜组具有正光焦度。本发明的投影光学系统既能有效地减小系统共轭距和减少镜片数量、降低系统的加工、检测、装调成本，同时也能提供较大的物方和像方工作距，满足高分辨率和高像质要求。

Description

一种投影光学系统

技术领域

本发明涉及曝光系统中的投影光学系统，尤其涉及一种高分辨率的投影光学系统。

背景技术

进入信息时代的21世纪，半导体产业仍然在信息产业中有着举足轻重的地位。随着半导体产业的不断发展，半导体设备制造者在追求设备更高性能的同时又要努力控制成本，从而竭力与Intel公司创始人之一Gordon E.Moore提出的摩尔定律保持一致的步伐。这就驱使半导体产业中的核心设备光刻机一直在革命。随着光刻机的不断变革，对光刻机分辨率的要求也越来越高。根据瑞利法则，减小投影光学系统的波长、降低工艺因子和增加数值孔径是提高分辨率的有效途径。在过去的30多年，投影光学系统波长经历了近紫外(NUV)436nm缩短到365nm、进而转向深紫外(DUV)波段的248nm、193nm的发展历程。工艺因子已从0.7降低到了0.3，在后期的光刻机变革中，采用离轴照明、相移掩模及光学临近效应校正技术，将使工艺因子变的更小。投影光学系统的数值孔径由最初的0.25逐渐增大。目前，工作波长为193nm的光刻机成为制作半导体设备中器件的核心部件，世界的三大光刻机产商德国蔡司(Zeiss)、日本尼康(Nikon)和佳能(Canon)公布的NA0.75投影光学系统，系统的共轭距较长，结构复杂，采用的镜片数量较多，这就大大增加了加工、检测和装调成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共轭距较短、镜片数量较少、波像差RMS与畸变较小的投影光学系统。此外，该投影光学系统还能提供较大的物方和像方工作距，这大大降低了掩模和硅片工件台的设计及加工难度、掩模和硅片的定位控制难度，并且该投影光学系统还能提供高分辨率。

本发明提供的投影光学系统，用于将物面内的图案投射到像平面上，沿投影光学系统光轴方向安置有第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，并且第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组处于同一光轴，从光束入射方向顺序第一透镜组具有负光焦度、第二透镜组具有正光焦度、第三透镜组具有负光焦度、第四透镜组具有正光焦度。

所述第一透镜组包括第一正透镜、第一负透镜。

所述第二透镜组包括第二负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第三负透镜；第四正透镜的出射面为第一非球面，利用第一非球面校正投影光学系统的像散、慧差和畸变。

所述第三透镜组包括第四负透镜、第五负透镜、第五正透镜、第六正透镜；第四负透镜的出射面为第二非球面，利用第二非球面校正投影光学系统的球差和场曲；第五负透镜的出射面为第三非球面，利用第三非球面校正系统的球差和慧差；第五正透镜的入射面为第四非球面，利用第四非球面校正系统的像散和慧差。

所述第三透镜组采用双非球面设计，双非球面用于校正系统的像差以及降低表面的非球面度。

所述第四透镜组包括第七正透镜、第六负透镜、第八正透镜、第九正透镜、第十正透镜、第七负透镜、第八负透镜、第十一正透镜；第八正透镜的入射面为第五非球面，利用第五非球面校正系统的球差、慧差和畸变。

在所述第七正透镜和第六负透镜之间设置孔径光阑。

所述透镜组的所有透镜为熔石英玻璃，折射率为1.5603。

本发明采用的上述技术方案与现有技术相比，具有以下的优点：

1、本发明的投影光学系统，仅有十九片透镜，且系统没有胶合元件。因此整个系统结构简单，降低了加工、检测、装调成本。

2、本发明的投影光学系统，成像质量很好，系统的波像差RMS和畸变均可控制在0.8nm内。

3、本发明的投影光学系统的共轭距仅有1130nm，物方和像方工作距分别达到了69mm、20mm，给掩模和硅片工件台的设计及加工提供了更大的自由度，降低了掩模和硅片的定位控制难度。

