一种极紫外光刻照明系统中中继镜组的设计方法

摘要

本发明提供一种极紫外光刻照明系统中中继镜组的设计方法，具体过程为：获取照明系统的出瞳直径和出瞳距离；设定一虚拟面，且虚拟面与光刻照明系统的出瞳面关于掩模面对称；设置一孔径光阑，所述孔径光阑位置与掩模面上弧形区域的位置重合，且该孔径光阑的尺寸与弧形区域的尺寸相同；令第一中继镜的非临近焦点与所述虚拟面的中心重合，且使所述虚拟面经过第一中继镜反射后成像在它的临近焦点上；令孔径光阑经过第一中继镜反射后成像在第二中继镜的临近焦点上，再经过第二中继镜反射后成像在它的非临近焦点上；利用光线追踪原理，基于所述出瞳直径、出瞳距离及两中继镜的相对位置关系，计算出两中继镜的面型参数和位置坐标。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种极紫外光刻照明系统中中继镜组的设计方法，属于光刻 照明设计技术领域。

背景技术

当前的大规模集成电路普遍采用光刻技术进行制造。光刻系统主要包含： 照明系统（包括光源和聚光镜）、掩模、投影物镜系统及晶片等四部分。光源发 出的光线经过聚光镜聚焦后入射至掩模；经过掩模后，光线经由投影系统入射 至涂有光刻胶的晶片上，这样就将掩模图形复制在晶片上。

极紫外光刻（EUVL）是以波长为11~14nm的EUV射线为曝光光源的光刻 技术，适用于特征尺寸为32nm及更小特征尺寸的集成电路的大批量生产。投影 式光刻机的核心部件是投影曝光光学系统，该系统最重要的组成部分是照明系 统和投影物镜系统。照明系统主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂 量和实现离轴照明模式。作为光刻机重要组成部分的照明系统对提高整个光刻 机性能至关重要，因此设计好照明系统是完成整个投影曝光系统的重要环节。

产业化极紫外光刻机中的照明系统通常由光源、聚光镜、双排复眼、中继 镜组构成。其中中继镜组由两片二次曲面反射镜构成，作为照明系统中的关键 部件之一，中继镜组的设计直接影响到整个系统的性能。国内外有关中继镜组 结构设计的报道非常少，为了快速而准确的设计出与指定投影物镜相匹配的照 明系统，提出一种中继镜组的设计方法是非常有必要的。

相关文献（US6840640）针对极紫外光刻照明系统中的中继镜组提出了一种 设计方法，但是通过该方法仅能确定中继镜组的面型参数，无法获取其位置坐 标。同时，该方法在计算中继镜组的面型参数时，并没有结合照明系统的相关 参数，这样当照明系统的设计指标发生变化时，无法准确的利用该方法计算获 得满足要求的照明系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种极紫外光刻照明系统中中继镜组的设计方法，该 方法可在投影物镜的相关参数发生了变化时，仍然可以快速而准确的确定中继 镜组的结构，从而成功设计出整个照明系统。

实现本发明的技术方案如下：

一种极紫外光刻照明系统中中继镜组的设计方法，该光刻照明系统沿光路 方向依次包括光源、聚光镜、双排复眼以及中继镜组构成；该方法的具体步骤 为：

步骤101、根据与所述光刻照明系统匹配的投影物镜系统的相关参数，获取 照明系统的出瞳直径和出瞳距离，同时获取掩模面弧形区域的尺寸；

步骤102、设定一虚拟面，且虚拟面与光刻照明系统的出瞳面关于掩模面对 称；

步骤103、设置一孔径光阑，所述孔径光阑位置与掩模面上弧形区域的位置 重合，且该孔径光阑的尺寸与弧形区域的尺寸相同；

步骤104、定义逆向光线追迹过程中遇到的第一片中继镜为第一中继镜，遇 到的第二片中继镜为第二中继镜，确定两片中继镜的相对位置关系，即：令第 一中继镜的非临近焦点与所述虚拟面的中心重合，且使所述虚拟面经过第一中 继镜反射后成像在它的临近焦点上；令孔径光阑经过第一中继镜反射后成像在 第二中继镜的临近焦点上，再经过第二中继镜反射后成像在它的非临近焦点上；

