一種組合放大倍率的成像物鏡系統(tǒng)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種組合放大倍率的成像物鏡系統(tǒng)設(shè)計方法，其可用于掃描-步進式 極紫外光刻機、空間成像望遠(yuǎn)鏡、光譜成像儀或顯微物鏡成像系統(tǒng)中，屬于光學(xué)設(shè)計技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 極紫外光刻已經(jīng)成為半導(dǎo)體制造業(yè)實現(xiàn)8-10nm技術(shù)節(jié)點的主要光刻技術(shù)。為了滿 足這一需求，極紫外光刻物鏡的數(shù)值孔徑則需要達到0.45以上。采用傳統(tǒng)1/4倍放大倍率系 統(tǒng)實現(xiàn)這樣的高數(shù)值孔徑會導(dǎo)致兩種現(xiàn)象：（1)中心視場主光線物面入射角大于6°; (2)掩 模處的入射光束與出射光束發(fā)生重疊?，F(xiàn)象（1)會引起掩模的3D陰影效應(yīng)，而現(xiàn)象(2)則會 導(dǎo)致物鏡系統(tǒng)無法正常成像，因此傳統(tǒng)1/4倍放大倍率光刻物鏡無法合理地實現(xiàn)超高數(shù)值 孔徑。
[0003] 現(xiàn)有6自由曲面反射鏡極紫外光刻物鏡設(shè)計美國專利US 8810906B2,其中的所有 結(jié)構(gòu)均為1/8放大倍率。該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)0.5~0.7的超高數(shù)值孔徑，且可避免上述兩種現(xiàn)象 的發(fā)生。但是由于放大倍率的提高，掃面曝光視場面積減小4倍，而掩模和硅片尺寸不可變， 因此對于一個6英寸（133 X 102mm2)的掩模成像，則需要拼接4次曝光視場。這就會導(dǎo)致生產(chǎn) 效率降低，不能被半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所接受。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種組合放大倍率(曝光掃描方向放大倍率為M，垂直于掃描 方向放大倍率為N)的成像物鏡系統(tǒng)設(shè)計方法，利用該方法設(shè)計的成像物鏡系統(tǒng)可在不同方 向上實現(xiàn)不同的放大倍率。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0006] -種組合放大倍率的成像物鏡系統(tǒng)設(shè)計方法，具體過程為：
[0007] 步驟一，設(shè)計共軸、放大倍率為Μ的全球面成像物鏡系統(tǒng)A;
[0008] 步驟二，以系統(tǒng)Α中各反射鏡曲率為優(yōu)化變量，將所述系統(tǒng)Α優(yōu)化為放大倍率為Ν的 系統(tǒng)B;
[0009] 步驟三，將系統(tǒng)A中各反射鏡轉(zhuǎn)化為變形非球面面形，且各變形非球面的縱向曲率 保持不變，橫向曲率為系統(tǒng)B中相應(yīng)反射鏡的曲率，從而獲得縱向放大倍率為M、橫向放大倍 率為N的組合倍率成像系統(tǒng)C。
[0010] 進一步地，本發(fā)明還包括步驟四，針對成像系統(tǒng)C中的各反射鏡，加入低階非球面 項進行優(yōu)化，直至滿足成像性能要求為止。
[0011] 進一步地，本發(fā)明還包括步驟四，針對成像系統(tǒng)C中的各反射鏡，加入低階非球面 項進行優(yōu)化，當(dāng)加入低階非球面項進行優(yōu)化無法滿足成像要求時，則增加非球面優(yōu)化階數(shù) 進行進一步優(yōu)化，直至滿足成像性能要求為止。
[0012] 進一步地，本發(fā)明還包括步驟四，針對成像系統(tǒng)C中的各反射鏡，加入低階非球面 項進行優(yōu)化，當(dāng)加入低階非球面項(4~6階)進行優(yōu)化無法滿足成像要求時，則增加非球面 優(yōu)化階數(shù)(8~10階)進行進一步優(yōu)化，若仍無法滿足成像要求，則將高階變形非球面擬合成 自由曲面進行優(yōu)化，直至成像性能滿足要求為止。
[0013]有益效果
[0014] 第一、本方法通過兩個共軸全球面成像物鏡系統(tǒng)組合來直接獲得組合放大倍率的 成像物鏡系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，極大地提高了設(shè)計效率。
[0015] 第二、本方法采用共軸全球面成像物鏡系統(tǒng)為起點，可通過調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)參數(shù)(如， 元件間的光學(xué)距離，光線在各元件上的入射角，物像方遠(yuǎn)心度等)來間接控制組合倍率成像 物鏡系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)各項光學(xué)參數(shù)，有利于提高組合倍率系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的合理性。
