CN114217512B - 极紫外光刻投影曝光光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种极紫外光刻投影曝光光学系统，包含照明模块和成像模块两部分，其中成像模块的设计使用了基于真实光线追迹的分组移动双向构造法，分组设计可以将复杂的系统分解为多个简单的子系统分别进行设计，即将整体系统众多未知参数分解到每一组中进行求解，由于分组后子系统较原系统待求参数数量大大减小，因此可以根据每一组的结构特点，使用现有经典光学基础定律进行求解，大大的减小了系统求解的计算量，该方法可以快速有效的实现NA0.33成像模块的设计，满足极紫外光刻物镜系统高数值孔径、大视场、高分辨力的设计需求。

Description

极紫外光刻投影曝光光学系统
技术领域
本发明属于光学设计技术领域，尤其涉及一种极紫外光刻投影曝光光学系统。
背景技术
光刻技术是将集成电路的结构图形从掩模转移到硅片或其他半导体基片表面上的工艺过程，是超大规模集成电路制造中的关键技术。
根据光刻系统的理论分辨率公式R＝k1·λ/NA(其中λ为曝光波长，k1为光刻的工艺因子，NA为投影物镜的像方数值孔径)，提高光刻系统的分辨率有三种途径：一是缩短曝光波长λ，二是降低工艺因子k1，三是提高投影物镜的像方数值孔径NA。目前极紫外光刻机采用波长为13.5nm的曝光光源进行曝光，由于曝光波长大幅缩短，使得极紫外光刻不需要很大的数值孔径就能实现高分辨。在极紫外波段，几乎所有的光学材料都具有极强的吸收性，所以极紫外光刻光学系统必须采用镀有多层膜的反射镜和反射式掩模，同时光学系统应采用尽可能少的反射镜从而保证系统具有较高的透过率(正入射时Mo/Si多层膜的反射率仅为65％～70％)。80年代中期至90年代，在极紫外光刻的可行性验证阶段，日本电报电话公司(NTT)和美国虚拟实验室(由劳伦斯-利弗莫尔、劳伦斯-伯克利和桑迪亚国家实验室组成，简称VNL)分别采用两反Schwarzschild物镜系统用于原理验证，实现了100nm特征尺寸的曝光。2000年，VNL研制了第一台大视场扫描曝光的极紫外光刻样机ETS(EngineeringTest Stand)，其采用微缩比为4倍的四反物镜系统。2006年，ASML的极紫外光刻样机ADT研制成功，成为世界上第一台可实现32nm分辨率、26mm×33mm全视场扫描曝光的极紫外光刻设备。目前最先进的产业化光刻设备为ASML公司生产的TWINSCAN NXE:3600D，该光刻机采用像方数值孔径0.33、倍缩比4倍的六反物镜系统，单次曝光可以实现13nm技术节点的分辨率，结合分辨率增强技术和多图形多曝光等技术可以满足7nm-3nm技术节点的生产需求。随着光刻技术节点的下移，光刻系统要求成像系统具有越来越高的成像质量，然而现有极紫外光刻物镜系统设计方案，多采用从球面结构进行设计，极其容易陷入局部最优解难以获得满足需求的高性能系统的设计方案。并且现有的设计照明和成像系统是分开独立设计的，没有考虑到彼此之间的相互影响，无法保证设计完成的系统彼此之间可以有效的进行连接工作。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种极紫外光刻投影曝光光学系统，能够满足极紫外光刻物镜系统高数值孔径、大视场、高分辨力的设计需求。
一种极紫外光刻投影曝光光学系统，包括反射式照明模块和反射式成像模块；
所述反射式照明模块用于在掩模面形成均匀照明光斑并在反射式成像模块入瞳处形成反射式成像模块所需形式的照明光源；
所述反射式成像模块位于掩模和硅片之间，用于将掩模处被照明区域的图案成像到硅片面处；所述反射式成像模块使用基于真实光线追迹的分组移动双向构造法来构建，其中，反射式成像模块包括偶数片反射镜，且至少包含一片用于保证反射式成像模块的出瞳面为圆形的非球面反射镜，一片用于校正反射式成像模块的场曲的负光焦度反射镜。
进一步地，使用基于真实光线追迹的分组移动双向构造法构建反射式成像模块具体包括以下步骤：
S1：基于能量传递效率和镜片数量之间的映射关系，将能量传递效率不大于设定阈值作为约束条件，得到反射式成像模块的反射镜数量M；
