专利名称：：一种折反射投影光学系统的制作方法
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光刻等相关领域的折反射投影光学系统。
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，并可以适用于集成电路制造等多种领域。现已将投影光刻技术成功应用于亚微米分辨率集成电路制造领域，同时，在半导体封装技术中，投影光刻技术用于要求较低分辨率(如几微米)、较大焦深、较高产率的金凸块/锡凸块、硅片级芯片尺度封装(WLCSP)技术等领域，并且对于较低分辨率投影物镜系统不断提出改进提高性能的需求。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。它是一种传统的投影光学系统，从左至右包括两个反射棱镜，三个单透镜(从左至右依次为平凸透镜、弯月负透镜、弯月厚透镜，所有凸面朝向凹球面反射镜)，一个凹球面反射镜。该系统的孔径光阑位于凹球面反射镜上，它和前面三块单透镜组成共轴球面系统。该系统是到球面反射镜的入射光路和反射光路完全对称的-1倍光学系统，能将垂轴像差，如彗差、畸变和倍率色差自动校正为零。然而，一般投影曝光系统对投影光学系统希望有较大的工作距离，较短的光学总长。但是，该专利给出该光学系统5个实施例中，其工作距离仅达到7.5mmllmm范围，其光学总长却达到1150mm~1200mm以上。从而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，例如对于使用0.25英寸(6.35mm)厚掩模版的掩冲莫台，其尺寸设计特受到极大的限制。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例，工作距离仅增加到11.872mm,同时光学总长达到1150mm，此非球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。因此，如何提供一种成像质量得到良好保证的投影光学系统，并且提高投影光学系统的工作距离、并压缩其光学总长，为工件台和掩模台提供较大的设计空间，已成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容本发明的目的在于提供一种折反射投影光学系统，不仅能有效地校正像差、具备良好的成像质量，而且具有较大的工作距离、较小的光学总长，在装校和成本方面也兼具优势。本发明的目的是这样实现的一种折反射投影光学系统，用于将置于其物平面内的图形成像到其像平面内，该折反射投影光学系统沿其光轴方向依次包括前(后)组、凹球面反射镜，其中，上迷前组与上述后組共用同一組光学元件，沿其光轴方向依次包括直角反射棱镜；第一双凸正透镜；第一弯月厚透镜，其及上述第一双凸正透镜共同校正上述投影光学系统的高级球差；第二弯月厚透镜，其及上述第一弯月厚透镜共同校正上述投影光学系统的像面弯曲；及三片式光学结构，可以有效地压缩该投影光学系统的总长、同时实现较长的工作距离；该凹球面反射镜，其上设置有孔径光阑，使所述投影光学系统形成放大倍率为-1倍的完全对称式结构，并且所述投影光学系统为物方和像方双远心光路。因而，以该孔径光阑为对称面，该前(后)组共用的光学元件的光学结构完全对称，从而垂轴像差，即彗差、畸变、倍率色差自动校正为零。上述的折反射投影光学系统，其中，对于上述前组，该直角反射棱镜的入射面为平面，并朝向所述光学系统的物平面；对于上述后组，该直角反射棱镜的出射面为平面，并朝向所述光学系统的像平面。上述的折反射投影光学系统，其中，上述第一、第二弯月厚透镜的凸面均朝向上述孔径光阑。上述的折反射投影光学系统，其中，上述三片式光学结构沿光轴方向依次包括第二双凸正透镜；双凹负透镜，产生正球差并做轴向色差补偿；及弯月正透镜，其与该第二双凸正透镜共同补偿上述投影光学系统的高级球差和高级像散。上述的折反射投影光学系统，其中，上述所有光学元件的表面均为球面或平面。上述的折反射投影光学系统，其中，上述弯月正透镜的凸面朝向上述孔径光阑。上述的折反射投影光学系统，其中，上述直角反射棱镜及弯月正透镜采用低折射率、低色散系数的熔石英玻璃。上述的折反射投影光学系统，其中，上述第一双凸正透镜、第二弯月厚透镜和第二双凸正透镜采用低折射率、低色散系数、高透过率的冕牌玻璃，比如FK5HT玻璃。