CN103499877B - 一种大数值孔径的投影光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大数值孔径的投影光学系统，用于将物平面上的图案经过一定比例的缩放后投射到像平面上，所述的投影光学系统从物面到像面依次有五个镜组，其中，第一个镜组为平板玻璃，它充当系统的保护玻璃；第二个镜组为纯折射镜组，它的作用是将物平面上的图案投射到第一中间像平面上；第三个镜组包含了至少一个凹面反射镜，它的作用是将第一中间像平面上的图案投射到第二中间像平面上；第四镜组和第五镜组都为纯折射镜组，它们的作用是将第二中间像平面上的图案投射到像平面上。采用本发明的浸没式投影光学系统，除了可实现数值孔径大于1之外，能有效地降低制造成本，降低镜片的加工、检测和装调难度。
Description
技术领域
本发明涉及光刻装置的投影光学系统，特别涉及一种大数值孔径的投影光学系统。
背景技术
光刻是半导体制造工艺中非常重要的一道工序，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，通过投影光学系统将掩膜上的图案缩小后投射到如干胶片等的感光基板上进行曝光，曝光质量的好坏对整个刻蚀工序有很大的影响。为了提高投影光学系统的分辨率，一方面使用波长低于260nm的紫外光作为曝光系统的光源；另一方面尽可能增大光学系统的像方数值孔径，如果使曝光系统的像方介质为高折射率的液体（例如水：折射率为1.43），就能得到像方数值孔径大于1的投影光学系统。
由于投影光学系统使用的折射材料一般只有人造石英和氟化晶体等材料，这些材料的色散效果都很接近，因此，对于纯折射式投影光学系统而言，复消色差将是大问题；另外，对于大数值孔径光学系统而言，由于存在很大的匹兹瓦场曲，这将导致光学系统的像面弯曲严重，而对于曝光半导体硅片而言，获得平场像是很重要的。为了复消色差和获得平场像，其中一个解决的方法就是将投影光学系统设计为折反射式投影光学系统，这个折反射投影光学系统里包含折射元件和反射元件，由于凹面反射镜具有类似于正透镜光焦度但却有负透镜场曲，利于矫正场曲且不引入色差，因此，折反射投影光学系统的反射元件中至少有一个凹面反射镜。
为了能很好地校正色差和减小系统的重量，折反射投影光学系统一般至少包含两个凹面反射镜。美国专利US20090190208A1中TABLE16描述了在数值孔径为1.35和照明光波长为193.3nm的条件下，使用22片透镜和2片反射镜的折反射系统来满足成像质量的技术方案。光学系统使用非球面能大大提高成像质量，而以上专利描述的光学系统的非球面度太大，这会给后续的加工或检测工作带来很多困难，严重时甚至根本无法加工或检测。另外，以上专利描述的投影光学系统缺少物方保护玻璃，这会在工程上造成很大困扰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种浸没式、大数值孔径的投影光学系统，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1.35的投影光学系统，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。
本发明采用的技术方案为：一种大数值孔径的投影光学系统，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、第三反射镜组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没有光焦度，第二透镜组G2具有正光焦度，第三反射镜组G3具有负光焦度，第四透镜组G4具有正光焦度，第五透镜组G5具有正光焦度。所述大数值孔径的投影光学系统包含了25片透镜和两片反射镜，且包含有非球面表面。
其中第一透镜组G1为一块平行平板。
所述大数值孔径投影光学系统第二透镜组G2包括第一双凸正透镜2、第一弯月负透镜3、第二双凸正透镜4、第二弯月负透镜5、第三双凸正透镜6、第一弯月正透镜7、第二弯月正透镜8、第三弯月正透镜9、第四弯月正透镜10和第三弯月负透镜11。第二透镜组G2包括10块透镜，是类双高斯物镜结构形式。
其中第三反射镜组G3包括第一反射镜12、第二反射镜13。第一反射镜12和第二反射镜13分别只使用了两个凹非球面反射镜的离轴部分，这两个凹非球面反射镜的圆对称轴为系统的光轴。第三反射镜组G3具有负光焦度。
其中第四反射镜组G4包括第四双凸正透镜14、第四弯月负透镜15、第一双凹负透镜16、第五弯月负透镜17、第五弯月正透镜18、第六弯月正透镜19、第七弯月正透镜20、第八弯月正透镜21和第六弯月负透镜22。第四反射镜组G4具有正光焦度。
其中第五反射镜组G5包括第五双凸正透镜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和第一平凸正透镜27。第五反射镜组G5具有正光焦度，它的作用是将经过第四反射镜组G4整形的中间像最终成像到像面上。第五反射镜组G5最后一块透镜是平凸透镜，最后一面为平面。
其中第四反射镜组G4和第五反射镜组G5之间有一孔径光阑。
其中第一透镜组G1、第二透镜组G2、第四透镜组G4和第五透镜组G5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二透镜组G2、第三反射镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5的光焦度分别为正、负、正和正，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，这对光学系统工程应用有利。
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。
6、本发明同时包含了非球面和反射镜，这有利于减小系统口径和减少系统元件，使得系统结构紧凑、体积小巧。
