专利名称：：一种全折射式投影光学系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及投影物镜系统的光学设计，特别涉及用于半导体光刻等相关领域的投影物镜系统的光学设计。
背景技术：
：投影光刻技术已经成功用于亚微米分辨率集成电路制造领域。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(Bumping)、硅片级芯片尺度封装(WLCSP)技术等领域，并且对于低分辨率投影物镜系统不断提出改进提高性能的需求。美国专利US.6,879,383(公开日2005年4月12日)提出了一种折反射投影光学系统，与全折射结构相比，最大缺点是横向尺寸大，导致对透镜材料的要求十分高，尤其是大口径的凹面反射镜的加工、检测要求都十分苛刻。而且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，其光学总长达到1150mm~1200mm以上。而实际用于投影光刻机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英寸厚掩模版的掩模台设计提出苛刻的限制。该专利提供其光学系统成像质量为中心点亮度，即斯特列尔比(StrehlRatio)大于0.95，对应的RMS波像差为0.036X。另外，该专利采用1个非球面来增加工作距离到11mm,压缩光学总长到1150mm,此非球面的引入将给光学加工、光学检测等工作带来很大的困难。全折射结构，与折反射结构相比，在校正单色像差方面有天然的优势，而如果选用合适的光学材料组合，可以校正位置色差、倍率色差等。同时，全折射结构在视场尺寸、工作距离、装校要求、成本等方面也比折反射结构具有更大的优势。申请号为200310100169.6的中国专利(2005年4月20日)给出了一种双远心物镜结构，涉及生物芯片检测，但是没有给出物镜结构数据、也没有给出成像质量数据。申请号为98113037.2的中国专利(2000年6月14日)提出了一种像方远心双高斯系统，涉及精密光学仪器，虽然提供物镜结构数据，并给出成像质量曲线及数据，但是像差校正根本不满足光刻技术的要求，而且还有2个胶合面也不符合光刻技术要求。申请号为200710040304.0的中国专利，提供满足凸块(Bumping)光刻技术的投影光学系统，像方视场可以获得期望值，但是存在像方数值孔径的限制，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。申请号为200710170750.3的中国专利，提供满足凸块(Bumping)光刻技术的投影光学系统，像方视场可以获得期望值，但是存在像方数值孔径的限制，而且因透镜材料选取而存在一定的材料内部吸收问题该专利选用3种光学材料，其中PBL26Y玻璃的透过率为99.6%@i-line、99.8%@h-line、99.9%@g-line;SFPL51Y玻璃的透过率为99.7%@i-line、99.9%@gh-lines;SI02材料的透过率为99.9%@ghi-lines(以上数据均是对10mm厚光学材料)。申请号为200710173558.X的中国专利，提供满足凸块(Bumping)光刻技术的投影光学系统，像方视场可以获得期望值，但是存在像方数值孔径的限制，而且因透镜材料选取而存在材料内部吸收较大的问题。
发明内容本发明的目的在于提供一种成像质量良好、双远心控制良好的实用的投影光学系统，以提高投影物镜系统的工作距离，为工件台和掩模台提供较大的设计空间。为了达到上述目的，本发明提供一种全折射式投影光学系统，沿其光轴方向从物面到像面依次排列前组、孔径光阑和后组，该前组和该后组的透镜组件以该孔径光阑为对称面光学结构完全对称。该前组从物面一侧顺次排列第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜。该后组从物面一侧顺次排列第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜、第十八透镜。该孔径光阑放置于该第九透镜和该第十透镜之间。该第一透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十八透镜可以使用高透过率的光学玻璃SFPL51Y。该第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜可以使用高透过率的光学玻璃PBL1Y。