专利名称：一种消色差位置对准光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种消色差位置对准光学系统，尤其涉及一种在半导体光刻设备中用 于消色差的位置对准光学系统。
背景技术：
在半导体光刻设备中，位置对准装置是非常重要的装置之一。从结构上讲，可将位 置对准装置分为同轴位置对准装置和离轴位置对准装置两大类。同轴位置对准是指对曝光 对象标记的照明和成像都通过曝光装置中的光学投影系统。同轴位置对准装置位于掩模版上方，同轴对准光学系统是同轴位置对准装置的重 要部件之一，其设计质量的优劣将直接影响该同轴位置对准装置的对准精度。同轴对准光 学系统的设计不仅受曝光设备空间结构尺寸的制约，同时要求该同轴对准光学系统不仅能 对掩模标记均勻照明和清晰成像，而且还要求其与光学投影系统一起实现对曝光对象标记 的均勻照明和清晰成像。在美国专利US 7148953B2中，公开了一种曝光设备，其中设计了宽波带的光学投 影系统，该波段不仅包括了紫外曝光波段365nm 436nm，而且还包括了用于曝光对象标记 成像的可见光波段520nm 650nm ；这种结构虽然消除了曝光对象标记在通过光学投影系 统成像时在可见光波段产生的色差，但是当增大光学投影系统的设计视场和数值孔径时， 为满足设计指标需求，需要将光学投影系统光路中的主反射镜设计为非球面，这样不仅增 大了该光学投影系统的设计复杂度，更重要的是增加了装校难度和设备加工制造成本。在美国专利US 4492459中，为了降低光学投影系统的设计、装校难度，光学投影 系统只对紫外曝光波段进行像差校正，而光学投影系统在用于对准的可见光波段产生的色 差则由位置对准装置进行补偿，其补偿方式主要是靠位于掩模版和光学投影系统之间的光 学元件来实现；这种结构的设计虽解决了美国专利US 7148953 B2存在的问题，但由于补 偿光学元件位于掩模版和光学投影系统之间，一方面对掩模版和光学投影系统机械壳顶端 的距离有一定的约束，另一方面由于受到空间尺寸的限制，补偿光学元件在机械上难以固 定和调整，且位置对准装置结构不够紧凑。在美国专利US 5621813中，设计了放大倍率近20倍的对准光学系统来实现对掩 模标记及曝光对象标记清晰成像，为了优化成像质量，并保证足够长的工作距离，在对准光 学系统光路中设置了多个反射镜以保证光学元件之间的空间布局更加紧凑；这种结构的设 计虽然能保证得到较高的成像分辨率，但由于光路中设置了多块反射镜，不仅增加了对准 光学系统的装校难度，也使该对准光学系统的空间结构尺寸比较大。
发明内容
本发明的目的在于使光学投影物镜在对准波段产生的色差由对准装置进行补偿， 从而降低光学投影系统的设计、装校难度。本发明采用了下述消色差位置对准光学系统该系统具有掩模对准光学系统、掩模版、光学投影系统和曝光对象，其中掩模对准光学系统包含掩模标记照明系统和掩模标 记成像系统；其中所述掩模标记照明系统包含从照明光纤出射端开始沿光轴依次设置的照 明物镜组、第一分束直角棱镜、第一孔径光阑和第一前组成像物镜组，用于对所述第一前组 成像物镜组后的掩模版下表面上的掩模标记实现均勻照明；所述掩模标记成像系统包含从掩模版下表面开始沿光轴依次设置的第二前组成 像物镜组、第二孔径光阑、第二分束直角棱镜、后组成像物镜、场镜成像物镜组和CCD摄像 机接收面，用于对所述掩模版上的掩模标记实现清晰成像；其中，所述掩模标记照明系统和光学投影系统组成曝光对象标记照明系统，所述 曝光对象标记照明系统包含从照明光纤出射端开始沿光轴依次设置的照明物镜组、第一分 束直角棱镜、第一孔径光阑、第一前组成像物镜组、掩模版和光学投影系统，其对依次设置 在光学投影系统后的曝光对象上表面上的曝光对象标记实现均勻照明；所述掩模标记成像系统和光学投影系统组成曝光对象标记成像系统，所述曝光对 象标记成像系统包含从曝光对象上表面开始沿光轴依次设置的光学投影系统、掩模版、第 二前组成像物镜组、第二孔径光阑、第二分束直角棱镜、后组成像物镜、场镜成像物镜组和 CCD摄像机接收面，其对所述曝光对象上的曝光对象标记实现清晰成像。