（光学专业论文）euvl微缩投影光学系统精密装调技术研究.pdf

图表索引 表1 1 集成电路发展及趋势1 图1 1 用于验证o i p m 分辨率的e u v l 成像系统2 图1 ：2 日本a s e t 设计的e u v l 成像系统3 图1 _ 3 美国e u v l 四镜成像系统的装调4 图1 4 a s e t 设计的三镜投影光刻系统的装调5 图1 5 s c h w a r z s c h i l d 结构的e u v l 光学系统6 图2 1 共心系统的s c h w a r z s c h i l d 投影物镜9 表2 1 e u v l 微缩投影物镜初始结构参数1 0 图2 2 偏心孔径光阑离轴照明s c h w a r z s c h i l d 微缩投影物镜1 0 表2 2 e u v l 微缩投影物镜结构参数i i 图2 3 系统的传函1 1 图2 4 传递函数随焦前焦后变化情况1 2 表2 4 e u v l 微缩投影物镜结构参数调整公差( 单位：m m ) j - 1 2 表3 1 z e r n i k e 多项式1 5 图3 1 e u v l 微缩投影光学系统装调流程图1 9 表3 2 预选补偿器。譬2 0 图3 2 计算敏感矩阵流程图2 2 表3 3 敏感矩阵表2 3 图3 _ 3 敏感矩阵的奇异值2 3 图3 4 像差奇异值向量及相应结构参数奇异值向量一2 3 图3 5 残差和校正量大小随迭代次数的变化2 6 图4 1 干涉仪绝对测量波像差2 9 表4 1 检测主镜m i 得到的各个波像差3 1 图4 2 用z y g o 干涉仪对m 1 检测得w 1 的波面图3 2 图4 3 w 2 和孵的波面图3 2 图4 4 w 3 和孵的波面图3 3 图4 5 绝对检测m 1 得到的w s 波面图3 3 图4 6 绝对检测m 2 得到的波面图3 4 表4 2 检测主镜m 1 得到结果3 4 表4 3 主镜m 2 检测结果3 6 表5 1 e u v l 微缩投影物镜结构参数3 8 图5 1 弓 八元件面形误羞扁的m 3 9 表5 2 敏感矩阵表4 0 强5 。2 s c h w a r z s c h i l d 镦缭投影秘镜透麓滚瑟豹装键结梅竣墨示意黼4 1 表5 3 糨装调下的像差( 九一o 6 3 2 8 1 a m ) 4 2 图5 3 糨装调下系统的波颟误差4 2 图5 4 缀一次迭代后的波面圈4 3 圈5 5 熬穗s c h w a r z s e h i l d 皴壤投影光学系统装调瓣绩采毒4 圈5 6 鬻辘s e h w a r z s c h i l d 徽缩授影光学系绣豹逡取结莱4 4 图5 7 s c h w a r z s c h i l d 微缩投影光学系统物面的设置4 5 图5 8 s c h w a r z s c h i l d 微缩投影光学系统像面的设鼹4 5 摘要 在电子信息产业发展过程中，集成电路技术对现代化工业的发展和人们的生 活起了极其重要的作用，而光刻技术是集成电路生产技术的核心和关键，倍受世 界各国的关注。极紫外投影光刻( e x t r e m eu l t r a v i o l e tl i t h o g r a p h y 简称e u v l ) 最有可能成为下一世纪生产线宽小于0 1um 集成电路的技术，近年来在激光等 离子体光源、极紫外多层膜、光学加工和检测、光学精密装调、低缺陷掩模、光 刻胶技术以及高稳定工作台系统控制等关键技术方面得到了飞速发展。作为 e u v l 关键技术之一，微缩投影光学系统的精密装调直接影响着系统的最终成像 质量。 针对e u v l 投影光学系统对成像质量的高精度要求和精密装调对于系统成像 的重要性，本文在共轴照明s c h w a r z s c h i l d 结构的e u v l 成像系统基础上，进一 步设计了离轴照明s c h w a r z s c h i l d 结构的e u v l 微缩投影光学系统，并模拟了光 学系统的成像质量。对计算机辅助计算的精密装调技术进行了详细的理论分析， 建立了数学模型，阐明了像差与各个结构参数的相关性，分析影响各种像差的主 要因素，制定了装调方案。对s c h w a r z s c h i l d 结构的e u v l 微缩投影光学系统进 行了模拟装调，验证了装调方案的可行性。 利用b r u n i n g 绝对测量方法对e u v l 微缩投影光学系统的两个球面进行了高 精度检测，检测的精度比用z y g o 干涉仪直接检测有明显的提高。最终对e u v l 系统中的s c h w a r z s c h i l d 微缩投影光学系统进行装调，验证了系统装调的收敛 性，装调后系统的最终波像差为0 0 1 4 4 r m s 执= 6 3 2 8 n m ) 。 