浸没式光刻照明系统中会聚镜的设计及公差分析

李美萱，董连和

(1.吉林工程技术师范学院 量子信息技术交叉学科研究院，吉林 长春 130052；2.吉林省量子信息技术工程实验室，吉林 长春 130052；3.长春理工大学，吉林 长春 130000)

引言

对于浸没式光刻技术的研究始于1978年，美国的GCA公司推出了第一个型号为DSW4800的商业化的g线分步重复投影曝光机，该产品性价比高，且具备微米、亚微米级精细图形的工业化生产能力，因此一经问世就得到了国际集成电路工业界的高度重视。在1991年，美国的SVG公司还研发了一台步进扫描投影曝光机，它结合了高分辨率、大视场和高效率等优点，适合对宽度小于0.25 μm的特征线进行大规模生产[1-2]。

美国麻省理工学院林肯实验室的M.Switks和M.Roth-schild首次将浸没式透镜用于光刻机的物镜设计，后来又应用到19 nm浸液式光刻机的物镜设计中,实现了NA=1.3。Markus Rossi 等人对光学系统中衍射元件杂散光的影响进行了研究[3-4]，发现杂散光会严重影响到光学系统的性能，如果想使杂散光减少，将增加衍射元件的加工难度。他通过理论分析，建立了一个模型，用于估计衍射元件产生的杂散光对系统的影响情况，为衍射元件的加工提供了很好的建议。华中科技大学匡丽娟等人对会聚镜的一些特性进行了研究，采用光线追迹的方法，在仿真中发现入射光的发散角度对匀光效果有较大的影响。

随着技术的发展和浸没技术的加入，193 nm步进扫描光刻机可以达到更高的节点[4-7]。为了实现对掩膜面的均匀照明，复眼透镜中的透镜元用来分割入射光束，并经会聚镜在后焦面上叠加，形成均匀的光照度分布[8]。耦合光组将匀场组件复眼和会聚镜形成的均匀照明区域成像至掩模面上，并与会聚镜一起，将复眼透镜形成的阵列光斑成像至无穷远，形成对掩模面的远心均匀照明[9-12]。在匀场光学组件形成的均匀照明区域上(会聚镜的后焦面)放置狭缝系统，用以调节掩模面上照明区域的大小，最终实现对曝光视场的调节[13]。

1 浸没式光刻照明系统

整个照明系统包含3个主要部分，即光束传输及控制系统、光瞳变换及控制系统以及均匀照明系统。为实现照明系统的各种功能和性能要求，照明系统由实现不同功能的12个模块或子系统组成，包括光束传输稳定系统、光束整形系统、能量调整系统(可变衰减器)、能量探测器、照明模式变换系统、相干因子调整系统、偏振态变换系统、偏振态调整系统、复眼、会聚镜、可动狭缝和耦合光组。照明系统的功能组件框图如图1所示，光路图如图2所示。

图1 照明系统的组件框图Fig. 1 Component block diagram of illumination system

图2 照明系统光路图Fig. 2 Light path diagram ofillumination system

均匀照明系统包括微复眼透镜、会聚透镜、可变狭缝和耦合光组4个子模块，复眼透镜主要实现均匀照明，再经会聚透镜和耦合透镜最终到达掩模面上。本文在设计会聚镜时，在充分考虑了非球面加工和检测的基础上，采用了非球面技术，保证所设计的非球面在现有条件下能够按照照明指标要求加工和检测，减少会聚镜的镜片数量，提高整个系统的能量利用率[15-16]。

2 会聚镜的光学设计

会聚镜的作用是对复眼透镜散射光进行会聚，会聚镜镜头的设计指标如表1所示。

表1 会聚镜设计指标

会聚镜设计结构图如图3所示。采用7片式结构，其中5片非球面，非球面均在凹面上，所有非球面的非球面度控制在1 mm以内。设计完成后对会聚镜的成像质量进行分析，会聚镜远心度曲线如图4所示。会聚镜的弥散斑直径小于0.1 mm，80%能量对应的弥散斑直径最大值为60 μm，会聚镜校正光阑像差后，数值孔径的一致性偏差在0.2%以内，会聚镜存在-2.5%的畸变，像方远心度小于0.2 mrad，均能满足会聚镜的要求。

图3 会聚镜光路图Fig. 3 Converging lens optical layout

图4 会聚镜远心度曲线Fig. 4 Converging lens telecentricity curve

3 会聚镜的公差分析

3.1 会聚镜曲率半径公差分析

在设计的系统中，将各面的曲率半径分别从-5×10-4m改变到+5×10-4m，分析其对所有视场中远心度最大值的影响，目标远心度为0.011 5 mrad。会聚镜曲率半径对远心度的影响如图5所示。

图5 会聚镜曲率半径对远心度影响分析图Fig. 5 Analysis of influence of curvature radius on telecentricity

3.2 会聚镜中心厚度公差分析

在设计的系统中，将各透镜的中心厚度分别改变±50 μm，分析其对远心度的影响，如图6所示。将各透镜厚度分别从-50 μm改变到+50 μm，分析其所有视场中远心度最大值的影响，目标远心度为0.2 mrad。

图6 中心厚度公差对远心度影响分析Fig. 6 Analysis of influence of center thickness tolerance on telecentricity

3.3 单面/单透镜倾斜误差

首先分析单面倾斜影响。由于系统沿光轴旋转对称，单面倾斜只分析每个面绕X轴方向偏心±10″时对系统像质的影响，如图7所示。

图7 单面绕Y轴倾斜对远心度影响分析Fig.7 Analysis of influence of surface tilting along Y-axis on telecentricity

其次分析单透镜倾斜影响。由于系统沿光轴旋转对称，单透镜倾斜只分析每个透镜绕X轴方向偏心±10″时对系统像质的影响，如图8所示。

图8 单透镜绕X轴倾斜公差对远心度影响分析Fig. 8 Analysis of influence of surface tilting along X- axis on telecentricity

以系统的远心度变化0.1 mrad，NA一致性变化0.1%，点列图变化20 μm，焦距变化0.1 mm为公差计算的基础，分配至70个误差源，经逐个仿真分析，会聚镜的各公差范围如表2所示，会聚镜设计结果和满足度分析结果如表3所示。

4 测试结果

采用CODE V软件对掩模面上的光强分布进行研究，对相干因子约为0.40的传统照明，追迹25亿条光线，在硅片面上接收到近17亿条光线，计算获得的硅片面能量分布的伪色图如图9所示。

表2 会聚镜的公差要求

表3 会聚镜设计结果和满足度分析

图9 掩模面能量分布的伪色图Fig.9 Pseudo-color map of energy distribution on mask surface

对于照明系统的输出面，即掩模板上的照明均匀性对于不同照明模式是不同的，照明光强分布的不均匀性定义表达式如(1)式：

(1)

整个周期单元光强分布的均方根值表达式如(2)式：

(2)

整个周期单元光强分布平均值表达式如(3)式：

(3)

式中：N为抽样单元个数；Sgoal为整个周期单元个数。

照明仿真结果如表4所示。对比表中的设计要求和仿真结果可以发现，仿真获得的硅片面上的光能分布满足设计要求。

表4 硅片面光能分布特性

5 结论

本文采用7片式透镜结构结合非球面技术完成了会聚镜的设计，实现了掩模面上的均匀照明。对影响远心度的曲率半径、中心厚度和单面/单透镜倾斜误差源进行分析，给出了对应所有视场最大远心度的光路图。通过仿真分析获得硅片面上光强不均匀性≤2.57%，满足浸没式光刻照明系统光强不均匀性≤3%的要求,验证了制定公差的合理性和可行性。