CN112526833B - 一种用于无掩模光刻的投影成像*** - Google Patents

一种用于无掩模光刻的投影成像*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于无掩模光刻的投影成像***，其具有成像效果好、畸变小、宽光谱、成本低的优点，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组，光阑，第二镜组，第三镜组，所述第一镜组至少包括1个负透镜和2个正透镜，所述第二镜组包括至少1个负透镜和1个正透镜，所述第三镜组包括至少1个正透镜。

Description

一种用于无掩模光刻的投影成像***
技术领域
本发明属于无掩膜光刻曝光***技术领域，尤其涉及一种用于无掩模光刻的投影成像***。
背景技术
在现代微电子学中，集成电路的制造属于精密微细加工技术，包括光刻、离子注入、刻蚀、外延生长、氧化等一系列工艺。光刻工艺指是在表面匀胶基底上，通过曝光显影等工艺将图形转移到光刻胶上的过程，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。一般的芯片制程中至少需要10次以上的光刻工序甚至更多。
在直写式的光刻***中，特征图形由空间光调制器，如微反射镜阵列产生，这些微小镜面可以独立寻址单独受控以不同的倾斜方向反射照射的光束，以产生空间光强调制。通过光学投影元件，这些空间微反射镜阵列以一定的放大倍率投影到光敏感元件的基底上，产生特征的构图。
在直写式光刻***中，投影成像***为直写式光刻***的核心组件之一，该投影成像***从设计到加工都非常重要。
目前的无掩膜光刻曝光投影成像***，普遍存在分辨率较低和生产速度较慢的问题，为了达到较高的分辨率要求，需要具有较高的解像力，镜头的设计复杂度更高，从而所需的镜片数量也非常多。但是较多数量的镜片不仅加工组装复杂度较高，同时还会使得投影镜头的体积较大，这不利于投影设备的小型化。
同时，当前对投影镜头的要求也越来越高，例如要求畸变小，更大的数值孔径使成像效果更好，宽光谱、成本更低等。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于无掩模光刻的投影成像***，其更大的数值孔径使成像效果好、畸变小、宽光谱、成本低的优点。
其技术方案是这样的：一种用于无掩模光刻的投影成像***，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组，光阑，第二镜组，第三镜组，所述第一镜组至少包括1个负透镜和2个正透镜，所述第二镜组包括至少1个负透镜和1个正透镜，所述第三镜组包括至少1 个正透镜，
所述投影成像***满足关系式：
0.5<β×f1/f23<2.1
0.2<f23/f3<1.8
其中，β：成像***的放大倍率，f1：第一镜组的组合焦距，f23：第二和第三镜组的组合焦距，f3：第三镜组的组合焦距。
进一步的，所述第一镜组中最靠近光阑的透镜为负透镜，该负透镜靠近光阑的镜面为凹面，第一镜组中最靠近物面的正透镜的像方侧镜面为凸面；第二镜组最靠近光阑的透镜为负透镜，该负透镜最靠近光阑的镜面为凹面；第三镜组最靠近像面的正透镜的物方侧镜面为凸面，所述投影成像***满足关系式：
0.6<-β1/2×R1/R2<2.3
其中，β为成像***的放大倍率，R1为第一镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R2 为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径。
进一步的，所述投影成像***满足关系式：
Figure BDA0002842391500000021
其中，R1为第一镜中组最靠近光阑的镜面的曲率半径，R2为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，Hy1为物方最大像高。
进一步的，第一镜组至少有一个正透镜的物方侧镜面，满足关系式：
Figure BDA0002842391500000022
其中，R1为第一镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R3为第一镜组的正透镜的物方侧镜面的曲率半径，D1为第一镜组中具有曲率半径R1的镜面和具有曲率半径R3的物方侧镜面之间的距离。
进一步的，第二镜组至少有一个正透镜的像方侧镜面，满足关系式：
Figure BDA0002842391500000023
其中，R2为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R4为第二镜组的正透镜的像方侧镜面的曲率半径，D2为第二镜组中具有曲率半径R2的最靠近光阑的镜面和具有曲率半径R4的镜面之间的距离。
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。
进一步的，第一镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第一透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第二透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第三透镜，其为月牙正透镜，物方侧镜面为凸面；
第四透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第五透镜，其为负透镜，像方侧镜面为凹面；
第二镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第六透镜，其为负透镜，物方侧镜面为凹面；
第七透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第八透镜，其为月牙正透镜，像方侧镜面为凸面；
第三镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第九透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第十透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面。
进一步的，第一镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第一透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第二透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第三透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第四透镜，其为月牙正透镜，物方侧镜面为凸面；
