专利名称：：一种全折射浸液式投影光学系统、装置及其应用的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种投影光学系统，特别涉及一种用于半导体领域的浸液式光刻装置的全折射投影光学系统、装置及其应用。
背景技术：
：光刻投影物镜用于制造半导体器件以及其它精密结构元件，已经有数十年的历史。它主要用于半导体前道光刻工艺，通过投影光学系统把掩模上的图案投影成像在涂有光敏物质的衬底上。随着半导体器件集成度的提高，对投影光学系统分辨率的要求不断提高。一般主要有三种途径提高投影光学系统分辨率，第一是提高投影光学系统的像方数值孔径(NA);第二是采用波长更短的紫外光源；最后还可以采用其它手段提高光刻分辨率，比如相移掩模(PSM)技术、光学临近效应校正(OPC)、光瞳滤波技术、部分相干照明和离轴照明等。可是，投影物镜数值孔径增大是相当困难的，这是因为随着数值孔径的增加，物镜最大直径急剧增加，将使投影物镜设计、加工十分复杂，费用十分昂贵，必然导致使用更多的镜片数量或引入非球面镜来校正投影物镜的像差。按照ITRS(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,国际半导体4支术发展路线图)的建议，65nm结点可以由NA为0.93的干式投影物镜实现，而到45nm结点、32nm结点，则需要采用NA>1的浸液4殳影物4竟实现。在投影光学系统最后一个光学表面和像面之间充满一种高折射率的液体介质，就能够赋予光刻投影物镜以更高的数值孔径，高数值孔径光学系统可以提升光刻分辨率。理论表明，当空气作为投影成像的像方工作介质时，理论上数值孔径NA最高可以达到1.0，然而当使用折射率n大于1的液体作为像方工作介质时，数值孔径NA就能够大于1.0，理论上NA最高可以达到液体折射率n的数值。这种技术就称为浸液光刻技术，应用于此领域的投影光学系统就称为浸液投影光学系统。采用浸液光刻技术是在不改变已有的光源技术、光学材料、镀膜技术等条件下，通过缩短有效工作波长来提高分辨率的。由于引入液体介质，有效工作波长为，其中A。为光源的真空波长，"为液体介质的折射率。由此，浸液光学系统分辨率CD和焦深DOF分别为CD=&J，DOF=±A:2,则0沼o2其中A^。为像方数值孔径，&、A^为依赖工艺条件的2个常数。更为重要的是，已经有很好的液体介质，比如在波长193nm有很高透射率的超纯水，其折射率为1.436627。美国专利US6,891,596(公告日2005年5月10日)，其采用25块透镜及6-9个非球面组成的折射式浸液投影光学系统，实现成像系统基本参数为像方视场为22mm、物方工作距为22mm、像方工作距为8.44mm10.366mm或50jim、数值孔径为0.91.1,成像质量RMS波像差为0.91.3nrn。但是该专利存在以下问题透镜以及非球面数量较多，像方视场较小、物方工作距较小；物方工作距极大地限制掩模的空间，为掩模的运动定位设计、传输结构设计等带来很大的困难；像方工作距或者过大或者过小，增加液体介质的控制难度。另一美国专利US6，844,919(公告日2005年1月18日)。其采用31块透镜及8个非球面组成的折射式浸液投影光学系统，实现成像系统基本参数为像方^见场为23.2mm、物方工作距为31.66mm、像方工作距为0.5mm、数值孔径为0.89。关于成像质量，该专利仅提供了光线像差曲线，没有提供波像差的具体数据，而且非球面和透镜的数量较多、像方视场、物方工作距、数值孔径均偏小。
发明内容本发明的目的在于提供一种全折射浸液式投影卑学系统，在获得大数值孔径的前提下，同时保证相对较大的物方工作距和良好的成像质量，像方工作距采用适合液体介质的比较薄的尺寸。本发明的目的是这样实现的一种全折射浸液式投影光学系统，从物面沿其光轴方向包括四个镜组，第一镜组和第三镜组具有负光焦度，第二镜组和第四镜组具有正光焦度，孔径光阑位置设置于第三镜组和第四镜组之间，在第一镜组的最靠近物面透镜的入射表面和在第四镜组的袭靠近像面透镜的出射表面之间的各个透镜之间充满氮气，在第四镜组的最靠近像面透镜的出射表面和像面之间充满一种高折射率的液体介质。所述的第一镜组包括第一到第六透镜，其中第一透镜是平凸正透镜且靠近物面的一面为平面，第二透4竟是双凹负透^:,第三透4竟是双凹负透镜，第四透镜是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第五透镜是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜，第六透镜是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。