专利名称：一种极紫外光刻投影物镜设计方法
技术领域：
本发明涉及一种极紫外光刻投影物镜设计方法，属于光学设计技术领域。
背景技术：
在超大规模集成电路的制造工艺中，需要使用高精度投影物镜将掩膜上的图形精确倍缩到覆盖有光刻胶的硅片上。当前深紫外光刻技术使用波长为193nm的激光光源，辅助以离轴照明、相移掩膜、光学边缘效应校正等分辨率增强技术，可实现45nm技术节点的产业化要求，但是对于32nm或更高技术节点的产业化需求，半导体行业普遍寄希望于极紫外光刻技术。极紫外光源波长约为11 15nm,与深紫外光刻技术相同,极紫外光刻也米用步进-扫描模式。 极紫外光刻系统由等离子光源，反射式照明系统，反射式掩膜，反射式投影物镜，涂覆有极紫外光刻胶的硅片以及同步工件台等部分组成。光束由光源出射后，经照明系统整形和匀光，照射到反射式掩膜上。经掩膜反射后，光线入射至投影物镜系统，最终在涂覆有极紫外光刻胶的硅片上曝光成像。典型的EUV投影物镜为共轴光学系统，物面、像面及所有反射镜均关于光轴旋转对称，这一设计有利于装调并且尽量避免了可能的像差。由于反射系统中存在光路折叠和遮挡，投影物镜应采用环形离轴视场设计。一般来说，除给定的设计指标外，EUV投影物镜设计还需要满足下列要求1.可实现的光阑面设置，一般位于第2 5个反射面的某一面上；
2.足够大的物方、像方工作距，保证掩膜和硅片的轴向安装空间；3.无遮拦设计，每个反射面的反射区域和通光区域之间都要留有一定的边缘余量；4.能够配合反射式掩膜使用，光线以小角度入射到掩膜上；5.高分辨率；6.极小的畸变；7.像方远心。现有技术(M.F. Bal, Next-Generation Extreme Ultraviolet LithographicProjection Systems [D], Delft !Technique University Delft, 2003)公开了极紫外光刻投影物镜设计方法，该方法通过对EUVL投影物镜的近轴结构参数(反射镜半径、各光学面间距等)进行穷举式搜索，将系统的放大倍率、光阑共轭关系等条件作为约束，并编制程序对其光线光路进行光路遮挡判定，将无遮挡的光路进行分析拣选，从而选出合适的初始结构，作为进一步优化和计算的基础。这一方法的缺点在于计算量过大，以现有的计算机计算速度，平均一星期才能找到一个可用设计。
发明内容
本发明提供一种极紫外光刻投影物镜设计方法，该方法可根据不同的参数要求设计出极紫外光刻投影物镜，其计算量小，实现速度快。实现本发明的技术方案如下一种极紫外光刻投影物镜的设计方法，具体步骤为步骤101、确定光刻系统中投影物镜为六反射镜结构，并设定该投影物镜的光学系统参数；选取六枚反射镜和光阑设置于光刻系统中掩膜和娃片之间，六枚反射镜及光阑的设置位置从掩膜开始沿光路方向依次为第一反射镜Ml、光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5以及第六反射镜M6,且光阑放置于第二反射镜M2上；确定各反射镜之间的比例参数；步骤102、计算掩膜到第一反射镜Ml的距离为-I1和第二反射镜M2到第一反射镜Ml的距离为-Cl1，并获取第一反射镜Ml的当前半径为ri ；步骤103、给定物方数值孔径NAO和物方主光线入射角度CA，根据所述-Cl1和判断出步骤101中给定的光学系统参数是否合理，具体的判断过程为