上述的折反射投影光学系统，其中，上述第一弯月厚透镜采用高折射率、高色散系数、高透过率的火石玻璃，比如F2HT玻璃。上述的折反射投影光学系统，其中，上述双凹负透镜采用低折射率、低色散系数、高透过率的冕牌玻璃，比如BK7HT玻璃。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极效果1.本发明的投影光学系统采用对称式的折反射结构，可以有效地校正像差，提高成像质量；2.本发明的投影光学系统由于采用三片式光学结构，因此具有长工作距离的优点；3.本发明的投影光学系统仅采用表面类型为球面或平面的透镜，没有引入非球面透镜，从而降低了透镜的加工、测试和装校难度。4.本发明的投影光学系统的前组后组共用同一组光学组件，采用反射镜以折叠光路，节省一半透镜，有利于降低本投影光学系统的成本。本发明的折反射投影光学系统的具体结构由以下的实施例及附图给出。图l是本发明的折反射投影光学系统的结构及光路示意图。图2是本发明的折反射投影光学系统的调制传递函数MTF。图3是本发明的折反射投影光学系统的物方视场和像方视场的尺寸图。具体实施方式以下将对本发明的折反射投影光学系统作进一步的详细描述。如图1所示，本发明提供了一种折反射投影光学系统，该投影光学系统为折反射对称式结构，即从物面一侧顺次包含前(后)組、设置有孔径光阑的凹球面反射镜M。其中，在该凹球面反射镜M的光反射作用下，该前组的各透镜组件，为该后组的各共用组件，即该前(后)组共用的光学元件的光学结构完全对称(表面半径、间隔相等，光学材料一致)，放大倍率为-1。倍率为-l的对称式结构优点在于根据初级像差理论，其垂轴像差彗差、畸变、倍率色差自动校正为零。所述折反射投影光学系统的所有透镜组件的表面均为球面或平面，并且共用同一光轴。本发明的折反射投影光学系统，其具有正光焦度的前组沿其光轴方向依次包括直角反射棱镜L1、Ll*、第一双凸正透镜L2、凸面朝向孔径光阑的第一弯月厚透镜L3和第二弯月厚透镜L4、第二双凸正透镜L5、双凹负透镜L6、凸面朝向孔径光阑的弯月正透镜L7。'在该前组中，上述直角反射棱镜Ll、LP的入射面和出射面均为平面，展开成平行平板进行光学设计，所产生的球差、像散、场曲、轴向色差用来与后面透镜的相应像差进行补偿设计。另外，该设计可保证物方视场和像方视场是分别通过反射棱镜而分置于所述投影光学系统光轴的两侧，并且相互平行。上述第一双凸正透镜L2和上述第一弯月厚透镜L3之间保留较小轴向间距以校正系统的高级球差。上述第一弯月厚透镜L3采用高折射率和高色散系数的光学材料，其作用是一方面用来校正该光学系统的轴向色差，另一方面与上述第二弯月厚透镜L4共同校正该光学系统的像面弯曲。上述第二双凸正透镜L5、双凹负透镜L6、弯月正透镜L7—起构成三片式光学结构，可以有效地压缩该光学系统的总长、同时实现较长的工作距离，并可以压缩上述凹球面反射镜M的通光口径。上述该双凹负透镜L6，一方面产生正球差用以补偿上述第一、第二双凸正透镜L2、L5的负球差和负像散，另一方面做轴向色差补偿。因为本发明的投影光学系统的数值孔径比较大，所以由该第二双凸正透镜L5和该弯月正透镜L7来补偿高级球差和高级像散。在本发明的较佳实施例中，上述直角反射棱镜L1、L"和弯月正透镜L7采用低折射率、低色散系数的熔石英玻璃。上述第一双凸正透镜L2、第二弯月厚透镜L4和第二双凸正透镜L5采用低折射率、低色散系数、高透过率的冕牌玻璃，比如FK5HT玻璃。上述第一弯月厚透镜L3采用高折射率、高色散系数、高透过率的火石玻璃，比如F2HT玻璃。上述双凹负透镜L6采用低折射率、低色散系数、高透过率的冕牌玻璃，比如BK7HT玻璃。因而，该投影光学系统前组的透镜L1(L1*)~L7,可以校正球差、场曲、像散、位置色差，使轴向像差得到较好的校正。该凹球面反射镜M的凹球面所产生的正场曲可以4氐消上述正透镜組(上述第一、第二双凸正透镜L2、L5及弯月正透镜L7)产生的负场曲。该凹球面反射镜M的反射作用使成像光束两次经过该前组(后组)，这样透射光学元件就会两次参与成像，相当于光学元件的数量减少了一倍，可以减少该投影光学系统总的光学元件数，并且能折叠光路，减小该投影光学系统总的光学长度。