專利名稱：一種投影物鏡系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種投影物鏡系統(tǒng)，尤其涉及用于制作半導體芯片或其他微器件的步進式光刻機中的投影物鏡系統(tǒng)。
背景技術：
美國專利US6806942對于相對帶寬δ λ/λ > 0.002，甚至δ λ/λ > 0. 005的波長范圍，提出了一種三凸雙腰結構投影物鏡，其中三個凸起具有正光焦度，兩個腰部具有負光焦度，并且通過對于材料的優(yōu)化選擇，很好的校正色差，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。圖1和圖2所示為美國專利US6806942的投影物鏡，共包括31片光學元件，可分成五組G1、G2、G3、G4和G5，其中G1-G4見圖1，Gl包括第1片到第5片共5片透鏡，第1 片和第3片采用高透過率材料，第2片為負透鏡；G2包括第6片到第9片，共4片透鏡，均為負透鏡，其中第9片采用高折射率材料；G3包括第10片到第13片共4片透鏡，為正透鏡，其中第13片采用高透過率材料G4包括第14到16片，為負透鏡，均采用高折射率材料。G5 如圖2所示，包括第17到第31片，其中第20片為光學平板，第22片、第27片、第30片和第31片采用高折射率材料。在圖1中，107表示光軸，103表示物面，113表示中心視場，109 和111分別表示中心視場的上下兩條邊緣光線，121表示邊緣視場，115和119分別表示邊緣視場上下兩條邊緣光線。圖2中123表示光闌面，105表示像面。這種結構的投影物鏡的缺點在于，系統(tǒng)的遠心較大，尤其是物方遠心較差，導致本系統(tǒng)對于掩模面上由于加工產生的不平整度極其敏感，即掩模面上微小的凹凸經投影物鏡的放大，會引起硅片面上成像質量，尤其是畸變的極大變化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種投影物鏡系統(tǒng)，其具有大孔徑雙遠心結構，用于將該投影物鏡物平面上的圖案成像到投影物鏡的像平面上，以避免先前技術中掩模面上微小的凹凸經投影物鏡放大而引起硅片面上的成像質量之缺失。本發(fā)明的投影物鏡，從物面至像面依次排列有第一透鏡組，其光焦度為正；第二透鏡組，其光焦度為負；第三透鏡組，其光焦度為正；第四透鏡組，其光焦度為負；第五透鏡組，其光焦度為正，具有第一、第二子透鏡組；以及光闌，位于該第一、第二子透鏡組之間； 其特征在于，該投影物鏡系統(tǒng)的有效焦距f、該物面至像面的距離L、該光闌處各個視場發(fā)出的光束最大口徑之差Ar、該光闌處中心視場發(fā)出的光束的最大口徑R滿足以下條件 0. 12 < I L/f I < 0. 4 以及 Δ R/R < 1 %。該第一透鏡組包括具有負光焦度的第一子透鏡組，該第一子透鏡組至少包括一片負透鏡，該負透鏡的前表面為非球面；以及具有正光焦度的第二子透鏡組，該第二子透鏡組至少包括三個透鏡。該第二透鏡組至少包括三片負透鏡。該第三透鏡組至少包括三片正透鏡。
該第四透鏡組至少包括三片負透鏡，最后一個透鏡的后表面為非球面。該第五透鏡組的第一子透鏡組均為正透鏡，其中最靠近光闌的正透鏡的前表面彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，曲率半徑為正值，后表面同樣彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，且曲率半徑大于該前表面的曲率半徑。該第五透鏡組的第二子透鏡組包括一片負透鏡， 該負透鏡的后表面為非球面。該投影物鏡還具有第一、第二、第三平板，分別位于該物面與第一透鏡組之間、該光闌與該第五透鏡組的第一子透鏡組之間、以及該第五透鏡組與該像面之間。其中，該第一、第三平板作為保護玻璃，避免內部光學鏡片受外界影響，該第二平板作為預留補償元件，可被修磨以補償其它光學元件對系統(tǒng)像質的影響。該投影物鏡系統(tǒng)至少包括兩種光學材料，一種是在工作波長處折射率大于1. 6的高折射率材料，一種是在工作波長處折射率小于1. 6的低折射率材料。