其中，在掩模标记照明系统、掩模标记成像系统、曝光对象标记照明系统和曝光对 象标记成像系统中共用以下的光学元件掩模版、前组成像物镜组、孔径光阑和分束直角 棱镜，即第一分束直角棱镜和第二分束直角棱镜、第一孔径光阑和第二孔径光阑、第一前组 成像物镜组和第二前组成像物镜组分别是同一个分束直角棱镜、孔径光阑和前组成像物镜 组。其中，所述掩模标记照明系统是柯勒照明系统。其中，所述曝光对象标记照明系统是柯勒照明系统。其中，所述照明光纤出射端与孔径光阑为物像共轭面；视场光阑与掩模版下表面 上的掩模标记面为物像共轭面。其中，掩模版的下表面和CCD摄像机接收面为掩模标记成像系统的物像共轭面。 20.其中，曝光对象上表面为曝光对象标记成像系统的物面，CCD摄像机接收面为曝光对象 标记成像系统的像面，两者形成物像共轭面。其中，所述照明物镜组由照明物镜组第一透镜、照明物镜组第二透镜、照明物镜组 第三透镜、视场光阑、照明物镜组第四透镜和滤波片组成，且相邻两个透镜之间彼此分离设 置；其中，所述照明物镜组第一透镜，照明物镜组第二透镜和照明物镜组第三透镜组成集光 镜组。其中，所述照明物镜组第一透镜和照明物镜组第四透镜均为凸凹透镜，所述照明 物镜组第二透镜是平凹透镜，所述照明物镜组第三透镜是双凸透镜。其中，所述前组成像物镜组由前组成像物镜组第一透镜，前组成像物镜组第二透 镜，前组成像物镜组第三透镜和前组成像物镜组第四透镜组成，且各相邻透镜之间彼此分 离设置。其中，所述前组成像物镜组第一透镜为双凹透镜，该前组成像物镜组第二透镜为 平凸透镜，该前组成像物镜组第三透镜和前组成像物镜组第四透镜均为双凸透镜。其中，所述后组成像物镜为一双凹透镜。
其中，所述场镜成像物镜组由场镜成像物镜组第一透镜和场镜成像物镜组第二透 镜组成，且两相邻透镜之间彼此分离设置。其中，所述场镜成像物镜组第一透镜是平凹透镜，该场镜成像物镜组第二透镜是 平凸透镜。其中，所述掩模标记照明系统、掩模标记成像系统、曝光对象标记照明系统和曝光 对象标记成像系统还包含一共用的光路偏折镜组，其设置在前组成像物镜组和掩模版之 间。其中，所述光路偏折镜组为反射镜。其中，所述光路偏折镜组包含沿着光轴依次设置的反射镜、外反射直角棱镜和内 反射直角棱镜。其中，所述光学投影系统是全折射式光学系统，或者是折反射式光学系统。采用本发明的消色差位置对准光学系统不仅可解决背景技术中同轴对准光学系 统存在的工作距离长、体积大、装校困难等缺陷；同时光学投影系统在对准可见光波段产生 的色差也将由该对准光学系统进行补偿，从而降低了设备中光学投影系统的结构复杂度、 有效控制了设备的加工制造成本。与背景技术相比，本发明提供的消色差位置对准光学系 统，具有以下优点1、通过对对准光学系统的结构进行优化设计，使对准光学系统的空间结 构更加紧凑、减小体积且有利于光机装校；2、光学投影系统设计波段只考虑紫外曝光波段 365nm 436nm，其在对准可见光波段490nm 620nm产生的色差将由本发明的对准光学系 统进行补偿，这样不仅可降低光学投影系统的设计难度，同时也降低了光学投影系统的结 构复杂性及加工制造成本。
通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结 构特征和优点。其中，附图为图1所示为本发明消色差位置对准光学系统结构示意图；图2所示为本发明的实施例1中的消色差位置对准光学系统光学结构俯视图；图3所示为本发明的实施例1中的消色差位置对准光学系统光学结构正视图；图4所示为本发明的实施例1中的掩模标记照明系统的光线追迹示意图；图5所示为本发明的实施例1中的掩模标记成像系统的光线追迹示意图；图6所示为本发明的实施例1中的曝光对象标记成像系统的结构示意图；图7_a所示为本发明的实施例1中的掩模标记成像系统的畸变示意图；图7_b所示为本发明的实施例1中的曝光对象标记成像系统的畸变示意图；图8所示为本发明的实施例1中的曝光对象标记成像系统的焦移曲线示意图；图9所示为本发明的实施例2中的消色差位置对准光学系统的结构示意图；图10所示为本发明的实施例3中的消色差位置对准光学系统的结构示意图。附图标记说明1，2-掩模对准光学系统3-掩模版4-光学投影物镜
