具有大视场的投影光刻物镜光学系统的制作方法

1.本发明涉及投影光刻技术领域，具体涉及具有大视场的投影光刻物镜光学系统。


背景技术：

2.随着投影式光刻技术的发展，投影式光刻物镜已经普遍应用到半导体的后道工序、 mems、液晶和高精度印刷电路板等技术领域。
3.随着技术的发展，要求在较大面积的基板上容纳越来越精细的线条，由此对于微米级的高精度、大曝光场的投影式光刻机需求日益增加。为提高投影光刻的生产效率，物镜曝光视场从过去的几十毫米逐步增大到一百毫米以上，对物镜的设计提出了更高的要求。
4.此外，在现有技术中，光刻投影物镜普遍存在视场范围不足、物镜热稳定性欠佳难以满足大曝光剂量的需求的问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种具有大视场的投影光刻物镜光学系统，物镜光学系统具有大视场、易于生产加工的特点，同时热稳定性好可以满足大曝光剂量的需求。
6.其技术方案是这样的：一种具有大视场的投影光刻物镜光学系统，沿着光轴顺序设置有：第一镜组、第二镜组、第三镜组和第一反射镜，所述第一镜组和第二镜组具有正的光焦度，所述第三镜组具有负的光焦度，由物面发射的光束依次经过第一镜组、第二镜组、第三镜组后，经过第一反射镜反射，再依次经过第三镜组、第二镜组、第一镜组后汇聚成像到像面，所述物镜光学系统满足关系式：
7.0.25《f1/l《1.1
8.0.17《f2/l《0.72
9.0.24《-f3/l《0.95
10.其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f3为第三镜组的组合焦距，l为所述物镜光学系统的物面至像面的光学距离，hy为视场的半径。
11.进一步的，所述第一反射镜采用具有低热膨胀系数的材料制成。
12.进一步的，所述第一反射镜的反射面为凹面，所述第一反射镜满足关系式：
13.0.25《-r/l《1.2
14.其中，r为所述第一反射镜的反射曲面的曲率半径。
15.进一步的，所述第一镜组至少包含1个正透镜，所述第二镜组至少包含1个正透镜，满足：
16.0.7《f1/f2《2.9
17.0.3《d0/d1《1.2
18.0.15《(d0+d1)/l《0.6
19.其中，d0为物面到第一镜组之间的光学距离，d1为第一镜组到第二镜组之间的光学距离；
20.所述第三镜组至少包含1个正透镜和1个负透镜，所述第三镜组满足关系式：
21.vdps-vdms》15
22.其中，vdps为所述第三镜组中一个正透镜的色散系数，vdms为所述第三镜组中一个负透镜的色散系数。
23.进一步的，所述第一镜组包括第一透镜，所述第一透镜为正透镜，所述第一透镜远离所述第一反射镜的第一侧面为凸面，所述第一透镜靠近所述第一反射镜的第二侧面为凸面；
24.所述第二镜组包括第二透镜，所述第二透镜为正透镜，所述第二透镜为正透镜，所述第二透镜远离所述第一反射镜的第一侧面为凸面；
25.所述第三镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为负透镜，所述第四透镜为正透镜，所述第三透镜远离所述第一反射镜的第一侧面为凹面，所述第三透镜靠近所述第一反射镜的第二侧面为凹面；所述第四透镜远离所述第一反射镜的第一侧面为凸面，所述第四透镜靠近所述第一反射镜的第二侧面为凸面。
26.进一步的，所述物镜光学系统还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置在所述第一镜组的前侧，所述第二反射镜包括第一反射平面和第二反射平面，所述第一反射平面和所述第二反射的延长面相交的直线与所述第一镜组、第二镜组、第三镜组和所述第一反射镜所构成的光轴垂直，物面与像面相互平行且均平行于光轴设置，从由物面发射的光束经所述第一反射平面反射后进入所述第一镜组，经过第一镜组、第二镜组、第三镜组后经过所述第一反射镜反射，再经过第三镜组、第二镜组、第一镜组，从所述第一镜组射出的光束经所述第二反射平面反射后汇聚成像到像面。
