CN112859543B - 一种折反式深紫外光刻物镜系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种折反式深紫外光刻物镜系统设计方法。本发明通过分组复合及迭代设计方法进行初始结构的设计，从而快速高效的得到折反射式光刻物镜系统初始结构。物镜系统包括三个子系统：第一镜组G1，第二镜组G2和第三镜组G3。物镜系统设计方法包括如下步骤：根据设计需求设计G1和G3初始结构；设置G1的像面为G2的物面，G2的像面为G3的物面；设置G2，包括相对设置的2片反射镜，通过矩阵光学计算G2的球面初始结构，并对G2的球面初始结构进行分组复合及迭代拟合设计，完成G2镜组初始结构设计。通过后续优化设计，完成高性能折反式光刻物镜系统设计，提高了折反式深紫外光刻物镜系统整体设计效率。

Description

一种折反式深紫外光刻物镜系统设计方法
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种折反式深紫外光刻物镜系统设计方法。
背景技术
光刻机是大规模集成电路制造的核心设备，可以通过曝光的方式将掩模版上IC图案投影到硅片表面的光刻胶上，然后通过显影、刻蚀等技术将投影图案转移到硅片面上。在光刻机众多组成中，投影光刻物镜系统是其最核心的部件之一。
光刻系统的理论分辨率可以用R＝k1λ/NA计算，其中k1为工艺因子，与光刻系统的工艺参数有关，λ为系统的曝光波长，NA为物镜系统的像方数值孔径，在深紫外(DUV)光刻物镜系统中，浸没式光刻物镜系统的像方数值孔径NA可以达到1.35，k1因子可以接近0.25，单次曝光可以实现38nm分辨率，结合多图形等分辨率增强技术，可以实现14nm及以下节点的芯片的加工制造。国外高分辨率浸没式光刻机已经实现产业化，日本的Nikon公司，Cannon公司，荷兰ASML公司的技术已经相对成熟。深紫外光刻投影物镜作为投影曝光装置的核心部件，其面型和结构经历了几次大的变化。最初的深紫外光刻物镜采用全球面折射式结构，NA最大可以达到0.8；随着非球面技术的成熟，在深紫外光刻物镜设计中引入非球面，可以实现像方数值孔径NA 0.93的深紫外投影光刻物镜系统的设计、加工和制造；为了进一步增大光刻物镜的像方分辨率，采用像方浸没技术的高NA光刻物镜应运而生，第一台像方数值孔径突破1的光刻系统由Nikon公司制造，像方数值孔径达到了1.07，为第二次技术革新；最新的技术跳跃为使用反射镜的折反式结构，由于全折射式结构会受到透镜口径及系统总长的限制，即使采用多腰结构设计，最大的NA也仅可实现至1.2，折反混合结构在进一步增大NA方面有很大潜力，可以将NA增加到1.35。随着非球面技术、像方浸没技术和物镜结构的不断发展，DUV光刻物镜的像方数值孔径逐渐达到1.35，可实现更高分辨力。DUV光刻物镜系统结构复杂，初始结构设计难度大，专利CN 105652606 A公布了一种折反式深紫外光刻物镜设计方法，但该方法只是将分组设计的理念应用在折反式DUV光刻物镜系统初始结构的设计中。
目前已有的光刻投影物镜系统结构复杂，设计难度大，因此针对折反式DUV光刻物镜系统设计，如何快速高效的进行初始结构设计，从而间接地提高物镜系统的总体设计效率是目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种折反式深紫外光刻物镜系统设计方法，通过分组复合及迭代设计方法进行初始结构的设计，从而快速高效的得到折反式DUV光刻物镜系统初始结构，通过后续优化设计，可完成满足设计需求的折反式DUV光刻物镜系统的设计，提高了折反射式深紫外光刻物镜系统整体设计效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种折反式深紫外光刻物镜系统设计方法，物镜系统包括3个子系统：第一镜组G1，第二镜组G2和第三镜组G3，物镜系统设计方法包括如下步骤：
根据设计需求设计第一镜组G1和第三镜组G3。
设置第二镜组G2，包括相对设置的2片反射镜，分别为第一反射镜R1和第二反射镜R2；设置第一镜组G1的出瞳为第二镜组G2的入瞳，第二镜组G2的出瞳为第三镜组G3的入瞳；设置第一镜组G1的像面为第二镜组G2的物面，第二镜组G2的物面为第三镜组G3的像面。
通过矩阵光学计算第二镜组G2的初始结构，并针对第二镜组G2的初始结构进行分组复合及迭代拟合设计。