所述的第二镜组包括第七到第十二透镜，其中第七到第九透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十和第十一透镜是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十二透镜是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜。所述的第三镜组包括第十三到第十七透镜，第十三和第十四透镜是双凹负透镜，第十五和第十六透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十七透镜是双凸正透镜。所述的第四镜组包括第十八到第二十三透镜，其中第十八透镜是凹面朝向像面一侧的弯月负透镜，第十九透镜是双凸正透镜，第二十到第二十二透镜是凹面朝向像面一侧的弯月正透镜，第二十三透镜是平面朝向像面一侧的平凸正透镜。所述的第一、第二、第十三、第十四、第十七透镜和第十八透镜的出射面为非球面。所述的第二十三透镜和像面之间为液体介质，其折射率大于1.3，可以选用纯水。所述^L影光学系统的工作波长为193nm,所有透镜的材料为熔石英或者所述投影光学系统的工作波长为157nm,所有透镜的材料为氟化钓。本发明的另一方案在于提供一种用于光刻领域的投影曝光装置，所述装置包括一个投影光学系统，用于将置于所述光学系统物平面内的图形成像到所述光学系统像平面内，其中，所述投影光学系统是全折射式投影光学系统，所述全折射式投影光学系统从物面一侧顺次包括第一雄组和第三镜组具有负光焦度，第二镜组和第四镜组具有正光焦度，孔径光阑位置设置于第三镜组和第四镜组之间，在第一镜组的最靠近物面透镜的入射表面和在第四镜组的最靠近像面透镜的出射表面之间的各个透镜之间充满气体介质，在第四镜组的最靠近像面透镜的出射表面和像面之间充满一种高折射率的液体介质。本发明还提供一种制作半导体器件或其它精密结构器件的方法，所述方法是将掩模版上的预制图形，用紫外波段光照明后将预制图形通过投影光学系统投影成像在涂有光敏物质的衬底上，所述村底放置在投影物镜的像平面上，其中，所述投影光学系统是全折射式投影光学系统，所述全折射式投影光学系统从物面一侧顺次包括第一镜组和第三镜组具有负光焦度，第二镜组和第四镜组具有正光焦度，孔径光阑位置设置于第三镜组和第四镜组之间，在第一镜组的最靠近物面透镜的入射表面和在第四镜组的最靠近像面透镜的出射表面之间的各个透镜之间充满气体介质，在第四镜组的最靠近像面透镜的出射表面和涂有光敏物质的衬底之间充满一种高折射率的液体介质。本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积^f及效果1.本发明的全折射浸液式投影光学系统，数值孔径大，系统的光学分辨率高，成像质量良好，可以用于关键尺寸100nm以下的半导体制造工艺；2.本发明的全折射浸液式投影光学系统，像方工作距较小，适合液体介质的控制；3.本发明的全折射浸液式投影光学系统，釆用的透镜和非球面数量较少，可以有效地降低制造成本。本发明的全折射浸液式投影光学系统的具体结构由以下的实施例及附图给出。图1为本发明的全折射浸液式投影光学系统的结构及光路示意图；图2为本发明的实施例的传递函数MTF示意图。具体实施例方式以下将对本发明的全折射浸液式投影光学系统作进一步的详细描述。本发明提供一种全折射浸液式投影光学系统，如图1所示，该浸液投影光学系统包括23块透镜，从物面一侧开始依次分成G1G4四个镜组。其中，第一镜组Gl和第三镜组G3具有负光焦度，第二镜组G2和第四镜组G4具有正光焦度，孔径光阑STOP位置设置于第三镜组和第四镜组之间，在第一镜组G1的第1块透镜L1的入射表面和物面之间充满空气；在第一镜组G1的第1块透镜Ll的入射表面和在第四镜组G4的第23块透镜L23的出射表面之间的各个透镜之间充满氮气；在第四镜组G4的第23块透镜L23的出射表面和像面之间充满一种高折射率的液体介质。第一镜组G1包括透镜L1L6，其中透镜L1是平凸正透镜且靠近物面的一面为平面，可以为掩模的调焦调平提供光学参考平面，透镜L1的出射面为非球面。透镜L2是双凹负透镜，透镜L2的出射面为非球面。透镜L3是双凹负透镜。透镜L4是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。透镜L5是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜。透镜L6是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。第一镜组G1主要贡献是在保持物方远心度的同时校正畸变和像散。第一镜组Gl本身具有负光焦度，由于孔径光阑位置的关系产生负畸变，用以平衡由Gl与像面之间的其余镜组综合产生的正畸变。第二镜组G2包括透镜L7L12，具有正光焦度，其中透镜L7、L8、L9是凹面朝向物面一侧的弯月正透M;。透4竟L10、Lll是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜。透镜L12是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜。第二镜组G2主要贡献是校正匹兹万(Petzval)场曲以获得平面像场，并可以有效地平tf并校正5求差和替差。第三镜组G3包括透镜L13L17,具有负光焦度，其中透镜L13、L14是双凹负透4竟，透镜L13、L14的出射表面是非球面。透镜L15、L16是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜。透镜L17是双凸正透镜，其出射表面为非球面。第三镜组G3可以有效地校正由于第二镜组G2产生的正畸变和彗差，同时可以有效地与第二镜组G2和第四镜组G4平衡以校正匹兹万(Petzval)场曲。第四镜组G4包括L18L23,具有正光焦度，其中透镜L18是凹面朝向像面一侧的弯月负透镜，其出射表面为非球面。透镜L19是双凸正透镜。透镜L20、L21、L22是凹面朝向像面一侧的弯月正透镜。透镜L23是平面朝向像面一侧的平凸正透镜，适合浸液介质的填充。第四镜组G4主要贡献是在保持大像方数值孔径的同时避免产生高级球差，并利用其产生的负畸变来平衡其余镜组综合产生的残余正畸变。透镜L23出射表面和像面之间充满高折射率的液体介质，透镜L1入射表面和透镜L23出射表面之间各个透镜之间充满氮气，均参与像差的平衡和校正。像方工作距采用适合液体介质的比较薄的尺寸，为1.5mm。物方工作距设计为50mm，可以实现4交大的物方工作距。本发明的浸液投影光学系统，其第2、4、26、28、34、37表面为非球面，其余40个透镜表面均为球面或平面。其中非球面表面采用多项式拟合，公式如下;^)=~~,V〃22+C4*/74+C6*/z6+C8*/z8+C,。*//°+...其中，r表示表面半径，/z表示表面上的任意点到光轴的距离，常数A:、C4、C6、C8、C10，...等是非球面系数。如表1所示，本发明的全折射浸液式投影光学系统的实施例中采用工作波长为193.368nm(也适用于其它波长如248nm或157nm)，l象方数值孔径为1.1,像方视场为直径23.4094mm的圆形视场、物方工作距为50mm、像方工作距为1.5mm、放大倍率为-0.25。本发明选择在193nm有很高透射率的超纯水作为液体介质，其折射率为1.436627。表2给出了本实施例的全折射浸液式投影光学系统的每一块透镜的具体参数值，其中，"所属对象"一栏指示了从物面到像面之间每一表面所对应的透镜；"半径"一栏给出了每一表面所对应的球面半径；"厚度/间距"一栏给出了相邻两表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则"厚度/间距"的数值表示该透镜的厚度，否则表示物/像面到透镜的距离或者相邻透镜的间距。"光学材料/气体介质"一栏中透镜前表面对应的是透镜的材料，透镜后表面对应的是透镜表面之间的气体介质，"半孔径"一栏指明了所对应表面的1/2孔径值。以透镜L1和L2为例，Ll的前表面1的球面半径为le+018，即为平面，Ll的前表面1到物面的间距为50mm，其光学材料为Si02，Ll前表面1的半孔径为60.959312mm;Ll的后表面2的球面半径为-108.820063mm,Ll的前表面1到Ll的后表面2,即透镜L1的中心厚度为23.159351mm,Ll的后表面2的半孔径为61.667828mm,即Ll是平凸正透4免且平面正对物面一侧，Ll的出射面2为非球面(非球面系数见表3)。L2的前表面3的球面半径和半孔径分别为-160.191157和60.527416，L2的前表面3到L1的后表面2的间距为4.040232mm,透镜L2的光学材料也为Si02;L2的后表面4的球面半径和半孔径分别为15301.997069mm和62.304363mm，透镜L2的中心厚度为10.000000mm，即L2是双凹负透镜，透镜L2的出射面4为非球面(非球面系数见表3)。Ll和L2的光学材料均为熔石英，各透镜之间充有氮气。除了像面(表面Image)的半孔径表示像方视场半径外，其余各表面的参数值含义根据L1、L2类推。