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1、10申请公布号CN104199173A43申请公布日20141210CN104199173A21申请号201410479916X22申请日20140919G02B13/00200601G02B13/22200601G02B1/00200601G03F7/2020060171申请人中国科学院光电技术研究所地址610209四川省成都市双流350信箱72发明人朱咸昌胡松赵立新74专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人杨学明顾炜54发明名称一种单倍率对称式投影曝光物镜57摘要本发明公开了一种单倍率对称式投影曝光物镜，其作用是把投影光刻机掩模版上的图形经过成像复制后转移到硅片上。投影。
2、曝光物镜是光刻机的核心部件，决定了光刻机的主要性能。本发明所涉及的单倍率投影曝光物镜由12片透镜组成，采用对称式结构。物镜分辨力25M，放大倍率为1，曝光视场15MM15MM。本投影曝光物镜系统由第一组透镜组、光阑、第二组透镜组构成，第一和第二透镜组相对于光阑对称分布。本投影物镜共轭距为500MM，系统结构紧凑；同时，选用对I线365NM透过率较高的玻璃材料，提高系统光学透过率，满足投影光刻机的高精度及高产率需求。51INTCL权利要求书1页说明书6页附图4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图4页10申请公布号CN104199173ACN1041991。
3、73A1/1页21一种单倍率对称式投影曝光物镜，其特征在于该投影曝光物镜采用双远心结构，即物镜物方和像方主光线与光轴平行；投影物镜系统分为前后两部分透镜组和透镜组，光阑位于透镜组和透镜组的共焦面；透镜组和透镜组相对于光阑对称分布，依次由第一负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3、第三正透镜4、第四正透镜5和第二负透镜6组成。2根据权利要求1所述的单倍率对称式投影曝光物镜，其特征在于呈对称分布的负透镜1为平凹负透镜，物镜系统的第1面和最后面为平面。3根据权利要求1所述的单倍率对称式投影曝光物镜，其特征在于透镜组和透镜组组成的物镜系统至少由12片透镜组成透镜组和透镜组关于光阑对称，透镜组和透镜组组成。
4、的系统放大倍率为1，具体的，为满足系统放大倍率要求，透镜组和透镜组满足0992FI/FII1008其中，FI和FII分别为透镜组和透镜组的焦距。4根据权利要求1所述的单倍率对称式投影曝光物镜，其特征在于透镜组和透镜组组成的物镜系统的工作波长为3653NM，选用不同色散特性的材料校正系统色差，具体的1第一负透镜1、第一正透镜2和第二正透镜3采用常用的冕玻璃，其材料特性为151ND131536016VD136602其中，ND13分别为第一负透镜1、第一正透镜2和第二正透镜3的折射率；VD13为其对应的色散系数；2第三正透镜4和第四正透镜5采用轻冕玻璃，其材料特性为147ND451496559VD4。
5、57004其中，ND45分别为第三正透镜4和第四正透镜5的折射率；VD45为其对应的色散系数；3第二负透镜6采用轻火石玻璃，其材料特性满足155ND61593918VD64876其中，ND6为第二负透镜6的折射率；VD6为其对应的色散系数。5根据权利要求1所述的单倍率对称式投影曝光物镜，其特征在于投影物镜物像共轭距为500MM，即系统总长为500MM，结构紧凑；物方和像方工作距大于90MM，为后续系统结构设计留出足够的空间，为满足系统需求，投影物镜结构满足FIII160。6根据权利要求1所述的单倍率对称式投影曝光物镜，其特征在于投影物镜数值孔径NA为012，分辨力为25M；曝光视场为15MM1。
6、5MM；场曲优于5M；畸变优于005M，满足光刻机需求。权利要求书CN104199173A1/6页3一种单倍率对称式投影曝光物镜技术领域0001本发明涉及的一种单倍率投影曝光物镜，用于基于数字微镜阵列DMD的无掩膜投影光刻机，属于微电子设备及微细加工领域。背景技术0002以大规模集成电路为核心的微电子技术的快速发展，对微电子设备和微细加工技术提出了新的要求。自1978年美国推出第一台商业化的投影式光刻机，光学投影曝光作为应用领域最广、技术更新快和生命力强的微细加工技术，是驱动微电子技术进步的核心。投影光刻机将掩模上的图形，经过投影物镜成像复制在硅片面上。大规模集成电路的发展，要求在较大面积的芯。
7、片上容纳越来越精细的线条，高精度的光刻机需求日益增加，掩模的制作精度成为影响光刻机性能的关键因素。基于数字微镜阵列DMD的无掩膜光刻机具有无需掩模、结构简单、成本低和高分辨力等优点，被应用于现代微细加工领域。无掩膜光刻机中，投影物镜将DMD控制的出射光成像到硅片表面，通过控制DMD的出射光即可完成不同结构尺寸的加工制作。投影物镜受DMD尺寸限制，其曝光视场较小但要求结构紧凑，投影物镜的物像共轭距较小；且投影物镜多采用低数值孔径的1倍左右的放大倍率设计。0003目前，针对1倍左右放大倍率的投影物镜，为避免系统色差和减小系统共轭距，采用发射镜结构设计物镜。美国专利US7158215介绍一种折反式1。
