CN104570610B

CN104570610B - 投影曝光装置

Info

Publication number: CN104570610B
Application number: CN201310473543.0A
Authority: CN
Inventors: 刘雅丽
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: CN104570610A

Abstract

本发明公开了一种投影曝光装置，用于将掩模的图像聚焦成像在硅片上，所述装置从掩模开始沿光轴依次包括：具有放大倍率β1的第一成像光学系统，用于对掩模的图像成中间像；具有放大倍率β2的第二成像光学系统，用于将中间像放大后成像在硅片上；所述投影曝光装置的放大倍率为β=β1×β2。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、采用与其现有技术中投影曝光系统完全不同的光学结构；2、提高了放大倍率，放大倍率可大于等于1.5倍，降低了光掩模成本；3、投影曝光装置的第一成像光学系统中前后两个透镜可以去掉，降低了装配难度，提高装调效率。

Description

投影曝光装置

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种投影曝光装置。

背景技术

在制造例如半导体元件或液晶显示元件等时，使用了投影曝光装置，该投影曝光装置将光掩模的图案经过投影光学系统，投影至硅片上。先前多使用投影曝光装置（步进式曝光机），该投影曝光装置以步进重复方式方法，将各个光掩模的图案一并曝光至硅片上的各照射区域。近年来，取代使用一个大的投影光学系统，提出了步进扫描方式的投影曝光装置，其沿着扫描方向，将具有相等倍率的多个小的部分投影光学系统以规定间隔配置为多行，且一边对光掩模进行扫描，一边利用各部分投影光学系统将各个光掩模的图案曝光至硅片上。

在上述步进扫描方式的投影曝光装置中，利用装备反射棱镜、凹面镜及各透镜而构成的反射折射光学系统，一次形成中间像，进一步利用另一层的反射折射光学系统，将光掩模上的图案以正立正像等倍率地曝光至硅片上。

近年来，硅片日益大型化，由于部分投影光学系统具有等倍的倍率，因此，光掩模亦将大型化。关于光掩模的成本，由于必须维持光掩模基板的平面性，因而光掩模越大型化，成本越高。

发明内容

本发明提供一种投影曝光装置，能够将投影光学系统的放大倍率扩大，以此减小光掩模的大小。

为解决上述技术问题，本发明提供一种投影曝光装置，用于将掩模的图像聚焦成像在硅片上，所述装置从掩模开始沿光轴依次包括：具有放大倍率β1的第一成像光学系统，用于对掩模的图像成中间像；具有放大倍率β2的第二成像光学系统，用于将中间像放大后成像在硅片上；所述投影曝光装置的放大倍率为β=β1×β2。

作为优选，放大倍率β1约等于1，β2大于等于1.5。

作为优选，放大倍率β1等于1x，β2为-1.5x或-2x。

作为优选，所述第一成像光学系统为折反射结构，包括至少一反射棱镜、一凹面反射镜和折反射透镜组，所述折反射透镜组配置在反射棱镜与凹面反射镜之间。

作为优选，所述折反射透镜组包括至少六片透镜。

作为优选，所述第一成像光学系统还包括用于调节所述凹面反射镜的微动机构。

作为优选，所述第二成像光学系统沿着光轴方向依次包括：分别具有正光焦度的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组；

其中，所述各透镜组满足以下关系：

15<|f_G22/f_G21|<17

0.8<|f_G23/f_G24|<1.2

0.05<|f_G23/f_G22|<0.12

上述各式中：f_G21为所述第一镜头组的焦距；f_G22为所述第二透镜组的焦距；f_G23为所述第三透镜组的焦距；f_G24为所述第四透镜组的焦距。

作为优选，所述第一透镜组包括至少四片透镜，并满足公式：1.03<|f_{el_max}/f_G21|<1.95，其中，f_{el_max}为第一透镜组内光焦度最大的透镜的焦距。