第五透镜，其为负透镜，像方侧镜面为凹面；
第二镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第六透镜，其为负透镜，物方侧镜面为凹面；
第七透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第八透镜，其为月牙正透镜，像方侧镜面为凸面；
第三镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第九透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面。
相较于现有设计的结构，在本发明所公开的技术方案中，其镜片数量相对较少，从而有效地简化了其设计结构，降低了制造以及装配困难度。另外，通过控制投影成像***的光学参数，使其在成像过程中具有相对较小的光学畸变，确保成像品质，另外其还具有宽光谱的特点。
附图说明
图1为具体实施例1的投影成像***的组成示意图；
图2为具体实施例1的投影成像***在λ＝365nm时的传递函数MTF图；
图3为具体实施例1的投影成像***在λ＝405nm时的传递函数MTF图；
图4为具体实施例2的投影成像***的组成示意图；
图5为具体实施例2的投影成像***在λ＝365nm时的传递函数MTF图；
图6为具体实施例2的投影成像***在λ＝405nm时的传递函数MTF图；
图7为具体实施例2的投影成像***在λ＝365nm和λ＝405nm时的畸变曲线图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
见图1，本发明的一种投影成像***，沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组G1，光阑AS，第二镜组G2，第三镜组G3，在图1中，物面P1位于图中的左侧，像面P2位于图中的右侧，从图中的左侧到右侧即为从物面P1至像面P2。
其中，第一镜组G1至少包括1个负透镜和2个正透镜，第二镜组包括至少1个负透镜和1个正透镜，第三镜组包括至少1个正透镜，
投影成像***满足关系式：
0.5<β×f1/f23<2.1
0.2<f23/f3<1.8
其中，β：成像***的放大倍率，f1：第一镜组的组合焦距，f23：第二和第三镜组的组合焦距，f3：第三镜组的组合焦距。
通过投影成像***的上述设置，使的光学***能够保持远心光路，同时有助于减少像面弯曲并使光学***不会产生过大的球差，减轻整个光学***校正球差的负担。
具体的，第一镜组中最靠近光阑的透镜为负透镜，该负透镜靠近光阑的镜面为凹面，第一镜组中最靠近物面的正透镜的像方侧镜面为凸面；第二镜组最靠近光阑的透镜为负透镜，该负透镜最靠近光阑的镜面为凹面；第三镜组最靠近像面的正透镜的物方侧镜面为凸面，投影成像***满足关系式：
0.6<-β1/2×R1/R2<2.3
其中，β为成像***的放大倍率，R1为第一镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R2 为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径。
其中，投影成像***满足关系式：
Figure BDA0002842391500000051
其中，R1为第一镜中组最靠近光阑的镜面的曲率半径，R2为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，Hy1为物方最大像高。
上述设置的主要作用是有效地降低光学***的珀兹伐(Petzval)和使得光学***的像面弯曲得到良好校正；其子午细光束与弧矢细光束的汇聚点在一个点上；同时有效地补偿其它透镜产生的初级和高级球差。
具体的，第一镜组至少有一个正透镜的物方侧镜面，满足关系式：
Figure BDA0002842391500000052
其中，R1为第一镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R3为第一镜组的正透镜的物方侧镜面的曲率半径，D1为第一镜组中具有曲率半径R1的镜面和具有曲率半径R3的物方侧镜面之间的距离。
另外，第二镜组至少有一个正透镜的像方侧镜面，满足关系式：
Figure BDA0002842391500000053
其中，R2为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R4为第二镜组的正透镜的像方侧镜面的曲率半径，D2为第二镜组中具有曲率半径R2的最靠近光阑的镜面和具有曲率半径R4的镜面之间的距离。
主要作用是使光学***的子午细光束与弧矢细光束的汇聚点在一个点上；有效地补偿其它透镜产生的初级和高级球差；所产生的慧差比较小，易于与其它透镜的慧差相互补偿；同时使光学***的镜面的曲率半径仍然比较大，容易加工及组装。
具体实施例1：
如图1所示，以下给出本发明的一个投影成像***的具体实施例，其中：
第一镜组G1包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5；
具体的，第一透镜L1，其为正透镜，像方侧镜面为凸面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凸面；
第二透镜L2，其为正透镜，物方侧镜面为凸面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凸面；
第三透镜L3，其为月牙正透镜，物方侧镜面为凸面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凹面；
第四透镜L4，其为正透镜物，物方侧镜面为凸面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凸面；
第五透镜L5，最靠近光阑，其为负透镜，像方侧镜面为凹面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凹面；
第二镜组G2包括第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8；
第六透镜L6，最靠近光阑，其为负透镜，物方侧镜面为凹面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凸面；
第七透镜L7，其为正透镜，像方侧镜面为凸面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凹面；
第八透镜L8，其为月牙正透镜，像方侧镜面为凸面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凹面；
第三镜组G3包括第九透镜L9、第10透镜L10，具体的：