8、放大倍率光刻投影物镜系统，由主镜凹透镜、次镜凹反射镜和弯月折射透镜组成。美国专利US7148953介绍了另外一种1放大倍率的折反式光刻投影物镜，由一个折射透镜组、凹面反射镜和两个折转棱镜组成。投影物镜中采用反射镜，能有效降低投影物镜的口径和共轭距，减少物镜数目；但反射结构尤其是离轴式反射结构，加工及装配较困难。0004全折射式投影物镜由于其装配难度较低，可具有较大的物像方工作距且改变系统NA不会引起渐晕等优势得到广泛应用。中国专利CN102200624A介绍了一种1倍放大的投影光刻物镜。该物镜系统的工作波段为GH线，共由18片透镜组成，其中包含4片非球面。该投影物镜设计成本和加工难度较高。00。
9、05美国专利US2009080086A提供一组数值孔径NA由002025的投影物镜。此组投影曝光物镜均采用对称结构，物镜前半部分和后半部分关于光阑对称，放大倍率为1，曝光半视场为50MM。此投影物镜系统同样具有非球面透镜，加工制造难度较大。0006日本专利JP2002072080A介绍一组由32片透镜和4个非球面组成的大面积投影曝光物镜，系统NA为0145，曝光视场为100100MM。该物镜设计和加工成本同样较高。0007总体而言，目前报道的1投影光刻物镜，多用于大面积平板显示器光刻。针对DMD光刻设备高分辨力、较短共轭距的成像需求，本发明介绍一种对称式结构的投影光刻物镜，满足其成像设计要求。。
10、发明内容0008针对DMD无掩膜光刻机对投影光刻物镜的像质和系统尺寸提出的要求，本发明旨说明书CN104199173A2/6页4在设计一组投影物镜，满足高精度无掩膜光刻机需求。本发明目的在于利用简单的透镜成像，同步校正系统的畸变、像散、场曲和色差等；同时，系统共轭距较短、结构简单紧凑。0009本发明采用的技术方案为一种单倍率对称式投影曝光物镜，为减小掩模及硅片由于位置变化引起的倍率误差和对准误差，并完成掩模和硅片的同轴对准，投影光学系统采用双远心结构，即物镜物方和像方主光线与光轴平行；投影物镜系统分为前后两部分透镜组和透镜组，光阑位于透镜组和透镜组的共焦面；透镜组和透镜组相对于光阑对称分布，分。
11、别由第一负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3、第三正透镜4、第四正透镜5和第二负透镜6组成。0010所述的单倍投影物镜，其特征在于呈对称分布的第一负透镜1为平凹负透镜，物镜系统的第1面和最后面为平面。0011所述的单倍率投影曝光物镜，其特征在于物镜系统至少由12片透镜组成物镜系统关于光阑对称，系统放大倍率为1。具体的，为满足系统放大倍率要求，透镜组和透镜组满足00120992FI/FII10080013其中，FI和FII分别为前透镜组和后透镜组的焦距。0014所述的单倍率投影曝光物镜，其特征在于物镜系统的工作波长为3653NM，选用不同色散特性的材料校正系统色差，具体的00151第一负透镜1、。
12、第一正透镜2和第二正透镜3采用常用的冕玻璃，其材料特性为0016151ND1315300176016VD1366020018其中，ND13分别为第一负透镜1、第一正透镜2和第二正透镜3的折射率；VD13为其对应的色散系数；00192第三正透镜4和第四正透镜5采用轻冕玻璃，其材料特性为0020147ND4514900216559VD4570040022其中，ND45分别为第三正透镜4和第四正透镜5的折射率；VD45为其对应的色散系数；00233第二负透镜6采用轻火石玻璃，其材料特性满足0024155ND615900253918VD648760026其中，ND6为第二负透镜6的折射率；VD6为其对。
13、应的色散系数。0027所述单倍率投影曝光物镜，其特征在于投影物镜物像共轭距为500MM，即系统总长为500MM，结构紧凑；物方和像方工作距大于90MM，为后续系统结构设计留出足够的空间。为满足系统需求，投影物镜结构满足0028FIII1600029所述的单倍率投影曝光物镜，其特征在于投影物镜数值孔径NA为012，分辨力为25M；曝光视场为15MM15MM；场曲优于5M；畸变优于005M，满足光刻机需求。说明书CN104199173A3/6页50030本发明与现有技术相比的优点在于00311采用对称式的两组透镜，用较少透镜获得较高的系统成像像质。00322采用常用的光学玻璃材料，节约光学系统的生。
14、产和装配成本。00333系统结构紧凑，投影物镜的物像共轭距即系统总长度不超过500MM，同时具有较大的物像方工作距，为后续投影物镜与照明系统、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。附图说明0034本发明所述的单倍率投影曝光物镜具体结构形式和像质特性以附图形式作进一步阐述0035图1为本发明所述的投影曝光物镜的光学结构示意图。0036图2为本发明所述的投影物镜系统的场曲A和畸变B示意图。0037图3为本发明所述的投影物镜像差曲线示意图。0038图4为本发明所述的投影物镜波像差示意图。0039图5为本发明所述投影物镜的物方和像方远心度示意图。0040图6为本发明所述的投影。
15、物镜离焦10M时的MTF曲线。具体实施方式0041本发明旨在提供一种单倍率投影曝光物镜，用于I线光刻机。结合附图对本发明的具体实施措施作详细说明。0042根据高精度投影光刻机的要求，本发明所述的投影物镜光学指标要求如下所示0043工作波长3653NM0044分辨力25M0045数值孔径NA0120046放大倍率10047曝光视场15MM15MM0048物像共轭距小于500MM0049物方工作距大于90MM0050像方工作距大于90MM0051本发明所述的投影物镜采用双远心结构，物镜系统由12片透镜组成。本发明所述是投影物镜结构如图1所示。投影物镜系统分为前后两部分透镜组和透镜组，光阑位于透镜组。
