CN107144947B - 非球面变焦系统及照明光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非球面变焦系统及照明光学系统，属于光刻照明技术领域。该非球面变焦系统包括：沿第一方向依次同光轴设置的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组。第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中至少一个透镜具有非球面。第一透镜组包括依次设置的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜。第二透镜组包括依次设置的第三正透镜和第四正透镜，第三正透镜和第四正透镜能够沿光轴移动以调节系统的焦距。第三透镜组包括依次设置的第二负透镜和第五正透镜。该非球面变焦系统能够有效地提高成像质量及能量透过率。

Description

非球面变焦系统及照明光学系统

技术领域

本发明涉及光刻照明技术领域，具体而言，涉及一种非球面变焦系统及照明光学系统。

背景技术

上世纪70年代出现的集成电路在诞生之初主要用作信息处理器件，从出现至今的短短几十年的时间里，受到社会信息化进程的强烈牵引。集成电路先后经历了小规模、超大规模直至极大规模等几个发展阶段。极大规模集成电路已经成为高技术领域发展的基石，从卫星、火箭等航空航天领域，到雷达、激光制导导弹国防领域，以及人们日常生活的各个领域都离不开极大规模集成电路。它不仅是主要的信息处理器件，同时也发展成为信息存储的重要载体之一。而体现信息存储能力的动态随机存储器的存储容量与集成电路芯片最小特征线宽息息相关，因此，减小集成电路最小线宽尺寸是提高存储能力的重要手段。加工制造集成电路的设备很多，光刻机是目前技术最成熟的设备。光刻机的核心部件是投影曝光光学系统，该系统最重要的组成部分是照明系统和投影物镜系统。照明系统主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现照明模式。随着微电子技术的发展，我国对线宽尺寸在纳米量级的光刻设备有很大需求，研发高NA浸没式光刻机对国防安全、科技进步来说都具有重要意义，作为光刻机重要组成部分的照明系统对提高整个光刻机性能至关重要，因此设计好照明系统是完成整个投影曝光光学系统的重要环节。

相干因子调节系统作为照明系统的核心单元模块，在照明系统中起着关键性的作用。早期的光刻照明系统中，匀光单元出射端直接照射掩模板，随着照明视场的扩大，要求匀光单元出射端保证大面积均匀照明是困难的，而且其他照明单元的尺寸也随着增大。随着光刻技术不断向前发展，为提高分辨率，波长不断缩短，数值孔径不断增大，对照明系统的均匀性要求也不断提高。

在NA1.35浸没式光刻照明系统中，相干因子调节系统是照明系统的一个核心单元模块，包含两部分，即变焦系统和一对锥形镜。通过变焦系统可以同比例改变内、外相干因子，从而改变照明环带宽度。然而，现有的全球面变焦系统由9片球面透镜构成，能量利用率不足、成像质量不高，使得光刻照明系统难以满足现有光刻技术的需要。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种非球面变焦系统及照明光学系统，能够有效地改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种非球面变焦系统，包括：沿第一方向依次同光轴设置的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中至少一个透镜具有非球面。所述第一透镜组，包括沿所述第一方向依次设置的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜。所述第二透镜组，包括沿所述第一方向依次设置的第三正透镜和第四正透镜，所述第三正透镜和所述第四正透镜能够沿所述光轴移动以调节所述系统的焦距。所述第三透镜组，包括沿所述第一方向依次设置的第二负透镜和第五正透镜。入射的光束依次经所述第一正透镜、所述第二正透镜、所述第一负透镜、所述第三正透镜、所述第四正透镜、所述第二负透镜以及所述第五正透镜出射。

进一步地，上述第二正透镜的第二表面、第一负透镜的第二表面以及第二负透镜的第二表面均为凹面，且所述凹面均为非球面。

进一步地，上述非球面变焦系统还包括：反射镜，所述反射镜位于所述第五正透镜的第一方向，由所述第五正透镜出射的光束被所述反射镜反射后成像。

进一步地，上述非球面变焦系统还包括：光阑，所述光阑设置于所述第一正透镜的第二方向，所述第二方向为所述第一方向的相反方向，入射的所述光束经所述光阑入射到所述第一正透镜。

