专利名称：一种投影光学系统的制作方法
一种投影光学系统技术领域、
本发明涉及光刻系统中的投影光学系统，尤其涉及一种高分辨率的投影光学系统。
背景技术：
自70年代集成电路IC问世以来，经历了从小规模到超大规模的发展阶段，其进步得益于光刻的飞速发展。光刻是大规模集成电路制造中最重要的工序之一，光刻中使用的曝光设备，通过投影光学系统以分步重复或扫描方式将掩模上图形准确投影到涂有光刻胶的硅片上进行曝光，曝光质量的好坏对后续的显影、刻蚀、去胶工艺影响很大。随着集成电路制造的发展，对投影光学系统的分辨率要求也越来越高。根据瑞利法则，分辨率表达式如下
R = Ic1 λ /NA
上式中R代表光刻机的分辨率，Ic1代表工艺因子，λ代表投影光学系统的工作波长，NA代表投影光学系统的数值孔径。所以，为了提高分辨率，需要将光源的波长缩短或将投影光学系统的数值孔径增大。在过去的30多年中，投影光学系统波长已从436nm(g线) 缩短到365nm(i线)、进而转向深紫外波段的248nm(KrF准分子激光)、193nm(ArF准分子激光)。数值孔径由最初的O. 3逐渐增大，但是，采用大数值孔径的投影光学系统必须使用更多的镜片来校正系统的各种像差以获得波像差RMS和畸变均控制在Inm内的高像质要求的投影光学系统。在美国专利US6349005B1中，实施例3所述的投影光学系统的工作波长为 248. 38nm,由31片镜片构成，但波像差RMS与畸变都较大。波像差RMS约13m λ，即3. 2nm， 畸变约为3nm。数值孔径仅为O. 7。在美国的另一专利US6522484B1中，实施例6所述的投影光学系统的工作波长为193nm，由31片镜片构成，但畸变仍然较大，约为2nm。数值孔径仅为O. 7。在上述的两专利中，虽然投影光学系统的镜片数量都超过了 30片，但波像差RMS 与畸变仍然较大，不满足要求；同时，镜片数量太多，加工、检测及装调成本也跟着增加。并且，两个投影光学系统的数值孔径都只有O. 7。另外，专利US6522484B1中实施例6所述的投影光学系统，物方工作距和像方工作距仅为13mm、12mm，物方工作距和像方工作距太短， 给掩模和硅片工件台的设计及加工、掩模和硅片的定位控制带来很大的困难。发明内容
为了解决现有技术方案中投影光学系统镜片数量过多、波像差RMS与畸变较大、 数值孔径较小、物方工作距和像方工作距太短的问题，本发明的目的在于提供一种镜片数量较少、波像差RMS与畸变较小、数值孔径更大的投影光学系统。此外，该投影光学系统还能提供较大的物方和像方工作距，这大大降低了掩模和硅片工件台的设计及加工难度、掩模和硅片的定位控制难度，并且该投影光学系统还能提供高分辨率。
为实现上述目的，本发明提供一种投影光学系统，用于将物面内的图案投射到像平面上，沿投影光学系统光轴方向安置有第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组，并且第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组处于同一光轴，从光束入射方向顺序第一透镜组具有负光焦度、第二透镜组具有正光焦度、第三透镜组具有负光焦度、第四透镜组具有正光焦度和第五透镜组具有正光焦度，其中第一透镜组，接收输入光束，对物面发出的光束进行发散，得到并输出第一发散光束；第二透镜组，接收第一发散光束，对第一发散光束进行发散，得到并输出第二发散光束；第三透镜组， 接收第二发散光束，对第二发散光束进行会聚，得到并输出第一会聚光束；第四透镜组，接收第一会聚光束，对第一会聚光束进行发散，得到并输出第三发散光束；第五透镜组，接收第三发散光束，对第三发散光束进行会聚，得到第二会聚光束，并将第二会聚光束会聚到像面。
本发明采用的上述技术方案与现有技术相比，具有以下的优点
I、本发明的投影光学系统的五个透镜组Gl至G5仅采用二十一片透镜，但投影光学系统的波像差RMS减小到了 O. 8nm，投影光学系统的畸变减小到了 O. 6nm。
