CN114859674A - 一种倍率可调的物镜光学系统以及投影光刻系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种倍率可调的物镜光学系统以及投影光刻系统，其投影倍率可调，且使得物面和像面都具有足够的操作空间，包括沿着光轴设置的第一镜组、反射镜、第二镜组、第三镜组、第四镜组和反射曲面，由物面发射的光束依次经过所述第一镜组、反射镜、第二镜组、第三镜组后，经过反射曲面反射后，再依次经过所述第三镜组、第二镜组、反射镜、第四镜组后汇聚成像到像面，所述第一镜组和所述第四镜组能够沿着光轴方向移动调整光学系统的投影倍率，所述物镜光学系统满足关系式：0.38<f1/L<1.5、0.26<‑R/L<1.1，其中，f1为第一镜组的组合焦距，L为光学系统的物面至像面光学距离，R为反射曲面的曲率半径。

Description

一种倍率可调的物镜光学系统以及投影光刻系统

技术领域

本发明涉及投影光刻技术领域，具体涉及一种倍率可调的物镜光学系统以及投影光刻系统。

背景技术

光学光刻是一种用光将掩模图案投影复制的技术。借助于投影曝光装置，具有不同掩模图案的图形通过投影物镜成像至如硅片或LCD板等基底上，用于制造集成电路、薄膜磁头、液晶显示板，或微机电(MEMS)等一系列结构。

很多生产过程中，由制造设备之间的差异，掩模版或基板的尺寸误差，以及膨胀或缩小等原因，需要修正或调节投影光学系统的投影倍率。

并且，在现有技术中，光刻投影物镜普遍存在视场范围不足，光谱范围狭窄，工作距离短，物镜热稳定性欠佳难以满足大曝光剂量的需求，装校精度高制造成本昂贵等问题。有鉴于此，可以修正或调节投影光学系统的投影倍率，且既经济又具有良好的光学特性和较大视场尺寸，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

针对上述问题，本发明提供了一种倍率可调的物镜光学系统以及投影光刻系统，其投影倍率可调，且使得物面和像面都具有足够的操作空间。

其技术方案是这样的：一种倍率可调的物镜光学系统，包括沿着光轴设置的第一镜组、反射镜、第二镜组、第三镜组、第四镜组和反射曲面，由物面发射的光束依次经过所述第一镜组、反射镜、第二镜组、第三镜组后，经过反射曲面反射后，再依次经过所述第三镜组、第二镜组、反射镜、第四镜组后汇聚成像到像面，所述第一镜组和所述第四镜组能够沿着光轴方向移动调整光学系统的投影倍率，所述物镜光学系统满足关系式：

0.38<f1/L<1.5

0.26<-R/L<1.1

其中，f1为第一镜组的组合焦距，L为光学系统的物面至像面光学距离，R为反射曲面的曲率半径。

进一步的，所述反射镜包括第一反射面和第二反射面，所述第一反射面垂直于所述第二反射面设置，所述第一反射面位于所述第一镜组和所述第二镜组之间，从所述第一镜组射出的光束经所述第一反射面反射射入所述第二镜组，所述第二反射面位于所述第二镜组和所述第四镜组之间，从所述第二镜组射出的光束经所述第二反射面反射射入所述第四镜组，所述物面、第一镜组、第四镜组、像面相互平行设置。

