CN103676096A - 一种投影物镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种投影物镜光学系统，将掩模图形从物平面经过光学系统传送到像平面，所述投影物镜光学系统沿其光轴方向从物面一侧顺次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜分别与第六透镜、第五透镜、第四透镜关于孔径光阑完全对称。其中，第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度；第二透镜与第三透镜构成第一透镜组；第一透镜、第二透镜与第三透镜之间的光焦度分配满足以下条件：G111∶G113=-0.73～-0.79，第一透镜与第一透镜组光焦度比值为：G111/G123=3.72～3.91；其中，G111、G113分别为第一、第三透镜的光焦度；G123为第一透镜组的光焦度；第四透镜、第五透镜与第六透镜的光焦度分配也满足上述条件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体地涉及光刻设备的投影物镜光学系统。
背景技术
投影光刻技术已经成功用于亚微米分辨率集成电路制造领域。在半导体光刻技术中，半导体封装投影光刻技术用于要求较低分辨率（如几微米）、较大焦深、较高产率的金凸块/锡凸块、硅片级芯片尺度光刻(WLCSP)技术等领域。
美国专利US20080204682A1公开了一种使用g h i线波段光谱，视场52mm x 66mm，数值孔径小于等于0.2，镜片数量20片左右的对称结构的投影物镜光学系统。中国专利CN 101206300A提出由16片镜片构成的对称结构的投影物镜光学系统，其像方数值孔径为0.10，工作波长为g、h、i线，像方视场45mm x 45mm。
在数值孔径较小分辨率较低的情况下，背景专利技术都需要应用较多数量的镜片组成较为复杂的结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种用在半导体光刻领域，结构简单，具有双远心，能校正畸变、场曲、像散、轴向色差、倍率色差的投影光学系统。
本发明提出一种投影物镜光学系统，将掩模图形从物平面经过光学系统传送到像平面，所述投影物镜光学系统沿其光轴方向从物面一侧顺次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜分别与第六透镜、第五透镜、第四透镜关于孔径光阑完全对称。
其中，第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度；第二透镜与第三透镜构成透镜组；第一透镜、第二透镜与第三透镜之间的光焦度分配满足以下条件：G111∶G113= -0.73～-0.79，第一透镜与第一透镜组光焦度比值为：G111 /G123=3.72～3.91；其中，G111、G113分别为第一、第三透镜的光焦度；G123为第一透镜组的光焦度；第四透镜、第五透镜与第六透镜的光焦度分配也满足上述条件。
其中，所述第一透镜与第三透镜之间的光焦度分配为G111∶G113=-0.76。
其中，所述第一透镜与第一透镜组的光焦度比值为G111 /G123= 3.78。
其中，所述第一透镜与第六透镜的材料由PBM2Y构成，第二透镜与第五透镜的材料由PBL1Y构成，第三透镜与第四透镜的材料由BSM51Y构成。
其中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜为全球面透镜或至少一片非球面透镜。
其中，像方数值孔径NA≤0.1。
其中，像方视场为44.5mm×44.5mm的方形视场。
本发明还提出一种使用上述投影物镜光学系统的光刻机。
本发明的投影物镜相对于背景技术，使用2.5nm的 I线带宽设计，在仅使用六片镜片的结构下实现了最大分辨率0.1NA，提供45mm x 45mm的曝光视场，1：1的放大倍率。使用≤0.1的NA设计，轴向像差小于焦深。同时能实现1.5um的最大分辨率，各项光学性能满足需求。本发明还提供了长工作距，使得光刻投影物镜与掩模台和工件台之间具有良好的空间需求。本发明投影光学系统通过三种光学玻璃的优化组合，色差和二级光谱得到了很好的校正。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为本发明投影物镜光学系统第一实施例100结构示意图；
图2为第一实施例100光线像差曲线；
图3为第一实施例100球差、像散、场曲、畸变示意图；
图4为第一实施例100传递函数(MTF) 示意图；
图5为第一实施例100物方、像方各视场远心曲线；
图6为本发明投影物镜光学系统第二实施例200结构示意图；
图7为第二实施例200光线像差曲线；
图8为第二实施例200球差、像散、场曲、畸变示意图；
图9为第二实施例200传递函数(MTF) 示意图；
图10为第二实施例200物方、像方各视场远心曲线；
图11为本发明投影物镜光学系统第三实施例300结构示意图；
图12为第三实施例300光线像差曲线；