2、本发明的数值孔径更大，可达到O. 75。
3、本发明的投影光学系统物方和像方工作距分别增加到了 68mm、18mm，给掩模和硅片工件台的设计及加工提供了更大的自由度，降低了掩模和硅片的定位控制难度。、
4、本发明的投影光学系统，采用了三个非球面，以满足投影光学系统的波像差RMS 和畸变均控制在Inm内的高成像质量要求，本发明的结构大大减少了镜片的数量，且系统没有胶合元件。因此整个系统结构简单，降低了加工、检测、装调成本。5、本发明的投影光学系统中所有透镜只使用同一种材料，降低了加工、检测成本。
图1为本发明的投影光学系统的结构示意图2a、图2b为投影光学系统在全视场范围内光学调制传递函数示意图
图3为投影光学系统像散、场曲与畸变示意图4为显影后的线条外形；
图5为系统的工艺窗口。
图中部件说明
1-第一正透镜、2_第一弯月透镜、
3-第一负透镜、4_第二负透镜、
5_第二正透镜、6_第三正透镜、
7-第四正透镜、8-第五正透镜、
9-第二负透镜、10-第四负透镜、
11-第五负透镜z、12-第二弯月透镜、
13-第六正透镜、14-第七正透镜、
15-第三弯月透镜16-第八正透镜、
17-第九正透镜、18-第十正透镜、
19-第六负透镜、20-第四弯月透镜、
21-第i^一正透镜。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面将结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步描述。
图1为本发明投影光学系统结构示意图，投影光学系统用于将物面内的图案投射到像平面上，沿投影光学系统光轴方向安置有第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组 G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5，并且第一透镜组Gl、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组处于同一光轴，从光束入射方向顺序第一透镜组Gl具有负光焦度、第二透镜组G2具有正光焦度、第三透镜组G3具有负光焦度、第四透镜组G4具有正光焦度和第五透镜组G5具有正光焦度，其中第 一透镜组G1，接收输入光束，对物面发出的光束进行发散，得到并输出第一发散光束；第二透镜组G2，接收第一发散光束，对第一发散光束进行发散，得到并输出第二发散光束；第三透镜组G3，接收第二发散光束，对第二发散光束进行会聚，得到并输出第一会聚光束；第四透镜组G4，接收第一会聚光束，对第一会聚光束进行发散，得到并输出第三发散光束；第五透镜组G5，接收第三发散光束，对第三发散光束进行会聚，得到第二会聚光束，并将第二会聚光束会聚到像面。
在上述的投影光学系统中，透镜组Gl至G5共使用21片透镜，所述21片透镜包括第一正透镜I、第一弯月透镜2、第一负透镜3、第二负透镜4、第二正透镜5、第三正透镜6、 第四正透镜7、第五正透镜8、第三负透镜9、第四负透镜10、第五负透镜11、第二弯月透镜 12、第六正透镜13、第七正透镜14、第三弯月透镜15、第八正透镜16、第九正透镜17、第十正透镜18、第六负透镜19、第四弯月透镜20、第i^一正透镜21。
在上述的投影光学系统中，第一透镜组Gl包括第一正透镜I、第一弯月透镜2、第一负透镜3和第二负透镜4 ;第一弯月透镜2的出射面为第一非球面，利用第一非球面校正投影光学系统的像散、慧差、畸变。物面发出的光束依次经过第一正透镜I、第一弯月透镜 2、第一负透镜3、第二负透镜4实现四次发散,用于生成第一发散光束,并由第二负透镜4输出第一发散光束，所述第一发散光束宽度大于物面发出的光束的宽度。第一透镜组Gl中， 第二负透镜4的通光口径最大,达到了 153.4mm。