作为优选，所述第二透镜组包括至少六片透镜，其中至少包含两对相邻的正负透镜组合。

作为优选，所述正负透镜组合中，正负透镜的阿贝数比满足：

1.23<V_G22正/V_G22负<1.85或1.59<V_G22正/V_G22负<2.65

其中：V_G22正为所述第二透镜组的正负透镜组合中正透镜的阿贝数；V_G22负为与所述正透镜相邻的负透镜的阿贝数。

作为优选，所述第三透镜组包含第一子透镜组，所述第一子透镜组的光焦度为正，并包含第三透镜组中至少两个位置相邻且光焦度为正的透镜。

作为优选，所述第一子透镜组与第三透镜组之间满足以下关系式：

0.34<|f_G23-1n/f_G23|<0.87

其中，f_G23-1n为所述第一子透镜组的焦距。

作为优选，所述第四透镜组包含第二子透镜组，所述第二子透镜组的光焦度为正，并包含所述第四透镜组中至少三个位置相邻且光焦度为正的透镜。

作为优选，所述第二子透镜组与所述第四透镜组之间满足以下关系式：

0.21<|f_G24-1n/f_G24|<0.47

其中，f_G24-1n为第二子透镜组的焦距。

作为优选，所述第二成像光学系统中的透镜包括至少两种高折射率材料和至少两种低折射率材料。

作为优选，所述高折射率材料为I线折射率大于1.55的材料，所述低折射率材料为I线折射率小于1.55的材料。

作为优选，所述高折射率材料包括：I线折射率大于1.55且阿贝数小于45的第一种材料，和I线折射率大于1.55且阿贝数大于50的第二种材料。

作为优选，所述低折射率材料包括：I线折射率小于1.55且阿贝数小于65的第三种材料，以及I线折射率小于1.55且阿贝数大于70的第四种材料。

作为优选，沿光轴方向，所述第一透镜组的第一片透镜和所述第四透镜组的最后一片透镜均由第一种材料构成。

作为优选，所述第一、第二、第三、第四透镜组中，至少有一片透镜采用第一或第二种材料。

作为优选，所述第一、第二、第四透镜组中，至少有一片透镜采用第一种材料。

作为优选，所述第三透镜组中，至少有一片透镜采用第二种材料。

作为优选，所述第二透镜组内包含至少一对凹面相对的透镜；所述第三透镜组内至少包含一片凹面面向像面的弯月式透镜；所述第四透镜组内至少包含一片凹面面向物面的弯月式透镜。

作为优选，所述第一成像光学系统孔径光阑与第二成像光学系统的光阑共轭。

作为优选，第一成像光学系统与第二成像光学系统的光轴平行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用与其现有技术中投影曝光系统完全不同的光学结构；

2、提高了放大倍率，降低了光掩模成本；

3、投影曝光装置的第一成像光学系统中前后两个透镜可以去掉，降低了装配难度，提高装调效率；

4、降低了第一成像光学系统与第二成像光学系统光轴的装调精度，只需保证其平行即可，提高了效率。

5、本发明投影曝光系统结构中第二成像光学系统的孔径光阑与第一成像光学系统光阑共轭，因此，可通过凹面反射镜微动结构校正各种光阑像差；

6、本发明的物方数值孔径至少为0.25，提高了曝光系统的分辨率。

附图说明

图1为本发明投影曝光系统的示意图；

图2是实施例1放大倍率为-1.5x的投影曝光装置示意图；

图3是实施例2放大倍率为-2x的投影曝光装置示意图；

图4是实施例3放大倍率为-2x的投影曝光装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参照图1，本发明提供的投影曝光装置，用于将掩模的图像聚焦成像在硅片上，所述装置从掩模开始沿光轴依次包括：

具有放大倍率β1的第一成像光学系统G1，用于对掩模的图像成中间像；

具有放大倍率β2的第二成像光学系统G2，用于将中间像放大后成像在硅片上；

因此，所述投影曝光装置的放大倍率为β=β1×β2，其中，放大倍率β1约等于1，β2大于等于1.5。本发明采用与现有投影曝光系统完全不同的光学结构，放大掩模在硅片上的图像，且放大倍率可大于等于1.5倍，降低了光掩模成本。

请继续参照图1，作为优选，所述第一成像光学系统G1为折反射结构，包括至少一反射棱镜L02、一凹面反射镜L03、折反射透镜组以及用于调节所述凹面反射镜103的微动机构。所述折反射透镜组配置在反射棱镜L02与凹面反射镜L03之间，包括至少六片透镜。本发明以六片透镜为例：从上向下，所述六片透镜的光焦度分配分别为：正、负、正、正、负、正，采用材料的色散度分别为：低、高、低、高、高、低。因此，通过对六片透镜的正负焦度合理分配及高低色散材料的选取，可以很好地校正第一成像光学系统G1的色差。

需要说明的是，图1中第一成像光学系统G1中前后两个透镜L01和L04均可以去掉，从而降低装配难度，提高装调效率。

请继续参照图1，所述第二成像光学系统G2沿着光轴方向依次包括：分别具有正光焦度的第一透镜组G21、第二透镜组G22、第三透镜组G23和第四透镜组G24；其中，所述各透镜组满足以下关系，以更好地校正像差和提高成像质量：