5-曝光对象10-照明光纤出射端11-照明物镜组12-照明物镜组第一透镜13-照明物镜组第二透镜14-照明物镜组第三透镜15-视场光阑16-照明物镜组第四透镜17-滤波片18-分束直角棱镜19-孔径光阑20-前组成像物镜组21-反射镜22-外反射直角棱镜23-内反射直角棱镜24-前组成像物镜组第四透镜
25-前组成像物镜组第三透镜26-前组成像物镜组第二透镜27-前组成像物镜组第一透镜28-后组成像物镜29-场镜成像物镜组30-CCD摄像机接收面31-场镜成像物镜组第一透镜32-场镜成像物镜组第二透镜
具体实施例方式下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本 发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。实施例1图1是本发明的消色差位置对准光学系统的结构示意图。图2和图3分别是本发 明的实施例1中的消色差位置对准光学结构的俯视图和正视图。该消色差位置对准光学系 统包括掩模对准光学系统1和2、掩模版3、光学投影物镜4和曝光对象5。其中掩模对准光 学系统包含掩模标记照明系统和掩模标记成像系统，该消色差位置对准光学系统还包含曝 光对象标记照明系统和曝光对象标记成像系统。在本实施例中，掩模标记照明系统、掩模标 记成像系统、曝光对象标记照明系统和曝光对象标记成像系统中共用以下的光学元件掩 模版、前组成像物镜组、孔径光阑和分束直角棱镜。所述掩模标记照明系统包含从照明光纤出射端10开始沿光轴依次设置的照明物 镜组11、分束直角棱镜18、孔径光阑19、前组成像物镜组20和光路偏折镜组。所述照明光纤，用于将照明光源发出的光导入到掩模标记照明系统。本实施例1中，该照明光源为白光。所述照明物镜组11，由照明物镜组第一透镜12、照明物镜组第二透 镜13、照明物镜组第三透镜14、视场光阑15、照明物镜组第四透镜16和滤波片17组成，且 两个相邻透镜之间彼此分离设置。本实施例1中所述照明物镜组第一透镜12和照明物镜 组第四透镜16均为凸凹透镜，所述照明物镜组第二透镜13是平凹透镜，所述照明物镜组第 三透镜14是双凸透镜。所述照明物镜组第一透镜12，照明物镜组第二透镜13和照明物镜组第三透镜14 组成集光镜组，将从照明光纤出射端10发出的照明光会聚到视场光阑15上。视场光阑15 用于限制从照明光纤出射端10发出的照明光束的发散角。照明物镜组第四透镜16用于会 聚从视场光阑15出射的光束。然后，通过滤波片17和分束直角棱镜18，将照明光纤出射端 10成像到孔径光阑19上。所述滤波片17，用于滤除照明光纤的出射光线中对紫外光敏感的照明波长。所述 分束直角棱镜18，由2个直角棱镜胶合组成，在其中一个直角棱镜斜面上镀有半反半透膜。 所述孔径光阑19，用于限制照明光纤的出射光线的发散角度，以及限制用于对标记成像的 光束的发散角度。所述前组成像物镜组20，由前组成像物镜组第一透镜27、前组成像物镜组第二透 镜沈、前组成像物镜组第三透镜25和前组成像物镜组第四透镜M组成，用于对照明光束的 会聚以及实现对标记的成像，各相邻透镜之间彼此分离设置，从而可增加像差校正变量的 自由度。该前组成像物镜组第一透镜27为双凹透镜，该前组成像物镜组第二透镜沈为平 凸透镜，该前组成像物镜组第三透镜25和前组成像物镜组第四透镜M均为双凸透镜。所述光路偏折镜组包含依次设置的反射镜21、外反射直角棱镜22和内反射直角 棱镜23，用于实现光路的偏折。最终，该掩模标记照明系统对依次设置在所述光路偏折镜组 后的掩模版3下表面上的掩模标记实现均勻照明。图4所示为本发明的实施例1中的掩模标记照明系统中的光线追迹示意图。从照 明光纤出射端10发出的照明光束通过由照明物镜组第一透镜12，照明物镜组第二透镜13 和照明物镜组第三透镜14组成的集光镜组直接会聚到视场光阑15上。照明物镜组第四透 镜16会聚从视场光阑15出射的光束，通过滤波片17和分束直角棱镜18，将照明光纤出射 端10成像到孔径光阑19上，此时视场光阑15已被从照明光纤出射端10发出的光束充满 且视场光阑内各点被均勻照明。