一种双远心镜头及数字投影光刻系统的制作方法

本发明实施例涉及光学设计技术领域，特别涉及一种双远心镜头及数字投影光刻系统。

背景技术：

随着信息技术的发展，光学技术越来越多的影响到人们的生活，与之相关的光刻技术也越来越多的应用到更多的领域中，诸如pcb(印刷电路板)和ic(集成电路)制造等行业对该技术也越来越关注。

光刻实质上是一个图形转移的过程，即把设计好的图形无偏差地复制到基片上，其中包含一系列的工艺流程：硅片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀、去胶和套刻等，各工艺环节环环相扣，密不可分。在主流的集成电路制造过程中，光刻是最复杂和最关键的工艺，经过多年的改进和发展，其技术水平已经上升到了一个较高的层次。总的来说，如果按照有无使用掩模板来划分的话，光刻可分为有掩模板光刻与无掩模板光刻。有掩模板光刻分为接触式曝光、近接式曝光与投影式光刻技术。无掩膜板光刻有电子束光刻技术、聚焦离子束光刻技术、干涉光刻技术和数字光刻技术，其中数字光刻技术发展较为成熟。

数字光刻技术作为无掩模板中新兴的一种，是在光学投影成像光刻的基础上发展起来的，两者的工作原理大致相似，最大的不同点在于数字光刻是使用空间光调制器代替掩模板来产生掩模板图形的。数字光刻中常用的空间光调制器有两种，分别为lcd液晶显示器和dmd数字微反射镜装置。物镜系统种类繁多，有诸如天塞物镜、匹兹伐型物镜、库克三片式物镜、双高斯型物镜等，而数字光刻投影物镜是数字光刻系统中最核心的部分，现有的投影物镜主要有双远心结构和4f傅里叶结构。

在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前，数字光刻投影系统中采用的双远心镜头通常存在分辨率低、像方视场小、畸变大、焦深小等问题，导致数字投影光刻系统的最终成像效果不佳。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种成像效果较好的双远心镜头及数字投影光刻系统。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种双远心镜头，包括：第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；其中，

所述第一折射透镜组包括从像面到所述光阑依次设置的：具有正光焦度的第一透镜、第二透镜、第三透镜和具有负光焦度的第四透镜；

所述第二折射透镜组包括从所述光阑到物面依次设置的：具有负光焦度的第五透镜、以及、具有正光焦度的第六透镜、第七透镜和第八透镜。

在一些实施例中，所述第一透镜的像侧面为凸面，物侧面为凸面；

所述第二透镜的像侧面为凸面，物侧面为凹面；

所述第三透镜的像侧面为凸面，物侧面为凹面；

所述第四透镜的像侧面为凸面，物侧面为凹面；

所述第五透镜的像侧面为凹面，物侧面为凹面；

所述第六透镜的像侧面为凸面，物侧面为凸面；

所述第七透镜的像侧面为凸面，物侧面为凸面；

所述第八透镜的像侧面为凸面，物侧面为凹面。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜的相对孔径在1:1.3到1:5.7之间，且有，

在所述第一折射透镜组中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的相对孔径依次增大，

在所述第二折射透镜组中，所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜的相对孔径依次减小。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜为球面透镜。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜的材料为玻璃或树脂。

在一些实施例中，所述第一折射透镜组的焦距为82.95mm，所述第二折射透镜组的焦距为21.68mm，所述双远心镜头的焦距为3640mm。

在一些实施例中，所述双远心镜头的系统总长为183.7mm，所述双远心镜头的像方视场为9mm，所述双远心镜头的像方数值孔径为0.328，所述双远心镜头的物方数值孔径为0.09。

在一些实施例中，所述双远心镜头的放大倍率为1/3.7，所述双远心镜头的分辨率为1.2um，所述双远心镜头的远心度为0.022°，所述双远心镜头的畸变＜0.02％，所述双远心镜头的焦深为＞±35um。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种数字投影光刻系统，包括沿出光方向依次设置的：前段照明系统、均光系统、空间光调制器、如上述第一方面所述的双远心镜头、以及基板。

