CN1877454A - 一种投影光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种投影光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：一个光轴；一个凹面球面反射镜；一对棱镜，每一个棱镜都具有相应的第一和第二平面，第二平面与第一平正透镜的平面按照与光轴相反的方向紧密接触，而第一平面则分别朝向物方平面和像方平面；一个正透镜组，由一个平凸透镜和一个弯月透镜组成，凸面朝向反射镜；一个望远透镜组，由一个凹凸透镜，一个双凸透镜和一个双凹透镜组成；一个凹面反射镜，凹面朝向物方；本发明可以增加光刻机投影光学系统的工作距离，为工件台和掩模台提供较大的设计空间，另外可以进一步减小设备的体积。
Description
所属技术领域
本发明属于集成电路制造工艺中的光刻技术，特别是关于一种投影光学系统。
背景技术
随着集成电路的不断发展，晶体管的最小线宽不断缩小。先进CMOS工艺中晶体管栅极的长度已小于0.1微米。特征线宽的不断缩小导致了芯片集成度的大幅度提高，但也给光学光刻工艺带来了巨大的挑战。
为了得到更小的线宽，人们也在尝试采用电子束光刻、X光光刻和离子束光刻等其他光学光刻的替代方法，但因成本、速度以及掩模版制造上的困难，目前还都难以和光学光刻方法相抗衡，在所有的实际大生产中都仍然采用光学光刻的方法。
在光学光刻领域，半导体前道工艺由于投影光刻技术的不断进步而按照ITRS(International Technology Roadmap For Semiconductors，国际半导体技术发展路线图)的指引不断向更精细线条推进，目前芯片关键尺寸已能达到90nm～65nm的光刻分辨能力。在半导体后道工艺领域，比如硅片级芯片尺度封装、凸块封装工艺，投影光刻技术已经成为产品的主流技术，而且未来更大尺寸硅片的引入将更能体现投影光刻技术的优势。用于封装工艺的投影光刻技术，其光学系统需要有微米级的光刻分辨能力、适合厚胶工艺的大焦深，而且其高产率、低成本也是重要的竞争力。
目前比较经典的投影光学系统设计可以参照美国专利第20040125352号(以下简称352专利)，该专利的光学结构示意图可参照图1，图1所示的系统包括凹球面反射镜，系统的孔径光阑位于该反射镜上，它和前面三块密接透镜组成共轴球面系统。把孔径光阑设置于球面反射镜的主要好处在于，入射到球面反射镜的光路和反射的光路完全对称，这样垂轴像差，如彗差、畸变和倍率色差为零，另外采用反射镜还节省一半的透镜，可以折叠光路，有利于降低投影系统的成本。
在352专利中，利用反射棱镜A和B将物面和像面分置于投影物镜光轴的两侧，可以为掩模(Reticle)和硅片(wafer)留出安装空间，但是这样把物面和像面分开将导致光学系统中心有30％左右的区域不可用，相当于物方视场中心与像方视场中心到投影物镜光轴有相当大的偏离，这样对于像差校正十分不利。
一般光学系统希望有较大的工作距离，由于掩模台和工件台需要进行步进运动、扫描运动，而采用大工作距投影光学系统将为掩模和硅片的运动定位、传输结构设计等带来很大的便利。
另外352专利中的光学总长超过1100mm，这会给整个投影物镜系统的环境控制(减振设计和温度控制等)造成较大的困难。
发明内容
本发明提供一种光学投影系统克服了现有技术的不足，提高了光刻机投影光学系统的工作距离，为工件台和掩模台提供较大的设计空间。
为实现该发明目的，本发明提供了一种1、一种投影光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：一个光轴；一个凹面球面反射镜；包括：一个正透镜组，由一个平凸透镜和一个弯月透镜组成，凸面朝向反射镜；包括：一个望远透镜组，由一个凹凸透镜，一个双凸透镜组成的正透镜和一个双凹负透镜组成。
其中，所述两个反射棱镜产生的像散、畸变、倍率色差用来与后面组元的像差进行匹配设计。所述第二正透镜采用高折射率和高色散的玻璃。所述光学系统的所有的光学透镜的表面均为球面。所述光学系统的物方与像方均为远心光路。
本发明的有益效果是：本发明的投影光学系统其光学总长限制在比较小的数值，本发明的投影光学系统的光学长度由现有的1130mm减小到780mm，另外工作距离由现有技术的7.5mm增加到23mm。
本发明的这两点优势为凸块(Bumping)光刻机的工件台和掩模台的结构设计提供了足够的运动预留空间，并且缩小了整个投影光学系统的体积。由于本发明的光学总长比较小的特点为投影光学系统的环境控制设计提供了便利，并可以降低成本。