关键词：极紫外投影光刻；微缩投影物镜；干涉检测；光学精密装调技术 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n d u s t r y , i n t e g r a t e dc k c u i t 0 c ) t e c h n o l o g y p l a y s a n i m p o r t a n tm l ei n t h em o d e mi n d u s t r y a st h et e c h n o l o g yo fo p t i c a l l i t h o g r a p h ya c t i n ga st h ek e r n e lo fi cf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , i ti sa t t r a c t e db ya l lt h e c o u n t r i e so ft h ew o r l d e x t r e m eu l t r a v i o l e tl i t h o g r a p h yi sb e i n gd e v e l o p e da so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tc a n d i d a t e st of a b r i c a t eas u b - 0 1g m - p a t t e m i nr e c e n ty e a r s ， s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ys u c ha sl a s e rp r o d u c i n gp l a s m a s o h r c e ，e x t r e m e u l t r a v i o l e t m u l t i l a y e r , o p t i c a l f a b r i c a t i o na n d m e t r o l o g y , p r o j e c t i o n c a m a r aa l i g n m e n t ，l o w - d e f e c tm a s ka n d c o n t r o lt e c h n o l o g yo fs t a g e b e i n g o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fe u v l ，t h ea l i g n m e n to fo p t i c a ll i t h o g r a p h ys y s t e m a f f e c t sd i r e c t l yt h ef i n a li m a g i n gq u a l i t yo f t h es y s t e m t h es c h w a r z s c h i l do b j e c t i v ew i t he c c e n t r i ca p e r t u r ea n do f f - a x i si l l u m i n a t i o ni s d e s i g n e do nt h eb a s i co fc o m m o n - a x i si l l u m i n a t e ds t r u c t u r e ad e t a i l e dt h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft h ea l i g n m e n ti st a k e n t h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h e r e l a t i o nb e t w e e na b e r r a t i o na n dc o n s t r u c t i o ni sd e s c r i b e d t h e nt h ea l i g m n e n ts c h e m e i sd r a w n t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ew a v e f r o n te r r o r ( w f e ) a r ea n a l y s e d t o v a l i d a t et h i sa n a l y s i sa n dt oo b t a i nam o r ea c c u r a t ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h es y s t e m s i m u l a t e da l i g n m e n t so f t h es c h w a r z s c h i l do b j e c t i v ea r ep e r f o r m e d u s i n gb r u