一種大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明中的投影光學(xué)系統(tǒng)由一系列透鏡和兩個反射鏡組成。從物面到像面依次有五個鏡組，其中，兩個反射鏡一起組成第三個鏡組，它是一個具有負(fù)光焦度的鏡組，有利于幫助系統(tǒng)矯正場曲、減小系統(tǒng)的口徑以及減少系統(tǒng)的非球面?zhèn)€數(shù)。本發(fā)明中的投影光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑大、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)值孔徑的折反射的干式投影光學(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(數(shù)值孔徑達(dá)到0.93)的折反射的干式投影光學(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，投影光學(xué)系統(tǒng)是光刻工序中用作對硅片進(jìn)行掃描曝光的裝置，通過投影光學(xué)系統(tǒng)將掩膜上的圖案縮小后投射到如干膠片等的感光基板上進(jìn)行曝光，曝光質(zhì)量的好壞對整個刻蝕工序有很大的影響。為了提高投影光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，一方面使用波長低于260nm的紫外光作為曝光系統(tǒng)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。
[0003]隨著像方數(shù)值孔徑的增大，光學(xué)系統(tǒng)的口徑也急劇增大，這給材料的生產(chǎn)、加工等方面帶來嚴(yán)重的困難。對于大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)而言，由于存在很大的匹茲瓦場曲，這將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的像面彎曲嚴(yán)重，而對于曝光半導(dǎo)體硅片而言，獲得平場像是很重要的。為了獲得平場像，其中一個解決的方法就是將投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計為折反射式投影光學(xué)系統(tǒng)，這個折反射投影光學(xué)系統(tǒng)里包含折射元件和反射元件，由于凹面反射鏡具有類似于正透鏡光焦度但卻有負(fù)透鏡場曲，利于矯正場曲且不引入色差，因此，折反射投影光學(xué)系統(tǒng)的反射元件中至少有一個凹面反射鏡。為了能很好地校正色差和減小系統(tǒng)的重量，折反射投影光學(xué)系統(tǒng)一般至少包含兩個凹面反射鏡。
[0004]本發(fā)明中的投影光學(xué)系統(tǒng)很好地實現(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問題。另外，與純折射系統(tǒng)相比，本發(fā)明中的系統(tǒng)更好地解決了由大數(shù)值孔徑帶來的元件尺寸過大的問題，當(dāng)像方數(shù)值孔徑取預(yù)定的0.93時，系統(tǒng)中所有的元件口徑都控制在了 280mm以內(nèi)。本發(fā)明的特點在于實現(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，降低元件的加工、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)值孔徑的折反射的干式投影光學(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，且具有較小的尺寸和較少的材料消耗。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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、第三反射鏡組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G1沒有光焦度，第二透鏡組G2具有正光焦度，第三反射鏡組G3具有負(fù)光焦度，第四透鏡組G4具有正光焦度，第五透鏡組G5具有正光焦度。所述大數(shù)值孔徑的投影光學(xué)系統(tǒng)包含了二十三片透鏡和兩片反射鏡，且包含有非球面表面。[0007]所述大數(shù)值孔徑投影光學(xué)系統(tǒng)第一透鏡組G1為一塊平行平板。
[0008]其中第二透鏡組G2包括第一彎月正透鏡2、第二彎月正透鏡3、第一雙凸正透鏡4、第三彎月正透鏡5、第一平凸正透鏡6、第四彎月正透鏡7、第一彎月負(fù)透鏡8、第五彎月正透鏡9和第二雙凸正透鏡10。第二透鏡組G2包括九塊透鏡，是類雙高斯物鏡結(jié)構(gòu)形式。
[0009]其中第三反射鏡組G3包括第一反射鏡11、第二反射鏡12。第一反射鏡11和第二反射鏡12分別只使用了兩個凹非球面反射鏡的離軸部分，這兩個凹非球面反射鏡的圓對稱軸為系統(tǒng)的光軸。第三反射鏡組G3具有負(fù)光焦度。
[0010]其中第四透鏡組G4包括第三雙凸正透鏡13、第二彎月負(fù)透鏡14、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、第四雙凸正透鏡18、第五雙凸正透鏡19和第五彎月負(fù)透鏡20。第四透鏡組G4包括八塊透鏡，具有正光焦度。
[0011]其中第五透鏡組G5包括第六雙凸正透鏡21、第七雙凸正透鏡22、第七彎月正透鏡23、第八彎月正透鏡24和第九彎月正透鏡25。第五透鏡組G5包括五塊透鏡，具有正光焦度。第五透鏡組G5最后一塊透鏡是平凸透鏡，最后一面為平面。
[0012]其中第四透鏡組G4和第五透鏡組G5之間有一孔徑光闌。
