一種大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，該投影光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑大，達(dá)到0.93，投影光學(xué)系統(tǒng)在靠近物方和靠近像方各有一個(gè)凸起部分，而在它們之間有一個(gè)凹陷的腰身。從物面到像面具體可依次劃分為五個(gè)鏡組，其中，系統(tǒng)的腰身位于第三個(gè)鏡組，它是一個(gè)具有負(fù)光焦度的鏡組，有利于幫助系統(tǒng)矯正場曲。本發(fā)明中的投影光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑高、像差小且結(jié)構(gòu)緊湊，可有效地降低制造成本，降低鏡片的加工、檢測和裝調(diào)難度。
【專利說明】一種大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工作于預(yù)定波長紫外光的投影光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光刻是半導(dǎo)體制造工藝中非常重要的一道工序，幾十年來，投影光學(xué)系統(tǒng)都用于制造半導(dǎo)體元件和其它精密部件。投影光學(xué)系統(tǒng)是光刻工序中用作對(duì)硅片進(jìn)行掃描曝光的裝置，掩膜或刻線板上的圖案經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)，以高分辨率縮小投影到涂覆有光敏層的硅片表面上，投影光學(xué)系統(tǒng)的曝光質(zhì)量好壞對(duì)整個(gè)刻蝕工序有很大的影響。
[0003]為了曝光出越來越細(xì)的IOOnm數(shù)量級(jí)以下的結(jié)構(gòu)，一方面使用波長低于260nm的紫外光作為曝光系統(tǒng)的光源，例如248nm、193nm、157nm或更短波長的光源；另一方面盡可能增大光學(xué)系統(tǒng)的像方數(shù)值孔徑，嘗試將投影光學(xué)系統(tǒng)的像方數(shù)值孔徑增大到0.8或0.8以上。在波長越短的情況下，光學(xué)系統(tǒng)所能使用的材料也越少，對(duì)在低于260nm紫外光使用的投影光學(xué)系統(tǒng)而言，目前所能使用的折射材料一般只有人造石英和氟化晶體等材料，這些材料的折射率都比較低，因此，對(duì)于大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，將會(huì)存在很大的匹茲瓦場曲，這將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的像面嚴(yán)重彎曲，而對(duì)于曝光半導(dǎo)體硅片而言，獲得平場像是很重要的。另外，隨著數(shù)值孔徑的增大，投影光學(xué)系統(tǒng)在三個(gè)方向上的尺寸也急劇增大，這給材料的生產(chǎn)、加工等方面帶來困難。
[0004]本發(fā)明中的投影光學(xué)系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的大數(shù)值孔徑，且很好地解決了由系統(tǒng)的大數(shù)值孔徑帶來的像面彎曲和系統(tǒng)尺寸過大的問題。本發(fā)明的特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)大數(shù)值孔徑、且保證了系統(tǒng)極高的成像質(zhì)量和緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可有效地降低制造成本，降低鏡片的加工、檢測和裝調(diào)難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，提高曝光分辨率。本發(fā)明提出了適用于深紫外光波長照明且數(shù)值孔徑達(dá)到0.93的干式投影光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、大視場、成像質(zhì)量優(yōu)良，且具有適中的尺寸和材料消耗。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，所述大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)沿其光軸方向包括第一透鏡組G1、第二透鏡組G2、第三透鏡組G3、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5，從光束入射方向的第一透鏡組Gl為沒有光焦度的平板玻璃，第二透鏡組G2、第三透鏡組G3、第四透鏡組G4都具有正光焦度，第五透鏡組G5也為沒有光焦度的平板玻璃。
[0007]其中第一透鏡組Gl為平行平板I。
[0008]所述大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)第二透鏡組G2包括第一雙凹負(fù)透鏡2、第一彎月負(fù)透鏡3、第一彎月正透鏡4、第二彎月正透鏡5、第一雙凸正透鏡6。其中第一彎月負(fù)透鏡3、第一彎月正透鏡4、第二彎月正透鏡5的彎月正對(duì)物方。[0009]其中第三透鏡組G3為類似雙高斯的結(jié)構(gòu)，第三透鏡組G3包括第三彎月正透鏡7、第四彎月正透鏡8、第五彎月正透鏡9、第二彎月負(fù)透鏡10、第二雙凹負(fù)透鏡11、第二雙凸正透鏡12、第三雙凹負(fù)透鏡13、第三彎月負(fù)透鏡14、第四彎月負(fù)透鏡15、第六彎月正透鏡16、第七彎月正透鏡17、第三雙凸正透鏡18。其中，大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的腰部位于第三透鏡組G3，腰部結(jié)構(gòu)至少包含了一個(gè)雙凹透鏡和兩個(gè)彎月負(fù)透鏡，并且雙凹透鏡位于兩個(gè)彎月負(fù)透鏡中間，而兩個(gè)彎月負(fù)透鏡的彎月正對(duì)雙凹負(fù)透鏡。第三透鏡組G3的其它透鏡近似以腰部為中心呈對(duì)稱分布，第三彎月正透鏡7、第四彎月正透鏡8、第五彎月正透鏡9、第六彎月正透鏡16、第七彎月正透鏡17的彎月正對(duì)腰部。
