专利名称：：一种投影光学系统及投影曝光装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及投影光学系统领域，特别涉及一种用于半导体光刻
技术领域：
的投影光学系统以及投影曝光装置。
背景技术：
：随着投影光刻技术的发展，投影光学系统的性能逐步提高。目前投影光刻技术已成功应用于亚微米和深亚微米分辨率的集成电路制造领域。另外，由于半导体凸块封装技术(Gold-Bumping、Solder-Bumping)和硅片级芯片尺度封装技术(WLCSP)的要求，导致对于有较低分辨率(如几微米)、较大焦深、较高产率投影曝光装置的需求逐渐提升。为满足上述投影光学系统的需求，美国专利US6,879,383中公开了一种投影光学系统，采用折反射结构，其缺点是横向尺寸大，对透镜材料的要求十分苛刻，尤其是大口径的凹面反射镜的加工、检测要求都十分严格。而且视场尺寸、工作距离、装校要求、成本等方面相对已有技术也没有明显的优势。该专利给出该光学系统5个实施例中，其工作距离仅达到7.5mm11mm范围，其光学总长达到1150mm1200mm以上。在实际投影光学系统的应用中，该工作距离将对工件台、尤其是掩模台的设计提出十分苛刻的尺寸限制，如使用0.25英寸(6.35mm)厚掩模版的掩模台，其尺寸设计将受到极大的限制。另外，该专利也没有提供成像质量数据。该专利的一个采用1个非球面光学元件设计的实施仿j，玉4乍^巨离^f义i曾力口至!J11.872mm，同日寸光学总、长达至lj1150mm，此非j求面光学元件的引入将给光学加工、光学检测等工作带来较大的困难。申请号为CN200310100169.6的中国专利提供了一种用于生物芯片检测的双远心物镜系统，但是该专利既未给出物镜的设计数据，又未说明成像质量。专利号为ZL98113037.2的中国专利(公告曰2003年7月23日)给出了一种像方远心双高斯光学系统，适用于精密光学仪器的成像物镜。该专利给出了物镜的结构数据，也给出了成像质量，但是，其像差校正程度和包含两个胶合面，根本不能满足凸块(Bumping)光刻技术的要求。目前也有专利提出满足凸块(Bumping)光刻技术要求的投影光学系统，像方视场和数值孔径均可以获得期望值，但是存在工作波长和物方或像方工作距离的限制，光学总长不能很好的达到期望值，而且因透镜材料选取而存在材料内部吸收较大的问题，这样将导致采用该投影光学系统的投影曝光装置产生因为透镜材料吸收光能引起的诸多像质劣化的负面影响问题。
发明内容本发明的目的在于提供一种投影光学系统及^^殳影曝光装置，该投影光学系统能解决工作波长的限制和降低透镜材料吸收光能的重要问题，具有较好的二级光谱和单色像差的校正效果，并可以压缩光学总长。采用该投影光学系统的投影曝光装置能完全符合凸块光刻技术的要求。本发明的投影光学系统，沿其光轴方向包括前组、孔径光阑和后组，前组和后组关于孔径光阑对称，其中前组由第一镜组、第二镜组和第三镜组三组镜组成，其中第一镜组包括第一到第四透镜，第二镜组包括第五透镜和第六透镜，第三镜组包括第七透镜和第八透镜；所述第一镜组、第二镜组和第三镜组分别构成反远距光学结构；所述的后组由第四镜组、第五镜组和第六镜组三组镜组组成，其中第四镜组包括第九透镜和第十透镜，第五镜组包括第十一透镜和第十二透镜，第六镜组包括第十三到第十六透镜；孔径光阑位于第三镜组和第四镜组之间，所述前组的镜组与所述后组的镜组构成关于孔径光阑完全对称的光学系统，所述前组的后焦点和所述后组的前焦点与所述孔径光阑中心重合，构成双远心光学系统。所述前组的镜组与所述后组的镜组构成关于孔径光阑完全对称的光学系统包括前组镜组的透镜与后组镜组透镜的光学参数，例如表面半径、透镜厚度、光学材料均分别关于孔径光阑对称。前组的第一镜组中第一透镜是双凹负透镜，第二透镜是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，第三透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第四透镜是双凸正透镜。前组的第二镜组中第五透镜是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，第六透镜是双凸正透镜。