图13为第三实施例300球差、像散、场曲、畸变示意图；
图14为第三实施例300传递函数(MTF) 示意图；
图15为第三实施例300物方、像方各视场远心曲线；
图16为本发明投影物镜光学系统第四实施例400结构示意图；
图17为第四实施例400光线像差曲线；
图18为第四实施例400球差、像散、场曲、畸变示意图；
图19为第四实施例400传递函数(MTF) 示意图；
图20为第四实施例400物方、像方各视场远心曲线。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
第一实施例
图1所示为本发明投影物镜光学系统100结构示意图。在这个实施例中，光学系统100可以满足波长365nm，2.5nm半高全宽；数值孔径NA：0.05；全视场44.5mmx44.5mm；工作距85.796mm进行曝光。沿光线传播方向依次设置为：将掩模图形从物平面102经过光学系统100传送到像平面106，光学系统100依次包括第一透镜111，第二透镜112，第三透镜113，第四透镜114，第五透镜115和第六透镜116。其中，第一透镜111与第六透镜116、第二透镜112与第五透镜115、第三透镜113与第四透镜114关于光阑104对称。
该投影物镜光学系统100第一透镜111与第六透镜116是双凸正透镜；第二透镜112与第五透镜115是双凹负透镜；第三透镜113与第四透镜114双凸正透镜。第一透镜111具有正光焦度，第二透镜112具有负光焦度，第三透镜113具有正光焦度；第二透镜112与第三透镜113构成第一透镜组。第一透镜111、第二透镜112与第三透镜113之间的光焦度分配应该满足以下条件： G111∶G113= -0.73～-0.79，较优值为-0.76。第一透镜111与第一透镜组光焦度比值为：G111 /(G123)=3.72～3.91，较优值为3.78。同样，分别与其对称的第四透镜114、第五透镜115与第六透镜116的光焦度分配也应当满足上述条件。
表1为第一实施例100的镜头数据，包括光学系统100中的每个折反射面的曲率半径，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在同一侧，则镜片表面的曲率半径为负，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在不在同一侧，则镜片表面的曲率半径为正。在第一实施例的光学系统100中，镜片表面为全球面设计。
本发明光学系统100其设计参数如下：
曝光波长：365nm，2.5nm半高全宽；数值孔径：0.05；全视场：44.5mmx44.5mm；工作距：85.796mm；物像共轭距：500mm。
表1
| 表面 | 表面类型 | 半径 | 厚度 | 材料 |
| 102 | Sphere | infinity | 85.796 | |
| 111a | Sphere | 145.306 | 13.658 | PBM2Y |
| 111b | Sphere | -257.937 | 113.659 | |
| 112a | Sphere | -34.229 | 11.186 | PBL1Y |
| 112b | Sphere | 34.443 | 3.462 | |
| 113a | Sphere | 46.596 | 15.000 | BSM51Y |
| 113b | Sphere | -42.587 | 7.238 | |
| 104 | Sphere | infinity | 7.238 | |
| 114a | Sphere | 42.587 | 15.000 | BSM51Y |
| 114b | Sphere | -46.596 | 3.462 | |
| 115a | Sphere | -34.443 | 11.186 | PBL1Y |
| 115b | Sphere | 34.229 | 113.659 | |
| 116a | Sphere | 257.937 | 13.658 | PBM2Y |
| 116b | Sphere | -145.306 | 85.796 | |
| 106 | Sphere | infinity | 0.000 |
图2为第一实施例100光线像差曲线。
图3为第一实施例100球差、像散、场曲、畸变示意图；从图可知，球差、像散、场曲、畸变得到了很好的校正。
图4为第一实施例100传递函数(MTF) 示意图。从示意图可知，物镜性能达到了衍射极限。
图5为第一实施例100物方、像方各视场远心曲线。由图中可知，第一实施例100的远心得到了很好的校正，远心小于3mrad。
第二实施例
图6所示为本发明投影物镜光学系统第二实施例200结构示意图。本实施例200的结构与第一实施例不同之处在于，数值孔径采用0.06设计，其具体结构参数如下：
曝光波长：365nm，2.5nm半高全宽；数值孔径：0.06；全视场：44.5mmx44.5mm；工作距：88.55mm；物像共轭距：500mm。