将优化设计完成的第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3按照光束入射方向的顺序，整合成完整的折反式深紫外光刻物镜系统的初始结构，并进一步对折反式深紫外光刻物镜系统的初始结构进行优化设计，得到满足设计需求的折反式深紫外投影光刻物镜系统。
进一步地，根据设计需求设计第一镜组G1和第三镜组G3，具体为：
第一镜组G1具有正光焦度，包含不少于3片透镜，包含至少一片非球面或自由曲面透镜，至少一个凸透镜，至少一个薄弯月透镜；第一镜组G1的光阑位于G1最后一片透镜处，或者位于第一镜组G1中间。
物镜系统的第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3放大倍率关系为：MG1×MG2×MG3＝M；其中MG1为第一镜组G1的放大倍率；MG2为第二镜组G2的放大倍率；MG3为第三镜组G3的放大倍率；M为物镜系统整体的总放大率。
第三镜组G3具有正光焦度，包含不少于3片透镜，包含至少一片非球面或自由曲面透镜，包含至少一个凸透镜，一个薄弯月透镜。
第一镜组G1将物平面发出的光束经过第一镜组G1成像到第一中间像，第一中间像位于第二镜组G2的第一反射镜R1之前，经第二反射镜R2反射形成第二中间像，第二中间像经第三镜组G3成像到像平面上。
进一步地，通过矩阵光学计算第二镜组G2的球面初始结构，具体为：
根据矩阵光学，构建第二镜组G2的传递矩阵T为：
Figure BDA0002929109140000031
构建第二镜组G2物和对应像的物像变换矩阵MO'O为：
Figure BDA0002929109140000041
构建第二镜组G2入瞳和对应出瞳的物像变换矩阵Mp'p为：
Figure BDA0002929109140000042
根据光学系统匹兹万平衡条件：2c1-2c2＝petG1+petG3
其中c1为第二镜组G2第一反射镜R1的曲率；c2为第二镜组G2第二反射镜R2的曲率；d为第一反射镜R1和第二反射镜R2的距离；A为第一指代量用于指代1+2c2d；B为第二指代量，用于指代2c2-2c1(1+2c2d)；C为第三指代量，用于指代d；D为第四指代量，用于指代1-2c1d；lo为第一中间像到第一反射镜R1的距离；lo'为第二中间像到第二反射镜R2的距离；lp为第二镜组G2入瞳到第一反射镜R1的距离；lp'为第二中间像到第二反射镜R2的距离；petG1为优化设计完成的第一镜组G1的匹兹万场曲，petG3为优化设计完成的逆向光路第三镜组G3的匹兹万场曲。
求解出第二镜组G2的结构参数c1、c2、d、lo、lo'。
进一步地，针对第二镜组G2的初始结构进行分组复合及迭代拟合设计，具体包括如下步骤：
S301、在正向光路中将第一镜组G1和第二镜组G2相匹配构成G1G2光学系统。
S302：在逆向光路中将第三镜组G3和第二镜组G2相匹配构成G3G2光学系统。
S303：在G3G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法拟合得到第二反射镜R2结构参数，并在G1G2光学系统和G3G2光学系统中同时更新拟合得到的第二反射镜R2的结构参数。
S304：判定现有的拟合误差σrms_all是否小于拟合误差阈值，如果是则执行S307，否则进行S305。
S305：在G1G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法拟合得到第二反射镜R1结构参数，并在G1G2光学系统和G3G2光学系统中同时更新拟合得到的第一反射镜R1的结构参数。
S306：判定现有的拟合误差σrms_all是否小于拟合误差阈值，如果是则执行S307，否则返回S303。
S307：完成针对第二镜组G2初始结构的优化设计，并保存优化设计数据。
进一步地，真实光线追迹拟合方法，具体为：
设定待求表面为第一反射镜R或者第二反射镜R2。
根据物镜系统的物像关系，对同一条特征光线的采样视场点在G1正向光路和G1G2光学系统的采样视场坐标HG1、HG1G2与在G3逆向光路和G3G2光学系统中采样视场点坐标HG3、HG3G2的关系为：
Figure BDA0002929109140000051
对于同一条特征光线，G3G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法求解第二镜组G2反射镜R2结构参数时，在G3G2光学系统像面中理想像点的位置是该特征光线在G1正向光路中的通过真实光线追迹的实际像点的位置，同理在G1G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法求解第二反射镜R1结构参数时，在G1G2光学系统像面中理想像点位置是该特征光线在G3逆向光路中的通过真实光线追迹的实际像点的位置。