27.进一步的，所述第一镜组、第二镜组、第三镜组的透镜分别为球面镜片。
28.进一步的，所述第一反射镜位置处设置有冷却装置，所述冷却装置用于对所述反射曲面进行控温，所述冷却装置为热传导冷却式装置或对流冷却式装置或电制冷式装置中的任意一种或者多种的组合。
29.进一步的，所述光学系统能够对光谱中i线、h线、g线三种谱线校正像差，所述i 线、h线、g线的波长分别为365纳米、405纳米、436纳米。
30.本发明与现有技术相比的优点在于：
31.本发明通过设置第一镜组、第二镜组、第三镜组和反射镜，其中，第一镜组包括沿光轴依次设置的第一透镜，第二镜组包括第二透镜，第三镜组包括光轴依次设置的第三透镜和第四透镜，由物面发射的光束依次经过第一镜组、第二镜组、第三镜组后，经过第一反射镜反射，再依次经过第三镜组、第二镜组、第一镜组后汇聚成像到像面，并通过各镜组和镜组中透镜的焦距的配合，可以解决投影物镜的投影视场较小的问题，采用较少的透镜组合实现了在大视场内较好的校正光学系统的像差，满足目前国内外处于领先水平的投影式光刻的实际使用需求,同时光学系统采用常用的光学材料和球面镜片，易于生产，节约光学系统的生产和装配成本。
附图说明
32.图1为实施例中的一种具有大视场的投影光刻物镜光学系统的组成示意图；
33.图2为实施例中的另一种具有大视场的投影光刻物镜光学系统的组成示意图；
34.图3为实施例中的一种具有大视场的投影光刻物镜光学系统的传递函数mtf图；
35.图4为实施例中的视场的示意图。
具体实施方式
36.见图1，本发明的一种具有大视场的投影光刻物镜光学系统，沿着光轴顺序设置有：第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3和第一反射镜，第一镜组g1、第二镜组g2 具有正的光焦度，第三镜组g3具有负的光焦度，由物面p1发射的光束依次经过第一镜组 g1、第二镜组g2、第三镜组g3后，经过第一反射镜反射，再依次经过第三镜组g3、第二镜组g2、第一镜组g1后汇聚成像到像面p2，物镜光学系统满足关系式：
37.0.25《f1/l《1.1
38.0.17《f2/l《0.72
39.0.24《-f3/l《0.95
40.其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f3为第三镜组的组合焦距，l为物镜光学系统的物面至像面的光学距离。
41.在本发明的实施例中，hy＝145mm，物镜光学系统还满足：
42.hy/f1≥0.05
43.其中，hy为最大视场像高，物镜光学系统满足关系式：hy/f1≥0.05其中，如图3 所示，视场通常是一个圆形范围，hy是这个圆的半径，相对于用视场边长xx
×
yy表述视场大小的方式，hy更加完整准确的表述了视场的大小。本实施例中通过各镜组和各镜组中透镜的配合，可以解决投影物镜的视场较小的问题，实现较好像的宽光谱和大视场的物镜投影，增加光刻系统的曝光视场，提高光刻机的光刻产率；
44.在本发明的实施例中，通过对于第一镜组g1的焦距的约束0.25《f1/l《1.1，可以避免引起过多的球差和色差以至于难以通过其他光学部件进行有效补偿；破坏光学系统的整体结构；对于第一镜组g1的焦距的约束还可以助于构成物方和像方的远心光路，提高成像质量；
45.通过对于第二镜组g2的焦距的约束0.17《f2/l《0.72，可以避免引起过多的球差和色差以至于难以通过其他光学部件进行有效补偿；
46.通过对于第三镜组g3的焦距的约束0.24《-f3/l《0.95，可以有效地补偿光学系统的球差，色差和场曲像差；且可以避免破坏光学系统的整体结构，导致光学系统的工作距离太小。
47.在本发明的实施例中，第一反射镜采用具有低热膨胀系数的材料制成，譬如本实施例中使用的zerodur微晶玻璃，采用低热膨胀系数的玻璃材料的第一反射镜可以吸收曝光能量，即使有温度变化后也不会引起反射曲面的面形变化，保持良好的成像性能，为了让第一反射镜可以发挥其作用，在第一反射镜上通过镀反射膜形成反射曲面m1，反射曲面m1 为凹面，可以是镀包含铝或银等金属或多层介质反射薄膜，本实施例中物镜光学系统满足关系式：