前组的第三镜组中第七透镜是双凹负透镜，第八透镜是双凸正透镜。该投影光学系统前组镜组透镜和后组镜组透镜的表面均为球面。前组中第一透镜和第七透镜的光学材料均选取熔石英玻璃。第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的光学材料均选取火石玻璃。第六透镜和第八透镜的光学材料均选取冕牌玻璃。由于后组镜组透镜的表面半径、透镜厚度、光学材料均与前组镜组透镜关于孔径光阑对称，其结构类型一致，因此后组镜组透镜类型以及光学材料不再赘述。该投影光学系统的像方视场为44.5mmx44.5mm,像方数值孔径为0.10，放大倍率为-1,同时光学总长为900mm。本发明的投影曝光装置，它包括投影光学系统，照明系统及光源、可动掩模台和可动工件台，其中，投影光学系统沿其光轴方向依次包括前组、孔径光阑和后组，所述的前组由第一镜组、第二镜组和第三镜组三组镜组组成，其中第一镜组包括第一到第四透镜，第二镜组包括第五透镜和第六透镜，第三镜组包括第七透镜和第八透镜；所述第一镜组、第二镜组和第三镜组均为反远距光学结构；后组由第四镜组、第五镜组和第六镜组三组镜组组成，其中第四镜组包括第九透镜和第十透镜，第五镜组包括第十一透镜和第十二透镜，第六镜组包括第十三到第十六透镜；孔径光阑位于第三镜组和第四镜组之间；前组镜组透镜与后组的镜组透镜组成关于孔径光阑完全对称的光学系统，所述前组的后焦点和所述后组的前焦点与所述孔径光阑中心重合，构成双远心光学系统。所述照明系统及光源提供包括g线、h线、i线宽光i普的照明光；所述可动掩模台可以放置包含曝光图形的掩模版；所述可动工件台可以放置准备曝光的涂覆光刻胶的硅片。所述投影曝光装置的数值孔径为0.10，像方视场为44.5mmx44.5mm,工作波长为g线、h线、i线宽光谱光，掩模面到硅片面距离，即光学总长为900mm，放大倍率为-1，掩模台和工件台的工作距离均为30.537mm。本发明的投影光学系统采用多个反远距光学结构，并且保证成像主光线通过孔径光阑中心而构成双远心结构。通过优选不同光学材料的透镜组合，使得该投影光学系统能对宽光谱(g线、h线和i线)校正二级光谱；在优选玻璃组合时既考虑校正色差的要求，又兼顾具有较高的透过率，这样能有效降低因透镜材料吸收光能引起的LensHeatingEffect(物镜热效应)的影响，以满足凸块光刻技术高产率的要求。采用该投影光学系统的投影曝光装置在宽光谱(g线、h线、i线)工作条件下，在较大的物方和像方视场内，可以有效获得高成像质量。本发明的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为本发明的投影光学系统的光路图。图2为本发明的实施例的调制传递函数MTF图。具体实施例方式以下将对本发明的投影光学系统及投影曝光装置作进一步的详细描述。本发明提供了一种投影光学系统，如图1所示，该投影光学系统沿其光轴方向从物面1一侧到^象面3—侧依次包括前组、孔径光阑2和后组。其中，前组由第一镜组Gl、第二镜组G2和第三镜组G3三组镜组组成；第一镜组Gl包括第一到第四透镜L1L4，第二镜组包括第五透镜L5和第六透镜L6，第三镜组包括第七透镜L7和第八透镜L8;第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3分别构成反远距光学结构。后组由第四镜组G4、第五镜组G5和第六镜组G6三组镜组组成，第四镜组G4包括第九透镜L9和第十透镜L10,第五镜组G5包括第十一透镜Lll和第十二透镜L12，第六镜组G6包括第十三透镜到第十六透镜L13L16。孔径光阑位于第三镜组G3和第四镜组G4之间，前组镜组G1G3与后组镜组G6G4构成关于孔径光阑完全对称的光学系统，前组的后焦点和后组的前焦点与所述孔径光阑中心重合，构成双远心的光学系统。这种对称包括前组镜组的透镜L1L8与后组镜组透镜L16L9的光学参数分别关于孔径光阑对称即前组的各透镜表面半径、中心厚度和后组中与前组相对应的各透镜组元的表面半径、中心厚度分别相等，光学材料相同。