在上述的投影光学系统中，第二透镜组G2包括第二正透镜5、第三正透镜6 ;经第二负透镜4出射的第一发散光束依次经过第二正透镜5、第三正透镜6实现两次发散，用于生成第二发散光束，并由第三正透镜6输出第二发散光束，所述第二发散光束宽度大于第一发散光束的宽度。第二透镜组G2中，第三正透镜6的通光口径最大，达到了 255. 6mm。
在上述的投影光学系统中，第三透镜组G3包括第四正透镜7、第五正透镜8、第三负透镜9、第四负透镜10 ;经第三正透镜6出射的第二发散光束依次经过第四正透镜7、第五正透镜8、第三负透镜9、第四负透镜10实现四次会聚，用于生成第一会聚光束，并由第四负透镜10输出第一会聚光束,第一会聚光束宽度小于第二发散光束的宽度。第三透镜组G3 中，第四负透镜10的通光口径最小,达到了 119mm。
在上述的投影光学系统中，第四透镜组G4包括第五负透镜11、第二弯月透镜12、 第六正透镜13、第七正透镜14，经第四负透镜10出射的第一会聚光束依次经过第五负透镜 11、第二弯月透镜12、第六正透镜13、第七正透镜14实现四次发散，用于生成第三发散光束，并由第七正透镜14输出第三发散光束；所述第三发散光束宽度大于第一会聚光束的宽度。第四透镜组G4中，第七正透镜14的通光口径最大，达到了 234.8mm。
在上述的投影光学系统中，所述第五透镜组G5包括第三弯月透镜15、第八正透镜 16、第九正透镜17、第十正透镜18、第六负透镜19、第四弯月透镜20、第十一正透镜21 ’第十正透镜18的入射面为第二非球面，利用第二非球面校正投影光学系统的球差、慧差、匹兹凡场曲；第六负透镜19的出射面为第三非球面，利用第三非球面校正投影光学系统的球差、慧差、像散；经第七正透镜14出射的第三发散光束依次经过第三弯月透镜15、第八正透镜16、第九正透镜17、第十正透镜18、第六负透镜19、第四弯月透镜20实现六次会聚，用于生成第二会聚光束，并由第四弯月透镜20输出第二会聚光束，第i^一正透镜21将第二会聚光束输出到像面上，所述第二会聚光束宽度小于第三发散光束的宽度。第五透镜组G5中， 第H 正透镜21的通光口径最小，达到了 97mm。
在上述的投影光学系统中的五个透镜组Gl至G5共采用21片镜片，每一镜片都是折射式镜片，没有反射式镜片。采用全折射式镜片降低了投影光学系统的加工、检测、装调成本。
在上述的投影光学系统中，在第七正透镜14和第三弯月透镜15之间设置孔径光阑。所述投影光学系统的数值孔径为O. 75。
第一透镜组Gl、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4和到第五透镜组G5 分别采用折射率大于1. 5的光学材料制成的透镜组，所述光学材料是熔石英、氟化钙、氟化钡中的一种，或是熔石英和氟化钙、熔石英和氟化钡、氟化钙和氟化钡、熔石英和氟化钙及氟化钡中的一种组合。
本发明的投影光学系统实施例的工作过程为将物即掩模放于物镜系统的第一正透镜I前68mm处,各视场中心光线垂直入射第一正透镜I,光线经过第一透镜组Gl发散后进入第二透镜组G2，第二透镜组G2继续对光线进行发散。发散光束经过第三透镜组G3聚焦后，此时光学系统的通光口径达到最小。聚焦后的光束经第四透镜组G4发散到达系统的孔径光阑处，发散光束经第五透镜组G5折射聚焦，缩小四倍成像在第十一正透镜21后的像面即硅片上。该投影光学系统为物方和像方双远心结构。
为了提高分辨率，本发明的投影光学系统采用工作波长为193. 4nm的ArF准分子激光作为光源，数值孔径为O. 75。为了降低掩模和硅片工件台的设计及加工、掩模和硅片的定位控制难度，将物方和像方工作距分别增大至68mm和18mm。
