CN104122669B - 一种对称式双远心投影光学系统和光刻设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对称式双远心投影光学系统和光刻设备。所述投影光学系统用于将物平面内的图形成像到像平面内，沿其光轴方向包括前组、孔径光阑和后组。所述前组包括第一镜组、第二镜组和第三镜组，所述第一镜组具有负光焦度，第二镜组和第三镜组具有正光焦度；所述后组包括第四镜组、第五镜组和第六镜组，所述第四镜和第五镜组具有正光焦度，所述第六镜组具有负光焦度；所述前组和后组关于所述孔径光阑对称，并满足一定的关系式。采用本发明的投影光学系统，使用性能优良的光学材料时也能有效地校正各项像差，扩大像方视场尺寸，提高成像分辨率；而且镜片口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本。

Description

一种对称式双远心投影光学系统和光刻设备

技术领域

本发明涉及一种微细加工用光刻设备的光学系统，尤其涉及一种对称式双远心投影光学系统和应用所述对称式双远心投影光学系统的光刻设备，所述对称式双远心投影光学系统主要应用于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，半导体、太阳能电池、液晶、印刷电路板等光刻系统以及照相制版的投影光学系统。

背景技术

随着投影光刻技术的发展，投影光学系统的性能逐步提高，投影光学系统已经可以适用于电路制造等多种领域。投影光刻技术也可以用于更大面积，较高产率的半导体、太阳能电池、液晶、印刷电路板等技术领域。

然而在现有技术中，如美国专利US6,879,383(公告日：2005年4月12日)，采用折射反射结构，整体尺寸大，对光学玻璃材料要求十分严格，尤其是大口径的凹面反射镜的加工，检测技术要求非常严格。在视场大小，工作距离，装校要求，制造成本等方面不如全折射系统具有优势。

中国专利CN98113037.2(公告日：2003年7月23日)是一种像方远心的双高斯光学系统，由于所述专利采用2个胶合面，在高产率的投影光刻设备中，透镜粘合剂会产生很大的变形甚至变性，导致光学成像性能降低，投影镜头的使用寿命缩短，不符合光刻技术要求。

在很多基板的实际生产过程中，由不同的设备生产制造的基板，其图形尺寸和倍率会有细微差异，同时在各种物理和化学加工处理过程中，基板会有细微的膨胀或收缩，也会导致基板图形尺寸的变化，而且不同的基板的图形尺寸变化也不尽相同。所以在很多基板的生产制造过程中，尤其是多层基板需要层间定位过程中，为了提高定位精度和布线密度，需要根据实际基板的图形尺寸或倍率变化，修正或调节投影光学系统的投影倍率。

有鉴于此，提供一种使用性能优良的光学材料，既经济又具有良好的光学特性和较大视场尺寸，可以修正或调节投影光学系统的投影倍率，并且提高投影光学系统的工作距离，为工作台和掩膜台提供较大的设计空间的光学系统，是业界的重要技术课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种对称式双远心投影光学系统和应用所述对称式双远心投影光学系统的光刻设备(如光刻机)，不仅能有效地校正各项像差，扩大像方视场尺寸，提高成像分辨率；而且镜片口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本，同时可以在双远心光路条件和良好的光学成像分辨率的条件下，能够方便有效地修正或调节投影倍率的光学系统。

本发明是这样实现的，一种对称式双远心投影光学系统，其用于将物平面内的图形成像到像平面内，所述投影光学系统沿其光轴方向依次包括前组、孔径光阑和后组，所述前组和所述后组关于所述孔径光阑对称，所述前组沿光轴方向依次包括第一镜组、第二镜组和第三镜组，所述第一镜组具有负光焦度，所述第二镜组和所述第三镜组具有正光焦度；所述后组沿光轴方向依次包括第四镜组、第五镜组和第六镜组，所述第四镜组和所述第五镜组具有正光焦度，所述第六镜组具有负光焦度；

所述第二镜组最靠近像平面的透镜曲面为朝向像平面的凹面，满足：0.6<r4/Hy<8，其中，r4为所述第二镜组最靠近像平面的透镜曲面的曲率半径，Hy为物平面视场；所述第二镜组还满足：vd＝(nd－1)/(nF－nC)，nd＞1.50且vd＜54的正透镜最少有一个，其中，vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；

