一种大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种大数值孔径的折反射浸没投影光学系统。本发明中大数值孔径的折反射浸没投影光学系统由多个透镜和四个反射镜组成。从物面到像面依次可分为四个镜组。其中，第一透镜组具有正光焦度，且相对于其他镜组沿径向有一定距离偏移，有利于压缩后续光路，从而减小后续光路中透镜和反射镜的口径。本发明中的投影光学系统数值孔径大、像差小。相对于其他投影物镜，其最大优势在于达到较大数据孔径的同时，系统中透镜和反射镜的口径较小，从而降低对光学材料的尺寸要求，减小制造成本，降低镜片的加工、检测难度。
【专利说明】一种大数值孔径的折反射浸没投影光学系统 【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及一种工作于紫外波段的投影光学系统，特别涉及一种大数值孔径（数 值孔径可达1. 35)的折反射浸没投影光学系统。 【背景技术】
[0002] 光学光刻是现代超大规模集成电路的最主要生产方法。随着需要的发展，光学投 影光刻技术是目前大规模低成本生产大规模集成电路的最有效方法，该技术生产效率高， 技术成熟稳定，广泛应用于平板显示、半导体照明等半导体产业。随着超大规模集成电路 (VLSI)的发展，其集成度越来越高，其关键尺寸也变得越来越小，现在主流电子产品关键尺 寸都在28nm，正向22nm大规模低成本化发展。这对光刻机曝光系统的光学性能提出了更高 的要求。
[0003] 要减小电子产品的关键尺寸，只有两种途径。一种是减小波长，使用波长更短的紫 外光；另一个途径就是增加光刻投影物镜的像方数值孔径。现阶段主要是使用193nm的ArF 紫外光。在波长不变的情况下，为了减小电子产品的关键尺寸，只有增加光刻投影物镜的像 方数值孔径。对于干式曝光，光刻投影物镜的像方数值孔径在达到〇. 93后，已无法继续增 力口。为了增加像方数值孔径，只有增加投影物镜最后一面透镜材料在使用波长的折射率或 增加最后一面与像面之间的折射率。相对更换透镜材料，在投影物镜最后一片透镜与像面 间充入折射率较高的液体，则是一种相对容易实现且成本较低的方法。
[0004] 对于大数值孔径光学系统而言，由于存在很大的匹兹瓦场曲，这将导致光学系统 的像面弯曲严重，而对于曝光半导体硅片而言，获得平场像是很重要的。为了获得平场像， 其中一个解决的方法就是将投影光学系统设计为折反射式投影光学系统，这个折反射投影 光学系统里包含折射元件和反射元件，由于凹面反射镜具有类似于正透镜光焦度但却有负 透镜场曲，利于矫正场曲。因此，折反射投影光学系统中由于有一个或多个凹面反射镜。从 而能很好地校正系统场曲。为了结构上的需要，凹面反射镜一般成对出现，即系统中的反射 镜数量为偶数。
[0005] 随着投影物镜像方数值孔径的增大，光学系统中透镜和反射镜的口径也急剧增 大，这对光学材料的尺寸提出更高要求，给生产、加工大口径高质量的光学元件带来严重困 难。同时也对检测提出更高要求。
[0006] 本发明中涉及的投影光学系统在很好地实现系统的大数值孔径的同时，很好地解 决了由系统的大数值孔径带来的像面弯曲和光学元件尺寸过大的问题。另外，与纯折射系 统相比，本发明中的系统更好地解决了由大数值孔径带来的元件尺寸过大的问题。当投影 物镜像方数值孔径达到1. 35时，光学元件的最大尺寸大约在300mm，甚至更大。在本专利中 涉及的投影物镜在像方数值孔径达到1. 35时，光学元件的尺寸都控制在240mm以内。光学 元件的口径减小20%。
[0007] 本发明的特点在于在实现系统大数值孔径、且保证了系统极高的成像质量和紧凑 的系统结构的同时，有效地减小了投影物镜中光学元件的口径，从而减小制造成本，降低元 件的加工和检测的难度。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，提 高曝光分辨率，减小系统尺寸。本发明提出了适用于深紫外光波长照明且数值孔径达到 1. 35的浸没投影光学系统，该光学系统结构紧凑、视场大、成像质量好，且具有较小的尺寸 和较少的材料消耗。
[0009] 本发明采用的技术方案为：一种大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，所述大 数值孔径投影光学系统沿其光轴方向包括第一透镜组G1、第二反射透射镜组G2、第三反射 镜组G3和第四透镜组G4。本发明中的大数值孔径折反射浸没投影物镜的第一透镜组G1具 有正光焦度，第二反射透射镜组G2具有负光焦度，第三透镜组G3具有正光焦度，第四透镜 组G4具有正光焦度，所述大数值孔径的投影光学系统包含了二十四片透镜和四片反射镜， 且包含多个非球面。
[〇〇1〇] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第一透镜组G1包含四 个透镜，其中第一片透镜为平行平板1，第二片透镜为双凸透镜2,第三片透镜为正弯月透 镜3,第四片透镜为正弯月透镜4。