其中，第一透鏡組中第一子透鏡組中的負透鏡的材料為低折射率材料，第二子透鏡組中至少有一個透鏡的材料為高折射率材料；第二透鏡組中的負透鏡至少有兩個的材料為高折射率材料；第三透鏡組中至少有一個正透鏡的材料是高折射率材料；第四透鏡組中至少有兩個負透鏡的材料是高折射率材料；第五透鏡組中第一子透鏡組的透鏡材料均為低折射率材料，第二子透鏡組具有非球面表面的負透鏡的材料為高折射率材料，且口徑不小于0. QDmax0投影物鏡的物方工作距離> 40mm，像方工作距離> 10mm，所成像與光軸的夾角 < 3mrad，像方數(shù)值孔徑大于0. 5。較佳地，投影物鏡的物方工作距離> 45mm，像方工作距離> 12mm，所成像與光軸的夾角< lmrad，投影物鏡系統(tǒng)有效焦距與物面到像面的距離之比在0. 15-0. 3之間，光闌處由各個視場發(fā)出的光束最大口徑之差與中心視場發(fā)出的光束的最大口徑之比<0.5%， 像方數(shù)值孔徑大于0. 65。上述投影物鏡系統(tǒng)可被用于微光刻系統(tǒng)中。本發(fā)明的投影物鏡數(shù)值孔徑最大可以達到0. 65以上，適用于紫外光譜范圍，尤其是i-line波段，最大光譜寬度可以達到5nm。具有雙遠心效果，即在物方，物面上的各視場的主光線平行于光軸入射到第一光學元件上；在像方，各視場點的主光線準平行于光軸出射，成像在像面上，其與光軸的夾角< 3mrad，某些情況下可以達到Imrad以下。因此，本發(fā)明的投影物鏡對于掩模面上由于加工產生的不平整度并不敏感，即掩模面上微小的凹凸不會引起硅片面上成像質量，尤其是畸變的顯著變化。物面到像面的距離(L)與投影物鏡系統(tǒng)有效焦距(f)之比在0. 12-0. 4之間，更優(yōu)的是在0. 15-0. 3之間，從而有利于控制畸變在一定范圍內，同時也保證了系統(tǒng)結構的緊湊。此投影物鏡系統(tǒng)光闌處由各個視場發(fā)出的光束最大口徑之差與中心視場發(fā)出的光束的最大口徑之比< 1%，更優(yōu)的<0.5%。這樣既減少了光瞳遮攔，而且有利于在整場內得到能量均勻的線條。本發(fā)明的投影物鏡可廣泛用于280nm節(jié)點技術中，特別是可以用于240nm節(jié)點技術中。


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圖1和圖2所示為美國專利US6806942的投影物鏡的結構示意圖；圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的實施例的投影物鏡的結構示意圖；圖4所示為圖3中的投影物鏡的近軸場曲和畸變圖；圖5所示為圖3中的投影物鏡的像差曲線圖。
具體實施例方式下面，結合附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例。為了便于描述和突出顯示本發(fā)明，附圖中省略了現(xiàn)有技術中已有的相關部件，并將省略對這些公知部件的描述。根據(jù)本發(fā)明的投影物鏡的總長不超過1200mm，適用于i-line光譜范圍，光譜寬度可達5nm，放大倍率0. 25，像方數(shù)值孔徑> 0.5，優(yōu)選> 0. 65，像方對角線視場> 56mm，有效焦距(f)與物面到像面的距離(L)之比的范圍0.12< L/f <0.4，優(yōu)選0.15< L/ f| < 0.3，在物方，物面上的各視場的主光線平行于光軸入射到第一光學元件上；在像方，各視場點的主光線準平行于光軸出射，成像在像面上，其與光軸的夾角< 3mrad，優(yōu)選
<Imrad0物方工作距離> 40mm，優(yōu)選> 45mm，像方工作距離> 10mm，優(yōu)選> 12_。此處的物方工作距離指物面到物方光學平板的距離，或者在物方沒有保護玻璃的情況下，指物面到第一片光學透鏡在沿光軸方向的最短距離，像方工作距離指像方光學平板到像面的距離，或者在像方沒有保護玻璃的情況下，指最后一片光學元件到像面在沿光軸方向的最短距離。圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的投影物鏡的一實施例。如圖3所示，其中Object和Image 分別代表物面和像面，AS是光闌，整個投影物鏡共包括30片光學元件27片光學透鏡和 P1、P2、P3三片光學平板。沿光線傳播方向按依次排列，根據(jù)光焦度的分布情況可以分成五組，分別是第一透鏡組Si、第二透鏡組S2、第三透鏡組S3、第四透鏡組S4和第五透鏡組S5。 第一透鏡組Sl的光焦度為正，包括L1-L5共5片光學透鏡，其中Ll為負透鏡，采用折射率