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－第一双凸正透镜、3－第一弯月负透镜，4－第二双凸正透镜、5－第二弯月负透镜、6－第三双凸正透镜、7－第一弯月正透镜、8－第二弯月正透镜、9－第三弯月正透镜、10－第四弯月正透镜、11－第三弯月负透镜、12－第一反射镜、13－第二反射镜、14－第四双凸正透镜，15－第四弯月负透镜、16－第一双凹负透镜、17－第五弯月负透镜、18－第五弯月正透镜、19－第六弯月正透镜、20－第七弯月正透镜、21－第八弯月正透镜、22－第六弯月负透镜、23－第五双凸正透镜、24－第九弯月正透镜、25－第十弯月正透镜、26－第十一弯月正透镜、27－第一平凸正透镜、28－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，共使用了二十五片透镜和两片反射镜，从光束入射方向依次包括第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三反射镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5。第一透镜组G1为无光焦度的平行平板玻璃；第二透镜组G2具有正光焦度；第三反射镜组G3具有负光焦度；第四透镜组G4具有正光焦度；第五透镜组G5具有正光焦度。像面28为硅片表面。
本发明所包含的第一透镜组G1、第二透镜组G2、第四透镜组G4和第五透镜组G5中25个折射元件共用一个对称轴——系统的光轴，第三反射镜组G3包括的第一反射镜12和第二反射镜13分别只使用了两个凹非球面反射镜的离轴部分，这两个凹非球面反射镜的圆对称轴也为系统的光轴。
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10块透镜组成，它们分别是：第一双凸正透镜2、第一弯月负透镜3、第二双凸正透镜4、第二弯月负透镜5、第三双凸正透镜6、第一弯月正透镜7、第二弯月正透镜8、第三弯月正透镜9、第四弯月正透镜10和第三弯月负透镜11。第二透镜组G2的主要作用是将位于物面的图案成实像于第三反射镜组G3之前，该实像为系统的第一中间像。第二透镜组G2为类双高斯结构，它在保证系统远心的同时，通过提供正光焦度来平衡系统的畸变。
本发明所包含的第三反射镜组G3包括第一反射镜12、第二反射镜13。第一反射镜12和第二反射镜13分别只使用了两个凹非球面反射镜的离轴部分，这两个凹非球面反射镜的圆对称轴为系统的光轴。第三反射镜组G3具有负光焦度，它的主要作用是将第一中间像成像到第二中间像面处。它通过提供负光焦度来矫正匹兹瓦场曲，在减少系统元件数量和减小系统口径情况下，得到平场像面。
本发明所包含的第四反射镜组G4由9块透镜组成，它们分别是：第四双凸正透镜14、第四弯月负透镜15、第一双凹负透镜16、第五弯月负透镜17、第五弯月正透镜18、第六弯月正透镜19、第七弯月正透镜20、第八弯月正透镜21和第六弯月负透镜22。第四反射镜组G4具有正光焦度，它对矫正系统的球差、畸变和匹兹瓦场曲很有效果。
本发明所包含的第五反射镜组G5由5块透镜组成，它们分别是：第五双凸正透镜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和第一平凸正透镜27。第五反射镜组G5具有正光焦度，它的主要作用是将经过第四反射镜组G4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反射镜组G5最后一块透镜是平凸透镜，最后一面为平面，平面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。
本发明所包含的第四反射镜组G4和第五反射镜组G5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。
本发明所包含的大数值孔径投影光学系统所使用的浸没介质为在相应的深紫外波段折射率大于1的液体，如水，其在193.3nm波段的折射率约为1.43。而浸没介质的厚度优选在0.1mm和10mm之间，在保证能良好安装条件下，为了保证曝光的稳定性，上述厚度范围内的较小厚度设计是有利的。
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1.35。光学系统的物方工作距为30mm，像方工作距为3.1mm，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数值孔径为1.35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mm。
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 | 1.35 |
| 放大倍率 | -0.25 |
| 像方视场 | 26mm×5.5mm |
| 物像距离 | 1300mm |
| 物方工作距 | 30mm |
| 像方工作距 | 3.1mm |
| 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 | ∞ | 30.00 | ||
| S1 | ∞ | 6.05 | 75.75 | SiO2 |
| S2 | ∞ | 1.00 | 77.09 | |
| S3（ASP） | 367.67 | 21.83 | 80.73 | SiO2 |
| S4 | -568.89 | 8.88 | 81.60 | |
| S5（ASP） | 22371.86 | 6.68 | 83.61 | SiO2 |
| S6 | 11866.37 | 1.00 | 84.13 | |
| S7（ASP） | 164.02 | 52.74 | 86.57 | SiO2 |
| S8 | -416.99 | 9.87 | 84.63 | |
| S9 | 147.27 | 23.40 | 74.87 | SiO2 |
| S10（ASP） | 81.98 | 17.43 | 63.15 | |
| S11 | 149.38 | 77.70 | 63.21 | SiO2 |
| S12（ASP） | -263.64 | 1.00 | 54.40 | |
| S13 | 229.64 | 7.32 | 53.10 | SiO2 |
| S14（ASP） | 589.16 | 1.62 | 54.11 | |
| S15 | 186.68 | 18.13 | 57.59 | SiO2 |
| S16（ASP） | 2093.13 | 33.00 | 58.90 | |
| S17（ASP） | -14423.35 | 42.41 | 65.96 | SiO2 |
| S18 | -131.90 | 1.00 | 70.46 | |
| S19（ASP） | -209.01 | 14.36 | 70.16 | SiO2 |
| S20 | -120.02 | 9.01 | 71.28 | |
| S21（ASP） | -83.78 | 6.85 | 71.22 | SiO2 |
