一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统及投影光刻系统的制作方法

1.本发明涉及投影光刻技术领域，具体涉及一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统及投影光刻系统。


背景技术：

2.光学光刻是一种用光将掩模图案投影复制的技术。集成电路就是由投影曝光装置制成的。借助于投影曝光装置，具有不同掩模图案的图形被成像至如硅片或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。
3.随着电子产品向高度集成化、微型化发展，对曝光技术提出了更高要求，目前市面上的镜头均存在结构复杂、镜片枚数多的问题，并且现有的光刻机的投影物镜适用的光谱范围很窄，针对不同波长，不能很好地校正的色差等像差，不适用于多谱线组合的曝光，在需要较高能量的曝光时应用受到限制。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供了一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统及投影光刻系统，其具有宽光谱适应的特性，并且结构简单、镜片枚数少，生产成本更低。
5.其技术方案是这样的：一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统，沿着光轴顺序设置有：第一镜组、第二镜组、第三镜组，其特征在于：第一镜组具有正光焦度，第二镜组具有负光焦度，所述第三镜组距离物面最远的镜面为反射曲面，所述反射曲面通过在第三镜组距离物面最远的镜面上镀反射膜形成，由物面发射的光束依次经过第一镜组、第二镜组到达第三镜组后，经过反射曲面反射，再依次经过第三镜组、第二镜组、第一镜组后汇聚成像到像面，所述物镜光学系统满足关系式：
6.0.2《f1/l《0.8
7.0.3《-r/l《1.3
8.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；
9.所述第一镜组至少包含1个正透镜，且满足关系式：
10.vd1》55
11.vd1为第一镜组的正透镜的色散系数。
12.进一步的，第二镜组至少包含1个正透镜和1个负透镜，且满足关系式：
13.0.21《-f2/l《0.85
14.0.45《-f1/f2《1.9
15.其中，f2为第二镜组的组合焦距。
16.进一步的，所述第三镜组具有正光焦度，且满足关系式：
17.0.18《f3/l《0.8
18.其中，f3为第三镜组的组合焦距。
19.进一步的，所述第一镜组、第二镜组、第三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；
20.所述第二镜组包括第二透镜和第三透镜，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；
21.所述第三透镜为负透镜，所述第三透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凹面，所述第三透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凹面；
22.所述第三镜组包括第四透镜，所述第四透镜为正透镜，所述第四透镜远离所述反射曲面的第一侧面为凸面，所述第四透镜靠近所述反射曲面的第二侧面为凸面。
23.进一步的，所述物镜光学系统还满足：
24.hy/f1≥0.06
25.其中，hy为最大视场像高。
26.进一步的，第一镜组包含一个正透镜、第二镜组包含一个正透镜和一个负透镜，且满足关系式：
27.0.21《d0/d1《0.85
28.0.19《(d0+d1)/l《0.8
29.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，
30.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。
31.进一步的，所述物镜光学系统还包括反射镜，所述反射镜包括第一反射平面和第二反射平面，所述第一反射平面和所述第二反射的延长面相交的直线与所述第一镜组、第二镜组、第三镜组构成的光轴垂直，物面与像面相互平行且均平行于光轴设置，从由物面发射的光束经所述第一反射平面反射后进入所述第一镜组，从所述第一镜组射出的光束顺序经第一镜组、第二镜组、第三镜组，由反射曲面后再经过第三镜组、第二镜组、第一镜组，然后通过所述第二反射平面反射后汇聚成像到像面。
32.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。
33.一种投影光刻系统，其特征在于，包括上述的用于投影光刻的折反式物镜光学系统。
34.本发明的用于投影光刻的折反式物镜光学系统，仅仅采用第一镜组、第二镜组、第三镜组，通过将第三镜组距离物面最远的镜面为反射曲面，实现了使用透镜枚数少，结构简单，有助于提高曝光光强、降低时间周期和降低价格成本；本发明投影物镜可适用于波长为365nm、405nm、436nm的谱线组合；且还能够很好地校正的色差和像差，可满足多种用途的曝光，适用于曝光剂量较大的曝光工艺，适用于不同谱线的感光材料，应用更广；本发明的用于投影光刻的折反式物镜光学系统通过第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组的组合，增大了投影曝光的视场尺寸，提升了产率。
附图说明
35.图1为实施例中的一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统的组成示意图；
36.图2为实施例中的另一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统的组成示意图；
37.图3为实施例中的视场的示意图；
38.图4为实施例中的一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统的传递函数mtf图。
具体实施方式
39.见图1，本发明的一种用于投影光刻的折反式物镜光学系统，沿着光轴顺序设置有：第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3，第一镜组g1具有正光焦度，第二镜组具有负光焦度，第三镜组距离物面最远的镜面为反射曲面m1，反射曲面通过在第三镜组距离物面最远的镜面上镀反射膜形成，由物面发射的光束依次经过第一镜组、第二镜组到达第三镜组后，经过反射曲面m1反射，再依次经过第三镜组、第二镜组、第一镜组后汇聚成像到像面，物镜光学系统满足关系式：
40.0.2《f1/l《0.8
41.0.3《-r/l《1.3
42.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m1的曲率半径；
43.第一镜组至少包含1个正透镜，且满足关系式：
44.vd1》55
45.vd1为第一镜组的正透镜的色散系数。