进一步的，所述第一镜组和所述第四镜组分别至少包含1个正透镜，所述第一镜组的1个正透镜和所述第四镜组1个正透镜具有相同的光学特性，且满足关系式：

0.8<f1/f2<3.4

0.8<f4/f2<3.4

Vd>62

其中，Vd为第一镜组、第四镜组中正透镜的色散系数，f2为第二镜组的组合焦距，f4为第四镜组的组合焦距。

进一步的，所述第二镜组还满足关系式：

0.23<f2/L<0.9

其中，f2为第二镜组的组合焦距。

进一步的，所述第三镜组至少包含1个正透镜和1个负透镜，且满足关系式：

Vdp-Vdm>10

∣f3∣/L>0.6

其中，Vdp为所述第三镜的一个正透镜的色散系数，Vdm为所述第三镜的一个负透镜的色散系数，f3为第三镜组的组合焦距。

进一步的，第一镜组包含一个正透镜、第二镜组包含至少一个正透镜，且满足关系式：

0.14<d0/d1<0.58

0.1<(d0+d1)/L<0.45

其中，d0为物面到第一镜组之间的光学距离，d1为第一镜组到第二镜组之间的光学距离。

进一步的，所述第三镜组距离物面最远的透镜曲面与所述反射曲面为同一曲面，所述反射曲面通过在所述第三镜组距离物面最远的透镜曲面上镀反射膜形成。

进一步的，所述第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组的透镜分别为球面镜片。

进一步的，所述第一镜组包括第一透镜，所述第一透镜为正透镜，所述第一透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面，所述第一透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面；

所述第二镜组包括第二透镜，所述第二透镜为正透镜，所述第二透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面，所述第二透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面；

所述第三镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为正透镜，所述第三透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面；所述第四透镜为负透镜，所述第四透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凹面，所述第四透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面；

所述第四镜组包括第五透镜，所述第五透镜为正透镜，所述第五透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面，所述第五透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面。

进一步的，所述物镜光学系统的适用光谱范围为360nm-441nm，所述光学系统能够对光谱中i线、h线、g线三种谱线校正像差。

进一步的，所述反射曲面位置处设置有冷却装置，所述冷却装置用于对所述反射曲面进行控温，所述冷却装置为热传导冷却式装置或对流冷却式装置或电制冷式装置中的任意一种或者多种的组合。

进一步的，所述第一镜组和所述第四镜组沿着光轴向相同方向移动相同距离，且保持物面和像面的位置不变，用于进行倍率调整。

一种投影光刻系统，其特征在于，包括上述的倍率可调的物镜光学系统。

本发明的倍率可调的光学系统，通过设置可调的第一镜组、第四镜组实现光学系统的投影倍率可调的效果，以此修正由制造设备之间的差异或掩模版或基板的尺寸误差、以及膨胀或缩小等原因导致的投影倍率出现的偏差，同时本发明的倍率可调的物镜光学系统通过反射镜的设置改变了光路的方向，使得物面和像面都具有足够的操作空间，物镜在具有长工作距离的同时可以避免碰撞到光刻设备的其他部分，提高光刻设备的工艺性能，允许光刻设备采用扫描方式曝光，并且本发明的物镜光学系统使用较少的镜片，且都是易于加工的球面镜片，成本较低，结构紧凑，易于装配，并且通过对于各个透镜的各项参数进行改进，使得获取的物镜具有优良的成像质量，具有宽光谱适应、大视场等特点。

附图说明

图1为实施例中的一种倍率可调的物镜光学系统的组成示意图；

图2为实施例中的视场的示意图；

图3为实施例中的一种倍率可调的物镜光学系统的传递函数MTF图；

图4为实施例中的一种倍率可调的物镜光学系统的在第一镜组和第四镜组沿着光轴向下都距离移动0.333mm时的传递函数MTF图。

具体实施方式

见图1，本发明的一种倍率可调的物镜光学系统，包括沿着光轴设置的第一镜组G1、反射镜、第二镜组G2、第三镜组G3、第四镜组G4和反射曲面M1，由物面发射的光束依次经过第一镜组G1、反射镜、第二镜组G2、第三镜组G3后，经过反射曲面M1反射后，再依次经过第三镜组G3、第二镜组G2、反射镜、第四镜组G4后汇聚成像到像面，第一镜组G1和第四镜组G4能够沿着光轴方向移动调整光学系统的投影倍率，物镜光学系统满足关系式：

