CN104111518A - 一种大数值孔径的投影物镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大数值孔径的投影物镜光学系统。本发明中的投影物镜光学系统由多个透镜组成。从物面到像面依次可分为三个镜组。其中，第一透镜组具有负光焦度，第二透镜组具有正光焦度，第三透镜组具有正光焦度。本发明中的投影物镜光学系统数值孔径大、像差小、非球面个数少。本发明中的投影物镜光学系统最大优势在于在达到大数据孔径的同时，系统中透镜口径较小，非球面数量少，且非球面度比较小，从而降低对光学材料的尺寸要求，减小制造成本，降低镜片的加工、检测难度。

Description

一种大数值孔径的投影物镜光学系统

技术领域

本发明涉及一种工作于紫外波段的投影物镜光学系统，特别涉及一种大数值孔径(数值孔径为0.93)的投影物镜光学系统。

背景技术

光学光刻是现代超大规模集成电路的最主要生产方法。随着需要的发展，光学投影光刻技术是目前大规模低成本生产大规模集成电路的最有效方法，该技术生产效率高，技术成熟稳定，广泛应用于平板显示、半导体照明等半导体产业。随着超大规模集成电路(VLSI)的发展，其集成度越来越高，其关键尺寸也变得越来越小。

要减小电子产品的关键尺寸，只有两种途径。一种是减小波长，使用波长更短的紫外光；另一个途径就是增加光刻投影物镜的像方数值孔径。现阶段主要是使用193nm的ArF紫外光。在波长不变的情况下，为了减小电子产品的关键尺寸，只有增加光刻机投影物镜的像方数值孔径。干式曝光光刻机投影物镜的像方数值孔受各种因素影响，目前最大为0.93。

光刻对投影物镜光学系统像差要求极严，要求达到衍射极限。投影物镜光学系统像差校正难度随其数值孔径的增加而急剧增加。当数值孔径达到0.93时，投影物镜光学系统的透镜必须采用非球面校正系统像差，以满足光刻要求。

随着投影物镜像方数值孔径的增大，光学系统中透镜和反射镜的口径也急剧增大，这对光学材料的尺寸提出更高要求，给生产和加工大口径高质量的光学元件带来严重困难。同时也对检测提出更高要求，尤其是非球面的高精度加工和检测。

本发明中涉及的投影物镜光学系统在实现系统的大数值孔径的同时，很好地解决了由系统的大数值孔径带来的光学元件尺寸过大的问题。本发明中的投影物镜光学系统像方数值孔径达到0.93时，光学元件的最大尺寸306mm。以目前材料的加工能力，完全能够满足尺寸要求。

本发明的特点在于在实现系统大数值孔径、且保证了系统极高的成像质量和紧凑的系统结构的同时，采用全折射的光学系统结构形式和较少的非球面，从而减小系统加工、检测及装调的难度。

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投影物镜光学系统，提高曝光分辨率，减小系统尺寸。本发明提出了适用于深紫外光波长照明且数值孔径为0.93的投影物镜光学系统，该光学系统视场大、成像质量好，且其光学元件具有较小的尺寸和较少的非球面。

本发明采用的技术方案为：一种大数值孔径的投影物镜光学系统，所述大数值孔径投影物镜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。本发明中的大数值孔径投影物镜的第一透镜组G1具有负光焦度，第二透射镜组G2具有正光焦度，第三透镜组G3具有正光焦度。所述大数值孔径的投影物镜光学系统包含了二十四片透镜，包含多个非球面。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3共光轴。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透镜组G1包含六个透镜，其中第一片透镜为平行平板1，第二片透镜为双凹负透镜2，第三片透镜为弯月负透镜3，第四片透镜为弯月负透镜4，第五片透镜为双凹负透镜5，第六片透镜为弯月负透镜6。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透镜组G1中的第四片透镜4的第二面、第五片透镜5的第一面、第六片透镜6的第一面为非球面。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第二透镜组G2包含九片透镜，其中第七片为双凸正透镜7，第八片为双凸正透镜8，第九片为弯月正透镜9，第十片为双凹负透镜10，第十一片为双凹负透镜11，第十二片为双凹负透镜12，第十三片为双凸正透镜13，第十四片为双凸正透镜14，第十五片为双凸正透镜15。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第二透镜组G2中的第十片透镜10的第二面、第十一片透镜11的第一面、第十二片透镜12的第一面为非球面。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第三透镜组G3包含九片透镜，其中第十六片为双凸正透镜16，第十七片为弯月负透镜17，第十八片为双凸正透镜18，第十九片为弯月正透镜19，第二十片为弯月正透镜20，第二十一片为弯月负透镜21，第二十二片为双凹负透镜22，第二十三片为弯月正透镜23，第二十四片为平行平板24。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第三透镜组G3中的第十九片透镜19的第二面、第二十片透镜20的第二面、第二十二片透镜22的第二面为非球面。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统在第二透镜组G2与第三透镜组G3之间设置系统孔径光阑。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统为双远心系统。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜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。

