一种折反式深紫外光刻物镜设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种折反式深紫外光刻物镜设计方法，属于光学设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 深紫外光刻是当前产业化的光刻技术。深紫外光刻物镜作为深紫外光刻机的核心 部件是实现高分辨率光刻的关键。在深紫外波段可用的光学材料仅剩下熔石英和氟化钙， 上述两种材料的折射率较低，因此深紫外光刻物镜系统的光焦度需要分配到较多的元件上 才能实现像差校正。最初深紫外光刻采用全折式物镜设计，整个物镜系统仅有折射元件不 含反射镜。全折式深紫外光刻物镜为了校正场曲，必须采用光焦度较大的负透镜来平衡正 透镜的匹兹万和。这就导致负透镜组附近的正透镜的口径随物镜数值孔径和成像视场的增 大而迅速增加。当数值孔径大于1时，全折式物镜设计的元件口径非常大，其不利于物镜系 统的加工、制造和集成。凹面反射镜具有正光焦度，同时它对匹兹万场曲的贡献与正透镜恰 好相反。将其引入到全折光刻物镜系统中，可以分担负透镜组的场曲校正压力、减小负透镜 组所承担的光焦度，从而有效控制物镜系统元件口径。作为光刻机重要组成部分的光刻物 镜系统对提高整个光刻机性能至关重要，因此设计好折反式深紫外光刻物镜系统是完成整 个投影曝光系统的重要环节。国内外有关折反式深紫外光刻物镜设计方法的报道非常少， 为了获得折反式深紫外光刻物镜初始结构，提出一种有效的设计方法是非常有必要的。
[0003] 相关文献(Proc.of SPIE 2006.6342:63420L.)针对深紫外光刻物镜的优化，提出 了鞍点构造法。该方法的操作流程类似光学设计者凭借经验在光学系统中加入新元件以进 一步提高成像质量的做法。鞍点构造法本质上是基于初始结构的优化方法，不能有效地获 得物镜初始结构。相关文献(US20070013882)提出了多套深紫外光刻物镜的制造方法。该方 法将物镜系统分为若干镜组，不同的物镜系统共用同一个镜组，而其它镜组进行相应变化 从而实现不同光学性能的要求。该方法没有说明各镜组结构以及整个物镜结构是如何设计 的。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供一种深紫外光刻物镜设计方法，该方法可根据不同参数要 求设计出折反式深紫外光刻物镜，其降低了物镜系统设计难度、设计效率高、实现速度快。
[0005] 实现本发明的技术方案如下：
[0006] -种深紫外光刻物镜设计方法，具体过程为：
[0007] 步骤一、确定置于掩模和硅片之间的深紫外光刻物镜三个镜组的初始结构，三个 镜组的位置关系为:从掩模到硅片分别为物方镜组G1、中间镜组G2以及像方镜组G3，且中间 镜组G2的放大倍率为M 2= 1;
[0008] 步骤二、优化物方镜组G1的初始结构，使其满足设计要求：（1)物方远心，（2)像方 主光线入射角和物方镜组的放大倍率此不会引起光路遮拦；
[0009] 步骤三、优化像方镜组G3的初始结构，使其满足设计要求：（1)像方远心，（2)物方 主光线入射角不会引起光路遮拦，（3)放大倍率M3=M/ (M2 X Mi)，Μ光刻物镜的放大倍率； [0010]步骤四、中间镜组G2为两片凹面反射镜的结构，计算物方镜组和像方镜组的匹兹 万和，并根据匹兹万和计算中间镜组中两片凹面反射镜的半径，同时使G2的入瞳与G1的出 瞳匹配(将G2的孔径光阑放置在G1的出瞳面上）；
[0011] 步骤五、优化像方镜组G3的结构参数，使G3的入瞳与G2的出瞳匹配;至此，连接物 方镜组、中间镜组、像方镜组获得整个物镜系统的结构。
[0012] 进一步地，本发明所述步骤二和步骤三的优化过程为：
[0013] 首先，针对待优化镜组中的每一表面，计算其对应的归一化光焦度和/或对称性因 子；
[0014] 其次，选择最大归一化光焦度和/或对称性因子的表面F处，插入薄弯月透镜，所述 薄弯月透镜的曲率半径与其对应的表面F的曲率半径相同；
[0015] 再次，以形态参数S和W分别小于设定阈值和满足所述设计要求为优化的约束条 件，对镜组进行优化，在优化过程中，逐步增加薄弯月透镜的厚度及其与对应表面F的距离；