[0011] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第一透镜组G1中的双 凸透镜2、正弯月透镜3、正弯月透镜4透镜沿垂直于系统光轴的方向具有偏离。
[0012] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第二反射透射镜组G2、 第三透镜组G3、第四透镜组G4沿垂直于系统光轴方向没有偏离。
[0013] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第二反射透射镜组G2 包含六片透镜和四个反射镜。其中第五片为凹反射镜5,第六片为凹反射镜6,第七片为双 凸透镜7,第八片为正弯月透镜8,第九片为正弯月透镜9,第十片为正弯月透镜10,第十一 片为凹反射镜11，第十二片为正弯月透镜12,第十三片为凹反射镜13,第十四片为正弯月 透镜14。
[0014] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第二反射透射镜组G2 中的第五片凹反射镜5、第六片凹反射镜6、第九片正弯月透镜9第一面、第十片正弯月透镜 10第一面、第十一片凹反射镜11、第十二片正弯月透镜12第一面、第十三片凹反射镜13、第 十四片正弯月透镜14第一面为非球面。
[0015] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第三透镜组G3包含九 片透镜。其中第十五片为双凸透镜15,第十六片为负弯月透镜16,第十七片为负弯月透镜 17,第十八片为正弯月透镜18,第十九片为正弯月透镜19,第二十片为负透镜20,第二十一 片为双凸透镜21，第二十二片为正弯月透镜22,第二十三片为双凸透镜23。
[0016] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第三透镜组G3中的第 十五片双凸透镜15的第二面、第十六片负弯月透镜16的第二面、第十七片负弯月透镜17 的第二面、第十九片正弯月透镜19的第一面、第二十片负透镜20的第一面、第二十一片双 凸透镜21的第一面、第二十三片双凸透镜23的第一面为非球面。
[0017] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第四透镜组G4包含五 片透镜。其中第二十五片为正弯月透镜25,第二十六片为正弯月透镜26,第二十七片为正 弯月透镜27,第二十八片为正弯月透镜28,第二十九片为正弯月透镜29。
[0018] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第四透镜组G4中的第 二十五片正弯月透镜25的第二面、第二十七片正弯月透镜27的第二面、第二十八片正弯月 透镜28的第二面为非球面。
[0019] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的最后一面与像面之间 的介质是高折射率液体，包括但不限于去离子水。
[0020] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第三透镜组G3与第四 透镜组G4之间设置系统孔径光阑24。
[0021] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统为双远心系统。
[0022] 本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统适用于深紫外照明光源， 包括但不限于波长为157nm、193. 3nm或248nm的光源。
[0023] 本发明与现有技术相比有以下优势：
[0024] 1.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第一透镜组G1、第 二反射透射镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4的光焦度分别为正、负、正和正，这种结 构能很好的校正系统像差。
[0025] 2.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第一透射镜组G1的 第一片透镜为平行平板1，可以在使用过程中按需要进行更换。
[0026] 3.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第一反射镜组G1具 有正光焦度，且沿垂直于光轴方向具有一定偏离。可以压缩光路，减小后续光学元件的尺 寸。
[0027] 4.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第二反射透射镜组 G2包含四个凹面反射镜，有得于校正系统场曲，提高成像质量。
[0028] 5.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的第二反射透射镜组 G2包含四个凹面反射镜可以折叠系统光路，使得系统结构紧凑。