15<|f_G22/f_G21|<17

0.8<|f_G23/f_G24|<1.2

0.05<|f_G23/f_G22|<0.12

上述各式中：f_G21为所述第一透镜组G21的焦距；f_G22为所述第二透镜组G22的焦距；f_G23为所述第三透镜组G23的焦距；f_G24为所述第四透镜组G24的焦距。

作为优选，所述第一透镜组G21包括至少四片透镜，并满足以下公式，以更好地校正像差和提高成像质量：

1.03<|f_{el_max}/f_G21|<1.95

其中，f_{el_max}为第一透镜组内光焦度最大的透镜的焦距。

请继续参照图1，所述第二透镜组G22包括至少六片透镜，其中至少包含两对相邻的正负透镜组合。进一步的，在所述正负透镜组合中，正负透镜的阿贝数比满足以下关系，以更好地校正像差和提高成像质量：

1.23<V_G22正/V_G22负<1.85或1.59<V_G22正/V_G22负<2.65

上述公式中：V_G22正为所述第二透镜组G22的正负透镜组合中正透镜的阿贝数；V_G22负为与所述正透镜相邻的负透镜的阿贝数；

所述第三透镜组G23包含第一子透镜组G23-1n，所述第一子透镜组G23-1n的光焦度为正，并包含第三透镜组G23中至少两个位置相邻且光焦度为正的透镜；进一步的，所述第一子透镜组G23-1n与第三透镜组G23之间满足以下关系式，以更好地校正像差和提高成像质量：

0.34<|f_G23-1n/f_G23|<0.87

其中，f_G23-1n为所述第一子透镜组G23-1n的焦距；

所述第四透镜组G24由至少六片透镜构成；包含第二子透镜组G24-1n，所述第二子透镜组G24-1n的光焦度为正，并包含所述第四透镜组G24中至少三个位置相邻且光焦度为正的透镜；进一步的，所述第二子透镜组G24-1n与所述第四透镜组G24之间满足以下关系式，以更好地校正像差和提高成像质量：

0.21<|f_G24-1n/f_G24|<0.47

其中，f_G24-1n为第二子透镜组G24-1n的焦距。

请继续参照图1，所述第二成像光学系统G2中的透镜包括至少两种高折射率材料和至少两种低折射率材料。所述高折射率材料为I线折射率大于1.55的材料，所述低折射率材料为I线折射率小于1.55的材料，以更好地校正像差和提高成像质量。

进一步的，所述高折射率材料包括：I线折射率大于1.55且阿贝数小于45的第一种材料，和I线折射率大于1.55且阿贝数大于50的第二种材料；所述低折射率材料包括：I线折射率小于1.55且阿贝数小于65的第三种材料，以及I线折射率小于1.55且阿贝数大于70的第四种材料。

沿光轴方向，所述第一透镜组G21的第一片透镜和所述第四透镜组G24的最后一片透镜均由第一种材料构成。而所述第一、第二、第三、第四透镜组G21、G22、G23、G24中，至少有一片透镜采用第一或第二种材料。具体地，所述第一、第二、第四透镜组G21、G22、G24中，至少有一片透镜采用第一种材料；所述第三透镜组G23中，则至少有一片透镜采用第二种材料。

进一步的，所述第二透镜组G22内包含至少一对凹面相对的透镜；所述第三透镜组G23内至少包含一片凹面面向像面的弯月式透镜；所述第四透镜组G24内至少包含一片凹面面向物面的弯月式透镜，以更好地校正像差和提高成像质量。

作为优选，所述第一成像光学系统G1孔径光阑与第二成像光学系统G2的光阑共轭，所述第一成像光学系统G1的光阑位于凹面反射镜103位置，可通过机械调节微动结构调节所述凹面反射镜103，从而校正各种光阑像差。

本发明的投影曝光装置中，第一成像光学系统G1与第二成像光学系统G2的相互位置关系，降低了第一成像光学系统G1与第二成像光学系统G2光轴的装调精度，只需保证第一成像光学系统G1的入射光光轴和出射光光轴与第二成像光学系统G2光轴平行即可，而不需要二者的光轴重合，因此降低了组装难度，且提高了掩模效率。

下面通过不同实施例来表征本发明投影曝光装置。

实施例1

请参照图2，本实施例中，第一成像光学系统G11的放大倍率β1等于1x，第二成像光学系统G12的放大倍率β2为-1.5x。其中，第一成像光学系统G11包括：反射棱镜L102、凹面反射镜L109，以及设置在反射棱镜L102与凹面反射镜L109中间由六片透镜L103～L108组成的折反射透镜组。当然，所述六片透镜L103～L108采用正负透镜的交叉分配及高低色散材料的适当选取的方式，校正了第一成像光学系统G11的色差。较佳的，第一成像光学系统G11中前后分别设有透镜L101和L116。

