《一種投影物鏡系統》是上海微電子裝備有限公司於2010年12月1日申請的發明專利，該專利申請號為2010105675359，公布號為CN102486569A，專利公布日為2012年6月6日，發明人是朱立榮。
《一種投影物鏡系統》涉及用於製作半導體晶片或其他微器件的步進式光刻機中的投影物鏡系統。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，其特徵在於，該投影物鏡系統的有效焦距f、該物面至像面的距離L、該光闌處各個視場發出的光束最大口徑之差ΔR、該光闌處中心視場發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%。
2017年12月11日，《一種投影物鏡系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種投影物鏡系統》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種投影物鏡系統
- 公布號：CN102486569A
- 公布日：2012年6月6日
- 申請號：2010105675359
- 申請日：2010年12月1日
- 申請人：上海微電子裝備有限公司
- 地址：上海市浦東區張江高科技園區張東路1525號
- 發明人：朱立榮
- 代理機構：北京連和連智慧財產權代理有限公司
- 代理人：王光輝
- Int.Cl.：G02B13/18（2006.01）I、G02B13/22（2006.01）I、G03F7/20（2006.01）I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
美國專利US6806942對於相對頻寬δλ/λ＞0.002，甚至δλ/λ＞0.005的波長範圍，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，並且通過對於材料的最佳化選擇，很好的校正色差，使系統具有較好的穩定性。
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，G1包括第1片到第5片共5片透鏡，第1片和第3片採用高透過率材料，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片採用高折射率材料；G3包括第10片到第13片共4片透鏡，為正透鏡，其中第13片採用高透過率材料：G4包括第14到16片，為負透鏡，均採用高折射率材料。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片採用高折射率材料。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。
該結構的投影物鏡的缺點在於，系統的遠心較大，尤其是物方遠心較差，導致本系統對於掩模面上由於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，會引起矽片面上成像質量，尤其是畸變的極大變化。
發明內容
專利目的
技術方案
《一種投影物鏡系統》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，位於該第一、第二子透鏡組之間；其特徵在於，該投影物鏡系統的有效焦距f、該物面至像面的距離L、該光闌處各個視場發出的光束最大口徑之差ΔR、該光闌處中心視場發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%。
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，最後一個透鏡的後表面為非球面。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，後表面同樣彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，且曲率半徑大於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，該負透鏡的後表面為非球面。該投影物鏡還具有第一、第二、第三平板，分別位於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像質的影響。該投影物鏡系統至少包括兩種光學材料，一種是在工作波長處折射率大於1.6的高折射率材料，一種是在工作波長處折射率小於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，且口徑不小於0.9直徑最大值。投影物鏡的物方工作距離＞40毫米，像方工作距離＞10毫米，所成像與光軸的夾角＜3毫弧度角，像方數值孔徑大於0.5。
較佳地，投影物鏡的物方工作距離＞45毫米，像方工作距離＞12毫米，所成像與光軸的夾角＜1毫弧度角，投影物鏡系統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出的光束最大口徑之差與中心視場發出的光束的最大口徑之比＜0.5%，像方數值孔徑大於0.65。
上述投影物鏡系統可被用於微光刻系統中。
改善效果
《一種投影物鏡系統》的投影物鏡數值孔徑最大可以達到0.65以上，適用於紫外光譜範圍，尤其是i-line波段，最大光譜寬度可以達到5納米。具有雙遠心效果，即在物方，物面上的各視場的主光線平行於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於光軸出射，成像在像面上，其與光軸的夾角＜3毫弧度角，某些情況下可以達到1毫弧度角以下。因此，本發明的投影物鏡對於掩模面上由於加工產生的不平整度並不敏感，即掩模面上微小的凹凸不會引起矽片面上成像質量，尤其是畸變的顯著變化。物面到像面的距離（L）與投影物鏡系統有效焦距（f）之比在0.12-0.4之間，更優的是在0.15-0.3之間，從而有利於控制畸變在一定範圍內，同時也保證了系統結構的緊湊。
此投影物鏡系統光闌處由各個視場發出的光束最大口徑之差與中心視場發出的光束的最大口徑之比＜1%，更優的＜0.5%。這樣既減少了光瞳遮攔，而且有利於在整場內得到能量均勻的線條。本發明的投影物鏡可廣泛用於280納米節點技術中，特別是可以用於240納米節點技術中。