表2为第二实施例200的具体镜头数据，包括光学系统200中的每个折反射面的曲率半径，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在同一侧，则镜片表面的曲率半径为负，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在不在同一侧，则镜片表面的曲率半径为正。
表2
| 表面 | 表面类型 | 半径 | 厚度 | 材料 |
| 202 | Sphere | infinity | 88.550 | |
| 211a | Sphere | 175.448 | 13.322 | PBM2Y |
| 211b | Sphere | -201.765 | 115.949 | |
| 212a | Sphere | -32.742 | 8.000 | PBL1Y |
| 212b | Sphere | 35.758 | 3.695 | |
| 213a | Sphere | 50.213 | 12.431 | BSM51Y |
| 213b | Sphere | -39.277 | 8.052 | |
| 204 | Sphere | infinity | 8.052 | |
| 214a | Sphere | 39.277 | 12.431 | BSM51Y |
| 214b | Sphere | -50.213 | 3.695 | |
| 215a | Sphere | -35.758 | 8.000 | PBL1Y |
| 215b | Sphere | 32.742 | 115.949 | |
| 216a | Sphere | 201.765 | 13.322 | PBM2Y |
| 216b | Sphere | -175.448 | 88.550 | |
| 206 | Sphere | infinity | 0.000 |
图7为第二实施例200光线像差曲线。
图8为第二实施例200球差、像散、场曲、畸变示意图。从图可知，球差、像散、场曲、畸变得到了很好的校正。
图9为第二实施例200传递函数(MTF) 示意图。由示意图可知，物镜性能达到了衍射极限。
图10为第二实施例200物方、像方各视场远心曲线。由图可知，第二实施例200的远心得到了很好的校正，远心小于3.5mrad。
第三实施例
图11所示为本发明投影物镜光学系统第三实施例300结构示意图。第三实施例300的结构与第一实施例的不同之处在于，数值孔径NA采用0.09设计，并使用了完全对称的非球面镜片设计，有效降低了NA增大导致的像质量下降。其结构参数如下：
曝光波长：365nm，2.5nm半高全宽；数值孔径：0.09；全视场：44.5mmx44.5mm；工作距：41.094mm；物像共轭距：500mm。
表3为第三实施例300的镜头数据，包括光学系统300中的每个折反射面的曲率半径，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在同一侧，则镜片表面的曲率半径为负，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在不在同一侧，则镜片表面的曲率半径为正。
表3
| 表面 | 表面类型 | 半径 | 厚度 | 材料 |
| 302 | Sphere | infinity | 41.094 | |
| 311a | Sphere | 261.463 | 10.048 | PBM2Y |
| 311b | Asphere | -245.017 | 164.599 | |
| 312a | Asphere | -26.080 | 15 | PBL1Y |
| 312b | Sphere | 149.199 | 2.240 | |
| 313a | Asphere | 68.923 | 15.046 | BSM51Y |
| 313b | Sphere | -48.469 | 2 | |
| 304 | Sphere | infinity | 2 | |
| 314a | Sphere | 48.469 | 15.046 | BSM51Y |
| 314b | Asphere | -68.923 | 2.240 | |
| 315a | Sphere | -149.199 | 15 | PBL1Y |
| 315b | Asphere | 26.080 | 164.599 | |
| 316a | Asphere | 245.017 | 39.474 | PBM2Y |
| 316b | Sphere | -261.463 | 41.094 | |
| 306 | Sphere | infinity | 0.000 |
本实施例中非球面参数如下：
311b：K : 0.000000
A :-.944322E-08 B :-.114111E-09
C :0.243285E-12 D :-.319414E-15
E :0.227647E-18 F :-.818630E-22
G :0.176222E-25 H :-.822763E-29
312a: K : 0.000000