步骤201、计算所述比例参数中第二反射镜M2到第一反射镜Ml距离与掩膜到第一反射镜Ml距离之比radio2的上限值Uradio2 ；Uradio2 = I-FffDI radic^/YOB其中，FWDI为投影物镜最小工作距，YOB为物方视场高度，radi0l为物方视场高度与掩膜到第一反射镜Ml距离的比例参数；步骤202、给定物方数值孔径NAO和物方主光线入射角度CA，设定radio2的搜索步长为€ &设定循环次数k = I, radio2 (I) = 0, radio2的下限值Dradio2 = 0 ；步骤203、判断radio2(k)是否小于Uradio2,若是,则进入步骤204,否则进入步骤209 ；步骤204、根据所述-(I1和!T1,根据光线追踪原理,计算出利用radio2(k)所设计的投影系统的CLEAPE2 (k)和/或CA1 (k)，其中CLEAPE2 (k)表示第二反射镜M2与第一反射镜Ml出射的光线不发生遮挡的空间，CA1GO表示第一反射镜Ml主光线入射角度；步骤205、对步骤204计算出参数的类型进行判断，当仅计算出CLEAPE2 (k)时，则进入步骤206，当仅计算出CA1 (k)时，则进入步骤207，当同时计算出CLEAPE2 (k)和CA1 (k)时，则进入步骤208 ；步骤206、判断CLEAPE2(k) > 0是否成立，若是，则将此时radio2 (k)确定为radio2的下限值 Dradio2,即令 Dradio2 = radio2 (k)，进入步骤 209,否则令 k = k+1,令 radio2 (k)=radio2 (k_l) + I t2,返回步骤 203 ；步骤207、判断CA1 (k) < MAXCAl是否成立，若是，则将此时radio2 (k)确定为radio2的下限值Dradio2,即令Dradio2 = radio2 (k),进入步骤209,其中MAXCAl为事先给定的第一反射镜最大主光线入射角，否则令k = k+1,令radio2(k) = radio2 (k_l) +〖，返回步骤203 ；步骤208、判断CA1QO < MAXCAl与CLEAPE2 (k) > 0是否皆成立，若是，则将此时的radio2 (k)确定为radio2的下限值Dradio2,即令Dradio2 = radio2 (k),进入步骤209,否则令 k = k+1,令 radio2 (k) = radio2 (k_l) + ^ r2,返回步骤 203 ；步骤209、判断Dradio2 = 0是否成立，若是，则判定所给定的投影物镜的光学系统参数不合理，不存在第二反射镜M2到第一反射镜Ml距离与掩膜到第一反射镜Ml距离的比例参数radio2,并结束,若否,输出Dradio2并进入步骤104 ；步骤104、根据所述第二反射镜M2到第一反射镜Ml的距离-(I1，计算第二反射镜M2的半径为r2 ；步骤105、计算出第五反射镜M5到第六反射镜M6之间的间距为d5，以及根据所述d5获取第五反射镜M5的半径r5和第六反射镜M6的半径r6 ；
步骤106、选取第三反射镜M3的半径r3，根据物象共轭关系、放大倍率关系、匹兹万和条件以及光瞳共轭关系，并利用上述确定的第一反射镜Ml、第二反射镜M2、第五反射镜M5以及第六反射镜M6的半径以及相互之间的距离，利用近轴迭代算法获取第四反射镜M4的半径r4、第三反射镜M3与第四反射镜M4的间距d3、第三反射镜M3与第二反射镜之间的距离d2、以及第四反射镜M4的像距I' 4 ;步骤107、根据上述步骤计算的6枚反射镜的半径以及相应的位置关系，得到极紫外光刻投影物镜。进一步地，当判定Dradio2 = 0不成立时,本发明在radic^可取范围内对其进行更 新，利用更新后的radiOi重复步骤201-209,获取Dradio2,进而判断出步骤101给定的光学系统参数是否合理。