[发明专利]一种投影光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光刻系统中的投影光学系统，尤其涉及一种高分辨率的投影光学系统。

背景技术

自70年代集成电路IC问世以来，经历了从小规模到超大规模的发展阶段，其进步得益于光刻的飞速发展。光刻是大规模集成电路制造中最重要的工序之一，光刻中使用的曝光设备，通过投影光学系统以分步重复或扫描方式将掩模上图形准确投影到涂有光刻胶的硅片上进行曝光，曝光质量的好坏对后续的显影、刻蚀、去胶工艺影响很大。随着集成电路制造的发展，对投影光学系统的分辨率要求也越来越高。根据瑞利法则，分辨率表达式如下：

R＝k₁λ/NA

上式中R代表光刻机的分辨率，k₁代表工艺因子，λ代表投影光学系统的工作波长，NA代表投影光学系统的数值孔径。所以，为了提高分辨率，需要将光源的波长缩短或将投影光学系统的数值孔径增大。在过去的30多年中，投影光学系统波长已从436nm(g线)缩短到365nm(i线)、进而转向深紫外波段的248nm(KrF准分子激光)、193nm(ArF准分子激光)。数值孔径由最初的0.3逐渐增大，但是，采用大数值孔径的投影光学系统必须使用更多的镜片来校正系统的各种像差以获得波像差RMS和畸变均控制在1nm内的高像质要求的投影光学系统。在美国专利US6349005B1中，实施例3所述的投影光学系统的工作波长为248.38nm，由31片镜片构成，但波像差RMS与畸变都较大。波像差RMS约13mλ，即3.2nm，畸变约为3nm。数值孔径仅为0.7。在美国的另一专利US6522484B1中，实施例6所述的投影光学系统的工作波长为193nm，由31片镜片构成，但畸变仍然较大，约为2nm。数值孔径仅为0.7。在上述的两专利中，虽然投影光学系统的镜片数量都超过了30片，但波像差RMS与畸变仍然较大，不满足要求；同时，镜片数量太多，加工、检测及装调成本也跟着增加。并且，两个投影光学系统的数值孔径都只有0.7。另外，专利US6522484B1中实施例6所述的投影光学系统，物方工作距和像方工作距仅为13mm、12mm，物方工作距和像方工作距太短，给掩模和硅片工件台的设计及加工、掩模和硅片的定位控制带来很大的困难。

发明内容

为了解决现有技术方案中投影光学系统镜片数量过多、波像差RMS与畸变较大、数值孔径较小、物方工作距和像方工作距太短的问题，本发明的目的在于提供一种镜片数量较少、波像差RMS与畸变较小、数值孔径更大的投影光学系统。此外，该投影光学系统还能提供较大的物方和像方工作距，这大大降低了掩模和硅片工件台的设计及加工难度、掩模和硅片的定位控制难度，并且该投影光学系统还能提供高分辨率。

为实现上述目的，本发明提供一种投影光学系统，用于将物面内的图案投射到像平面上，沿投影光学系统光轴方向安置有第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组，并且第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组处于同一光轴，从光束入射方向顺序第一透镜组具有负光焦度、第二透镜组具有正光焦度、第三透镜组具有负光焦度、第四透镜组具有正光焦度和第五透镜组具有正光焦度，其中：第一透镜组，接收输入光束，对物面发出的光束进行发散，得到并输出第一发散光束；第二透镜组，接收第一发散光束，对第一发散光束进行发散，得到并输出第二发散光束；第三透镜组，接收第二发散光束，对第二发散光束进行会聚，得到并输出第一会聚光束；第四透镜组，接收第一会聚光束，对第一会聚光束进行发散，得到并输出第三发散光束；第五透镜组，接收第三发散光束，对第三发散光束进行会聚，得到第二会聚光束，并将第二会聚光束会聚到像面。

本发明采用的上述技术方案与现有技术相比，具有以下的优点：

1、本发明的投影光学系统的五个透镜组G1至G5仅采用二十一片透镜，但投影光学系统的波像差RMS减小到了0.8nm，投影光学系统的畸变减小到了0.6nm。

2、本发明的数值孔径更大，可达到0.75。

3、本发明的投影光学系统物方和像方工作距分别增加到了68mm、18mm，给掩模和硅片工件台的设计及加工提供了更大的自由度，降低了掩模和硅片的定位控制难度。

4、本发明的投影光学系统，采用了三个非球面，以满足投影光学系统的波像差RMS和畸变均控制在1nm内的高成像质量要求，本发明的结构大大减少了镜片的数量，且系统没有胶合元件。因此整个系统结构简单，降低了加工、检测、装调成本。

5、本发明的投影光学系统中所有透镜只使用同一种材料，降低了加工、检测成本。