S2：按顺序将反射式成像模块每两片反射镜分作一组子系统，并将子系统分别标记为G1～GM/2；
S3：使用折反射定律求解每一组子系统的球面初始结构，同时，将各个子系统按照正向光路顺序连接构成正向光路球面初始结构GF；
S4：基于真实光线追迹法重新求解子系统G1，并采用重新求解得到的子系统G1更新正向光路球面初始结构GF；
S5：判断更新后的正向光路球面初始结构GF对应的点列图的均方根是否小于设定阈值，如果是，则进入步骤S7，否则进入步骤S6；
S6：基于真实光线追迹法重新求解下一个子系统，并采用重新求解得到的下一个子系统更新当前的正向光路球面初始结构GF，然后返回步骤S5；其中，如果上一个已求解的子系统是最后一个子系统GM/2，则重新求解的下一个子系统为G1；
S7：将当前的正向光路球面初始结构GF作为反射式成像模块。
进一步地，所述反射式成像模块最靠近掩模和硅片的反射镜实际使用区域的横纵比不超过1.4，位于中间部位的反射镜实际使用区域的横纵比不超过2。
进一步地，所述反射式成像模块中相邻反射镜之间的间距至少为40mm，物距大于800mm，所有反射镜实际使用区域的外接圆直径不超过400mm。
进一步地，所述反射式照明模块的出瞳与反射式成像模块的入瞳相匹配，反射式照明模块在掩模面的照明区域与反射式成像模块的物方视场大小相匹配，物方视场在扫描方向宽度为2mm，所述物方视场为弧形，且弧心角小于60°。
进一步地，所述反射式成像模块由沿光路依次设置的六片Q-bfs非球面反射镜构成，位于光路中部的Q-bfs非球面反射镜为负光焦度反射镜。
进一步地，所述反射式照明模块包含光源、视场复眼、光阑复眼以及中继镜组，光源发出的光依次经过视场复眼、光阑复眼以及中继镜组在掩模面形成均匀照明光斑并在反射式成像模块入瞳处形成反射式成像模块所需形式的照明光源。
进一步地，所述视场复眼包含多个视场复眼元，且各视场复眼元与掩模面待照明区域共轭；所述光阑复眼在与反射式成像模块入瞳共轭的平面处，且所需形式的照明光源的获取方法为：
根据照明光源的所需形式确定光阑复眼上参与照明的光阑复眼元的位置和数量；
调整参与照明的各光阑复眼元的倾角以及视场复眼上各视场复眼元的倾斜角度，直至得到所需形式的照明光源。
进一步地，所述中继镜组由两片以上的反射镜构成，且各反射镜实际使用区域的横纵比大于1.2小于2.2，实际使用区域外接圆直径不超过800mm。
进一步地，所述反射式照明模块的获取方法为：
根据反射式成像模块的性能参数和已经确定的反射式照明模块约束条件，使用照明系统逆向设计方法，获取与反射式成像模块相匹配的反射式照明模块的结构。
有益效果：
1、本发明提供一种极紫外光刻投影曝光光学系统，包含照明模块和成像模块两部分，其中成像模块的设计使用了基于真实光线追迹的分组移动双向构造法，分组设计可以将复杂的系统分解为多个简单的子系统分别进行设计，即将整体系统众多未知参数分解到每一组中进行求解，由于分组后子系统较原系统待求参数数量大大减小，因此可以根据每一组的结构特点，使用现有经典光学基础定律进行求解，大大的减小了系统求解的计算量，该方法可以快速有效的实现NA0.33成像模块的设计，满足极紫外光刻物镜系统高数值孔径、大视场、高分辨力的设计需求。
2、本发明提供一种极紫外光刻投影曝光光学系统，设计过程中充分考虑了照明模块和成像模块彼此之间的相互影响，同时也考虑了光刻工艺对光学系统性能需求，设计完成的曝光光学系统可满足实际设计需求。
3、本发明提供一种极紫外光刻投影曝光光学系统，照明模块在掩模照明区域的照明均匀性大于99％，系统波像差小于0.2nm，畸变小于0.5nm，可以满足7-3nm技术节点的曝光需求，光学性能极好。
附图说明
图1为本发明提供的光刻曝光光学系统图；
图2为本发明提供的光刻照明系统结构图；
图3为本发明提供的光刻成像系统结构图；
图4为本发明提供的光刻物镜系统优化设计完成后畸变图；
图5为本发明提供的光刻物镜系统优化设计完成后波像差图；
