CN103499876B - 一种大数值孔径的纯折射式投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大数值孔径的纯折射式投影光学系统，该投影光学系统数值孔径大，达到0.93，投影光学系统在靠近物方和靠近像方各有一个凸起部分，而在它们之间有一个凹陷的腰身。从物面到像面具体可依次划分为五个镜组，其中，系统的腰身位于第三个镜组，它是一个具有负光焦度的镜组，有利于帮助系统矫正场曲。本发明中的投影光学系统数值孔径高、像差小且结构紧凑，可有效地降低制造成本，降低镜片的加工、检测和装调难度。

Description

一种大数值孔径的纯折射式投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种工作于预定波长紫外光的投影光学系统，特别涉及一种大数值孔径的纯折射式投影光学系统。

背景技术

光刻是半导体制造工艺中非常重要的一道工序，几十年来，投影光学系统都用于制造半导体元件和其它精密部件。投影光学系统是光刻工序中用作对硅片进行扫描曝光的装置，掩膜或刻线板上的图案经过投影光学系统，以高分辨率缩小投影到涂覆有光敏层的硅片表面上，投影光学系统的曝光质量好坏对整个刻蚀工序有很大的影响。

为了曝光出越来越细的100nm数量级以下的结构，一方面使用波长低于260nm的紫外光作为曝光系统的光源，例如248nm、193nm、157nm或更短波长的光源；另一方面尽可能增大光学系统的像方数值孔径，尝试将投影光学系统的像方数值孔径增大到0.8或0.8以上。在波长越短的情况下，光学系统所能使用的材料也越少，对在低于260nm紫外光使用的投影光学系统而言，目前所能使用的折射材料一般只有人造石英和氟化晶体等材料，这些材料的折射率都比较低，因此，对于大数值孔径光学系统的设计而言，将会存在很大的匹兹瓦场曲，这将导致光学系统的像面严重弯曲，而对于曝光半导体硅片而言，获得平场像是很重要的。另外，随着数值孔径的增大，投影光学系统在三个方向上的尺寸也急剧增大，这给材料的生产、加工等方面带来困难。

本发明中的投影光学系统很好地实现了系统的大数值孔径，且很好地解决了由系统的大数值孔径带来的像面弯曲和系统尺寸过大的问题。本发明的特点在于实现了系统大数值孔径、且保证了系统极高的成像质量和紧凑的系统结构，可有效地降低制造成本，降低镜片的加工、检测和装调难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大数值孔径的纯折射式投影光学系统，提高曝光分辨率。本发明提出了适用于深紫外光波长照明且数值孔径达到0.93的干式投影光学系统，该光学系统结构紧凑、大视场、成像质量优良，且具有适中的尺寸和材料消耗。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种大数值孔径的纯折射式投影光学系统，所述大数值孔径投影光学系统沿其光轴方向包括第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5，从光束入射方向的第一透镜组G1为没有光焦度的平板玻璃，第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4都具有正光焦度，第五透镜组G5也为没有光焦度的平板玻璃。

其中第一透镜组G1为平行平板1。

所述大数值孔径投影光学系统第二透镜组G2包括第一双凹负透镜2、第一弯月负透镜3、第一弯月正透镜4、第二弯月正透镜5、第一双凸正透镜6。其中第一弯月负透镜3、第一弯月正透镜4、第二弯月正透镜5的弯月正对物方。

其中第三透镜组G3为类似双高斯的结构，第三透镜组G3包括第三弯月正透镜7、第四弯月正透镜8、第五弯月正透镜9、第二弯月负透镜10、第二双凹负透镜11、第二双凸正透镜12、第三双凹负透镜13、第三弯月负透镜14、第四弯月负透镜15、第六弯月正透镜16、第七弯月正透镜17、第三双凸正透镜18。其中，大数值孔径投影光学系统的腰部位于第三透镜组G3，腰部结构至少包含了一个双凹透镜和两个弯月负透镜，并且双凹透镜位于两个弯月负透镜中间，而两个弯月负透镜的弯月正对双凹负透镜。第三透镜组G3的其它透镜近似以腰部为中心呈对称分布，第三弯月正透镜7、第四弯月正透镜8、第五弯月正透镜9、第六弯月正透镜16、第七弯月正透镜17的弯月正对腰部。

其中第四透镜组G4包括第五弯月负透镜19、第四双凸正透镜20、第五双凸正透镜21、第八弯月正透镜22、第九弯月正透镜23、第十弯月正透镜24、第十一弯月正透镜25。

