本文關(guān)鍵詞：浸沒式ArF光刻物鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)及像差控制

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【摘要】：超大數(shù)值孔徑(Numerical Aperture,簡稱NA)浸沒式氟化氬(Argon Fluoride,簡稱ArF)光刻機(jī),結(jié)合多種新型分辨率增強(qiáng)技術(shù)(Resolution Enhancement Technology,簡稱RET)可實(shí)現(xiàn)45-14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)集成電路制造,光刻機(jī)照明系統(tǒng)和物鏡系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)RET預(yù)言的結(jié)構(gòu)和性能。國外浸沒式光刻機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,技術(shù)相對成熟,而我國基礎(chǔ)相對薄弱,比國際落后幾代,同時,國際上對中國進(jìn)口先進(jìn)或高端光刻機(jī)進(jìn)行限制。因此,我國必須自主設(shè)計(jì)研制超大NA浸沒式光刻機(jī)。浸沒式(NA1)光刻物鏡是現(xiàn)代最精密、最復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)之一,二十余枚鏡片的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度極大,設(shè)計(jì)和優(yōu)化參數(shù)的維度極高,常規(guī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法難以獲得滿足光刻性能要求的物鏡。另一方面,浸沒式光刻采用偏振成像。因此,在物鏡設(shè)計(jì)過程中,不僅要控制物鏡波像差(波像差僅僅是偏振像差的子像差之一),更要全面控制物鏡系統(tǒng)的偏振像差�，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究偏振像差的表征及其對光刻成像的影響。針對具體浸沒式光刻物鏡設(shè)計(jì),尚沒有全面和系統(tǒng)地研究和報道偏振像差分析和控制方法。此外,對光刻物鏡加工、檢測及集成的精度要求極高,必須在設(shè)計(jì)優(yōu)化光刻物鏡,以及確定光刻物鏡加工公差和集成精度的過程中,研發(fā)各個環(huán)節(jié)像差控制方法和技術(shù)。本文面向國家科技重大專項(xiàng)(極大規(guī)模集成電路裝備及成套工藝)的需求,完成了如下研究工作:一、浸沒式光刻物鏡的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及多維度參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。對比研究了國際上浸沒式光刻物鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定了含兩枚反射鏡的同軸折反結(jié)構(gòu)為初始結(jié)構(gòu)。研究了各子鏡組的設(shè)計(jì)特點(diǎn),建立了本文的研究基礎(chǔ)。分析研究和明確了該物鏡的工程化約束條件,提高了物鏡設(shè)計(jì)的可制造性。本文提出了多維度參數(shù)優(yōu)化方法,有效解決了折反式光刻物鏡優(yōu)化變量較多,結(jié)構(gòu)變量空間的維數(shù)較高導(dǎo)致的優(yōu)化難題。具體方法和實(shí)施過程:利用CODE V并結(jié)合人工干預(yù)方法和加減鏡片來逐步進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),不同設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段確定了不同約束條件和優(yōu)化變量類型,最終高效穩(wěn)定地獲得了滿足設(shè)計(jì)要求的物鏡結(jié)構(gòu)。應(yīng)用該優(yōu)化技術(shù),本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了三套浸沒式光刻物鏡結(jié)構(gòu),其NA分別為1.2、1.25以及1.35。對于NA1.2雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng),全視場內(nèi)單色波像差RMS值達(dá)到1nm以下,畸變小于0.5nm,滿足物鏡系統(tǒng)各項(xiàng)幾何光學(xué)指標(biāo)的要求。對于特征尺寸為45nm的密集線條,僅考慮物鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)引起的波像差,其特征尺寸誤差(cderror,簡稱cde)最大僅為0.1nm,圖形位置偏移誤差(pe)小于0.4nm。二、偏振像差的影響及控制技術(shù)研究。