CN105652606A - 一种折反式深紫外光刻物镜设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深紫外光刻物镜设计方法，具体过程为：步骤一、确定置于掩模和硅片之间的深紫外光刻物镜三个镜组的初始结构；步骤二、优化物方镜组G1的初始结构，使其满足设计要求：(1)物方远心，(2)像方主光线入射角和放大倍率M₁不会引起光路遮拦；步骤三、优化像方镜组G3的初始结构，使其满足设计要求：(1)像方远心，(2)物方主光线入射角不会引起光路遮拦，(3)放大倍率M₃＝M/M₁；步骤四、中间镜组G2为两片凹面反射镜的结构。计算物方镜组和像方镜组的匹兹万和，并根据匹兹万和计算中间镜组中两片凹面反射镜的半径；步骤五、优化像方镜组G3的结构参数，使G3的入瞳与G2的出瞳匹配。该方法设计效率高，实现速度快。

Description

一种折反式深紫外光刻物镜设计方法

技术领域

本发明涉及一种折反式深紫外光刻物镜设计方法，属于光学设计技术领域。

背景技术

深紫外光刻是当前产业化的光刻技术。深紫外光刻物镜作为深紫外光刻机的核心部件是实现高分辨率光刻的关键。在深紫外波段可用的光学材料仅剩下熔石英和氟化钙，上述两种材料的折射率较低，因此深紫外光刻物镜***的光焦度需要分配到较多的元件上才能实现像差校正。最初深紫外光刻采用全折式物镜设计，整个物镜***仅有折射元件不含反射镜。全折式深紫外光刻物镜为了校正场曲，必须采用光焦度较大的负透镜来平衡正透镜的匹兹万和。这就导致负透镜组附近的正透镜的口径随物镜数值孔径和成像视场的增大而迅速增加。当数值孔径大于1时，全折式物镜设计的元件口径非常大，其不利于物镜***的加工、制造和集成。凹面反射镜具有正光焦度，同时它对匹兹万场曲的贡献与正透镜恰好相反。将其引入到全折光刻物镜***中，可以分担负透镜组的场曲校正压力、减小负透镜组所承担的光焦度，从而有效控制物镜***元件口径。作为光刻机重要组成部分的光刻物镜***对提高整个光刻机性能至关重要，因此设计好折反式深紫外光刻物镜***是完成整个投影曝光***的重要环节。国内外有关折反式深紫外光刻物镜设计方法的报道非常少，为了获得折反式深紫外光刻物镜初始结构，提出一种有效的设计方法是非常有必要的。

相关文献(Proc.ofSPIE2006.6342:63420L.)针对深紫外光刻物镜的优化，提出了鞍点构造法。该方法的操作流程类似光学设计者凭借经验在光学***中加入新元件以进一步提高成像质量的做法。鞍点构造法本质上是基于初始结构的优化方法，不能有效地获得物镜初始结构。相关文献(US20070013882)提出了多套深紫外光刻物镜的制造方法。该方法将物镜***分为若干镜组，不同的物镜***共用同一个镜组，而其它镜组进行相应变化从而实现不同光学性能的要求。该方法没有说明各镜组结构以及整个物镜结构是如何设计的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种深紫外光刻物镜设计方法，该方法可根据不同参数要求设计出折反式深紫外光刻物镜，其降低了物镜***设计难度、设计效率高、实现速度快。

实现本发明的技术方案如下：

一种深紫外光刻物镜设计方法，具体过程为：

步骤一、确定置于掩模和硅片之间的深紫外光刻物镜三个镜组的初始结构，三个镜组的位置关系为：从掩模到硅片分别为物方镜组G1、中间镜组G2以及像方镜组G3，且中间镜组G2的放大倍率为M₂＝1；

步骤二、优化物方镜组G1的初始结构，使其满足设计要求：(1)物方远心，(2)像方主光线入射角和物方镜组的放大倍率M₁不会引起光路遮拦；

步骤三、优化像方镜组G3的初始结构，使其满足设计要求：(1)像方远心，(2)物方主光线入射角不会引起光路遮拦，(3)放大倍率M₃＝M/(M₂×M₁)，M光刻物镜的放大倍率；

步骤四、中间镜组G2为两片凹面反射镜的结构，计算物方镜组和像方镜组的匹兹万和，并根据匹兹万和计算中间镜组中两片凹面反射镜的半径，同时使G2的入瞳与G1的出瞳匹配(将G2的孔径光阑放置在G1的出瞳面上)；