本发明与现有技术相比有以下优势：

1.本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3的光焦度分别为负、正和正，这种结构能很好的校正系统像差。

2.本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透射镜组G1的透镜1和第三透镜组G3的透镜24为平行平板，可以在使用过程中按需要进行更换。

3.本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透射镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3分别有三个非球面，有利于平衡和校正系统像差。

4.本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统只有9个非球面，且均是凹面，有得于降低加工和检测难度。

5.本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统为双远心系统，物方和像方都是远心光路。因此，可以相对降低物面(掩模面)和像面(硅片面)的位置精度要求。即使其实际位置相对于设计位置有较小偏差时，也不会造成投影物镜光学性能的显著降低。

附图说明

图1为本发明的大数值孔径的投影物镜光学系统的示意图。

图2为本发明的大数值孔径的投影物镜光学系统在全场范围内光学调制传递函数；图中的英文DIFFRACTION LIMT意思为衍射极限；DEFOCUSING意思为离焦。

图3为本发明的大数值孔径的投影物镜光学系统的像散像差曲线和畸变像差曲线。图中FOCUS意思为聚焦点；图中MILLIMETERS意思为毫米；图中DISTORTION意思为相对畸变。

标号说明：1－平板透镜、2－双凹负透镜、3－弯月负透镜、4－弯月负透镜、5－双凹负透镜、6－弯月负透镜、7－双凸正透镜、8－双凸正透镜、9－弯月正透镜、10－双凹负透镜、11－双凹负透镜、12－双凹负透镜、13－双凸正透镜、14－双凸正透镜、15－双凸正透镜、16－双凸正透镜、17－弯月负透镜、18－双凸正透镜、19－弯月正透镜、20－弯月正透镜、21－弯月负透镜、22－双凹负透镜、23－弯月正透镜、24－平行平板。

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为大数值孔径的投影物镜光学系统示意图，共使用了二十四片透镜。从光束入射方向依次包括第一透镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3。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具有正光焦度。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3共光轴。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透镜组G1包含六个透镜，其中第一片透镜为平行平板1，第二片透镜为双凹负透镜2，第三片透镜为弯月负透镜3，第四片透镜为弯月负透镜4，第五片透镜为双凹负透镜5，第六片透镜为弯月负透镜6。其中第四片透镜4的第二面、第五片透镜5的第一面、第六片透镜6的第一面为非球面。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透镜组G1的第一片透镜为平行平板1，作为整个投影物镜的保护玻璃和密封窗口，可以在使用过程中按需要进行更换。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第一透镜组G1具有负光焦度，其主要作用在于将物面上的物点发射的光线发散，整组相当于一个负透镜。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第二透镜组G2包含九片透镜，其中第七片为双凸正透镜7，第八片为双凸正透镜8，第九片为弯月正透镜9，第十片为双凹负透镜10，第十一片为双凹负透镜11，第十二片为双凹负透镜12，第十三片为双凸正透镜13，第十四片为双凸正透镜14，第十五片为双凸正透镜15。其中第十片透镜10的第二面、第十一片透镜11的第一面、第十二片透镜12的第一面为非球面。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第二透镜组G2为类双高斯结构。该结构具有前后对称的结构特性，对系统像方远心度和其他相对光轴对称的像差(如球差、畸变等)的校正有很大作用。第二透镜组G2所包含的九片透镜光焦度分别为+、+、+、-、-、-、+、+、+，光焦度分配也呈对称分布。第二透镜组G2先将各视场的光线会聚，然后再发散，从而将各视场的边缘光线折转至光阑边缘，使各视场的主光线通过光阑中心，减小了投影物镜光学系统的光阑像差。第二透镜组G2整组相当于一个正透镜组，平衡了第一透镜组G1产生的部分像差。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第三透镜组G3包含九片透镜，其中第十六片为双凸正透镜16，第十七片为弯月负透镜17，第十八片为双凸正透镜18，第十九片为弯月正透镜19，第二十片为弯月正透镜20，第二十一片为弯月负透镜21，第二十二片为双凹负透镜22，第二十三片为弯月正透镜23，第二十四片为平行平板24。其中第十九片透镜19的第二面、第二十片透镜20的第二面、第二十二片透镜22的第二面为非球面。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的第三透镜级G3具有正光焦度，将各视场光线最终会聚于像面上，并保证系统像方数值孔径达到设计要求，同时对于像方远心度也有一定作用。第三透镜组G3相当于一个正透镜，与第二透镜组G2一起，平衡了第一透镜组G1产生的像差，使投影物镜光学系统的成像质量达到衍射极限。