u i n gm e t h o d ，t h et w os p h e r i c a lm i r r o r so ft h es c h w a r z s c h i l do b j e c t i v e a r cm e a s u r e da n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi si m p r o v e do b v i o u s l y f i n a l l y t h es c h w a r z s c h i l do b j e c t i v eo fe u v li sa s s e m b l e da n da l i g n e do nt h e c o m m o n a x i si l l u m i n a t e ds t r u c t u r ew i n lt h ew f eo fo 0 2 0 2 x q = 6 3 2 8 u r n ) r m s u s i n ga l l o f f - a x i sc i r c u l a rs u b a p e r t u r eo ft h ef u l la n n u l a rp u p i l t h e1 f eo ft h e s c h w a r z s c h i l do b j e c t i v ei so 0 1 4 4 l ( 7 l = 6 3 2 8 n m ) r m s k e y w o r d s ：e u v l ，p r o j e c t i o no p t i c s ，i n t e r f e r o m e t r i cm e a s u r e m e n t ，o p t i c a l p r e c i s ea l i g n m e n t 中藿辩学院长赛您学籍密机械簪 究所骥士学位论文 第一章绪论 1 1 引畜。 搀s i a ( s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 统诗表臻，近三年来， 集成电路( 1 e ) 中的磊体管数邂 莺着m o o r e 定律增长捂数，平均每隔1 8 个胄增 加一倍。袭1 1 表明了每隔三婶集成电路的集成度和单位面积晶体管数目翻两 番，特征尺寸缩小了0 7 倍1 1 1 。 表l 。1 嶷戏电路发展及趋势 y e a r1 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 潞2 0 0 7 2 0 1 0 f e a t u r es i z e o a m )o 3 5o 2 5o 1 8o 1 3o 1o 0 7 d r a m ( b i o 6 4 m 2 5 6 ml g4 g 1 6 g6 4 g j t p r o c e s s o r ( t r a n s i s t o r s c m 2 )4 m 7 m1 3 m2 5 m5 0 m 9 0 m 光学投影光刻就是把制作集成电路的掩模图形笈制于半导体晶片上舟勺一种 技零，典羹黝缎影毙劐办法是撼掩貘上鳇强形遥避一个穗塞秘戒缘系绞藏爨手 涂有光刻胶驹醚冀上，随着投影光瓣技术的握离，爨成电路的特征尺寸越来越 小，最小的特征尺寸大约每两肇减小3 0 。这就要砑乏集成电路设备生产厂家制 造出性能熨溅、费用更低的半鼯体生产设备。 当前，用于生产高容量豢艘电路的光刻设备产生的特征尺寸线煮达到 0 。t 3 1 a m ，瓢毽掰静工 睾波长菇2 4 8 n m 或1 9 3 r t m 豹溪紫赡光源。虽然采麓罐疆爨 孵、相移掩横以及临赛效应校艇簿技术可以将i c 制造线宽延伸至o 1 p r a ，但是 这将以极大提高成本为代价，而鼠用目前的光刻技洙，很难制作出比o ，1 “m 更 小的线宽。因此，有必要研究新的光刻技术来适应半导体工业制造技术发展的 要求。 掇紫岁 砉烫影先劐( e x t r e m eu l t r a v i o l e tl i t h o g r a p h y 篱穆e u v l ) 逮立在 传统光学光剿的基础上，是传统光刻技术向e u v 更短波长的合理延伸，菇使用 的工作波长为1 3 n m ，适用于7 0 3 0 n m 特征尺寸的嬲火规模集成电路的工业化 生产。因此e u v l 最有可能成为下一代生产线宽小予0 1 岬集成电路的技术，倍 受整赛各嚣，笼其是美重帮日零两个集戒电路生产大潮熬密留关注，_ l 莲攀来缮 至l 了飞速发菇。e u v l 已经或梵下一代投影是翔( n e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y 简称n g l ) 燕坶技术之一1 2 翔。 e u v l 微缩投影光学系统是e u v 光刻机的关键部分，其精密装调的水平直接 影响着系统的最终成像质量和光剡设备的制作线宽。 