在一些实施例中，所述前段照明系统包括光源，用于出射波长为400-410nm的光束，其中，所述光源为相干光源、非相干光源或部分相干光源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种双远心镜头，能够应用在数字投影光刻系统中，该双远心镜头包括：第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；其中，所述第一折射透镜组包括从像面到所述光阑依次设置的：具有正光焦度的第一透镜、第二透镜、第三透镜和具有负光焦度的第四透镜；所述第二折射透镜组包括从所述光阑到物面依次设置的：具有负光焦度的第五透镜、以及、具有正光焦度的第六透镜、第七透镜和第八透镜，本发明实施例提供的双远心镜头具有很高的分辨率、大像方视场和很低的畸变，成像效果好。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种数字投影光刻系统的光学结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种双远心镜头的光学结构示意图；

图3是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场传递函数mtf值示意图；

图4是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场的点列图；

图5是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场全波段的的垂轴色差图；

图6是本发明实施例提供的双远心镜头的离焦传递函数mtf值示意图；

图7是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场全波段的场曲与畸变图；

图8是本发明实施例提供的双远心镜头的网格畸变图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。此外，本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。为了便于结构限定，本发明以光源出射光束的出光方向为参考进行部件的位置限定。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在光学系统中，像差主要存在球差、慧差、像散、场曲、畸变以及色差六种组成，其中前五种为单色像差，对应的每种像差有其对应的平衡方式。球差是唯一的轴上单点色像差，它的出现原因是轴上点发出的光线经过透镜球面不同孔径时，其聚光能力有差异，从而导致近轴光线和远轴光线有不一样的汇聚点，于是在像面处形成一个以光轴为中心的弥散圆。正透镜恒产生正球差，负透镜恒产生负球差，因此采用正反透镜的组合才有可能消除球差，另外，使用非球面也是一种校正球差很好的办法。慧差的形成原因时通过透镜的轴外光线相对于主光线的放大倍率不同而造成的，具体的表现是在像平面处形成不对称得到弥散光斑，其形状像彗星，因此被称为慧差。校正慧差可以通过缩小光阑直径，移动孔径光阑或者有选择性的增加透镜来实现。像散形成的原因是由于轴外光束的不对称性，导致轴外点的子午细光束汇聚点与弧矢细光束汇聚点位置不同，即一个点经过透镜成像后，被聚焦为子午和弧矢两条焦线。与慧差不同，作为轴外像差，像散的大小仅仅与视场有关，而与孔径没有关系，一般可以通过改变透镜的位置和半径来控制像散。场曲也称为像面弯曲，指的是物面本来是平的，但经过光学系统之后却成了曲面像，其形成原理是当视场从小到大逐渐变化时，子午细光束像交点和弧矢细光束像交点也会逐渐偏离理想像面，而这个偏移量就是场曲的大小。场曲不能通过改变透镜的形状和间距来改善，但可以通过使用弯月形厚透镜或者使用正负光焦度分离的薄透镜组来实现场曲的消除。畸变是一种比较特殊的单色像差，其只会使像面发生形变却并不会影响成像清晰度，它是由于实际光学系统中某对共轭物像平面上的放大率不是常数而引起的，当视场较大时，放大率会随视场的变化发生变化，如果视场边缘放大率大于近轴视场放大率，就会产生枕形畸变，反之，则产生桶形畸变。畸变可以通过移动光阑位置的方法进行校正，条件允许的话甚至可以在光学系统中引入全对称结构消除畸变。色差是一种与波长有关的像差，在实际光学系统中，常常会使用白光作为照明光源，白光是由各种不同波长的单色光组成的复色光，而光学材料的折射率与波长有关，因此成像时不同波长的光线经过光学材料时就会产生差异，使得色差分离，这就是色差。色差校正比较常用的方法是在光学系统中使用材料不同的正负透镜组成双胶合透镜消色差或者三胶合复消色差透镜。