后组第四镜组G4的第九透镜L9、第十透镜L10与前组第三4竟组G3的第八透镜L8、第七透镜L7分别对称于孔径光阑2;后组第五镜组G5的第十一透镜Lll、第十二透镜L12与前组第二镜组G2的第六透镜L6、第五透镜L5分别对称于孔径光阑；后组第六镜组G6的第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16与前组第一镜组G1的第四透镜L4、第三透镜L3、第二透镜L2、第一透镜L1分别对称于孔径光阑。这样，在此先详细介绍前组透镜结构与材料，由于后组透镜结构与材料与前组透镜关于孔径光阑2对称，因此不再详细名又述。前组包括第一镜组Gl、第二镜组G2和第三镜组G3，这三组镜组每组都分别由负透镜和正透镜组成反远距结构。第一镜组Gl,包括第一透镜到第四透镜L1L4，其中Ll是双凹负透镜、L2是凹面朝向物面1一侧的弯月负透镜、L3是凹面朝向物面1一侧的弯月正透镜、L4是双凸正透镜。透镜L3和透镜L4两个正透镜可分散光焦度的负担，即可以减少折射面曲率，有利于轴上点高级球差与轴外点高级球差的校正，以解决球差校正与像散校正的矛盾问题。第二镜组G2包括第五透镜L5和第六透镜L6，其中透镜L5是凹面朝向物面1一侧的弯月负透镜，透镜L6是双凸正透镜。第三镜组G3包括第七透镜L7和第八透镜L8，其中透镜L7是双凹负透镜，透镜L8是双凸正透镜。第一镜组Gl在保持系统双远心的同时提供校正场曲的能力，并且具有正光焦度产生负球差，用来平衡由第二镜组G2和第三镜组G3四个透镜L5L8综合产生的正球差。第二镜组G2和第三镜组G3可以有效地平衡第一镜组Gl产生的位置色差和色球差。根据前组镜组的特点，透镜L1和透镜L7选择低折射率、低色散系数的高透过率熔石英玻璃，可采用SCHOTT公司的SI02;透镜L2到透镜L5选择高折射率、高色散系数的高透过率火石玻璃，可采用OHARA公司的PBL26Y,透镜L6和透镜L8选择具有特殊色散能力，有利于校正二级光谱的高透过率冕牌玻璃，可采用OHARA公司的SFPL51Y。后组的透镜L9、LIO、Lll、L12、L13、L14、L15和L16分另'J与前纟且的透4竟L8、L7、E6、L5、L4、L3、L2和Ll关于孔径光阑对称，所以后组透镜类型以及材料不再重复名又述。由于前组与后组这种对称式光学结构，垂轴像差彗差、畸变、倍率色差自动校正。如表1所示，本发明的投影光学系统的像方数值孔径为0.10,工作波长为436nm、405nm和365nm，即光学领域定义的g线、h线和i线；像方视场半径是31.466mm;物像共轭距，即光学总长为900mm,物方和f^方工作距分别为30.537mm,;改大倍率为-1倍。表2给出了本实施例的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"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"的数值表示该透镜的厚度，否则表示物面/像面到透镜的距离或者相邻透镜的间距。"光学材料"一栏指明所对应透镜的材料，"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的球面半径和半孔径分别是-136.446mm和34.609mm,距物面的间距为35.002mm;Ll的后表面2的球面半径和半孔径分别为441.462mm,40.181mm，Ll前表面1到后表面2，即透镜Ll的中心厚度为30mm,透镜Ll为双凹透镜，光学材料为熔石英玻璃(SI02);L2的前表面3的球面半径和半孔径分别为-63.257mm,41.293mm，后表面4的球面半径和半孔径分别为-87.691mm,53.913mm，L2前表面3到后表面4,即透镜L2的中心厚度为30mm，透镜L1的后表面2与透镜L2的前表面3相距21.609mm，L2为凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，光学材料为火石玻璃PBL26Y。在透镜L8与透镜L9之间的孔径光阑STOP,其半孔径尺寸的改变将影响该投影光学系统的成像效果。表2中其它数据可以依此类推。图2显示了本实施例的投影光学系统的调制传递函数MTF，反映了该投影光学系统的成像质量。当工作波长为436nm、405nm和365nm时，才艮据专业光学设计软件CODE一V的分析计算可知视场内RMS波像差的最大值为5nm,调制传递函数MTF接近衍射极限，视场内畸变的最大值为18nm,在宽带光g线、h线、i线工作条件下，可以有效获得高成像质量，同时可以实现较大的物方和l象方一见场尺寸。