对于每一条特征光线I1、I2、I3……In，根据真实光线追迹，追迹入射到待求表面的方向向量
Figure BDA0002929109140000061
和待求表面前一个光学元件的交点P1、P2、P3……Pn，求解每一个特征光线在待求表面的交点坐标E1、E2、E3……En，即为特征数据点，让特征光线交像面于理想像点，根据费马原理和理想光学求解在下一个光学表面的理想交点T1、T2、T3……Tn，根据折反射定律求解每一个特征数据点E1、E2、E3……En处的法向量
Figure BDA0002929109140000062
将特征数据点和其法向量拟合成为新的曲面，新的曲面为球面、二次曲面、非球面或者自由曲面，新的曲面即为待求表面的拟合曲面，新的曲面的结构参数即为拟合得到的待求表面的结构参数；n为特征光线数量，n的数量级为103以上。
进一步地，拟合误差σrms_all的计算方法具体为：
拟合误差σrms的求解公式为：
Figure BDA0002929109140000063
其中为(xreal_i，yreal_i)标是第i根特征光线拟合后在像面的实际坐标；(xideal_i，yideal_i)表示第i根特征光线在像面的理想坐标；。
利用拟合误差σrms的求解公式分别对G1G2光学系统和G3G2光学系统的拟合误差进行求解，得到G1G2光学系统的拟合误差σrms_G1G2和G3G2光学系统的拟合误差σrms_G3G2。
则总拟合误差为σrms_all＝σrms_G1G2+ωσrms_G3G2；其中ω为设定的拟合误差权重。
进一步地，第一镜组G1的放大倍率MG1范围为-2～-0.8，第一镜组G1和第二镜组G2之间的距离范围为100mm～500mm。
第三镜组G3最后一片透镜为平凸透镜，平凸透镜的平面朝向像平面，镜片最大口径等于φ1，其中40mm<φ1<100mm，第三镜组G3缩小倍率MG3范围为-0.3～-0.025；第二镜组G2和第三镜组G3之间的距离范围为100mm～500mm。
有益效果：
(1)本发明提出的折反式深紫外光刻物镜系统设计方法，提出了分组复合及迭代设计方法，可以快速高效的获得折反式深紫外光刻物镜初始结构，极大地降低整个物镜系统的设计复杂度。本发明通过分组复合及迭代拟合的方法，根据设计需求，可以完成任意面型的折反式深紫外光刻物镜系统初始结构的设计；本发明设计得到的初始结构使用了更多的视场点进行计算，求解的初始结构更接近于需求结构，可以有效的减少成像系统优化设计的时间，极大的提升设计效率。
附图说明
图1为折反式深紫外光刻系统结构示意图；
图2为在正向光路中根据理想的物像关系设计优化第一镜组G1结构图；
图3为在逆向光路中根据理想的物像关系设计优化第三镜组G3结构图；
图4为通过矩阵光学计算得到的G2镜组的球面初始结构图；
图5为本发明实施例提供的优化设计完成的折反式深紫外光刻物镜系统结构案例一示意图；
图6为本发明实施例提供的优化设计完成的折反式深紫外光刻物镜系统结构案例二示意图；
图7为本发明实施例提供的优化设计完成的折反式深紫外光刻物镜系统结构案例三示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提出一种折反式深紫外光刻物镜系统及设计方法，光刻投影物镜系统包括物方镜组G1，中间镜组G2，像方镜组G3，物镜系统结构复杂，设计难度大，因此通过分组复合及迭代设计方法进行初始结构的设计，使用该方法可以快速高效的得到折反式DUV光刻物镜系统初始结构，通过后续优化设计，可以得到满足设计需求的折反式DUV光刻物镜系统。
本发明的深紫外投影光刻物镜的工作过程为：照明系统101发出的光线经掩模102透射后入射到第一透镜组G1，经第一透镜组G1透射后各视场光线以成像为第一中间像，使光线以较小的偏移耦合至后续镜组，保证光路的物方远心。第一中间像经第二反射镜组G2成像到第二中间像，两面反射镜产生正场曲，可以平衡第一透镜组G1和第三透镜组G3产生的负场曲，两面反射镜场曲校正能力强，起到了校正场曲的作用。第二中间像经第三透镜组G3缩小成像到像面，各视场主光线垂直于像面出射(像方远心)，第三透镜组G3具有强正光焦度，起到了缩小系统倍率，增大像方数值孔径及保证系统远心度的作用。最终该深紫外光刻投影物镜实现了1/4的物像微缩倍率将掩模版图样成像到硅片104上。
本发明实施例提供一种折反式深紫外光刻物镜系统及设计方法，其技术方案包括如下步骤：
S1：根据设计需求设计第一镜组G1和第三镜组G3。