[0029] 6.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的17个非球面是凹 面，只有1个非球面凸面，有得于降低加工和检测难度。
[0030] 7.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统为双远心系统，物方 和像方都是远心光路。因此，可以相对降低物面（掩模面）和像面30 (硅片面）的位置误 差。即使其实际位置相对于设计位置有较小偏差时，也不会造成投影物镜光学性能的显著 降低。
[0031] 8.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统中的像方数值孔径达 到 1. 35。
[0032] 9.本发明中涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统中的光学元件都具有 较小的口径，且光学元件的最大口径不大于240mm。 【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1为本发明的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的示意图。
[0034] 图2为本发明的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的视场设置示意图。图中 用斜线标示出的矩形为系统视场。
[0035] 图3为本发明的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统在全场范围内光学调制 传递函数；图中的英文MTF意思为调制传递函数；图中的英文DIFFRACTION UMT意思为衍 射极限；DEF0CUSING意思为离焦。图中的字母T意思为子午面内的调制度；图中的英文R 意思为弧矢面内的调制度，图中的英文FIELD意思为视场；图中的英文Mar意思是三月。
[0036] 图4为本发明的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统在像散和畸变像差曲线。 图中FOCUS意思为聚焦点；图中MILUMETERS意思为毫米；图中DISTORTION意思为相对畸 变。
[0037] 标号说明：1 一第一平行平板、2 -双凸透镜、3 -正弯月透镜、4 一正弯月透镜、 5 -凹反射镜、6 -凹反射镜、7 -双凸透镜、8 -正弯月透镜、9 一正弯月透镜、10 -正弯月 透镜、11 一凹反射镜、12 -正弯月透镜、13 -凹反射镜、14 一正弯月透镜、15 -双凸透镜、 16 -负弯月透镜、17 -负弯月透镜、18 -正弯月透镜、19 一正弯月透镜、20 -负透镜、21 - 双凸透镜、22 -正弯月透镜、23 -双凸透镜、24 -孔径光阑、25 -正弯月透镜、26 -正弯月 透镜、27 -正弯月透镜、28 -正弯月透镜、29 -正弯月透镜、30 -像面。标号9'和标号9" 所标示的透镜与标号9所标示的透镜是同一片透镜。标号10'所标示的透镜与标号10所 标示的透镜是同一片透镜。标号12'所标示的透镜与标号12所标示的透镜是同一片透镜。 【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0039] 图1为大数值孔径的折反射浸没投影光学系统示意图，共使用了二十四片透镜和 四片反射镜，从光束入射方向依次包括第一透镜组G1、第二反射透射镜组G2、第三反射镜 组G3和第四透镜组G4。第一透镜组G1具有正光焦度；第二反射透射镜组G2具有负光焦 度；第三透镜组G3具有正光焦度；第四透镜组G4具有正光焦度。像面33为硅片面。
[0040] 本发明所包含的第一透镜组G1沿垂直于光轴方向具有一定偏离量。第二反射透 射镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4中二十个透镜和四个反射镜共轴（系统光轴）， 即沿垂直于光轴方向没有偏离。
[0041] 本发明所包含的第一透镜组G1包含四个透镜，第一片为平行平板1，第二片透镜 为双凸透镜2,第三片透镜为正弯月透镜3,第四片透镜为正弯月透镜4。
[0042] 本发明所包含的第一透镜组G1的第一片透镜为平行平板1，作为整个投影物镜的 保护玻璃和密封窗口，可以在使用过程中按需要进行更换。
[0043] 本发明所包含的第一透镜组G1具有正光焦度，且沿垂直于光轴方向具有一定偏 离量。其主要作用在于将物面上的物点发射的光线压缩，如图1中所示，将图1中各视场点 的上光线向下折转，将图1中各视场点的下光线向上折转，从而减小后续光路中光学元件 的口径。
[0044] 本发明所包含的第二反射透射镜组G2包含六片透镜和四个反射镜，它们分别是： 第五片为凹反射镜5,第六片为凹反射镜6,第七片为双凸透镜7,第八片为正弯月透镜8,第 九片为正弯月透镜9,第十片为正弯月透镜10,第十一片为凹反射镜11，第十二片为正弯月 透镜12,第十三片为凹反射镜13,第十四片正弯月透镜14。其中第五片反射镜5和第十三 片反射镜13只使用反射镜的中上部分，第六片反射镜6和第十一片反射镜11，只使用反射 镜的中下部分。