进一步地，上述非球面为次数大于或等于20次的非球面。

进一步地，上述第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜的口径均小于第五正透镜的口径。

进一步地，上述第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜均由氟化钙材料制成，第五正透镜由熔石英材料制成。

进一步地，上述非球面变焦系统的系统畸变小于0.5％，点列图均方根直径小于40微米。

进一步地，上述非球面变焦系统的入瞳直径为42毫米，视场角为1.89度，焦距范围为700mm～1830mm，变倍比为2.61。

第二方面，本发明实施例还提供了一种照明光学系统，包括光源装置和上述的非球面变焦系统。所述光源装置发出的光束经所述非球面变焦系统后照射到目标物上。

相比于现有技术，本发明实施例提供的非球面变焦系统及照明光学系统，通过设置第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，且第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组中至少一个透镜具有非球面，使得成像质量大幅提高。此外，由于将透镜镜片数从9片减少到7片，有利于简化系统结构，提高能量透过率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种非球面变焦系统在第一种状态下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种非球面变焦系统在第二种状态下的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种非球面变焦系统在第一种状态下的均方根点列图；

图4为本发明实施例提供的一种非球面变焦系统在第二种状态下的均方根点列图；

图5为本发明实施例提供的一种非球面变焦系统在第一种状态下的畸变图；

图6为本发明实施例提供的一种非球面变焦系统在第二种状态下的畸变图；

图7为本发明实施例提供的一种非球面变焦系统的焦距随动件移动变化曲线图。

图中：1-非球面变焦系统；10-光阑；12-第一透镜组；120-第一正透镜；122-第二正透镜；124-第一负透镜；14-第二透镜组；140-第三正透镜；142-第四正透镜；16-第三透镜组；160-第二负透镜；162-第五正透镜；18-反射镜；20-像面；L1-第一方向；L2-第二方向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解。例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的非球面变焦系统1，应用照明光学系统。该非球面变焦系统1包括第一透镜组12、第二透镜组14和第三透镜组16。第一透镜组12、第二透镜组14和第三透镜组16依次同光轴设置。图1中，L1所示的箭头方向表示第一方向，L2所示的箭头方向表示第二方向。第一方向L1与第二方向L2为相反方向，且第一方向L1与第一透镜组12、第二透镜组14和第三透镜组16的光轴平行。第一透镜组12、第二透镜组14和第三透镜组16沿第一方向L1依次设置。

其中，第一透镜组12包括沿第一方向L1依次设置的第一正透镜120、第二正透镜122和第一负透镜124。第二透镜组14包括沿第一方向L1依次设置的第三正透镜140和第四正透镜142。第三透镜组16包括沿第一方向L1依次设置的第二负透镜160和第五正透镜162。

具体的，本实施例中，可以采用透镜外框上的机械组固定各透镜之间的相对位置。其中，第一透镜组12为变焦系统的前固定组，第三透镜为变焦系统的后固定组，第一透镜组12和第三透镜组16的相对位置固定不变；第二透镜组14为变焦系统的变倍组，第三正透镜140和第四正透镜142为变焦系统中的两个运动透镜，能够沿光轴移动以改变其相对位置，从而调节系统焦距，以同比例改变照明系统的内、外相干因子，进而改变照明环带宽度。

需要说明的是，第一透镜组12、第二透镜组14和第三透镜组16包括的每个透镜均具有第一表面和第二表面。本实施例中，第一表面为透镜的朝向第二方向L2的表面，第二表面为透镜的朝向第一方向L1的表面。第一透镜组12、第二透镜组14和第三透镜组16中至少一个透镜具有非球面，也就是说，上述的第一正透镜120、第二正透镜122、第一负透镜124、第三正透镜140、第四正透镜142、第二负透镜160以及第五正透镜162中至少有一个透镜设置有非球面。进一步地，由于第三正透镜140和第四正透镜142为运动透镜，为了简化焦距调节，第三正透镜140和第四正透镜142可以采用全球面透镜，此时，第一透镜组12和第三透镜组16中至少一个透镜具有非球面。