所述第三镜组至少含有一个如下空气间隔满足：|(r5-r6)/(r5+r6)|<0.4，3<|(r5+r6)|/Hy<25，其中，空气间隔的物平面侧和像平面侧的曲率半径分别为r5、r6；所述第三镜组还满足：nd＜1.65且vd＞65的正透镜最少有一个，nd＞1.50且vd＜55的负透镜最少有一个；所述第三镜组还至少含有一个正透镜满足dn/dt＜0，其中n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。

作为上述方案的进一步改进，所述第二镜组至少含有一个如下空气间隔满足：|(r2+r3)/(r2-r3)|<0.7，3<(r3-r2)/Hy<25，其中，空气间隔的物平面侧和像平面侧的曲率半径分别为r2，r3。

作为上述方案的进一步改进，所述第一镜组最靠近物平面的透镜曲面为朝向物平面的凹面，曲率半径为r1，满足：1.8<-r1/Hy<26，nd＜1.66，vd＞58。

作为上述方案的进一步改进，所述投影光学系统满足：0.1<-f1/L<2，0.05<f2/L<0.8；其中，f1为所述第一镜组的组合焦距；f2为所述第二镜组的组合焦距；L为物平面侧到像平面侧的距离。

作为上述方案的进一步改进，所述第二镜组(G2)沿光轴方向依次包括第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)，其中，第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)均具有正光焦度，第六透镜(L6)具有负光焦度。

作为上述方案的进一步改进，所述第三镜组(G3)沿光轴方向依次包括第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第九透镜(L9)、第十透镜(L10)，其中，第七透镜(L7)、第九透镜(L9)均具有负光焦度，第八透镜(L8)、第十透镜(L10)均具有正光焦度。

作为上述方案的进一步改进，所述第一镜组(G1)沿光轴方向依次包括第一透镜(L1)、第二透镜(L2)，其中，第一透镜(L1)具有负光焦度，第二透镜(L2)均具有正光焦度。

作为上述方案的进一步改进，所述投影光学系统中的透镜总数量大于等于10，且小于等于36。

本发明还提供一种光刻设备，其包括上述任意一种对称式双远心投影光学系统。

作为上述方案的进一步改进，所述光刻设备还包括使用所述投影光学系统将物面位置的光学掩膜上的图像投影到像面位置的涂有感光材料的基板，对基板进行微细光刻加工。

本发明的对称式双远心投影光学系统不仅能有效地校正各项像差，扩大像方视场尺寸，提高成像分辨率，具有良好的热稳定性；还可以修正或调节投影光学系统的投影倍率；而且使用折射率相差很小而且折射率较低(1.48＜nd＜1.60)的光学玻璃材料也能够良好地校正光学系统的各项像差，只有这样的光学材料一般具有良好的i线透光率，而且容易加工，成本低；镜片口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本。应用所述对称式双远心投影光学系统的光刻设备具有较高的光源利用率和较大的输出功率和生产率。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的对称式双远心投影光学系统的结构示意图。

图2为图1中投影光学系统在投影倍率为中间值时的传递函数MTF示意图。

图3为图1中投影光学系统在投影倍率为放大时的传递函数MTF示意图。

图4为图1中投影光学系统在投影倍率为缩小时的传递函数MTF示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为本发明较佳实施方式提供的对称式双远心投影光学系统的结构示意图。所述对称式双远心投影光学系统用于将物平面平P1(Object)内的图形成像到像平面P2(image)内。所述对称式双远心投影光学系统沿其光轴方向，即从物平面P1到像平面P2依次包括前组、孔径光阑AS和后组。所述对称式双远心投影光学系统也可以是对称式的近似双远心投影光学系统，只要近似双远心即可。

所述前组和所述后组关于所述孔径光阑AS对称，所述前组沿光轴方向依次包括第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3，其中，所述第一镜组G1具有负光焦度，所述第二镜组G2和所述第三镜组G3具有正光焦度。所述后组沿光轴方向依次包括第四镜组G4、第五镜组G5和第六镜组G6，所述第四镜组G4和所述第五镜组G5具有正光焦度，所述第六镜组G6具有负光焦度。