附圖說明
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《一種投影物鏡系統》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。
權利要求
1.一種投影物鏡系統，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，位於該第一、第二子透鏡組之間；其特徵在於，該投影物鏡系統的有效焦距f、該物面至像面的距離L、該光闌處各個視場發出的光束最大口徑之差ΔR、該光闌處中心視場發出的光束的最大口徑R滿足以下條件：0.12＜|L/f|＜0.4（1）；ΔR/R＜1%（2），在物方，物面上的各視場的主光線平行於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於光軸出射，成像在像面上，其與光軸的夾角＜3毫弧度角，第一透鏡組即第一光學元件。
2.根據權利要求1所述的投影物鏡系統，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.根據權利要求1所述的投影物鏡系統，其中，該第二透鏡組至少包括三片負透鏡。
4.根據權利要求1所述的投影物鏡系統，其中，該第三透鏡組至少包括三片正透鏡。
5.根據權利要求1所述的投影物鏡系統，其中，該第四透鏡組至少包括三片負透鏡，最後一個透鏡的後表面為非球面。
6.根據權利要求1所述的投影物鏡系統，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，後表面同樣彎向光闌，其彎曲頂點遠離光闌，且曲率半徑大於該前表面的曲率半徑。
7.如權利要求1所述的投影物鏡系統，其中，該第五透鏡組的第二子透鏡組包括一片負透鏡，該負透鏡的後表面為非球面。
8.根據權利要求1所述的透鏡物鏡系統，還包括第一、第二、第三平板，分別位於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.根據權利要求8所述的投影物鏡系統，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像質的影響。
10.根據權利要求1-8中任意一個所述的投影物鏡系統，其中，該投影物鏡系統至少包括兩種光學材料，一種是在工作波長處折射率大於1.6的高折射率材料，一種是在工作波長處折射率小於1.6的低折射率材料。
11.根據權利要求1所述的投影物鏡系統，其中，投影物鏡的物方工作距離＞40毫米，像方工作距離＞10毫米，像方數值孔徑大於0.5。
12.根據權利要求1所述的投影物鏡系統，其中，投影物鏡的物方工作距離＞45毫米，像方工作距離＞12毫米，所成像與光軸的夾角＜1毫弧度角，該物面到像面的距離與投影物鏡系統有效焦距之比在0.15-0.3之間，該光闌處由各個視場發出的光束最大口徑之差與中心視場發出的光束的最大口徑之比＜0.5%，像方數值孔徑大於0.65。
13.一種微光刻系統，其特徵在於，使用了根據權利要求1-12中任意一個所述的投影物鏡系統。
實施方式
下面，結合附圖詳細描述根據本發明的優選實施例。為了便於描述和突出顯示本發明，附圖中省略了現有技術中已有的相關部件，並將省略對這些公知部件的描述。根據本發明的投影物鏡的總長不超過1200毫米，適用於i-line光譜範圍，光譜寬度可達5納米，放大倍率0.25，像方數值孔徑＞0.5，優選＞0.65，像方對角線視場＞56毫米，有效焦距（f）與物面到像面的距離（L）之比的範圍0.12＜|L/f|＜0.4，優選0.15＜|L/f|＜0.3，在物方，物面上的各視場的主光線平行於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於光軸出射，成像在像面上，其與光軸的夾角＜3毫弧度角，優選＜1毫弧度角。物方工作距離＞40毫米，優選＞45毫米，像方工作距離＞10毫米，優選＞12毫米。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，指最後一片光學元件到像面在沿光軸方向的最短距離。
圖3所示為根據本發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，根據光焦度的分布情況可以分成五組，分別是第一透鏡組S1、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S1的光焦度為正，包括L1-L5共5片光學透鏡，其中L1為負透鏡，採用折射率＜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0.3毫米，其作用是減小高級像差的產生，有利於後繼畸變的校正；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採用折射率高於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，均採用折射率低於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採用n＞1.6的高折射率材料，透鏡L15採用n＜1.6的低折射率材料且透鏡L15後表面為非球面，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P2，這些光學元件根據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LS1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，採用n＜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，且曲率半徑大於第一表面，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外均採用n＜1.6的低折射率材料；L20為負透鏡，採用n＞1.6的高折射率材料，且L20的後表面為非球面，口徑不小於0.9直徑最大值，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出的光束最大口徑之差與中心視場發出的光束的最大口徑之比＜1%，優選＜0.5%。三片平行平板分別位於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後一片透鏡位置。其中第一片光學平板和最後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於系統像質的影響。
