一種折反式深紫外光刻物鏡設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種折反式深紫外光刻物鏡設(shè)計(jì)方法，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 深紫外光刻是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化的光刻技術(shù)。深紫外光刻物鏡作為深紫外光刻機(jī)的核心 部件是實(shí)現(xiàn)高分辨率光刻的關(guān)鍵。在深紫外波段可用的光學(xué)材料僅剩下熔石英和氟化鈣， 上述兩種材料的折射率較低，因此深紫外光刻物鏡系統(tǒng)的光焦度需要分配到較多的元件上 才能實(shí)現(xiàn)像差校正。最初深紫外光刻采用全折式物鏡設(shè)計(jì)，整個(gè)物鏡系統(tǒng)僅有折射元件不 含反射鏡。全折式深紫外光刻物鏡為了校正場曲，必須采用光焦度較大的負(fù)透鏡來平衡正 透鏡的匹茲萬和。這就導(dǎo)致負(fù)透鏡組附近的正透鏡的口徑隨物鏡數(shù)值孔徑和成像視場的增 大而迅速增加。當(dāng)數(shù)值孔徑大于1時(shí)，全折式物鏡設(shè)計(jì)的元件口徑非常大，其不利于物鏡系 統(tǒng)的加工、制造和集成。凹面反射鏡具有正光焦度，同時(shí)它對匹茲萬場曲的貢獻(xiàn)與正透鏡恰 好相反。將其引入到全折光刻物鏡系統(tǒng)中，可以分擔(dān)負(fù)透鏡組的場曲校正壓力、減小負(fù)透鏡 組所承擔(dān)的光焦度，從而有效控制物鏡系統(tǒng)元件口徑。作為光刻機(jī)重要組成部分的光刻物 鏡系統(tǒng)對提高整個(gè)光刻機(jī)性能至關(guān)重要，因此設(shè)計(jì)好折反式深紫外光刻物鏡系統(tǒng)是完成整 個(gè)投影曝光系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外有關(guān)折反式深紫外光刻物鏡設(shè)計(jì)方法的報(bào)道非常少， 為了獲得折反式深紫外光刻物鏡初始結(jié)構(gòu)，提出一種有效的設(shè)計(jì)方法是非常有必要的。
[0003] 相關(guān)文獻(xiàn)(Proc.of SPIE 2006.6342:63420L.)針對深紫外光刻物鏡的優(yōu)化，提出 了鞍點(diǎn)構(gòu)造法。該方法的操作流程類似光學(xué)設(shè)計(jì)者憑借經(jīng)驗(yàn)在光學(xué)系統(tǒng)中加入新元件以進(jìn) 一步提高成像質(zhì)量的做法。鞍點(diǎn)構(gòu)造法本質(zhì)上是基于初始結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，不能有效地獲 得物鏡初始結(jié)構(gòu)。相關(guān)文獻(xiàn)(US20070013882)提出了多套深紫外光刻物鏡的制造方法。該方 法將物鏡系統(tǒng)分為若干鏡組，不同的物鏡系統(tǒng)共用同一個(gè)鏡組，而其它鏡組進(jìn)行相應(yīng)變化 從而實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)性能的要求。該方法沒有說明各鏡組結(jié)構(gòu)以及整個(gè)物鏡結(jié)構(gòu)是如何設(shè)計(jì) 的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種深紫外光刻物鏡設(shè)計(jì)方法，該方法可根據(jù)不同參數(shù)要 求設(shè)計(jì)出折反式深紫外光刻物鏡，其降低了物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度、設(shè)計(jì)效率高、實(shí)現(xiàn)速度快。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種深紫外光刻物鏡設(shè)計(jì)方法，具體過程為：
[0007] 步驟一、確定置于掩模和硅片之間的深紫外光刻物鏡三個(gè)鏡組的初始結(jié)構(gòu)，三個(gè) 鏡組的位置關(guān)系為:從掩模到硅片分別為物方鏡組G1、中間鏡組G2以及像方鏡組G3，且中間 鏡組G2的放大倍率為M 2= 1;