[0045] 本发明所包含的第二反射透射镜组G2的第五片凹反射镜5、第六片凹反射镜6和 第七片双凸透镜7主要作用是将从第一透镜组出射的光线成实像于第七片双凸透镜7和第 八片正弯月透镜8之间的空气间隔中，并防止中间像面"落入"透镜内部。第八片正弯月透 镜8、第九片正弯月透镜9、第十片正弯月透镜10、第十一反凹反射镜11、第十二片正弯月透 镜12、第十三片凹反射镜13和第十四片正弯月透镜14主要作用在于一次实像面成像于第 十四片正弯月透镜14与第十五片双凸透镜15之间的空气间隔中，并防止中间像面"落入" 透镜内部。第二反射透射镜组G2具有负光焦度，且包含多个凹面反射镜，对于校正像差，尤 其是场曲具有很大作用。
[0046] 本发明所包含的第三透镜组G3包含九片透镜。其中第十五片为双凸透镜15,第 十六片为负弯月透镜16,第十七片为负弯月透镜17,第十八片为正弯月透镜18,第十九片 为正弯月透镜19,第二十片为负透镜20,第二i^一片为双凸透镜21，第二十二片为正弯月 透镜22,第二十三片为双凸透镜23。第三透射镜组G3具有正光焦度，为类双高斯结构。它 对于系统像方远心度和其他对称像差（如球差、畸变等）的校正有很大作用。
[0047] 本发明所包含的第四透镜组G4包含五片透镜。其中第二十五片为正弯月透镜25， 第二十六片为正弯月透镜26,第二十七片为正弯月透镜27,第二十八片为正弯月透镜28， 第二十九片为正弯月透镜29。第四透射镜组G4具有正光焦度，将物点最终成像于像面上， 并保证系统像方数值孔径达到设计要求。对于系统像方远心度、像差平衡也有一定作用。 [〇〇48] 本发明所涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的物面为掩膜面位置，像 面30为硅片面位置。物面和像面30之间的垂轴放大率为-0.25。负号表示物面与像面30 的方向是相反的。
[〇〇49] 本发明所涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统为双远心系统。所谓双远 心系统是指物面上每个点发出的光锥中，其在子午面内的主光线与光轴平行，且该光线在 子午面内也以平行于光轴的方向入射到像面上。前述的主光线是指物面上的点发射的经过 光阑中心的光线。本发明所涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统为双远心系统， 可以相对降低物面（掩模面）和像面30 (硅片面）的位置误差。即使其实际位置相对于设 计位置有较小偏差时，也不会造成投影物镜光学性能的显著降低。
[0050] 本发明所包含的第三透镜组G3和第四透镜组G4之间设置系统孔径光阑24。该孔 径光阑24可以为可变光阑，以调节系统数值孔径的大小。
[0051] 本发明所涉及的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统适用于深紫外照明光源， 在波长为193. 3nm的光源，具有很好的像质。当然也可以用于波长为248nm和157nm。
[0052] 表1给出了本发明实施例中的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统的基本参 数。具体参数请参考表1。
[0053] 表2给出了本发明实施例中的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统每片镜片 的具体参数。其中，表2中的"表面序号"是沿光线传播方向计数，如第一透镜组G1中仅有 的平行平板1的光束入射面为序号S1，光束出射面为序号S2,其它镜面序号以此类推；表2 中的"半径^示该面的曲率半径。其正负断定原则是：以该面顶点作为起点，终点为该面的 曲率中心。若连线方向与光线传播方向相同贝1J为正，反之为负。若该面为平面，该面曲率半 径为无穷大，具体设置视光学设计软件而定，也可以以一个很大的数值代替，如1E20 ;表2 中的"厚度"给出了相邻两个面在光轴上的距离。其正负判定原则是：以当前面顶点作为起 点，下一面顶点作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若两个面之 间的材料为玻璃，则该厚度表示透镜厚度，若两个面之间的没有材料，则表示两个透镜（或 者透镜与反射镜）之间的空气间隔。表2中的"半口径"是投影物镜像方数值孔径为1.35 时各个光学元件的半口径值。如果调整数值孔径数值，则光学元件半口径值也会改变。表 2中的"材料"为各个透镜的光学材料，缺省处为空气。
[0054] 表2中的所有长度单位为mm。
[0055] 表2A为表2的补充，它给出了各个非球面的非球面系数。
[0056] 表1投影物镜基本参数
[0057]
【权利要求】