步骤105、利用光线追踪原理，基于所述出瞳直径、出瞳距离及两中继镜的 相对位置关系，计算出两中继镜的面型参数和位置坐标。

本发明所述步骤105的具体过程为：

步骤201、将所述虚拟面当作物面，取中心物点进行光线追迹，通过该虚拟 面与第一中继镜间的光线长度以及反射角，利用平面几何的方法，计算出第一 中继镜的面型参数；

步骤202、根据照明系统的出瞳距离和出瞳直径，利用平面几何的方法计算 出所述第一中继镜的位置坐标；

步骤203、取虚拟面中心物点进行光线追迹，通过两中继镜组间的光线长度 以及第二中继镜的反射角度，利用平面几何的方法计算出第二中继镜的面型参 数；

步骤204、利用平面几何的方法计算第二中继镜的位置坐标；

步骤205、微调第二中继镜的位置和倾斜角度，保证照明系统中的后续元件 不会发生光路遮挡。

有益效果

本发明针对极紫外光刻照明系统中的中继镜组提出了一套设计方法，依据 该方法可以快速的获得满足投影物镜要求的中继镜组结构。并且，即使投影物 镜的相关参数发生改变，依据本发明中提出的方法仍然可以快速并准确地设计 出满足要求的中继镜组结构，为整个照明系统的设计奠定了坚实的基础。

其次，本发明针对中继镜组提出的设计方法中还考虑了每一片反射镜的入 射角度，在一定程度上兼顾了离轴反射系统的机械结构设计。

附图说明

图1为产业化极紫外光刻系统结构示意图。

图2为本发明中二次曲面中继镜的邻近焦点与非邻近焦点的定义示意图。

图3为椭圆对应的局部坐标系示意图。

图4为掩模面上的弧形区域示意图。

图5为虚拟面的位置示意图。

图6为第一片中继镜的结构示意图。

图7为中继镜组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1所示是极紫外光刻系统的一个典型结构示意图。极紫外光刻复眼照明 系统为全反射离轴光学系统，通常由光源、聚光镜、双排复眼以及中继镜组构 成，其中该照明系统的像面即为光刻系统中掩模所处的平面（即掩模面）。其中 所述中继镜组由两片二次曲面反射镜构成，作为照明系统中的关键部件之一， 中继镜组的设计直接影响到整个系统的性能。

如图2所示，坐标系右侧的实线表示中继镜组，定义右侧的焦点为中继镜 的邻近焦点，左侧的焦点定义为中继镜的非邻近焦点。

如图3所示，定义椭圆对应的局部坐标系，椭圆中心为坐标系的原点。

如图4所示，极紫外光刻系统在掩模面上的光强呈弧形分布，该分布由两 个同心圆环构成。

本发明的原理为：产业化的极紫外光刻照明系统中，中继镜组由两个二次 曲面反射镜组成，其主要功能是将照明系统中的二次光源成像在系统的出瞳面 上，同时将视场复眼成像并叠加在掩模面上，从而获得良好的照明均匀性。本 发明针对该中继镜组的结构提出了一种逆向设计的方法，该方法以照明系统的 出瞳作为起点，依次计算第一中继镜、第二中继镜的面型参数和顶点坐标。

本发明极紫外光刻照明系统中中继镜组的设计方法，具体过程如下：

步骤101、根据指定的投影物镜系统的参数确定照明系统的出瞳直径D、出 瞳距离L，同时像面（掩模面）上弧形区域的尺寸。极紫外光刻的掩模面的弧形 区域是由两个同心圆构成，如图4所示其中所述弧形区域的外径R_out，弧形区域 的内径R_in，如图4所示。

步骤102、设定一虚拟面a，该虚拟面与照明系统的出瞳面关于掩模面对称， 如图5所示。为了更加简洁明了，以下步骤中所提及的出瞳面均指的是该虚拟 面a。

步骤103、设置一孔径光阑，所述孔径光阑位置与掩模面上弧形区域的位置 重合，且该孔径光阑的尺寸与弧形区域的尺寸相同。

步骤104、定义逆向光线追迹过程中遇到的第一片中继镜为第一中继镜，遇 到的第二片中继镜为第二中继镜，确定两片中继镜的相对关系，即：令第一中 继镜的非临近焦点与步骤102中的虚拟面的中心重合，且使所述虚拟面经过第一 中继镜反射后成像在它的临近焦点上；令孔径光阑经过第一中继镜反射后成像 在第二中继镜的临近焦点上，再经过第二中继镜反射后成像在它的非临近焦点 上。