除了Gl~G4的23块透镜外，G3和G4之间，即透镜L17和L18之间还设置有孔径光阑STOP,其到透镜L17后表面34的间距为66.796469mm,到透镜L18的前表面36的间距为O.OOlOOOmm,其1/2孔径尺寸的改变将影响该投影光学系统的成像效果。在透镜L23的后表面和像面之间，有高折射率的液体介质——水，其厚度为1.499508mm。表3给出了本实施例中第2、4、26、28、34及37非球面表面的系数值。才艮据表3数据即可得到各非球面的表达式。图2显示了本实施例的全折射浸液式投影光学系统的传递函数MTF,反映了该全折射浸液式投影光学系统的成像质量。当工作波长为193.4nm时，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知视场内RMS波像差的最大值为1.0nm,可以有效获得高成像质量，同时可以实现较大的像方视场尺寸。本发明的全折射浸液式投影光学系统的最高光学分辨率能达到44nm(对于占空比1:1周期性物体的半周期长度)。像方视场为直径是23.4mm的圆形，物方工作距为50mm、像方工作距为1.5mm、数值孔径为1.1,实现成4象系统成像质量RMS波像差为l.Ornn。利用本发明的全折射投影光学系统制成的全折射浸液式投影光学装置，结合本发明提供的应用方法，可以适用于关键尺寸100nm以下的半导体
技术领域：
。表1本实施例的全折射浸液式投影光学系统的典型设计数据<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2本实施例的全折射浸液式投影光学系统各透镜的设计数据<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表3透镜非球面系数数据<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>权利要求1、一种全折射浸液式投影光学系统，从物面沿其光轴方向包括四个镜组，其特征在于第一镜组(G1)和第三镜组(G3)具有负光焦度，第二镜组(G2)和第四镜组(G4)具有正光焦度，孔径光阑位置设置于第三镜组(G3)和第四镜组(G4)之间，在第一镜组(G1)的最靠近物面透镜的入射表面和在第四镜组(G4)的最靠近像面透镜的出射表面之间的各个透镜之间充满气体介质，在第四镜组(G4)的最靠近像面透镜的出射表面和像面之间充满一种高折射率的液体介质。2、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述的第一镜组(Gl)包括第一到第六透镜(L1L6)，其中第一透镜(Ll)是平凸正透镜且靠近物面的一面为平面，第二透镜(L2)是双凹负透镜，第三透镜(L3)是双凹负透镜，第四透镜(L4)是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第五透镜(L5)是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜，第六透镜(L6)是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。3、如权利要求2所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述的第一和第二透镜(L1和L2)的出射面为非球面。4、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述的第二镜组(G2)包括第七到第十二透镜(L7L12)，其中第七到第九透镜(L7L9)是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十和第十一透镜(L10和L11)是凸面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十二透镜(L12)是凸面朝向物面一侧的弯月负透镜。5、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述的第三镜组(G3)包括第十三到第十七透镜(L13L17),第十三和十四透镜(L13和L14)是双凹负透镜，第十五和十六透镜(L15和L16)是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第十七透镜(L17)是双凸正透镜。