超大数值孔径浸没式物镜的研发设计
刘雅丽
摘? ?要：该文提出一种超大数值孔径光刻投影物镜。该光刻投影物镜作为光刻机曝光系统的核心模块，将掩模版上的图案以4倍缩小倍率成像于硅片面，该物镜以193 nm的准分子激光器为曝光光源，视场范围为26mm×5.5mm，光学结构不同于传统的全透射系统，引入反射镜及镜片反射面，采用折反射式光学系统结构，有利于平衡像差。浸没情况下最大数值孔径可达到1.35，可应用于前道制造45 nm关键层和非关键层的光刻工艺需求。
关键词：光刻;投影物镜;浸没;超大数值孔径
中图分类号：TH744? ? ? ? 文献标志码：A
0 引言
随着各种新兴产业的诞生与快速发展，例如无人驾驶、人脸识别和自动翻译等人工智能技术以及载人航天等其它产业地不断革新，机器的结构越来越复杂化，体积越来越微型化，算法越来越智能化等，这些都要求在尽量小体积的电子芯片上可以集成尽可能多的信息。光刻机是集成电路芯片制造产业的核心设备，因此市场对高分辨率光刻机的要求也不断提高，特别集成电路芯片的制造行业。对于曝光分系统物镜模块，研发一款超高数值孔径的投影物镜显得尤为迫切。该文基于当前市场需求提出一款超高数值孔径的浸没式投影物镜，最大数值孔径可达1.35。
1 超大数值孔径浸没式光刻投影物镜设计原理
一般光学系统的极限分辨率公式为：
式中：R为光学系统的极限分辨率;λ为光学系统的波长;NA为光学系统的数值孔径。
光刻投影物镜通过波前技术（离轴照明、偏振成像[1]、光瞳滤波、相移掩模等）突破瑞利判据的极限分辨率，分辨率公式定义为：
式中：k1为工艺因子。该工艺因子表征了光刻工艺水平的高低，工艺因子越小，说明其光刻工艺水平越高[2]。
除了优化光刻工艺水平，降低工艺因子外。提高光刻光学系统的分辨率，通常还可以采用2种方法。1）采用短波长曝光光源。2） 增大投影物镜的数值孔径。大多数光刻机的光源已从g线转向i线，目前大量使用的是248 nm波长或193 nm波长准分子激光器的光刻机。
在干燥的环境下，光刻投影物镜的数值孔径不会超过0.95，但是浸没式投影物镜的出现打破了这个局限。
数值孔径是衡量光学系统收集光的角度范围，是透镜与被检测物体之间介质的折射率n和孔径角2α半角的正弦的乘积。公式为：
NA=n×sinα
因此增大光学系统的数值孔径，除了增大孔径角2α以外，还可以通过改变透镜与被检测物体之间的折射率来实现。
浸没式投影物镜就是在投影物镜最后一片透镜与硅片之间注入浸液来增大光学系统的数值孔径。空气的折射率为1，如果在最后一片透镜与硅片之间注入水，其折射率为1.44，如此在不改变孔径角的情况下，光学系统的数值孔径明显增加，光学系统的分辨率也得到了提升。
2 浸没式光刻投影物镜设计
2.1 设计指标
浸没式光刻投影物镜设计指标及要求见表1。
2.2 工作光源
该文描述的投影物镜选用ArF光源-193 nm准分子激光器。
2.3 光学材料
随着光源波长的减小，对光学材料的要求也越来越高，对于193 nm的深紫外波段光源，光学材料需要考虑光学均匀性、折射率、应力双折射、气泡度、透过率和收缩特性等。
光学均匀性是指同一个光学材料任意两点的折射率偏差。光学材料加工退火的时候，由于炉内温度的不均匀导致材料折射率出现偏差。光学均匀性差的透镜会导致光学系统的光程差出现不规律的变化，影响光学系统的成像质量。高分辨率的光刻投影物镜，光学材料的均匀性必须满足零级别的要求[3]。
光刻物镜对光学材料折射率的要求极高，尤其是折射率的精度需求。高分辨率的光刻物镜，要求光学材料的折射率偏差需控制在1 ppm～3 ppm。
应力双折射是指光学材料内部产生形变，同时出现大小相等方向相反的抵抗产生应变的反作用力。这是由于退货过程中炉内温度场分布不均导致的。因为应力的存在，光学镜片在加工过程中可能出现炸裂，同时应力也会使投影物镜的成像质量下降。
光学材料中的气泡类似于微透镜，光束通过气泡度不高的透镜会产生杂散光。
透过率是光学材料非常重要的参数，对于193 nm波长的光源来讲，大多数光学材料的透过率都非常低，只有熔石英和氟化钙可以使用。
收缩特性是指光学材料吸收部分光束后出现膨胀，光学材料的密度发生变化，在光刻光学系统中，微小的位移也会影响成像质量。
浸没式投影物镜需要在最后一片透镜与硅片之间引入液体，本款投影物镜引入水，因此除了需要考虑上述光学材料性能外，对于浸没式投影物镜，还要考虑光学材料的水溶性。
由于浸没液与最后一片透镜的光学材料的选择可以提高数值孔径，需要考虑系统的最后一片透镜的材料。SiO2的激光工作波段窄，其线宽仅为1 pm，当用传输大功率激光时，容易使密度发生变化（压缩和稀疏），且此时对光吸收增强，而CaF2不容易出现。但是CaF2溶解于水，这样就减少了光学系统的使用寿命[4]。