16、和的共焦面；透镜组和透镜组相对于光阑对称分布，分别由第一负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3、第三正透镜4、第四正透镜5和第二负透镜6组成。0052所述的单倍投影物镜，其特征在于呈对称分布的第一负透镜1为平凹负透镜，物镜系统的第1面和最后面为平面。0053所述的单倍率投影曝光物镜，其特征在于物镜系统至少由12片透镜组成物镜系统关于光阑对称，系统放大倍率为1。具体的，为满足系统放大倍率要求，透镜组和透镜组满足00540992FI/FII1008说明书CN104199173A4/6页60055其中，FI和FII分别为前透镜组和后透镜组的焦距。0056所述的单倍率投影曝光物镜，其特征在于物镜系统的工。
17、作波长为3653NM，选用不同色散特性的材料校正系统色差，具体的00571第一负透镜1、第一正透镜2和第二正透镜3采用常用的冕玻璃，其材料特性为0058151ND1315300596016VD1366020060其中，ND13分别为第一负透镜1、第一正透镜2和第二正透镜3的折射率；VD13为其对应的色散系数；00612第三正透镜4和第四正透镜5采用轻冕玻璃，其材料特性为0062147ND4514900636559VD4570040064其中，ND45分别为第三正透镜4和第四正透镜5的折射率；VD45为其对应的色散系数；00653第二负透镜6采用轻火石玻璃，其材料特性满足0066155ND615。
18、900673918VD648760068其中，ND6为第二负透镜6的折射率；VD6为其对应的色散系数。0069所述单倍率投影曝光物镜，其特征在于投影物镜物像共轭距为500MM，即系统总长为500MM，结构紧凑；物方和像方工作距大于90MM，为后续系统结构设计留出足够的空间。为满足系统需求，投影物镜结构满足0070FIII1600071具体地，为保证系统透过率同时校正系统的色差，投影物镜由对称的前透镜组和后透镜组组成平凹负透镜1、双凸正透镜2和双凸正透镜3选用冕玻璃K9；双凸正透镜4和双凸正透镜5选用轻冕玻璃QK3；双凹负透镜6选用轻火石玻璃QF5。设计结果如表格1所示0072表格10073序号。
19、面型半径厚度材料SEMIDIAMETER0球面INF9061010901798681球面INF18734HK9L21331183682球面1187065373622897512943球面168249224380HK9L23627760114球面15880272458725589278795球面42934944834HK9L2720528838说明书CN104199173A5/6页76球面38357911216027253013057球面50560111183HQK326964302238球面8850077056126329463739球面61679011109HQK3242760613610球。
20、面345879826850220141718211球面130032210037QF518520772312球面3022012995114417114413球面INF29360113023689814球面30220110037QF5143935072915球面13003226866185034399716球面3458798211109HQK3220170708917球面6167900519242826042118球面885007711183HQK3263286823719球面50560111424269653269320球面38357914834HK9L272642285821球面4293494。
21、2828427218460822球面158802724380HK9L25417520223球面1682492322623472514724球面118706518734HK9L228694555825球面INF91312213300307426球面INF0000110024868200740075图2为投影物镜系统的场曲和畸变，表明该投影物镜系统的场曲优于5M，畸变优于002M。0076图3所示的投影物镜像差曲线和图4所示的波像差曲线表明，投影物镜系统具有较好的像质，波像差优于025。说明书CN104199173A6/6页80077图5所示的投影物镜物方和像方远心度优于05，满足光刻机套刻及对准。
22、过程中的误差需求。0078图6所示的MTF曲线表明，离焦10M时物镜系统的MTF04，系统具有较好的像质。0079总体上，本发明所述的单倍率投影曝光物镜，具有较高的像质。设计过程中，综合优化投影物镜的倍率、色差、场曲、畸变和波像差等像差，满足高精度光刻机需求。本发明所详述的设计实例仅用于说明本发明的优势和合理性，凡以本发明技术方案为基础优化设计的投影物镜实例均属于本发明的范畴。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域人员所公知的技术。说明书CN104199173A1/4页9图1图2说明书附图CN104199173A2/4页10图3图4说明书附图CN104199173A103/4页11图5说明书附图CN104199173A114/4页12图6说明书附图CN104199173A12。