[0010]其中第四透鏡組G4包括第五彎月負(fù)透鏡19、第四雙凸正透鏡20、第五雙凸正透鏡21、第八彎月正透鏡22、第九彎月正透鏡23、第十彎月正透鏡24、第十一彎月正透鏡25。
[0011]其中第五透鏡組G5為平板玻璃26。
[0012]其中第三透鏡組G3和第四透鏡組G4之間有一孔徑光闌。
[0013]其中第一透鏡組Gl、第二透鏡組G2、第三透鏡組G3、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5中所有的元件均采用SIO2玻璃。
[0014]其中所述大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)為雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)。
[0015]其中所述的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)適用于深紫外照明光源，例如波長為157nm、193.3nm 或 248nm 的光源。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)勢:
[0017]1、本發(fā)明所涉及到的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)中的第三透鏡組G3為類似雙高斯的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中包含了至少一個(gè)雙凹透鏡和兩個(gè)彎月負(fù)透鏡，這種結(jié)構(gòu)能很好的校正系統(tǒng)像差，特別是場曲，有利于提高成像質(zhì)量。
[0018]2、本發(fā)明所涉及到的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的所有透鏡均使用同一種材料，這一方面對(duì)控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)等成本有利，另一方面對(duì)提高系統(tǒng)熱力學(xué)等性能有利。
[0019]3、本發(fā)明所涉及到的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)為雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)，物方遠(yuǎn)心度和像方遠(yuǎn)心度都較高，因此，即使位于物面的掩模圖案和位于像面的硅片存在一定安裝誤差，也不會(huì)造成大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的倍率等光學(xué)性能的顯著降低。
[0020]4、本發(fā)明所述大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)具有有物方保護(hù)玻璃和像方平板玻璃，這對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的工程應(yīng)用有利。
[0021]5、本發(fā)明所述大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)中非球面的非球面度都小于1mm，這便于對(duì)系統(tǒng)兀件的聞精度加工和檢測，有利于提聞成像質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的布局示意圖；
[0023]圖2為大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)在全場范圍內(nèi)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)示意圖；
[0024]圖3為大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)場曲與畸變示意圖。
[0025]標(biāo)號(hào)說明:1 一第一平行平板、2—第一雙凹負(fù)透鏡、3—第一彎月負(fù)透鏡、4 一第一彎月正透鏡、5 —第二彎月正透鏡、6 —第一雙凸正透鏡、7 —第三彎月正透鏡、8 —第四彎月正透鏡、9 一第五彎月正透鏡、10 —第二彎月負(fù)透鏡、11 一第二雙凹負(fù)透鏡、12 —第二雙凸正透鏡、13—第三雙凹負(fù)透鏡、14 一第三彎月負(fù)透鏡、15—第四彎月負(fù)透鏡、16—第六彎月正透鏡、17 —第七彎月正透鏡、18 —第三雙凸正透鏡、19 一第五彎月負(fù)透鏡、20 —第四雙凸正透鏡、21 —第五雙凸正透鏡、22 —第八彎月正透鏡、23 —第九彎月正透鏡、24 —第十彎月正透鏡、25 —第十一彎月正透鏡、26 —第二平行平板、27 —像面。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0027]圖1為本發(fā)明大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)布局示意圖，共使用了 26片透鏡，從光束入射方向依次包括第一透鏡組G1、第二透鏡組G2、第三透鏡組G3、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5。其中，第一透鏡組Gl為沒有光焦度的平板玻璃，第二透鏡組G2、第三透鏡組G3、第四透鏡組G4都具有正光焦度，第五透鏡組G5也為沒有光焦度的平板玻璃。像面27為硅片表面。