步骤105、利用光线追踪原理，基于所述出瞳直径、出瞳距离及两中继镜的 相对位置关系，计算出两中继镜的面型参数和位置坐标。

步骤201、将虚拟面当作系统的物面，取中心物点进行光线追迹，通过该虚 拟面与第一片中继镜间的光线长度以及反射角，利用平面几何的方法，计算该 中继镜的面型参数。

步骤202、依据照明系统的出瞳距离和出瞳直径，利用平面几何的方法计算 出所述第一中继镜的位置坐标。

步骤203、取出瞳面中心物点进行光线追迹，通过两片中继镜组间的光线长 度以及第二片中继镜的反射角度，利用平面几何的方法，计算出第二中继镜的 面型参数。

步骤204、利用平面几何的方法计算该片中继镜的位置坐标。

步骤205、微调第二片中继镜的位置和倾斜角度，保证照明系统中的后续元 件不会发生光路遮挡。

下面对步骤201到步骤204的具体过程进行详细说明。

首先定义坐标系：以掩模面上弧形区域上的同心环的圆心作为系统的坐标 原点，以该圆心到照明系统出瞳面中心的方向作为Z轴正方向，依据右手原则 建立整个系统的坐标系，其中垂直Y-Z平面向内的方向作为X轴正方向，则系 统中所有元件均处于Y-Z平面内。

步骤301、将出瞳面当作系统的物面，取中心物点进行光线追迹。为了计算 第一中继镜的各项参数预先设定参量：物点经过第一中继镜成像后的放大倍率 τ₁；第一中继镜的光线入射角度γ₁/2；由中心物点到第一中继镜的光线长度l₁。

同时定义：入射光线与第一中继镜的旋转轴的夹角β₁；第一中继镜的反射 光线与该中继镜的旋转轴的夹角θ₁；由第一中继镜的光线入射点A1到其邻近焦 点的距离l₁₀；第一中继镜的焦距长度f₁。

步骤302、计算第一片中继镜组的面型参数。如计算图6所示，依据平面几 何的知识可得：

l₁×sinβ₁＝l₁₀×sinθ₁（1）

θ₁＝γ₁+β₁（2）

${\tau }_1=\frac{l_{10}}{l_1}=\frac{{\sin \beta }_1}{\sin ({\gamma }_1+{\beta }_1)}---\left(3\right)$

依据（1）、（2）、（3）式可得：

${\beta }_1=\arctan \left(\frac{{\tau }_1\times {\sin \gamma }_1}{1-{\tau }_1\times {\cos \gamma }_1}\right)---\left(4\right)$

依据图5所示可知：

2f₁＝l₁×cosβ₁-l₁₀×cosθ₁（5）

$f_1=\sqrt{{a_1}^2-{b_1}^2}---\left(6\right)$

a₁为确定第一中继镜的椭圆的长半轴长，b₁为确定第一中继镜的椭圆的短 半轴长；

再结合椭圆方程：

$\frac{z^2}{{a_1}^2}+\frac{y^2}{{b_1}^2}=1---\left(7\right)$

针对光线的入射点A1，它是椭圆上的一点，因此必然满足椭圆方程（7）。 根据图5所示，结合平面几何的知识可知，在该椭圆对应的局部坐标系下，A1 点的坐标为：

y＝l₁×sinβ₁（8）

z＝l₁×cosβ₁-f₁（9）

将式子（8）、（9）代入（7）式中，再结合（4）、（5）和（6）式即可计算出 第一片中继镜的面型参数。

步骤303、依据照明系统的出瞳距离、出瞳直径及平面几何的方法计算该中 继镜的位置坐标；设该第一中继镜的顶点V1坐标为（z_v1，y_v1），出瞳面中心 到第一片中继镜的顶点的距离l₀，第一中继镜的入射光线与系统Z轴的夹角α。 如图6所示则有：