6、如权利要求5所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述的第十三、十四和十七透镜(L13、L14和L17)的出射面为非球面。7、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述的第四镜组(G4)包括第十八到第二十三透镜(L18L23)，其中第十八透镜(L18)是凹面朝向像面一侧的弯月负透镜，第十九透镜(L19)是双凸正透镜，第二十到第二十二透镜(L20-L22)是凹面朝向像面一侧的弯月正透镜，第二十三透镜(L23)是平面朝向像面一侧的平凸正透镜。8、如权利要求7所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述的第十八透4免(L18)的出射面为非球面。9、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所有的光学透镜采用一种光学材料制成。10、如权利要求9所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述投影光学系统的工作波长为193nm，所述的光学材料为熔石英。11、如权利要求9所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述投影光学系统的工作波长为157nm,所述的光学材料为氟化钙。12、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于其像方数值孔径NA可以大于等于1.0。13、如权利要求12所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于其像方数值孔径NA等于1.1。'14、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于放大倍率可以为l:4或1:5。15、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述气体介质为氮气。16、如权利要求1所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述液体介质的折射率大于1.3。17、如权利要求16所述的全折射浸液式投影光学系统，其特征在于所述液体介质为纯水。18、一种用于光刻领域的投影曝光装置，所述装皇包括一个投影光学系统，用于将置于所述光学系统物平面内的图形成像到所述光学系统像平面内，其特征在于所述投影光学系统是全折射式投影光学系统，所述全折射式投影光学系统从物面一侧顺次包括:第一镜组(Gl)和第三镜组(G3)具有负光焦度，第二镜组(G)和第四镜组(G4)具有正光焦度，孔径光阑位置设置于第三镜组(G3)和第四镜组(G4)之间，在第一镜组(Gl)的最靠近物面透镜的入射表面和在第四镜组(G4)的最靠近像面透镜的出射表面之间的各个透镜之间充满气体介质，在第四镜组(G4)的最靠近像面透镜的出射表面和像面之间充满一种高折射率的液体介质。19、一种制作半导体器件或其它精密结构器件的方法，所述方法是将掩模版上的预制图形，用紫外波段光照明后将预制图形通过投影光学系统投影成像在涂有光敏物质的村底上，所述村底放置在投影物镜的像平面上，其特征在于:所述投影光学系统是全折射式投影光学系统，所述全折射式投影光学系统从物面一侧顺次包括第一镜组(Gl)和第三镜组(G3)具有负光焦度，第二镜组(G2)和第四镜组(G4)具有正光焦度，孔径光阑在置设置于第三镜组(G3)和第四镜组(G4)之间，在第一镜组(Gl)的最靠近物面透镜的入射表面和在第四镜组(G4)的最靠近像面透镜的出射表面之间的各个透镜之间充满气体介质，在第四镜组(G4)的最靠近像面透镜的出射表面和涂有光敏物质的衬底之间充满一种高折射率的液体介质。全文摘要本发明提供了一种全折射浸液式投影光学系统、装置及其应用，用于将所述光学系统物平面内的图形成像到所述光学系统像平面内。所述投影光学系统沿其光轴方向包括四个镜组，第一和第三镜组具有负光焦度、第二和第四镜组具有正光焦度；孔径光阑位置设置于第三镜组和第四镜组之间；在最靠近像面的透镜表面和像面之间充满了高折射率的液体介质；且最靠近物面的透镜的入射表面和最靠近像面透镜的出射表面之间的各个透镜之间充满气体介质。本发明不仅实现了大于1.0的数值孔径、高分辨率和较好的成像质量，而且增大了物方工作距，有效地降低了制造成本。文档编号G02B1/04GK101101449SQ200710043869公开日2008年1月9日申请日期2007年7月17日优先权日2007年7月17日发明者蔡燕民申请人:上海微电子装备有限公司