该孔径光阑位于该凹^求面反射镜M上，该前组和该后组所共用的各光学元件以该孔径光阑为对称面，形成完全对称式结构，获得-1倍的光学系统，从而垂轴像差彗差、畸变、倍率色差自动校正为零。同时，设计保证该前组的透镜组件，其后焦点位于该孔径光阑中心，使得物空间和像空间的成像光锥都以主光线为对称轴，即物空间和像空间的主光线平行于光轴，就形成双远心结构的投影光学系统。这样，即使物面和像面处于离焦位置，物与像的高度在垂直于光轴平面上仍然没有改变，即放大倍率没有改变，从而保证放大倍率不随物面和像面沿光轴方向的移动而变化。如图2所示，为本实施例的折反射投影光学系统的传递函数MTF,反映了该折反射投影光学系统的成像质量。当工作波长为436nm、405nm、365nm时，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知可以有效地获得高成像质量(视场内波像差RMS值为7.7nm，远心角误差小于0.18°=3.1mrad，畸变的最大值0.6nm,传递函，MTF4妻近4汙射极限)，同时可以实现4交大的物方和像方i见场，光学总长为884.588mm,物方和像方工作距离均为30mm。如图3所示，为本实施例的折反射投影光学系统物方视场和像方视场的尺寸图。其中，本发明的像方视场和物方视场半径均可以达到70mm,可以提供44.5mmx44.5mm的方形《象方^L场，足以满足凸块(Bumping)封装光刻4几用于44mmx44mm视场尺寸芯片封装的技术要求。如表1所示，为该折反射投影光学系统的较佳实施例的典型设计数据。其像方数值孔径达到0.20;工作波长为436nm、405nm、365nm,即光学领域上定义的g线、h线、i线；物方视场半径是70mm，可以提供44.5mmx44.5mm的方形视场，作用是将物面的图形投影成像在像面上；像方视场半径是70mm;由于是对称式结构，物方和像方工作距均为30mm，放大倍率为-l倍；光学总长(即从物面到反射镜)为884.588mm。表1工作波长436腦、405nm、365nm像方数值孔径0.20像方视场(半径)70mm放大倍率-l光学总长(物面到反射镜)884.588mm物方工作3巨30mm像方工作距30mm如表2所示，为该折反射投影光学系统的较佳实施例的每一个光学元件的具体参数值，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光学元件；"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光学元件，则"厚度/间距"的数值表示该光学元件的厚度，否则表示物面/像面到光学元件的距离或者相邻光学元件的间距。"光学材料"一栏指明了所对应光学元件的材料，"半孔径，，一栏指明了所对应表面的1/2孔径值。以光学元件L1和L2为例，L1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30mm,其光学材料为SI02,Ll前表面1的半孔径为76.219mm;Ll的后表面2的球面半径为le+018，Ll的前表面1到Ll的后表面2,即光学元件Ll的中心厚度为88mm，Ll的后表面2的半孔径为88.450mm，即光学元件Ll是平行平板。L2的前表面3的球面半径和半孔径分别为6873.292421mm和88.777mm,L2的前表面3到Ll的后表面2的间距为l.OOOmm，透镜L2的光学材料为FK5HT;L2的后表面4的球面半径和半孔径分别为-151.056352mm和89.968mm,透镜L2的中心厚度为39.338mm,即L2是双凸正透镜。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。该折反射投影光学系统还设置有凹球面反射镜M,其球面半径和半孔径分别为-869.879223mm和103.066mm，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。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2(续)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>综上所述，本发明的投影光学系统可以实现较大的物方和像方视场，并且其光学总长为884.588mm,物方和像方工作距离均为30mm，为凸块(Bumping)光刻机的工件台和掩才莫台的结构设计提供了足够的运动预留空间，采用大工作距离为掩模和硅片的运动定位、传输结构设计等带来极大的便利，并且缩小了整个投影光学系统的体积。