$\alpha =\arctan \left(\frac{R_{\mathrm{in}}+R_{\mathrm{out}}}{2\times L}\right)---\left(10\right)$

l₀＝a₁+f₁（11）

z_v1＝l₀×cos(α+β₁)-L    （12）

y_v1＝-l₀×sin(α+β₁)（13）

由此可得，第一中继镜的倾斜角度为：

angle₁＝α+β₁（14）

步骤304、取中心物点进行光线追迹；为了计算第二中继镜的各项参数预先 设定参量：孔径光阑经过第二中继镜成像的放大倍率τ₂；第二中继镜的光线入 射角度γ₂/2；从第一中继镜的光线入射点A1到第二片中继镜的邻近焦点的距 离l₃₀。

同时定义：从第二片中继镜的光线入射点A2到其非邻近焦点的距离l₂₀； 第二中继镜的入射光线与该反射镜的旋转轴的夹角β₂；第二片中继镜的反射光 线与该反射镜的旋转轴的夹角θ₂；从第二片中继镜的光线入射点A2到其邻近焦 点的距离l₂。

步骤305、计算第二片中继镜的面型参数。如计算图7所示，依据平面几何 的知识可得：

l₂×sinβ₂＝l₂₀×sinθ₂（15）

θ₂＝γ₂+β₂（16）

${\tau }_2=\frac{l_{20}}{l_2}=\frac{{\sin \beta }_2}{\sin ({\gamma }_2+{\beta }_2)}---\left(17\right)$

依据（15）、（16）、（17）式可得：

${\beta }_2=\arctan \left(\frac{{\tau }_2\times {\sin \gamma }_2}{1-{\tau }_2\times {\cos \gamma }_2}\right)---\left(18\right)$

2f₂＝l₂×cosβ₂-l₂₀×cosθ₂（19）

其中，f₂表示的是该中继镜的焦距长度。再结合椭圆方程：

$\frac{z^2}{{a_2}^2}+\frac{y^2}{{b_2}^2}=1---\left(20\right)$

针对光线的入射点A2，它是椭圆上的一点，因此必然满足椭圆方程（20）。 根据图7所示，结合平面几何的知识可知，在该椭圆对应的局部坐标系下，A2 点的坐标为：

y＝l₂×sinβ₂（21）

z＝l₂×cosβ₂-f₂（22）

将式子（21）、（22）代入（23）式中，再结合（18）和（19）式即可计算出 第二片中继镜的面型参数。

步骤306、利用几何数学的方法计算第二片中继镜的顶点坐标。设该第二片 中继镜的顶点V2坐标为（z_v2，y_v2），首先根据图6所示，可以计算出点A1的 坐标（z_A1，y_A1）：

z_A1＝l₁×cosα-L    （23）

y_A1＝-l₁×sinα（24）

设第一片中继镜的反射光线与Z轴负方向的夹角为σ，则有：

σ＝γ₁-α（25）

结合平面几何知识，可以计算出孔径光阑经过第一片中继镜成像后的像点 位置坐标（z_{image-reticle}，y_{image-reticle}），同时也是第二片中继镜的邻近焦点的位置 坐标：

z_{image-reticle}＝z_A1-l₃₀×cosσ（26）

y_{image-reticle}＝y_A1-l₃₀×sin σ（27）

设第二片中继镜的旋转轴与Y轴的夹角为根据图7所示有：

由此可以计算出第二片中继镜的顶点坐标（z_v2，y_v2）：

同时，第一片中继镜的倾斜角度为：

本发明的实施实例：

如表1所示，首先针对一套极紫外光刻投影物镜的参数确定了照明系统的 出瞳直径、出瞳距离以及掩模面上环形视场的尺寸。

表1

出瞳直径D 102.149mm 出瞳距离L 1375.538mm 环形视场外径 122mm 环形视场内径 116mm 环形视场弦长 104mm

如表2所示给出了中继镜组结构设计所需要的参数取值。

表2

如表3所示，根据上述数据利用本方法设计出了一套中继镜组。表3中的 数据可以进行微调以满足照明系统不同的需求。

表3

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。