1. 一种大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，用于将位于物平面的图案投影到像 平面上，所述大数值孔径的折反射浸没投影光学系统包括第一透镜组（G1)、第二反射透射 镜组（G2)、第三透镜组（G3)、第四透镜组（G4)，其特征在于：从光束入射方向的第一透镜 组（G1)具有正光焦度，第二反射透射镜组（G2)具有负光焦度，第三透镜组（G3)具有正光 焦度，第四透镜组（G4)具有正光焦度，所述大数值孔径的折反射浸没投影光学系统包含了 二十四片透镜和四片反射镜，且包含多个非球面。
2. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第一透镜组（G1)包含四片透镜，其中第一片透镜为平行平板（1)，第二片透镜为双凸透镜 (2)，第三片透镜为正弯月透镜（3)，第四片透镜为正弯月透镜（4)。
3. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第一透镜组（G1)中的双凸透镜（2)、正弯月透镜（3)、正弯月透镜（4)沿径向，相对于系统 光轴具有偏离。
4. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第二反射透射镜组（G2)、第三透镜组（G3)、第四透镜组（G4)在与光轴垂直方向没有偏离。
5. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第二反射透射镜组（G2)包含六片透镜和四片反射镜，其中第五片为凹反射镜（5)，第六片 为凹反射镜（6)，第七片为双凸透镜（7)，第八片为正弯月透镜（8)，第九片为正弯月透镜 (9)，第十片为正弯月透镜（10)，第十一片为凹反射镜（11)，第十二片为正弯月透镜（12)， 第十三片为凹反射镜（13)，第十四片为正弯月透镜（14)。
6. 如权利要求5所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第二反射透射镜组（G2)中的第五片凹反射镜（5)、第六片凹反射镜（6)、第九片正弯月透镜 (9)第一面、第十片正弯月透镜（10)第一面、第十一片凹反射镜（11)、第十二片正弯月透镜 (12)第一面、第十三片凹反射镜（13)、第十四片正弯月透镜（14)第一面为非球面。
7. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述 的第三透镜组（G3)包含九片透镜，其中第十五片为双凸透镜（15)，第十六片为负弯月透 镜（16)，第十七片为负弯月透镜（17)，第十八片为正弯月透镜（18)，第十九片为正弯月透 镜（19)，第二十片为负透镜（20)，第二i^一片为双凸透镜（21)，第二十二片为正弯月透镜 (22)，第二十三片为双凸透镜（23)。
8. 如权利要求7所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第三透镜组（G3)中的第十五片双凸透镜（15)的第二面、第十六片负弯月透镜（16)的第二 面、第十七片负弯月透镜（17)的第二面、第十九片正弯月透镜（19)的第一面、第二十片负 透镜（20)的第一面、第二十一片双凸透镜（21)的第一面、第二十三片双凸透镜（23)的第 一面为非球面。
9. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第四透镜组（G4)包含五片透镜，其中第二十五片为正弯月透镜（25)，第二十六片为正弯月 透镜（26)，第二十七片为正弯月透镜（27)，第二十八片为正弯月透镜（28)，第二十九片为 正弯月透镜（29)。
10. 如权利要求9所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述的 第四透镜组（G4)中的第二十五片正弯月透镜（25)的第二面、第二十七片正弯月透镜（27) 的第二面、第二十八片正弯月透镜（28)的第二面为非球面。
11. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：系统中 后一面与像面之间的介质是高折射率流体，包括但不限于去离子水。
12. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：在第三 透镜组（G3)与第四透镜组（G4)之间设置系统孔径光阑（24)。
13. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述大 数值孔径的折反射浸没投影光学系统为双远心系统。
14. 如权利要求1所述的大数值孔径的折反射浸没投影光学系统，其特征在于：所述 大数值孔径的折反射浸没投影光学系统适用于深紫外照明光源，波长为157nm、193. 3nm或 248nm的光源。
【文档编号】G03F7/20GK104062746SQ201410283831
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】吕保斌, 邢延文, 林妩媚, 白瑜, 邓超, 朱红伟, 廖志远, 刘志祥 申请人:中国科学院光电技术研究所