附图说明
图1是现有的光学系统结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的光学系统结构图；
图3是本发明的另一个实施例的光学系统结构图；
图4是本发明的光刻系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作更为详细的解释：
本发明涉及一种基于Wynne-Dyson结构的光学系统，其特征在于在传统Wynne-Dyson光学系统的基础上，插入另外一个正负焦距的望远透镜组，用来减小整个光学系统的长度和增加光学系统的工作距离。
本发明采用放大倍率为-1的完全对称的光学设计，轴向像差可以完全抵消，主要采用凹面反射镜和一个正光焦度的镜组组成，凹面镜产生的正场曲可以抵消前面正透镜组产生的负场曲；反射镜使成像光路两次经过正透镜组光学元件，这样光学元件就会两次参与成像，相当于光学元件的数量减少了一倍，可以减小系统总的光学元件数和系统总的光学长度。
首先请参阅图2，图2是本发明的一个实施例的光学系统结构图。图2的实施例是一个物像面合一的光学系统，即其物面和像面重合在同一平面上，图2中的第一透镜组元L1设计为一个平板，在该平板后具有两个正透镜组元，即正透镜组元L2和弯月透镜组元L3，构成第一部分。第二部分望远透镜组由沿光路顺次由两块正透镜组元，正透镜组元L4和正透镜组元L5，以及一块负透镜组元L6构成。第三部分是一块凹面反射镜L7。
为了能用于投影光刻机，需要将物面和像面分开一定的距离，以便为掩模和硅片的定位、测量、传输等操作预留足够的空间。为了解决这个问题，本发明给出了一个如图3所示的实施例，在该实施例中将本投影光学系统的第一个透镜组元L1分成两个直角反射棱镜，即反射棱镜L11和反射棱镜L12，这样就可以将物面和像面完全分开而置于投影物镜光轴的两侧，两个反射棱镜产生的像散、畸变、倍率色差用来与后面组元的像差进行匹配设计。正透镜组元L2和反射棱镜相邻面设计成平面，这样做是为了方便与两块反射棱镜L11、L12的光学装校。
传统的Wynne-Dyson结构光学系统的工作距离比较短，一般在10mm之内，而且第一部分的正透镜组元L2、L3和凹面反射镜L7之间的距离比较大(如352专利中，该距离在850mm以上)，造成光学系统体积比较大。因此，本发明针对这两点不足之处，对Wynne-Dyson结构进行修改设计，使之成为可以用于封装(Bumping)投影光刻机的投影光学系统。改进方案是：在第一部分和凹面反射镜L7之间增加第二部分透镜组元，对整个光学系统进行优化设计。即本发明的投影光学系统由三部分组成，第一部分由正透镜组元L2、弯月透镜组元L3、两个反射棱镜L11、L12组成，第二部分由正透镜组元L4、正透镜组元L5、负透镜组元L6组成，凹面反射镜L7是第三部分。
第一部分有正的光焦度，分别采用不同牌号的光学材料，弯月透镜组元L3采用高折射率和高色散的玻璃，其作用是一方面用来校正系统的色差，另一方面用来校正系统的像面弯曲。正透镜组元L2和弯月透镜组元L3中间保留小的轴向间距是为了减小系统的高级球差，整个第一部分的透镜组元可以实现色差、球差、像散、场曲的校正。
第二部分主要由正透镜组合和负透镜组元L6组成，它构成一个望远透镜的光学结构，这类光学结构的主要特点是有效的减小光学系统的总长，压缩光学元件的通光口径，由此可以实现较长的后工作距离。
第二部分的负透镜组元L6的作用，一方面产生大量的正球差用于补偿前面正透镜组元的负球差和负像散，另一方面由于本发明的投影物镜系统采用宽带光源照明，如果所有的位置色差都由第一部分来补偿，那么必然增加透镜的厚度，所以本发明的方案是大量的色差由第二部分的负透镜组元L6做补偿设计。
第二部分的正透镜组合分解成两片正透镜组成，使得一个大光焦度的正透镜变成由两个较小光焦度的正透镜组成，这样做主要是为了增大透镜折射面的半径，以便减少高级像差的贡献。由于第二组透镜的引入，使得光线入射高度降低，从而减小后面凹面反射镜的口径，为降低成本、加工、装校等带来便利。
下表一为本发明的投影光学系统的典型设计数据
| 数值孔径 | 像方视场 | 工作波长 |
| 0.18 | 70mm | 365nm、405nm、436nm |
| 编号 | 表面类型 | 表面半径(mm) | 厚度(mm) | 光学材料 | 备注 |
| 0 | 物面像面 | 23 | 工作距离 | ||
