CN109991816B - 一种投影物镜光学系统及光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影物镜光学系统及光刻机，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依次包括：具有负光焦度的第一透镜组；具有正光焦度的第二透镜组；具有正光焦度的第三透镜组；孔径光阑；具有正光焦度的第四透镜组；所述第四透镜组与第三透镜组关于孔径光阑对称；具有正光焦度的第五透镜组；所述第五透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；以及具有负光焦度的第六透镜组；所述第六透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称。本发明提供的一种适用于g、h、i三线波长的大视场投影物镜光学系统，在保证成像像质的同时，显著提高曝光产率。

Description

一种投影物镜光学系统及光刻机

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及光刻机。

背景技术

目前半导体封装领域的飞速发展，对制造集成电路芯片的光刻投影物镜提出了越来越高的要求，不仅要求投影光刻物镜的分辨率、成像质量不断提高，对产率也提出了更高需求。其中，增大投影物镜的曝光视场是提高产率最直接有效的方法。

美国专利US7697511B2公开了一种-1x放大倍率，适用于g、h、i三线波长的投影物镜结构。该物镜的最大像方半视场仅为42mm，提升产率有限。

日本专利JP2000199850公开了一种仅适用于g线和h线的光刻镜头，其数值孔径为0.1，像方半视场为117mm，包含38个镜片。该物镜结构较复杂，制造成本较高，并且光谱仅为g线和h线。

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，适用于g、h、i三线波长的大视场投影物镜光学系统，在保证成像像质的同时，显著提高曝光产率。

为实现上述目的，本发明提供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，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依次包括：

具有负光焦度的第一透镜组；

具有正光焦度的第二透镜组；

具有正光焦度的第三透镜组；

孔径光阑；

具有正光焦度的第四透镜组，所述第四透镜组与第三透镜组关于孔径光阑对称；

具有正光焦度的第五透镜组，所述第五透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；以及

具有负光焦度的第六透镜组，所述第六透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称。

优选的，所述第一透镜组、第二透镜组第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和第六透镜组满足以下关系式：

-0.5<f2/f1<-0.2

-0.5<f3/f1<-0.2

-0.5<f4/f6<-0.2

-0.5<f5/f6<-0.2

其中：f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距,f4为第四透镜组的焦距，f5为第五透镜组的焦距，f6为第六透镜组的焦距。

优选的，所述第一透镜组至少包含一片双凹镜头。

优选的，所述第二透镜组包含具有正光焦度的子透镜组和具有负光焦度的子透镜组，所述第二透镜组至少包含两片双凹透镜。

优选的，所述具有正光焦度的子透镜组包括第一弯月正透镜、双凸正透镜、第二弯月正透镜，所述具有负光焦度的子透镜组包括弯月负透镜、双凸正透镜、第一双凹负透镜和第二双凹负透镜。

优选的，所述第二透镜组至少包含两片相同材料的双凹透镜，所述双凹透镜的材料为SILICA、SFSL5Y或BSL7Y。

优选的，所述第三透镜组包括第一双凸正透镜、双凹负透镜、第二双凸正透镜、弯月负透镜和第三双凸正透镜。

优选的，所述第三透镜组至少包含两片由高色散材料制成的镜片，所述高色散材料为CAF2、NFK51A或NIGS4786。

优选的，所述投影物镜光学系统的物方数值孔径≤0.14。

优选的，所述投影物镜光学系统的像方半视场≤67.5mm。

优选的，所述投影物镜光学系统的放大倍率为-1x。

优选的，所述投影物镜光学系统采用的镜片均为球面镜片，所述镜面的数量≤26片。

优选的，所述投影物镜光学系统的物像距≤1200mm，物方远心和像方远心均＜6.5mrad，物距和像距均≥50mm。

优选的，所述投影物镜光学系统适用于g、h、i三线波长。

相应的，本发明还提供了一种光刻机，所述光刻机包含上述投影物镜光学系统。

综上所述，本发明提供一种适用于g、h、i三线波长的大视场投影物镜光学系统，在保证成像像质的同时，显著提高曝光产率.

