專利名稱：一種投影光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路制造工藝中的光刻技術(shù)，特別是關(guān)于一種投影光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的不斷發(fā)展，晶體管的最小線寬不斷縮小。先進CMOS工藝中晶體管柵極的長度已小于0.1微米。特征線寬的不斷縮小導(dǎo)致了芯片集成度的大幅度提高，但也給光學光刻工藝帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
為了得到更小的線寬，人們也在嘗試采用電子束光刻、X光光刻和離子束光刻等其他光學光刻的替代方法，但因成本、速度以及掩模版制造上的困難，目前還都難以和光學光刻方法相抗衡，在所有的實際大生產(chǎn)中都仍然采用光學光刻的方法。
在光學光刻領(lǐng)域，半導(dǎo)體前道工藝由于投影光刻技術(shù)的不斷進步而按照ITRS(International Technology Roadmap For Semiconductors，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖)的指引不斷向更精細線條推進，目前芯片關(guān)鍵尺寸已能達到90nm～65nm的光刻分辨能力。在半導(dǎo)體后道工藝領(lǐng)域，比如硅片級芯片尺度封裝、凸塊封裝工藝，投影光刻技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品的主流技術(shù)，而且未來更大尺寸硅片的引入將更能體現(xiàn)投影光刻技術(shù)的優(yōu)勢。用于封裝工藝的投影光刻技術(shù)，其光學系統(tǒng)需要有微米級的光刻分辨能力、適合厚膠工藝的大焦深，而且其高產(chǎn)率、低成本也是重要的競爭力。
目前比較經(jīng)典的投影光學系統(tǒng)設(shè)計可以參照美國專利第20040125352號(以下簡稱352專利)，該專利的光學結(jié)構(gòu)示意圖可參照圖1，圖1所示的系統(tǒng)包括凹球面反射鏡，系統(tǒng)的孔徑光闌位于該反射鏡上，它和前面三塊密接透鏡組成共軸球面系統(tǒng)。把孔徑光闌設(shè)置于球面反射鏡的主要好處在于，入射到球面反射鏡的光路和反射的光路完全對稱，這樣垂軸像差，如彗差、畸變和倍率色差為零，另外采用反射鏡還節(jié)省一半的透鏡，可以折疊光路，有利于降低投影系統(tǒng)的成本。
在352專利中，利用反射棱鏡A和B將物面和像面分置于投影物鏡光軸的兩側(cè)，可以為掩模(Reticle)和硅片(wafer)留出安裝空間，但是這樣把物面和像面分開將導(dǎo)致光學系統(tǒng)中心有30％左右的區(qū)域不可用，相當于物方視場中心與像方視場中心到投影物鏡光軸有相當大的偏離，這樣對于像差校正十分不利。
一般光學系統(tǒng)希望有較大的工作距離，由于掩模臺和工件臺需要進行步進運動、掃描運動，而采用大工作距投影光學系統(tǒng)將為掩模和硅片的運動定位、傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計等帶來很大的便利。
另外352專利中的光學總長超過1100mm，這會給整個投影物鏡系統(tǒng)的環(huán)境控制(減振設(shè)計和溫度控制等)造成較大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種光學投影系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高了光刻機投影光學系統(tǒng)的工作距離，為工件臺和掩模臺提供較大的設(shè)計空間。
為實現(xiàn)該發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種1、一種投影光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光學系統(tǒng)包括一個光軸；一個凹面球面反射鏡；包括一個正透鏡組，由一個平凸透鏡和一個彎月透鏡組成，凸面朝向反射鏡；包括一個望遠透鏡組，由一個凹凸透鏡，一個雙凸透鏡組成的正透鏡和一個雙凹負透鏡組成。
其中，所述兩個反射棱鏡產(chǎn)生的像散、畸變、倍率色差用來與后面組元的像差進行匹配設(shè)計。所述第二正透鏡采用高折射率和高色散的玻璃。所述光學系統(tǒng)的所有的光學透鏡的表面均為球面。所述光學系統(tǒng)的物方與像方均為遠心光路。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的投影光學系統(tǒng)其光學總長限制在比較小的數(shù)值，本發(fā)明的投影光學系統(tǒng)的光學長度由現(xiàn)有的1130mm減小到780mm，另外工作距離由現(xiàn)有技術(shù)的7.5mm增加到23mm。
