李美萱，董連和

(1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 量子信息技術(shù)交叉學(xué)科研究院，吉林 長春 130052；2.吉林省量子信息技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130052；3.長春理工大學(xué)，吉林 長春 130000)

引言

對于浸沒式光刻技術(shù)的研究始于1978年，美國的GCA公司推出了第一個(gè)型號(hào)為DSW4800的商業(yè)化的g線分步重復(fù)投影曝光機(jī)，該產(chǎn)品性價(jià)比高，且具備微米、亞微米級(jí)精細(xì)圖形的工業(yè)化生產(chǎn)能力，因此一經(jīng)問世就得到了國際集成電路工業(yè)界的高度重視。在1991年，美國的SVG公司還研發(fā)了一臺(tái)步進(jìn)掃描投影曝光機(jī)，它結(jié)合了高分辨率、大視場和高效率等優(yōu)點(diǎn)，適合對寬度小于0.25 μm的特征線進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)[1-2]。

美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的M.Switks和M.Roth-schild首次將浸沒式透鏡用于光刻機(jī)的物鏡設(shè)計(jì)，后來又應(yīng)用到19 nm浸液式光刻機(jī)的物鏡設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了NA=1.3。Markus Rossi 等人對光學(xué)系統(tǒng)中衍射元件雜散光的影響進(jìn)行了研究[3-4]，發(fā)現(xiàn)雜散光會(huì)嚴(yán)重影響到光學(xué)系統(tǒng)的性能，如果想使雜散光減少，將增加衍射元件的加工難度。他通過理論分析，建立了一個(gè)模型，用于估計(jì)衍射元件產(chǎn)生的雜散光對系統(tǒng)的影響情況，為衍射元件的加工提供了很好的建議。華中科技大學(xué)匡麗娟等人對會(huì)聚鏡的一些特性進(jìn)行了研究，采用光線追跡的方法，在仿真中發(fā)現(xiàn)入射光的發(fā)散角度對勻光效果有較大的影響。

隨著技術(shù)的發(fā)展和浸沒技術(shù)的加入，193 nm步進(jìn)掃描光刻機(jī)可以達(dá)到更高的節(jié)點(diǎn)[4-7]。為了實(shí)現(xiàn)對掩膜面的均勻照明，復(fù)眼透鏡中的透鏡元用來分割入射光束，并經(jīng)會(huì)聚鏡在后焦面上疊加，形成均勻的光照度分布[8]。耦合光組將勻場組件復(fù)眼和會(huì)聚鏡形成的均勻照明區(qū)域成像至掩模面上，并與會(huì)聚鏡一起，將復(fù)眼透鏡形成的陣列光斑成像至無窮遠(yuǎn)，形成對掩模面的遠(yuǎn)心均勻照明[9-12]。在勻場光學(xué)組件形成的均勻照明區(qū)域上(會(huì)聚鏡的后焦面)放置狹縫系統(tǒng)，用以調(diào)節(jié)掩模面上照明區(qū)域的大小，最終實(shí)現(xiàn)對曝光視場的調(diào)節(jié)[13]。

1 浸沒式光刻照明系統(tǒng)

整個(gè)照明系統(tǒng)包含3個(gè)主要部分，即光束傳輸及控制系統(tǒng)、光瞳變換及控制系統(tǒng)以及均勻照明系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的各種功能和性能要求，照明系統(tǒng)由實(shí)現(xiàn)不同功能的12個(gè)模塊或子系統(tǒng)組成，包括光束傳輸穩(wěn)定系統(tǒng)、光束整形系統(tǒng)、能量調(diào)整系統(tǒng)(可變衰減器)、能量探測器、照明模式變換系統(tǒng)、相干因子調(diào)整系統(tǒng)、偏振態(tài)變換系統(tǒng)、偏振態(tài)調(diào)整系統(tǒng)、復(fù)眼、會(huì)聚鏡、可動(dòng)狹縫和耦合光組。照明系統(tǒng)的功能組件框圖如圖1所示，光路圖如圖2所示。

圖1 照明系統(tǒng)的組件框圖Fig. 1 Component block diagram of illumination system

圖2 照明系統(tǒng)光路圖Fig. 2 Light path diagram ofillumination system

均勻照明系統(tǒng)包括微復(fù)眼透鏡、會(huì)聚透鏡、可變狹縫和耦合光組4個(gè)子模塊，復(fù)眼透鏡主要實(shí)現(xiàn)均勻照明，再經(jīng)會(huì)聚透鏡和耦合透鏡最終到達(dá)掩模面上。本文在設(shè)計(jì)會(huì)聚鏡時(shí)，在充分考慮了非球面加工和檢測的基礎(chǔ)上，采用了非球面技術(shù)，保證所設(shè)計(jì)的非球面在現(xiàn)有條件下能夠按照照明指標(biāo)要求加工和檢測，減少會(huì)聚鏡的鏡片數(shù)量，提高整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率[15-16]。

2 會(huì)聚鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)

會(huì)聚鏡的作用是對復(fù)眼透鏡散射光進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚鏡鏡頭的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 會(huì)聚鏡設(shè)計(jì)指標(biāo)