第一牵绪论 1 + 1 1 e u v l 徽编授影光学系统的研究现状 羹l a w r e n c el i v e r m o r en 逸t i o n a ll a b o r a t o r y ( l l n l ) 、s a n d i an a t i o n a l l a b o r a t o r y ( s n l ) 、l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y ( l b n i 。 共霹缀 残耱盛数晷塞实验室( v i r t u a ln a t i o n a ll a b o r a t o r y 麓拣v n l ) 臻潮了一套鼹 镜的扫描环形视场e u v 光刻繇统( 4 1 ( 阁1 1 ) 。该系统幽四个魇射镜组成，其中 避、甏2 、彗4 为 雾滚瑟，港为琢覆，镜嚣游嚣影精度达0 ；2 2 r i m 。每个镜蠢翅镀 制有中心波长为1 3 4 n m 的m o s i 多层反射膜。系统的数值孔径n a = o 。i ，微缩 宪：l ，豫方扫稳程场是2 6 粼l 。s 黼麓环澎褫弱，聚统酌减豫分瓣率优予 o o n m ，设计残麓小予0 ，2 5 n m 均方掇扛。o ) e 8 ns q u a r e 簿栋剐邋。 露本a s e t ( a s s o c i a t i o no fs u p e r - a d v a n c e de l e c t r o n i c st e c h n o t o g i e s ) 图1 1 用于验证o 1 9 m 分辨攀的e u v l 成像系统 没谤懿镦臻毅彩党蘩系统崮三个镀裁哺反射多层鼹静菲球藤反射镜缝藏磐，辞 ( 豳1 ，2 ) ，镜覆的面形精度达到0 。2 7 n m ( r m s ) 。出瞳数瞧孑l 径n a = 0 。1 ，微绞 比5 ：l ，扫描视场是3 0 m m 1 脚环形税炀。 魏羚，n i k o n 公司谗漫嚣了套黻= e 。2 5 懿六羲系统雕，溪震瓣各个臻露 镜的筒形精度达0 2 3 n n l ( r m s ) 。 皇重型堂堡熬巍盎堂焦垄塾塑婴塞壁壁杰鲎堡鲨塞 m a 娥 削l 图1 2 西本a s e t 设 的e u v l 藏像系统 1 1 2e u ，l 微缩投影光举系统发展的要求 由于e u v l 微缩投影光学系统使用波长为1 3 n m ，为了使系统达到避衍射极 限分辨率，则其综舍波缳差翼遮劐小予i n m ( r m s ) ，必然要求邀学设诗、毙学 元件加工王鏊戳及光学系统的装灞技术褥蜀耱痤懿发藏。 从光学设计方面来说，在计算机出现以前，光举设计主要依靠设计人员的 经验，用手工运算大量的数据，所以设计一个光学祭统需要相当长的时间。电 子计算机出现以后，很快被用采辅助人工进行光学设计，于是出现了光学c a d 鼓零。尽骜黧辩上警瑗了不少瓣大墅光学c a d 较传，嚣显诲多已亵燕纯。英孛 其有代表憔肖o r a ( o p t i c a lr e s e a r c ha s s o c i a t e s ) 公司推出静c o d ev 嘲兜学 设计软件和f o c u ss o f t w a r e 公闭推出的z e m a x l 9 j 光学设计软件。此外还肖a c c o s v 【l 。l ，o p a l l 等软件。我国许多研究工作者也自杼歼发了不少的光学设计软件。 这些软件冉勺绘光学设计提供了捆当的支持，为设计e u v l 党学系统的设计提供了 一定戆擐簿。 在光学加誓方面，z e i s s 公谣为e u v le t s ( e n g i n e e r i n gt e s ts t a n d ) s e t 2 加工的非球简光学元件面形精度达到0 2 2 n l l lr m s 慎【1 2 , 1 3 。n i k o n 公司谯欧洲制 造的非球面黼形精度可达到0 2 3 n m 跚s 值【1 4 1 。荧国t i n s l e y 公司用c c o s ( c o m p u t e r c o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ) 帮搬搬技术进行j # 球霞光学表葱 蕊王，麓嚣冀全塞鼓本，瑟c g h ( c o m p u t e r g e n e r a t e dh o l o g r a m ) 产生嚣球嚣标 准板，最终谳性精度达0 2 8 n mr m s 值u s , 1 6 。在我国，长春光学精密机械岛物理 研究所设计弗制造出了国内首臼榘铣磨成形、精纲麟、浮法抛光及在线检测于 第一章绪论 一落魏热王凝藤f s g - 1 1 捐，并曼建立了蠹己愆光学趣王中，玉，兔我餐懿竞学热 工提供了坚实的基础。 在e u v 。光学系统的设计和以及光学元件的加工能够满足要求的前提下， e u v l 系统的精密装调技术在光学系统发展中就具有特别重要的意义，它决定性 地影响了e u v l 光学系统的最终戚像质量。 