16_22nm极紫外光刻物镜工程化设计_曹振

第 ３３ 卷 第 ９ 期 ２０１３ 年 ９ 月
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１３
１６～２２ｎｍ 极紫外光刻物镜工程化设计
曹 振 李艳秋 刘 菲
（北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 １０００８１）
摘要 极紫外光刻是１６～２２ｎｍ 光刻技术节点的候选技术之一，其投影物镜设计需在满足像 质 和 分 辨 率 要 求 的 前 提下，兼顾工程可实现性。在考虑加工、检测和制造约束的 情 况 下，设 计 了 像 方 数 值 孔 径 分 别 为 ０．３ 和 ０．３２、曝 光 视场为２６ｍｍ×１．５ｍｍ 的极紫外光 刻 投 影 物 镜。 详 细 分 析 和 比 较 了 两 套 物 镜 的 光 学 性 能 和 可 制 造 性 。 结 果 表 明，两套物镜结合分辨率增强技术可分别满足２２ｎｍ 和１６ｎｍ 光刻技术节点的性能要求。 关 键 词 光 学 设 计 ；投 影 物 镜 ；反 射 系 统 ；极 紫 外 光 刻 中 图 分 类 号 ＴＮ３０５．７ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１３３３．０９２２００５
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｌｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ １６～２２ｎｍ Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
Ｃａｏ Ｚｈｅｎ Ｌｉ Ｙａｎｑｉｕ Ｌｉｕ Ｆｅｉ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ １３．５
０．３／０．３２ ４：１
２６×１．５ ≤０．０５ ≤２ ≤６ ≤２
３ 极紫外光刻物镜可制造性约束
物镜 设 计 在 实 现 高 像 质 和 高 分 辨 率 的 同 时，应 兼 顾 工 程 可 制 造 性 。 如 引 言 所 述 ，物 镜 的 加 工 、检 测 和制造对物镜设计提出的约束主要包括系统结构、 非球面反射镜的加 工 和 检 测、反 射 镜 上 光 线 入 射 角 控制以及制造公差等方面的诸多约束。在物镜优化 设计中必须综合考 虑 上 述 约 束 条 件，以 保 证 物 镜 良 好的工程可制造性。 ３．１ 系 统 结 构
１ 引 言
极紫外光刻（ＥＵＶＬ）是１６～２２ｎｍ 光刻技术节 点 的 候 选 技 术 之 一 ，因 曝 光 波 长 为 １３．５ｎｍ，其 投 影 物镜优化设计和制造面临较大的挑战。国外极紫外 光刻 物 镜 研 制 时 间 较 早，Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ、Ｎｉｋｏｎ 均 设 计 和 研 制 了 六 面 反 射 镜 构 成 的 极 紫 外 光 刻 物 镜 。 ［１－２］ ２００６年，荷兰 ＡＳＭＬ 开 发 了 世 界 上 第 一 台 数 值 孔 径（ＮＡ）为 ０．２５ 的 ＥＵＶＬ 样 机 ＡＤＴ，其 投 影 物 镜 包含六个 非 球 面 反 射 镜［３］。２００９ 年，用 ＡＤＴ 曝 光
实现了２８ｎｍ 特征结 构 。 ［４］ 此 后，ＡＳＭＬ 计 划 在 其 ＮＸＥ 光刻机平台上使用数值孔径为 ０．３２ 的六反射 镜极紫外光刻物镜，结 合 离 轴 照 明 等 分 辨 率 增 强 技 术实现１６～２２ｎｍ 的 光 刻 分 辨 率 。 ［５］ 近 年 来 国 内 一些单位也积极投入到高分辨率极紫外光刻物镜的 研究工作中。２００４年，李艳秋 报 ［６］ 道的 ＮＡ 为０．２５ 六反射镜极紫 外 光 刻 物 镜 的 分 辨 率 达 到 了 ５０ｎｍ。 ２００９年，杨 雄 等 报 ［７］ 道 了 ＮＡ 为 ０．２５ 的 极 紫 外 光 刻物镜。２０１１年，刘菲等 报 ［８］ 道 了 ＮＡ 为 ０．３ 的 极
Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｉｆｅｉ４１５０＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ 导师简介：李艳秋（１９６２—），女，教授，博士生导师，主要从事高分 辨 成 像 及 先 进 光 刻 技 术、传 感 与 微 系 统 技 术、微 纳 检 测
技 术 及 精 密 光 学 仪 器 等 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙａｎｑｉｕ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（通 信 联 系 人 ）
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｔｗｏ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ２２ ｎｍ ａｎｄ １６ ｎｍ ｎｏｄｅ ｏｆ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ；ｃａｔｏｐｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ２２０．２７４０；２２０．４８３０；１４０．７２４０；３４０．７４８０