本发明中涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统在第二透镜组G2与第三透镜组G3之间设置系统孔径光阑。该孔径光阑可以为可变光阑，以调节系统数值孔径的大小。

本发明所涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统的物面为掩膜面位置，像面为硅片面位置。物面和像面之间的垂轴放大率为-0.25。负号表示物面与像面的方向是相反的。

本发明所涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统为双远心系统。所谓双远心系统是指物面上每个点发出的光锥中，其在子午面内的主光线与光轴平行，且该光线在子午面内也以平行于光轴的方向入射到像面上。前述的主光线是指物面上的点发射的经过光阑中心的光线。本发明所涉及的大数值孔径的投影光学系统为双远心系统，可以相对降低物面(掩模面)和像面(硅片面)的位置误差。即使其实际位置相对于设计位置有较小偏差时，也不会造成投影物镜光学性能的显著降低。

本发明所涉及的大数值孔径的投影物镜光学系统适用于深紫外照明光源，在波长为193.3nm的光源，具有很好的像质。当然也可以用于波长为248nm和157nm。

表1给出了本发明实施例中的大数值孔径的投影物镜光学系统的基本参数。具体参数请参考表1。

表2给出了本发明实施例中的大数值孔径的投影物镜光学系统每片镜片的具体参数。其中，表2中的“表面序号”是沿光线传播方向计数，如第一透镜组G1中仅有的平行平板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；表2中的“半径”表示该面的曲率半径。其正负断定原则是：以该面顶点作为起点，终点为该面的曲率中心。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若该面为平面，该面曲率半径为无穷大，具体设置视光学设计软件而定，也可以以一个很大的数值代替，如1E20；表2中的“厚度”给出了相邻两个面在光轴上的距离。其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若两个面之间的材料为玻璃，则该厚度表示透镜厚度，若两个面之间的没有材料，则表示两个透镜之间为空气。表2中的“半口径”是投影物镜像方数值孔径在0.93时各个光学元件的半口径值。如果调整系统数值孔径，则半口径也会改变。表2中的“材料”为各个透镜的光学材料，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投影物镜光学系统基本参数

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×5.5mm
物像距离	1200mm
		物方工作距	50mm
像方工作距	3.1mm
		SIO2折射率(波长为193.368nm)	1.560811

表2投影物镜光学系统具体参数

表面序号	半径	厚度	材料	半口径
					Object	1E+20	50.00
1	1E+20	13.00	SiO2	67.20
					2	1E+20	3.11		69.18
3	-1089.63	13.00	SiO2	69.40
					4	807.96	1.47		72.66
5	953.84	13.00	SiO2	73.00
					6	892.75	3.00		75.44
7	2493.38	13.00	SiO2	75.77
					8(Asp)	624.97	8.08		79.05
9(Asp)	-1127.56	13.23	SiO2	79.43
					10	2054.33	40.78		85.10
11(Asp)	-113.16	30.87	SiO2	85.59
					12	-149.90	26.05		103.98
13	1266.04	72.40	SiO2	145.60
					14	-245.22	6.46		149.21
15	234.73	73.98	SiO2	151.13
					16	-1817.84	0.90		147.64
17	146.30	50.12	SiO2	115.13
					18	304.99	53.35		105.58
19	-308.33	13.00	SiO2	81.06
					20(Asp)	87.18	44.64		63.19
21(Asp)	-138.07	13.00	SiO2	63.22
					22	222.47	43.91		71.38

23(Asp)	-601.84	33.05	SiO2	88.63
					24	382.43	9.98		109.35
25	899.11	25.47	SiO2	110.55
					26	-1222.07	0.90		117.30
27	1234.56	62.74	SiO2	128.92
					28	-235.54	0.90		134.51
29	1565.63	55.68	SiO2	147.56
					30	-346.01	0.90		149.44
31	1E+20	0.90		147.13
					32	1826.82	60.20	SiO2	147.48
33	-296.96	9.35		147.54
					34	-252.28	34.16	SiO2	147.05
35	-1146.40	62.15		151.35
					36	339.57	51.61	SiO2	153.50
37	-5610.33	0.90		151.37
					38	167.95	66.14	SiO2	132.45
39(Asp)	765.10	0.90		125.16
					40	124.44	43.11	SiO2	96.03
41(Asp)	255.16	0.90		83.67
					42	207.02	25.34	SiO2	80.36
43	456.63	6.63		66.51
					44	-2221.84	13.00	SiO2	63.03
45(Asp)	333.78	0.91		50.30
					46	287.20	15.92	SiO2	46.91
47	713.28	1.81		36.14
					48	1E+20	13.00	SiO2	33.37
49	1E+20	3.10		23.37
					Image	Infinity	0.00		13.78