步骤五、优化像方镜组G3的结构参数，使G3的入瞳与G2的出瞳匹配；至此，连接物方镜组、中间镜组、像方镜组获得整个物镜***的结构。

进一步地，本发明所述步骤二和步骤三的优化过程为：

首先，针对待优化镜组中的每一表面，计算其对应的归一化光焦度和/或对称性因子；

其次，选择最大归一化光焦度和/或对称性因子的表面F处，***薄弯月透镜，所述薄弯月透镜的曲率半径与其对应的表面F的曲率半径相同；

再次，以形态参数S和W分别小于设定阈值和满足所述设计要求为优化的约束条件，对镜组进行优化，在优化过程中，逐步增加薄弯月透镜的厚度及其与对应表面F的距离；

$W={\left(\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{w}_j^2\right)}^{1/2}S={\left(\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{s}_j^2\right)}^{1/2}$

其中，N为***中光学表面的数目，w_j为表面j的归一化光焦度，s_j为表面j的对称性因子。

进一步地，本发明所述根据匹兹万和计算中间镜组中两片凹面反射镜的半径r₁和r₂；

设r₁和-r₂的值相等，

$\frac{2}{r_2}-\frac{2}{r_1}={\mathrm{pet}}_{G1}+{\mathrm{pet}}_{G3}$

其中，pet_G1和pet_G3分别为G1和G3对匹兹万场曲。

进一步地，本发明所述优化为采用阻尼最小二乘法实现。

有益效果

本发明针对折反式深紫外光刻物镜提出了一套设计方法，依据该方法可以快速的获得折反式深紫外光刻物镜初始结构。该方法极大地降低了整个物镜***的设计复杂度，具有较高的设计效率。

附图说明

图1为深紫外光刻物镜设计方法的流程图；

图2为折反式深紫外光刻物镜的分组方式；

图3(a)为物方镜组G1的初始双高斯结构；

图3(b)为在物面附近***正透镜后物方镜组G1的结构；

图3(c)为***双胶合透镜后物方镜组G1的结构；

图3(d)为设计完成后物方镜组G1的结构；

图4(a)为像方镜组G3的初始结构；

图4(b)为设计完成后像方镜组G3的结构；

图5为中间镜组G2的光路图。

具体实施方式

下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。

本发明提供一种深紫外光刻物镜设计方法，具体过程为：

确定待设计物镜***光学结构参数：物镜的像方数值孔径NA应根据分辨率要求确定；放大倍率M通常为-1/4倍；物方和像方的主光线入射角应平行于光轴以实现双远心要求；物高H_o应保证整个***不发生光路遮拦，如图2所示。上述参数确定后，物镜***的物方数值孔径NAO可由公式NAO＝NA×|M|确定，像高H_I可由公式H_I＝H_o×|M|确定。

上述待设计物镜***光学结构参数确定后，开始执行如下的优化过程，如图1所示：

步骤一、确定置于掩模和硅片之间的深紫外光刻物镜三个子镜组的初始结构，其中三个镜组的位置关系为：从掩模到硅片分别为物方镜组G1、中间镜组G2以及像方镜组G3。G1和G2之间形成中间像IM1，G2和G3之间形成中间像IM2，如图2所示。G2引入凹面反射镜，其位于G1和G3中间。G1和G3形成了引入G2所需的中间像IM1和IM2。G2为凹面反射镜组，其承担G1和G3镜组的匹兹万和校正。

步骤二、物方镜组G1是一个中继镜组，将物点成中间像。因此优化物方镜组G1的初始结构，使其满足设计要求：(1)G1应当物方远心即物方主光线入射角为0°，(2)其像方主光线入射角不会引起光路遮拦，即应保证G2的光路不发生遮拦；确定G1的放大倍率M₁，M₁应考虑到避免光路遮拦的发生。

该步骤的具体过程为：之前已经确定结构较为简单的典型光学结构作为物方镜组的初始结构。为了满足步骤二所述光学特性要求，需要增加更多的设计自由度。因此，在G1优化过程中，需要在初始结构的基础上引入新元件对其进行调整和优化操作。G1的优化流程为：

首先，在初始结构的基础上，以镜头形态参数为依据确定***元件的“最佳位置”。镜头形态参数的构造基于近轴光线追迹，其不依赖于光学***的孔径、尺寸、共轭条件以及视场角。其中形态参数W反映光学***中各光学面光焦度的分布情况，其定义为：

$W={\left(\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{w}_j^2\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

其中，N为***中光学表面的数目，w_j为表面j的归一化光焦度：

$w_j=-\frac{1}{1-m}\frac{y_j}{n^{\′}{u}_N^{\′}}\frac{n^{\′}-n}{R_j}---\left(2\right)$

