CN105652439A - 一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，具体过程为：步骤一，设计共轴、放大倍率为M的全球面成像物镜系统A；步骤二，以系统A中各反射镜曲率为优化变量，将所述系统A优化为放大倍率为N的系统B；步骤三，将系统A中各反射镜转化为变形非球面面形，且各变形非球面的纵向曲率保持不变，横向曲率为系统B中相应反射镜的曲率，从而获得纵向放大倍率为M、横向放大倍率为N的组合倍率成像系统C。利用该方法设计的成像物镜系统可在不同方向上实现不同的放大倍率。

Description

一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，其可用于扫描-步进式极紫外光刻机、空间成像望远镜、光谱成像仪或显微物镜成像系统中，属于光学设计技术领域。
背景技术
极紫外光刻已经成为半导体制造业实现8-10nm技术节点的主要光刻技术。为了满足这一需求，极紫外光刻物镜的数值孔径则需要达到0.45以上。采用传统1/4倍放大倍率系统实现这样的高数值孔径会导致两种现象：(1)中心视场主光线物面入射角大于6°；(2)掩模处的入射光束与出射光束发生重叠。现象(1)会引起掩模的3D阴影效应，而现象(2)则会导致物镜系统无法正常成像，因此传统1/4倍放大倍率光刻物镜无法合理地实现超高数值孔径。
现有6自由曲面反射镜极紫外光刻物镜设计美国专利US8810906B2，其中的所有结构均为1/8放大倍率。该结构可以实现0.5～0.7的超高数值孔径，且可避免上述两种现象的发生。但是由于放大倍率的提高，扫面曝光视场面积减小4倍，而掩模和硅片尺寸不可变，因此对于一个6英寸(133×102mm2)的掩模成像，则需要拼接4次曝光视场。这就会导致生产效率降低，不能被半导体产业所接受。
发明内容
本发明的目的是提出一种组合放大倍率(曝光扫描方向放大倍率为M，垂直于扫描方向放大倍率为N)的成像物镜系统设计方法，利用该方法设计的成像物镜系统可在不同方向上实现不同的放大倍率。
实现本发明技术方案如下：
一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，具体过程为：
步骤一，设计共轴、放大倍率为M的全球面成像物镜系统A；
步骤二，以系统A中各反射镜曲率为优化变量，将所述系统A优化为放大倍率为N的系统B；
步骤三，将系统A中各反射镜转化为变形非球面面形，且各变形非球面的纵向曲率保持不变，横向曲率为系统B中相应反射镜的曲率，从而获得纵向放大倍率为M、横向放大倍率为N的组合倍率成像系统C。
进一步地，本发明还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面项进行优化，直至满足成像性能要求为止。
进一步地，本发明还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面项进行优化，当加入低阶非球面项进行优化无法满足成像要求时，则增加非球面优化阶数进行进一步优化，直至满足成像性能要求为止。
进一步地，本发明还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面项进行优化，当加入低阶非球面项(4～6阶)进行优化无法满足成像要求时，则增加非球面优化阶数(8～10阶)进行进一步优化，若仍无法满足成像要求，则将高阶变形非球面拟合成自由曲面进行优化，直至成像性能满足要求为止。
有益效果
第一、本方法通过两个共轴全球面成像物镜系统组合来直接获得组合放大倍率的成像物镜系统初始结构，极大地提高了设计效率。
第二、本方法采用共轴全球面成像物镜系统为起点，可通过调节其结构参数(如，元件间的光学距离，光线在各元件上的入射角，物像方远心度等)来间接控制组合倍率成像物镜系统初始结构各项光学参数，有利于提高组合倍率系统初始结构的合理性。
第三、本发明采用渐进优化方式对组合倍率初始结构进行优化，避免了优化后结构极大偏离初始结构而造成的结构不合理，并且可加快优化收敛的速度，提高优化效率。
附图说明
图1为具体实施方式中的实施流程；
图2为具体实施方式中实例涉及的变形非球面示意图；
图3为具体实施方式中实例涉及的1/8倍共轴旋转对称光刻物镜系统；
图4为具体实施方式中实例涉及的组合前后系统光瞳形状；
图5为具体实施方式中实例涉及的组合放大倍率光刻物镜系统；
图6为具体实施方式中实例涉及的掩模、硅片及曝光视场；