A :0.131845E-04 B :-.124762E-07
C :0.341287E-10 D :-.503037E-13
E :0.200588E-15 F :-.119031E-17
G :0.457096E-20 H :-.873741E-23
313a：K : 0.000000
A :-.681848E-05 B :0.940096E-08
C :-.145762E-10 D :0.173317E-13
E :-.827995E-17 F :-.110536E-19
G :0.176611E-22 H :-.432122E-26
314b：K : 0.000000
A :0.681848E-05 B :-.940096E-08
C :0.145762E-10 D :-.173317E-13
E :0.827995E-17 F :0.110536E-19
G :-.176611E-22 H :0.432122E-26
315b: K : 0.000000
A :-.131845E-04 B :0.124762E-07
C :-.341287E-10 D :0.503037E-13
E :-.200588E-15 F :0.119031E-17
G :-.457096E-20 H :0.873741E-2
316a：K : 0.000000
A :0.944322E-08 B :0.114111E-09
C :-.243285E-12 D :0.319414E-15
E :-.227647E-18 F :0.818630E-22
G :-.176222E-25 H :0.822763E-29
图12为第三实施例300光线像差曲线。
图13为第三实施例300球差、像散、场曲、畸变示意图。从图可知，球差、像散、场曲、畸变得到了很好的校正。
图14为第三实施例300传递函数(MTF) 示意图。由示意图可知，物镜性能接近衍射极限。
图15为第三实施例300物方、像方各视场远心曲线。由图可知，第三实施例300的远心得到了很好的校正，远心小于5mrad。
第四实施例
图16所示为本发明投影物镜光学系统第四实施例400结构示意图。第四实施例400的结构与第三实施例不同之处在于，数值孔径NA采用0.1设计，并使用了完全对称的非球面镜片设计，有效降低NA增大导致的像质量下降。其结构参数如下：
曝光波长：365nm，2.5nm半高全宽；数值孔径：0.1；全视场：44.5mmx44.5mm；工作距：39.474mm；物像共轭距：500mm。
表4为第四实施例400的镜头数据，包括光学系统400中的每个折反射面的曲率半径，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在同一侧，则镜片表面的曲率半径为负，如果镜片表面的曲率中心和光线的入射面在不在同一侧，则镜片表面的曲率半径为正。
表4
| 表面 | 表面类型 | 半径 | 厚度 | 材料 |
| 402 | Sphere | infinity | 39.474 | |
| 411a | Sphere | 373.665 | 10.089 | PBM2Y |
| 411b | Asphere | -191.938 | 165.649 | |
| 412a | Asphere | -25.197 | 13.116 | PBL1Y |
| 412b | Asphere | 330.494 | 2 | |
| 413a | Asphere | 90.008 | 17.677 | BSM51Y |
| 413b | Sphere | -45.962 | 2 | |
| 404 | Sphere | infinity | 2 | |
| 414a | Sphere | 45.962 | 17.677 | BSM51Y |
| 414b | Asphere | -90.008 | 2 | |
| 415a | Asphere | -330.494 | 13.116 | PBL1Y |
| 415b | Asphere | 25.197 | 165.649 | |
| 416a | Asphere | 191.938 | 10.089 | PBM2Y |
| 416b | Sphere | -373.665 | 39.474 | |
| 406 | Sphere | infinity | 0.000 |
非球面参数：
411b：K : 0.000000
A :-.125870E-07 B :0.108918E-09
C :-.651799E-12 D :0.158251E-14
E :-.186414E-17 F :0.812342E-21
G :0.327202E-24 H :-.438014E-27
412a: K : 0.000000
A :0.176058E-04 B :-.164413E-07
C :0.437630E-10 D :-.968467E-13
E :0.378377E-15 F :-.146718E-17
G :0.418544E-20 H :-.641160E-23