| S22 | -178.18 | 284.42 | 76.09 | |
| S23（ASP） | -189.58 | -255.62 | 148 | Mirror5 --> |
| S24（ASP） | 203.75 | 296.24 | 150 | Mirror |
| S25 | 812.21 | 47.49 | 90.91 | SiO2 |
| S26 | -330.62 | 4.92 | 88.57 | |
| S27 | 741.54 | 20.41 | 82.14 | SiO2 |
| S28（ASP） | 129.33 | 23.49 | 73.79 | |
| S29 | -388.30 | 6.62 | 73.70 | SiO2 |
| S30（ASP） | 143.84 | 18.99 | 77.02 | |
| S31 | 347.24 | 11.39 | 78.19 | SiO2 |
| S32（ASP） | 196.56 | 25.43 | 82.81 | |
| S33 | -406.11 | 48.58 | 83.43 | SiO2 |
| S34 | -304.97 | 1.00 | 106.41 | |
| S35（ASP） | -410.99 | 24.36 | 108.28 | SiO2 |
| S36 | -227.24 | 1.00 | 114.89 | |
| S37（ASP） | -548.02 | 55.21 | 122.15 | SiO2 |
| S38 | -185.98 | 1.00 | 131.82 | |
| S39 | -1389.12 | 53.65 | 145.53 | SiO2 |
| S40 | -294.01 | 1.00 | 150.08 | |
| S41 | -4359.44 | 17.58 | 151.64 | SiO2 |
| S42 | -1465.82 | 1.00 | 152.16 | |
| Stop | ∞ | 1.00 | 152.24 | |
| S44 | 1065.06 | 26.84 | 152.40 | SiO2 |
| S45 | -917.88 | 1.00 | 152.28 | |
| S46 | 206.42 | 63.95 | 145.83 | SiO2 |
| S47（ASP） | 757.29 | 4.82 | 140.13 | |
| S48 | 242.30 | 48.53 | 127.13 | SiO2 |
| S49（ASP） | 1007.12 | 1.00 | 117.88 | |
| S50 | 108.25 | 38.82 | 87.43 | SiO2 |
| S51（ASP） | 232.85 | 1.00 | 79.68 | |
| S52 | 58.16 | 47.31 | 52.11 | SiO2 |
| S53 | ∞ | 3.10 | 25.57 | H2O |
| 像面 | ∞ | 0 | 16.25 |
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，并且几乎不产生畸变。
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 (9)
1.一种大数值孔径的投影光学系统，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)、第三反射镜组(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)具有正光焦度，第三反射镜组(G3)具有负光焦度，第四透镜组(G4)具有正光焦度，第五透镜组(G5)具有正光焦度，所述大数值孔径的投影光学系统包含了25片透镜和两片反射镜，且包含有非球面表面；
所述的第二透镜组(G2)包括第一双凸正透镜(2)、第一弯月负透镜(3)、第二双凸正透镜(4)、第二弯月负透镜(5)、第三双凸正透镜(6)、第一弯月正透镜(7)、第二弯月正透镜(8)、第三弯月正透镜(9)、第四弯月正透镜(10)和第三弯月负透镜(11)。
2.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组(G1)为一块平行平板。
3.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，其特征在于：所述的第三反射镜组(G3)包括第一反射镜(12)、第二反射镜(13)两个凹面反射镜。
4.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，其特征在于：所述的第四透镜组(G4)包括第四双凸正透镜(14)、第四弯月负透镜(15)、第一双凹负透镜(16)、第五弯月负透镜(17)、第五弯月正透镜(18)、第六弯月正透镜(19)、第七弯月正透镜(20)、第八弯月正透镜(21)和第六弯月负透镜(22)。
5.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，其特征在于：所述的第五透镜组(G5)包括第五双凸正透镜(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)和第一平凸正透镜(27)。
6.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，其特征在于：所述的第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)之间设置有一孔径光阑。
7.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，其特征在于：第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)均采用SIO2玻璃。
8.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，其特征在于：所述大数值孔径投影光学系统为双远心系统。
9.如权利要求1所述的大数值孔径的投影光学系统，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，波长为157nm、193.3nm或248nm的光源。
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