在正向光路中根据理想的物像关系设计优化第一镜组G1，设计结果如图2所示，第一镜组G1具有正光焦度，包含不少于3片透镜，包含至少一片非球面或自由曲面透镜，至少一个凸透镜(本发明实施例优选使用平凸透镜)，至少一个薄弯月透镜；第一镜组G1的光阑位于G1最后一片透镜处，或者位于第一镜组G1中间。
折反式投影光刻物镜系统的第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3放大倍率关系为：
MG1×MG2×MG3＝M
其中MG1、MG2、MG3和M分别表示第一镜组G1的放大倍率、第二镜组G2的放大倍率，第三镜组G3的放大倍率和物镜系统整体的总放大率，第一镜组G1将物平面发出的远心光束经过第一镜组G1成像到第一中间像，该中间像位于第二镜组G2第一片反射镜R1之前,放大倍率MG1范围为-2～-0.8，第一镜组G1和第二镜组G2之间的距离范围为100mm～500mm；
在逆向光路中根据理想的物像关系设计优化第三镜组G3，设计结果如图3所示，第三镜组G3是强微缩透镜结构，具有正光焦度，实现高数值孔径及缩小成像，像方数值孔径为整个物镜系统的数值孔径；第三镜组G3具有正光焦度，包含不少于3片透镜，包含至少一片非球面或自由曲面透镜，包含至少一个凸透镜(本发明实施例中优选使用平凸透镜)，一个薄弯月透镜；第三镜组G3最后一片透镜为平凸透镜，平面朝向像面，镜片最大口径等于φ1，其中40mm<φ1<100mm，浸没液体折射率范围为1.4～1.65，位于系统最后一片镜片的后表面之后，厚度范围为1mm～5mm，使用浸没液体后的像方数值孔径NA范围为1～1.5，不使用浸没液体NA小于0.95，第三镜组G3缩小倍率MG3范围为-0.3～-0.025；第二中间像经第三镜组G3成像到像平面上，第二镜组G2和第三镜组G3之间的距离范围为100mm～500mm；
S2：设置第二镜组G2，包括相对设置的2片反射镜，分别为第一反射镜R1和第二反射镜R2；根据光路系统光瞳匹配的原则，光瞳匹配的原则为：第一镜组G1的出瞳即为第二镜组G2的入瞳，第二镜组G2的出瞳即为第三镜组G3的入瞳。
S3：通过矩阵光学计算第二镜组G2的初始结构，并针对第二镜组G2的初始结构进行分组复合及迭代拟合设计；本发明实施例中设计结果如图4所示。
该步骤S3可以采用如下步骤进行：
根据矩阵光学，构建第二镜组G2的传递矩阵T为：
Figure BDA0002929109140000101
构建第二镜组G2物和对应像的物像变换矩阵MO'O为：
Figure BDA0002929109140000102
构建第二镜组G2入瞳和对应出瞳的物像变换矩阵Mp'p为：
Figure BDA0002929109140000103
根据光学系统匹兹万平衡条件：2c1-2c2＝petG1+petG3
其中c1为第二镜组G2第一反射镜R1的曲率；c2为第二镜组G2第二反射镜R2的曲率；d为第一反射镜R1和第二反射镜R2的距离；A为第一指代量用于指代1+2c2d；B为第二指代量，用于指代2c2-2c1(1+2c2d)；C为第三指代量，用于指代d；D为第四指代量，用于指代1-2c1d；lo为第一中间像到第一反射镜R1的距离；lo'为第二中间像到第二反射镜R2的距离；lp为第二镜组G2入瞳到第一反射镜R1的距离；lp'为第二中间像到第二反射镜R2的距离；petG1为优化设计完成的第一镜组G1的匹兹万场曲，petG3为优化设计完成的逆向光路第三镜组G3的匹兹万场曲、
根据上述三个矩阵和一个平衡条件，结合第二镜组G2的设计要求(例如第二镜组G2的放大倍率指标要求)，可以求解出G2镜组的四个高斯常数和结构参数c1、c2、d、lo、l'o；
针对第二镜组G2的初始结构进行分组复合及迭代拟合设计，采用如下具体步骤：
S301：在正向光路中将第一镜组G1和球面镜组G2相匹配构成G1G2光学系统。
S302：在逆向光路中将第三镜组G3和球面镜组G2相匹配构成G3G2光学系统。
S303：在G3G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法拟合得到第二反射镜R2结构参数，并在G1G2光学系统和G3G2光学系统中同时更新拟合得到的第二反射镜R2的结构参数。
S304：判定现有的拟合误差σrms_all是否小于拟合误差阈值，如果是则执行S307，否则进行S305。
S305：在G1G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法拟合得到第二反射镜R1结构参数，并在G1G2光学系统和G3G2光学系统中同时更新拟合得到的第一反射镜R1的结构参数。