[0013]其中第一透鏡組G1、第二透鏡組G2、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5均采用S102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)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)中的第二透鏡組G2、第三反射鏡組G3、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5的光焦度分別為正、負(fù)、正和正，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)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)的所有透鏡均使用同一種材料，這一方面對控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)等成本有利，另一方面對提高系統(tǒng)熱力學(xué)等性能有利。
[0019]3、本發(fā)明所涉及到的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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，這對光學(xué)系統(tǒng)工程應(yīng)用有利。
[0021]5、本發(fā)明所述大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)中非球面的非球面度都小于1_，這便于對系統(tǒng)元件的高精度加工和檢測，有利于提高成像質(zhì)量。
[0022]6、本發(fā)明同時包含了非球面和反射鏡，這有利于減小系統(tǒng)口徑和減少系統(tǒng)元件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)的布局示意圖；
[0024]圖2為大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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；
[0025]圖3為大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)細(xì)光束場曲與畸變示意圖。
[0026]標(biāo)號說明:1 一第一平行平板、2 —第一彎月正透鏡、3 —第二彎月正透鏡，4 —第一雙凸正透鏡、5 —第三彎月正透鏡、6 —第一平凸正透鏡、7 —第四彎月正透鏡、8 —第一彎月負(fù)透鏡、9 一第五彎月正透鏡、10 —第二雙凸正透鏡、11 一第一反射鏡、12 —第二反射鏡、13 —第三雙凸正透鏡、14 一第二彎月負(fù)透鏡，15 一第三彎月負(fù)透鏡、16 —第四彎月負(fù)透鏡、
17一第六彎月正透鏡、18 —第四雙凸正透鏡、19 一第五雙凸正透鏡、20 —第五彎月負(fù)透鏡、21 一第六雙凸正透鏡、22 —第七雙凸正透鏡、23 —第七彎月正透鏡、24 —第八彎月正透鏡、25 一第九彎月正透鏡、26 —像面。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0028]圖1為本發(fā)明大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)布局示意圖，共使用了二十三片透鏡和兩片反射鏡，從光束入射方向依次包括第一透鏡組G1、第二透鏡組G2、第三反射鏡組G3、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5。第一透鏡組G1為無光焦度的平行平板玻璃；第二透鏡組G2具有正光焦度；第三反射鏡組G3具有負(fù)光焦度；第四透鏡組G4具有正光焦度；第五透鏡組G5具有正光焦度。像面26為娃片表面。
[0029]本發(fā)明所包含的第一透鏡組G1、第二透鏡組G2、第四透鏡組G4和第五透鏡組G5中二十三個折射元件共用一個對稱軸——系統(tǒng)的光軸，第三反射鏡組G3包括的第一反射鏡11和第二反射鏡12分別只使用了兩個凹非球面反射鏡的離軸部分，這兩個凹非球面反射鏡的圓對稱軸也為系統(tǒng)的光軸。
[0030]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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。
[0031]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)為雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)。所謂雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)就是物面上每個視場點發(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視場發(fā)出的經(jīng)過光闌中心的光線。物面上每個視場點發(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。
[0032]本發(fā)明所包含的第一透鏡組G1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。
[0033]本發(fā)明所包含的第二透鏡組G2由九塊透鏡組成，它們分別是:第一彎月正透鏡2、第二彎月正透鏡3、第一雙凸正透鏡4、第三彎月正透鏡5、第一平凸正透鏡6、第四彎月正透鏡7、第一彎月負(fù)透鏡8、第五彎月正透鏡9和第二雙凸正透鏡10。第二透鏡組G2的主要作用是將位于物面的圖案成實像于第三反射鏡組G3之前，該實像為系統(tǒng)的第一中間像。第二透鏡組G2為類雙高斯結(jié)構(gòu)，它在保證系統(tǒng)遠(yuǎn)心的同時，通過提供正光焦度來平衡系統(tǒng)的畸變等像差。
[0034]本發(fā)明所包含的第三反射鏡組G3包括第一反射鏡11、第二反射鏡12。第一反射鏡11和第二反射鏡12分別只使用了兩個凹非球面反射鏡的離軸部分，這兩個凹非球面反射鏡的圓對稱軸為系統(tǒng)的光軸。第三反射鏡組G3具有負(fù)光焦度，它的主要作用是將第一中間像成像到第二中間像面處。它通過提供負(fù)光焦度來矯正匹茲瓦場曲，在減少系統(tǒng)元件數(shù)量和減小系統(tǒng)口徑情況下，使得系統(tǒng)得到平場像面。
[0035]本發(fā)明所包含的第四透鏡組G4由八塊透鏡組成，它們分別是:第三雙凸正透鏡13、第二彎月負(fù)透鏡14、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、第四雙凸正透鏡18、第五雙凸正透鏡19和第五彎月負(fù)透鏡20。第四透鏡組G4具有正光焦度，它對矯正系統(tǒng)的球差、畸變和匹茲瓦場曲很有效果。