4、本发明的投影光学系统中所有透镜只使用同一种材料，降低了加工、检测成本。

5、本发明的数值孔径较大，可达到0.75甚至0.8。

附图说明

图1为本发明的投影光学系统的结构示意图；

图2为投影光学系统的光学调制函数示意图；

图3为投影光学系统像散、场曲与畸变示意图；

图中部件说明：

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

图1为本发明投影光学系统结构示意图，投影光学系统用于将物面内的图案投射到像平面上，沿投影光学系统光轴方向安置有第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4，并且第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4处于同一光轴，从光束入射方向顺序第一透镜组G1具有负光焦度、第二透镜组G2具有正光焦度、第三透镜组G3具有负光焦度、第四透镜组G4具有正光焦度。

在上述的投影光学系统中，第一透镜组G1包括第一正透镜1、第一负透镜2。物面发出的光束依次第一正透镜1、第一负透镜2，实现两次发散，生成第一发散光束，并由第一负透镜2输出第一发散光束，所述第一发散光束宽度大于物面发出的光束的宽度。

在上述的投影光学系统中，第二透镜组G2包括第二负透镜3、第二正透镜4、第三正透镜5、第四正透镜6、第三负透镜7；第四正透镜6的出射面为第一非球面，利用第一非球面校正投影光学系统的像散、慧差和畸变。经第一负透镜2出射的第一发散光束依次经过第二负透镜3、第二正透镜4、第三正透镜5实现三次发散，生成第二发散光束，并由第三正透镜6输出第二发散光束，所述第二发散光束宽度大于第一发散光束的宽度。经第三正透镜6输出第二发散光束依次经过第四正透镜6、第三负透镜7实现两次会聚，生成第一会聚光束，所述第一会聚光束宽度小于第二发散光束宽度。第二透镜组G2既包括具有正光焦度的正透镜又包括具有负光焦度的负透镜，这使得系统的像差得到了平衡。

在上述的投影光学系统中，第三透镜组G3包括第四负透镜8、第五负透镜9、第五正透镜10、第六正透镜11；第四负透镜8的出射面为第二非球面，利用第二非球面校正投影光学系统的球差和场曲；第五负透镜9的出射面为第三非球面，利用第三非球面校正系统的球差和慧差；第五正透镜的入射面为第四非球面，利用第四非球面校正系统的像散和慧差。经第三负透镜7输出的第一会聚光束依次经过第四负透镜8、第五负透镜9、第五正透镜10、第六正透镜11实现四次发散，生成第三发散光束，所述第三发散光束宽度大于第一会聚光束宽度。

在上述的投影光学系统中，第四透镜组G4包括第七正透镜12、第六负透镜13、第八正透镜14、第九正透镜15、第十正透镜16、第七负透镜17、第八负透镜18、第十一正透镜19；第八正透镜(14)的入射面为第五非球面，利用第五非球面校正系统的球差、慧差和畸变。经六正透镜11输出的第三发散光束依次经过第七正透镜12实现一次发散，生成第四发散光束，所述第四发散光束宽度大于第三发散光束的宽度。经第七正透镜12出射的第四发散光束依次经过第六负透镜13、第八正透镜14、第九正透镜15、第十正透镜16、第七负透镜17、第八负透镜18、实现六次会聚，生成第二会聚光束，第十一正透镜19将第二会聚光束输出到像面上，所述第二会聚光束的宽度小于第四发散光束的宽度。

