一种宽谱线投影光学系统和光刻设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种宽谱线投影光学系统和光刻设备。宽谱线投影光学系统为在物方和像方皆接近远心光路的缩小的投影光学系统，其从物平面到像平面依次包括具有正光焦度的第一镜组、可变孔径光阑、第二镜组和具有正光焦度的第三镜组。第二镜组满足关系式：vd＝(nd－1)/(nF－nC)，nd＜1.65且vd＞65的正透镜最少有2个，nd＞1.50且vd＜55的负透镜最少有2个。第三镜组中，最接近像平面的透镜为负透镜，负透镜具有一个面向像平面的凹面，且满足以下关系式：nd＜1.66且vd＞58，0.6＜ri/ti＜5.0。各镜组满足关系式：0.05<f1/L<1.3，|f2|/L>0.3，0.03<f3/L<0.8。
【专利说明】一种宽谱线投影光学系统和光刻设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微细加工用光刻设备的光学系统，尤其涉及一种宽谱线投影光学 系统和应用所述宽谱线投影光学系统的光刻设备，所述宽谱线投影光学系统主要应用于微 机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)，半导体、太阳能电池、液晶、印刷电 路板等光刻系统以及照相制版的投影光学系统。
【背景技术】
[0002] 随着投影光刻技术的发展，投影光学系统的性能逐步提高，投影光学系统已经可 以适用于多种微细加工用领域。高产率的投影光学系统需求日益增加。在使用宽光谱光源 如汞灯时，希望尽可能同时使用多种特征谱线，这样可以成倍提高产率。超高压水银灯光源 的特征谱线如图2所示。
[0003] 专利CN 101063743公开了一种光刻镜头，包含12个镜片。对轴向色差的二次光谱 没能充分校正，仅能使用光谱g线和i线，难以满足产率需求。
[0004] 在很多电路基板的实际生产过程中，由不同的设备生产制造的基板，其图形尺寸 和倍率会有细微差异，同时在各种物理和化学加工处理过程中，基板会有细微的膨胀或收 缩，也会导致基板图形尺寸的变化，而且不同的基板的图形尺寸变化也不尽相同。所以在很 多基板的生产制造过程中，尤其是多层基板需要层间定位过程中，为了提高定位精度和布 线密度，需要根据实际基板的图形尺寸或倍率变化，修正或调节投影光学系统的投影倍率。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宽谱线投影光学系统和应用所 述宽谱线投影光学系统的光刻设备（如光刻机），实现了光学系统的球面像差、彗差、像散、 像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正。尤其对轴向色差 的二级光谱校正良好，又可以降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
[0006] 同时在保持良好的双远心投影光学特性和良好的光学成像质量的条件下，可以方 便有效地修正或调节投影倍率的光学系统。
[0007] 本发明是这样实现的，一种宽谱线投影光学系统，其用于将物平面内的图形成像 到像平面内，所述宽谱线投影光学系统从放大一侧到缩小一侧沿其光轴方向，即从物平面 到像平面依次包括第一镜组（G1)、光阑（AS)、第二镜组（G2)和第三镜组（G3);所述宽谱 线投影光学系统为在物方和像方皆为接近远心光路的缩小的投影光学系统，第一镜组（G1) 和第三镜（G3)组均具有正光焦度，光阑（AS)在第一镜组（G1)与第三镜组（G3)中间，
[0008] 第二镜组（G2)满足关系式：
[0009] vd = (nd - 1) / (nF - nC),
[0010] nd < 1. 65且vd > 65的正透镜最少有2个，
[0011] nd > 1. 50且vd < 55的负透镜最少有2个，
[0012] 其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，
[0013] nF为波長486nm的F线折射率，
[0014] nd为波長587nm的d线折射率，
[0015] nC为波長656nm的C线折射率；
[0016] 第三镜组（G3)中，最接近所述像平面的透镜为负透镜，所述负透镜具有一个面向 所述像平面的凹面，且满足以下关系式：
[0017] nd < 1. 66,
[0018] vd > 58,
[0019] 0. 6 < ri/ti < 5. 0,
[0020] 其中，ri为所述负透镜的凹面的曲率半径，
[0021] ti为所述负透镜的凹面到所述像平面之间的距离；