2 国外热鬻e u v l 光学系统装渊的概况 1 2 1 夔阉四镜投影光学系统的装调 首先，由奖国的l l n l 用光学设计软件把被测的光学元件的面形误差用于补 偿设诗中熬波德差帮透过魏场兹璃交，侵之最小。然蜃用垒轹溺量纹逡行翅始 装调，霉用光纾点衍射干涉仪( p o i n td i f f r a c t i o ni n t e r f e r o m e t e r ) 进行检 图1 3 美国e u v l 四镜成像系统的激调 测，如图1 3 所示【j ”。从硅片位谶由光纤产生的点衍射测试光束经成像系统成 像于掩模的相应位置后再反射，与从掩模位置产生的光纤点衍射光在c c d 上发 生于涉。然惹转羟位霍，在环形毫凳臻上壤多令褫场点，经反复装调，系缀缀终 的波像差达到1 。2 4 n m 。后来l b n l 的研究人员更进步地利用工作波长的干涉 仪，即e u v 干涉仪来检测，检测得到的波像差r m s 值达到1 2 n m 1 9 1 。 4 圭星型堂堡篓懋盛鐾整篓塾夔墅錾重型杰裳壁笙塞 1 。2 2 糙本三镜授彰瘫擎聚统的装i 霹t 2 0 , 2 1 1 日本嫩路工业大学、n i k o n 公司以及a s e t 对三镜投影光刻系统逃行装调， 装调过程采用了可见光的f i z e a u 型干涉仪进行检测( 如图1 4 ) 。在检测中采 用一个标准葳射铙产生自准千涉，将干涉褥到的波像麓扫除f i z e a u 参考馘和反 图1 4 a s e t 设计的三镜投影光刻系统的装键 射镜的波像熬，得到系统的波像麓。用光学设计软件c o d ev 辅助计算系统装调 的失调量，然后补偿失调量。缀反复迭代计算和调憋，系统最终的波像麓达到 3 r i m ( r m s ) 。 t 。3 本文的选题背景 目前，世界上许多先进国家，特别是美国和日本等集成电路生产大图。都 在投巨资发展新型的光刻机和冀它集成电路以促进嗣民经济的发展。焱极紫外 援影走亥l 静骛关键技拳方霖魏经取褥了稳当豹戮究逡展，萁孛，在毙测成豫 系统的装调方褥，采用了无应力的装调技术，使毙攀元件装配前后面形误差不 发生改变，并且在装调过程中采用了计算机辅助计髀，确立最合适的黻调方案。 在评价极紫外光刻成像系统光学性能方面，采用了研见光的点衍射干涉测量方 法帮e u v 予涉检测方法，系统强装调后的波像差女运弱l m 以下。 在较袋矜毙舅l 静毙学系襞瓣戮潮方瑟，我翻与骥赛先遴国家煮较大黪差遴。 为了缩短遮差距，目前，我们豳家也正在积极开展e u v l 技术的研究，并得到 了国家自然科学基金重点项目的资助和中国科学院创新基金的资助，成功地设 s 第一章绪论 图1 5s c h w a r z s c h i l d 结构的e u v l 光学系统 计并研制了一套e u v l 原理装莺。该装置的光学成像系统采用了由两个球面镜 组成s c h w a r z s c h i l d 结构口2 1 ( 如图1 5 ) ，每个球面镜都镀制有极紫外反射多层 膜。系统的工作波长为1 3 r i m ，数值孔径n a 为0 2 ，微缩比】o ：l 。系统在装 调方面采用了计算机辅助方法，装调后最终系统的波像差r m s 值为o 0 3 2 m = 6 3 2 s n m ) 。 1 4 本文的主要研究内容及选题意义 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 在已有的共轴照明s c h w a r z s c h i l d 结构的e u v l 光学系统基础上，进一 步设计离轴照明s e h w a r z s c h i l d 结构的e u v l 投影光学系统； ( 2 ) 进行e u v l 微缩光学系统的装调方法的理论分析，建立装调方法的数学 模型，制定实验研究方案； ( 3 ) 模拟光学系统的成像质量，分析影响像质的主要因素； ( 4 ) 进行光学元件面形高精度检测方法的研究，以满足装调过程检测的要 求； ( 5 ) 按e u v l 系统设计精度的要求，完成e u v 投影光刻系统中的 s c h w a r z s c h il d 微缩投影光学系统的装调。 选题意义：在极紫外投影光刻系统中，为了实现接近衍射极限的分辨率，要 求其微缩投影光学系统的波差达到工作波长1 4 ( r m s ) ，仅根据测验人员和装 调人员的经验，用随机尝试的方法进行该系统的组装调试是不切实际的，很难 保证最终的精度要求，特别是离轴非球面系统的装调更加困难。现在，计算机 技术和计算软件的不断完善以及光学加工技术的提高，结合光学c a d 及数字化 的光学测量技术，以此来帮助技术人员进行装调，从而降低难度，提高精度， 要达到系统的要求是完全可能的。因此，有必要开展新的精密装调技术的研究。 e u v l 建立在传统光学光刻技术基础上，是现有光学光刻技术向e u v 更短波 中国科学院长春光学精密机槭研究所硕士学位论文 长的合理延伸。