在上述的投影光学系统中的四个透镜组G1至G4共采用19片镜片，每一镜片都是折射式镜片，没有反射式镜片。采用全折射式镜片降低了投影光学系统的加工、检测、装调成本。

在上述的投影光学系统第三透镜组G3中引入双非球面第五负透镜9的出射面和第五正透镜10的入射面，双非球面的应用可以更有效地校正系统的像差以及降低表面的非球面度。

在上述的投影光学系统中，在第七正透镜12和第六负透镜13之间设置孔径光阑。所述投影光学系统的数值孔径为0.75。

第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4采用折射率大于1.5熔石英制成的透镜。

本发明的投影光学系统实施例的工作过程为：将物即掩模放于物镜系统的第一正透镜1前69mm处，各视场中心光线垂直入射第一正透镜1，光线经过第一透镜组G1发散后进入第二透镜组G2，第二透镜组G2先对光线进行发散，然后再对光线进行会聚，形成光腰。会聚光束经过第三透镜组G3发散后进入第四透镜组G4，第四透镜组G4先对光线进行发散，然后再将光线会聚在第十一正透镜19后的像面即硅片上。该投影光学系统为物方和像方双远心结构。

本实施例通过以下技术实现：波长为193.4nm的ArF准分子激光作为光源，数值孔径为0.75，系统缩小倍率为4倍，波像差RMS和畸变分别为0.7nm和0.2nm，均小于0.8nm。

下表给出了本实施例的投影光学系统的每一片透镜的具体参数值。表中的“序号”是从光线入射端开始排列，第一正透镜1的光束入射面为序号S1，光束出射面为序号S2，其它镜面序号以此类推；“半径”表示每个表面所对应的曲率半径；“间距”表示相邻两个表面之间沿光轴的中心距离，如果两个表面属于同一块镜片，则间距表示该镜片的厚度，如果两个表面不属于同一镜片，则间距表示相邻两镜片之间的距离。各透镜的具体参数如下：

序号	半径(mm)	间距(mm)	材料
				物面	∞	69.000
S1	∞	26.884	SiO₂
				S2	-201.368	4.750
S3	∞	12.000	SiO2
				S4	157.890	53.280
S5	-129.464	24.556	SiO2
				S6	-306.853	16.059
S7	∞	53.785	SiO2
				S8	-180.203	23.869
S9	286.774	55.431	SiO2
				S10	-479.742	0.900
S11	149.965	58.366	SiO2
				S12	-1827.755	16.884	aspheric
S13	-428.384	12.938	SiO2
				S14	82.966	35.370
S15	-555.007	14.694	SiO2
				S16	158.419	66.311	aspheric
S17	-98.397	29.668	SiO2
				S18	373.590	19.404	aspheric
S19	-363.265	36.400	aspheric/SiO2
				S20	-255.750	0.900
S21	-1651.679	30.317	SiO2
				S22	-285.259	10.859
S23	645.609	49.926	SiO2
				S24	-408.616	3.477
Stop	∞	33.284	SiO2

S26	456.058	12.000	SiO2
				S27	332.440	15.940
S28	480.346	61.120	SiO2
				S29	-492.869	0.900
S30	349.875	32.332	SiO2
				S31	4741.059	0.900
S32	240.328	57.571	aspheric/SiO2
				S33	1650.588	38.360
S34	-707.990	25.888	SiO2
				S35	2228.985	2.750
S36	169.277	59.244	SiO2
				S37	107.913	2.123
S38	83.609	50.543	SiO2
				S39	623.215	20.065

上表中“aspheric”表示该表面为非球面。非球面的表达式如下：

z = \frac{{cy}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (k + 1) c^{2} y^{2}}} + c_{1} y^{4} + c_{2} y^{6} + . . . + c_{n} y^{2 n + 2}

上式中z表示非球面的旋转对称轴，y表示入射光线在非球面上的高度，n＝1，2，3…。c代表顶点曲率，k为二次曲线常数，c_n为系数。表2将给出非球面的相关参数。S12、S16、S18、S19、S32的二次曲线常数k均为0。S12、S16、S18、S19、S32的非球面系数如下：