本發(fā)明的這兩點優(yōu)勢為凸塊(Bumping)光刻機的工件臺和掩模臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了足夠的運動預(yù)留空間，并且縮小了整個投影光學系統(tǒng)的體積。由于本發(fā)明的光學總長比較小的特點為投影光學系統(tǒng)的環(huán)境控制設(shè)計提供了便利，并可以降低成本。


圖1是現(xiàn)有的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的一個實施例的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的另一個實施例的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明的光刻系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作更為詳細的解釋本發(fā)明涉及一種基于Wynne-Dyson結(jié)構(gòu)的光學系統(tǒng)，其特征在于在傳統(tǒng)Wynne-Dyson光學系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，插入另外一個正負焦距的望遠透鏡組，用來減小整個光學系統(tǒng)的長度和增加光學系統(tǒng)的工作距離。
本發(fā)明采用放大倍率為-1的完全對稱的光學設(shè)計，軸向像差可以完全抵消，主要采用凹面反射鏡和一個正光焦度的鏡組組成，凹面鏡產(chǎn)生的正場曲可以抵消前面正透鏡組產(chǎn)生的負場曲；反射鏡使成像光路兩次經(jīng)過正透鏡組光學元件，這樣光學元件就會兩次參與成像，相當于光學元件的數(shù)量減少了一倍，可以減小系統(tǒng)總的光學元件數(shù)和系統(tǒng)總的光學長度。
首先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明的一個實施例的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2的實施例是一個物像面合一的光學系統(tǒng)，即其物面和像面重合在同一平面上，圖2中的第一透鏡組元L1設(shè)計為一個平板，在該平板后具有兩個正透鏡組元，即正透鏡組元L2和彎月透鏡組元L3，構(gòu)成第一部分。第二部分望遠透鏡組由沿光路順次由兩塊正透鏡組元，正透鏡組元L4和正透鏡組元L5，以及一塊負透鏡組元L6構(gòu)成。第三部分是一塊凹面反射鏡L7。
為了能用于投影光刻機，需要將物面和像面分開一定的距離，以便為掩模和硅片的定位、測量、傳輸?shù)炔僮黝A(yù)留足夠的空間。為了解決這個問題，本發(fā)明給出了一個如圖3所示的實施例，在該實施例中將本投影光學系統(tǒng)的第一個透鏡組元L1分成兩個直角反射棱鏡，即反射棱鏡L11和反射棱鏡L12，這樣就可以將物面和像面完全分開而置于投影物鏡光軸的兩側(cè)，兩個反射棱鏡產(chǎn)生的像散、畸變、倍率色差用來與后面組元的像差進行匹配設(shè)計。正透鏡組元L2和反射棱鏡相鄰面設(shè)計成平面，這樣做是為了方便與兩塊反射棱鏡L11、L12的光學裝校。
傳統(tǒng)的Wynne-Dyson結(jié)構(gòu)光學系統(tǒng)的工作距離比較短，一般在10mm之內(nèi)，而且第一部分的正透鏡組元L2、L3和凹面反射鏡L7之間的距離比較大(如352專利中，該距離在850mm以上)，造成光學系統(tǒng)體積比較大。因此，本發(fā)明針對這兩點不足之處，對Wynne-Dyson結(jié)構(gòu)進行修改設(shè)計，使之成為可以用于封裝(Bumping)投影光刻機的投影光學系統(tǒng)。改進方案是在第一部分和凹面反射鏡L7之間增加第二部分透鏡組元，對整個光學系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。即本發(fā)明的投影光學系統(tǒng)由三部分組成，第一部分由正透鏡組元L2、彎月透鏡組元L3、兩個反射棱鏡L11、L12組成，第二部分由正透鏡組元L4、正透鏡組元L5、負透鏡組元L6組成，凹面反射鏡L7是第三部分。
第一部分有正的光焦度，分別采用不同牌號的光學材料，彎月透鏡組元L3采用高折射率和高色散的玻璃，其作用是一方面用來校正系統(tǒng)的色差，另一方面用來校正系統(tǒng)的像面彎曲。正透鏡組元L2和彎月透鏡組元L3中間保留小的軸向間距是為了減小系統(tǒng)的高級球差，整個第一部分的透鏡組元可以實現(xiàn)色差、球差、像散、場曲的校正。
第二部分主要由正透鏡組合和負透鏡組元L6組成，它構(gòu)成一個望遠透鏡的光學結(jié)構(gòu)，這類光學結(jié)構(gòu)的主要特點是有效的減小光學系統(tǒng)的總長，壓縮光學元件的通光口徑，由此可以實現(xiàn)較長的后工作距離。
第二部分的負透鏡組元L6的作用，一方面產(chǎn)生大量的正球差用于補償前面正透鏡組元的負球差和負像散，另一方面由于本發(fā)明的投影物鏡系統(tǒng)采用寬帶光源照明，如果所有的位置色差都由第一部分來補償，那么必然增加透鏡的厚度，所以本發(fā)明的方案是大量的色差由第二部分的負透鏡組元L6做補償設(shè)計。