图6为本发明提供的光刻物镜系统优化设计完成后远心度图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，极紫外光刻投影曝光光学系统包含反射式照明模块和反射式成像模块两部分。光源出射光经反射式照明模块在掩模被照明区域形成高均匀性的照明光斑，掩模被照明区域的图样再由投影光刻反射式成像模块成像到硅片上。
具体的，所述反射式照明模块沿光路依次包含光源、视场复眼、光阑复眼和多片反射镜组成的中继镜组，光源发出的光依次经过视场复眼、光阑复眼和中继镜组在掩模面形成高均匀照明光斑并在成像模块入瞳处形成成像模块所需形式的照明光源；所述视场复眼包含多个视场复眼元，且单个视场复眼元与掩模面待照明区域共轭，多个视场复眼元在掩模面待照明区域的光照度叠加，可以为掩模面提供积分均匀性大于99％的照明；所述光阑复眼在与反射式成像模块入瞳共轭的平面处，包含多片光阑复眼元，可以在反射式成像模块入瞳平面处将光源成像为任意形式的照明光源分布，具体如下：
(1)根据照明光源分布确定参与照明的光阑复眼元位置和数量；
(2)调整参与照明的光阑复眼元的倾角以及视场复眼元的倾斜角度。
此外，反射式照明模块的中继镜组反射镜实际使用区域的横纵比(X/Y)大于1.2小于2.2，中继镜组中的反射镜实际使用区域外接圆直径不超过800mm，反射式照明模块总长为2000mm～4000mm。
进一步地，所述反射式成像模块位于掩模和硅片间，包含多片反射镜M1～M6，用于将掩模处的图案成像到硅片面处，掩模面设置为成像模块的物平面，硅片面设置为成像模块的像平面，为了使成像模块所成的像不是镜像，成像模块由偶数片反射镜构成，且至少包含1片用于保证反射式成像模块的出瞳面为圆形的非球面反射镜，1片用于校正反射式成像模块的场曲的负光焦度反射镜，反射式成像模块整体的放大倍率为0.25。
进一步地，所述反射式成像系统最靠近掩模和硅片的反射镜实际使用区域的横纵比(X/Y)不超过1.4，位于中间部位的反射镜实际使用区域的横纵比(X/Y)不超过2，反射式成像模块所有反射镜实际使用区域外接圆直径不超过400mm，相邻反射镜间距至少为40mm，物距大于800mm，反射式成像模块总长即从掩模面到硅片面的距离为1300mm～1600mm。
需要说明的是，反射式照明模块的出瞳与反射式成像模块的入瞳相匹配，反射式照明模块在掩模面的照明区域与反射式成像模块的物方视场大小相匹配，物方视场在扫描方向宽度为2mm，物方视场为弧形，物方视场弧心角小于60°。
进一步地，本发明所提供的投影曝光光学系统的具体设计方案如下：
步骤一：根据曝光性能和加工装调等设计需求，确定反射式成像模块和反射式照明模块的设计性能；
步骤二：根据反射式成像模块约束条件，使用基于真实光线追迹的分组移动双向构造法进行反射式成像模块的优化设计；
步骤三：根据已经完成的反射式成像模块的性能参数和已经确定的反射式照明模块的约束条件，使用照明模块逆向设计方法，完成与反射式成像模块相匹配的反射式照明模块的设计；
步骤四：在当前设计好的反射式照明模块和反射式成像模块组成的投影曝光光学系统下，对多种掩模图形进行仿真计算，判定投影曝光光学系统的设计结果是否满足光刻曝光设计需求，如满足，则按照光路顺序整合照明模块和成像模块形成完整的极紫外光刻曝光光学系统，否则返回步骤二，重新进行成像模块的设计。
进一步地，使用基于真实光线追迹的分组移动双向构造法构建反射式成像模块具体包括以下步骤：
S1：基于能量传递效率和镜片数量之间的映射关系，将能量传递效率不大于设定阈值，通常为8％作为约束条件，得到反射式成像模块的反射镜数量M。
S2：按顺序将反射式成像模块每两片反射镜分作一组子系统，并将子系统分别标记为G1～GM/2。
S3：使用折反射定律求解每一组子系统的球面初始结构，同时，将各个子系统按照正向光路顺序连接构成正向光路球面初始结构GF，并按照逆向光路的顺序连接构成逆向光路球面初始结构GR。
S4：基于真实光线追迹法重新求解子系统G1，并采用重新求解得到的子系统G1更新正向光路球面初始结构GF和逆向光路球面初始结构GR。
S5：判断更新后的正向光路球面初始结构GF对应的点列图的均方根是否小于设定阈值，如果是，则进入步骤S7，否则进入步骤S6。