S306：判定现有的拟合误差σrms_all是否小于拟合误差阈值，如果是则执行S307，否则返回S303。
S307：完成针对第二镜组G2的初始结构的优化设计，并保存优化设计数据。
真实光线追迹拟合方法为：在光学系统中选取特征光线，特征光线交像面于理想像点，根据真实光线追迹、理想物像关系，折反射定律和费马原理逐点求解特征光线与待求表面的交点及其法向量作为特征数据点和该特征数据点的法向量，将特征数据点和其法向量拟合成为新的曲面；
特征光线和理想像点计算方法为：
根据折反式深紫外投影光刻物镜系统物像关系，对同一条特征光线的采样视场点在G1正向光路和G1G2光学系统的采样视场坐标HG1、HG1G2与在G3逆向光路和G3G2光学系统中采样视场点坐标HG3、HG3G2的关系为：
Figure BDA0002929109140000121
对于同一条特征光线，G3G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法求解第二镜组G2反射镜R2结构参数时，在G3G2光学系统像面中理想像点的位置是该特征光线在G1正向光路中通过真实光线追迹的实际像点的位置，同理，在G1G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法求解第二镜组G2反射镜R1结构参数时，在G1G2光学系统像面中理想像点位置是该特征光线在G3逆向光路中通过真实光线追迹的实际像点的位置；
特征数据点和其法向量的具体求解方法为：
对于每一条特征光线I1、I2、I3……In，根据真实光线追迹，追迹入射到待求表面的方向向量
Figure BDA0002929109140000122
和待求表面前一个光学元件的交点P1、P2、P3……Pn，求解每一个特征光线在待求表面的交点坐标E1、E2、E3……En，让特征光线交像面于理想像点，根据费马原理和理想光学求解在下一个光学表面的理想交点T1、T2、T3……Tn，根据折反射定律求解每一个特征光线的在待求表面坐标E1、E2、E3……En处的法向量
Figure BDA0002929109140000123
将特征数据点和其法向量拟合成为新的曲面，新的曲面为球面、二次曲面、非球面或者自由曲面，新的曲面即为待求表面的拟合曲面，新的曲面的结构参数即为拟合得到的待求表面的结构参数；n为特征光线数量，n的数量级为103以上。
拟合误差σrms的求解公式为：
Figure BDA0002929109140000124
其中为(xreal_i，yreal_i)标是第i根特征光线拟合后在像面的实际坐标；(xideal_i，yideal_i)表示第i根特征光线在像面的理想坐标；
利用拟合误差σrms的求解公式分别对G1G2光学系统和G3G2光学系统的拟合误差进行求解，其中以拟合第一反射面R1所使用的特征光线求解G1G2光学系统的拟合误差σrms_G1G2，以拟合第二反射面R2所使用的特征光线求解G3G2光学系统的拟合误差σrms_G3G2，得到G1G2光学系统的拟合误差σrms_G1G2和G3G2光学系统的拟合误差σrms_G3G2。
则总拟合误差为σrms_all＝σrms_G1G2+ωσrms_G3G2，其中ω为设定的拟合误差权重。
S4：将设计完成的第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3按照光束入射方向的顺序，整合成完整的折反式深紫外投影光刻物镜系统；
S5：对折反式深紫外投影光刻物镜系统初始结构进行优化设计，得到满足设计需求的折反式深紫外投影光刻物镜系统。
为了便于光刻机工件台步进扫描，和光刻照明系统均匀照明区域设计的实现，满足实际光刻机的大视场高分辨率生产需求，本发明的深紫外投影光刻物镜像方数值孔径为1.35，静态像方视场为26mm×5.5mm的矩形视场，可以满足大视场、高分辨力的要求。
本发明实施实例给出的光学系统结构参数正、负号的定义原则分别为：
曲率半径的正、负号定义原则为：镜片表面的曲率中心到其顶点的方向与光路方向同向时定义为负，反之为正；
间隔的正、负号定义原则为：若当前表面与参考轴的交点到后一表面与参考轴的交点的方向与光路方向同向为正，反之为负；
其中，XYZ坐标系的定义为：Z轴与参考轴平行且与光路方向同向，Y轴垂直于Z轴向上，X轴垂直Y轴与Z轴组成的平面。
本发明实例所使用的Q-bfs自由曲面，根据Q-bfs系数给定原则，给定Q-bfs面型的结构参数，Q-bfs面型公式为：
Figure BDA0002929109140000131