收 稿 日 期 ：２０１３－０３－２７；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１３－０５－２８ 基 金 项 目 ：国 家 科 技 重 大 专 项 （２０１２ＺＸ０２７０２００１－００２） 作 者 简 介 ：曹 振 （１９８６— ），男 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 极 紫 外 光 刻 光 学 系 统 设 计 方 面 的 研 究 。
０９２２００５－１
光 学 学 报
紫 外 光 刻 物 镜 ，详 细 分 析 了 物 镜 的 光 学 性 能 ，并 初 步 分析了物镜的公 差。 在 不 考 虑 加 工、检 测 和 制 造 约 束的情 况 下，该 物 镜 结 合 分 辨 率 增 强 技 术 可 满 足 ２２ｎｍ节点需 求。 但 是，国 内 外 关 于 极 紫 外 光 刻 物 镜设计的文献很少 介 绍 加 工、检 测 和 制 造 约 束 情 况 下的工程设计及其优化。极紫外光刻物镜的可制造 性设计（或工程化 设 计），需 要 在 设 计 阶 段 考 虑 如 下 约束条件：１）系统 结 构，如 控 制 物 像 之 间 总 的 长 度、 镜片厚度和诸面之间 隔；２）所 用 非 球 面 反 射 镜 的 加 工和检测能力，如 控 制 非 球 面 度、非 球 面 梯 度、反 射 镜 口 径 、物 镜 的 制 造 公 差 ；３）控 制 反 射 镜 上 光 线 入 射 角，使经过反射镜上 多 层 膜 反 射 的 光 具 有 较 高 的 均 匀性。这些约束及其对设计和制造的影响均未被详 细研究和报道。 另外，能够满足 １６ｎｍ 光刻技术节 点性能要求的 工 程 化 极 紫 外 光 刻 物 镜 设 计 （ＮＡ 为 ０．３２）尚 未 见 报 道 。
表１ 物镜性能要求 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ Ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｅｌｄ／ｍｍ ＲＭＳ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｅｒｒｏｒ／λ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ／ｎｍ Ｃｈｉｅｆ ｒａｙ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｏｎ ｍａｓｋ／（°） Ｉｍａｇｅ ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ／ｍｒａｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ １６～２２ ｎｍ ｎｏｄｅ ｏｆ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｎｅｅｄｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｗｏ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｏｆ ０．３ ａｎｄ ０．３２，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ２６ ｍｍ×１．５ ｍｍ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ａｒｅａ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，
２ 极紫外光刻物镜性能要求
ห้องสมุดไป่ตู้
极紫外光刻物镜设计首先要满足分辨率和成像
质 量 的 要 求 。 六 反 射 镜 物 镜 可 实 现 约 ０．３ 的 数 值 孔 径，１～２ ｍｍ 的 像 方 视 场。 由 光 刻 系 统 的 理 论 可 知 ，分 辨 率
Ｒ
＝ｋ１
λ ＮＡ
，
（１）
式中ｋ１ 为工艺因 子，λ 为 曝 光 波 长。 当 曝 光 波 长 为
极紫 外 光 刻 物 镜 通 常 采 用 大 口 径，高 阶 非 球 面 系数的非球面反 射 镜。 反 射 镜 的 口 径、非 球 面 系 数 的阶数、非球面度以 及 非 球 面 梯 度 是 制 约 非 球 面 反 射镜加工和检测的关键因素。反射镜的口径过大会 给反射镜的加工和检测带来困难。通常非球面系数 的阶数越高，反 射 镜 加 工 的 难 度 越 大。 非 球 面 度 反 映非球面与基准球 面 的 偏 差，非 球 面 梯 度 是 非 球 面 度 沿 径 向 的 变 化 率 ，如 图 １ 所 示 。
为 保 证 系 统 结 构 稳 定 ，投 影 物 镜 空 间 尺 寸 （即 物 像之间总的长度）不 宜 过 长。 反 射 镜 需 要 一 定 的 厚 度以限制重力变形 和 热 变 形，因 此 设 计 时 反 射 镜 之 间应留有足够的间隔。物镜的前后工作距离不宜过 小 以 保 证 掩 模 、硅 片 的 安 放 和 机 械 扫 描 。 ３．２ 非 球 面 反 射 镜 加 工 和 检 测