超大數值孔徑浸沒式物鏡的研發設計

劉雅麗

摘? ?要：該文提出一種超大數值孔徑光刻投影物鏡。該光刻投影物鏡作為光刻機曝光系統的核心模塊，將掩模版上的圖案以4倍縮小倍率成像于硅片面，該物鏡以193 nm的準分子激光器為曝光光源，視場范圍為26mm×5.5mm，光學結構不同于傳統的全透射系統，引入反射鏡及鏡片反射面，采用折反射式光學系統結構，有利于平衡像差。浸沒情況下最大數值孔徑可達到1.35，可應用于前道制造45 nm關鍵層和非關鍵層的光刻工藝需求。

關鍵詞：光刻;投影物鏡;浸沒;超大數值孔徑

中圖分類號：TH744? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著各種新興產業的誕生與快速發展，例如無人駕駛、人臉識別和自動翻譯等人工智能技術以及載人航天等其它產業地不斷革新，機器的結構越來越復雜化，體積越來越微型化，算法越來越智能化等，這些都要求在盡量小體積的電子芯片上可以集成盡可能多的信息。光刻機是集成電路芯片制造產業的核心設備，因此市場對高分辨率光刻機的要求也不斷提高，特別集成電路芯片的制造行業。對于曝光分系統物鏡模塊，研發一款超高數值孔徑的投影物鏡顯得尤為迫切。該文基于當前市場需求提出一款超高數值孔徑的浸沒式投影物鏡，最大數值孔徑可達1.35。

1 超大數值孔徑浸沒式光刻投影物鏡設計原理

一般光學系統的極限分辨率公式為：

式中：R為光學系統的極限分辨率;λ為光學系統的波長;NA為光學系統的數值孔徑。

光刻投影物鏡通過波前技術（離軸照明、偏振成像[1]、光瞳濾波、相移掩模等）突破瑞利判據的極限分辨率，分辨率公式定義為：

式中：k1為工藝因子。該工藝因子表征了光刻工藝水平的高低，工藝因子越小，說明其光刻工藝水平越高[2]。

除了優化光刻工藝水平，降低工藝因子外。提高光刻光學系統的分辨率，通常還可以采用2種方法。1）采用短波長曝光光源。2） 增大投影物鏡的數值孔徑。大多數光刻機的光源已從g線轉向i線，目前大量使用的是248 nm波長或193 nm波長準分子激光器的光刻機。

在干燥的環境下，光刻投影物鏡的數值孔徑不會超過0.95，但是浸沒式投影物鏡的出現打破了這個局限。

數值孔徑是衡量光學系統收集光的角度范圍，是透鏡與被檢測物體之間介質的折射率n和孔徑角2α半角的正弦的乘積。公式為：

NA=n×sinα

因此增大光學系統的數值孔徑，除了增大孔徑角2α以外，還可以通過改變透鏡與被檢測物體之間的折射率來實現。

浸沒式投影物鏡就是在投影物鏡最后一片透鏡與硅片之間注入浸液來增大光學系統的數值孔徑。空氣的折射率為1，如果在最后一片透鏡與硅片之間注入水，其折射率為1.44，如此在不改變孔徑角的情況下，光學系統的數值孔徑明顯增加，光學系統的分辨率也得到了提升。

2 浸沒式光刻投影物鏡設計

2.1 設計指標

浸沒式光刻投影物鏡設計指標及要求見表1。

2.2 工作光源

該文描述的投影物鏡選用ArF光源-193 nm準分子激光器。

2.3 光學材料

隨著光源波長的減小，對光學材料的要求也越來越高，對于193 nm的深紫外波段光源，光學材料需要考慮光學均勻性、折射率、應力雙折射、氣泡度、透過率和收縮特性等。

光學均勻性是指同一個光學材料任意兩點的折射率偏差。光學材料加工退火的時候，由于爐內溫度的不均勻導致材料折射率出現偏差。光學均勻性差的透鏡會導致光學系統的光程差出現不規律的變化，影響光學系統的成像質量。高分辨率的光刻投影物鏡，光學材料的均勻性必須滿足零級別的要求[3]。