进一步的，本发明提供的投影物镜光学系统的物方数值孔径≤0.14，放大倍率为-1x，最大像方半视场为67.5mm，具有较高的曝光产率.

进一步的，本发明提供的投影物镜光学系统采用双远心结构，物方远心和像方远心均小于6.5mrad，物像方距离不大于1200mm，降低物镜对掩模面上微小的凹凸缺陷的灵敏度的同时使光学系统结构更加紧凑，且具有较好的消色差效果且单色波像差较小，在实现g、h、i三线波长67.5mm的大视场的条件下，保证了成像质量.

进一步的，本发明提供的投影物镜光学系统的物距和像距均大于50mm，具有足够的机械距离，便于机械装配和工艺实现。同时，投影物镜光学系统的镜片数不大于26片，且均为球面镜片，降低了物镜的结构复杂性，提高了物镜的透过率，显著减少物镜成本，进一步提高了曝光产率。

附图说明

图1为本发明一实施例所提供的投影物镜光学系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例所提供的投影物镜光学系统的远心曲线；

图3为本发明一实施例所提供的投影物镜光学系统的光线像差图；

图4本发明一实施例所提供的投影物镜光学系统的畸变图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。

本发明提供一种适用于g、h、i三线波长的大视场光刻投影物镜，在保证成像像质的同时，显著提高曝光产率。

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1为本发明投影物镜光学系统一实施例的结构示意图，本实施例采用26片镜片，所有镜片均为球面镜片。本实施例采用的光谱是简化的g、h、i三线汞灯光谱，具体光谱权重分布如表1所示。本实施中投影物镜光学系统从物方平面开始，从光束入射方向依次为物面、第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、孔径光阑、第四透镜组G4、第五透镜组G5、第六透镜组G6和像面。其中：

第一透镜组G1具有负光焦度，所述第一透镜组G1至少包含一片双凹镜头，本实施例第一透镜组G1由1片镜片组成，为双凹负透镜1。

第二透镜组G2具有正光焦度，所述第二透镜组G2包含具有正光焦度的子透镜组G2-1和具有负光焦度的子透镜组G2-2，所述第二透镜组G2至少包含两片双凹透镜。所述具有正光焦度的子透镜组G2-1包括第一弯月正透镜2、双凸正透镜3、第二弯月正透镜4，所述具有负光焦度的子透镜组G2-2包括弯月负透镜5、双凸正透镜6、第一双凹负透镜7和第二双凹负透镜8。

第三透镜组G3具有正光焦度，由5个镜片组成，分别为第一双凸正透镜9、双凹负透镜10、第二双凸正透镜11、弯月负透镜12和第三双凸正透镜13。

第四透镜组G4具有正光焦度且与第三透镜组G3相对于孔径光阑对称，由5个镜片组成，分别为第一双凸正透镜14、弯月负透镜15、第二双凸正透镜16、双凹负透镜17和第三双凸正透镜18。

第五透镜组G5具有正光焦度且与第二透镜组G2相对于孔径光阑对称，所述第五透镜组G5也至少包含两片双凹透镜。本实施例中，所述第五透镜组G5包含具有负光焦度的子透镜组G5-1和具有正光焦度的子透镜组G5-2，所述子透镜组G5-1与所述子透镜组G2-2相对于孔径光阑对称，所述子透镜组G5-2与所述子透镜组G2-1相对于孔径光阑对称。所述具有负光焦度的子透镜组G5-1包括第一双凹负透镜19、第二双凹负透镜20、双凸正透镜21、弯月负透镜22，所述具有正光焦度的子透镜组G5-2包括第一弯月正透镜23、双凸正透镜24和第二弯月正透镜25。

第六透镜组G6具有负光焦度且与第一透镜组G1相对于孔径光阑对称，由1片镜片组成，为双凹负透镜26。

所述第二透镜组G2至少包含两片相同材料的双凹透镜，如双凹负透镜7和双凹负透镜8，同样的，与所述第二透镜组G2相对于孔径光阑对称的所述第五透镜组G5也至少包含两片相同材料的双凹透镜，如双凹负透镜19和双凹负透镜20。所述双凹透镜的材料为SILICA、SFSL5Y或BSL7Y，但不限于此。