为了解决在数字投影光刻系统中，对于核心部件物镜镜头的光学设计，可能存在的上述球差、慧差、像散、场曲、畸变以及色差等像差问题，本发明实施例提供了一种工作距离大，镜片数量少同时成像质量好的双远心镜头，适用于所述数字投影光刻系统，该双远心镜头包括：第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；其中，所述第一折射透镜组包括从像面到所述光阑依次设置的：具有正光焦度的第一透镜、第二透镜、第三透镜和具有负光焦度的第四透镜；所述第二折射透镜组包括从所述光阑到物面依次设置的：具有负光焦度的第五透镜、以及、具有正光焦度的第六透镜、第七透镜和第八透镜，本发明实施例提供的双远心镜头具有很高的分辨率、大像方视场和很低的畸变，成像效果好。

其中，请一并参见图1，其示出了本发明实施例提供的双远心镜头的其中一种应用场景，也即是上述数字投影光刻系统的光学结构示意图，所述数字投影光刻系统包括沿出光方向依次设置的：前段照明系统1、均光系统2、空间光调制器3、投影物镜系统4、以及基板5。

所述前段照明系统1包括光源，用于出射波长为400-410nm的光束，其中，所述光源为相干光源、非相干光源或部分相干光源，所述光源可以是高压卤素灯、激光器和/或led等。

所述均光系统2可以是准直透镜组和/或反射透镜组的组合，用于将所述前段照明系统1出射的光束调整为同一出光方向的平行光出射。

所述空间光调制器3可为硅基液晶(lcos，liquidcrystalonsilicon)或数字光处理器(dlp，digitallightprocessing)。

所述基板5用于投影成像，通常为半导体基板或玻璃基板。

需要说明的是，所述前段照明系统1、所述均光系统2、所述空间光调制器3、所述投影物镜系统4、以及所述基板5的具体结构和位置、其中的光学元件的型号等，可根据实际需要进行相应的调整和设计，不需要拘泥于本发明实施例的限定。

在本发明实施例中，所述投影物镜系统4选用双远心镜头，所述双远心镜头由多个透镜组成，所述透镜可包含独立透镜、双胶合透镜、光路转折透镜等，所述透镜面型可为球面或非球面或其它面型，

具体地，下面结合附图，对上述应用场景所述的选用为投影物镜系统4的双远心镜头作进一步阐述。

本发明实施例提供了一种双远心镜头，请参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种双远心镜头的光学结构，所述双远心镜头由8个透镜构成，具体包括：第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3、第四透镜e4、第五透镜e5、第六透镜e6、第七透镜e7和第八透镜e8，其中，光阑设置在所述第四透镜e4和所述第五透镜e5之间。

所述第一透镜e1的像侧面为凸面，物侧面为凸面；所述第二透镜e2的像侧面为凸面，物侧面为凹面；所述第三透镜e3的像侧面为凸面，物侧面为凹面；所述第四透镜e4的像侧面为凸面，物侧面为凹面；所述第五透镜e5的像侧面为凹面，物侧面为凹面；所述第六透镜e6的像侧面为凸面，物侧面为凸面；所述第七透镜e7的像侧面为凸面，物侧面为凸面；所述第八透镜e8的像侧面为凸面，物侧面为凹面。

所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3、所述第四透镜e4、所述第五透镜e5、所述第六透镜e6、所述第七透镜e7和所述第八透镜e8的相对孔径在1:1.3到1:5.7之间，且有，在所述第一折射透镜组中，所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3和所述第四透镜e4的相对孔径依次增大，在所述第二折射透镜组中，所述第五透镜e5、所述第六透镜e6、所述第七透镜e7和所述第八透镜e8的相对孔径依次减小。

