CN103488061B - 极紫外光刻机中匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种极紫外光刻机中匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法，该方法适用的照明系统包括光源、聚光镜、视场复眼、光阑复眼以及中继镜组；该方法的具体步骤为：在极紫外光刻机更换投影物镜前：利用光线追迹，计算中继镜A的出射光线在子午面和弧矢面上的孔径角；在极紫外光刻机更换投影物镜后：取出瞳面的中心点作为物点进行光线追迹；通过调整中继镜A和B的倾斜角和位置，以及调整光阑复眼和视场复眼上中心复眼元的倾斜角度，直至当前照明系统的像面与投影物镜对应的弧形像面相近为止。基于本发明调整方法对照明系统进行调整，可得到与该投影物镜系统相匹配的照明系统，从而大大降低了投影式光刻机的设计成本。

Description

极紫外光刻机中匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法

技术领域

本发明涉及一种极紫外光刻机中匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法，属于光刻照明设计技术领域。

背景技术

极紫外光刻（EUVL）是以波长为11～14nm的EUV射线为曝光光源的光刻技术，适用于特征尺寸为22nm及更小特征尺寸的集成电路的大批量生产。投影式光刻机的核心部件是投影曝光光学系统，该系统最重要的组成部分是照明系统和投影物镜系统。照明系统主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现离轴照明模式。作为光刻机重要组成部分，照明系统对提高整个光刻机性能至关重要，因此设计好照明系统是完成整个投影曝光系统的重要环节。

产业化投影式光刻机中的照明系统通常由光源、聚光镜、双排复眼、中继镜组等部分构成。在针对指定的投影物镜进行照明系统设计的过程中，需要满足两个方面的要求：一是照明系统的出瞳需要与投影物镜的入瞳重合，二是照明系统的像面，亦即照明面，其尺寸需要与投影物镜的物面相同，且位置也相同。然而，为了进一步降低特征尺寸，投影物镜的数值孔径会不断增大，其相应的入瞳参数也会发生变化，这就导致与之匹配的照明系统需要重新设计。显然，使用新的元件会极大的增加制造成本，重新设计一个全新的照明系统也会耗费大量的人力和物力。因此，有必要研究出一种方法，利用该方法，能够在初始照明系统的基础上，通过改变元件的位置来获得一套多照明系统，从而为多个不同的物镜系统提供照明。

发明内容

本发明的目的是提供一种极紫外光刻机中匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法，利用该方法对照明系统进行调整，使得照明系统可为一系列具有相同曝光视场的投影物镜提供符合要求的照明，从而大大减小极紫外光刻机的制造成本。

实现本发明的技术方案如下：

一种极紫外光刻机中匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法，该方法适用的照明系统包括光源、聚光镜、视场复眼、光阑复眼以及中继镜组；同时定义中继镜组中光源出射光线经过的第一片中继镜为中继镜A，经过的第二片中继镜为中继镜B；该方法的具体步骤为：

在极紫外光刻机更换投影物镜前：

步骤101、在照明系统的弧形像面上设置孔径光阑，且使孔径光阑的尺寸与弧形像面的尺寸相同；

步骤102、取照明系统的出瞳面的中心点作为物点进行光线追迹，分别计算中继镜A的出射光线在子午面和弧矢面上的孔径角；

在极紫外光刻机更换投影物镜后：

步骤103、获取当前极紫外光刻机中投影物镜的相关参数，其中所述相关参数包括弧形像面的尺寸、弧形像面上主光线入射角以及弧形像面上的数值孔径；

步骤104、根据所述相关参数计算出瞳面，取出瞳面的中心点作为物点进行光线追迹；

步骤105、调整中继镜A的倾斜角度，以补偿照明系统由于后续调整而导致的对视场复眼放大倍率的改变；调整中继镜B的倾斜角度，用以补偿弧形光束所对应的圆心角在传播过程中由于后续调整而发生的改变；