综合考虑以上的各项光学材料性能，深紫外波段投影物镜的光学材料仅可以选择熔石英和氟化钙，Silica除了在193 nm波段具有良好的光学性能外，价格也相对便宜，因此对于193 nm的光刻物镜，熔石英为首选光学材料。再加上该文描述的浸没投影物镜的浸没液为水，考虑Silica光學材料良好的水溶性，最后一片光学镜片也采用Silica光学材料。
3 大数值孔径光刻投影物镜光学结构分析
3.1 使用浸没式增大光学结构的数值孔径
根据光刻投影物镜分辨率公式的定义，实现高分辨的光刻投影物镜，一方面可以缩短光源的波长，该文光刻物镜采用ArF-193nm准分子激光器为光源，另外一方面还可以提高物镜的数值孔径，该文提出的光刻投影物镜采用浸没式，即在投影物镜的最后一片透镜与硅片面之间引入浸液，突破了干燥环境物镜数值孔径最大极限为0.95的约束，实现了超高数值孔径的需求，最大数值孔径可达到1.35。
3.2 使用折反射式结构来校正像差
随着光源波长的减小，对光学材料的要求也越来越高，根据2.2节中的分析，对于193 nm波长的光源，可选用的光学材料非常有限，仅有融石英和CaF2，又考虑到CaF2的水溶性问题，因此仅选择融石英为整个光学系统的光学材料，这样所选的光学材料阿贝数相同，不利于光学系统色差的校正。
光学系统数值孔径NA的增大，光学系统为了更好地校正像差，尤其是色差、场曲等像质，光学结构会越来越复杂，折反射式结构可以帮助更好地校正像差。因为凹面反射镜相当于具有正光焦度地透镜，与负透镜组合使用时，可以很好地校正光学系统地场曲，同时不产生色差[5]。因此折反射式投影物镜是短波长高数值孔径系统结构的必然趋势。
3.3 使用非球面
在光学系统中引入非球面，给光学系统地设计带来了更多的自由度，在更好地校正光学系统像差的同时，降低了光学系统的复杂度，减少了光学系统中镜片的数量，同时缩短了光学系统的总长。
非球面的计算公式如下：
式中：z为非球面的表面矢高，c为表面中心曲率半径，h为到中心的距离。K为圆锥曲线系数，A、B、C、D、E、F分别为4次、6次、8次、10次、12次、14次非球面系数。
3.4 使用中间像面及约束入射角来控制系统的孔径
光学系统的数值孔径越大，镜片的口径也会越大，尤其是凸透镜的口径，这不仅给光学制造和检测带来很大的挑战，同时也使成本急剧增加。該文提出的光刻投影物镜结构，采用两次中间像面成像，并约束光学系统光线的入射角度来实现光学镜片口径的约束。
4 大数值孔径的光刻投影物镜结构设计
该文设计的超大数值孔径浸没式投影物镜结构如图1所示。整个结构包含17块球面透镜、6个非球面透镜、4个反射镜、3个平板镜片。采用折反射式结构，像方浸液为水。
图1中G1为第一透镜组;G2为第二透镜组;G3为第三透镜组;M1、M2、M3为3个反射镜;L1-L4为负弯月透镜;L11为负弯月透镜的前表面;OS为掩模;AS为光阑;IS为像平面。
整体结构总共分为3组透镜组：G1、G2和G3。掩膜板上的图案通过第一透镜组G1成像在第一个中间像面上，然后再通过第二镜组G2成像在第二个中间像面上，最后再通过镜组G3最终成像在硅片面上。
镜组G1中采用2个凹面反射面与2个弯月透镜组合，由于弯月透镜产生负的光焦度，凹面反射面产生正的光焦度，从而很好地校正了第一个中间像面的像质。
第一个中间成像良好地像差校正，同时约束镜组2初始入射光线的入射角小于38°，这样不仅很好地优化了第二组透镜组G2的光学镜片口径，最大光学镜片口径为258 mm，从而降低了光学元件的加工及检测难度;而且降低了光学镜片的膜层的设计难度，有利于提高光学系统透过率。
光学结构中6个非球面的设计减少了整个系统光学镜片的数量，同时将光学系统的总长很好地控制在1 300 mm以内。
5 浸没式光刻投影物镜设计结果
从表3可以看出，设计结果明显优于指标要求，波像差为0.5 nm，为指标要求1 nm的1/2，畸变的设计结果为2 nm，远优于设计指标。
6 结论
该文提出的物镜以193 nm的准分子激光器为曝光光源，视场范围为26 mm×5.5 mm，光学结构为折反射浸没式光刻投影物镜。浸没情况下最大数值孔径可达到1.35，像质指标设计结果明显优于指标要求，波像差为0.5 nm，为指标要求1 nm的1/2，畸变的设计结果为2 nm，远优于设计指标。
参考文献
[1]孙磊，戴庆元，乔高帅.从特征尺寸的缩小看光刻技术的发展[J].显微、测量、微细加工技术与设备，2009，36（3）：187-188.
[2]姚汉民，胡松，邢廷文.光学投影曝光微纳加工技术[M].北京：北京工业大学出版社，2006：20-40.
[3]徐德衍.现行光学元件检测与国际标准[M].北京：科学出版社，2009：64-65.
[4]杜伟峰.深紫外浸没式光刻投影物镜设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：33-42.
[5]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2006：104-127.