第二成像光学系统G12中沿着光轴方向依次包括：

具有正光焦度的第一透镜组G121，包括透镜L117～L120；

具有正光焦度的第二透镜组G122，包括透镜L121～L126；

具有正光焦度的第三透镜组G123，包括透镜L127～L130；以及

具有正光焦度的第四透镜组G124，包括透镜L131～L136。

上述各透镜组之间关系以及各透镜组中各透镜的材料与形状关系，均与图1中的相同，此处不再赘述。

具体地，表1为本实施例中投影曝光装置中的光学系统规格，其中，第一列为面型编号（Surface#），第二列为有效半径（r），第三列表示有效间隔（d），第四列为玻璃材料（Glass），第五列表示面型折反类型（Refract Mode），第六列为有效半口径（Y Semi-Aperture）。

表1：本实施例中投影曝光装置中的光学系统规格

实施例2

请参照图3，本实施例与实施例1的区别点在于，投影曝光装置的放大倍率β不同。具体地，第一成像光学系统G21的放大倍率β1等于1x，第二成像光学系统G22的放大倍率β2为-2x。其中，第一成像光学系统G21包括：反射棱镜L202、凹面反射镜L209，以及设置在反射棱镜L202与凹面反射镜L209中间由六片透镜L203～L208组成的折反射透镜组。当然，所述六片透镜L203～L208采用正负透镜的交叉分配及高低色散材料的适当选取的方式，校正了第一成像光学系统G21的色差。较佳的，第一成像光学系统G21中前后分别设有透镜L201和L216。

第二成像光学系统G22中沿着光轴方向依次包括：

具有正光焦度的第一透镜组G221，包括透镜L217～L220；

具有正光焦度的第二透镜组G222，包括透镜L221～L226；

具有正光焦度的第三透镜组G223，包括透镜L227～L230；以及

具有正光焦度的第四透镜组G224，包括透镜L231～L236。

上述各透镜组之间关系以及各透镜组中各透镜的材料与形状关系，均与实施例1相同，此处不再赘述。

同样地，表2表示本实施例中投影曝光装置中的光学系统的规格，其中，第一列为面型编号（Surface#），第二列为有效半径（r），第三列表示有效间隔（d），第四列为玻璃材料（Glass），第五列表示面型折反类型（Refract Mode），第六列为有效半口径（Y Semi-Aperture）。

表2：本实施例中投影曝光装置中的光学系统规格

实施例3

请参照图4，本实施例与实施例1和2的区别点在于，本实施例中，去掉了第一成像光学系统G31中前后两个透镜，降低了装配难度，提高了装调效率。

具体地，第一成像光学系统G31的放大倍率β1等于1x，第二成像光学系统G32的放大倍率β2为-2x。其中，第一成像光学系统G31包括：反射棱镜L301、凹面反射镜L308，以及设置在反射棱镜L301与凹面反射镜L308中间的由六片透镜L302～L307组成的折反射透镜组。当然，所述六片透镜L303～L308采用正负透镜的交叉分配及高低色散材料的适当选取的方式，校正了第一成像光学系统G31的色差。

第二成像光学系统G32中沿着光轴方向依次包括：

具有正光焦度的第一透镜组G321，包括透镜L315～L318；

具有正光焦度的第二透镜组G322，包括透镜L319～L324；

具有正光焦度的第三透镜组G323，包括透镜L325～L328；以及

具有正光焦度的第四透镜组G324，包括透镜L329～L334。

相应的，表3表示本实施例中投影曝光装置中的光学系统的规格，其中，第一列为面型编号（Surface#），第二列为有效半径（r），第三列表示有效间隔（d），第四列为玻璃材料（Glass），第五列表示面型折反类型（Refract Mode），第六列为有效半口径（Y Semi-Aperture）。

表3：本实施例中投影曝光装置中的光学系统规格

综上，本发明的投影曝光装置，用于将掩模的图像聚焦成像在硅片上，所述装置从掩模开始沿光轴依次包括：具有放大倍率β1的第一成像光学系统，用于对掩模的图像成中间像；具有放大倍率β2的第二成像光学系统，用于将中间像放大后成像在硅片上；所述投影曝光装置的放大倍率为β=β1×β2。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用与其现有技术中投影曝光系统完全不同的光学结构；