步骤106、调整中继镜A的位置，使得照明系统中中继镜A的出射光束在子午面和弧矢面上的孔径角分别与步骤102中计算的孔径角相等；

步骤107、调整中继镜B的位置，使得出瞳中心经过中继镜B和中继镜A后成像于光阑复眼的中心复眼元上，且同时满足以下两个条件：第一、光阑复眼的中心复眼元上的光斑中心与该复眼元的中心重合，第二、入射至光阑复眼的中心复眼元上的光斑能被该复眼元反射至视场复眼中；

步骤108、调整光阑复眼和视场复眼上中心复眼元的倾斜角度，使得光束经过光阑复眼的中心复眼元后能被视场复眼的中心复眼元反射，且经视场复眼的中心复眼元反射的光束垂直入射至聚光镜后会聚于光源位置上；

步骤109、判断当前照明系统的像面是否满足与步骤103获得的弧形像面相近，若满足，则计算视场复眼和光阑复眼中各复眼元的坐标和倾斜角度，并根据计算的坐标和倾斜角调整各复眼元，完成照明系统的调整，若不满足，则依次重复步骤105至108，直至满足要求为止。

有益效果

首先，本发明通过对照明系统进行调整，使得其可为一系列具有相同曝光视场的投影物镜系统提供符合要求的照明；因此在极紫外光刻机更换投影物镜后，基于本发明调整方法对照明系统进行调整，使得在无需更换相应照明系统的情况下，可得到与该投影物镜系统相匹配的照明系统，从而大大降低了极紫外光刻机的设计成本。

其次，本发明照明系统的调整方法，只需要依据投影物镜的相关参数调整照明系统中元件的位置，其不采用任何新的元件，极大的降低了极紫外光刻的设计和制造成本，缩短了研发周期。

附图说明

图1为极紫外光刻机中光学系统的结构示意图。

图2为本发明调整与设计方法的流程图。

图3为照明系统弧形像面示意图。

图4为聚光镜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明针对极紫外光刻机提供一种匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法，使得调整后的照明系统可为一系列具有相同曝光视场的投影物镜提供符合要求的照明，该方法适用的照明系统包括光源、聚光镜、视场复眼、光阑复眼、由两片二次曲面构成的中继镜组，同时定义中继镜组中光源出射光线经过的第一片中继镜为中继镜A，经过的第二片中继镜为中继镜B，如图1所示。

同时在本实施例中建立坐标系O-XYZ，该坐标系以初始照明系统中弧形像面的同心圆环的圆心作为坐标原点O，以出瞳面中心点到该坐标原点所构成的矢量的方向作为Z轴的正方向，以弧形像面的中心点到坐标原点所构成的矢量的方向作为Y轴的正方向，利用“右手定则”确定X轴的正方向；以下步骤中涉及的计算都是在该坐标系下进行；如图2所示，本发明调整方法的具体过程如下：

在极紫外光刻机更换投影物镜前：

步骤101、在照明系统的弧形像面上设计孔径光阑，且使孔径光阑的尺寸与与弧形像面的尺寸相同。

由于照明系统在实际工作过程中，光源出射的光束是会聚于弧形像面上然后入射至出瞳面上，所以，当出瞳面作为物面来实施本方法时，从出瞳面出射的所有光线也必须在弧形像面处会聚以后才能进入到后续系统中，这样才能保证逆向设计思想（本发明中的调整方法的基础就是逆向设计）的正确性。由此，弧形像面对应的区域就相当于一个孔径光阑，且该光阑的尺寸与上述区域的尺寸需相同。

步骤102、以出瞳面作为物面，进行光线追迹，即取出瞳面的中心点作为物点进行光线追迹，分别计算中继镜A的出射光线在子午面和弧矢面上的孔径角。

本步骤中光线追迹为光学设计常用的技术手段，其可在光学设计软件zemax或者code V中实现。

在极紫外光刻机更换投影物镜后：

步骤103、获取当前极紫外光刻机中投影物镜的相关参数，并将其作为照明系统的设计指标，所述相关参数包括弧形像面的尺寸、弧形像面上主光线入射角以及弧形像面上的数值孔径。

由于本发明所适用的投影物镜具有相同的曝光视场，因此各投影物镜的弧形像面尺寸相同。

以下步骤中通过对照明系统进行一系列调整，使得照明系统的出瞳中心到坐标系原点的距离等于物镜系统中构成其弧形物面的两个同心圆的圆心到物镜系统的入瞳中心的距离，同时，照明系统的出瞳尺寸应与该物镜系统的入瞳尺寸相同。