其中，m为***的放大倍率，n和n’分别为表面j前后介质的折射率，R_j为表面j的曲率半径，y_j为表面j上的近轴边缘光线投射高度，n′u^′N为像空间折射率与近轴边缘光线孔径角的乘积。

另外一个形态参数S反映光学***中各光学表面的“对称性”(“对称性”体现光学表面与光阑中心的同心程度或满足齐明条件的程度)，其定义为：

$S={\left(\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{s}_j^2\right)}^{1/2}---\left(3\right)$

其中，s_j表示为：

$s_j=\frac{1}{1-m}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{A}}_{stop}\left(n^{\′}{u}_N^{\′}\right)}\stackrel{\‾}{A_j}{(\frac{u^{\′}}{n^{\′}}-\frac{u}{n})}_j---\left(4\right)$

其中，为表面j前介质的折射率n_j与近轴主光线在表面j上入射角i_j的乘积，u和u’分别为表面j前后的近轴边缘光线孔径角，为在孔径光阑面上的数值。较小W和S值的光学***，通常具有较好的像差平衡性质和提供良好成像质量的潜力。因此，当物方镜组的需要增加新光学元件时，该光学元件的引入应当使***当前的形态数得到最有效的减小。

根据w_j定义，其满足：

$\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{w}_j=1---\left(5\right)$

理想情况下，当所有光学面的w_j相等时W取得最小值，即***光焦度在各个表面均匀分布。而实际情况是为了满足光学特性和成像质量的要求，各光学面的w_j数值有大有小，也有正有负。w_j绝对值越大则该面对总光焦度的贡献越大，通常情况下其引入的高阶像差也越大。因此，为了降低W值、改善***中各光学表面光焦度分布均匀性，应当在w_j值最大的表面F处***新元件，以期分担该表面对总光焦度的贡献。与之相似，当影响***成像质量的主要因素是与视场相关的像差时，为了减小S值、改善***中各光学表面的“对称性”，应当在s_j最大的表面F处***新元件。以上新增元件“最佳位置”的确定依据。

其次，当新增元件的“最佳位置”确定后，在指定的表面位置处(w_j或s_j值最大的表面)***薄弯月透镜。薄弯月透镜的曲率半径与对应表面F的曲率半径相同。

最后，利用阻尼最小二乘法对增加元件后的G1镜组进行优化。在优化过程中，逐步增加薄弯月的厚度及其与对应表面F的距离，同时将物方镜组的设计要求以及形态参数S和/或W分别小于设定的阈值和满足设计要求作为优化的约束条件，以保证优化后的G1***在满足设计要求的同时兼备良好的像差校正潜力。

结合实施例，选择NAO0.25有限共轭距的双高斯物镜作为G1的初始结构，如图3(a)所示。为了实现物方远心，在物面附近***一片正透镜，如图3(b)所示。由于在深紫外波段不允许存在胶合件，将两片双胶合透镜进行***，如图3(c)所示。为了进一步满足放大倍率、像方光线入射角以及数值孔径的要求，依次在表面7和表面9处(w_j最大的两个表面)***“薄弯月”，并对G1进行优化。最终设计得到的G1结构如图3(d)所示，其NAO达到了要求的0.3。在设计过程中将形态参数作为约束条件进行控制，使得G1的结构更具像差校正潜力。

步骤三、像方镜组G3是有限共轭距***，用于实现大的像方数值孔径，G3采用逆向设计，初始的像点为逆向***的物点，因此优化像方镜组G3的初始结构，使其满足设计要求：(1)G3应当物方远心即物方主光线入射角为0°，(2)其像方主光线入射角不会引起光路遮拦，(即应保证G2的光路不发生遮拦)，(3)G3的放大倍率M₃＝M/(M₁×M₂)，其值还应保证G2能够实现无遮拦的光路。

G3的调整和优化方法与物方镜组G1相同，这里不在赘述。

结合实施例，选择专利US20080043345中的全折式深紫外光刻物镜，将其从“束腰”处分开的后半部分作为G3的初始结构，如图4(a)所示。首先，调整G31的结构参数，增大其光焦度并减小厚透镜的中心厚度。经过调整后G31’镜组的元件口径和材料用量得到有效降低。由于G31’光焦度的增加，使得到达G32光束的会聚度相应增加。所以在不改变G32结构参数的情况下，其光束口径也和元件尺寸也会相应减小。然后，用光焦度较小的G33’镜组替换G33(G2镜组的引入减轻了G33的场曲校正压力，因此其光焦度可相应减小)。进一步，为了形成中间像并满足放大倍率的要求，加入正光焦度镜组G34^’。对上述复杂化后G3进行优化，其最终结构如图4(b)所示。