[0008] 步驟二、優(yōu)化物方鏡組G1的初始結(jié)構(gòu)，使其滿足設(shè)計(jì)要求：（1)物方遠(yuǎn)心，（2)像方 主光線入射角和物方鏡組的放大倍率此不會(huì)引起光路遮攔；
[0009] 步驟三、優(yōu)化像方鏡組G3的初始結(jié)構(gòu)，使其滿足設(shè)計(jì)要求：（1)像方遠(yuǎn)心，（2)物方 主光線入射角不會(huì)引起光路遮攔，（3)放大倍率M3=M/ (M2 X Mi)，Μ光刻物鏡的放大倍率； [0010]步驟四、中間鏡組G2為兩片凹面反射鏡的結(jié)構(gòu)，計(jì)算物方鏡組和像方鏡組的匹茲 萬和，并根據(jù)匹茲萬和計(jì)算中間鏡組中兩片凹面反射鏡的半徑，同時(shí)使G2的入瞳與G1的出 瞳匹配(將G2的孔徑光闌放置在G1的出瞳面上）；
[0011] 步驟五、優(yōu)化像方鏡組G3的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使G3的入瞳與G2的出瞳匹配;至此，連接物 方鏡組、中間鏡組、像方鏡組獲得整個(gè)物鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0012] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟二和步驟三的優(yōu)化過程為：
[0013] 首先，針對待優(yōu)化鏡組中的每一表面，計(jì)算其對應(yīng)的歸一化光焦度和/或?qū)ΨQ性因 子；
[0014] 其次，選擇最大歸一化光焦度和/或?qū)ΨQ性因子的表面F處，插入薄彎月透鏡，所述 薄彎月透鏡的曲率半徑與其對應(yīng)的表面F的曲率半徑相同；
[0015] 再次，以形態(tài)參數(shù)S和W分別小于設(shè)定閾值和滿足所述設(shè)計(jì)要求為優(yōu)化的約束條 件，對鏡組進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中，逐步增加薄彎月透鏡的厚度及其與對應(yīng)表面F的距離；
[0016]
[0017]其中，Ν為系統(tǒng)中光學(xué)表面的數(shù)目，Wj為表面j的歸一化光焦度，Sj為表面j的對稱性 因子。
[0018] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述根據(jù)匹茲萬和計(jì)算中間鏡組中兩片凹面反射鏡的半徑^和 Γ2；
[0019] 設(shè)rdP-r2的值相等，
[0020]
[0021] 其中，petci和petG3分別為G1和G3對匹茲萬場曲。
[0022]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述優(yōu)化為采用阻尼最小二乘法實(shí)現(xiàn)。
[0023]有益效果
[0024] 本發(fā)明針對折反式深紫外光刻物鏡提出了一套設(shè)計(jì)方法，依據(jù)該方法可以快速的 獲得折反式深紫外光刻物鏡初始結(jié)構(gòu)。該方法極大地降低了整個(gè)物鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度， 具有較高的設(shè)計(jì)效率。
【附圖說明】
[0025] 圖1為深紫外光刻物鏡設(shè)計(jì)方法的流程圖；
[0026] 圖2為折反式深紫外光刻物鏡的分組方式；
[0027] 圖3(a)為物方鏡組G1的初始雙高斯結(jié)構(gòu)；
[0028]圖3(b)為在物面附近插入正透鏡后物方鏡組G1的結(jié)構(gòu)；
[0029]圖3(c)為分裂雙膠合透鏡后物方鏡組G1的結(jié)構(gòu)；
[0030] 圖3(d)為設(shè)計(jì)完成后物方鏡組G1的結(jié)構(gòu)；
[0031] 圖4 (a)為像方鏡組G3的初始結(jié)構(gòu)；
[0032] 圖4(b)為設(shè)計(jì)完成后像方鏡組G3的結(jié)構(gòu)；