该判断的具体过程为步骤301、设定radiOi的搜索步长为€ rl,设定循环次数k' = Lradio1 (I) = YOB/!TL，设定 N 为大于(YOB/FWDI-YOB/TTL)/ € rl 的最小整数，令 radi0l 的上限 Uradio1 = YOB/TTL+(N-I) X \ rl，令 radi0l 的下限 Dradio1 = YOB/TTL+(N-I) X L1，其中 YOB 为投影光刻物镜的物方视场高度，TTL为投影光刻物镜总长度，FWDI为投影光刻物镜的最小前工作距；步骤302、判断循环次数k' > N是否成立，若是，则进入步骤306，否则令k'=k' +1,令 radio! (k' ) = Tadio1 (k; -I) + € rl,并进入步骤 303 ;步骤303、更新投影系统中的参数radiOi为radiOi (k'),重复步骤201至209,判断Dradio2 = 0是否成立,若是则返回步骤302,否则令Dradio1 = radic^ (k'),并进入步骤 304 ；步骤304、判断循环次数k' > N是否成立，若是，则进入步骤306，否则令k'=k' +1,令 radio! (k' ) = Tadio1 (k; -I) + € rl,并进入步骤 305 ;步骤305、更新投影系统中的参数radiOi为radiOi (k'),重复步骤201至209,判断Dradio2 = 0是否成立,若是则进入步骤306,否则令Uradio1 = radic^ (k'),并返回步骤 304 ；步骤306、判断Dradio1 = Uradio1是否成立,若是,贝U判定步骤101中给定系统参数不合理，并结束，若否，输出Uradio1和Dradio1并进入步骤104。进一步地，本发明当计算出1~2后，进一步对设定的第一反射镜Ml与第二反射镜M2出射的光线不发生遮挡的空间CLEAPE1进行判断，当CLEAPE1 > 0且CLEAPE1 < UCLEAPE1都成立时，则进入步骤105，否则判定根据所给定的系统参数不合理，并结束；其中UCLEAPEl = hhx -Hradl0'
,2其中hbl为上光线与第一反射镜Ml交点的高度，I' !为掩膜图形经过第一反射镜Ml 的像距，I2 = I/ -(I1O有益效果本发明提出了一套完整的初始结构设计方案，能够根据不同的用户要求进行设计和搜索，避免了传统光学设计方法在现有结构上进行修改和试错的盲目性。对整个系统进行分组光路搜索，大大节省了搜索时间。同时基于实际光线追迹，避免了近轴光路与实际光路的差别导致的光路遮挡情况误判。其次，充分考虑了 “掩膜阴影效应”、各反射面的主光线入射角度、最大光束口径，以及视场宽度等因素，通过给出近似的函数关系、迭代计算和遍历筛选等方法得到了各参数的可用范围，为精细的搜索提供了可靠的依据，便于提高搜索的精度，规避不合理的参数要求。
图I为EUVL六反射投影物镜分组设计示意图；图2为第一镜组Gl光路示意图；图3为第一反射镜Ml的光路计算示意图；图4为radio2的下限Dradio2的计算流程图；图5为radiOi的上限Uradio1与下限Dradio1的计算流程图；图6为第二反射镜M2的光路计算示意图；图7为第三镜组G3逆向光路示意图；图8为第六反射镜M6的光路计算示意图；图9为第五反射镜M5的光路计算示意图；图10为第二镜组G2光路示意图；图11 (a)为第二镜组参数d3随M3的半径r3改变而变化的情况；图11 (b)为第二镜组参数-I3-ENP2随M3的半径r3改变而变化的情况；图11 (C)为第二镜组参数I' 4随M3的半径r3改变而变化的情况；图11 (d)为第二镜组参数r4随M3的半径r3改变而变化的情况；图12 (a)为第二镜组参数d3的筛选情况；图12 (b)为第二镜组参数-I3-ENP2的筛选情况；图13为第二镜组的实际放大倍率M随迭代次数增加的收敛情况；图14 (a)为本发明的一个实施范例所选定Gl镜组光路图；图14 (b)为本发明的一个实施范例所选定G3镜组光路图；图14(c)为本发明的一个实施范例得到的三种G2镜组光路图；图14 (d)为本发明的一个实施范例得到的三种EUVL六反射物镜光路图；图15(a)为应用本发明设计方法得到的第四种EUVL六反射物镜光路图；图15 (b)为应用本发明设计方法得到的第五种EUVL六反射物镜光路图；图15 (C)为应用本发明设计方法得到的第六种EUVL六反射物镜光路图；图16为EUVL投影光刻系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。