该第一透镜是双凹负透镜；该第二透镜是凹面朝向物面一侧的弯月厚透镜；该第三透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第四透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第五透镜是双凹负透镜；该第六透镜是双凸正透镜；该第七透镜是双凹负透镜；该第八透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；该第九透镜是双凸正透镜。该前组的后焦点^立于该孔径光阑的中心。该后组的前焦点位于该孔径光阑的中心。该光学系统每一透镜的光学表面均为球面。本发明选择透过率都大于99.9%的两种光学材料，冕牌玻璃SFPL51Y的透过率为99.9%@gh-lines,火石玻璃PBL1Y的透过率为99.9%@gh-lines(以上数据均是对10mm厚光学材料)。在宽带光(g线、h线)工作条件下，像方凄t值孔径达到0.25，像方视场较大(视场半径24.6mm),放大倍率为-1倍，可以达到很高的成像质量(视场内最大的RMS波像差小于0.032AM3nm,对应的斯特列尔比(StrehlRatio)大于0.96,成像质量优于
背景技术：
中提到的专利)，同时，最大远心角误差小于0.16。-2.8mrad,倍率误差为-1.7ppm。本发明的投影光学系统，其物方和像方工作距离都达到15.312mm,而光学总长(物像共轭距)小于腦0mm。本发明的投影光学系统，各项指标均达到实际应用的要求，像方数值孔径达到0.25,系统的最高光学分辨率能达到0.418阿(对于占空比1:1周期性物体的半周期长度)。像方视场半径达到24.6mm,可以提供44.0mmx22.0mm的矩形像方视场，足以满足凸块(Bumping)封装光刻机用于44mmx22mm视场尺寸芯片封装的技术要求，并且选择高透过率光学材料，可以适用于大剂量曝光技术要求。图1是本发明的投影光学系统的光路图2是本发明的投影光学系统的传递函数MTF。具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。如图1所示，本发明提供了一种投影光学系统，其像方数值孔径达到0.25，工作波长为436nm、405nm,即光学领域上定义的g线、h线，像方视场半径是24.6mm,可以提供44.0mmx22.0mm的矩形视场，其作用是将物面的图形投影成像在像面上。该投影光学系统为对称式结构，即从物面一侧顺次包含前组、孔径光阑、后组，并且前组和后组的各透镜组元以孔径光阑面为对称面光学结构完全对称(表面半径、间隔相等，光学材料一致)，；改大倍率为-l。倍率为-l的对称式结构可以有下列优点根据初级像差理论，垂轴像差彗差、畸变、倍率色差自动校正为零，采用前组和后组分别校正轴向像差的方案。该投影光学系统共包括18块透镜，其中前组从物面一侧顺次由第l透镜至第9透镜组成，后组的9块透镜与前组透镜分别对称。该投影光学系统前组的后焦点和后组的前焦点重合，并与孔径光阑中心重合，构成双远心的结构。双远心性能由远心角误差(包括物方和像方远心角误差)来评价，该投影光学系统的最大远心角误差小于0.16°=2.8mrad(该数字从图2的传递函数MTF中可以看出。由于是对称结构，物方和像方远心角误差都是这个值)，满足设计要求。双远心结构，保证放大倍率不随着物面和像面沿光轴方向的移动而变化。物空间和像空间的成像光锥都是对称的，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物镜。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的投影高度仍然没有改变，即放大倍率没有改变。该投影光学系统前组的透镜Ll是双凹负透镜，透镜L2是凹面朝向物面一侧的弯月厚透镜，透镜L3和透镜L4是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜。透镜L5和透镜L7是双凹负透镜，透镜L6和透镜L9是双凸正透镜，透镜L8是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜。目前的封装工艺，如凸块工艺(Bumping)的投影光刻技术，使用的曝光剂量4艮大，通常可以达到3000mJ/cm2,甚至更大，这样导致的后果就是投影物镜热效应(LensHeatingEffect)很大，引起投影物镜像质的严重劣化。因此，实际工艺情况要求投影物镜在设计阶段就需要密切关注光学材料的吸收问题。