其中，r2＝x2+y2，u为归一化的径向坐标，z为Q-bfs自由曲面平行于z轴的矢高，c为Q-bfs自由曲面顶点曲率，k为圆锥常数，ρmax为曲面最大的通光半径，bi为Q-bfs多项式对应的系数，表2给出了投影物镜实施的Q-bfs自由曲面系数；
本发明实例所使用非曲面的面型公式为：
Figure BDA0002929109140000141
其中z为z方向矢高，c为曲面顶点处曲率，k为圆锥曲面常数，A、B、C、D、E、F、G、H、J为非球面表面各阶系数，
Figure BDA0002929109140000142
案例一：
NA1.35折反式深紫外投影光刻成像系统结构如图5所示，表1给出了各镜片的具体结构参数，表2给出了Q-bfs面型参数，表3给出了非球面面型参数，表4给出了系统性能参数；
表1案例一NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统结构参数
Figure BDA0002929109140000143
Figure BDA0002929109140000151
Figure BDA0002929109140000161
表2案例一NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统Q-bfs面型参数
Figure BDA0002929109140000162
Figure BDA0002929109140000171
Figure BDA0002929109140000181
表3案例一NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统非球面面型参数
Figure BDA0002929109140000182
Figure BDA0002929109140000191
表4案例一NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统性能参数
像方数值孔径 1.35
工作波长 193.368nm
像方视场尺寸 26mm×5.5mm
缩小比 -0.25
物方工作距 37.54mm
像方工作距 3.1mm
系统总长 1400mm
案例2：
NA1.35折反式深紫外投影光刻成像系统结构如图6所示，表5给出了各镜片的具体结构参数，表6给出了Q-con面型参数，表7给出了非球面面型参数，表8给出了系统性能参数；
表5案例二NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统结构参数
Figure BDA0002929109140000192
Figure BDA0002929109140000201
Figure BDA0002929109140000211
表6案例二NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统Q-con面型参数
Figure BDA0002929109140000212
Figure BDA0002929109140000221
Figure BDA0002929109140000231
表7案例二Q-con面型投影物镜实施的传统非球面表面参数
表面编号 35
K 0
4th -6.451E-09
6th -9.109E-14
8th 5.011E-18
10th -4.195E-23
12th 1.004E-28
14th -1.926E-33
表8案例二NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统性能参数
Figure BDA0002929109140000232
Figure BDA0002929109140000241
案例3：
NA1.35折反式深紫外投影光刻成像系统结构如图7所示，表9给出了各镜片的具体结构参数，表10给出了Q-bfs面型参数，表11给出了Q-con面型参数，表12给出了系统性能参数
表9案例三NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统结构参数
Figure BDA0002929109140000242
Figure BDA0002929109140000251
表10案例三NA1.35折反式深紫外光刻物镜系统Q-bfs面型参数
Figure BDA0002929109140000261
Figure BDA0002929109140000271