首先对本发明使用的参数定义进行说明。实际物点/像点定义为两条边缘光线的交点，实际像高/物高定义为实际像点/物点的高度；实际像面/物面定义为过实际像点/物点与光轴垂直的面；实际入瞳距为实际物面与实际入瞳面的距离；实际出瞳距为实际像面与实际出瞳面的距离；这里的实际入瞳面和实际出瞳面由离轴视场的主光线与光轴的交点确定。为了方便起见，以后的论述中，上述参量就简称为物点/像点、物高/像高、物面/像面、出瞳/入瞳等，若该参量为近轴参量时，会特别指出。为了直观起见，本发明中所涉及的光线角度均视为正角度，对于不同方向的光线角度(逆时针或者顺时针)不采用符号规则加以区分，而仅在计算公式中使用运算符号表不。步骤101、确定该光刻系统中投影物镜为六反射镜结构，并设定该投影物镜的光学系统参数；所述参数包括投影物镜的放大倍率M,物方视场高度Y0B，物方视场宽度FW0B，像方视场高度HM，像方视场宽度FWIM，像方曝光视场弦长CL，各反射镜最大主光线入射角度MAXCAl MAXCA6，投影物镜的总长度TTL，最小前工作距FWDI，以及最小后工作距BWDI (即硅片到第五反射 镜M5之间的距离)。由于光刻系统的设计要求，极紫外投影光刻物镜的系统放大倍率M通常为1/4或1/5。由几何光学原理可知YOB = YIM/ IMFffOB = FWIM/ | M若物方数值孔径为NA0，像方数值孔径为NAI，则有NAO = NAI | M选取六枚反射镜和光阑设置于光刻系统中掩膜和娃片之间，六枚反射镜及光阑的设置位置从掩膜开始沿光路方向依次为第一反射镜Ml、光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5以及第六反射镜M6,且光阑置于第二反射镜M2上,这样可以保证光阑在加工时可以实现。为了后续便于描述，可将EUVL六反射投影物镜系统PO分为三个镜组，第一反射镜组Gl包括第一反射镜Ml和第二反射镜M2 ;第二反射镜组G2包括第三反射镜M3和第四反射镜M4 ;第三反射镜组G3包括第五反射镜M5和第六反射镜M6，如图I所示。进一步确定各反射镜之间的比例参数，所述比例参数包括物方视场高度与掩膜到第一反射镜Ml距离的比例参数radi0l，第二反射镜M2到第一反射镜Ml距离与掩膜到第一反射镜Ml距离的比例参数radio2，第一反射镜Ml与第二反射镜M2出射的光线不发生遮挡的空间CLEAPE1，第五反射镜M5到第六反射镜M6间距与硅片到第五反射镜M5距离BWDI的比例参数radio3，第六反射镜M6与第五反射镜M5的入射光线不发生遮挡的空间CLEAPE6，第六反射镜M6出射的光线与第五反射镜M5不发生遮拦的空间CLEAPE5。步骤102、获取掩膜到第一反射镜Ml的距离为-I1,则Tadio1 = YOB/ 111I1 =YOlVradio1设第二反射镜M2到第一反射镜Ml的距离为-屯，则radio2 = -(I11 /1-I1 = -(I1 Tadio1ZYOBI-Cl11 = YOlVradio1 radio2进一步获取第一反射镜Ml的半径为T1 ；r:的获取原理和过程如下如图2所示，主光线104自掩膜入射至第一反射镜M1，再由Ml反射至第二反射镜M2上的情况。为了确保系统的光阑能够物理实现，保证系统无杂光，通常EUVL反射光刻物镜的光阑均位于第二反射镜M2上，即主光线通过M2的中心。根据物方主光线入射角度CA和光阑STOP位于第二反射镜M2的条件,可以计算出不同radiOi和radio2所对应的Ml的半径A。如图3所示，根据实际光线追迹公式，有
权利要求