[0016]
[0017]其中，Ν为系统中光学表面的数目，Wj为表面j的归一化光焦度，Sj为表面j的对称性 因子。
[0018] 进一步地，本发明所述根据匹兹万和计算中间镜组中两片凹面反射镜的半径^和 Γ2；
[0019] 设rdP-r2的值相等，
[0020]
[0021] 其中，petci和petG3分别为G1和G3对匹兹万场曲。
[0022]进一步地，本发明所述优化为采用阻尼最小二乘法实现。
[0023]有益效果
[0024] 本发明针对折反式深紫外光刻物镜提出了一套设计方法，依据该方法可以快速的 获得折反式深紫外光刻物镜初始结构。该方法极大地降低了整个物镜系统的设计复杂度， 具有较高的设计效率。
【附图说明】
[0025] 图1为深紫外光刻物镜设计方法的流程图；
[0026] 图2为折反式深紫外光刻物镜的分组方式；
[0027] 图3(a)为物方镜组G1的初始双高斯结构；
[0028]图3(b)为在物面附近插入正透镜后物方镜组G1的结构；
[0029]图3(c)为分裂双胶合透镜后物方镜组G1的结构；
[0030] 图3(d)为设计完成后物方镜组G1的结构；
[0031] 图4 (a)为像方镜组G3的初始结构；
[0032] 图4(b)为设计完成后像方镜组G3的结构；
[0033]图5为中间镜组G2的光路图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。
[0035]本发明提供一种深紫外光刻物镜设计方法，具体过程为：
[0036]确定待设计物镜系统光学结构参数:物镜的像方数值孔径NA应根据分辨率要求确 定;放大倍率Μ通常为-1/4倍;物方和像方的主光线入射角应平行于光轴以实现双远心要 求;物高Η。应保证整个系统不发生光路遮拦，如图2所示。上述参数确定后，物镜系统的物方 数值孔径ΝΑ0可由公式ΝΑ0 = ΝΑΧ |Μ|确定，像高Η〗可由公ΚΗ〗 = Η〇Χ |Μ|确定。
[0037] 上述待设计物镜系统光学结构参数确定后，开始执行如下的优化过程，如图1所 示：
[0038] 步骤一、确定置于掩模和硅片之间的深紫外光刻物镜三个子镜组的初始结构，其 中三个镜组的位置关系为:从掩模到硅片分别为物方镜组G1、中间镜组G2以及像方镜组G3。 G1和G2之间形成中间像頂1，G2和G3之间形成中间像頂2,如图2所示。G2引入凹面反射镜，其 位于G1和G3中间。G1和G3形成了引入G2所需的中间像頂1和頂2X2为凹面反射镜组，其承担 G1和G3镜组的匹兹万和校正。
[0039 ]步骤二、物方镜组G1是一个中继镜组，将物点成中间像。因此优化物方镜组G1的初 始结构，使其满足设计要求：（1)G1应当物方远心即物方主光线入射角为0°，（2)其像方主光 线入射角不会引起光路遮拦，即应保证G2的光路不发生遮拦;确定G1的放大倍率应考 虑到避免光路遮拦的发生。
[0040]该步骤的具体过程为:之前已经确定结构较为简单的典型光学结构作为物方镜组 的初始结构。为了满足步骤二所述光学特性要求，需要增加更多的设计自由度。因此，在G1 优化过程中，需要在初始结构的基础上引入新元件对其进行调整和优化操作。G1的优化流 程为：
[0041 ]首先，在初始结构的基础上，以镜头形态参数为依据确定插入元件的"最佳位置"。 镜头形态参数的构造基于近轴光线追迹，其不依赖于光学系统的孔径、尺寸、共辄条件以及 视场角。其中形态参数W反映光学系统中各光学面光焦度的分布情况，其定义为：
[0042]
(1)
[0043] 其中，N为糸统中光学表_的数目，Wj为表面j的归一化光焦度：
[0044]
(2)
[0045] 其中，m为系统的放大倍率，η和η '分别为表面j前后介质的折射率，Rj为表面j的曲 率半径，^为表面j上的近轴边缘光线投射高度，1/1^为像空间折射率与近轴边缘光线孔径 角的乘积。
[0046] 另外一个形态参数S反映光学系统中各光学表面的"对称性""对称性"体现光学 表面与光阑中心的同心程度或满足齐明条件的程度），其定义为：
[0047]
⑶
[0048] 其中，Sj表示为：
[0049]
(4)
[0050] 其中，$为表面j前介质的折射