极紫外投影光刻技术在国际上已引起充分重视，美国、日本及 欧共体在长期的关键技术攻关后，已投入更多的资金进行e u v 光刻机的研发。 目前，我们国家也正在着手投资研究e u v 投影光刻机和其它集成电路的生产设 备。为了适应我国未来自行研制e u v 投影光刻机的需要，有必要针对性地开展 精密装调技术的研究，使其具有更为主动的指导性。此外，这项技术对于空间 望远镜、空间相机等其它相关光学系统的装调也具有一定的指导意义。 7 第= 章e u v ls c h w a r z s c h i d 微缩投影光学系统的设计 第二章e u v ls e h w a r z s c h i l d 微缩投影光学系统的设计 针对e u v l 光学系统的工作波长的特殊性，本翠提出了设计e u v l 投影光 学系统的棚必要求。按照这个爱求确定了系统的初始结构参数，然后对系统进行 钱纯，褥弱鹅辘照臻熬s c h w a f z s c h i | d 羧缕援影必攀系统。最嚣分辑了系统缝捣 参数的装调公差，为系统的最终装调作准备。 2 1e u v l 微缩投影光学系统的要求 在1 0 m n 1 4 m n e l t v l 的工f f 筝波段，光与物质的作用可以用复折射警n _ r 1 i 1 3 = 1 s i 采攒述，英孛5 表经竞邋j 蓬魏震惹程往茨交纯，1 3 表矮懿蒺对嚣毛波段 光的吸收。卣于物质在j f ：波段的折射率都接近予l ，蕊且所有物质对e u v 光又都 是吸收的，透过率很低，无法级成透射式光学系统；同时单层膜反射镜对近正入 射e u v 波段光的反射率几乎为譬，因此，e u v l 成像光学系统只能采用反射式 光学系统，殿各个光学元件器镀制极紫外反射多屡骥。 考虑戮缀紫强竞漾功率辫j 静陵铡，纛显，迄今菇正，投紫努多暴貘熬筵入射 反射率在1 3 4 a m 处最高只能迭爱6 接近7 0 2 4 , 2 5 1 ，遨就要求系统采用尽麓少的光 学元件，这样由球面镜构成的系统具有的自由度较少。所以，许多e u v l 投影 光学系统都激用了非球面光学元件来增加自由变墩以更好地校正像差。饭由于条 牛懿疆裁，零文瘦采蘑蘩嚣镜采橡藏系统。 光学袋豫系统的分辨率( r e s o l u t i o n 簿霉舞r e s ) 葶羹焦深( d e p t ho f f o c u s 篱 称d o f ) 可以表示为： r e s = k l l n a d o f = k 2 l ( n a ) 2 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 式孛襄l 、酶怒与系统工艺穗关麓。在逮需豹褥_ 囊雩隈涮鹣成像系统定义审，k l 、 k 2 均取l 2 ，猩e u v 光刻系统中k t 可取0 7 5p 研。x 是成像系统所使用的波长， n a 是数值孔径。从( 2 1 ) 式中可以看出，提高分辨率可以通过减小九和提高 n a 来达到。然而，在提高n a 的同时d o f 却减小了，这就带来了焦深控制的 蠢难。所以必簇选取适当的数镶魏径n a 篷。 为了满建蓠精度静成像葳豢溪求，诲多必学系统袋求遮鼙近衍射裰鼹黪分辨 率。根据r a y l e i g h1 4 波长原则和m a r e c h a l 条件，篡综合波像差( w a v ef r o n te r r o r 简称w f e ) 分别为：8 = 1 4 九峰铸值( p e a k t ov a l k ，简称p v ) ，g = 1 1 4 九均方根 8 中国辩学院长謇她学精密机械与物理研究所碗士学位论文 筐( r o o ti l l e , a t ls q u a r e 篱稼r m s ) 。嚣分琵蔓 每个必学元件鲍蓠澎稽发鬃求更高， 分别为： 5 = i ( 4 n ) 九p v ( 2 - - 3 ) o r = i ( 2 8 4 2 ) 九r m s ( 2 4 ) 其中n 兔巍警元磐豹令数。 因忿，辩予e u v l 光搿系统，为了这裂近衍射檄限静分辨率，猩靛糟豹波 长l = 1 3 n m 时要求其波像差的r m s 值小于l n m 。 2 2 光学累统初始结构参数的确定 一般瀵滋下，s c h w a r z s c h i l d 貔镜都设诗残共心系统【2 7 1 ( 翔委2 。1 ) ，逮靛是 说，凸面和跚萄的蓝率中心处予蔺一点位置。分析寝孵，共心的s c h w a r z s c h i l d 光学系统w 以消除球差和像散【2 8 0 9 1 。 图2 1 共心系统的s c h w a r z s c h i l d 投影物镜 对于共心的s c h w a r z s c h i l d 系统，满足下列条件 堡。i ! 塑： 愆+ 1 ) 2( 1 一m ) 2 式中0 【= r 2 r l ，m 为系统的放大倍率。 s c h w a r z s c h i l d 物镜的放大倍率为： m ：一 圣i 圣2 2 r l l 。