[0022] 第一镜组（G1)、第二镜组（G2)、第三镜组（G3)各镜组之间满足关系式：
[0023] 0. 05<fl/L<l. 3,
[0024] f2|/L>0. 3,
[0025] 0. 03<f3/L<0. 8,
[0026] 其中，fl为第一镜组（G1)的组合焦距，
[0027] f2为第二镜组（G2)的组合焦距，
[0028] f3为第三镜组（G3)的组合焦距，
[0029] L为物平面到像平面之间的距离。
[0030] 作为上述方案的进一步改进，第三镜组（G3)中，nd > 1. 50且vd < 54的正透镜 最少有1个。
[0031] 作为上述方案的进一步改进，第一镜组（G1)中，nd > 1. 50且vd < 54的正透镜 最少有1个。
[0032] 作为上述方案的进一步改进，第二镜组（G2)沿该宽谱线投影光学系统的光轴方 向依次包括第四透镜（L4)、第五透镜（L5)、第六透镜（L6)、第七透镜（L7)、第八透镜（L8)、 第九透镜（L9)、第十透镜（L10)、第十一透镜（L11)，第四透镜（L4)、第六透镜（L6)、第八透 镜（L8)与第十透镜（L10)均具有负光焦度，第五透镜（L5)、第七透镜（L7)、第九透镜（L9)、 第十一透镜（L11)均具有正光焦度。优选地，第四透镜（L4)具有一个面向该像平面的凹面， 第十透镜（L10)为双凹透镜，第五透镜（L5)、第九透镜（L9)、第十一透镜（L11)均为双凸透 镜，第六透镜（L6)、第八透镜（L8)均具有一个面向该物平面的凹面，第七透镜（L7)具有一 个面向该像平面的凸面。
[0033] 作为上述方案的进一步改进，第三镜组（G3)沿该宽谱线投影光学系统的光轴方 向依次包括第十二透镜（L12)、第十三透镜（L13)、第十四透镜（L14)、第十五透镜（L15)、 第十六透镜（L16)，第十二透镜（L12)、第十三透镜（L13)、第十四透镜（L14)均具有正光焦 度，第十五透镜（L15)、第十六透镜（L16)均具有负光焦度；第十二透镜（L12)、第十三透镜 (L13)、第十四透镜（L14)均具有一个面向该物平面的凸面，第十五透镜（L15)、第十六透镜 (L16)均具有一个面向该像平面的凹面。
[0034] 作为上述方案的进一步改进，第一镜组（G1)沿该宽谱线投影光学系统的光轴方 向依次包括第一透镜（L1)、第二透镜（L2)、第三透镜（L3)，第一透镜（L1)与第二透镜（L2) 均具有正光焦度，第三透镜（L3)具有负光焦度；第一透镜（L1)具有一个面向该像平面的凸 面，第二透镜（L2)为双凸透镜，第三透镜（L3)具有一个面向该物平面的凹面。
[0035] 作为上述方案的进一步改进，所述宽谱线投影光学系统的透镜总数量位于10到 24之间；所述光阑为可变孔径光阑且在所述第一镜组与所述第二镜组中间。
[0036] 本发明还提供一种光刻设备，其包括投影光学系统和使用所述投影光学系统将物 面位置的光学掩膜上的图像投影到像面位置的涂有感光材料的基板，对基板进行微细光刻 加工，所述投影光学系统为上述任意所述宽谱线投影光学系统。
[0037] 作为上述方案的进一步改进，使用所述宽谱线投影光学系统将物面位置的光学掩 膜上的图像投影到像面位置的涂有感光材料的基板，对基板进行微细光刻加工的光刻设 备。
[0038] 本发明的宽谱线投影光学系统和应用所述宽谱线投影光学系统的光刻设备在宽 光谱范围内补偿轴向色差和倍率色差，宽谱线投影光学系统的轴向色差如图3所示，使具 有该宽谱线投影光学系统的光刻机能够同时使用超高压水银灯光源具有的i线（365nm)，h 线（405nm)和g线（436nm)等多种特征谱线，超高压水银灯光源的特征谱线如图2所示；具 有这样宽谱线投影光学系统的投影镜头设计十分复杂困难，也是投影式光刻机中极其少见 的，不仅能够适用于多种不同需要的感光胶和基板，扩大应用范围，又因为使用多波长的同 时曝光，增大曝光光强，成倍缩短曝光时间。
[0039] 本发明的宽谱线投影光学系统和应用所述宽谱线投影光学系统的光刻设备的光 学结构特点，决定了可以在使用折射率比较小的光学玻璃材料的情况下，也可以实现二次 光谱的完全校正，并良好校正其他像差。由于折射率比较小（nd< 1.60)的光学玻璃材料 一般才具有较高的i线透光率，因此不仅意味着可以提高光源利用效率，更可以大幅度提 高光学系统的热稳定性，十分适合光刻设备的实际需要。
[0040] 本发明的宽谱线投影光学系统和应用所述宽谱线投影光学系统的光刻设备在投 影倍率放大时和缩小时，光学系统的分辨率和焦点深度几乎可以维持不变，十分适合光刻 设备的实际需要。