图7为具体实施方式中实例涉及的自由曲面示意图；
图8为具体实施方式中实例涉及的带中心孔的反射镜M5和M6；
图9为具体实施方式中实例涉及的带中心遮拦的光阑；
图10为具体实施方式中实例涉及的物镜在全视场内均方根波像差分布图；
图11为具体实施方式中实例涉及的物镜在全视场内畸变二维分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明的设计思想为：应用分组设计方法设计放大倍率为M的全球面成像系统A，在此基础上仅改变各反射元件曲率半径来改进系统A至放大倍率为N的系统B。组合系统A和B相对应反射元件的曲率半径获得组合放大倍率系统初始结构。然后依次加入低阶到高阶非球面系数对初始结构进行优化。若无法达到成像性能要求，则可适量选择个别元件由高阶非球面拟合转化为自由度更多的自由曲面进行优化，直至成像性能满足要求。
如图1所示为具体的实施流程，主要分为两大部分：初始结构设计和初始结构优化，该设计过程在光学设计软件中实现。
初始结构设计：(1)根据所需系统的基本特征，利用分组设计方法设计共轴、放大倍率为M的全球面极紫外成像系统初始结构A；(2)应用光学软件将该系统优化为放大倍率为N的系统B，在优化过程中仅设置各反射镜曲率为优化变量，其余变量都固定；(3)将A中各反射镜球面面型转化为变形非球面面型，变形非球面顶点处横向(x方向)曲率为Cx，纵向(y方向)曲率为Cy，如图2所示，由于A中各反射镜仍为旋转对称球面，在这种情况下Cx＝Cy，
Z = C x 2 · X 2 + C y 2 · Y 2 1 + 1 - C x 2 · X 2 - C y 2 · Y 2
(4)替换A中各反射镜横向(x方向)曲率为对应B中各反射镜曲率，而纵向(y方向)曲率保持不变，这样就获得了一个纵向放大倍率为M，横向放大倍率为N的组合倍率成像系统初始结构。
初始结构优化：将上述获得的物镜系统中各反射镜加入低阶非球面项(4～6阶)进行优化，如果可以优化至满足要求的成像性能则设计结束，如果无法优化至满足成像性能要求则适当增加非球面阶数(8～10阶)进一步优化。若仍无法达到要求则可将高阶变形非球面拟合成具有更多自由变量的自由曲面来进行优化，直至成像性能满足要求为止。
实施实例
根据具体实施方案，设计了一套组合放大倍率极紫外光刻物镜。首先以放大倍率为1/8，共轴6镜系统为起始点，如图3所示。该系统采用分组设计方法获得，即将6面反射镜两两一组进行设计。沿着光路方向，第一反射镜M1和第二反射镜M2为第一镜组G1；第三反射镜M3和第四反射镜M4为第二镜组G2；第五反射镜M5和第六反射镜M6为第三镜组G3。首先根据合理约束条件设计G1和G3镜组，再根据物像关系及光瞳匹配原则搜索中间镜组G2，最终选择一合理G2镜组与G1和G3镜组进行衔接获得整个物镜结构。然后仅将各反射镜曲率设为变量，将原1/8倍系统改进为1/4倍共轴旋转对称系统。再将两系统中对应反射镜曲率进行组合，进而获得组合放大倍率、变形非球面物镜系统的初始结构。为保证系统分辨率，系统出瞳必须保证圆形，而由于系统具有组合放大倍率，入瞳不再是圆形，而是长短轴比为2:1的椭圆形，如图4所示。因此与物镜系统匹配的照明系统也要做相应的改进来匹配物镜椭圆形入瞳。
在该共轴6镜系统之上设计了非对称放大倍率的极紫外光刻投影物镜系统，如图5所示，包括，物面，像面，M1～M6反射镜和一个圆形带中心遮拦的光阑。以物方视场中心为原点建立全局坐标系。
物镜系统在掩模和硅片上的曝光视场如图6所示。掩模和硅片(物面和像面)均为平面，且相互平行。掩模尺寸为102×132mm2，被照明的物方视场为102×2mm2，沿固定方向对掩模进行扫描成像。硅片尺寸为26×33mm2，扫描曝视场为硅片面积的一半，为26×16.5mm2，因此仅需要拼接一次曝光视场。
6片反射镜均采用自由曲面。如图7所示，为一个典型自由曲面在局部轴YZ平面截面图。每个自由曲面都有一个基准的旋转对称二次曲面，在此基础上加入了若干多项式来控制自由曲面对二次曲面的偏离量。基准二次曲面的顶点即为局部坐标的原点，其旋转对称轴即为光轴，也就是局部坐标系的z轴。
物镜系统中各自由曲面均采用xy多项式表示，以各反射镜的局部光轴为z轴，则自由曲面方程可表示为：
Z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ j = 2 66 C j X m Y n
j = ( m + n ) 2 + m + 3 n 2 + 1