基于这些考虑，本专利选择日本OHARA公司的2种高透射率光学玻璃PBL1Y、SFPL51Y,它们在g线、h线的透射率都大于99.9。/。，这表示它们对光能的吸收比较小(小于0.1%),有利于降低物镜热效应影响。前组的9块透镜通过这两种高透射率光学玻璃(PBL1Y为火石玻璃、SFPL51Y为冕牌玻璃)的优化组合，可以有效地校正前组的位置色差。同时，前组的球差、像散和场曲也得到很好的校正，即轴向像差都得到很好的校正。本发明的投影光学系统后组从孔径光阑顺次包括透镜L10至L18，它们的光学参数与前组的透镜L9至透镜L1的光学参数分别关于孔径光阑对称。这样，前组和后组的各透镜组元以孔径光阑面为对称面光学结构完全对称，那么垂轴像差彗差、畸变、倍率色差自动校正为零。孔径光阑位置放置在第9透镜L9和第10透镜L10之间。通过上述投影光学系统的光学设计，在宽带光(g线、h线)工作条件下，可以有效地获得高成像质量(视场内最大的RMS波像差小于0.032X=13nm，对应的斯特列尔比(StreWRatio)大于0.96,成像质量优于
背景技术：
中提到的专利)，同时，最大远心角误差小于0.16°=2.8mrad，倍率误差为-1.7ppm。物像共轭距小于1000mm,物方和像方工作距为15.312mm。该投影光学系统典型的设计数据参见表1和表2。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1.一种全折射式投影光学系统，沿其光轴方向从物面到像面依次排列前组、孔径光阑和后组，其特征在于所述前组和所述后组的透镜组件以所述孔径光阑为对称面光学结构完全对称；所述前组从物面一侧顺次排列第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜；所述后组从物面一侧顺次排列第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜、第十八透镜；所述孔径光阑放置于所述第九透镜和所述第十透镜之间。2、根据权利要求l所述的全折射式投影光学系统，其特征在于所述第一透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十八透镜可以使用高透过率的冕牌玻璃SFPL51Y。3、根据权利要求1所述的全折射式投影光学系统，其特征在于所述第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第十四透4竟、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜可以使用高透过率的火石玻璃PBL1Y。4、根据权利要求1所述的全折射式投影光学系统，其特征在于所述第一透镜是双凹负透镜；所述第二透镜是凹面朝向物面一側的弯月厚透镜；所述第三透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；所述第四透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；所述第五透镜是双凹负透镜；所述第六透镜是双凸正透镜；所述第七透镜是双凹负透镜；所述第八透镜是凹面朝向物面一侧的弯月正透镜；所述第九透镜是双凸正透镜。5、根据权利要求l所述的全折射式投影光学系统，其特征在于所述前组的后焦点位于所述孔径光阑的中心。6、根据权利要求1所述的全折射式投影光学系统，其特征在于所述后组的前焦点位于所述孔径光阑的中心。7、根据权利要求1所述的全折射式投影光学系统，其特征在于所述每一透镜的光学表面均为球面。全文摘要本发明公开了一种用于半导体光刻领域的全折射式投影光学系统，选择透过率都大于99.9％的两种光学材料，在宽带光(g线、h线)工作条件下，像方数值孔径达到0.25，像方视场较大(视场半径24.6mm)，放大倍率为-1倍，可以达到很高的成像质量(斯特列尔比StrehlRatio大于0.96)，同时，最大远心角误差小于0.16°＝2.8mrad，倍率误差为-1.7ppm。本发明的投影光学系统，其物方和像方工作距离都达到15.312mm，而光学总长小于1000mm。本发明的投影光学系统，各项指标均达到实际应用的要求，足以应用于凸块(Bumping)封装光刻机44mm×22mm尺寸芯片封装的技术要求，并且选择高透过率光学材料，可以适用于大剂量曝光要求。文档编号G02B1/00GK101290389SQ20081003768公开日2008年10月22日申请日期2008年5月20日优先权日2008年5月20日发明者刘国淦,段立峰,帆王,蔡燕民申请人:上海微电子装备有限公司