[0041] 本发明的宽谱线投影光学系统和应用所述宽谱线投影光学系统的光刻设备在投 影倍率放大时和缩小时，光学系统在调节投影倍率时的畸变几乎没有改变，十分适合光刻 设备的实际需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0042] 图1为本发明较佳实施方式提供的宽谱线投影光学系统的结构示意图。
[0043] 图2为超高压水银灯光源的特征谱线。
[0044] 图3为图1中宽谱线投影光学系统的0. 7孔径处轴向色差曲线示意图。
[0045] 图4a、图4b、图4c分别为光线为i线（365nm), h线（405nm)和g线（436nm)时， 图1中光学系统在投影倍率为中间值时的传递函数MTF示意图。
[0046] 图4d、图4e、图4f分别为光线为i线（365nm), h线（405nm)和g线（436nm)时， 图1中光学系统在投影倍率放大时的传递函数MTF示意图。
[0047] 图4g、图4h、图4i分别为光线为i线（365nm), h线（405nm)和g线（436nm)时， 图1中光学系统处在投影倍率缩小时的传递函数MTF示意图。
[0048] 图5a、图5b、图5c分别为图1中光学系统在投影倍率为中间值、放大时、缩小时的 畸变像差不意图。
【具体实施方式】
[0049] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0050] 请参阅图1，其为本发明较佳实施方式提供的宽谱线投影光学系统的结构示意图。 该宽谱线投影光学系统用于将物平面（Object)内的图形成像到像平面（image)内。该宽 谱线投影光学系统从放大一侧到缩小一侧沿其光轴方向，即从物平面到像平面依次包括第 一镜组G1、光阑AS、第二镜组G2和第三镜组G3。所述宽谱线投影光学系统为在物方和像方 皆为接近远心光路的缩小的投影光学系统，第一镜组G1和第三镜G3组均具有正光焦度，光 阑AS在第一镜组G1和第三镜G3中间。该投影光学系对光学系统的各项像差都进行了良 好的校正，尤其是对轴向色差的二次光谱校正良好，得到了很好复消色差效果（宽谱线投 影光学系统的在〇. 7通光孔径处轴向色差曲线示意图如图3所示）。同时可以保证倍率色 差也得到良好校正。
[0051] 本发明的宽谱线投影光学系统，能在宽光谱范围内补偿轴向色差和倍率色差，宽 谱线投影光学系统的轴向色差如图3所示，使具有该宽谱线投影光学系统的光刻机能够同 时使用超高压水银灯光源具有的i线（365nm)，h线（405nm)和g线（436nm)等多种特征谱 线，超高压水银灯光源的特征谱线如图2所示；具有这样宽谱线投影光学系统的投影镜头 设计十分复杂困难，也是投影式光刻机中极其少见的，不仅能够适用于多种不同需要的感 光胶和基板，扩大应用范围，又因为使用多波长的同时曝光，增大曝光光强，成倍缩短曝光 时间。
[0052] 在本实施方式中，光阑为可变孔径光阑，且在第一镜组G1与第二镜组G2中间，可 以调节光学系统的分辨率和焦点深度，同时为光阑的安装调节和控制提供足够的物理空 间。
[0053] 第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3各镜组之间满足关系式：
[0054] 0. 05<fl/L<l. 3 ；
[0055] f 2 I /L>0. 3 ；
[0056] 0· 03〈f3/L〈0. 8。
[0057] 其中，fl为第一镜组G1的组合焦距；
[0058] f2为第二镜组G2的组合焦距；
[0059] f3为第三镜组G3的组合焦距；
[0060] L为物体到像面之间的距离。
[0061] 在本实施方式中，第一镜组G1沿该宽谱线投影光学系统的光轴方向依次包括第 一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3。第一透镜L1与第二透镜L2均具有正光焦度，第三透 镜L3具有负光焦度。第一透镜L1具有一个面向该像平面I的凸面，第二透镜L2为双凸透 镜，第三透镜L3具有一个面向该物平面0的凹面。
[0062] 总之，在第一镜组中，nd > 1. 50且vd < 54的正透镜最少有1个。这样的设定， 轴上的色差，特别是二次光谱可以有效校正。尤其是，第一镜组G1、满足关系式：0.05〈Π / L〈l. 3,确保光学系统在物方能够保持良好的远心光路特性，同时能够使倍率色差和畸变得 到良好校正。
[0063] 第二镜组G2满足关系式：
[0064] vd = (nd - 1) / (nF - nC)；
[0065] nd < 1. 65且vd > 65的正透镜最少有2个；
[0066] nd > 1. 50且vd < 55的负透镜最少有2个。
[0067] 其中，vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数；
[0068] nF为波長486nm的F线折射率；