48.0.25《-r/l《1.2
49.其中，r为第一反射镜的反射曲面的曲率半径，由此，实施例中物镜光学系统可以有效地补偿光学系统的球差，色差和场曲像差，尤其是高级轴向色差；同时可以避免破坏光
学系统的整体结构导致结构臃肿。
50.具体在本发明的实施例中，第一镜组至少包含1个正透镜，所述第二镜组至少包含1 个正透镜，满足：
51.0.7《f1/f2《2.9
52.0.3《d0/d1《1.2
53.0.15《(d0+d1)/l《0.6
54.其中，d0为物面到第一镜组之间的光学距离，d1为第一镜组到第二镜组之间的光学距离；在此范围内可以较好地平衡各种光学像差，否则超过上限或下限，尤其引起过多的球差和色差以至于难以通过其他光学部件进行有效补偿；破坏光学系统的整体结构；难以构成物方和像方的远心光路，导致成像质量下降。
55.第三镜组至少包含1个正透镜和1个负透镜，第三镜组满足关系式：
56.vdps-vdms》15
57.其中，vdps为第三镜组中一个正透镜的色散系数，vdms为第三镜组中一个负透镜的色散系数；通过对于第三镜组中透镜的色散系数的约束，使光学系统的球差和色差得到均衡有效补偿；保证系统的整体结构合理稳定，可以构成均衡的物方和像方的远心光路。
58.具体在本发明的一个实施例中，第一镜组g1包括第一透镜l1，第一透镜l1为正透镜，第一透镜l1远离第一反射镜的第一侧面为凸面，第一透镜l1靠近第一反射镜的第二侧面为凸面；
59.第二镜组g2包括第二透镜l2，第二透镜l2为正透镜，第二透镜l2为正透镜，第二透镜l2远离第一反射镜的第一侧面为凸面，第二透镜l2靠近第一反射镜的第二侧面为凹面，第二透镜l2靠近第一反射镜的第二侧面的曲率半径比较大，在其他实施例中也可以是凸面；
60.第三镜组包括第三透镜l3和第四透镜l4，第三透镜l3为负透镜，第四透镜l4为正透镜，第三透镜l3远离第一反射镜的第一侧面为凹面，第三透镜l3靠近第一反射镜的第二侧面为凹面；第四透镜l4远离第一反射镜的第一侧面为凸面，第四透镜l4靠近第一反射镜的第二侧面为凸面。
61.本发明中通过包含第一透镜至第四透镜的镜组内各透镜通过正负屈折力的组合，可互相校正像差，提升解像力。
62.此外，在本发明中，第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3的透镜分别均为球面镜片，减少光学系统制造和组装难度和成本，光学系统的结构均衡稳定。
63.在本发明的实施例中，光学系统能够对光谱中i线、h线、g线三种谱线校正像差，物镜光学系统的光谱范围为360nm-441nm，光学系统可以对光谱中i线，h线，g线三种谱线校正像差，i线，h线，g线三种谱线的波长分别为365纳米，405纳米，436纳米，i 线，h线，g线是曝光时高压水银光源的特征波长，光学系统可通过像差改善来提高光学性能，提高光源的利用率，大幅度提高曝光强度；适用于曝光剂量较大的光刻曝光；适用于不同谱线的感光材料。
64.见图2，在本发明的另一个实施例中，在前述实施例的基础上，物镜光学系统还包括第二反射镜，第二反射镜设置在第一镜组的前侧，第二反射镜包括第一反射平面m2和第二反射平面m3，第一反射平面m2和第二反射m2的延长面相交的直线与第一镜组g1、第二镜
组g2、第三镜组g3、第一反射镜构成的光轴垂直，物面p1与像面p2相互平行且均平行于光轴设置，从由物面p1发射的光束经第一反射平面反射后进入第一镜组，经第一镜组、第二镜组、第三镜组和反射曲面m1后再通过第三镜组、第二镜组、第一镜组，然后从第一镜组射出的光束经第二反射平面反射后汇聚成像到像面p2，第一反射平面和第二反射平面分别通过在第二反射镜的反射面上镀反射膜形成。
65.通过上述设置，使得光学系统结构紧凑，投影物镜的物像具有较大的物、像方工作距离，为后续光学系统与照明系统、掩模和硅片系统的接口设计留出足够的空间，满足光刻机整体装配需求。