46.在本发明的实施例中，通过对于第一镜组g1的焦距的约束0.2《f1/l《0.8，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，保证成像质量不下降；
47.通过对于反射曲面m1的焦距的约束，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结构臃肿。
48.通过对于第一镜组的色散系数的限定，可以更好的校正像差。
49.在本发明的实施例中，第二镜组g2至少包含1个正透镜和1个负透镜，且满足关系式：
50.0.21《-f2/l《0.85
51.0.45《-f1/f2《1.9
52.其中，f2为第二镜组的组合焦距。
53.通过对于第一镜组g1、第二镜组g2的焦距的约束，可以避免引起过多的球差和色差以至于难以通过其他光学部件进行均衡有效补偿。
54.在本发明的实施例中，第三镜组具有正光焦度，且满足关系式：
55.0.18《f3/l《0.8
56.其中，f3为第三镜组的组合焦距；通过对于第三镜组g3的焦距的约束，可以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，导致光学系统的工作距离太小。
57.在本发明的实施例中，第一镜组包含一个正透镜、第二镜组包含一个正透镜和一
个负透镜，且满足关系式：
58.0.21《d0/d1《0.85
59.0.19《(d0+d1)/l《0.8
60.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。
61.具体在一个实施例中，第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3的透镜分别为球面镜片，这可以进一步降低时间周期和降低价格成本，本发明实施例中提供了物镜光学系统，能够应用在数字投影光刻系统中，该物镜光学系统包括：
62.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；
63.第二镜组g2包括第二透镜l2和第三透镜l3，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；
64.第三透镜l3为负透镜，第三透镜l3远离反射曲面m1的第一侧面为凹面，第三透镜l3靠近反射曲面m1的第二侧面为凹面；
65.第三镜组g3包括第四透镜l4，第四透镜l4为正透镜，第四透镜l4远离反射曲面m1的第一侧面为凸面，第四透镜l4靠近反射曲面m1的第二侧面为凸面。
66.本发明实施例中通过提供包含第一透镜至第四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，本发明实施例提供的物镜光学系统具有宽光谱、很大的像方视场和很低的畸变，成像效果好。
67.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，光学系统可通过改善像差来提高光学性能，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。
68.在本发明的实施例中，hy＝145mm，物镜光学系统还满足：
69.hy/f1≥0.06
70.其中，hy为最大视场像高，物镜光学系统满足关系式：hy/f1≥0.06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。
71.见图2，在本发明的另一个实施例中，在前述实施例的基础上，物镜光学系统还包括反射镜，反射镜包括第一反射平面m2和第二反射平面m3，第一反射平面m2和第二反射的延长面相交的直线与第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3构成的光轴垂直，物面与像面相互平行且均平行于光轴设置，从由物面发射的光束经第一反射平面m2反射后进入第一镜组g1，从第一镜组g1射出的光束顺序经第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3，由反射曲面m1后再经过第三镜组g3、第二镜组g2、第一镜组g1，然后通过第二反射平面m3反射后汇聚成像
到像面。
72.通过上述设置，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，为后续光学系统与照明系统、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。
73.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。
74.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。
75.在一个实施例中，第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3满足：
76.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；
77.第二透镜l2，折射率nd满足1.5《nd《1.6，色散系数vd满足50《vd《60；
78.第三透镜l3，折射率nd满足1.5《nd《1.6，色散系数vd满足50《vd《60；
79.第四透镜l4，折射率nd满足1.4《nd《1.5，色散系数vd满足80《vd《90；
80.具体的，物镜光学系统的数值孔径na＝0.06；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：
[0081][0082][0083]
表1在该实施例中，其特征参数如表2所示。
[0084]
(1)f1/l＝0.39
(2)-f2/l＝0.41(3)-r/l＝0.61(4)f3/l＝0.37(5)-f1/f2＝0.95(6)d0/d1＝0.42(7)(d0+d1)/l＝0.39(8)hy/f1＝0.19
[0085]
表2
[0086]
图4为本实施例中折反式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。
[0087]
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。
[0088]
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。
[0089]
鉴于以上的优势，本发明的大视场、宽光谱、全球面的折反式物镜的，非常适合于光刻机研发、生产或科研单位使用。
[0090]
在本发明的实施例中，还提供了一种投影光刻系统，包括上述的用于投影光刻的折反式物镜光学系统。
[0091]
实施例中的投影光刻系统使用了较少数量的透镜，不但可以降低光刻镜头的安装难度，还可以改善pcb制程的工艺，有效地降低了光刻镜头的制作成本。
[0092]
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。