由于所述前组和所述后组关于所述孔径光阑AS对称，因此，在接下去的介绍中，详细介绍所述前组的具体结构。

所述投影光学系统满足：0.1<-f1/L<2(关系式7)，0.05<f2/L<0.8(关系式8)；其中，f1为所述第一镜组G1的组合焦距；f2为所述第二镜组G2的组合焦距；L为物平面P1侧到像平面P2侧的距离。

所述第一镜组G1最靠近物平面P1的透镜曲面为朝向物平面P1的凹面，曲率半径为r1，满足：1.8<-r1/Hy<26(关系式6)，nd＜1.66，vd＞58，其中，Hy为物平面P1视场，nd为波长587nm的d线折射率，vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数。

在本实施方式中，所述第一镜组G1沿光轴方向依次包括第一透镜L1、第二透镜L2，其中，第一透镜L1具有负光焦度，第二透镜L2均具有正光焦度。第一透镜L1为双凹透镜，第二透镜L2具有一个面向像平面P2的凸面和一个面向物平面P1的凹面。

所述第二镜组G2最靠近像平面P2的透镜曲面为朝向像平面P2的凹面，满足：0.6<r4/Hy<8(关系式1)，其中，r4为所述第二镜组G2最靠近像平面P2的透镜曲面的曲率半径，Hy如上所述为物平面P1视场。所述第二镜组G2还满足：vd＝(nd－1)/(nF－nC)，nd＞1.50且vd＜54的正透镜最少有一个，其中，vd如上所述为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd如上所述为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率。所述第二镜组G2至少含有一个如下空气间隔满足：|(r2+r3)/(r2-r3)|<0.7(关系式4)，3<(r3-r2)/Hy<25(关系式5)，其中，空气间隔的物平面P1侧和像平面P2侧的曲率半径分别为r2，r3。

在本实施方式中，所述第二镜组G2沿光轴方向依次包括第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6，其中，第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5均具有正光焦度，第六透镜L6具有负光焦度。所述第三透镜L3具有一个面向像平面P2的凸面、第四透镜L4与第五透镜L5均具有一个面向物平面P1的凸面。

所述第三镜组G3至少含有一个如下空气间隔满足：|(r5-r6)/(r5+r6)|<0.4(关系式2)，3<|(r5+r6)|/Hy<25(关系式3)，其中，空气间隔的物平面P1侧和像平面P2侧的曲率半径分别为r5、r6；所述第三镜组G3还满足：nd＜1.65且vd＞65的正透镜最少有一个，nd＞1.50且vd＜55的负透镜最少有一个；所述第三镜组还至少含有一个正透镜满足dn/dt＜0，其中n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。

在本实施方式中，所述第三镜组G3沿光轴方向依次包括第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10，其中，第七透镜L7、第九透镜L9均具有负光焦度，第八透镜L8、第十透镜L10均具有正光焦度。所述第七透镜L7为双凹透镜、第八透镜L8与第十透镜L10均为双凸透镜，第九透镜L9具有一个面向像平面P2的凹面。

在本实施方式中，关系式1：0.6<r4/Hy<8，主要作用是使光学系统的像散以及球差得到有效地校正，有效地降低珀兹伐(Petzval)和使得光学系统的像面弯曲得到良好校正；关系式2：|(r5-r6)/(r5+r6)|<0.4，和关系式3：3<|(r5+r6)|/Hy<25，主要作用是校正光学系统的初级和高级球差，同时校正光学系统的轴向色差并有效地降低其二级光谱色差；关系式4：|(r2+r3)/(r2-r3)|<0.7，和关系式5：3<(r3-r2)/Hy<25的主要作用是校正光学系统的初级和高级像散；关系式6：1.8<-r1/Hy<26的主要作用是使光学系统能够保持远心光路，同时有助于减少像面弯曲并使光学系统不会产生过大的球差，减轻整个光学系统校正球差的负担；关系式7：0.1<-f1/L<2的主要作用也是使光学系统能够保持远心光路，同时有助于减少像面弯曲；关系式8：0.05<f2/L<0.8的主要作用是平衡光学系统的初级和高级像散并有助于降低轴向色差的二级光谱色差，所述第三镜组还至少含有一个正透镜满足折射率温度系数dn/dt＜0，与一般的光学玻璃材料的dn/dt＞0特性不同。有正透镜满足dn/dt＜0时，与其他一般的光学玻璃透镜的折射率温度系数的特性相反，互相抵消，所以可以提高光学系统的热稳定性，使光学系统在环境温度变化时，其像面位置和成像质量保持稳定。