表11案例三Q-bfs自由曲面投影物镜实施的Q-con面型参数
表面编号 18
归一化半径 1.36E+02
K -6.78E-01
4th 3.16E+00
6th 1.78E-01
8th 1.18E-02
10th 8.76E-04
12th 5.44E-05
14th 1.18E-05
16th -2.72E-06
18th 3.45E-06
20th -1.18E-06
22nd 2.01E-06
表12案例三投影物镜实施的特性参数
像方数值孔径 1.35
工作波长 193.368nm
视场尺寸 26mm×5.5mm
缩小比 0.25
物方工作距 35mm
像方工作距 3.1mm
系统总长 1299.88mm
结合上述案例一、二和三所得结果，本发明的折反式深紫外光刻物镜系统及设计方法，可以快速高效的实现任意面型的折反式深紫外光刻物镜系统初始结构的设计，设计实例表明本发明可以满足深紫外光刻物镜系统超高数值孔径大视场、高分辨力的要求，且极大地降低了整个物镜系统的设计复杂度，有效的减少了成像系统优化设计的时间，提升了整个物镜系统的设计效率；
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 (5)

1.一种折反式深紫外光刻物镜系统设计方法，所述物镜系统包括第一镜组G1，第二镜组G2和第三镜组G3，其特征在于，所述物镜系统设计方法包括如下步骤：
根据设计需求设计第一镜组G1和第三镜组G3；
设置所述第二镜组G2包括相对设置的2片反射镜，分别为第一反射镜R1和第二反射镜R2；设置第一镜组G1的出瞳为第二镜组G2的入瞳，第二镜组G2的出瞳为第三镜组G3的入瞳；设置第一镜组G1的像面为第二镜组G2的物面，第二镜组G2的物面为第三镜组G3的像面；
通过矩阵光学计算第二镜组G2的初始结构，并针对第二镜组G2的初始结构进行分组复合及迭代拟合设计；所述通过矩阵光学计算第二镜组G2的球面初始结构，具体为：
根据矩阵光学，构建所述第二镜组G2的传递矩阵T为：
Figure FDA0003276983170000011
构建第二镜组G2物和对应像的物像变换矩阵MO'O为：
Figure FDA0003276983170000012
构建第二镜组G2入瞳和对应出瞳的物像变换矩阵Mp'p为：
Figure FDA0003276983170000013
根据光学系统匹兹万平衡条件：2c1-2c2＝petG1+petG3
其中c1为第二镜组G2第一反射镜R1的曲率；c2为第二镜组G2第二反射镜R2的曲率；d为第一反射镜R1和第二反射镜R2的距离；A为第一指代量用于指代1+2c2d；B为第二指代量，用于指代2c2-2c1(1+2c2d)；C为第三指代量，用于指代d；D为第四指代量，用于指代1-2c1d；lo为第一中间像到第一反射镜R1的距离；lo'为第二中间像到第二反射镜R2的距离；lp为第二镜组G2入瞳到第一反射镜R1的距离；lp'为第二中间像到第二反射镜R2的距离；petG1为优化设计完成的第一镜组G1的匹兹万场曲，petG3为优化设计完成的逆向光路第三镜组G3的匹兹万场曲；
求解出第二镜组G2的结构参数c1、c2、d、lo、l'o；
所述针对第二镜组G2的初始结构进行分组复合及迭代拟合设计，具体包括如下步骤：
S301：在正向光路中将第一镜组G1和第二镜组G2相匹配构成G1G2光学系统；
S302：在逆向光路中将第三镜组G3和第二镜组G2相匹配构成G3G2光学系统；
S303：在G3G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法拟合得到第二反射镜R2结构参数，并在G1G2光学系统和G3G2光学系统中同时更新拟合得到的第二反射镜R2的结构参数；
S304：判定现有的拟合误差σrms_all是否小于拟合误差阈值，如果是则执行S307，否则进行S305；
S305：在G1G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法拟合得到第二反射镜R1结构参数，并在G1G2光学系统和G3G2光学系统中同时更新拟合得到的第一反射镜R1的结构参数；
S306：判定现有的拟合误差σrms_all是否小于拟合误差阈值，如果是则执行S307，否则返回S303；
S307：完成针对第二镜组G2初始结构的优化设计，并保存优化设计数据；