66.在本发明的一个实施例中，第一反射镜位置处设置有冷却装置，冷却装置用于对反射曲面进行控温，大视场光学系统中，反射曲面比较小，全部的曝光光束能量汇聚到反射曲面处时，单位面积的光束能量急剧增大，因为反射曲面会吸收极小部分的光束能量并转化为热量，反射曲面因此温度升高产生热膨胀，冷却装置可以使反射曲面所吸收的光能量有效地排除到光学系统之外，具有良好的光热稳定性，适用于曝光剂量较大的曝光工艺。
67.具体的，冷却装置为热传导冷却式装置或对流冷却式装置或电制冷式装置中的任意一种或者多种的组合，可以使反射曲面所吸收的光能量有效地排除到光学系统之外，具有良好的光热稳定性，适用于曝光剂量较大的曝光工艺。
68.在一个实施例中，第一镜组g1、第二镜组g2、第三镜组g3满足：
69.第一透镜l1，折射率nd满足1.4《nd《1.5，色散系数vd满足70《vd《80；
70.第二透镜l2，折射率nd满足1.5《nd《1.6，色散系数vd满足30《vd《40；
71.第三透镜l3，折射率nd满足1.5《nd《1.6，色散系数vd满足40《vd《50；
72.第四透镜l4，折射率nd满足1.4《nd《1.5，色散系数vd满足70《vd《80；
73.具体的，物镜光学系统的数值孔径na＝0.06；物方视场像高：hy＝145mm；本发明还提供了一种实施例的物镜光学系统的具体光学参数，如下表1：
74.[0075][0076]
表1
[0077]
在该实施例中，其特征参数如表2所示。
[0078]
(1)f1/l＝0.50(2)f2/l＝0.35(3)-r/l＝0.56(4)-f3/l＝0.48
[0079]
表2
[0080]
图3为具体实施例中的物镜光学系统的传递函数mtf图，在图3光学系统的传递函数 mtf图中，横轴为分辨率，单位是线对/毫米(lp/mm)，一黑一白两条线算是一个线对，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。纵轴为调制传递函数mtf(modulationtransfer function)，是对镜头分辨率的一个定量描述。我们用调制度(modulation)表示反差的大小。设最大亮度为imax，最小亮度为imin，调制度m定义为：m＝(imax
‑ꢀ
imin)/(imax+imin)。调制度介于0和1之间，调制度越大，意味着反差越大。当最大亮度与最小亮度完全相等时，反差完全消失，这时的调制度等于0。
[0081]
对于原来调制度为m的正弦波，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为m
′
，则mtf 函数值为：mtf值＝m
′
/m。
[0082]
可以看出，mtf值必定介于0和1之间，并且越接近1、镜头的性能越好。如果镜头的mtf值等于1，镜头输出的调制度完全反映了输入正弦波的反差；而如果输入的正弦波的调制度是1，则输出图像的调制度正好等于mtf值。所以，mtf函数代表了镜头在一定空间频率下的反差。
[0083]
mtf曲线可以看出，具有代表性的hy＝15视场和最大视场的mtf值已经非常接近衍
射极限值。衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像时，由于物理光学的光的衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像，这个衍射像是物理光学的衍射极限，即最大值。
[0084]
可以看出，本发明可以在很宽的紫外光谱范围内，全视场范围内接近物理光学的衍射极限。
[0085]
在本发明的实施例中，还提供了一种扫描投影光刻系统，其特征在于，包括上述的具有大视场的投影光刻的物镜光学系统，其光学系统物镜光学系统具有大视场、易于生产加工的特点，同时热稳定性好可以满足大曝光剂量的需求。
[0086]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。