第二部分的正透鏡組合分解成兩片正透鏡組成，使得一個大光焦度的正透鏡變成由兩個較小光焦度的正透鏡組成，這樣做主要是為了增大透鏡折射面的半徑，以便減少高級像差的貢獻。由于第二組透鏡的引入，使得光線入射高度降低，從而減小后面凹面反射鏡的口徑，為降低成本、加工、裝校等帶來便利。
下表一為本發(fā)明的投影光學系統(tǒng)的典型設(shè)計數(shù)據(jù)



本發(fā)明的投影物鏡系統(tǒng)所有光學元件的表面為球面或平面，沒有非球面，這主要是考慮加工與成本等方面的問題。
請參閱圖4，圖4是本發(fā)明的光刻系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)合圖2和圖4可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明中物像的位置關(guān)系，以及本發(fā)明的作用機理。圖4中的光刻系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)1產(chǎn)生光線，光線投射到放置在掩模臺3上的掩模2上，將掩模2上的圖形通過本發(fā)明的投影光學系統(tǒng)4投射到放置在工作臺6上的硅片5上，從而完成了一個曝光投影過程。
本發(fā)明的投影物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑最大達到0.18，像方視場最大達到70mm，系統(tǒng)的最高光學分辨率能達到0.5μm(對于1∶1周期性物體的半周期長度)。
本發(fā)明的投影物鏡系統(tǒng)的最大視場為70mm，由于物面、像面是通過反射棱鏡分開的，導(dǎo)致光軸附近15mm左右的視場不可用，但是物方和像方的視場范圍足以滿足凸塊光刻機用于44mm×44mm尺寸芯片封裝的技術(shù)要求。
以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的幾個較佳實施例，并不能以此來限定本發(fā)明的范圍。任何對本發(fā)明的方法作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的步驟的替換、組合、分立，以及對本發(fā)明實施步驟作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種投影光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光學系統(tǒng)包括一個光軸；一個凹面球面反射鏡；一組具有正光焦度的透鏡組，與球面反射鏡間隔一定的距離；按照離反射鏡從遠到近的距離排列，其特征在于該透鏡組包括一對棱鏡，每一個棱鏡都具有相應(yīng)的第一和第二平面，第二平面與第一平正透鏡的平面按照與光軸相反的方向緊密接觸，而第一平面則分別朝向物方平面和像方平面；一個正透鏡組，由一個平凸透鏡和一個彎月透鏡組成，凸面朝向反射鏡；一個望遠透鏡組，由一個凹凸透鏡，一個雙凸透鏡組成的正透鏡和一個雙凹負透鏡組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)物方光路和像方光路是通過同樣的透鏡組成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)的物方和像方平面通過兩個反射棱鏡分開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于所述第二片正透鏡采用高折射率和高色散的玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)的的所有光學透鏡的表面均為球面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)采用望遠透鏡組縮小系統(tǒng)的總長。
7，根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)的物方和像方均為遠心光路。
8，根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)的畸變可以消除。
9，根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)的工作距離大于20mm。
全文摘要
一種投影光學系統(tǒng)，其特征在于，所述光學系統(tǒng)包括一個光軸；一個凹面球面反射鏡；一對棱鏡，每一個棱鏡都具有相應(yīng)的第一和第二平面，第二平面與第一平正透鏡的平面按照與光軸相反的方向緊密接觸，而第一平面則分別朝向物方平面和像方平面；一個正透鏡組，由一個平凸透鏡和一個彎月透鏡組成，凸面朝向反射鏡；一個望遠透鏡組，由一個凹凸透鏡，一個雙凸透鏡和一個雙凹透鏡組成；一個凹面反射鏡，凹面朝向物方；本發(fā)明可以增加光刻機投影光學系統(tǒng)的工作距離，為工件臺和掩模臺提供較大的設(shè)計空間，另外可以進一步減小設(shè)備的體積。
文檔編號H01L21/00GK1877454SQ20061002860
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月4日
發(fā)明者劉國淦, 蔡燕民 申請人:上海微電子裝備有限公司