将设计完成的第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3按照光束入射方向的顺序，整合成完整的折反射式深紫外光刻物镜系统的初始结构，并进一步对折反射式深紫外光刻物镜系统的初始结构进行优化设计，得到满足设计需求的折反射式深紫外投影光刻物镜系统。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据设计需求设计第一镜组G1和第三镜组G3，具体为：
所述第一镜组G1具有正光焦度，包含不少于3片透镜，包含至少一片非球面或自由曲面透镜，至少一个凸透镜，至少一个薄弯月透镜；第一镜组G1的光阑在G1最后一片透镜处，或者在第一镜组G1中间；
所述物镜系统的第一镜组G1、第二镜组G2和第三镜组G3放大倍率关系为：MG1×MG2×MG3＝M；其中MG1为第一镜组G1的放大倍率；MG2为第二镜组G2的放大倍率；MG3为第三镜组G3的放大倍率；M为物镜系统整体的总放大率；
所述第三镜组G3具有正光焦度，包含不少于3片透镜，包含至少一片非球面或自由曲面透镜，包含至少一个凸透镜，一个薄弯月透镜；
第一镜组G1将物平面发出的光束经过第一镜组G1成像到第一中间像，所述第一中间像位于第二镜组G2的第一反射镜R1之前，经第二反射镜R2反射形成第二中间像，所述第二中间像经第三镜组G3成像到像平面上。
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述真实光线追迹拟合方法，具体为：
设定待求表面为第一反射镜R或者第二反射镜R2；
根据物镜系统的物像关系，对同一条特征光线的采样视场点在G1正向光路和G1G2光学系统的采样视场坐标HG1、HG1G2与在G3逆向光路和G3G2光学系统中采样视场点坐标HG3、HG3G2的关系为：
Figure FDA0003276983170000041
对于同一条特征光线，G3G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法求解第二镜组G2反射镜R2结构参数时，在G3G2光学系统像面中理想像点的位置是该特征光线在G1正向光路中的通过真实光线追迹的实际像点的位置，同理在G1G2光学系统中根据真实光线追迹拟合方法求解第二反射镜R1结构参数时，在G1G2光学系统像面中理想像点位置是该特征光线在G3逆向光路中的通过真实光线追迹的实际像点的位置；
对于每一条特征光线I1、I2、I3……In，根据真实光线追迹，追迹入射到待求表面的方向向量
Figure FDA0003276983170000042
和待求表面前一个光学元件的交点P1、P2、P3……Pn，求解每一个特征光线在待求表面的交点坐标E1、E2、E3……En，即为特征数据点，让特征光线交像面于理想像点，根据费马原理和理想光学求解在下一个光学表面的理想交点T1、T2、T3……Tn，根据折反射定律求解每一个特征数据点E1、E2、E3……En处的法向量
Figure FDA0003276983170000043
将特征数据点和其法向量拟合成为新的曲面，新的曲面为球面、二次曲面、非球面或者自由曲面，新的曲面即为待求表面的拟合曲面，新的曲面的结构参数即为拟合得到的待求表面的结构参数；n为特征光线数量，n的数量级为103以上。
4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述拟合误差σrms_all的计算方法具体为：
拟合误差σrms的求解公式为：
Figure FDA0003276983170000044
其中为(xreal_i，yreal_i)标是第i根特征光线拟合后在像面的实际坐标；(xideal_i，yideal_i)表示第i根特征光线在像面的理想坐标；
利用拟合误差σrms的求解公式分别对G1G2光学系统和G3G2光学系统的拟合误差进行求解，得到G1G2光学系统的拟合误差σrms_G1G2和G3G2光学系统的拟合误差σrms_G3G2；
则总拟合误差为σrms_all＝σrms_G1G2+ωσrms_G3G2；其中ω为设定的拟合误差权重。
5.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述第一镜组G1的放大倍率MG1范围为-2～-0.8，第一镜组G1和第二镜组G2之间的距离范围为100mm～500mm；
所述第三镜组G3最后一片透镜为平凸透镜，平凸透镜的平面朝向像平面，镜片最大口径等于φ1，其中40mm<φ1<100mm，第三镜组G3缩小倍率MG3范围为-0.3～-0.025；第二镜组G2和第三镜组G3之间的距离范围为100mm～500mm。
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