一r l r 2 2 r 2 l # 粤 ( 2 5 ) ( 2 5 ) 第二章e u v ls c h w m t b c h i l d 微缩投影光学系统的设计 ( 2 5 ) 式中，k 为物像距。从( 2 和l 0 四个参数中只有两个参数是独立的 他的参数。 5 ) 、( 2 6 ) 式可知，m 、r i 、r 2 只要给定其中的两个参数就可确定其 首先选定m 和r 2 。在e u v l 光学系统的设计中，放大倍率m 一般取1 4 1 5 ，但为了减小小尺寸掩模制作的困难度，适当减小倍率，取- 0 1 。同时考虑多 层膜制备过程中对于小曲率半径光学元件的均匀性镀膜带来困难，根据光学加工 样板选取r 2 = l 叭1 m m 。把m 和r 2 代入( 2 5 ) 、( 2 - - 6 ) 式并适当调整物距 和像距，使r l 与样板一致，得：凡= 3 1 4 8 m m ，l o = 2 6 2 3 l m m 。系统的数值孔 径取n a = 0 2 ，则得初始结构参数见表2 1 ，其中m 1 直径为巾9 m m ；m 2 直径为 由5 l m m ，且在m 2 中心处需要有一个大于中6 m m 的通光孔径。 表2 1 e u v l 微缩投影物镜初始结构参数 s u r fc o m m e n tr a d i u st h i c k n e s sg l a s sd i a m e t e r o b j o b j c c ti n f i n i t y 2 0 5 5 3o 1m 13 1 4 86 9 6 2m i r r o r8 8 2m 21 0 1 11 2 6 4 0m i r r o r5 0 1 7 i m a i m a g e i n f i n i t y0 为了消除系统的中心遮拦和提高控制焦深，本文在原有的由两个球面镜组成 的s e h w a r z s c h i l d 结构【2 2 】的基础上，进一步设计采用偏心孔径光阑离轴照明方式 ( 用s t o p 作为光阑加以限制) 的反射式光学系统，如图2 2 所示。该系统是关 于光轴的旋转对称系统，选取系统的物方数值孑l 径n a = 0 0 0 8 。m a s k 是光刻系 统的掩模，即物面；w a f e r 是硅片。即像面；主镜m 1 、次镜m 2 是镀有e u v 反 射多层膜的反射镜。s t o p 的位置设置在靠近m 2 的背面，孔径大小由物方数值孔 径n a 以及s t o p 与m a s k 之间的距离来限定，初始设置为巾2 m m ，孔径高度的初 始设定( 2 m m ) 以实现离轴照明为目标。 m 2 j a s ks 脚：震鋈 ， 口 杜 1m k 图2 2 偏心孔径光阑离轴照明s c h w a r z s c h i l d 微缩投影物镜 r 中唇科学院长誊光学穗密机械与物理研究所碛士学位论文 2 ，3 系统酌优豫 由予系统应用的目标是线宽分辨率优于1 0 0 r u i n ，嚣而优化过程主骚考虑的是 空间频率为5 0 0 0 m m 的传函。 设置物距、像距、两镜间躐以及偏心孔径光阑豹偏心距为优化调擞对象，利 爰z a m a x 较终罄o l 逶嚣霞证，褥剿淫怒戆e u v l 徽缭投影麓镌夔臻掏参数，结采 魏表2 2 所承。 表2 2 e u v l 微缩投影物镜结构参数 s u r fc o m m e n tr a d i u st h i c k n e s sg l a s sd i a m e t e r o b j o b j e c t i n f i n i t y 1 4 7 7 71 4 l s 髓+ s t o p i n f m i t y 8 2 。5 02 。3 6 2m l3 1 4 86 9 。4 7m 珏t r o r1 0 5 4 3 4m 2 1 0 1 11 2 6 4 8m i r r o r5 9 7 8 i m a i m a g e i n f i n i t v 0 1 4 其中s t p * 标志着光阗s t o p 为偏心，偏心距离为y 轴方向2 2 m m 。 如嚣2 3 为系统戆传递函数魏线。经过优化，巍每0 1 2 5 m m 静豫方褫场内德 弱优予1 0 0 n m 瓣分辨率( 空蠲菝率必5 0 0 0 m m 瓣黪递嚣数静平鹭傻大予5 8 ) ， 且各个视场点的传递函数都与衍射极限的传递函数偏离较小。 图2 3 系统的传递函数 第z - 章e u v ls e h w a r z s c h i l d 微缩投影光学蒜统的设计 图2 4 裘示蹬了系凌豹竞擎传递函数照焦藏焦薏鹣交证谤嚣，在焦点蔫后 士l i b r a 范围内，空间频率为5 0 0 0 的各个视场的传递函数均大于4 5 ，这对于该 系统的投影成像是允许的。由此说明系统的焦深大于2 肛1 。 ；# e 2 翱，2 羽髓荆 。t s b , 峨1 2 5 8 i 2 瀚- 0 嚏冀糕 t s0 ；l 磊g 。0 1 2 鑫8 黼 l 臻+ 8 篱8 一8 1 2 鞠猁 一 ； _ 手量蕊， m ，一，一 一 二= - 三一一”一。