投影物鏡系統的具體參數參見表1和表2。
/ | 曲率半徑 | 厚度/間隔 | 材料 |
物面 | infinity | 45 | / |
infinity | 10 | SI02_SPECIAL | |
infinity | 21.291784 | / | |
非球面1 | -127.664 | 13.0000008 | SI02_SPECIAL |
403.7343 | 26.6211634 | / | |
-778.817 | 22.199007 | SFSL5Y_OHARA | |
-232.075 | 0.90000085 | / | |
-2144.44 | 21.2984307 | PBL25Y_OHARA | |
-285.97 | 0.90000058 | / | |
410.3625 | 38.2095441 | SFSL5Y_OHARA | |
-335.117 | 0.9 | / | |
560.3234 | 43.9689786 | SI02_SPECIAL | |
-1515.89 | 0.90050112 | / | |
375.3889 | 13.0000095 | SFSL5Y_OHARA | |
119.1344 | 25.7368229 | / | |
-333.52 | 13.0000001 | PBL1Y_OHARA | |
164.3053 | 37.3304366 | / | |
-129.505 | 13.0000006 | PBL25Y_OHARA | |
432.1449 | 11.0086134 | / | |
2259.792 | 33.6790584 | SFSL5Y_OHARA | |
-173.011 | 0.9000002 | / | |
691.1496 | 42.6063845 | SFSL5Y_OHARA | |
-190.485 | 0.9 | / | |
213.3955 | 21.8899283 | PBL25Y_OHARA | |
1048.559 | 0.90000012 | / | |
117.877 | 38.580341 | SFSL5Y_OHARA | |
102.0075 | 23.4251256 | / | |
338.7309 | 13 | SFSL5Y_OHARA | |
113.6737 | 31.9399276 | / | |
-177.806 | 13 | SFSL5Y_OHARA | |
217.5526 | 34.029126 | / | |
-98.9313 | 28.5786433 | PBL25Y_OHARA | |
非球面2 | 1514.817 | 3.22171727 | / |
779.0035 | 32.2685968 | SFSL5Y_OHARA | |
-214.491 | 0.90000019 | / | |
-499.07 | 32.6496724 | SFSL5Y_OHARA | |
-158.71 | 0.9 | / | |
51.06465 | 36.8371529 | SFSL5Y_OHARA | |
-1412.52 | 8.08037644 | / | |
1.00E+18 | 20 | SI02_SPECIAL | |
1.00E+18 | 34.5117836 | / | |
光闌 | 1.00E+18 | -2.5 | / |
303.9157 | 36.1734063 | SFSL5Y_OHARA | |
-519.266 | 9.93615773 | / | |
-305.013 | 20 | PBL25Y_OHARA | |
非球面3 | 229.4571 | 14.8367387 | / |
417.609 | 28.6769175 | SFSL5Y_OHARA | |
-217.042 | 10.3837664 | / | |
362.6817 | 29.705095 | SFSL5Y_OHARA | |
-1349.77 | 16.524509 | / | |
250.2507 | 36.9088222 | SFSL5Y_OHARA | |
-549.975 | 0.9000001 | / | |
154.5506 | 40.7076006 | SFSL5Y_OHARA | |
503.9516 | 0.90000001 | / | |
308.7465 | 44.3719893 | SFSL5Y_OHAR | |
1215.241 | 0.9 | / | |
-4661.36 | 36.9312861 | SFSL5Y_OHARA | |
53.79116 | 3.6355942 | / | |
49.68648 | 21.7953991 | SFSL5Y_OHARA | |
311.6276 | 4.44934018 | / | |
infinity | 6 | SI02_SPECIAL | |
infinity | 12 | / | |
像面 | infinity | 0 | / |
/ | K | A | B | C | D |
非球面1 | 0 | -1.31E-08 | -7.15E-13 | -3.35E-17 | -5.51E-21 |
非球面2 | 0 | 1.90E-08 | -9.50E-13 | 1.84E-17 | -2.24E-23 |
非球面3 | 0 | 1.00E-08 | -1.21E-13 | -6.13E-18 | -3.10E-22 |
圖4所示為圖3中的投影物鏡的近軸場曲和畸變圖。可以看出本結構有很小的場曲和像散值，場曲小於100納米，像散小於70納米。
圖5所示為圖3中的投影物鏡的像差曲線圖。可以看出本案例中各種主要像差都得到很好校正，僅剩餘少量色球差。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種投影物鏡系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