0.38<f1/L<1.5

0.26<-R/L<1.1

其中，f1为第一镜组G1的组合焦距，L为光学系统的物面至像面光学距离，R为反射曲面M1的曲率半径。

具体的，反射镜包括第一反射面M2和第二反射面M3，第一反射面M2垂直于第二反射面M3设置，第一反射面M2位于第一镜组G1和第二镜组G2之间，从第一镜组G1射出的光束经第一反射面M2反射射入第二镜组G2，第二反射面M3位于第二镜组G2和第四镜组G4之间，从第二镜组G2射出的光束经第二反射面M3反射射入第四镜组G4，物面、第一镜组G1、第四镜组G4、像面相互平行设置，以上设置改变了光学系统的光路结构，保证物面和像面都具有足够的操作空间，提高设备的工艺性能，并且允许设备采用扫描方式曝光，使得光学系统结构紧凑，投影物镜的物、像具有较大的物像方工作距离，为后续光学系统与光刻设备的照明系统、掩模和硅片系统的接口设计留出足够的空间，满足光刻机整体装配需求，并且光路结构改变的同时，也给予通过第一镜组、第四镜组可以调整的空间，以此实现光学系统的投影倍率可调的效果，从而可以修正由制造设备之间的差异或掩模版或基板的尺寸误差、以及膨胀或缩小等原因导致的投影倍率出现的偏差，确保成像效果。

在本发明的实施例中，通过对于第一镜组G1的焦距的约束0.38<f1/L<1.5，由此可以避免引起过多的球差和色差，方便通过其他光学部件进行有效补偿；避免破坏光学系统的整体结构；确保构成物方和像方的远心光路，保证成像质量较高；通过对于反射曲面M1的焦距的约束0.26<-R/L<1.1，可以有效地补偿光学系统的球差、色差和场曲像差，尤其是高级轴向色差；避免破坏光学系统的整体结构导致物镜结构臃肿。

在本发明的实施例中，第一镜组G1和第四镜组G4分别至少包含1个正透镜，第一镜组G1的1个正透镜和第四镜组G41个正透镜具有相同的光学特性，包括相同的几何尺寸和材质，沿着光轴相同方向等距离移动第一镜组G1和第四镜组G4，保持物面和像面位置不动，可以实现调整光学系统的投影倍率，第一镜组G1和第四镜组G4在实施例中还满足关系式：

0.8<f1/f2<3.4

0.8<f4/f2<3.4

Vd>62

其中，Vd为第一镜组、第四镜组中正透镜的色散系数，f2为第二镜组的组合焦距，f4为第四镜组的组合焦距，上述光学参数的限定使光学系统的球差和色差得到均衡有效补偿；保证系统的整体结构合理稳定，构成均衡的物方和像方的远心光路，并且在在倍率调整过程中抑制倍率色差的产生。

在本发明的实施例中，第二镜组G2还满足关系式：

0.23<f2/L<0.9

其中，f2为第二镜组的组合焦距，通过对于第二镜组G2的焦距的约束0.23<f2/L<0.9，有助于有效地补偿光学系统的球差，色差和场曲像差；避免破坏光学系统的整体结构，协助构成物方和像方的远心光路。

在本发明的实施例中，第三镜组G3至少包含1个正透镜和1个负透镜，且满足关系式：

Vdp-Vdm>10

∣f3∣/L>0.6

其中，Vdp为第三镜的一个正透镜的色散系数，Vdm为第三镜的一个负透镜的色散系数，f3为第三镜组的组合焦距，通过对第三镜组G3的约束，使光学系统的球差和色差得到均衡有效补偿；保证系统的整体结构合理稳定，构成均衡的物方和像方的远心光路。