分別研究了物鏡系統(tǒng)光學(xué)薄膜和氟化鈣透鏡雙折射兩個關(guān)鍵因素獨(dú)立引起的偏振像差特點(diǎn)及分布規(guī)律,為偏振像差的分析及控制提供了物理光學(xué)研究基礎(chǔ)。以na1.2物鏡系統(tǒng)為研究對象,對比研究了裸鏡系統(tǒng)和規(guī)整膜系統(tǒng)的偏振像差及其對光刻性能影響,并在物鏡設(shè)計(jì)階段比較系統(tǒng)地研究了偏振像差中各子像差對光刻性能之間的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,偏振像差中的標(biāo)量變跡和雙向衰減子像差是引起cd誤差的主要因素,標(biāo)量相位和雙向延遲子像差是引起圖形偏移的主要因素,對于te偏振光照明,旋轉(zhuǎn)子像差對光刻性能無影響。同時研究結(jié)果表明,傳統(tǒng)規(guī)整膜引起的物鏡系統(tǒng)的雙向衰減仍然較大,引起嚴(yán)重的cde。進(jìn)而,本文提出了協(xié)同控制非規(guī)整膜層與氟化鈣偏振效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。該方法首先在大入射角度的表面上進(jìn)行特定的非規(guī)整膜層設(shè)計(jì),然后將膜層與氟化鈣雙折射效應(yīng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化,獲取最佳晶軸取向,實(shí)現(xiàn)兩者之間的最佳補(bǔ)償,最終,有效地降低了系統(tǒng)偏振像差。較規(guī)整膜系統(tǒng),偏振像差控制后的系統(tǒng),雙向衰減減小了90%,雙向延遲減小了26%。45nm不同周期線條下,全視場范圍內(nèi),圖形偏移誤差均在3.4nm以下,cd誤差的變化范圍由控制前的-12.7nm~+4.3nm縮小到-0.1nm~+0.9nm。在本項(xiàng)研究工作中,開發(fā)了自動獲取單一偏振子像差的瓊斯光瞳的程序,單一表面引起的偏振像差獲取程序、全視場范圍內(nèi)入射到鏡片各表面的角度分析程序,氟化鈣引起的偏振像差分析程序,膜層偏振效應(yīng)及晶體雙折射效應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)程序等,拓展了商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的功能,在光學(xué)系統(tǒng)的偏振像差分析及控制中發(fā)揮了重要作用。三、公差分析和像差控制及補(bǔ)償技術(shù)研究。針對所設(shè)計(jì)的na1.2浸沒式光刻物鏡,進(jìn)行了詳盡的公差分析及補(bǔ)償器優(yōu)選。特別針對透鏡加工后的面形誤差補(bǔ)償問題,本文提出了兩種有效的補(bǔ)償方法。一是基于模擬退火算法的面形自動匹配優(yōu)化方法。該方法是依據(jù)面形誤差的非旋轉(zhuǎn)對稱性和各表面面形誤差相互補(bǔ)償?shù)脑?首先建立了面形誤差與其影響的波像差的解析關(guān)系,依此關(guān)系和各表面的有效通光區(qū)域,建立了面形匹配的全局優(yōu)化方法,最終自動獲取最佳元件旋轉(zhuǎn)角度組合,實(shí)現(xiàn)了諸多面形誤差之間的最佳補(bǔ)償效果。二是利用補(bǔ)償面來補(bǔ)償其余表面面形誤差的方法。該方法依據(jù)波像差互補(bǔ)的補(bǔ)償原理,建立了一種確定補(bǔ)償面的面形誤差函數(shù)的計(jì)算方法。通過模擬裝調(diào)na1.2物鏡系統(tǒng),驗(yàn)證了兩種方法的有效性。上述兩種方法均可應(yīng)用到幾乎所有的成像光學(xué)系統(tǒng)中,具有普適性和較強(qiáng)的工程實(shí)用價值。四、實(shí)驗(yàn)型深紫外光刻物鏡的研制和像差控制及補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)并研制了國內(nèi)首套ArF光源(193nm波長)實(shí)驗(yàn)型投影光刻物鏡。該物鏡采用一種新型折反式Schwarzschild的物鏡結(jié)構(gòu),工作帶寬達(dá)100pm、數(shù)值孔徑達(dá)0.75,且接近衍射極限的成像性能。重點(diǎn)針對裝配過程中像差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了深入研究。研究表明:半徑誤差和厚度誤差對系統(tǒng)波像差的影響,可通過優(yōu)化空間間隔,幾乎得到完全補(bǔ)償;應(yīng)用本文提出的面形匹配優(yōu)化方法,物鏡的象散和彗差顯著降低,系統(tǒng)波像差RMS由匹配前的0.35λ降低至0.11λ,像質(zhì)提高了65%;應(yīng)用本文提出的補(bǔ)償面法,其余表面的面形誤差幾乎被完全補(bǔ)償,波像差RMS可降低至0.04λ,像質(zhì)較補(bǔ)償前提高了84%。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN305.7

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本文編號：1209471