[0028]本發(fā)明所包含的第一透鏡組G1、第二透鏡組G2、第三透鏡組G3、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5中26個(gè)折射元件共用一個(gè)對(duì)稱軸一系統(tǒng)的光軸。
[0029]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的掩膜面正好為投影光學(xué)系統(tǒng)的物面，而硅片面正好位于投影光學(xué)系統(tǒng)的像面處，掩膜面和硅片面的大小之比為4:1。
[0030]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)為雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)。所謂雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)就是物面上每個(gè)視場點(diǎn)發(fā)出的主光線與光軸平行，且該光線也以平行于光軸的方向入射到像面上。所謂主光線是指每個(gè)視場發(fā)出的經(jīng)過光闌中心的光線。物面上每個(gè)視場點(diǎn)發(fā)出的主光線與光軸平行，且該光線也以平行于光軸的方向入射到像面上，這保證了即使位于物面的掩模圖案和位于像面的硅片存在一定安裝誤差，也不會(huì)造成大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的倍率等光學(xué)性能的顯著降低。
[0031]本發(fā)明所包含的第一透鏡組Gl為一塊平行平板，該平行平板可充當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的物方保護(hù)玻璃。
[0032]本發(fā)明所包含的第二透鏡組G2由5塊透鏡組成，它們分別是:第一雙凹負(fù)透鏡2、第一彎月負(fù)透鏡3、第一彎月正透鏡4、第二彎月正透鏡5、第一雙凸正透鏡6。第二透鏡組G2具有正光焦度，它的主要作用是保證系統(tǒng)物方遠(yuǎn)心的同時(shí)，通過正光焦度產(chǎn)生的正畸變來平衡第二透鏡組G2和像面之間的多個(gè)透鏡產(chǎn)生的負(fù)畸變。
[0033]本發(fā)明所包含的第三透鏡組G3從物側(cè)到像側(cè)依次包括了第三彎月正透鏡7、第四彎月正透鏡8、第五彎月正透鏡9、第二彎月負(fù)透鏡10、第二雙凹負(fù)透鏡11、第二雙凸正透鏡12、第三雙凹負(fù)透鏡13、第三彎月負(fù)透鏡14、第四彎月負(fù)透鏡15、第六彎月正透鏡16、第七彎月正透鏡17、第三雙凸正透鏡18。第三透鏡組G3為類似雙高斯的結(jié)構(gòu)嗎，具有正光焦度，該結(jié)構(gòu)中包含了至少一個(gè)雙凹透鏡和兩個(gè)彎月負(fù)透鏡，這種結(jié)構(gòu)能很好的校正系統(tǒng)像差，特別是，它為負(fù)光焦度，對(duì)矯正匹茲瓦場曲非常有效，幫助系統(tǒng)得到平場像面。
[0034]本發(fā)明所包含的第四透鏡組G4由7塊透鏡組成，它們分別是:第五彎月負(fù)透鏡19、第四雙凸正透鏡20、第五雙凸正透鏡21、第八彎月正透鏡22、第九彎月正透鏡23、第十彎月正透鏡24、第十一彎月正透鏡25。第四透鏡組G4具有正光焦度，它的主要作用是將經(jīng)過第三透鏡組G3整形的中間像最終成像到像面上，它在保證像方大數(shù)值孔徑的同時(shí)避免產(chǎn)生高階球差和負(fù)畸變。
[0035]本發(fā)明所包含的第五透鏡組G5為平板玻璃，平板玻璃的設(shè)計(jì)有利于測量晶片和物鏡之間的距離、有利于測量待曝光晶片和物鏡最后一個(gè)表面之間浸沒介質(zhì)的流體動(dòng)力學(xué)性能，以及對(duì)晶片和物鏡的清潔。
[0036]本發(fā)明所包含的第三透鏡組G3和第四透鏡組G4之間有一孔徑光闌。該孔徑光闌可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)值孔徑的大小。
[0037]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)適用于深紫外照明光源，例如波長為193.3nm的光源，當(dāng)然也可以采用波長為248nm和157nm的光源。系統(tǒng)中的光學(xué)元件對(duì)于相應(yīng)的深紫外照明光是透明的。
[0038]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)所使用的折射材料具有低膨脹系數(shù)和其它良好的光學(xué)特性，例如S102。本發(fā)明為了制作方便，所有透射材料都采用了 S102，當(dāng)然其它玻璃材料如CAF2等同樣可以使用。
[0039]為了提高分辨率，本發(fā)明除了選用較短波長的光源外，還將系統(tǒng)的像方數(shù)值孔徑設(shè)置為0.93。光學(xué)系統(tǒng)的物方工作距大于30mm，像方工作距大于3mm，其它的參數(shù)請(qǐng)參閱表