在本发明的实施例中，第一镜组G1包含一个正透镜、第二镜组G2包含至少一个正透镜，且满足关系式：

0.14<d0/d1<0.58

0.1<(d0+d1)/L<0.45

其中，d0为物面到第一镜组之间的光学距离，d1为第一镜组到第二镜组之间的光学距离，在此范围内可以较好地平衡各种光学像差，否则超过上限或下限，尤其引起过多的球差和色差会导致难以通过其他光学部件进行有效补偿；破坏光学系统的整体结构；难以构成物方和像方的远心光路，导致成像质量下降。

在本发明的实施例中，第三镜组G3距离物面最远的透镜曲面与反射曲面M1为同一曲面，反射曲面M1通过在第三镜组G3距离物面最远的透镜曲面上镀反射膜形成，反射曲面M1通过在第三镜组G3距离物面最远的透镜曲面上镀反射膜形成，可以是镀包含铝或银等金属或多层介质反射薄膜，通过这样的设计，使用更少的镜片，使得光学系统的整体结构紧凑有效；降低制造成本；使反射曲面M1所吸收的光能量有效地排除到光学系统之外，具有良好的光热稳定性，适用于曝光剂量较大的曝光工艺。

在本发明的一个实施例中，第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3、第四镜组G4的透镜分别为球面镜片，通过使用较少的镜片，且都是易于加工的球面镜片，成本较低，结构紧凑，易于装配；减少光学系统制造和组装难度和成本，光学系统的结构均衡稳定，具体的：

第一镜组G1包括第一透镜L1，第一透镜L1为正透镜，第一透镜L1远离反射曲面M1的第一侧面为凸面，第一透镜L1靠近反射曲面M1的第二侧面为凸面；

第二镜组G2包括第二透镜L2，第二透镜L2为正透镜，第二透镜L2远离反射曲面M1的第一侧面为凸面，第二透镜L2靠近反射曲面M1的第二侧面为凸面；

第三镜组G3包括第三透镜L3和第四透镜L4，第三透镜L3为正透镜，第三透镜L3远离反射曲面M1的第一侧面为凸面，第三透镜L3靠近反射曲面M1的第二侧面为凸面；第四透镜L4为负透镜，第四透镜L4远离反射曲面M1的第一侧面为凹面，第四透镜L4靠近反射曲面M1的第二侧面为凸面，第三透镜靠近反射曲面的第二侧面的曲率半径比较大，在其他实施例中也可以是凹面；

第四镜组G4包括第五透镜L5，第五透镜L5为正透镜，第五透镜L5远离反射曲面M1的第一侧面为凸面，第五透镜L5靠近反射曲面M1的第二侧面为凸面，实施例中通过包含第一透镜至第五透镜的镜组内各透镜通过正负屈折力的组合，可互相校正像差，提升解像力。

在本发明的实施例中，光学系统能够对光谱中i线、h线、g线三种谱线校正像差，物镜光学系统的光谱范围为360nm-441nm，光学系统可以对光谱中i线，h线，g线三种谱线校正像差，i线，h线，g线三种谱线的波长分别为365纳米，405纳米，436纳米，i线，h线，g线是曝光时高压水银光源的特征波长，光学系统可通过像差改善来提高光学性能，提高光源的利用率，大幅度提高曝光强度；适用于曝光剂量较大的光刻曝光；适用于不同谱线的感光材料。

在本发明的实施例中，Hy＝145mm，物镜光学系统还满足：

Hy≥80mm

其中，Hy为最大视场像高，物镜光学系统满足关系式：Hy≥80mm，其中，如图3所示，视场通常是一个圆形范围，Hy是这个圆的半径，相对于用视场边长XX×YY表述视场大小的方式，Hy更加完整准确的表述了视场的大小。本实施例中通过各镜组和各镜组中透镜的配合，可以解决投影物镜的视场较小的问题，实现较好像的宽光谱和大视场的物镜投影，增加光刻系统的曝光视场，提高光刻机的光刻产率。