光学系统的前组和后组的每个透镜组以孔径光阑为对称面，光学结构完全对称，垂直于光轴的像差：慧差，畸变，倍率色差会自动校正为零。

总之，在本实施方式中，三组透镜采用这样的镜片结构最终确保和实现了光学系统的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正。又可以降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。

所述投影光学系统中的透镜总数量尽可能的大于等于10，且小于等于36。既可以良好地校正初级和高级的球差，慧差，像散，场曲和畸变等各项像差，又可以降低了镜头的加工，测试和装校的难度和成本。使系统有效控制了制造成本并良好校正各项像差，取得最佳性价比。

本发明的投影光学系统和应用所述投影光学系统的光刻设备的光学结构特点，决定了可以在使用折射率比较小的光学玻璃材料，又不使用既价格昂贵又不易加工萤石(CaF2)的情况下，也可以良好校正光学系统的各项像差。同时使用折射率相差很小(1.48＜nd＜1.60)光学玻璃材料也可以良好校正光学系统的各项像差。由于只有折射率比较小(nd＜1.60)的光学玻璃材料一般才具有较高的i线透光率，因此意味着不仅可以提高光源利用效率，更可以大幅度提高光学系统的热稳定性，十分适合光刻设备的实际需要。

本发明实施例中的投影光学系统的设计参数如表1所示，工作波长为365nm，像方半视场高度为51mm，由于是对称结构，物方和像方的工作距离均为52.389mm。为了光学加工，光学检验的方便和降低成本，本发明的所有光学元件均为球面，没有任何非球面元件。

表1

工作波长	365nm
		像方数值孔径M	0.17
像方视场(半径)	51mm
		放大倍率	-1
物方工作距	52.389mm
		像方工作距	52.389mm

本发明实施例中的投影光学系统的各个透镜L1～L20的参数如表2所示。

表2

表3与表4给出了本实施例的对称式双远心投影光学系统的关系式计算结果，从计算结果中可以看出，本发明可以有效地满足关系式(1)至关系式(8)。

表3

r1＝	-351.2783
		r2＝	-175.4173
r3＝	225.8217
		r4＝	107.4025
r5＝	185.588
		r6＝	204.726
L＝	1198.3666
		Hy＝	51
f1＝	-490.42
		f2＝	209.22

表4

(1)	r4/Hy＝	2.11
			(2)	|(r5-r6)/(r5+r6)|＝	0.049
(3)	|(r5+r6)|/Hy＝	7.65
			(4)	|(r2+r3)/(r2-r3)|＝	0.126
(5)	(r3-r2)/Hy＝	7.87
			(6)	-r1/Hy＝	6.89
(7)	-f1/L＝	0.41
			(8)	f2/L＝	0.17

第三镜组的透镜L8和透镜L10的折射率随温度变化的折射率温度系数在d线时的相对值为dn/dt＝-6.8(10E-6/℃)＜0。

参图2所示，为图1中投影光学系统的传递函数MTF示意图，反映本发明的投影光学系统的成像分辨率。从图2中可以看出，本发明可以在像方视场半径51mm整个范围内，有效地获得高成像分辨率。当工作波长为365nm时，专业光学设计软件的分析结果表明其波像差WFE(RMS)为工作波长的35分之1。当工作波长范围在362～368nm时，其波像差WFE(RMS)为工作波长的30分之1。

同时移动所述第一镜组G1和第六镜组G6中对称的一组透镜：第二透镜L2、第19透镜L19，调节光学系统的投影倍率，如表5所示。

表5

	中间位置	放大时	缩小时
				物距object	52.38936	52.38936	52.38936
间距(2)	32.04708	32.19158	31.90258
				间距(39)	32.04708	31.90258	32.19158
像距Image	52.38936	52.38936	52.38936
				L2/L19位移量	0	0.1445	-0.1445
投影倍率	-1	-1.00025	-0.99975