从视场光阑15出射的发散光经滤波片17和分束直角棱镜 18会聚到孔经光阑19上，经孔径光阑19射出的光线发散照射到前组成像物镜组20上，最 后经前组成像物镜组20会聚到掩模版3的下表面，实现对掩模版下表面上的掩模标记均勻 照明。本实施例的掩模标记照明系统中，照明光纤出射端10与孔径光阑19为物像共轭 面，视场光阑15与掩模版3下表面上的掩模标记面为物像共轭面，故本实施例的掩模标记 照明系统的光学结构为柯勒照明。本实施例中，上述各透镜表面的曲率半径，透镜的中心厚度，透镜所采用的材料 折射率及透镜的外径均列在表1中。表1中的具体数据是按照一个照明光纤端面直径为 2. 72mm，光纤端面到掩模版下表面工作距离为186mm，掩模标记面光线数值孔径为0. 05，掩 模标记面照明均勻性小于5%的设计所得到的结果。表1中，光学元件朝向照明光纤出射端 面一侧的表面为光学元件的前表面，朝向掩模版一侧的为光学元件的后表面。从照明光纤出射端面沿光轴至掩模版，曲率半径中心朝向掩模版一侧的曲率半径为正，曲率半径中心 朝向照明光纤出射端面一侧的曲率半径为负，平面曲率半径不标识。表1中还给出了光学 玻璃材料在温度为23摄氏度，1个标准大气压，波长为550nm下的折射率。
权利要求
1.一种消色差位置对准光学系统，具有掩模对准光学系统、掩模版、光学投影系统和 曝光对象，其中掩模对准光学系统包含掩模标记照明系统和掩模标记成像系统；其特征在 于所述掩模标记照明系统包含从照明光纤出射端开始沿光轴依次设置的照明物镜组、第 一分束直角棱镜、第一孔径光阑和第一前组成像物镜组，用于对所述第一前组成像物镜组 后的掩模版下表面上的掩模标记实现均勻照明；所述掩模标记成像系统包含从掩模版下表面开始沿光轴依次设置的第二前组成像物 镜组、第二孔径光阑、第二分束直角棱镜、后组成像物镜、场镜成像物镜组和CCD摄像机接 收面，用于对所述掩模版上的掩模标记实现清晰成像；其中，所述掩模标记照明系统和光学投影系统组成曝光对象标记照明系统，所述曝光 对象标记照明系统包含从照明光纤出射端开始沿光轴依次设置的照明物镜组、第一分束直 角棱镜、第一孔径光阑、第一前组成像物镜组、掩模版和光学投影系统，其对依次设置在光 学投影系统后的曝光对象上表面上的曝光对象标记实现均勻照明；所述掩模标记成像系统和光学投影系统组成曝光对象标记成像系统，所述曝光对象标 记成像系统包含从曝光对象上表面开始沿光轴依次设置的光学投影系统、掩模版、第二前 组成像物镜组、第二孔径光阑、第二分束直角棱镜、后组成像物镜、场镜成像物镜组和CCD 摄像机接收面，其对所述曝光对象上的曝光对象标记实现清晰成像。
2.如权利要求1所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，在掩模标记照明系统、 掩模标记成像系统、曝光对象标记照明系统和曝光对象标记成像系统中共用以下的光学元 件掩模版、前组成像物镜组、孔径光阑和分束直角棱镜，。
3.如权利要求2所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述掩模标记照明系统 是柯勒照明系统。
4.如权利要求2所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述曝光对象标记照明 系统是柯勒照明系统。
5.如权利要求3所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述照明光纤出射端与 孔径光阑为物像共轭面；视场光阑与掩模版下表面上的掩模标记面为物像共轭面。
6.如权利要求3所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，掩模版的下表面和CCD摄 像机接收面为掩模标记成像系统的物像共轭面。
7.如权利要求4所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述照明光纤出射端与 孔径光阑为物像共轭面；视场光阑与掩模版下表面上的掩模标记面为物像共轭面。