2、提高了放大倍率，放大倍率可大于等于1.5倍，降低了光掩模成本；

4、降低了第一成像光学系统与第二成像光学系统光轴的装调精度，只需保证其平行即可。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种投影曝光装置，用于将掩模的图像聚焦成像在硅片上，所述装置从掩模开始沿光轴依次包括：

具有放大倍率β₁的第一成像光学系统，用于对掩模的图像成中间像，所述第一成像光学系统为折反射结构，包括至少一反射棱镜、一凹面反射镜和折反射透镜组，所述折反射透镜组配置在反射棱镜与凹面反射镜之间；

具有放大倍率β₂的第二成像光学系统，用于将中间像放大后成像在硅片上，所述第二成像光学系统沿着光轴方向依次包括：分别具有正光焦度的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组；

其中，所述各透镜组满足以下关系：

15<|f_G22/f_G21|<17

0.8<|f_G23/f_G24|<1.2

0.05<|f_G23/f_G22|<0.12

上述各式中，f_G21为所述第一透镜组的焦距；f_G22为所述第二透镜组的焦距；f_G23为所述第三透镜组的焦距；f_G24为所述第四透镜组的焦距；

所述投影曝光装置的放大倍率为β＝β₁×β₂。

2.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，放大倍率β1约等于1，β2大于等于1.5。

3.如权利要求2所述的投影曝光装置，其特征在于，放大倍率β1等于1x，β2为-1.5x或-2x。

4.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述折反射透镜组包括至少六片透镜。

5.如权利要求1或4所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第一成像光学系统还包括用于调节所述凹面反射镜的微动机构。

6.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第一透镜组包括至少四片透镜，并满足公式：1.03<|f_{el_max}/f_G21|<1.95，其中，f_{el_max}为第一透镜组内光焦度最大的透镜的焦距。

7.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第二透镜组包括至少六片透镜，其中至少包含两对相邻的正负透镜组合。

8.如权利要求7所述的投影曝光装置，其特征在于，所述正负透镜组合中，正负透镜的阿贝数比满足：

1.23<V_G22正/V_G22负<1.85或1.59<V_G22正/V_G22负<2.65

9.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第三透镜组包含第一子透镜组，所述第一子透镜组的光焦度为正，并包含第三透镜组中至少两个位置相邻且光焦度为正的透镜。

10.如权利要求9所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第一子透镜组与第三透镜组之间满足以下关系式：

0.34<|f_G23-1n/f_G23|<0.87

其中，f_G23-1n为所述第一子透镜组的焦距。

11.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第四透镜组包含第二子透镜组，所述第二子透镜组的光焦度为正，并包含所述第四透镜组中至少三个位置相邻且光焦度为正的透镜。

12.如权利要求11所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第二子透镜组与所述第四透镜组之间满足以下关系式：

0.21<|f_G24-1n/f_G24|<0.47

其中，f_G24-1n为第二子透镜组的焦距。

13.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第二成像光学系统中的透镜包括至少两种高折射率材料和至少两种低折射率材料。

14.如权利要求13所述的投影曝光装置，其特征在于，所述高折射率材料为I线折射率大于1.55的材料，所述低折射率材料为I线折射率小于1.55的材料。

15.如权利要求13所述的投影曝光装置，其特征在于，所述高折射率材料包括：I线折射率大于1.55且阿贝数小于45的第一种材料，和I线折射率大于1.55且阿贝数大于50的第二种材料。

16.如权利要求15所述的投影曝光装置，其特征在于，所述低折射率材料包括：I线折射率小于1.55且阿贝数小于65的第三种材料，以及I线折射率小于1.55且阿贝数大于70的第四种材料。

17.如权利要求16所述的投影曝光装置，其特征在于，沿光轴方向，所述第一透镜组的第一片透镜和所述第四透镜组的最后一片透镜均由第一种材料构成。

18.如权利要求16所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四透镜组中，至少有一片透镜采用第一或第二种材料。

19.如权利要求16所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第一、第二、第四透镜组中，至少有一片透镜采用第一种材料。

20.如权利要求16所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第三透镜组中，至少有一片透镜采用第二种材料。

21.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第二透镜组内包含至少一对凹面相对的透镜；所述第三透镜组内至少包含一片凹面面向像面的弯月式透镜；所述第四透镜组内至少包含一片凹面面向物面的弯月式透镜。

22.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第一成像光学系统孔径光阑位于所述凹面反射镜位置。

23.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，所述第一成像光学系统孔径光阑与第二成像光学系统的光阑共轭。

24.如权利要求1所述的投影曝光装置，其特征在于，第一成像光学系统与第二成像光学系统的光轴平行。