其中第五透镜组G5为平板玻璃26。

其中第三透镜组G3和第四透镜组G4之间有一孔径光阑。

其中第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5中所有的元件均采用SIO₂玻璃。

其中所述大数值孔径投影光学系统为双远心系统。

其中所述的大数值孔径投影光学系统适用于深紫外照明光源，例如波长为157nm、193.3nm或248nm的光源。

本发明与现有技术相比有以下优势：

1、本发明所涉及到的大数值孔径投影光学系统中的第三透镜组G3为类似双高斯的结构，该结构中包含了至少一个双凹透镜和两个弯月负透镜，这种结构能很好的校正系统像差，特别是场曲，有利于提高成像质量。

2、本发明所涉及到的大数值孔径投影光学系统的所有透镜均使用同一种材料，这一方面对控制产品的研发、生产等成本有利，另一方面对提高系统热力学等性能有利。

3、本发明所涉及到的大数值孔径投影光学系统为双远心系统，物方远心度和像方远心度都较高，因此，即使位于物面的掩模图案和位于像面的硅片存在一定安装误差，也不会造成大数值孔径投影光学系统的倍率等光学性能的显著降低。

4、本发明所述大数值孔径投影光学系统具有有物方保护玻璃和像方平板玻璃，这对光学系统的工程应用有利。

5、本发明所述大数值孔径投影光学系统中非球面的非球面度都小于1mm，这便于对系统元件的高精度加工和检测，有利于提高成像质量。

附图说明

图1为本发明的大数值孔径投影光学系统的布局示意图；

图2为大数值孔径投影光学系统在全场范围内光学调制传递函数示意图；

图3为大数值孔径投影光学系统场曲与畸变示意图。

标号说明：1－第一平行平板、2－第一双凹负透镜、3－第一弯月负透镜、4－第一弯月正透镜、5－第二弯月正透镜、6－第一双凸正透镜、7－第三弯月正透镜、8－第四弯月正透镜、9－第五弯月正透镜、10－第二弯月负透镜、11－第二双凹负透镜、12－第二双凸正透镜、13－第三双凹负透镜、14－第三弯月负透镜、15－第四弯月负透镜、16－第六弯月正透镜、17－第七弯月正透镜、18－第三双凸正透镜、19－第五弯月负透镜、20－第四双凸正透镜、21－第五双凸正透镜、22－第八弯月正透镜、23－第九弯月正透镜、24－第十弯月正透镜、25－第十一弯月正透镜、26－第二平行平板、27－像面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明大数值孔径投影光学系统布局示意图，共使用了26片透镜，从光束入射方向依次包括第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5。其中，第一透镜组G1为没有光焦度的平板玻璃，第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4都具有正光焦度，第五透镜组G5也为没有光焦度的平板玻璃。像面27为硅片表面。

本发明所包含的第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5中26个折射元件共用一个对称轴——系统的光轴。

本发明所包含的大数值孔径投影光学系统的掩膜面正好为投影光学系统的物面，而硅片面正好位于投影光学系统的像面处，掩膜面和硅片面的大小之比为4：1。

本发明所包含的大数值孔径投影光学系统为双远心系统。所谓双远心系统就是物面上每个视场点发出的主光线与光轴平行，且该光线也以平行于光轴的方向入射到像面上。所谓主光线是指每个视场发出的经过光阑中心的光线。物面上每个视场点发出的主光线与光轴平行，且该光线也以平行于光轴的方向入射到像面上，这保证了即使位于物面的掩模图案和位于像面的硅片存在一定安装误差，也不会造成大数值孔径投影光学系统的倍率等光学性能的显著降低。

本发明所包含的第一透镜组G1为一块平行平板，该平行平板可充当光学系统的物方保护玻璃。

本发明所包含的第二透镜组G2由5块透镜组成，它们分别是：第一双凹负透镜2、第一弯月负透镜3、第一弯月正透镜4、第二弯月正透镜5、第一双凸正透镜6。第二透镜组G2具有正光焦度，它的主要作用是保证系统物方远心的同时，通过正光焦度产生的正畸变来平衡第二透镜组G2和像面之间的多个透镜产生的负畸变。

本发明所包含的第三透镜组G3从物侧到像侧依次包括了第三弯月正透镜7、第四弯月正透镜8、第五弯月正透镜9、第二弯月负透镜10、第二双凹负透镜11、第二双凸正透镜12、第三双凹负透镜13、第三弯月负透镜14、第四弯月负透镜15、第六弯月正透镜16、第七弯月正透镜17、第三双凸正透镜18。第三透镜组G3为类似双高斯的结构吗，具有正光焦度，该结构中包含了至少一个双凹透镜和两个弯月负透镜，这种结构能很好的校正系统像差，特别是，它为负光焦度，对矫正匹兹瓦场曲非常有效，帮助系统得到平场像面。