于本实施例的一种具体实施方式中，第二正透镜122的第二表面、第一负透镜124的第二表面以及第二负透镜160的第二表面均为凹面。为了便于非球面的加工和检测，本实施例优选在透镜的凹面上设置非球面。为了达到良好的系统像差校正效果，第二正透镜122的第二表面、第一负透镜124的第二表面以及第二负透镜160的第二表面均设置为非球面。当然，除了上述实施方式外，在制造能力可以满足的条件下，可以将其它透镜的表面设置为非球面。

需要说明的是，根据像质要求，次数越高的非球面校正像差的能力越强。因此，非球面的次数可以根据具体需要设置。本实施例中，非球面优选可以为次数大于或等于20次的非球面。

此时，当外部光束入射到本非球面变焦系统1时，入射的光束依次经过第一正透镜120、第二正透镜122、第一负透镜124、第三正透镜140、第四正透镜142、第二负透镜160以及第五正透镜162出射。

进一步地，为了减小系统的空间占用，压缩光路长度，提高照明系统的空间利用率，本实施例提供的非球面变焦系统1还包括反射镜18。本实施例中，该反射镜18可以为平面反射镜18。如图1所示，反射镜18位于第五正透镜162的第一方向L1，此时，由第五正透镜162出射的光束被反射镜18反射后成像到像面20。需要说明的是，本实施例中，图1示出的像面20为虚拟像面。

进一步地，为了对入射的光束进行整形，且避免其他杂散光的干扰，本实施例提供的非球面变焦系统1还包括光阑10。该光阑10为孔径光阑，如图1所示，光阑10设置于第一正透镜120的第二方向L2。此时，该非球面变焦系统1的工作过程为：入射的光束经光阑10入射到第一透镜组12，经第一透镜组12折射后进入第二透镜组14，第二透镜组14出射的光束经过第三透镜组16和反射镜18折转后到达像面20。

本实施例中，第一正透镜120、第二正透镜122、第一负透镜124、第三正透镜140、第四正透镜142以及第二负透镜160的口径均小于第五正透镜162的口径。当本实施例提供的非球面变焦系统1应用于紫外照明系统时，透镜可以采用熔石英或氟化钙材料制成。

对于通光口径较小的透镜，能量密度较高，长时间受高能量密度紫外光照射，化学性质容易发生改变从而影响透镜的透过率。由于氟化钙材料化学性质比熔石英稳定，但成本比熔石英高，因此，在本实施例优选的实施方式中，通光口径相对较小的第一正透镜120、第二正透镜122、第一负透镜124、第三正透镜140、第四正透镜142以及第二负透镜160均由氟化钙材料制成，而通光口径相对较大的第五正透镜162由熔石英材料制成。这样设置有利于提高透镜的能量透过率，保证变焦系统具有良好的使用性能，延长系统的使用寿命，并且能够在满足使用条件的情况下节约成本。

本实施例中，每个透镜的半径、厚度、以及透镜的间距都可以是通过光学设计软件CODEV或ZAMAX进行了不同程度的优化后得到的。具体的优化函数可以根据实际需要设置，例如，根据像质要求，优化函数可以设置为点列图均方根直径小于40微米，系统畸变小于0.5％。

为了更清楚地说明本实施例提供的非球面变焦系统1的技术方案及原理，下面将列举本实施例的一种示例进行具体说明。

例如，在本发明实施例的一种具体应用场景中，非球面变焦系统1的孔径光阑置于非球面变焦系统1的第一正透镜120第一表面顶点前10毫米处，工作波长为193.368纳米，系统入瞳直径为42毫米，视场角为1.89度，第二正透镜122的第二表面、第一负透镜124的第二表面以及第二负透镜160的第二表面均为20次非球面，焦距范围为700mm～1830mm，变倍比为2.61，点列图均方根直径小于40微米，系统畸变小于0.5％，这样有利于使得照明系统的像质能够很好的满足我国目前45纳米光刻的要求。此时，系统的具体参数可以设置为如表1所示。

表1

表1中第一列表示沿第一方向L1上该非球面变焦系统1中的面，依次为物面、光阑面、各透镜的第一表面和第二表面、反射镜面以及像面，其中第1面表示光阑面，第17面表示反射镜面。需要说明的是，第8面表示第一透镜组12与第二透镜组14之间的一个中间像面。该中间像面为虚面，位于第一负透镜124与第三正透镜140之间。表1中第二列表示该非球面变焦系统1中各个面的半径值，第三列表示当前面的顶点与后一个面的顶点之间的距离。