[0069] nd为波長587nm的d线折射率；
[0070] nC为波長656nm的C线折射率。
[0071] 在本实施方式中，第二镜组G2沿该宽谱线投影光学系统的光轴方向依次包括第 四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜 L10、第i^一透镜L11。第四透镜L4、第六透镜L6、第八透镜L8与第十透镜L10均具有负光 焦度，第五透镜L5、第七透镜L7、第九透镜L9、第i^一透镜L11均具有正光焦度。第四透镜 L4具有一个面向该像平面I的凹面，第十透镜L10为双凹透镜，第五透镜L5、第九透镜L9、 第十一透镜L11均为双凸透镜，第六透镜L6、第八透镜L8均具有一个面向该物平面0的凹 面，第七透镜L7具有一个面向该像平面I的凸面。
[0072] 总之，第二镜组G2在本实施方式中的设定，使光学系统的光焦度良好均衡地分 布，提供了足够的空间确保轴向色差的校正，尤其能对二次光谱校正良好，取得了很好复消 色差效果。同时也使初级和高级球差得到校正，有效降低珀兹伐（Petzval)和使得光学系 统的场曲得到良好校正。
[0073] 在第三镜组G3中，最接近所述像平面I的透镜为负透镜，所述负透镜具有一个面 向所述像平面I的凹面，且满足关系式：
[0074] nd < 1. 66 ；
[0075] vd > 58 ；
[0076] 0. 6 < ri/ti < 5. 0〇
[0077] 其中，ri为所述负透镜的凹面的曲率半径；
[0078] ti为所述负透镜的凹面到所述像平面之间的距离。
[0079] 第三镜组G3的设定使光学系统的像面接近齐明点位置，防止产生过多的球差，减 少校正球差的负担，也有效地降低珀兹伐（Petzval)和有助于光学系统校正场曲像差。同 时使光学系统的像方能够保持良好的远心光路特性，并使倍率色差得到良好校正。
[0080] 在本实施方式中，第三镜组G3沿该宽谱线投影光学系统的光轴方向依次包括第 十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16。第十二 透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14均具有正光焦度，第十五透镜L15、第十六透镜 L16均具有负光焦度。
[0081] 第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14均具有一个面向该物平面0的 凸面，第十五透镜L15、第十六透镜L16均具有一个面向该像平面I的凹面。
[0082] 第三镜组G3中，nd > 1. 50且vd < 54的正透镜最少有1个。这样的设定，轴上 的色差，特别是二次光谱可以有效校正，宽谱线投影光学系统的轴向色差如图3所示，同时 能够使倍率色差和畸变得到良好校正。
[0083] 总之，在本实施方式中，三组透镜采用这样的镜片结构最终确保和实现了光学系 统的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到 良好校正。又可以降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
[0084] 所述宽谱线投影光学系统的透镜总数量位于10到24之间，使系统有效控制了制 造成本并良好校正各项像差，取得最佳性价比。
[0085] 提出投影光学系的参数值：
[0086] β = -0. 5 ；
[0087] ΝΑ = 0. 21 ；
[0088] Hy = 25 ；
[0089] L = 987. 848。
[0090] 其中，β为投影倍率；
[0091] ΝΑ为像侧开口数；
[0092] Hy为最大像
[0093] 第一至第十六透镜L1?L16的元件参数如表1所示。
[0094] 表1光学系统参数
[0095]
【权利要求】
1. 一种宽谱线投影光学系统，其用于将物平面内的图形成像到像平面内，所述宽谱线 投影光学系统从放大一侧到缩小一侧沿其光轴方向，从物平面到像平面依次包括第一镜组 (G1)、光阑（AS)、第二镜组（G2)和第三镜组（G3);其特征在于：所述宽谱线投影光学系统 为在物方和像方皆为接近远心光路的缩小的投影光学系统，第一镜组（G1)和第三镜（G3) 组均具有正光焦度，光阑（AS)在第一镜组（G1)与第三镜组（G3)中间， 第二镜组（G2)满足关系式： vd = (nd - 1) / (nF - nC), nd < 1. 65且vd > 65的正透镜最少有2个， nd > 1. 