[0033]圖5為中間鏡組G2的光路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0035]本發(fā)明提供一種深紫外光刻物鏡設(shè)計(jì)方法，具體過程為：
[0036]確定待設(shè)計(jì)物鏡系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù):物鏡的像方數(shù)值孔徑NA應(yīng)根據(jù)分辨率要求確 定;放大倍率Μ通常為-1/4倍;物方和像方的主光線入射角應(yīng)平行于光軸以實(shí)現(xiàn)雙遠(yuǎn)心要 求;物高Η。應(yīng)保證整個(gè)系統(tǒng)不發(fā)生光路遮攔，如圖2所示。上述參數(shù)確定后，物鏡系統(tǒng)的物方 數(shù)值孔徑ΝΑ0可由公式ΝΑ0 = ΝΑΧ |Μ|確定，像高Η〗可由公ΚΗ〗 = Η〇Χ |Μ|確定。
[0037] 上述待設(shè)計(jì)物鏡系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，開始執(zhí)行如下的優(yōu)化過程，如圖1所 示：
[0038] 步驟一、確定置于掩模和硅片之間的深紫外光刻物鏡三個(gè)子鏡組的初始結(jié)構(gòu)，其 中三個(gè)鏡組的位置關(guān)系為:從掩模到硅片分別為物方鏡組G1、中間鏡組G2以及像方鏡組G3。 G1和G2之間形成中間像頂1，G2和G3之間形成中間像頂2,如圖2所示。G2引入凹面反射鏡，其 位于G1和G3中間。G1和G3形成了引入G2所需的中間像頂1和頂2X2為凹面反射鏡組，其承擔(dān) G1和G3鏡組的匹茲萬和校正。
[0039 ]步驟二、物方鏡組G1是一個(gè)中繼鏡組，將物點(diǎn)成中間像。因此優(yōu)化物方鏡組G1的初 始結(jié)構(gòu)，使其滿足設(shè)計(jì)要求：（1)G1應(yīng)當(dāng)物方遠(yuǎn)心即物方主光線入射角為0°，（2)其像方主光 線入射角不會(huì)引起光路遮攔，即應(yīng)保證G2的光路不發(fā)生遮攔;確定G1的放大倍率應(yīng)考 慮到避免光路遮攔的發(fā)生。
[0040]該步驟的具體過程為:之前已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)較為簡單的典型光學(xué)結(jié)構(gòu)作為物方鏡組 的初始結(jié)構(gòu)。為了滿足步驟二所述光學(xué)特性要求，需要增加更多的設(shè)計(jì)自由度。因此，在G1 優(yōu)化過程中，需要在初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入新元件對其進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化操作。G1的優(yōu)化流 程為：
[0041 ]首先，在初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以鏡頭形態(tài)參數(shù)為依據(jù)確定插入元件的"最佳位置"。 鏡頭形態(tài)參數(shù)的構(gòu)造基于近軸光線追跡，其不依賴于光學(xué)系統(tǒng)的孔徑、尺寸、共輒條件以及 視場角。其中形態(tài)參數(shù)W反映光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)面光焦度的分布情況，其定義為：
[0042]
(1)
[0043] 其中，N為糸統(tǒng)中光學(xué)表_的數(shù)目，Wj為表面j的歸一化光焦度：
[0044]
(2)
[0045] 其中，m為系統(tǒng)的放大倍率，η和η '分別為表面j前后介質(zhì)的折射率，Rj為表面j的曲 率半徑，^為表面j上的近軸邊緣光線投射高度，1/1^為像空間折射率與近軸邊緣光線孔徑 角的乘積。
[0046] 另外一個(gè)形態(tài)參數(shù)S反映光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)表面的"對稱性""對稱性"體現(xiàn)光學(xué) 表面與光闌中心的同心程度或滿足齊明條件的程度），其定義為：
[0047]
⑶
[0048] 其中，Sj表示為：
[0049]
(4)
[0050] 其中，$為表面j前介質(zhì)的折射