本发明投影光学系统的实施例的光学参数为最优化值，数值孔径最大达到0.10，像方视场半径达到31.466mm，可以提供44.5mmx44.5mm的方形像方视场，足以满足凸块(Bumping)封装光刻机用于44mmx44mm尺寸芯片封装的技术要求。本发明的投影光学系统，前后组的透镜组元均采用由负透镜和正透镜组成的反远距结构，可有效增大该投影光学系统的工作距离，同时因为此才殳影光学系统透镜类型以及高透过率光学材料的选择，降低了由于透镜材料吸收光能引起的物镜热效应(LensHeatingEffect)的影响，同时获得整个投影光学系统具有良好二级光谱、色球差和单色像差校正效果，并压缩光学总长到900mm,使得该投影光学系统能同时工作在g线、h线和i线的宽光谱条件下。本发明的投影曝光装置，它包括投影光学系统，照明系统及光源、可动掩模台和可动工件台，其中，所述投影光学系统沿其光轴方向从物面一侧到像面一侧依次包括前组、孔径光阑和后组，其中，所述的前组由第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3三组镜组组成；其中第一镜组Gl包括第一到第四透镇:L1L4，第二镜组G2包括第五透镜L5和第六透镜L6，第三镜组G3包括第七透镜L7和第八透镜L8;第一镜组Gl、第二镜组G2和第三镜组G3均为反远距光学结构；后组由第四镜组G4、第五镜组G5和第六镜组G6三组镜组组成，其中第四镜组G4包括第九透镜L9和第十透镜L10,第五镜组G5包括第十一透镜Lll和第十二透镜L12,第六镜组G6包括第十三到第十六透镜L13L16;孔径光阑位于第三镜组G3和第四镜组G4之间；所述前组镜组G1G3与所述后组的镜组G4G6组成关于孔径光阑完全对称的光学系统，所述前组的后焦点和所述后组的前焦点与所述孔径光阑中心重合，构成双远心光学系统。所述照明系统及光源提供包括g线、h线、i线宽光谱的照明光；所述可动掩模台可以放置包含曝光图形的掩模版；所述可动工件台可以放置准备曝光的涂覆光刻胶的硅片。所述投影曝光装置的数值孔径为0.10，像方视场为44.5mmx44.5mm，工作波长为g线、h线、i线宽光i普光，掩模面到硅片面距离，即光学总长为900mm,放大倍率为-1，掩模台和工件台的工作距离均为30.537mm。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1、一种投影光学系统，沿其光轴方向依次包括前组、孔径光阑和后组，前组和后组关于孔径光阑对称，其特征在于所述的前组由第一镜组(G1)、第二镜组(G2)和第三镜组(G3)三组镜组组成，其中第一镜组(G1)包括第一到第四透镜(L1～L4)，第二镜组包括第五透镜(L5)和第六透镜(L6)，第三镜组包括第七透镜(L7)和第八透镜(L8)；所述第一镜组(G1)、第二镜组(G2)和第三镜组(G3)均是反远距光学结构；所述的后组由第四镜组(G4)、第五镜组(G5)和第六镜组(G6)三组镜组组成，其中第四镜组(G4)包括第九透镜(L9)和第十透镜(L10)，第五镜组(G5)包括第十一透镜(L11)和第十二透镜(L12)，第六镜组(G6)包括第十三到第十六透镜(L13～L16)；孔径光阑位于第三镜组(G3)和第四镜组(G4)之间，所述前组的镜组(G1～G3)与所述后组的镜组(G6～G4)组成关于孔径光阑完全对称的光学系统，所述前组的后焦点和所述后组的前焦点与所述孔径光阑中心重合，构成双远心光学系统。2、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于所述前组镜组的透镜(L1L8)与所述后组镜组透镜(L16L9)的光学参数分别关于孔径光阑对称。3、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于所述前组的第一镜组(Gl)中第一透镜(Ll)是双凹负透镜，第二透镜(L2)是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，第三透镜(L3)是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第四透镜(L4)是双凸正透镜。