所述第三透镜组G3至少包含两片由高色散材料制成的镜片，同样的，与所述第三透镜组G3相对于孔径光阑对称的所述第四透镜组G4也至少包含两片由高色散材料制成的镜片。所述高色散材料为CAF2、NFK51A或NIGS4786，但不限于此。

所述第一透镜组G1、所述第二透镜组G2和所述第三透镜组G3、第四透镜组、第五透镜组和第六透镜组满足以下关系式：

-0.5<f2/f1<-0.2

-0.5<f3/f1<-0.2

-0.5<f4/f6<-0.2

-0.5<f5/f6<-0.2

其中：f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距,f4为第四透镜组的焦距，f5为第五透镜组的焦距，f6为第六透镜组的焦距。

作为优选，f2/f1＝-0.35，f3/f1＝-0.45。

作为优选，f4/f6＝-0.45，f5/f6＝-0.35。

表2列出了实施例投影物镜光学系统的具体设计值，其中正的半径R代表镜片曲率中心在表面的右边，负的半径R代表镜片曲率中心在表面左边。1.00E+18代表此表面为平面。表中OBJ代表物面，STOP代表孔径光阑，IMA代表像面。表中材料栏“AIR”代表镜片与镜片间的空气间隔，填充气体为空气，材料栏中非AIR的材料是指具体镜片材料种类。全口径栏是指某一镜片表面的最大通光口径。光学元件厚度或两个光学元件的间隔均是指此表面到下个表面的轴上距离，所有尺寸单位都是毫米(mm)。

表1

波长	权重
		435	80
407	60
		365	100

表2

本发明所提供的投影物镜光学系统的放大倍率为-1x，物方数值孔径≤0.14，像方半视场≤67.5mm，较大的曝光视场使曝光产率明显提高。作为优选，本实施例中投影物镜光学系统提供的是一直径为135mm的圆形视场，物方数值孔径为0.14。

本发明所提供的投影物镜光学系统采用双远心结构，物方远心和像方远心均<6.5mrad。降低了物镜对掩模面上微小的凹凸缺陷的灵敏度，保证掩模面的成像质量。作为优选，本实施例投影物镜光学系统的物方远心为0，像方远心为6.35mrad。

本发明所提供的投影物镜光学系统的物像距≤1200mm，光学系统结构紧凑，消色差效果较好，单色波像差较小，能够保证投影物镜光学系统具有较好的成像质量。作为优选，本实施例中投影物镜光学系统的物像方距离为1200mm。

本发明所提供的投影物镜光学系统的物距和像距均≥50mm，具有足够的机械距离，便于机械装配和工艺实现。作为优选，本实施例中投影物镜光学系统的物距和像距均为57mm。

本发明所提供的投影物镜光学系统的镜片数量不大于26片，且均为球面镜片，降低了物镜的结构复杂性，提高了物镜的透过率，显著减少物镜成本，同时提高了曝光产率。作为优选，本实施例投影物镜光学系统的镜片数量为26片，且均为球面镜片。

本发明所提供的投影物镜光学系统适用于g(365nm)、h(405nm)和i(435nm)三线波长，适合宽光谱的紫外汞灯光源。

图2是本实施例所提供的投影物镜光学系统的远心曲线(Object&ImageTelecentricity)，其中横坐标为物方半视场的高度(Object Height(mm))，0代表物方中心，纵坐标代表某一物方视场点下的远心大小(Telecentricity(mrad)))。从曲线可以看出在物方视场高度约40mm时，远心最大为6.35mrad，说明物镜的远心已被很好的校正。

图3是是本实施例所提供的投影物镜光学系统的光线像差图(Ray Aberration(millimeters))，从下至上的五行图，依次代表不同高度的物方视场点在光瞳处的像差分布，每行的两幅图分别代表光瞳子午和弧矢像差分布，每幅图的横坐标代表光瞳上的高度，其中中心点代表光瞳中心，纵坐标代表像差大小，三条颜色的曲线分别代表365nm，405nm和435nm三个波长下的像差曲线。从图中可以看出各视场点的最大像差均小于0.001938mm，说明物镜的波像差均被很好校正，365nm，405nm和435nm波长间的色差均被很好校正。