第九透镜L9，其为正透镜，像方侧镜面为凸面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凸面；
第十透镜L10，其为正透镜，物方侧镜面为凸面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凸面。
在本实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第10透镜L10，全部镜片采用球面镜，易于加工，并且，选用在近紫外光谱范围内具有高通过率的材料制成。
在该实施例中，投影成像***为折射光学***，投影成像***倍率β＝2，物方有效视场：14×10.5mm，物方最大像高Hy1＝8.75，曝光波长；λ＝365nm和λ＝405nm，适用于二个波长，元件的光学参数如表1所示。
Figure BDA0002842391500000061
Figure BDA0002842391500000071
表1 其具体参数如下：R1＝10.65978，R2＝-13.40913，-β1/2×R1/R2＝1.12，f1＝32.05， f23＝64.34，β×f1/f23＝1.01，f3＝108.3，f23/f3＝0.594，Hy1＝8.75，
Figure BDA0002842391500000081
表面9的曲率半径R1＝10.65978，正透镜L4的表面7的曲率半径R3＝20.08876，L1为表面7和表面8的厚度/间距之和：8.202801+2.375882，
Figure BDA0002842391500000082
表面11的曲率半径R2＝-13.40913，正透镜L7的表面14的曲率半径R4＝-29.3757，L2为表面12和表面13 的厚度/间距之和：10.02185+1.298805，
Figure BDA0002842391500000083
阿贝数：vd＝(nd－1)/(nF－nC)，体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm 的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；
图2为投影成像***λ＝365nm时的传递函数MTF图，图3为投影成像***λ＝405nm时的传递函数MTF图，从图中的曲线可以看出，具有代表性的0.5视场，0.75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***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，其具有宽光谱的特效，可以在365nm和 405nm2个谱线使用。
目前的投影设备中，为了取得良好的显示图像品质，投影镜头通常结构复杂，镜片数量一般超过10片；并且投影镜头通常采用非球面透镜，由于非球面透镜价格高，加工以及装配工艺复杂，良率不易控制，因此造成现有高品质图像投影镜头价格昂贵，而本实施例中的投影成像***采用镜片只有10片，成本低。
具体实施例2：
如图4所示，以下给出本发明的一个投影成像***的具体实施例，其中：
第一镜组G1包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5；
具体的，第一透镜L1，其为正透镜，像方侧镜面为凸面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凹面；
第二透镜L2，其为正透镜，物方侧镜面为凸面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凸面；
第三透镜L3，其为月牙正透镜，物方侧镜面为凸面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凹面；
第四透镜L4，其为正透镜物，物方侧镜面为凸面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凹面；
第五透镜L5，最靠近光阑，其为负透镜，像方侧镜面为凹面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凹面；
第二镜组G2包括第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8；
第六透镜L6，最靠近光阑，其为负透镜，物方侧镜面为凹面，而像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凸面；
第七透镜L7，其为正透镜，像方侧镜面为凸面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凹面；
第八透镜L8，其为月牙正透镜，像方侧镜面为凸面，物方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，物方侧镜面为凸面；
第三镜组G3包括第九透镜L9、第10透镜L10，具体的：
第九透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面，像方侧镜面可以是凸面或凹面中的任意一种，在本实施例中，像方侧镜面为凸面。
在本实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9采用球面镜，易于加工，并且，选用在近紫外光谱范围内具有高通过率的材料制成。
在该实施例中，***倍率β＝2，物方有效视场：14×10.5mm，物方最大像高Hy1＝8.75，曝光波长；λ＝365nm和λ＝405nm，适用于二个波长，元件的光学参数如表2所示，元件的光学参数如表2所示。
Figure BDA0002842391500000091
Figure BDA0002842391500000101
表2
其具体参数如下：其具体参数如下：R1＝13.13571，R2＝-11.63354，-β1/2×R1/R2＝1.59， f1＝32.3，f23＝65.6，f3＝135.4,β×f1/f23＝0.98，f23/f3＝0.484，Hy1＝8.75，
Figure BDA0002842391500000102
表面10的曲率半径R1＝13.13571，正透镜L4的表面7的曲率半径R3＝20.29957，L1为表面7和表面9的厚度/间距之和：4.432205+3.17014+1.314872，
Figure BDA0002842391500000111
表面 12的曲率半径R2＝-11.63354，正透镜L7的表面15的曲率半径R4＝-19.8896，L2为表面12 和表面14的厚度/间距之和：4.606289+3.727181+6.981723，
Figure BDA0002842391500000112