| 1 | 平面 | 78 | BK7HT | 两个反射棱镜组成 | |
| 2 | 平面 | 0 | |||
| 3 | 平面 | 29.629 | FSL5Y | L2 | |
| 4 | 球面 | -199.735 | 1.077 | ||
| 5 | 球面 | -190.417 | 98.682 | F2HT | L3 |
| 6 | 球面 | -298.606 | 146.576 | ||
| 7 | 球面 | -718.481 | 47.543 | FSL5Y | L4 |
| 8 | 球面 | -336.726 | 3.006 | ||
| 9 | 球面 | 3941.892 | 29.872 | FSL5Y | L5 |
| 10 | 球面 | -703.041 | 86.777 |
| 11 | 球面 | -469.601 | 44.290 | BK7HT | L6 |
| 12 | 平面 | 214.278 | |||
| 13 | 球面 | -790.223 | 凹面反射镜 |
本发明的投影物镜系统所有光学元件的表面为球面或平面，没有非球面，这主要是考虑加工与成本等方面的问题。
请参阅图4，图4是本发明的光刻系统的整体结构示意图。结合图2和图4可以发现本发明中物像的位置关系，以及本发明的作用机理。图4中的光刻系统包括照明系统1产生光线，光线投射到放置在掩模台3上的掩模2上，将掩模2上的图形通过本发明的投影光学系统4投射到放置在工作台6上的硅片5上，从而完成了一个曝光投影过程。
本发明的投影物镜系统的数值孔径最大达到0.18，像方视场最大达到70mm，系统的最高光学分辨率能达到0.5μm(对于1∶1周期性物体的半周期长度)。
本发明的投影物镜系统的最大视场为70mm，由于物面、像面是通过反射棱镜分开的，导致光轴附近15mm左右的视场不可用，但是物方和像方的视场范围足以满足凸块光刻机用于44mm×44mm尺寸芯片封装的技术要求。
以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的方法作本技术领域内熟知的步骤的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
Claims (9)
1、一种投影光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：
一个光轴；
一个凹面球面反射镜；
一组具有正光焦度的透镜组，与球面反射镜间隔一定的距离；按照离反射镜从远到近的距离排列，其特征在于该透镜组包括：
一对棱镜，每一个棱镜都具有相应的第一和第二平面，第二平面与第一平正透镜的平面按照与光轴相反的方向紧密接触，而第一平面则分别朝向物方平面和像方平面；
一个正透镜组，由一个平凸透镜和一个弯月透镜组成，凸面朝向反射镜；
一个望远透镜组，由一个凹凸透镜，一个双凸透镜组成的正透镜和一个双凹负透镜组成。
2、根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：系统物方光路和像方光路是通过同样的透镜组成像。
3、根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：系统的物方和像方平面通过两个反射棱镜分开。
4、根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述第二片正透镜采用高折射率和高色散的玻璃。
5、根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述光学系统的的所有光学透镜的表面均为球面。
6、根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述光学系统采用望远透镜组缩小系统的总长。
7，根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述光学系统的物方和像方均为远心光路。
8，根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述光学系统的畸变可以消除。
9，根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述光学系统的工作距离大于20mm。
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