步骤104、根据所述相关参数计算出瞳面，取出瞳面的中心点作为物点进行光线追迹。本步骤中根据相关参数计算出瞳面为现有技术，因此在本发明中不对其进行详述。

步骤105、调整中继镜A的倾斜角度，以补偿照明系统由于后续调整而导致的对视场复眼放大倍率的改变；调整中继镜B的倾斜角度，同时微调中继镜A的Y坐标与Z坐标，用以补偿弧形光束所对应的圆心角在传播过程中由于后续调整而发生的改变。

步骤106、调整中继镜A的位置（即调整中继镜A的Y坐标与Z坐标），用以同时控制该照明系统中中继镜A的出射光束在子午面和弧矢面上的孔径角，使其分别等于步骤102中计算的中继镜A的出射光束在子午面和弧矢面上的孔径角。

步骤207、调整中继镜B的位置（即调整中继镜B的Y坐标与Z坐标），保证出瞳中心经过中继镜B和中继镜A后成像于光阑复眼的中心复眼元上，且满足以下两个条件：第一、光阑复眼的中心复眼元上的光斑中心与该复眼元的中心重合，第二、入射至光阑复眼的中心复眼元上的光束能被该复眼元反射至光阑复眼中。

步骤108、调整光阑复眼和视场复眼上一对中心复眼元的倾斜角度，使得光束经过光阑复眼的中心复眼元后能被视场复眼的中心复眼元反射，且经视场复眼的中心复眼元反射的光束垂直入射至聚光镜后会聚于光源位置。

步骤209、利用光学设计软件建模，判断当前照明系统的像面是否满足与步骤103获得的弧形像面相近。若满足，则可以通过光线追迹等方法计算光阑复眼和视场复眼中各复眼元的坐标和倾斜角度，从而完成与该物镜系统相匹配的照明系统的调整，其中，计算复眼元的坐标和倾斜角度的方法为现有技术（参见申请号为：201210132163.6），在此不详细说明，然后根据计算的坐标和倾斜角调整各复眼元，完成照明系统的调整；若不满足，则依次重复步骤105至108，直至完成与该物镜系统相匹配的照明系统的设计为止。

本步骤中所述相近为满足以下两个条件：一是在当前照明系统的像面上，位于步骤103确定的弧形像面区域内的光照度占整个像面总光照度的80%以上，二是位于步骤103确定的弧形像面区域内的光照非均匀度小于或等于5%。

本发明的实施实例：

表1所示为三套与不同投影物镜相匹配的照明系统的设计指标，其中第一套作为初始照明系统的设计指标，其它两套则依据本发明设计获得。三套系统均采用激光等离子体光源，光源聚光镜的参数依据EUV光源制造商Cymer提供的数据计算获得，其结构如图4所示。所有物镜系统中弧形物面的尺寸是相同的，其结构如图3所示，但每一套物镜系统中弧形物面的主光线入射角以及物方数值孔径均是不同的，因此其入瞳参数也各不相同。由于极紫外光刻物镜系统中弧形物面上的主光线入射角通常在4.9°到6°之间变化，且目前EUV光刻物镜的物方数值孔径的典型取值为0.0625、0.075以及0.0825，为了表明本方法的广泛适用性，系统1、系统2和系统3的弧形像面上的主光线入射角分别设置为5.52°、4.9°和6°，其像方数值孔径则分别设置为0.0625、0.075、0.0825。

表1

依据本发明中的方法设计得到三套照明系统，在初始照明系统的基础上，其它两套照明系统中中继镜组参数的改变量如表2所示。为方便说明，表2中以#1代表中继镜1，以#2代表中继镜2，ΔY，ΔZ，Δα分别表示的是所对应的中继镜的Y坐标、Z坐标以及α倾斜角度的改变量。三套照明系统均可以实现二极、四极和环形等多种离轴照明模式，为简洁明了，现以二极照明为例来对三套系统的性能进行评价。