在本发明的一个实施例中，第四透镜L4的反射曲面位置处设置有冷却装置，冷却装置用于对反射曲面进行控温，大视场光学系统中，反射曲面比较小，全部的曝光光束能量汇聚到反射曲面处时，单位面积的光束能量急剧增大，因为反射曲面会吸收极小部分的光束能量并转化为热量，反射曲面因此温度升高产生热膨胀，冷却装置可以使反射曲面所吸收的光能量有效地排除到光学系统之外，具有良好的光热稳定性，适用于曝光剂量较大的曝光工艺。

具体的，冷却装置为热传导冷却式装置或对流冷却式装置或电制冷式装置中的任意一种或者多种的组合,使反射曲面所吸收的光能量有效地排除到光学系统之外，具有良好的光热稳定性，适用于曝光剂量较大的曝光工艺。

在一个实施例中，第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3、第四镜组G4满足：

第一透镜L1，折射率nd满足1.4<nd<1.5，色散系数vd满足80<vd<90；

第二透镜L2，折射率nd满足1.4<nd<1.5，色散系数vd满足80<vd<90；

第三透镜L3，折射率nd满足1.4<nd<1.5，色散系数vd满足80<vd<90；

第四透镜L4，折射率nd满足1.5<nd<1.6，色散系数vd满足60<vd<70；

第五透镜L5，折射率nd满足1.4<nd<1.5，色散系数vd满足80<vd<90；

具体的，物镜光学系统的数值孔径NA＝0.055；物方视场像高：Hy＝145mm；本发明还提供了一种实施例的物镜光学系统的具体光学参数，如下表1：

表1在该实施例中，其中一些特征参数如表2所示。

(1)	f1/L＝	0.78
			(2)	f2/L＝	0.46
(3)	-R/L＝	0.52
			(4)	∣f3∣/L＝	2.24
(5)	f1/f2＝	1.70
			(6)	d0/d1＝	0.28
(7)	(d0+d1)/L＝	0.22

表2

在该实施例中，物镜的投影倍率调节范围为-400ppm至+400ppm，ppm(parts permillion)，是百万分之一的意思，1ppm＝0.0001％。

在该实施例中，第一镜组和第四镜组可以沿着光轴向相同方向移动相同距离，且保持物面和像面的位置不变，以此进行倍率调整，其结构简单稳定，易于操作控制，有效地解决倍率调整问题。

图3为本实施例中物镜的光学调制传递函数示意图。光学调制传递函数(MTF)用于评价不同空间频率的图形经过光学系统传递到像面处的效率，光学调制传递函数(MTF)曲线横坐标是空间频率，单位是线对/毫米，纵坐标是调制函数。

从MTF曲线可以看出，具有代表性的Hy＝15视场和最大视场Hy＝145的MTF值已经非常接近衍射极限值。衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像时，由于物理光学的光的衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像，这个衍射像是物理光学的衍射极限，即最大值。

可以看出，本发明可以在很宽的紫外光谱范围内，全视场范围内接近物理光学的衍射极限。

当第一镜组和第四镜组沿着光轴向下都距离移动0.333mm时，保持物面和像面位置不动，光学系统的投影倍率增加400ppm；此时光学参数相同的传递函数MTF如图4所示，MTF几乎没有变化说明成像质量几乎没有变化。同理，当第一镜组和第四镜组沿着光轴向上都距离移动0.333mm时，保持物面和像面位置不动，光学系统的投影倍率减少400ppm。

在本发明的实施例中，还提供了一种投影光刻系统，包括上述的倍率可调的物镜光学系统，透镜易于加工，光学元件布置合理，结构紧凑，体积小，工程可实现性强，具有实际应用价值，且经济性相对较好，有利于大批量生产。