S6：基于真实光线追迹法重新求解下一个子系统，并采用重新求解得到的下一个子系统更新当前的正向光路球面初始结构GF和当前的逆向光路球面初始结构GR，然后返回步骤S5；其中，如果上一个已求解的子系统是最后一个子系统GM/2，则重新求解的下一个子系统为G1。
S7：保存当前的正向光路球面初始结构GF并将当前的正向光路球面初始结构GF作为反射式成像模块。
下面以给出极紫外光刻投影曝光光学系统的各光学元件面型参数为例，对极紫外光刻投影曝光光学系统进行进一步说明。
本发明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轴与所述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。
本发明的反射式成像模块使用Q-bfs非球面反射镜，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 BDA0003460022280000091
其中，r2＝x2+y2；u为归一化的径向坐标；z为Q-bfs非球面平行于z轴的矢高；c为Q-bfs非球面顶点曲率；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。
NA0.33光刻曝光光学系统如图1所示，其照明模块部分的设计结果如图2所示。照明模块每一个元件具体的位置坐标及倾斜角如表1所示，每一个元件的面型参数数据如表2所示。
表1 NA0.33照明模块中各光学元件的位置及倾角
Figure BDA0003460022280000092
Figure BDA0003460022280000101
表2 NA0.33照明模块中各光学元件面型参数
Figure BDA0003460022280000102
NA0.33光刻曝光光学系统中成像系统的设计结果如图3所示。成像系统的结构参数如表3所示，表4给出了成像系统中每一个反射面的面型参数。
表3 NA0.33成像模块结构参数
表面名称 面型 半径/mm 距离/mm 折反射形式
掩膜面 0 688.99
M1 Q-bfs -6375.09 -541.85 反射
M2 Q-bfs 1142.11 740.74 反射
M3 Q-bfs 291.75 -161.56 反射
M4 Q-bfs 416.08 706.73 反射
M5 Q-bfs 373.55 -292.87 反射
M6 Q-bfs 374.14 337.02 反射
硅片面 0 0
表4 NA0.33成像模块Q-bfs面型系数
Figure BDA0003460022280000103
Figure BDA0003460022280000111
NA0.33成像模块像方静态工作视场为26mm×2mm的弧形工作视场，图4为NA0.33成像模块畸变图，可以看出该成像模块全视场主光线畸变小于0.10nm；图5为NA0.33成像模块波像差图，可以看出该成像模块全视场波像差小于0.20nm；图6为NA0.33成像模块像方远心度图，可以看出该成像模块全视场像方远心度小于3mrad。
综上所述，本发明所公布的极紫外光刻曝光光学系统包含照明模块和成像模块两部分。其中成像模块的设计使用了基于真实光线追迹的分组移动双向构造法，可以快速有效的实现NA0.33成像模块的设计，满足极紫外光刻物镜系统高数值孔径、大视场、高分辨力的设计需求。照明模块采用逆向设计方法，同时考虑了和成像模块的匹配约束，该照明模块在掩模面被照明区域的照明均匀性大于99％，设计实例表明本发明的极紫外光刻曝光系统性能可以满足7-3nm技术节点的设计需求。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，包括反射式照明模块和反射式成像模块；
所述反射式照明模块用于在掩模面形成均匀照明光斑并在反射式成像模块入瞳处形成反射式成像模块所需形式的照明光源；
所述反射式成像模块位于掩模和硅片之间，用于将掩模处被照明区域的图案成像到硅片面处；所述反射式成像模块使用基于真实光线追迹的分组移动双向构造法来构建，其中，反射式成像模块包括偶数片反射镜，且至少包含一片用于保证反射式成像模块的出瞳面为圆形的非球面反射镜，一片用于校正反射式成像模块的场曲的负光焦度反射镜；