通过调节第三正透镜140和第四正透镜142的相对位置，即调节第8面、第10面和第12面的空气间隔，使得系统的焦距在一定范围内连续变化，以同比例改变内、外相干因子。具体的，第三正透镜140和第四正透镜142可以在短焦位置与长焦位置之间调节，使得系统的焦距相应地由短焦到长焦变化。

例如，在上述应用场景中，短焦位置为焦距为700mm时第三正透镜140和第四正透镜142的位置，长焦位置为焦距为1830mm时第三正透镜140和第四正透镜142的位置。

图1为第三正透镜140和第四正透镜142位于短焦位置时的非球面变焦系统1的结构示意图。图2为第三正透镜140和第四正透镜142位于长焦位置时的非球面变焦系统1的结构示意图。在上述应用场景中，如图1所示，第三正透镜140和第四正透镜142位于短焦位置时，第三正透镜140的第一表面(第9面)与第一负透镜124的第二表面(第7面)之间的距离为15mm，第四正透镜142的第二表面(第12面)与第二负透镜160的第一表面(第13面)之间的距离为9.056mm。如图2所示，第三正透镜140和第四正透镜142位于长焦位置时，第三正透镜140的第一表面(第9面)与第一负透镜124的第二表面(第7面)之间的距离为49mm，第四正透镜142的第二表面(第12面)与第二负透镜160的第一表面(第13面)之间的距离为114.643mm。

也就是说，从短焦到长焦变化的过程中，第三正透镜140是逐渐远离第一负透镜124的第二表面(第7面)，第四正透镜142也是逐渐远离第二负透镜160的第一表面(第13面)，也就是说，第三正透镜140和第四正透镜142相向运动，逐渐靠近。

另外，还需要说明的是，表1中的第5面即为第二正透镜122的第二表面，第7面即为第一负透镜124的第二表面，第14面即为第二负透镜160的第二表面。在上述应用场景中，第5面、第7面以及第14面的20次非球面系数可以如表2所示。

表2

表2中，K表示二次曲面常数、A表示二次项系数、B表示四次项系数、……、J表示二十次项系数。

进一步地，为了说明本发明实施例提供的非球面变焦系统1的效果。将采用以下三种评价手段对该非球面变焦系统1进行评价。

(1)点列图均方根直径评价

点列图是利用光路计算程序，将光瞳面划分成许多小面元，计算通过这些面元的光线与像面的交点，交点形成点列图。理想光学系统的点列图为一个点，实际光学系统的点列图是无数个点，由这些点的分布确定光学系统的成像质量，这种方法的优点是可以了解光线的空间走向，粗略估计光斑形状，这种方法是评估照明系统常用的方法。对于上述应用场景中的非球面变焦系统1，第二透镜组14位于短焦位置时，各视场的点列图如图3所示，第二透镜组14位于长焦位置时，各视场点列图如图4所示。由图3和图4可得，本实施例提供的非球面变焦系统1的点列图均方根直径值小于40微米，成像质量能保证光刻时提供高均匀性照明。

(2)畸变评价

畸变是指光主光线的实际角放大率不等于+1时，即像方主光线不和物方主光线平行时，像方主光线和理想像面的交点不和理想像点重合，这种现象称为畸变。在只存在畸变的情况下，这些点落在与光轴垂直的平面上，但是与光轴的距离是不对的。存在畸变时，图像很清晰，但是有错位。对于本实施例提供的非球面变焦系统1，短焦位置的畸变值如图5所示，长焦位置畸变值如图6所示。由图5和图6可以得到，随视场变化，系统的最大畸变值小于0.5％。

(3)凸轮曲线

非球面变焦系统1共有两片动镜，即第三正透镜140和第四正透镜142。图7示出了两片动镜的凸轮曲线图。其中，动件1为第三正透镜140，动件2为第四正透镜142。图7中，横坐标表示本非球面变焦系统1的焦距，纵坐标表示动件移动距离，单位均为毫米(mm)，动件移动距离为0的位置表示短焦位置。如图7所示，从短焦位置至长焦位置，动件1的移动行程为25.36mm，动件2的移动行程为89.62mm，动件1和动件2相向运动，逐渐靠近。由图7可以看出，两片动镜的凸轮曲线均接近线性，有利于机械设计。