<1. 6的低折射率材料，其前表面為非球面1，此非球面與其最佳擬合球面的矢高差不超過 0. 3mm，其作用是減小高級像差的產生，有利于后繼畸變的校正；第二透鏡組S2的光焦度為負，包括L6-L8三片負透鏡，其中L7和L8采用折射率高于1. 6的高折射率材料；第三透鏡組S3的光焦度為正，包括L9-L11三片正透鏡，均采用折射率低于1. 6的低折射率材料；第四透鏡組S4的光焦度為負，包括L12-L15四片透鏡，其中透鏡L13和透鏡L14采用η > 1. 6 的高折射率材料，透鏡L15采用η < 1. 6的低折射率材料且透鏡L15后表面為非球面，其作用是校正與視場有關像差；第五透鏡組S5的光焦度為正，包括L16-L27共12片光學透鏡以及一個光學平板Ρ2，這些光學元件根據(jù)其作用可以分成兩個子透鏡組LS1和LS2，在兩個子透鏡組之間存在一光闌AS。第一子透鏡組LSl包括L16-L18三片光學透鏡，以及光學平板 P2，光學透鏡均為正透鏡，采用η < 1.6的低折射率材料，其中最靠近光闌的正透鏡L18的第一表面彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，曲率半徑為正值；第二表面同樣彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，且曲率半徑大于第一表面，這種結構有效校正了光闌面的Petzval場曲。 第二子透鏡組LS2包括L19-L27共9片透鏡，除L20外均采用η< 1.6的低折射率材料；L20 為負透鏡，采用η > 1. 6的高折射率材料，且L20的后表面為非球面，口徑不小于0. 9Dmax, 其主要作用是校正與光闌有關的像差。光闌處由各個視場發(fā)出的光束最大口徑之差與中心視場發(fā)出的光束的最大口徑之比< 1%，優(yōu)選<0.5%。
三片平行平板分別位于最接近物面的第一片透鏡位置，光闌前一片透鏡位置和最接近像面的最后一片透鏡位置。其中第一片光學平板和最后一片光學平板均作為保護玻璃，避免內部光學透鏡受到外界系統(tǒng)干擾；光闌前一片透鏡可作為預留補償元件，必要時可進行修磨，以補償其他光學元件的加工誤差對于系統(tǒng)像質的影響。投影物鏡系統(tǒng)的具體參數(shù)參見表1和表2。表 權利要求
1.一種投影物鏡系統(tǒng)，從物面至像面依次排列有第一透鏡組，其光焦度為正；第二透鏡組，其光焦度為負；第三透鏡，其光焦度為正；第四透鏡組，其光焦度為負；第五透鏡組，其光焦度為正，具有第一、第二子透鏡組；以及光闌，位于該第一、第二子透鏡組之間；其特征在于，該投影物鏡系統(tǒng)的有效焦距f、該物面至像面的距離L、該光闌處各個視場發(fā)出的光束最大口徑之差△! 、該光闌處中心視場發(fā)出的光束的最大口徑R滿足以下條件0. 12 < L/f < 0. 4(1)；Δ R/R < 1 %(2)。
2.根據(jù)權利要求1所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第一透鏡組包括具有負光焦度的第一子透鏡組，該第一子透鏡組至少包括一片負透鏡，該負透鏡的前表面為非球面；以及具有正光焦度的第二子透鏡組，該第二子透鏡組至少包括三個透鏡。
3.根據(jù)權利要求1所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第二透鏡組至少包括三片負透鏡。
4.根據(jù)權利要求1所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第三透鏡組至少包括三片正透鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第四透鏡組至少包括三片負透鏡，最后一個透鏡的后表面為非球面。