會(huì)聚鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。采用7片式結(jié)構(gòu)，其中5片非球面，非球面均在凹面上，所有非球面的非球面度控制在1 mm以內(nèi)。設(shè)計(jì)完成后對會(huì)聚鏡的成像質(zhì)量進(jìn)行分析，會(huì)聚鏡遠(yuǎn)心度曲線如圖4所示。會(huì)聚鏡的彌散斑直徑小于0.1 mm，80%能量對應(yīng)的彌散斑直徑最大值為60 μm，會(huì)聚鏡校正光闌像差后，數(shù)值孔徑的一致性偏差在0.2%以內(nèi)，會(huì)聚鏡存在-2.5%的畸變，像方遠(yuǎn)心度小于0.2 mrad，均能滿足會(huì)聚鏡的要求。

圖3 會(huì)聚鏡光路圖Fig. 3 Converging lens optical layout

圖4 會(huì)聚鏡遠(yuǎn)心度曲線Fig. 4 Converging lens telecentricity curve

3 會(huì)聚鏡的公差分析

3.1 會(huì)聚鏡曲率半徑公差分析

在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，將各面的曲率半徑分別從-5×10-4m改變到+5×10-4m，分析其對所有視場中遠(yuǎn)心度最大值的影響，目標(biāo)遠(yuǎn)心度為0.011 5 mrad。會(huì)聚鏡曲率半徑對遠(yuǎn)心度的影響如圖5所示。

圖5 會(huì)聚鏡曲率半徑對遠(yuǎn)心度影響分析圖Fig. 5 Analysis of influence of curvature radius on telecentricity

3.2 會(huì)聚鏡中心厚度公差分析

在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，將各透鏡的中心厚度分別改變±50 μm，分析其對遠(yuǎn)心度的影響，如圖6所示。將各透鏡厚度分別從-50 μm改變到+50 μm，分析其所有視場中遠(yuǎn)心度最大值的影響，目標(biāo)遠(yuǎn)心度為0.2 mrad。

圖6 中心厚度公差對遠(yuǎn)心度影響分析Fig. 6 Analysis of influence of center thickness tolerance on telecentricity

3.3 單面/單透鏡傾斜誤差

首先分析單面傾斜影響。由于系統(tǒng)沿光軸旋轉(zhuǎn)對稱，單面傾斜只分析每個(gè)面繞X軸方向偏心±10″時(shí)對系統(tǒng)像質(zhì)的影響，如圖7所示。

圖7 單面繞Y軸傾斜對遠(yuǎn)心度影響分析Fig.7 Analysis of influence of surface tilting along Y-axis on telecentricity

其次分析單透鏡傾斜影響。由于系統(tǒng)沿光軸旋轉(zhuǎn)對稱，單透鏡傾斜只分析每個(gè)透鏡繞X軸方向偏心±10″時(shí)對系統(tǒng)像質(zhì)的影響，如圖8所示。

圖8 單透鏡繞X軸傾斜公差對遠(yuǎn)心度影響分析Fig. 8 Analysis of influence of surface tilting along X- axis on telecentricity

以系統(tǒng)的遠(yuǎn)心度變化0.1 mrad，NA一致性變化0.1%，點(diǎn)列圖變化20 μm，焦距變化0.1 mm為公差計(jì)算的基礎(chǔ)，分配至70個(gè)誤差源，經(jīng)逐個(gè)仿真分析，會(huì)聚鏡的各公差范圍如表2所示，會(huì)聚鏡設(shè)計(jì)結(jié)果和滿足度分析結(jié)果如表3所示。

4 測試結(jié)果

采用CODE V軟件對掩模面上的光強(qiáng)分布進(jìn)行研究，對相干因子約為0.40的傳統(tǒng)照明，追跡25億條光線，在硅片面上接收到近17億條光線，計(jì)算獲得的硅片面能量分布的偽色圖如圖9所示。

表2 會(huì)聚鏡的公差要求

表3 會(huì)聚鏡設(shè)計(jì)結(jié)果和滿足度分析

圖9 掩模面能量分布的偽色圖Fig.9 Pseudo-color map of energy distribution on mask surface

對于照明系統(tǒng)的輸出面，即掩模板上的照明均勻性對于不同照明模式是不同的，照明光強(qiáng)分布的不均勻性定義表達(dá)式如(1)式：

(1)

整個(gè)周期單元光強(qiáng)分布的均方根值表達(dá)式如(2)式：

(2)

整個(gè)周期單元光強(qiáng)分布平均值表達(dá)式如(3)式：

(3)

式中：N為抽樣單元個(gè)數(shù)；Sgoal為整個(gè)周期單元個(gè)數(shù)。

照明仿真結(jié)果如表4所示。對比表中的設(shè)計(jì)要求和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，仿真獲得的硅片面上的光能分布滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 硅片面光能分布特性

5 結(jié)論

本文采用7片式透鏡結(jié)構(gòu)結(jié)合非球面技術(shù)完成了會(huì)聚鏡的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了掩模面上的均勻照明。對影響遠(yuǎn)心度的曲率半徑、中心厚度和單面/單透鏡傾斜誤差源進(jìn)行分析，給出了對應(yīng)所有視場最大遠(yuǎn)心度的光路圖。通過仿真分析獲得硅片面上光強(qiáng)不均勻性≤2.57%，滿足浸沒式光刻照明系統(tǒng)光強(qiáng)不均勻性≤3%的要求,驗(yàn)證了制定公差的合理性和可行性。