步骤四、优化中间镜组G2为两片凹面反射镜的结构形式。计算物方镜组和像方镜组的匹兹万和。根据匹兹万和条件，确定中间镜组凹面反射镜的半径。根据物方镜组的出瞳，确定中间镜组孔径光阑的位置。

结合实施例，G2采用两反射镜-1倍***，如图5所示。其中，两片凹面反射镜需要平衡G1和G3对匹兹万场曲的贡献量pet_G1和pet_G3。根据匹兹万和条件：

$\frac{2}{r_2}-\frac{2}{r_1}={\mathrm{pet}}_{G1}+{\mathrm{pet}}_{G3}---\left(6\right)$

由于r₁和-r₂的值相等，两个凹面反射镜组成了放大倍率为-1倍的对称结构。当G1和G3的结构参数确定后，r₁和r₂的数值可以利用式(6)计算。为了实现光路的连接，G2的入瞳参数必须与G1的出瞳参数匹配，因此要将G2的孔径光阑设置在G1的出瞳面上；同时，根据物方镜组的出瞳，确定中间镜组的孔径光阑位置。

步骤五、利用阻尼最小二乘法对像方镜组G3的结构参数进行精细优化，使其入瞳与中间镜组G2的出瞳匹配。连接物方镜组G1、中间镜组G2、像方镜组G3获得整个物镜***的初始结构，如图2所示。

本发明的实施实例：

设计得到了物方镜组G1，其结构参数如表1所示。

表1

设计得到了像方镜组G3，其结构参数如表2所示。

表2

根据匹兹万和条件，确定了中间镜组G2，其结构参数如表3所示。

表3

面序号	面型	半径	间隔	工作模式
					物面	球面	Infinity	83.5728	折射
1	球面	-176.4591	-202.000	反射
					2	球面	176.4591	83.5728	反射
3	球面	Infinity	-	折射

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种深紫外光刻物镜设计方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一、确定置于掩模和硅片之间的深紫外光刻物镜三个镜组的初始结构，三个镜组的位置关系为：从掩模到硅片分别为物方镜组G1、中间镜组G2以及像方镜组G3，且中间镜组G2的放大倍率为M₂＝1；

步骤二、优化物方镜组G1的初始结构，使其满足设计要求：(1)物方远心，(2)像方主光线入射角和物方镜组的放大倍率M₁不会引起光路遮拦；

步骤三、优化像方镜组G3的初始结构，使其满足设计要求：(1)像方远心，(2)物方主光线入射角不会引起光路遮拦，(3)放大倍率M₃＝M/(M₂×M₁)，M光刻物镜的放大倍率；

步骤四、中间镜组G2为两片凹面反射镜的结构，计算物方镜组和像方镜组的匹兹万和，并根据匹兹万和计算中间镜组中两片凹面反射镜的半径，同时使G2的入瞳与G1的出瞳匹配；

步骤五、优化像方镜组G3的结构参数，使G3的入瞳与G2的出瞳匹配；

至此，完成了深紫外光刻物镜的设计。

2.根据权利要求1所述深紫外光刻物镜设计方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三的优化过程为：

首先，针对待优化镜组中的每一表面，计算其对应的归一化光焦度和/或对称性因子；

其次，选择最大归一化光焦度和/或对称性因子的表面F处，***薄弯月透镜，所述薄弯月透镜的曲率半径与其对应的表面F的曲率半径相同；

再次，以形态参数S和W分别小于设定阈值和满足所述设计要求为优化的约束条件，对镜组进行优化，在优化过程中，逐步增加薄弯月透镜的厚度及其与对应表面F的距离；

$\begin{array}{cc}W={\left(\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{w}_j^2\right)}^{1/2}& S={\left(\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{s}_j^2\right)}^{1/2}\end{array}$

其中，N为***中光学表面的数目，w_j为表面j的归一化光焦度，s_j为表面j的对称性因子。

3.根据权利要求1所述深紫外光刻物镜设计方法，其特征在于，所述根据匹兹万和计算中间镜组中两片凹面反射镜的半径r₁和r₂；

设r₁和-r₂的值相等，

$\frac{2}{r_2}-\frac{2}{r_1}={\mathrm{pet}}_{G1}+{\mathrm{pet}}_{G3}$

其中，pet_G1和pet_G3分别为G1和G3对匹兹万场曲。

4.根据权利要求1或2所述深紫外光刻物镜设计方法，其特征在于，所述优化为采用阻尼最小二乘法实现。