6.根據(jù)權利要求1所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第五透鏡組的第一子透鏡組均為正透鏡，其中最靠近光闌的正透鏡的前表面彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，曲率半徑為正值，后表面同樣彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，且曲率半徑大于該前表面的曲率半徑。
7.如權利要求1或6所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第五透鏡組的第二子透鏡組包括一片負透鏡，該負透鏡的后表面為非球面。
8.根據(jù)權利要求1所述的透鏡物鏡系統(tǒng)，還包括第一、第二、第三平板，分別位于該物面與第一透鏡組之間、該光闌與該第五透鏡組的第一子透鏡組之間、以及該第五透鏡組與該像面之間。
9.根據(jù)權利要求8所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第一、第三平板作為保護玻璃，避免內部光學鏡片受外界影響，該第二平板作為預留補償元件，可被修磨以補償其它光學元件對系統(tǒng)像質的影響。
10.根據(jù)權利要求1-8中任意一個所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該投影物鏡系統(tǒng)至少包括兩種光學材料，一種是在工作波長處折射率大于1. 6的高折射率材料，一種是在工作波長處折射率小于1. 6的低折射率材料。
11.根據(jù)權利要求10所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，該第一透鏡組中第一子透鏡組中的負透鏡的材料為低折射率材料，該第一透鏡組中的第二子透鏡組中至少有一個透鏡的材料為高折射率材料；該第二透鏡組中的負透鏡至少有兩個的材料為高折射率材料；該第三透鏡組中至少有一個正透鏡的材料是高折射率材料；該第四透鏡組中至少有兩個負透鏡的材料是高折射率材料；該第五透鏡組中第一子透鏡組的透鏡材料均為低折射率材料，該第五透鏡組中第二子透鏡組具有非球面表面的負透鏡的材料為高折射率材料，且口徑不小于
12.根據(jù)權利要求1所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，投影物鏡的物方工作距離>40mm，像方工作距離> 10mm，像方數(shù)值孔徑大于0. 5。
13.根據(jù)權利要求1所述的投影物鏡系統(tǒng)，其中，投影物鏡的物方工作距離>45mm，像方工作距離> 12mm，所成像與光軸的夾角< lmrad，該物面到像面的距離與投影物鏡系統(tǒng)有效焦距之比在0. 15-0. 3之間，該光闌處由各個視場發(fā)出的光束最大口徑之差與中心視場發(fā)出的光束的最大口徑之比< 0. 5 %，像方數(shù)值孔徑大于0.65。
14.一種微光刻系統(tǒng)，其特征在于，使用了根據(jù)權利要求1-13中任意一個所述的投影物鏡系統(tǒng)。
全文摘要
一種投影物鏡系統(tǒng)，從物面至像面依次排有一具有正光焦度的第一透鏡組；一光焦度為負的第二透鏡組；一光焦度為正的第三透鏡組；一光焦度為負的第四透鏡組；一光焦度為正的第五透鏡組，其分為兩組子透鏡組，在兩組子透鏡組之間具有一光闌，其特征在于，該投影物鏡系統(tǒng)的有效焦距f、該物面至像面的距離L、該光闌處各個視場發(fā)出的光束最大口徑之差ΔR、該光闌處中心視場發(fā)出的光束的最大口徑R滿足以下條件0.12＜|L/f|＜0.4；以及ΔR/R＜1％。
文檔編號G02B13/22GK102486569SQ20101056753
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權日2010年12月1日
發(fā)明者朱立榮 申請人:上海微電子裝備有限公司