综上所述，本发明实施例提供的非球面变焦系统1，通过设置第一透镜组12、第二透镜组14和第三透镜组16，且第一透镜组12、第二透镜组14以及第三透镜组16中至少一个透镜具有非球面，使得系统的成像质量大幅提高。此外，由于将透镜镜片数从9片减少到7片，有利于简化系统结构，提高能量透过率。将本发明实施例提供的非球面变焦系统1应用于NA1.35浸没式光刻照明系统中时，不仅能够实现内、外相干因子的调节，还能够改善能量利用率不足、成像质量不高的问题，有利于满足我国目前45纳米光刻的要求。

另外，本发明实施例还提供了一种照明光学系统，包括光源装置和上述的非球面变焦系统1。当然，除此之外，照明系统还可以包括其他更多的组件，例如，物镜、扩束系统、锥形镜等，此处不做详述。光源装置发出的光束经非球面变焦系统1后照射到目标物上。

例如，当照明光学系统应用于光刻机时，上述目标物为掩膜版。可以理解的是，光刻机的核心部件是投影曝光光学系统，该系统最重要的组成部分是照明光学系统和投影光学系统。照明光学系统主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现照明模式。投影光学系统用于把掩膜版成像在基片上。

本实施例提供的照明光学系统，通过采用本实施例提供的非球面变焦系统来调节内、外相干因子，有利于简化系统结构，提高能量利用率和成像质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种非球面变焦系统，其特征在于，包括：沿第一方向依次同光轴设置的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中至少一个透镜具有非球面；

所述第一透镜组，包括沿所述第一方向依次设置的第一正透镜、第二正透镜和第一负透镜；

所述第二透镜组，包括沿所述第一方向依次设置的第三正透镜和第四正透镜，所述第三正透镜和所述第四正透镜能够沿所述光轴移动以调节所述系统的焦距；

所述第三透镜组，包括沿所述第一方向依次设置的第二负透镜和第五正透镜；

入射的光束依次经所述第一正透镜、所述第二正透镜、所述第一负透镜、所述第三正透镜、所述第四正透镜、所述第二负透镜以及所述第五正透镜出射；

其中，所述非球面变焦系统的入瞳直径为42毫米，视场角为1.89度，焦距范围为700mm～1830mm，变倍比为2.61。

2.根据权利要求1所述的非球面变焦系统，其特征在于，所述第二正透镜的第二表面、所述第一负透镜的第二表面以及所述第二负透镜的第二表面均为凹面，且所述凹面均为非球面。

3.根据权利要求1所述的非球面变焦系统，其特征在于，还包括：反射镜，所述反射镜位于所述第五正透镜的第一方向，由所述第五正透镜出射的光束被所述反射镜反射后成像。

4.根据权利要求1所述的非球面变焦系统，其特征在于，还包括：光阑，所述光阑设置于所述第一正透镜的第二方向，所述第二方向为所述第一方向的相反方向，入射的所述光束经所述光阑入射到所述第一正透镜。

5.根据权利要求1所述的非球面变焦系统，其特征在于，所述非球面为次数大于或等于20次的非球面。

6.根据权利要求1所述的非球面变焦系统，其特征在于，所述第一正透镜、所述第二正透镜、所述第一负透镜、所述第三正透镜、所述第四正透镜以及所述第二负透镜的口径均小于所述第五正透镜的口径。

7.根据权利要求6所述的非球面变焦系统，其特征在于，所述第一正透镜、所述第二正透镜、所述第一负透镜、所述第三正透镜、所述第四正透镜以及所述第二负透镜均由氟化钙材料制成，所述第五正透镜由熔石英材料制成。

8.根据权利要求1所述的非球面变焦系统，其特征在于，所述非球面变焦系统的系统畸变小于0.5％，点列图均方根直径小于40微米。

9.一种照明光学系统，其特征在于，包括光源装置和权利要求1-8中任一项所述的非球面变焦系统，所述光源装置发出的光束经所述非球面变焦系统后照射到目标物上。