本发明所包含的第四透镜组G4由7块透镜组成，它们分别是：第五弯月负透镜19、第四双凸正透镜20、第五双凸正透镜21、第八弯月正透镜22、第九弯月正透镜23、第十弯月正透镜24、第十一弯月正透镜25。第四透镜组G4具有正光焦度，它的主要作用是将经过第三透镜组G3整形的中间像最终成像到像面上，它在保证像方大数值孔径的同时避免产生高阶球差和负畸变。

本发明所包含的第五透镜组G5为平板玻璃，平板玻璃的设计有利于测量晶片和物镜之间的距离、有利于测量待曝光晶片和物镜最后一个表面之间浸没介质的流体动力学性能，以及对晶片和物镜的清洁。

本发明所包含的第三透镜组G3和第四透镜组G4之间有一孔径光阑。该孔径光阑可以调节系统数值孔径的大小。

本发明所包含的大数值孔径投影光学系统适用于深紫外照明光源，例如波长为193.3nm的光源，当然也可以采用波长为248nm和157nm的光源。系统中的光学元件对于相应的深紫外照明光是透明的。

本发明所包含的大数值孔径投影光学系统所使用的折射材料具有低膨胀系数和其它良好的光学特性，例如SIO2。本发明为了制作方便，所有透射材料都采用了SIO2，当然其它玻璃材料如CAF2等同样可以使用。

为了提高分辨率，本发明除了选用较短波长的光源外，还将系统的像方数值孔径设置为0.93。光学系统的物方工作距大于30mm，像方工作距大于3mm，其它的参数请参阅表1。

表2给出了本实施例的大数值孔径投影光学系统的每一片镜片的具体参数，其中，表2中的“表面序号”是从光线入射端开始对表面的计数，如第一透镜组G1中仅有的平行平板透镜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；表2中的“半径”分别给出了每个表面顶点处所对应的曲率半径，如果顶点的曲率中心位于顶点左边，则曲率半径为负，反之为正，如果某个表面顶点区域为平面，则将之曲率半径记为“∞”；表2中的“厚度/间隔”给出了相邻两表面之间沿光轴的间隔距离，如果两个表面属于同一片透镜，则为该透镜的厚度，“厚度/间隔”的正负由光线的走向决定，如果光线由左向右，则“厚度/间隔”为正，反之为负。表2中的“半口径”给出了各个透镜半口径大小，如果调整数值孔径，则半口径也会改变，本发明给出的半口径是在像方数值孔径为0.93情况下给出的。表2中的“材料”给出了各个透镜材料，缺省处为空气。

表2中的所有长度单位为毫米。

表2A为表2的补充，它给出了各个非球面的非球面系数。

表1

工作波长	193.368nm
		像方数值孔径	0.93
放大倍率	-0.25
		像方视场	26mm×9mm
物像距离	1232mm
		物方工作距	35mm
像方工作距	3.09mm
		SIO2折射率	1.560219

表2

表面序号	半径	厚度/间隔	半口径	材料
					物面	∞	35
S1	∞	9.06	63.39	SIO2
					S2	∞	6.54	64.76

S3	-384.28	9.29	65.00	SIO2
					S4(ASP)	531.67	33.67	68.96
S5(ASP)	-98.63	32.56	69.38	SIO2
					S6	-521.15	1.02	100.91
S7(ASP)	-1109.77	43.23	106.66	SIO2
					S8	-230.63	1.02	115.53
S9(ASP)	-12781.60	48.92	132.16	SIO2
					S10	-323.80	1.04	138.24
S11	1247.39	51.93	148.19	SIO2
					S12	-526.61	25.23	150.46
S13	481.41	35.31	150.61	SIO2
					S14	1065.30	1.10	148.13
S15	228.26	55.71	143.88	SIO2
					S16(ASP)	668.70	1.00	137.02
S17	177.45	61.83	122.81	SIO2
					S18(ASP)	1168.94	26.87	112.72
S19	3815.74	12.69	88.89	SIO2
					S20(ASP)	138.43	35.40	71.32
S21(ASP)	-217.75	10.12	70.26	SIO2
					S22	136.13	15.74	64.95
S23(ASP)	1403.32	40.83	65.04	SIO2
					S24	-121.95	11.89	65.98
S25	-89.74	9.24	64.71	SIO2
					S26(ASP)	188.01	28.81	74.48
S27	-384.56	11.22	78.53	SIO2
					S28(ASP)	-6042.59	13.45	88.59
S29	14909.30	14.66	102.62	SIO2
					S30(ASP)	3713.73	9.36	110.30
S31(ASP)	-1793.83	50.74	115.51	SIO2
					S32	-224.43	1.00	124.70
S33	-877.43	47.48	138.57	SIO2
					S34	-294.20	1.00	145.84
S35	1585.21	67.06	158.31	SIO2
					S36	-395.53	1.32	161.16
STO	∞	0.10	159.49