50且vd < 55的负透镜最少有2个， 其中，vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数， nF为波長486nm的F线折射率， nd为波長587nm的d线折射率， nC为波長656nm的C线折射率； 第三镜组（G3)中，最接近所述像平面的透镜为负透镜，所述负透镜具有一个面向所述 像平面的凹面，且满足以下关系式： nd < 1. 66, vd > 58, 0. 6 < ri/ti < 5. 0, 其中，ri为所述负透镜的凹面的曲率半径， ti为所述负透镜的凹面到所述像平面之间的距离； 第一镜组（G1)、第二镜组（G2)、第三镜组（G3)各镜组之间满足关系式： 0.05<fl/L<l. 3, f2|/L>0. 3, 0·03〈f3/L〈0. 8, 其中，Π 为第一镜组（G1)的组合焦距， f2为第二镜组（G2)的组合焦距， f3为第三镜组（G3)的组合焦距， L为物平面到像平面之间的距离。
2. 如权利要求1所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：第三镜组（G3)中，nd > 1. 50且vd < 54的正透镜最少有1个。
3. 如权利要求1所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：第一镜组（G1)中，nd > 1. 50且vd < 54的正透镜最少有1个。
4. 如权利要求1至3中任意一项所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：第二镜 组（G2)沿该宽谱线投影光学系统的光轴方向依次包括第四透镜（L4)、第五透镜（L5)、第 六透镜（L6)、第七透镜（L7)、第八透镜（L8)、第九透镜（L9)、第十透镜（L10)、第^^一透镜 (L11)，第四透镜（L4)、第六透镜（L6)、第八透镜（L8)与第十透镜（L10)均具有负光焦度， 第五透镜（L5)、第七透镜（L7)、第九透镜（L9)、第i^一透镜（L11)均具有正光焦度。
5. 如权利要求4所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：第四透镜（L4)具有一个面 向该像平面的凹面，第十透镜（L10)为双凹透镜，第五透镜（L5)、第九透镜（L9)、第十一透 镜（L11)均为双凸透镜，第六透镜（L6)、第八透镜（L8)均具有一个面向该物平面的凹面，第 七透镜（L7)具有一个面向该像平面的凸面。
6. 如权利要求1至3中任意一项所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：第三镜组 (G3)沿该宽谱线投影光学系统的光轴方向依次包括第十二透镜（L12)、第十三透镜（L13)、 第十四透镜（L14)、第十五透镜（L15)、第十六透镜（L16)，第十二透镜（L12)、第十三透镜 (L13)、第十四透镜（L14)均具有正光焦度，第十五透镜（L15)、第十六透镜（L16)均具有负 光焦度；第十二透镜（L12)、第十三透镜（L13)、第十四透镜（L14)均具有一个面向该物平面 的凸面，第十五透镜（L15)、第十六透镜（L16)均具有一个面向该像平面的凹面。
7. 如权利要求1至3中任意一项所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：第一镜组 (G1)沿该宽谱线投影光学系统的光轴方向依次包括第一透镜（L1)、第二透镜（L2)、第三透 镜（L3)，第一透镜（L1)与第二透镜（L2)均具有正光焦度，第三透镜（L3)具有负光焦度；第 一透镜（L1)具有一个面向该像平面的凸面，第二透镜（L2)为双凸透镜，第三透镜（L3)具 有一个面向该物平面的凹面。
8. 如权利要求1至3中任意一项所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：所述宽谱 线投影光学系统的透镜总数量位于10到24之间。
9. 如权利要求1至3中任意一项所述的宽谱线投影光学系统，其特征在于：所述光阑 为可变孔径光阑且在所述第一镜组与所述第二镜组中间；所述第一镜组到所述第二镜组中 间距离为L1，满足关系式；L1>0. 06L。
10. -种光刻设备，其包括投影光学系统和使用所述投影光学系统将物面位置的光学 掩膜上的图像投影到像面位置的涂有感光材料的基板，对基板进行微细光刻加工，其特征 在于：所述投影光学系统为权利要求1至3中任意一项所述的宽谱线投影光学系统。
【文档编号】G02B27/18GK104062761SQ201410340211
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】刘鹏 申请人:张家港中贺自动化科技有限公司