鉴于以上的优势，本发明的大视场、宽光谱、全球面的物镜，非常适合于光刻机研发、生产或科研单位使用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：包括沿着光轴设置的第一镜组、反射镜、第二镜组、第三镜组、第四镜组和反射曲面，由物面发射的光束依次经过所述第一镜组、反射镜、第二镜组、第三镜组后，经过反射曲面反射后，再依次经过所述第三镜组、第二镜组、反射镜、第四镜组后汇聚成像到像面，所述第一镜组和所述第四镜组能够沿着光轴方向移动调整光学系统的投影倍率，所述物镜光学系统满足关系式：

0.38<f1/L<1.5

0.26<-R/L<1.1

其中，f1为第一镜组的组合焦距，L为光学系统的物面至像面光学距离，R为反射曲面的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：所述反射镜包括第一反射面和第二反射面，所述第一反射面垂直于所述第二反射面设置，所述第一反射面位于所述第一镜组和所述第二镜组之间，从所述第一镜组射出的光束经所述第一反射面反射射入所述第二镜组，所述第二反射面位于所述第二镜组和所述第四镜组之间，从所述第二镜组射出的光束经所述第二反射面反射射入所述第四镜组，所述物面、第一镜组、第四镜组、像面相互平行设置。

3.根据权利要求1所述的一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：所述第一镜组和所述第四镜组分别至少包含1个正透镜，所述第一镜组的1个正透镜和所述第四镜组1个正透镜具有相同的光学特性，且满足关系式：

0.8<f1/f2<3.4

0.8<f4/f2<3.4

Vd>62

其中，Vd为第一镜组、第四镜组中正透镜的色散系数，f2为第二镜组的组合焦距，f4为第四镜组的组合焦距。

4.根据权利要求1所述的一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：所述第二镜组还满足关系式：

0.23<f2/L<0.9

其中，f2为第二镜组的组合焦距。

5.根据权利要求1所述的一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：所述第三镜组至少包含1个正透镜和1个负透镜，且满足关系式：

Vdp-Vdm>10

∣f3∣/L>0.6

其中，Vdp为所述第三镜的一个正透镜的色散系数，Vdm为所述第三镜的一个负透镜的色散系数，f3为第三镜组的组合焦距。

6.根据权利要求1所述的一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统，其特征在于：第一镜组包含一个正透镜、第二镜组包含至少一个正透镜，且满足关系式：

0.14<d0/d1<0.58

0.1<(d0+d1)/L<0.45

其中，d0为物面到第一镜组之间的光学距离，d1为第一镜组到第二镜组之间的光学距离。

7.根据权利要求1所述的一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：所述第三镜组距离物面最远的透镜曲面与所述反射曲面为同一曲面，所述反射曲面通过在所述第三镜组距离物面最远的透镜曲面上镀反射膜形成。

8.根据权利要求1所述的一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：所述第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组的透镜分别为球面镜片，所述第一镜组包括第一透镜，所述第一透镜为正透镜，所述第一透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面，所述第一透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面；

所述第二镜组包括第二透镜，所述第二透镜为正透镜，所述第二透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面，所述第二透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面；

所述第三镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为正透镜，所述第三透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面；所述第四透镜为负透镜，所述第四透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凹面，所述第四透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面；

所述第四镜组包括第五透镜，所述第五透镜为正透镜，所述第五透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面，所述第五透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面；

所述物镜光学系统的适用光谱范围为360nm-441nm，所述光学系统能够对光谱中i线、h线、g线三种谱线校正像差；

所述反射曲面位置处设置有冷却装置，所述冷却装置用于对所述反射曲面进行控温，所述冷却装置为热传导冷却式装置或对流冷却式装置或电制冷式装置中的任意一种或者多种的组合。

9.根据权利要求1所述的一种倍率可调的物镜光学系统，其特征在于：所述第一镜组和所述第四镜组沿着光轴向相同方向移动相同距离，且保持物面和像面的位置不变，用于进行倍率调整。

10.一种投影光刻系统，其特征在于，包括权利要求1至9任意项所述的倍率可调的物镜光学系统。

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