图4是实施例投影物镜的畸变图(Distortion)，其中纵坐标代表物方半视场高度，横坐标代表畸变值，从图中可以看出各物方半视场点的畸变基本为0，说明物镜畸变基本校正到0。

本发明还提供了一种光刻机，所述光刻机包含上述投影物镜光学系统。

综上所述，本发明提供一种适用于g、h、i三线波长的大视场投影物镜光学系统。物方数值孔径≤0.14，放大倍率为-1x，最大像方半视场为67.5mm，具有较高的曝光产率。

本发明提供的投影物镜光学系统采用双远心结构，物方远心和像方远心均小于6.5mrad，物像方距离不大于1200mm，降低物镜对掩模面上微小的凹凸缺陷的灵敏度的同时使光学系统结构更加紧凑，且具有较好的消色差效果且单色波像差较小，在实现g、h、i三线波长67.5mm的大视场的条件下，保证了成像质量。

本发明提供的投影物镜光学系统的物距和像距均大于50mm，具有足够的机械距离，便于机械装配和工艺实现。同时，投影物镜光学系统的镜片数不大于26片，且均为球面镜片，降低了物镜的结构复杂性，提高了物镜的透过率，显著减少物镜成本，进一步提高了曝光产率。

Claims (14)

1.一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，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依次为：

具有负光焦度的第一透镜组；

具有正光焦度的第二透镜组；

具有正光焦度的第三透镜组；

孔径光阑；

具有正光焦度的第四透镜组，所述第四透镜组与第三透镜组关于孔径光阑对称；

具有正光焦度的第五透镜组，所述第五透镜组与第二透镜组关于孔径光阑对称；以及

具有负光焦度的第六透镜组，所述第六透镜组与第一透镜组关于孔径光阑对称；

其中，所述第二透镜组包含具有正光焦度的子透镜组和具有负光焦度的子透镜组，所述第二透镜组至少包含两片双凹透镜。

2.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和第六透镜组满足以下关系式：

-0.5<f2/f1<-0.2

-0.5<f3/f1<-0.2

-0.5<f4/f6<-0.2

-0.5<f5/f6<-0.2

其中：f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距,f4为第四透镜组的焦距，f5为第五透镜组的焦距，f6为第六透镜组的焦距。

3.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组至少包含一片双凹镜头。

4.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述具有正光焦度的子透镜组包括第一弯月正透镜、双凸正透镜、第二弯月正透镜，所述具有负光焦度的子透镜组包括弯月负透镜、双凸正透镜、第一双凹负透镜和第二双凹负透镜。

5.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜组至少包含两片相同材料的双凹透镜，所述双凹透镜的材料为SILICA、SFSL5Y或BSL7Y。

6.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述第三透镜组包括第一双凸正透镜、双凹负透镜、第二双凸正透镜、弯月负透镜和第三双凸正透镜。

7.根据权利要求1或6所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述第三透镜组包含至少两片由高色散材料制成的镜片，所述高色散材料为CAF2、NFK51A或NIGS4786。

8.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述投影物镜光学系统的物方数值孔径≤0.14。

9.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述投影物镜光学系统的像方半视场≤67.5mm。

10.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述投影物镜光学系统的放大倍率为-1x。

11.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述投影物镜光学系统采用的镜片均为球面镜片，所述镜片的数量≤26片。

12.根据权利要求1所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述投影物镜光学系统的物像距≤1200mm，物方远心和像方远心均＜6.5mrad，物距和像距均≥50mm。

13.根据权利要求1-6或8-12中任一项所述的投影物镜光学系统，其特征在于，所述投影物镜光学系统适用于g、h、i三线波长。

14.一种光刻机，其特征在于，包含如权利要求1-13中任一项所述的投影物镜光学系统。

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