优选地，所述第一透镜e1的相对孔径为1：4.88；所述第二透镜e2的相对孔径为1：4.34；所述第三透镜e3的相对孔径为1：3.23；所述第四透镜e4的相对孔径为1：1.38；所述第五透镜e5的相对孔径为1：2.71；所述第六透镜e6的相对孔径为1：2.97；所述第七透镜e7的相对孔径为1：4.99；所述第八透镜e8的相对孔径为1：5.64。

所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3、所述第四透镜e4、所述第五透镜e5、所述第六透镜e6、所述第七透镜e7和所述第八透镜e8为球面透镜。

所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3、所述第四透镜e4、所述第五透镜e5、所述第六透镜e6、所述第七透镜e7和所述第八透镜e8的材料为玻璃或树脂。

具体地，请一并参加下表1，其示出了本发明实施例提供的系统光源的工作波长为406.5nm时，双远心镜头的一组实际设计参数：

在该实际设计参数下，所述第一折射透镜组(第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3和第四透镜e4)的焦距f(物方工作距离)为82.95mm。所述第二折射透镜组(第五透镜e5、第六透镜e6、第七透镜e7和第八透镜e8)的焦距f(像方工作距离)为21.68mm。所述双远心镜头的焦距efl为3640mm。所述双远心镜头的物像共轭距离为104.62mm。本发明实施例所提供的所述双远心镜头的系统总长totr为183.7mm。所述双远心镜头的像方视场l为9mm。所述双远心镜头的像方数值孔径na为0.328，所述双远心镜头的物方数值孔径na为0.09。所述双远心镜头的放大倍率β为1/3.7。所述双远心镜头的远心度θ为0.022°。所述双远心镜头的最大畸变为0.015，畸变＜0.02％。

根据光刻成像系统的分辨率公式：r＝k1λ/na(r为像面像素尺寸大小，k1为光刻工艺因子，通常取值为0.35-0.8，λ为系统光源的工作波长)可计算得到所述双远心镜头的分辨率为1.2um，小于2um。

根据光刻成像系统的焦深公式：dof＝k2λ/na²(k2为工艺因子，通常取值为0.4-0.85，λ为系统光源的工作波长，na为系统数值孔径)可计算得到所述双远心镜头的焦深(最大孔径)为＞±35um。

同时，基于图2所示的双远心镜头和表1所示的双远心镜头的实际设计参数，可得到如图3至图8所示双远心镜头所在数字投影光刻系统中，能够表征该双远心镜头在全视场全波段的成像质量较好。具体地，

图3是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场传递函数mtf值示意图，由此图也可得知，所述双远心镜头分辨率约为1.19um；

图4是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场的点列图，由此图可知，该远心镜头各视场光斑大小均小于2um；

图5是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场全波段的的垂轴色差图，由此图可知，所述双远心镜头垂轴像差很小；

图6是本发明实施例提供的双远心镜头的离焦传递函数mtf值示意图，由此图可知，所述双远心镜头在mtf≥0.3时可支持±35um以上的焦深；

图7是本发明实施例提供的双远心镜头的全视场全波段的场曲与畸变图，图8是本发明实施例提供的双远心镜头的网格畸变图，由图7和图8可知，所述双远心镜头的最大场曲不超过10um，小于1/3倍焦深，且该远心镜头的最大畸变＜0.02％，小于1/10的设计分辨率。

本发明实施例中提供了一种双远心镜头，能够应用在数字投影光刻系统中，该双远心镜头包括：第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；其中，所述第一折射透镜组包括从像面到所述光阑依次设置的：具有正光焦度的第一透镜、第二透镜、第三透镜和具有负光焦度的第四透镜；所述第二折射透镜组包括从所述光阑到物面依次设置的：具有负光焦度的第五透镜、以及、具有正光焦度的第六透镜、第七透镜和第八透镜，本发明实施例提供的双远心镜头具有很高的分辨率、大像方视场和很低的畸变，成像效果好。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。