4、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于所述前组的第二镜组(G2)中第五透镜(L5)是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，第六透镜(L6)是双凸正透镜。5、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于所述前组的第三镜组(G3)中第七透镜(L7)是双凹负透镜，第八透镜(L8)是双凸正透镜。6、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于所述前组镜组的透镜和所述后组镜组的透镜的表面类型均为球面。7、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜(L1)和第七透镜(L7)的光学材料均选取熔石英玻璃。8、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)和第五透镜(L5)的光学材料均选取火石玻璃。9、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第六透镜(L6)和第八透镜(L8)的光学材料均选取冕牌玻璃。10、如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于所述投影光学系统的像方视场为44.5mmx44.5mm，像方数值孔径为0.10,物像共轭距为900mm，放大倍率为-1。11、一种投影曝光装置，它包括投影光学系统，照明系统及光源、可动掩模台和可动工件台，其特征在于所述投影光学系统沿其光轴方向依次包括前组、孔径光阑和后组，所述的前组由第一镜组(Gl)、第二镜组(G2)和第三镜组(G3)三组镜组组成，其中第一镜组(G1)包括第一到第四透镜(L1L4),第二镜组包括第五透镜(L5)和第六透镜(L6),第三镜组包括第七透镜(L7)和第八透镜(L8);所述第一镜组(Gl)、第二镜组(G2)和第三镜组(G3)均为反远距光学结构；所述的后组由第四镜组(G4)、第五镜组(G5)和第六镜组(G6)三组镜组组成，其中第四镜组(G4)包括第九透镜(L9)和第十透镜(L10),第五镜组(G5)包括第十一透镜(L11)和第十二透镜(L12),第六镜组(G6)包括第十三到第十六透镜(L13L16);孔径光阑位于第三镜组(G3)和第四镜组(G4)之间；所述前組的镜组(G1G3)与所述后组的镜组(G6G4)组成关于孔径光阑完全对称的光学系统，所述前组的后焦点和所述后组的前焦点与所述孔径光阑中心重合，构成双远心光学系统；所述照明系统及光源提供包括g线、h线、i线宽光谱的照明光；所述可动掩模台可以放置包含曝光图形的掩模版；所述可动工件台可以放置准备曝光的涂覆光刻胶的硅片。12、如权利要求11所述投影曝光装置，其特征在于所述投影曝光装置的数值孔径为0.10,像方视场为44.5mmx44.5mm,工作波长为g线、h线、i线宽光谱光，物像共轭距为900mm，放大倍率为-1,掩模台和工件台的工作距离均为30.537mm。全文摘要本发明提供了一种投影光学系统及其投影曝光装置，投影光学系统分为前组和后组，并以孔径光阑为对称面。其中，前组包括三组镜组，后组也包括三组镜组，前组中的三组镜组与后组中的三组镜组分别关于孔径光阑对称，每组镜组均为由负透镜和正透镜构成的反远距光学结构。前组中第一镜组包括透镜L1～L4，第二镜组包括透镜L5～L6，第三镜组包括透镜L7～L8；后组中第四镜组、第五镜组和第六镜组分别包括透镜L9～L10，L11～L12，L13～L16。其中，透镜L1和L7的材料为熔石英玻璃，透镜L2～L5的材料为火石玻璃，透镜L6和L8的材料为冕牌玻璃。该投影光学系统的工作波长是g线、h线和i线宽光谱光，成像质量良好，透镜材料内部吸收小，有较小的光学总长。文档编号G02B13/00GK101206300SQ200710170750公开日2008年6月25日申请日期2007年11月21日优先权日2007年11月21日发明者储兆祥,刘国淦,畅周,蔡燕民申请人:上海微电子装备有限公司