1
[0040]表2給出了本實(shí)施例的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)的每一片鏡片的具體參數(shù)，其中，表2中的“表面序號(hào)”是從光線入射端開始對(duì)表面的計(jì)數(shù)，如第一透鏡組Gl中僅有的平行平板透鏡的光束入射面為序號(hào)SI，光束出射面為序號(hào)S2，其它鏡面序號(hào)以此類推；表2中的“半徑”分別給出了每個(gè)表面頂點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的曲率半徑，如果頂點(diǎn)的曲率中心位于頂點(diǎn)左邊，則曲率半徑為負(fù)，反之為正，如果某個(gè)表面頂點(diǎn)區(qū)域?yàn)槠矫?，則將之曲率半徑記為“⑴”；表2中的“厚度/間隔”給出了相鄰兩表面之間沿光軸的間隔距離，如果兩個(gè)表面屬于同一片透鏡，則為該透鏡的厚度，“厚度 /間隔”的正負(fù)由光線的走向決定，如果光線由左向右，則“厚度/間隔”為正，反之為負(fù)。表2中的“半口徑”給出了各個(gè)透鏡半口徑大小，如果調(diào)整數(shù)值孔徑，則半口徑也會(huì)改變，本發(fā)明給出的半口徑是在像方數(shù)值孔徑為0.93情況下給出的。表2中的“材料”給出了各個(gè)透鏡材料，缺省處為空氣。
[0041]表2中的所有長度單位為毫米。
[0042]表2A為表2的補(bǔ)充，它給出了各個(gè)非球面的非球面系數(shù)。
[0043]表1
[0044]

工作波長 1193.368nm~

像方數(shù)值孔徑 0.93

放大倍率 -0.25

像方視場26mm X 9mm

物像距離1232mm

物方工作距 35mm
像方工作距 3.09m m
S102 折射率 1.560219
【權(quán)利要求】
1.一種大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，用于將位于物平面的圖案投影到像平面上，所述大數(shù)值孔徑的投影光學(xué)系統(tǒng)包括第一透鏡組(G1)、第二透鏡組(G2)、第三透鏡組(G3)、第四透鏡組(G4)和第五透鏡組(G5)，其特征在于:從光束入射方向的第一透鏡組(Gl)沒有光焦度，第二透鏡組(G2)、第三透鏡組(G3)、第四透鏡組(G4)都具有正光焦度，第五透鏡組(G5)也為沒有光焦度的平板玻璃，所述大數(shù)值孔徑的投影光學(xué)系統(tǒng)包含了 26片透鏡，其中包含有17個(gè)非球面透鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一透鏡組(Gl)為平行平板(I)。
3.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第二透鏡組(G2)包括第一雙凹負(fù)透鏡(2)、第一彎月負(fù)透鏡(3)、第一彎月正透鏡(4)、第二彎月正透鏡(5)、第一雙凸正透鏡(6)。
4.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第三透鏡組(G3)包括第三彎月正透鏡(7)、第四彎月正透鏡(8)、第五彎月正透鏡(9)、第二彎月負(fù)透鏡(10)、第二雙凹負(fù)透鏡(11)、第二雙凸正透鏡(12)、第三雙凹負(fù)透鏡(13)、第三彎月負(fù)透鏡(14)、第四彎月負(fù)透鏡(15)、第六彎月正透鏡(16)、第七彎月正透鏡(17)、第三雙凸正透鏡(18)。
5.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第四透鏡組(G4)包括第五彎月負(fù)透鏡(19)、第四雙凸正透鏡(20)、第五雙凸正透鏡(21)、第八彎月正透鏡(22)、第九彎月正透鏡(23)、第十彎月正透鏡(24)、第十一彎月正透鏡(25)。
6.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第五透鏡組(G5)為平板玻璃(26)。
7.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第三透鏡組(G3)和第四透鏡組(G4)之間設(shè)置有一孔徑光闌。
8.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:第一透鏡組(G1)、第二透鏡組(G2)、第三透鏡組(G3)、第四透鏡組(G4)和第五透鏡組(G5)中所有的元件均采用SIO2玻璃。
9.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)為雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)。
10.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的純折射式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)適用于深紫外照明光源，為波長為157nm、193.3nm或248nm的光源。
【文檔編號(hào)】G02B27/18GK103499876SQ201310470094
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】鄧超, 邢廷文, 廖志遠(yuǎn), 朱紅偉, 楊雄, 白瑜 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所