图5为具体实施例2的投影成像***λ＝365nm时的传递函数MTF图，图6为具体实施例2的投影成像***λ＝405nm时的传递函数MTF图，从图中的曲线可以看出，具有代表性的0.5视场，0.75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***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，其具有宽光谱的特效，可以在365nm和405nm的2个谱线使用。
目前的投影设备中，为了取得良好的显示图像品质，投影镜头通常结构复杂，镜片数量一般超过10片；并且投影镜头通常采用非球面透镜，由于非球面透镜价格高，加工以及装配工艺复杂，良率不易控制，因此造成现有高品质图像投影镜头价格昂贵，而本实施例中的投影成像***采用镜片只有9片，成本低，同时本实施例中的投影成像***的全部镜片采用球面镜，易于加工，并且，选用在近紫外光谱范围内具有高通过率的材料制成。
图7为实施例中的投影成像***在λ＝365nm和λ＝405nm时的畸变曲线图，畸变图的纵坐标是视场角，横坐标是畸变百分比，场曲曲线显示作为视场坐标函数的当前的焦平面或像平面到近轴焦面的距离，分为子午场曲和弧矢场曲。畸变属于主光线像差，反映物象的相似程度，该具体实施例中的投影成像***，其光学畸变较小，影像清晰。
将本发明的投影成像***应用在无掩模光刻***中，其结构简单、体积较小，具备良好的加工性能，具备优异的成像性能，具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种用于无掩模光刻的投影成像***，其特征在于：沿着光轴由物面至像面依次包括：第一镜组，光阑，第二镜组，第三镜组，所述第一镜组至少包括1个负透镜和2个正透镜，所述第二镜组包括至少1个负透镜和1个正透镜，所述第三镜组包括至少1个正透镜，
所述投影成像***满足关系式：
0.5<β×f1/f23<2.1
0.2<f23/f3<1.8
其中，β：成像***的放大倍率，f1：第一镜组的组合焦距，f23：第二和第三镜组的组合焦距，f3：第三镜组的组合焦距；
所述投影成像***满足关系式：
0.6<-β1/2×R1/R2<2.3
其中，β为成像***的放大倍率，R1为第一镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R2为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径；
所述投影成像***满足关系式：
Figure FDA0003744596780000011
其中，R1为第一镜中组最靠近光阑的镜面的曲率半径，R2为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，Hy1为物方最大像高；
第一镜组至少有一个正透镜的物方侧镜面，满足关系式：
Figure FDA0003744596780000012
其中，R1为第一镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R3为第一镜组的正透镜的物方侧镜面的曲率半径，D1为第一镜组中具有曲率半径R1的镜面和具有曲率半径R3的物方侧镜面之间的距离；
第二镜组至少有一个正透镜的像方侧镜面，满足关系式：
Figure FDA0003744596780000013
其中，R2为第二镜组中最靠近光阑的镜面的曲率半径，R4为第二镜组的正透镜的像方侧镜面的曲率半径，D2为第二镜组中具有曲率半径R2的最靠近光阑的镜面和具有曲率半径R4的镜面之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于无掩模光刻的投影成像***，其特征在于：所述第一镜组中最靠近光阑的透镜为负透镜，该负透镜靠近光阑的镜面为凹面，第一镜组中最靠近物面的正透镜的像方侧镜面为凸面；第二镜组最靠近光阑的透镜为负透镜，该负透镜最靠近光阑的镜面为凹面；第三镜组最靠近像面的正透镜的物方侧镜面为凸面。
3.根据权利要求1所述的一种用于无掩模光刻的投影成像***，其特征在于：所述第一镜组、第二镜组、第三镜组的透镜分别为球面镜。
4.根据权利要求1所述的一种用于无掩模光刻的投影成像***，其特征在于：第一镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第一透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第二透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第三透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第四透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第五透镜，其为负透镜，像方侧镜面为凹面；
第二镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第六透镜，其为负透镜，物方侧镜面为凹面；
第七透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第八透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第三镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第九透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第十透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面。
5.根据权利要求1所述的一种用于无掩模光刻的投影成像***，其特征在于：第一镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第一透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第二透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第三透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第四透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面；
第五透镜，其为负透镜，像方侧镜面为凹面；
第二镜组沿着光轴由物面至像面依次包括：
第六透镜，其为负透镜，物方侧镜面为凹面；
第七透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第八透镜，其为正透镜，像方侧镜面为凸面；
第三镜组沿着光轴由物面至像面包括：
第九透镜，其为正透镜，物方侧镜面为凸面。
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