为了降低加工、检测、装调成本，同时又满足大数值孔径、波像差RMS和畸变均控制在Inm内的高像质要求，本发明的投影光学系统所有透镜均处于同一光轴，仅由二十一片透镜组成，采用了三片含非球面的透镜。第一非球面位于第一弯月透镜2的出射面，利用第一非球面校正投影光学系统的像散、慧差、畸变。第二非球面位于第十正透镜18的入射面，利用第二非球面校正投影光学系统的球差、慧差、匹兹凡场曲。第三非球面位于第六负透镜19的出射面，利用第三非球面校正投影光学系统的球差、慧差、像散。当然，非球面的位置和数量可变换，但是投影光学系统的第一透镜组Gl或第二透镜组G2至少有I个非球面，第五透镜组G5至少有I个非球面。因为，只有采用这种结构，才能保证投影光学系统既满足数值孔径为O. 75的大数值孔径需求，又满足波像差RMS与畸变均控制在Inm以内的高像质要求。例如，所述非球面的数量还可以是四个非球面，非球面的位置是第一非球面位于第一弯月透镜2的入射面，第二非球面位于第三正透镜6的出射面，第三非球面位于第三弯月透镜15的出射面，第四非球面位于第九正透镜17的入射面。
为了制造方便和降低加工、检测成本，所述投影光学系统中所有透镜均使用熔石英(折射率为1.5602)作为透镜材料。当然，也可采用氟化钙或氟化呗，或者是组合使用熔石英和氟化钙、熔石英和氟化钡、氟化钙和氟化钡、熔石英和氟化钙及氟化钡，尤其是投影光学系统的工作波长不是单波长，而是在一定的光谱范围内时，最好采用上述提到的材料的两两组合，或同时使用三种材料，这利于投影光学系统，在光学设计中，对于多波长系统， 必须要用两种或两种以上的材料来校正色差。
本实施例通过以下技术措施实现照明光源为ArF激光器，光源波长为193. 4nm， 投影光学系统的数值孔径NA = O. 75，波像差RMS为O. 8nm,畸变为O. 6nm，投影光学系统缩小倍率为4倍。
表I给出了本实施例的投影光学系统的每一片透镜的具体参数值。表中的“序号” 是从光线入射端开始排列，第一正透镜I的光束入射面为序号SI,光束出射面为序号S2, 其它镜面序号以此类推；“半径”分别给出每个表面所对应的曲率半径；“间距”给出相邻两个表面之间沿光轴的中心距离，如果两个表面属于同一块镜片，则间距表示该镜片的厚度。 如果两个表面不属于同一镜片，则间距表示相邻两镜片之间的距离。各透镜的具体参数如下
表I
权利要求
1.一种投影光学系统，其特征在于用于将物面内的图案投射到像平面上，沿投影光学系统光轴方向安置有第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)，并且第一透镜组(Gl)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)处于同一光轴，从光束入射方向顺序第一透镜组(Gl)具有负光焦度、第二透镜组(G2)具有正光焦度、第三透镜组(G3)具有负光焦度、第四透镜组(G4)具有正光焦度和第五透镜组(G5)具有正光焦度，其中 第一透镜组(Gl)，接收输入光束，对物面发出的光束进行发散，得到并输出第一发散光束； 第二透镜组(G2)，接收第一发散光束，对第一发散光束进行发散，得到并输出第二发散光束； 第三透镜组(G3)，接收第二发散光束，对第二发散光束进行会聚，得到并输出第一会聚光束； 第四透镜组(G4)，接收第一会聚光束，对第一会聚光束进行发散，得到并输出第三发散光束； 第五透镜组(G5)，接收第三发散光束，对第三发散光束进行会聚，得到第二会聚光束，并将第二会聚光束会聚到像面。
2.根据权利要求I所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(Gl)包括第一正透镜(I)、第一弯月透镜(2)、第一负透镜(3)和第二负透镜(4);第一弯月透镜(2)的出射面为第一非球面，利用第一非球面校正投影光学系统的像散、慧差、畸变；物面发出的光束依次经过第一正透镜(I)、第一弯月透镜(2)、第一负透镜(3)、第二负透镜(4)实现四次发散，用于生成第一发散光束，并由第二负透镜(4)输出第一发散光束,所述第一发散光束宽度大于物面发出的光束的宽度。
3.根据权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜组(G2)包括第二正透镜(5)、第三正透镜￠);经第二负透镜(4)出射的第一发散光束依次经过第二正透镜(5)、第三正透镜(6)实现两次发散,用于生成第二发散光束,并由第三正透镜(6)输出第二发散光束，所述第二发散光束宽度大于第一发散光束的宽度。