S38	427.74	34.80	158.77	SIO2
					S39	228.48	19.37	149.57
S40	318.92	67.52	149.88	SIO2
					S41	-1301.27	1.00	150.17
S42	361.52	59.26	148.51	SIO2
					S43	-1707.37	1.00	144.64
S44	192.48	51.57	125.87	SIO2
					S45(ASP)	476.09	1.00	115.93
S46	174.74	50.19	102.55	SIO2
					S47(ASP)	858.55	1.00	86.72
S48	637.92	43.96	85.34	SIO2
					S49(ASP)	893.13	7.91	58.51
S50	313.34	25.12	43.14	SIO2
					S51(ASP)	589.83	1.50	25.77
S52	∞	3.35	23.45	SIO2
					S53	∞	3.09	21.01
像面	∞	0.00	13.77

表2A

以上各元件的具体参数在实际操作中，可根据数值孔径的大小做调整及优化，以满足不同的系统参数要求。

对本实施例制作的深紫外大数值孔径投影光学系统采用两种手段进行评价：

1、光学调制传递函数

图2为大数值孔径投影光学系统在全场范围内光学调制传递函数示意图。光学调制传递函数(MTF)用于评价不同空间频率的图形经过光学系统传递到像面处的效率，光学调制传递函数(MTF)曲线横坐标是空间频率，单位是线对/毫米，纵坐标是调制函数。如图2所示的本实施例所述的大数值孔径投影光学系统MTF已经达到衍射极限。

2、像散、场曲与畸变

图3为投影光刻物镜场曲与畸变示意图，左侧是场曲示意图，横坐标代表不同视场像点偏离焦面的量，纵坐标是物方视场高度，虚线表示像点在弧矢面上的场曲大小，实线表示像点在子午面上的场曲大小，而虚线与实线的差值为像点的像散；右侧是畸变示意图，横坐标代表畸变百分比，纵坐标是物方视场高度。由图3可以看出，本实施例制作的深紫外大数值孔径投影光学系统的场曲和像散控制在0.2um以内，畸变小于0.01um。

以上所述，仅为本发明的部分实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种大数值孔径的纯折射式投影光学系统，用于将位于物平面的图案投影到像平面上，所述大数值孔径的投影光学系统包括第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)，其特征在于：从光束入射方向的第一透镜组(G1)没有光焦度，第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)都具有正光焦度，第五透镜组(G5)也为没有光焦度的平板玻璃，所述大数值孔径的投影光学系统包含了26片透镜，其中包含有17个非球面透镜；

所述的第二透镜组(G2)包括第一双凹负透镜(2)、第一弯月负透镜(3)、第一弯月正透镜(4)、第二弯月正透镜(5)、第一双凸正透镜(6)；

所述的第三透镜组(G3)包括第三弯月正透镜(7)、第四弯月正透镜(8)、第五弯月正透镜(9)、第二弯月负透镜(10)、第二双凹负透镜(11)、第二双凸正透镜(12)、第三双凹负透镜(13)、第三弯月负透镜(14)、第四弯月负透镜(15)、第六弯月正透镜(16)、第七弯月正透镜(17)、第三双凸正透镜(18)；

所述的第四透镜组(G4)包括第五弯月负透镜(19)、第四双凸正透镜(20)、第五双凸正透镜(21)、第八弯月正透镜(22)、第九弯月正透镜(23)、第十弯月正透镜(24)、第十一弯月正透镜(25)；所述的第一透镜组(G1)为平行平板(1)。

2.如权利要求1所述的大数值孔径的纯折射式投影光学系统，其特征在于：所述的第三透镜组(G3)和第四透镜组(G4)之间设置有一孔径光阑。

3.如权利要求1所述的大数值孔径的纯折射式投影光学系统，其特征在于：第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)中所有的元件均采用SIO₂玻璃。

4.如权利要求1所述的大数值孔径的纯折射式投影光学系统，其特征在于：所述大数值孔径投影光学系统为双远心系统。

5.如权利要求1所述的大数值孔径的纯折射式投影光学系统，其特征在于：所述的大数值孔径投影光学系统适用于深紫外照明光源，为波长为157nm、193.3nm或248nm的光源。