8.如权利要求4所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，曝光对象上表面为曝光 对象标记成像系统的物面，CCD摄像机接收面为曝光对象标记成像系统的像面，两者形成物 像共轭面。
9.如权利要求3 8所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述照明物镜组由 照明物镜组第一透镜、照明物镜组第二透镜、照明物镜组第三透镜、视场光阑、照明物镜组 第四透镜和滤波片组成，且相邻两个透镜之间彼此分离设置；其中，所述照明物镜组第一透 镜，照明物镜组第二透镜和照明物镜组第三透镜组成集光镜组。
10.如权利要求9所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述照明物镜组第一透 镜和照明物镜组第四透镜均为凸凹透镜，所述照明物镜组第二透镜是平凹透镜，所述照明物镜组第三透镜是双凸透镜。
11.如权利要求10所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述前组成像物镜组 由前组成像物镜组第一透镜，前组成像物镜组第二透镜，前组成像物镜组第三透镜和前组 成像物镜组第四透镜组成，且各相邻透镜之间彼此分离设置。
12.如权利要求11所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述前组成像物镜组 第一透镜为双凹透镜，该前组成像物镜组第二透镜为平凸透镜，该前组成像物镜组第三透 镜和前组成像物镜组第四透镜均为双凸透镜。
13.如权利要求12所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述后组成像物镜为 一双凹透镜。
14.如权利要求13所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述场镜成像物镜组 由场镜成像物镜组第一透镜和场镜成像物镜组第二透镜组成，且两相邻透镜之间彼此分离 设置。
15.如权利要求14所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述场镜成像物镜组 第一透镜是平凹透镜，该场镜成像物镜组第二透镜是平凸透镜。
16.如权利要求15所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述掩模标记照明系 统、掩模标记成像系统、曝光对象标记照明系统和曝光对象标记成像系统还包含一共用的 光路偏折镜组，其设置在前组成像物镜组和掩模版之间。
17.如权利要求16所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述光路偏折镜组为 反射镜。
18.如权利要求17所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述光路偏折镜组包 含沿着光轴依次设置的反射镜、外反射直角棱镜和内反射直角棱镜。
19.如权利要求1所述消色差位置对准光学系统，其特征在于，所述光学投影系统是全 折射式光学系统，或者是折反射式光学系统。
全文摘要
一种消色差位置对准光学系统，具有掩模对准光学系统、掩模版、光学投影系统和曝光对象，其中掩模对准光学系统包含掩模标记照明系统和掩模标记成像系统；所述掩模标记照明系统和光学投影系统组成曝光对象标记照明系统，所述掩模标记成像系统和光学投影系统组成曝光对象标记成像系统。该消色差位置对准光学系统包括从照明光纤出射端开始沿光轴依次设置的照明物镜组、分束直角棱镜、孔径光阑、前组成像物镜组、掩模版、光学投影系统和曝光对象，位于孔径光阑和前组成像物镜组的光轴上并在分束直角棱镜另一侧的后组成像物镜、场镜成像物镜组和CCD摄像机接收面。
文档编号G03F7/20GK102043342SQ20091020169
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者张春莲, 徐兵, 王端秀, 蔡巍, 陈跃飞 申请人:上海微电子装备有限公司