412b：K : 0.000000
A :0.496790E-05 B :-.257380E-08
C :-.192381E-11 D :-.234823E-14
E :0.927632E-17 F :-.716192E-22
G :-.759654E-23 H :-.425940E-26
413a：K : 0.000000
A :-.453293E-05 B :0.954875E-08
C :-.182738E-10 D :0.232723E-13
E :-.156596E-16 F :-.560017E-20
G :0.260984E-22 H :-.254841E-25
414b：K : 0.000000
A :0.453293E-05 B :-.954875E-08
C :0.182738E-10 D :-.232723E-13
E :0.156596E-16 F :0.560017E-20
G :-.260984E-22 H :0.254841E-25
415a：K : 0.000000
A :-.496790E-05 B :0.257380E-08
C :0.192381E-11 D :0.234823E-14
E :-.927632E-17 F :0.716192E-22
G :0.759654E-23 H :0.425940E-26
415b: K : 0.000000
A :-.176058E-04 B :0.164413E-07
C :-.437630E-10 D :0.968467E-13
E :-.378377E-15 F :0.146718E-17
G :-.418544E-20 H :0.641160E-23
416a：K : 0.000000
A :0.125870E-07 B :-.108918E-09
C :0.651799E-12 D :-.158251E-14
E :0.186414E-17 F :-.812342E-21
G :-.327202E-24 H :0.438014E-27
图17为第四实施例400光线像差曲线。
图18为第四实施例400球差、像散、场曲、畸变示意图。从图可知，球差、像散、场曲、畸变得到了很好的校正。
图19为第四实施例400传递函数(MTF) 示意图。由示意图可知，物镜性能接近衍射极限。
图20为第四实施例400物方、像方各视场远心曲线。由图可知，第四实施例400的远心得到了很好的校正，远心小于5mrad。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，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 (8)
1.一种用于光刻领域的投影物镜光学系统，将掩模图形从物平面经过光学系统传送到像平面，其特征在于，所述投影物镜光学系统沿其光轴方向从物面一侧顺次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜分别与第六透镜、第五透镜、第四透镜关于孔径光阑完全对称；
其中，第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度；第二透镜与第三透镜构成第一透镜组；第一透镜、第二透镜与第三透镜之间的光焦度分配满足以下条件：G111∶G113= -0.73～-0.79，第一透镜与第一透镜组光焦度比值为：G111 /G123=3.72～3.91；其中，G111、G113分别为第一、第三透镜的光焦度；G123为第一透镜组的光焦度；第四透镜、第五透镜与第六透镜的光焦度分配也满足上述条件。
2.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其中，所述第一透镜与第三透镜之间的光焦度分配为G111∶G113=-0.76。
3.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其中，所述第一透镜与第一透镜组的光焦度比值为G111 /G123)= 3.78。
4.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其中，所述第一透镜与第六透镜的材料由PBM2Y构成，第二透镜与第五透镜的材料由PBL1Y构成，第三透镜与第四透镜的材料由BSM51Y构成。
5.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜为全球面透镜或至少一片非球面透镜。
6.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其中，像方数值孔径NA≤0.1。
7.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其中，像方视场为44.5mm×44.5mm的方形视场。
8.一种使用如权利要求1-7之一所述的投影物镜光学系统的光刻机。
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