1.一种极紫外光刻投影物镜的设计方法，其特征在于，具体步骤为 步骤101、确定光刻系统中投影物镜为六反射镜结构，并设定该投影物镜的光学系统参数；选取六枚反射镜和光阑设置于光刻系统中掩膜和娃片之间，六枚反射镜及光阑的设置位置从掩膜开始沿光路方向依次为第一反射镜Ml、光阑、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5以及第六反射镜M6,且光阑放置于第二反射镜M2上；确定各反射镜之间的比例参数； 步骤102、计算掩膜到第一反射镜Ml的距离为-I1和第二反射镜M2到第一反射镜Ml的距离为-Cl1，并获取第一反射镜Ml的当前半径为ri ； 步骤103、给定物方数值孔径NAO和物方主光线入射角度CA，根据所述-Cl1和ri，判断出步骤101中给定的光学系统参数是否合理，具体的判断过程为 步骤201、计算所述比例参数中第二反射镜M2到第一反射镜Ml距离与掩膜到第一反射 镜Ml距离之比radio2的上限值Uradio2 ； Uradio2 = I-FffDI radic^YOB 其中，FWDI为投影物镜最小物方工作距，YOB为投影物镜的物方视场高度，radi0l为物方视场高度与掩膜到第一反射镜Ml距离的比例参数； 步骤202、给定物方数值孔径NAO和物方主光线入射角度CA，设定radio2的搜索步长为 € & 设定循环次数 k = I, radio2 (I) = 0, radio2 的下限值 Dradio2 = 0 ； 步骤203、判断radio2 (k)是否小于Uradio2，若是，则进入步骤204，否则进入步骤209 ；步骤204、根据所述-Cl1和F1，根据光线追踪原理，计算出利用radio2 (k)所设计的投影系统的CLEAPE2 (k)和/或CA1 (k)，其中CLEAPE2 (k)表示第二反射镜M2与第一反射镜Ml出射的光线不发生遮挡的空间，CA1GO表示第一反射镜Ml主光线入射角度； 步骤205、对步骤204计算出参数的类型进行判断，当仅计算出CLEAPE2(k)时，则进入步骤206，当仅计算出CA1 (k)时，则进入步骤207，当同时计算出CLEAPE2 (k)和CA1 (k)时，则进入步骤208 ； 步骤206、判断CLEAPE2 (k) > 0是否成立，若是，则将此时radio2 (k)确定为radio2的下限值 Dradio2,即令 Dradio2 = radio2 (k)，进入步骤 209,否则令 k = k+1,令 radio2 (k)=radio2 (k_l) + I t2,返回步骤 203 ； 步骤207、判断CA1QO < MAXCAl是否成立，若是，则将此时radio2 (k)确定为radio2的下限值Dradio2,即令Dradio2 = radio2 (k),进入步骤209,其中MAXCAl为事先给定的第一反射镜最大主光线入射角，否则令k = k+1,令radio2 (k) = radio2 (k_l) +〖r2,返回步骤203 ； 步骤208、判断CA1QO < MAXCA与CLEAPE2 (k) > 0是否皆成立，若是，则将此时的radio2 (k)确定为radio2的下限值Dradio2,即令Dradio2 = radio2 (k),进入步骤209,否则令 k = k+1,令 radio2 (k) = radio2 (k_l) + I r2,返回步骤 203 ； 步骤209、判断Dradio2 = 0是否成立，若是，则判定所给定的投影物镜的光学系统参数不合理，不存在第二反射镜M2到第一反射镜Ml距离与掩膜到第一反射镜Ml距离的比例参数radio2,并结束,若否,输出Dradio2并进入步骤104 ； 步骤104、根据所述第二反射镜M2到第一反射镜Ml的距离-Cl1，计算第二反射镜M2的半径为r2 ；步骤105、计算出第五反射镜M5到第六反射镜M6之间的间距为d5，以及根据所述d5获取第五反射镜M5的半径r5和第六反射镜M6的半径r6 ； 步骤106、选取第三反射镜M3的半径r3，根据物象共轭关系、放大倍率关系、匹兹万和条件以及光瞳共轭关系，并利用上述确定的第一反射镜Ml、第二反射镜M2、第五反射镜M5以及第六反射镜M6的半径以及相互之间的距离，利用近轴迭代算法获取第四反射镜M4的半径r4、第三反射镜M3与第四反射镜M4的间距d3、第三反射镜M3与第二反射镜之间的距离(12、以及第四反射镜M4的像距I' 4。