表2

元件参数	系统1	系统2	系统3
				ΔY#1	0	-25.908mm	16.809mm
ΔZ#1	0	43.711mm	2.338mm
				ΔY#2	0	-15.815mm	-45.646mm
ΔZ#2	0	25.506mm	-22.981mm
				Δα#1	0	0	-0.55°
Δα#2	0	-0.736°	0.66°
				均匀度	96.64%	96.71%	96.47%
σin～σout	0.23～0.9	0.23～0.9	0.23～0.9
				系统总长	3161.7mm	3161.7mm	3161.7mm

由于极紫外光刻采用的是步进-扫描的模式，其照明系统通常采用扫描方向上弧形像面的积分光照度的均匀度U来作为评价标准：

$U=(1-\frac{E_{\max }-E_{\min }}{E_{\max }+E_{\min }})\×100\%$

其中E_max与E_min分别表示的是在扫描方向上弧形像面的最大和最小的积分光照度。为准确的评价系统的性能，在三套照明系统设计完成以后，可以利用光学软件进行光线追迹。由于激光等离子体光源的尺寸相对照明系统来说足够小，因此可以用点光源来模拟实际光源。200,000,000条光线从点光源出射，三套照明系统的性能如表2所示。从表中可知，系统2和系统3中元件的移动量相对整个系统的总长来说较小，且每一套照明系统在弧形像面上的光照均匀度满足要求。结果表明本发明中的方法是有效可行的。

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 (1)

1.一种极紫外光刻机中匹配多个物镜的照明系统调整与设计方法，该方法适用的照明系统包括光源、聚光镜、视场复眼、光阑复眼以及中继镜组；定义中继镜组中光源出射光线经过的第一片中继镜为中继镜A，经过的第二片中继镜为中继镜B；其特征在于，该方法的具体步骤为：

在极紫外光刻机更换投影物镜前：

步骤101、在照明系统的弧形像面上设置孔径光阑，且使孔径光阑的尺寸与弧形像面的尺寸相同；

步骤102、取照明系统出瞳面的中心点作为物点进行光线追迹，分别计算中继镜A的出射光线在子午面和弧矢面上的孔径角；

在极紫外光刻机更换投影物镜后：

步骤103、获取当前极紫外光刻机中投影物镜的相关参数，其中所述相关参数包括弧形像面的尺寸、弧形像面上主光线入射角以及弧形像面上的数值孔径；

步骤104、根据所述相关参数计算出瞳面，取出瞳面的中心点作为物点进行光线追迹；

步骤105、调整中继镜A的倾斜角度，以补偿照明系统由于后续调整而导致的对视场复眼放大倍率的改变；调整中继镜B的倾斜角度，用以补偿弧形光束所对应的圆心角在传播过程中由于后续调整而发生的改变；

步骤106、调整中继镜A的位置，使得中继镜A的出射光束在子午面和弧矢面上的孔径角分别与步骤102中计算的孔径角相等；

步骤107、调整中继镜B的位置，使得出瞳中心经过中继镜B和中继镜A后成像于光阑复眼的中心复眼元上，且同时满足以下两个条件：第一、光阑复眼的中心复眼元上的光斑中心与该复眼元的中心重合，第二、入射至光阑复眼的中心复眼元上的光斑能被该复眼元反射至视场复眼中；

步骤108、调整光阑复眼和视场复眼上中心复眼元的倾斜角度，使得光束经过光阑复眼的中心复眼元后能被视场复眼的中心复眼元反射，且经视场复眼的中心复眼元反射的光束垂直入射至聚光镜后会聚于光源位置上；

步骤109、判断当前照明系统的像面是否满足与步骤103获得的弧形像面相近，若满足，则计算视场复眼和光阑复眼中各复眼元的坐标和倾斜角度，并根据计算的坐标和倾斜角调整各复眼元，完成照明系统的调整，若不满足，则依次重复步骤105至108，直至满足要求为止；

所述相近为满足以下两个条件：一是在当前照明系统的像面上，位于步骤103确定的弧形像面区域内的光照度占整个像面总光照度的80％以上，二是位于步骤103确定的弧形像面区域内的光照非均匀度小于或等于5％。