[0016] 第三、本發(fā)明采用漸進優(yōu)化方式對組合倍率初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，避免了優(yōu)化后結(jié) 構(gòu)極大偏離初始結(jié)構(gòu)而造成的結(jié)構(gòu)不合理，并且可加快優(yōu)化收斂的速度，提高優(yōu)化效率。
【附圖說明】
[0017] 圖1為【具體實施方式】中的實施流程；
[0018] 圖2為【具體實施方式】中實例涉及的變形非球面示意圖；
[0019] 圖3為【具體實施方式】中實例涉及的1/8倍共軸旋轉(zhuǎn)對稱光刻物鏡系統(tǒng)；
[0020] 圖4為【具體實施方式】中實例涉及的組合前后系統(tǒng)光瞳形狀；
[0021] 圖5為【具體實施方式】中實例涉及的組合放大倍率光刻物鏡系統(tǒng)；
[0022] 圖6為【具體實施方式】中實例涉及的掩模、硅片及曝光視場；
[0023] 圖7為【具體實施方式】中實例涉及的自由曲面示意圖；
[0024]圖8為【具體實施方式】中實例涉及的帶中心孔的反射鏡M5和M6;
[0025] 圖9為【具體實施方式】中實例涉及的帶中心遮攔的光闌；
[0026] 圖10為【具體實施方式】中實例涉及的物鏡在全視場內(nèi)均方根波像差分布圖；
[0027] 圖11為【具體實施方式】中實例涉及的物鏡在全視場內(nèi)畸變二維分布圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0029] 本發(fā)明的設(shè)計思想為:應(yīng)用分組設(shè)計方法設(shè)計放大倍率為Μ的全球面成像系統(tǒng)A， 在此基礎(chǔ)上僅改變各反射元件曲率半徑來改進系統(tǒng)Α至放大倍率為Ν的系統(tǒng)Β。組合系統(tǒng)Α和 B相對應(yīng)反射元件的曲率半徑獲得組合放大倍率系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。然后依次加入低階到高階 非球面系數(shù)對初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。若無法達到成像性能要求，則可適量選擇個別元件由高 階非球面擬合轉(zhuǎn)化為自由度更多的自由曲面進行優(yōu)化，直至成像性能滿足要求。
[0030] 如圖1所示為具體的實施流程，主要分為兩大部分:初始結(jié)構(gòu)設(shè)計和初始結(jié)構(gòu)優(yōu) 化，該設(shè)計過程在光學(xué)設(shè)計軟件中實現(xiàn)。
[0031]初始結(jié)構(gòu)設(shè)計：（1)根據(jù)所需系統(tǒng)的基本特征，利用分組設(shè)計方法設(shè)計共軸、放大 倍率為Μ的全球面極紫外成像系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)A; (2)應(yīng)用光學(xué)軟件將該系統(tǒng)優(yōu)化為放大倍率 為Ν的系統(tǒng)Β，在優(yōu)化過程中僅設(shè)置各反射鏡曲率為優(yōu)化變量，其余變量都固定；（3)將Α中各 反射鏡球面面型轉(zhuǎn)化為變形非球面面型，變形非球面頂點處橫向（X方向）曲率為C x，縱向（y 方向）曲率為Cy，如圖2所示，由于A中各反射鏡仍為旋轉(zhuǎn)對稱球面，在這種情況下Cx = Cy，
[0032]
[0033] (4)替換A中各反射鏡橫向（x方向）曲率為對應(yīng)B中各反射鏡曲率，而縱向（y方向） 曲率保持不變，這樣就獲得了一個縱向放大倍率為M，橫向放大倍率為N的組合倍率成像系 統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。
[0034] 初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化:將上述獲得的物鏡系統(tǒng)中各反射鏡加入低階非球面項(4~6階)進 行優(yōu)化，如果可以優(yōu)化至滿足要求的成像性能則設(shè)計結(jié)束，如果無法優(yōu)化至滿足成像性能 要求則適當(dāng)增加非球面階數(shù)(8~10階)進一步優(yōu)化。若仍無法達到要求則可將高階變形非 球面擬合成具有更多自由變量的自由曲面來進行優(yōu)化，直至成像性能滿足要求為止。
[0035] 實施實例
[0036] 根據(jù)具體實施方案，設(shè)計了一套組合放大倍率極紫外光刻物鏡。首先以放大倍率 為1/8,共軸6鏡系統(tǒng)為起始點，如圖3所示。該系統(tǒng)采用分組設(shè)計方法獲得，即將6面反射鏡 兩兩一組進行設(shè)計。沿著光路方向，第一反射鏡Ml和第二反射鏡M2為第一鏡組G1;第三反射 鏡M3和第四反射鏡M4為第二鏡組G2;第五反射鏡M5和第六反射鏡M6為第三鏡組G3。首先根 據(jù)合理約束條件設(shè)計G1和G3鏡組，再根據(jù)物像關(guān)系及光瞳匹配原則