以上各透镜的具体参数在实际操作中，可做调整以满足不同系统的参数要求。

采用以下三种评价手段对本实施例的投影光学系统的成像质量进行评价：

1、光学调制函数

光学调制函数(MTF)是确定物镜分辨率的直接评价，本实施例的投影光学系统的光学调制函数(MTF)如图2所示。横坐标是空间频率，单位是线对/毫米，纵坐标是调制函数值。由图可得，MTF≈50％时，系统分辨率达到3144线对/毫米，各视场的调制函数已达到衍射极限。

2、场曲和像散与畸变

光学系统的像质可用其场曲、像散与畸变来评价。图3为投影光学系统场曲、像散与畸变示意图，左侧是场曲和像散示意图，横坐标是焦面偏移量，单位是毫米，纵坐标是物高；左图虚线曲线代表弧矢场曲的分布，实线曲线代表子午场曲的分布，子午场曲与弧矢场曲都小于14nm内；子午场曲与弧矢场曲之差为像散，因此，像散可控制在14nm内。右侧是畸变示意图，横坐标是畸变，纵坐标是物高。边缘视场畸变为0.2nm，所以系统的全视场畸变可控制在0.2nm内。

3、波像差RMS

系统波像差RMS是光学系统另一评价像质的重要参数。本实施例所设计的投影光学系统，波像差RMS的最小值为0.0019λ(0.37nm)，最大值为0.0038λ(0.73nm)，λ为波长。所以，波像差RMS可控制在0.8nm内。

由以上的三种像质评价结果，可得本发明的投影光学系统像质很好，像散可控制在14nm内，畸变和波像差RMS都可控制在0.8nm内。

采用本发明的投影光学系统，既能实现大数值孔径和高分辨率，又能有效地减小系统的共轭距和减少镜片数量，从而降低系统的加工、检测、装调成本；同时，系统具有很好的成像质量，畸变与波像差RMS均可控制在0.8nm内。本实施例的光学系统的物方和像方工作距分别达到69mm、20mm。给掩模和硅片工件台的设计及加工提供了更大的自由度。

本技术领域中的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，对以上实施例的变化都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims

1.一种投影光学系统，其特征在于：用于将物面内的图案投射到像平面上，沿投影光学系统光轴方向安置有第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)，并且第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)和第四透镜组(G4)处于同一光轴，从光束入射方向顺序第一透镜组(G1)具有负光焦度、第二透镜组(G2)具有正光焦度、第三透镜组(G3)具有负光焦度、第四透镜组(G4)具有正光焦度。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(G1)包括第一正透镜(1)、第一负透镜(2)。

3.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜组(G2)包括第二负透镜(3)、第二正透镜(4)、第三正透镜(5)、第四正透镜(6)、第三负透镜(7)；第四正透镜(6)的出射面为第一非球面，利用第一非球面校正投影光学系统的像散、慧差和畸变。

4.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组(G3)包括第四负透镜(8)、第五负透镜(9)、第五正透镜(10)、第六正透镜(11)；第四负透镜(8)的出射面为第二非球面，利用第二非球面校正投影光学系统的球差和场曲；第五负透镜(9)的出射面为第三非球面，利用第三非球面校正系统的球差和慧差；第五正透镜(10)的入射面为第四非球面，利用第四非球面校正系统的像散和慧差。

5.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组(G3)采用双非球面设计，双非球面用于校正系统的像差以及降低表面的非球面度。

6.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第四透镜组(G4)包括第七正透镜(12)、第六负透镜(13)、第八正透镜(14)、第九正透镜(15)、第十正透镜(16)、第七负透镜(17)、第八负透镜(18)、第十一正透镜(19)；第八正透镜(14)的入射面为第五非球面，利用第五非球面校正系统的球差、慧差和畸变。

7.根据权利要求6所述的投影光学系统，其特征在于，在所述第七正透镜(12)和第六负透镜(13)之间设置孔径光阑。

8.根据权利要求1至7所述的投影光学系统，其特征在于，所述透镜组的所有透镜为熔石英玻璃，折射率为1.5603。