本发明的投影光学系统，其光学系统投影倍率在放大时的传递函数MTF示意图如图3所示；光学系统投影倍率在缩小时传递函数MTF示意图如图4所示。显示光学系统在调节投影倍率时的传递函数MTF几乎没有改变，说明光学系统的分辨率和焦点深度几乎可以维持不变，十分适合光刻设备的实际需要。所述光刻设备包括本发明的投影光学系统和使用所述投影光学系统将物面位置的光学掩膜上的图像投影到像面位置的涂有感光材料的基板，对基板进行微细光刻加工。

综上所述，本发明的对称式双远心投影光学系统和应用所述对称式双远心投影光学系统的光刻设备不仅能有效地校正各项像差，扩大像方视场尺寸，提高成像分辨率；而且镜片口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对称式双远心投影光学系统，其用于将物平面内的图形成像到像平面内，所述投影光学系统沿其光轴方向依次包括前组、孔径光阑和后组；所述前组和所述后组关于所述孔径光阑对称，所述前组沿光轴方向依次包括第一镜组、第二镜组和第三镜组，所述后组沿光轴方向依次包括第四镜组、第五镜组和第六镜组；其特征在于：所述第一镜组具有负光焦度，所述第二镜组和所述第三镜组具有正光焦度；所述第四镜组和所述第五镜组具有正光焦度，所述第六镜组具有负光焦度；

所述第二镜组最靠近像平面的透镜曲面为朝向像平面的凹面，满足：0.6<r4/Hy<8，其中，r4为所述第二镜组最靠近像平面的透镜曲面的曲率半径，Hy为物平面视场；所述第二镜组还满足：vd＝(nd－1)/(nF－nC)，nd＞1.50且vd＜54的正透镜最少有一个，其中，vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；

所述第三镜组至少含有一个如下空气间隔满足：|(r5-r6)/(r5+r6)|<0.4，3<|(r5+r6)|/Hy<25，其中，空气间隔的物平面侧和像平面侧的曲率半径分别为r5、r6；所述第三镜组还满足：nd＜1.65且vd＞65的正透镜最少有一个，nd＞1.50且vd＜55的负透镜最少有一个；所述第三镜组还至少含有一个正透镜满足dn/dt＜0，其中n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。

2.根据权利要求1所述的对称式双远心投影光学系统，其特征在于：所述第二镜组至少含有一个如下空气间隔满足：|(r2+r3)/(r2-r3)|<0.7，3<(r3-r2)/Hy<25，其中，空气间隔的物平面侧和像平面侧的曲率半径分别为r2，r3。

3.根据权利要求1所述的对称式双远心投影光学系统，其特征在于：所述第一镜组最靠近物平面的透镜曲面为朝向物平面的凹面，曲率半径为r1，满足： 1.8<-r1/Hy<26，nd＜1.66，vd＞58。

4.根据权利要求1所述的对称式双远心投影光学系统，其特征在于：所述投影光学系统满足：0.1<-f1/L<2，0.05<f2/L<0.8；其中，f1为所述第一镜组的组合焦距；f2为所述第二镜组的组合焦距；L为物平面侧到像平面侧的距离。

5.根据权利要求1所述的对称式双远心投影光学系统，其特征在于：所述第二镜组(G2)沿光轴方向依次包括第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)，其中，第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)均具有正光焦度，第六透镜(L6)具有负光焦度。

6.根据权利要求1所述的对称式双远心投影光学系统，其特征在于：所述第三镜组(G3)沿光轴方向依次包括第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第九透镜(L9)、第十透镜(L10)，其中，第七透镜(L7)、第九透镜(L9)均具有负光焦度，第八透镜(L8)、第十透镜(L10)均具有正光焦度。

7.根据权利要求1所述的对称式双远心投影光学系统，其特征在于：所述第一镜组(G1)沿光轴方向依次包括第一透镜(L1)、第二透镜(L2)，其中，第一透镜(L1)具有负光焦度，第二透镜(L2)具有正光焦度。

8.根据权利要求1所述的对称式双远心投影光学系统，其特征在于：所述投影光学系统中的透镜总数量大于等于10，且小于等于36。

9.一种光刻设备，其特征在于：其包括如权利要求1至8中任意一项所述的对称式双远心投影光学系统。

10.根据权利要求9所述的光刻设备，其特征在于：所述光刻设备还包括使用所述投影光学系统将物面位置的光学掩膜上的图像投影到像面位置的涂有感光材料的基板，对基板进行微细光刻加工。