4.根据权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组(G3)包括第四正透镜(7)、第五正透镜(8)、第三负透镜(9)、第四负透镜(10);经第三正透镜(6)出射的第二发散光束依次经过第四正透镜(7)、第五正透镜(8)、第三负透镜(9)、第四负透镜(10)实现四次会聚，用于生成第一会聚光束，并由第四负透镜(10)输出第一会聚光束，所述第一会聚光束宽度小于第二发散光束的宽度。
5.根据权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于，所述第四透镜组(G4)包括第五负透镜(11)、第二弯月透镜(12)、第六正透镜(13)、第七正透镜(14)，经第四负透镜(10)出射的第一会聚光束依次经过第五负透镜(11)、第二弯月透镜(12)、第六正透镜(13)、第七正透镜(14)实现四次发散，用于生成第三发散光束，并由第七正透镜(14)输出第三发散光束；所述第三发散光束宽度大于第一会聚光束的宽度。
6.根据权利要求5所述的投影光学系统，其特征在于，所述第五透镜组(G5)包括第三弯月透镜(15)、第八正透镜(16)、第九正透镜(17)、第十正透镜(18)、第六负透镜(19)、第四弯月透镜(20)、第十一正透镜(21);第十正透镜(18)的入射面为第二非球面，利用第二非球面校正投影光学系统的球差、慧差、匹兹凡场曲；第六负透镜(19)的出射面为第三非球面，利用第三非球面校正投影光学系统的球差、慧差、像散。经第七正透镜(14)出射的第三发散光束依次经过第三弯月透镜(15)、第八正透镜(16)、第九正透镜(17)、第十正透镜(18)、第六负透镜(19)、第四弯月透镜(20)实现六次会聚，用于生成第二会聚光束，并由第四弯月透镜(20)输出第二会聚光束，第十一正透镜(21)将第二会聚光束输出到像面上，所述第二会聚光束宽度小于第三发散光束的宽度。
7.根据权利要求6所述的投影光学系统，其特征在于，所述透镜(I)至(21)分别采用折射式镜片，没有反射式镜片。
8.根据权利要求6所述的投影光学系统，其特征在于，在第七正透镜(14)和第三弯月透镜(15)之间设置孔径光阑。
9.根据权利要求I所述的投影光学系统，其特征在于，所述系统的数值孔径为0.75。
10.根据权利要求I所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(G1)、第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)、第四透镜组(G4)和到第五透镜组(G5)分别采用折射率大于I.5的光学材料制成的透镜组，所述光学材料是熔石英、氟化钙、氟化钡中的一种，或是熔石英和氟化钙、熔石英和氟化钡、氟化钙和氟化钡、熔石英和氟化钙及氟化钡中的一种组合。
全文摘要
本发明提供一种投影光学系统，沿投影光学系统光轴方向依次安置第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组并处于同一光轴；第一透镜组和第三透镜组具有负光焦度；第二透镜组、第四透镜组和第五透镜组具有正光焦度；第一透镜组接收输入光束并输出第一发散光束；第二透镜组接收第一发散光束并输出第二发散光束；第三透镜组接收第二发散光束并输出第一会聚光束；第四透镜组接收第一会聚光束并输出第三发散光束；第五透镜组接收第三发散光束并输出第二会聚光束，将第二会聚光束会聚到像面。本发明在高分辨率和大数值孔径的条件下，有效地减少镜片数量、降低系统的加工、检测、装调成本，同时也能提供较大的物方和像方工作距。
文档编号G02B13/18GK102981249SQ20121036071
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者冉英华, 邢廷文, 张海波, 吕保斌, 陈红丽, 白瑜 申请人:中国科学院光电技术研究所