其中，r2＝X2+Y2，c为自由曲面顶点曲率，k为非球面系数，Cj为多项式XmYn的系数。为了降低面形复杂度、提高优化效率，本发明中各自由曲面表达式只取X偶次项，这样系统仍关于子午面对称。表1给出了6面自由曲面反射镜的面形参数。
表1各自由曲面反射镜的面形参数
为了降低系统的复杂度和装调难度，各反射镜仅在子午面内存在偏心和旋转，表2给出了各反射镜以及物、像面的位置和偏心量和旋转角度。符合定义如下：间隔：从左到右则间隔值为正，反之为负；偏心：沿全局Y轴向上偏移为正，反之为负；旋转角：绕局部x轴逆时针旋转为正，顺时针旋转为负
表2各元件相对位置及旋转角
为了减小M5反射镜上的入射角，采用中心遮拦设计方式。如图8所示，需要在反射镜M5和M6中心处挖适当大小的孔洞来保证光线顺利通过成像于像面。而由于挖洞，部分光线没能经M5和M6反射成像，因此必须遮挡这部分光线以避免其干扰正常成像。如图9所示为带有遮光板的系统光阑，以此来实现遮光的目的。
本发明极紫外投影光刻物镜的工作过程：
照明系统发出的光线经掩模反射后入射到第一反射镜M1上，经过第一反射镜M1反射后入射至第二反射镜M2，再经过第三反射镜M3和第四反射镜M4成中间像于第六反射镜M6中心附近。各视场主光线垂直于像面出射(像方远心)，最终成像于像面即硅片面上。依据具体实施方式实施后，极紫外光刻物镜各性能参数如表3所示：
表3极紫外光刻物镜各项基本性能参数
系统总长(物面到像面的距离)为1476.46mm，属于光刻物镜系统的合理长度。像方远心度小于1mrad，保证了像面有微小轴向移动的情况下物镜的放大倍率不变。在物方中心视场主光线角度为5.68°的情况下，数值孔径达到了0.5，结合分辨率增强技术可实现8-10nm技术节点。如图2所示，非对称缩小比可实现对半个硅片面积进行扫描曝光，提高了生产效率。
对本实施例的离组合放大倍率极紫外光刻物镜采用以下两方面评价指标进行评价：
1均方根波像差
均方根波像差是表征一个光学系统成像性能的重要指标。图10为均方根波像差在全视场内的二维分布图。全视场波像差RMS小于1nm，全视场平均波像差RMS值为0.67nm。
2、畸变
畸变是影响系统光刻性能的重要因素，而对于非旋转对称系统，需要在全视场内均匀取点来控制畸变。如附图11所示畸变在全视场内的二维分布图，物面上的所有视场点的畸变均小于2.8nm。
本发明中的极紫外投影光刻物镜像质优良，具有继续增大数值孔径的潜力。
虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做若干变形、替换和改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，其特征在于，具体过程为：
步骤一，设计共轴、放大倍率为M的全球面成像物镜系统A；
步骤二，以系统A中各反射镜曲率为优化变量，将所述系统A优化为放大倍率为N的系统B；
步骤三，将系统A中各反射镜转化为变形非球面面形，且各变形非球面的纵向曲率保持不变，横向曲率为系统B中相应反射镜的曲率，从而获得纵向放大倍率为M、横向放大倍率为N的组合倍率成像系统C。
2.根据权利要求1所述组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，其特征在于，还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面项进行优化，直至满足成像性能要求为止。
3.根据权利要求1所述组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，其特征在于，还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面项进行优化，当加入低阶非球面项进行优化无法满足成像要求时，则增加非球面优化阶数进行进一步优化，直至满足成像性能要求为止。
4.根据权利要求1所述组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，其特征在于，还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面项进行优化，当加入低阶非球面项进行优化无法满足成像要求时，则增加非球面优化阶数进行进一步优化，若仍无法满足成像要求，则将高阶变形非球面拟合成自由曲面进行优化，直至成像性能满足要求为止。
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