步骤107、根据上述步骤计算的6枚反射镜的半径以及相应的位置关系，得到极紫外光刻投影物镜。
2.根据权利要求I所述极紫外投影光刻物镜设计方法，其特征在于，当判定Dradio2=0不成立时，在进入步骤104之前，利用radi0l进一步判断出步骤101给定的光学系统参数是否合理；具体过程为 步骤301、设定radiOi的搜索步长为€ 设定循环次数k' =Lradio1(I) =YOB/!TL，设定 N 为大于(YOB/FWDI-YOB/TTL)/ € rl 的最小整数，令 radi0l 的上限 Uradio1 = YOB/TTL+(N-I) X L1，令 radi0l 的下限 Dradio1 = YOB/TTL+(N-I) X L1，其中 YOB 为投影光刻物镜的物方视场高度，TTL为投影光刻物镜总长度，FffDI为投影光刻物镜的最小前工作距； 步骤302、判断循环次数k' >N是否成立，若是，则进入步骤306，否则令k' =k/ +1，令 radiojk' ) = Tadio1 (k; -I) + € rl,并进入步骤 303 ; 步骤303、更新投影系统中的参数radiOi为radic^ (k'),重复步骤201至209,判断Dradio2 = 0是否成立,若是则返回步骤302,否则令Dradio1 = radic^ (k'),并进入步骤304 ； 步骤304、判断循环次数k' >N是否成立，若是，则进入步骤306，否则令k' =k/ +1，令 radiojk' ) = Tadio1 (k; -I) + € rl,并进入步骤 305 ; 步骤305、更新投影系统中的参数radiOi为radic^ (k'),重复步骤201至209,判断Dradio2 = 0是否成立,若是则进入步骤306,否则令Uradio1 = radic^ (k'),并返回步骤304 ； 步骤306、判断Dradio1 = Uradio1是否成立,若是，则判定步骤101中给定系统参数不合理，并结束，若否，输出Uradio1和Dradio1并进入步骤104。
3.根据权利要求I所述极紫外投影光刻物镜设计方法，其特征在于，当计算出r2后，进一步对设定的第一反射镜Ml与第二反射镜M2出射的光线不发生遮挡的空间CLEAPE1进行判断，当CLEAPE1 > 0且CLEAPE1 < UCLEAPE1都成立时，则进入步骤105，否则判定根据所给定的系统参数不合理，并结束；其中 UCLEAPEX = Hbx--d^'radi^,2 其中hbl为上光线与第一反射镜Ml交点的高度，r I为掩膜图形经过第一反射镜Ml的像距，I2 = I/ -Cl1O全文摘要
本发明提供一种极紫外光刻投影物镜的设计方法，具体步骤为确定光刻系统中投影物镜为六反射镜结构，并设定该投影物镜的光学系统参数；选取六枚反射镜和光阑设置于光刻系统中掩膜和硅片之间，确定各反射镜之间的比例参数；根据给定的物方数值孔径和物方主光线入射角度，计算对第二反射镜M2与第一反射镜M1出射的光线不发生遮挡的空间和/或第一反射镜主光线入射角度，并根据计算出的参数判断出设定的光学系统参数是否合理，最终完成光刻投影物镜的设计。本发明能够根据不同的用户要求进行设计和搜索，避免了传统光学设计方法在现有结构上进行修改和试错的盲目性。
文档编号G03F7/20GK102681357SQ20121009757
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者刘菲, 李艳秋 申请人:北京理工大学