[0036]本發(fā)明所包含的第五透鏡組G5由五塊透鏡組成，它們分別是:第六雙凸正透鏡21、第七雙凸正透鏡22、第七彎月正透鏡23、第八彎月正透鏡24和第九彎月正透鏡25。第五透鏡組G5具有正光焦度，它的主要作用是將經(jīng)過第四透鏡組G4整形的中間像最終成像到像面上，它在保證像方大數(shù)值孔徑的同時避免產(chǎn)生高階球差和負(fù)畸變，能有效平衡系統(tǒng)的像差。
[0037]本發(fā)明所包含的第五透鏡組G5最后一塊透鏡是平凸透鏡，最后一面為平面，平面的設(shè)計有利于測量晶片和物鏡之間的距離、且有利于對晶片和物鏡的清潔。
[0038]本發(fā)明所包含的第四透鏡組G4和第五透鏡組G5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。
[0039]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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)元件對于相應(yīng)的深紫外照明光是透明的。
[0040]本發(fā)明所包含的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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sio2。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。
[0041]為了提高分辨率，本發(fā)明除了選用較短波長的光源外，還盡可能增大系統(tǒng)的像方數(shù)值孔徑，保證其最大可達(dá)0.93。光學(xué)系統(tǒng)的物方工作距為40.55mm，像方工作距為3.1mm,其它的參數(shù)請參閱表1。
[0042]表2給出了本實施例的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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”是從光線入射端開始對表面的計數(shù)，如第一透鏡組G1中僅有的平行平板透鏡的光束入射面為序號S1，光束出射面為序號S2，其它鏡面序號以此類推；表2中的“半徑”分別給出了每個表面頂點處所對應(yīng)的曲率半徑，如果頂點的曲率中心位于頂點左邊，則曲率半徑為負(fù)，反之為正，如果某個表面頂點區(qū)域為平面，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”給出了各個透鏡半口徑大小，如果調(diào)整數(shù)值孔徑，則半口徑也會改變，本發(fā)明給出的半口徑是在數(shù)值孔徑為0.93情況下給出的。表2中的“材料”給出了各個透鏡材料，缺省處為空氣。
[0043]表2中的所有長度單位為mm。
[0044]表2A為表2的補充，它給出了各個非球面的非球面系數(shù)。
[0045]表1[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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)、第三反射鏡組(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(G1)沒有光焦度，第二透鏡組(G2)具有正光焦度，第三反射鏡組(G3)具有負(fù)光焦度，第四透鏡組(G4)具有正光焦度，第五透鏡組(G5)具有正光焦度，所述大數(shù)值孔徑的投影光學(xué)系統(tǒng)包含了 二十三片透鏡和兩片反射鏡，且包含有非球面表面。
2.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一透鏡組(G1)為一塊平行平板。
3.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第二透鏡組(G2)包括第一彎月正透鏡(2)、第二彎月正透鏡(3)、第一雙凸正透鏡(4)、第三彎月正透鏡(5)、第一平凸正透鏡(6)、第四彎月正透鏡(7)、第一彎月負(fù)透鏡(8)、第五彎月正透鏡(9)和第二雙凸正透鏡(10)。
4.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第三反射鏡組(G3)包括第一反射鏡(11)、第二反射鏡(12)兩個凹面反射鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第四透鏡組(G4)包括第三雙凸正透鏡(13)、第二彎月負(fù)透鏡(14)、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)、第四雙凸正透鏡(18)、第五雙凸正透鏡(19)和第五彎月負(fù)透鏡(20)。
6.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第五透鏡組(G5)包括第六雙凸正透鏡(21)、第七雙凸正透鏡(22)、第七彎月正透鏡(23)、第八彎月正透鏡(24)和第九彎月正透鏡(25)。
7.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第四透鏡組(G4)和第五透鏡組(G5)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)、第四透鏡組(G4)和第五透鏡組(G5)均采用S102玻璃。
9.如權(quán)利要求1所述的大數(shù)值孔徑的折反射的干式投影光學(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)值孔徑的折反射的干式投影光學(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，波長為157nm、193.3nm或248nm的光源。
【文檔編號】G02B17/08GK103713379SQ201410024170
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】鄧超, 邢廷文, 廖志遠(yuǎn), 朱紅偉, 楊雄 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所