一。 矿箩 _ h _ ” 一 一 堪，0 q 1 00 ，9 8 韬2# 0 癣1 0 # e 秘ss “- r f r 互n 秘芏l l j n e t 辩s 圈2 4 俦谶蕊数随焦蔚焦詹变伲情况 最终系统像方数值孔径n a = o 0 8 3 ，微缩比为1 0 ：1 ，光学系统总长( 物面到 像面距离) 为2 8 7 2 9 m m ，设计残差为0 0 1 9 九r m s 值( x = 1 3 n m ) 。 霹4 系统骢装调公差分旃 根据设计的理想系统，应用z e m a x 软件对系统的各个结构参数的调熬公差进 行分析，分丰斥过程以近衍射极限分辨率( 设计残羞大- 7 = 1 1 4 九r m s 值) 为目标。 具体的方法：在光学设计软件z e m a x 中，把需要分析公差的m 1 和m 2 结构参数的 各个自由度输入到误差数据编辚程中 然后，在定义纳凝场内，对窒润频率为 5 0 0 0 m m 餐溺太子4 5 熬维褥参数送行遂岛敏感 九n i - = k n = 0 ，特征向量，由 此得到。 由v t ( a 7 a ) v = 由u 7 ( a t a ) u _ 0 + 五 2 。卜扑。 ：卜矧u 。 3 2 3 失调量的计算 从( 3 - - 5 ) 式可知，为了求解失调量6 x ，首先要知道敏感矩阵j 和像差向量 z ( x ) 。 敏感矩阵可以通过两种方法来求得： 1 用光学设计软件z e m a x 来进行计算。首先计算原始光学系统结构下波像 差并以z e r n i k e 系数构成的向量z o 来表示。人为对某个初始结构参数改变一个 微小增量6 x j ，计算出z e r n i k e 系数z i ，其变化量6 z i = z i 一7 o ，则相应的j j j = a z d s x j 。 l7 第三章糖密装调鼬基本原理和e u v l 投影光学系统装调方案 对每一个参数郁按这一方法进行计算郎可褥至敏感雉阵j 。 2 通过对波面进行m 次以上检测，m 为需蘩调烂的失调结构参数。先检测 初始光学系统结构下像差并以z e r n i k e 系数构成的向量z 0 来表示。人为对某个 初始结构参数改变一个微小增嫩飙，再检测像差德剡z e r n i k e 系数z j ，其变化 垂s z i = 磊一溉，粼穗应戆魂书z s 毪t 薅其它各个参数移按这一方法改交微小增量， 并检测像藏，得到z e r n i k e 系数，即可求得敏感怒降j 。 用干涉仪检测装调后系统的波像差，得到以z e r n i k e 系数表示的像差向量 z ( x ) 。 在已知敏感矩阵j 和像差内羹z ( x ) 的情况下，慰( 3 5 ) 式近似线性方程 缝求解，瑟彳莓校正量6 x 。毽是蠢予敏感踅簿j 建凳雾矩簿，交瓣遘稔爨要薅宅 进行s v d 分解。根据3 2 小节怒义，设敏感矩阵j 的s v d 分解表示为： j = u wv ( 3 6 ) 其中u 、v 怒列正交向量，它们的列分别代表像差奇异值向量和结构参数奇异值 定量，w 怒靛含辐应奇吴谴对角矩阵，且这些奄爨蕊按照递减排列，l 糖2 确萄，箕中蛾是第i 个奇异壤。 由( 6 ) 式，且u 、v 是列正交向量，得： j v i = iu i ( 3 7 ) u l 、v i 分别是u 、v 第i 列向量，奇异值i 代袋了对结构参数作单位调整时 像差豹改交擞，秘越大，v 熬调熬黠豫差璃豹影响越大，也就是越敏感。整3 4 画出了v i 裰粥以及蛐对应关系。 由( 5 ) ( 6 ) 两式即得失调量向量6 x ： 1 = 耻 z ( 均( 3 - 8 ) w 、。 3 ，3e u v l 援彰光学系统的装调步骤 e u v l 投影光学系统的靛调过程就是为了寻求系统的结构参数与理想的结 构之间的麓别，即失调量的大小。而要求得系统的必调状态，就必须先检测系统 豹像差，从系统的像差和系统豹缮梅参数之闻的关系来求释失调量。嚣忿，e u v l 授影系统装调瓣关蕤莛竞学暴羧渡嚣斡捡嚣稻系统必诱萋懿确定。 i 光举系统波面的检测 光学系统波面的检测是指运用干涉仪检测系统的波面像差，从而获得系统在 l8 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所硕士学位论文 计算机辅助计算装调过程中所需要的数据以及表明系统装调状况的波像差。 2 检测数据的处理 检测数据的处理的目的是确定失调量，也就是从系统像差和结构参数之间的 关系以及从检测得到的系统像差，经计算机辅助计算，求得各个结构参数与理想 的结构参数之间的差异，以此差异来补偿系统的失调量，从而指导系统的装调。 3 4e u v l 投影光学系统的装调方案 在分析了e u v l 投影光学系统装调的基本原理，建立了装调系统的数学模 型基础上，以系统出瞳位置的波像差作为评价函数，确定系统的装调方案。 首先，用干涉仪检测主镜、次镜的面形误差，从设计的系统出发，引入这 些面形误差，用光学设计软件模拟e u v