本发明的投影光学系统的数值孔径最大达到0.20，因而本投影光学系统的最高光学分辨率能达到0.5拜(对于占空比1:1周期性物体的半周期长度)，成像质量和双远心等指标都达到实际应用的要求。本发明的折反射投影光学系统的所有光学组件的表面类型均为球面或平面，没有任何非球面，因此不会引入光学加工、光学检测与成本等方面的难题。上述前组后组共用同一组光学组件，采用反射镜以折叠光路，节省一半透镜，有利于降低本投影光学系统的成本。权利要求1、一种折反射投影光学系统，用于将置于其物平面内的图形成像到其像平面内，该折反射投影光学系统沿其光轴方向依次包括前(后)组、凹球面反射镜，其特征在于，所述前组与所述后组共用同一组光学元件，沿其光轴方向依次包括直角反射棱镜；第一双凸正透镜；第一弯月厚透镜，其与所述第一双凸正透镜共同校正所述投影光学系统的高级球差；第二弯月厚透镜，其与所述第一弯月厚透镜共同校正该投影光学系统的像面弯曲；及三片式光学结构，可以有效地压缩该投影光学系统的总长，同时实现较长的工作距离；该凹球面反射镜，其上设置有孔径光阑，使所述投影光学系统形成放大倍率为-1倍的完全对称式结构，并且所述投影光学系统为物方和像方双远心光路。2、如权利要求1所述的折反射投影光学系统，其特征在于对于所述前组，该直角反射棱镜的入射面为平面，并朝向所述光学系统的物平面；对于所述后组，该直角反射棱镜的出射面为平面，并朝向所述光学系统的像平面。3、如权利要求l所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述第一、第二弯月厚透镜的凸面均朝向所述孔径光阑。4、如权利要求l所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述三片式光学结构沿光轴方向依次包括第二双凸正透4竟；双凹负透镜，产生正球差并做轴向色差补偿；及弯月正透镜，其与该第二双凸正透镜共同补偿所述投影光学系统的高级球差和高级像散。5、如权利要求4所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述弯月正透镜的凸面朝向所述孔径光阑。6、如权利要求4所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述第一双凸正透镜、第二弯月厚透镜和第二双凸正透镜采用低折射率、低色散系数、高透过率的冕牌玻璃。7、如权利要求4所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述双凹负透镜采用低折射率、低色散系数、高透过率的冕牌玻璃。8、如权利要求1所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述折反射投影光学系统所有光学元件的表面均为球面或平面。9、如权利要求1所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述直角反射棱镜及弯月正透镜釆用低折射率、低色散系数的熔石英玻璃。10、如权利要求1所述的折反射投影光学系统，其特征在于所述第一弯月厚透镜采用高折射率、高色散系数、高透过率的火石玻璃。全文摘要本发明提供了一种折反射投影光学系统，用于将置于其物平面内的图形成像到其像平面内，沿其光轴方向依次包括前(后)组、凹球面反射镜。上述前组与后组共用同一组光学元件，沿其光轴方向依次包括直角反射棱镜，第一双凸正透镜，第一弯月厚透镜，第二弯月厚透镜，及三片式光学结构。该凹球面反射镜，其上设置有孔径光阑，使本投影光学系统形成放大倍率为-1倍的完全对称式结构。因而，采用本发明的折反射投影光学系统，不仅能有效地校正像差，提升成像质量；而且可以有效地压缩该投影光学系统的总长，同时实现较长的工作距离。文档编号G02B17/08GK101216597SQ20071017357公开日2008年7月9日申请日期2007年12月28日优先权日2007年12月28日发明者蔡燕民申请人:上海微电子装备有限公司