极紫外投影光刻两镜微缩投影系统的光学设计

    引 言

    极紫外投影光刻(Extreme Ultraviolet Lithography-EUVL)是最具有竞争力的新一代光刻技术，使用的是13.0~13.5nm 波段的光源，理论上适用于特征尺寸为 70~30nm 的超大规模集成电路的生产制造。目前 EUVL正朝向 32nm 技术节点迈进，预计 2010 年将到达 45nm 技术节点。EUVL 的微缩投影光学系统受其工作波段限制，只能采用全反射式系统。考虑到光源功率、扫描曝光时掩模和硅片位于系统同侧引起的硅片移动受限、增加表面所导致的反射光相互干涉、光路内机械结构的遮拦影响，系统要采用尽可能少的偶数片光学元件。因此，极紫外光刻光学系统的设计集中在不多于六片光学元件的光学系统方面。两镜系统的研究是 EUVL 微缩投影光学系统各阶段研究的先导，在 EUVL 发展中起到重要作用。微缩比为 10~20 的Schwarzschild 物镜多用于做初期极紫外光刻技术的可行性分析[1-3]；具有环形视场、分辨力为 100nm 的平场两镜结构用于无遮拦、扫描曝光系统的初步研究[4-5]；矩形视场、数值孔径(NA)为 0.3 的平场两镜结构应用于目前研制的 EUVL 32nm 技术节点的小视场曝光系统[6-7]。本文分析了这三种系统的设计特点，依据Dietrich Korsch 建立的有限距两镜系统初级像差公式[8]，求出了消球差、慧差、像散及场曲的非球面两镜系统初始结构参数。在此基础上设计了 NA 为 0.15、分辨力优于 70nm、环形视场为 1mm×16mm 和 NA 为 0.3、分辨力优于 32nm、矩形视场为 300µm×500µm 的两套平场结构微缩投影物镜。

    1 EUVL 微缩投影光学系统的要求

    分辨力(RES)和焦深(DOF)是极紫外投影光刻成像系统的重要参量，二者由夫琅和费(Fraunhofer)公式和瑞利(RayIeigh)公式给出[9]：

    式中：k1、k2是与系统工艺相关的。在通常的衍射限制的成像系统定义中 k1、k2均取 1/2，在 EUV 光刻系统中 k1可取 0.75。λ 是成像系统所使用的波长，NA 是数值径。从(1)式中可看出，提高分辨力可以通过减小 λ 和提高 NA 来达到。然而，在提高 NA 导致 DOF 减小不利于光刻系统的调整。为此，数值孔径 NA值的选取要适当。为了满足高精度的成像质量要求，许多光学系统要求达到近衍射极限的分辨力，根据Rayleigh 1/4 波长原则和 Marechal 条件，其综合波像差分别为δ=1/4λ 峰谷值(P-V)，σ =1/14λ 均方根值(RMS)。而分配到每个光学元件的面形精度要求更高，分别为

    式中 n 为光学元件的个数。近年来非球面加工检测技术不断进步，Nikon 制造的 HiNA 所使用非球面反射镜的面形精度已达到 0.18 nm RMS(均方根值)[10]，装调后最终系统的波像差为 0.9 nm RMS[11]。

    2 Schwarzschild 光学系统