其中，使用基于真实光线追迹的分组移动双向构造法构建反射式成像模块具体包括以下步骤：
S1：基于能量传递效率和镜片数量之间的映射关系，将能量传递效率不大于设定阈值作为约束条件，得到反射式成像模块的反射镜数量M；
S2：按顺序将反射式成像模块每两片反射镜分作一组子系统，并将子系统分别标记为G1～GM/2；
S3：使用折反射定律求解每一组子系统的球面初始结构，同时，将各个子系统按照正向光路顺序连接构成正向光路球面初始结构GF；
S4：基于真实光线追迹法重新求解子系统G1，并采用重新求解得到的子系统G1更新正向光路球面初始结构GF；
S5：判断更新后的正向光路球面初始结构GF对应的点列图的均方根是否小于设定阈值，如果是，则进入步骤S7，否则进入步骤S6；
S6：基于真实光线追迹法重新求解下一个子系统，并采用重新求解得到的下一个子系统更新当前的正向光路球面初始结构GF，然后返回步骤S5；其中，如果上一个已求解的子系统是最后一个子系统GM/2，则重新求解的下一个子系统为G1；
S7：将当前的正向光路球面初始结构GF作为反射式成像模块。
2.如权利要求1所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述反射式成像模块最靠近掩模和硅片的反射镜实际使用区域的横纵比不超过1.4，位于中间部位的反射镜实际使用区域的横纵比不超过2。
3.如权利要求1所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述反射式成像模块中相邻反射镜之间的间距至少为40mm，物距大于800mm，所有反射镜实际使用区域的外接圆直径不超过400mm。
4.如权利要求1所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述反射式照明模块的出瞳与反射式成像模块的入瞳相匹配，反射式照明模块在掩模面的照明区域与反射式成像模块的物方视场大小相匹配，物方视场在扫描方向宽度为2mm，所述物方视场为弧形，且弧心角小于60°。
5.如权利要求1所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述反射式成像模块由沿光路依次设置的六片Q-bfs非球面反射镜构成，位于光路中部的Q-bfs非球面反射镜为负光焦度反射镜。
6.如权利要求1所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述反射式照明模块包含光源、视场复眼、光阑复眼以及中继镜组，光源发出的光依次经过视场复眼、光阑复眼以及中继镜组在掩模面形成均匀照明光斑并在反射式成像模块入瞳处形成反射式成像模块所需形式的照明光源。
7.如权利要求6所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述视场复眼包含多个视场复眼元，且各视场复眼元与掩模面待照明区域共轭；所述光阑复眼在与反射式成像模块入瞳共轭的平面处，且所需形式的照明光源的获取方法为：
根据照明光源的所需形式确定光阑复眼上参与照明的光阑复眼元的位置和数量；
调整参与照明的各光阑复眼元的倾角以及视场复眼上各视场复眼元的倾斜角度，直至得到所需形式的照明光源。
8.如权利要求6所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述中继镜组由两片以上的反射镜构成，且各反射镜实际使用区域的横纵比大于1.2小于2.2，实际使用区域外接圆直径不超过800mm。
9.如权利要求1所述的一种极紫外光刻投影曝光光学系统，其特征在于，所述反射式照明模块的获取方法为：
根据反射式成像模块的性能参数和已经确定的反射式照明模块约束条件，使用照明系统逆向设计方法，获取与反射式成像模块相匹配的反射式照明模块的结构。
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