表2A投影物镜光学系统非球面系数

面序号	8	9	11	20	21
						K	0	0	0	0	0
A	-9.010E-08	-2.990E-08	-8.265E-09	3.163E-08	-7.717E-08
						B	1.412E-11	8.517E-12	-1.737E-14	6.216E-12	1.203E-11

C	-7.925E-16	7.530E-16	-2.946E-16	3.446E-16	3.654E-16
						D	2.483E-19	-7.252E-19	1.580E-19	9.509E-20	-1.082E-19
E	5.058E-23	4.001E-22	-3.426E-23	-1.437E-23	1.955E-22
						F	-5.773E-26	-1.376E-25	3.487E-27	-2.250E-28	-1.134E-25
G	1.358E-29	2.426E-29	4.232E-31	1.685E-30	3.304E-29
						H	-1.366E-33	-2.164E-33	-1.112E-34	-2.961E-34	-4.997E-33
J	5.327E-38	7.835E-38	7.950E-39	6.623E-39	3.047E-37
						面序号	23	39	41	45
K	0	0	0	0
						A	-4.934E-09	-2.436E-09	2.554E-08	-1.382E-07
B	3.183E-13	6.738E-13	-4.649E-13	-1.905E-11
						C	3.585E-16	-2.594E-17	-1.229E-16	3.312E-14
D	-7.240E-20	5.062E-22	6.061E-20	-3.569E-17
						E	2.777E-23	-1.370E-26	-1.899E-23	2.550E-20
F	-5.439E-27	9.590E-31	4.892E-27	-1.185E-23
						G	6.688E-31	1.738E-34	-8.396E-31	3.472E-27
H	-4.468E-35	-1.636E-38	7.540E-35	-5.800E-31
						J	1.170E-39	4.370E-43	-2.915E-39	4.197E-35

Claims (11)

1.一种大数值孔径的投影物镜光学系统，用于将位于物平面的图案投影到像平面，所述大数值孔径的投影物镜光学系统包括第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)，其特征在于：以光束传播方向的第一透镜组(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)具有正光焦度；所述大数值孔径的投影物镜光学系统包含二十四片透镜，包含多个非球面。

2.如权利要求1所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)共光轴。

3.如权利要求1所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组(G1)包含六个透镜，其中第一片透镜为平行平板(1)，第二片透镜为双凹负透镜(2)，第三片透镜为弯月负透镜(3)，第四片透镜为弯月负透镜(4)，第五片透镜为双凹负透镜(5)，第六片透镜为弯月负透镜(6)。

4.如权利要求3所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组(G1)中的第四片透镜(4)的第二面、第五片透镜(5)的第一面、第六片透镜(6)的第一面为非球面。

5.如权利要求1所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第二透镜组(G2)包含九片透镜，其中第七片为双凸正透镜(7)，第八片为双凸正透镜(8)，第九片为弯月正透镜(9)，第十片为双凹负透镜(10)，第十一片为双凹负透镜(11)，第十二片为双凹负透镜(12)，第十三片为双凸正透镜(13)，第十四片为双凸正透镜(14)，第十五片为双凸正透镜(15)。

6.如权利要求5所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第二透镜组(G2)中的第十片透镜(10)的第二面、第十一片透镜(11)的第一面、第十二片透镜(12)的第一面为非球面。

7.如权利要求1所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第三透镜组(G3)包含九片透镜，其中第十六片为双凸正透镜(16)，第十七片为弯月负透镜(17)，第十八片为双凸正透镜(18)，第十九片为弯月正透镜(19)，第二十片为弯月正透镜(20)，第二十一片为弯月负透镜(21)，第二十二片为双凹负透镜(22)，第二十三片为弯月正透镜(23)，第二十四片为平行平板(24)。

8.如权利要求7所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述的第三透镜组(G3)中的第十九片透镜(19)的第二面、第二十片透镜(20)的第二面、第二十二片透镜(22)的第二面为非球面。

9.如权利要求1所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：在第二透镜组(G2)与第三透镜组(G3)之间设置系统孔径光阑。

10.如权利要求1所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述大数值孔径的投影物镜光学系统为双远心系统。

11.如权利要求1所述的大数值孔径的投影物镜光学系统，其特征在于：所述大数值孔径的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。