光刻物鏡對光學材料折射率的要求極高，尤其是折射率的精度需求。高分辨率的光刻物鏡，要求光學材料的折射率偏差需控制在1 ppm～3 ppm。

應力雙折射是指光學材料內部產生形變，同時出現大小相等方向相反的抵抗產生應變的反作用力。這是由于退貨過程中爐內溫度場分布不均導致的。因為應力的存在，光學鏡片在加工過程中可能出現炸裂，同時應力也會使投影物鏡的成像質量下降。

光學材料中的氣泡類似于微透鏡，光束通過氣泡度不高的透鏡會產生雜散光。

透過率是光學材料非常重要的參數，對于193 nm波長的光源來講，大多數光學材料的透過率都非常低，只有熔石英和氟化鈣可以使用。

收縮特性是指光學材料吸收部分光束后出現膨脹，光學材料的密度發生變化，在光刻光學系統中，微小的位移也會影響成像質量。

浸沒式投影物鏡需要在最后一片透鏡與硅片之間引入液體，本款投影物鏡引入水，因此除了需要考慮上述光學材料性能外，對于浸沒式投影物鏡，還要考慮光學材料的水溶性。

由于浸沒液與最后一片透鏡的光學材料的選擇可以提高數值孔徑，需要考慮系統的最后一片透鏡的材料。SiO2的激光工作波段窄，其線寬僅為1 pm，當用傳輸大功率激光時，容易使密度發生變化（壓縮和稀疏），且此時對光吸收增強，而CaF2不容易出現。但是CaF2溶解于水，這樣就減少了光學系統的使用壽命[4]。

綜合考慮以上的各項光學材料性能，深紫外波段投影物鏡的光學材料僅可以選擇熔石英和氟化鈣，Silica除了在193 nm波段具有良好的光學性能外，價格也相對便宜，因此對于193 nm的光刻物鏡，熔石英為首選光學材料。再加上該文描述的浸沒投影物鏡的浸沒液為水，考慮Silica光學材料良好的水溶性，最后一片光學鏡片也采用Silica光學材料。

3 大數值孔徑光刻投影物鏡光學結構分析

3.1 使用浸沒式增大光學結構的數值孔徑

根據光刻投影物鏡分辨率公式的定義，實現高分辨的光刻投影物鏡，一方面可以縮短光源的波長，該文光刻物鏡采用ArF-193nm準分子激光器為光源，另外一方面還可以提高物鏡的數值孔徑，該文提出的光刻投影物鏡采用浸沒式，即在投影物鏡的最后一片透鏡與硅片面之間引入浸液，突破了干燥環境物鏡數值孔徑最大極限為0.95的約束，實現了超高數值孔徑的需求，最大數值孔徑可達到1.35。

3.2 使用折反射式結構來校正像差

隨著光源波長的減小，對光學材料的要求也越來越高，根據2.2節中的分析，對于193 nm波長的光源，可選用的光學材料非常有限，僅有融石英和CaF2，又考慮到CaF2的水溶性問題，因此僅選擇融石英為整個光學系統的光學材料，這樣所選的光學材料阿貝數相同，不利于光學系統色差的校正。

光學系統數值孔徑NA的增大，光學系統為了更好地校正像差，尤其是色差、場曲等像質，光學結構會越來越復雜，折反射式結構可以幫助更好地校正像差。因為凹面反射鏡相當于具有正光焦度地透鏡，與負透鏡組合使用時，可以很好地校正光學系統地場曲，同時不產生色差[5]。因此折反射式投影物鏡是短波長高數值孔徑系統結構的必然趨勢。

3.3 使用非球面

在光學系統中引入非球面，給光學系統地設計帶來了更多的自由度，在更好地校正光學系統像差的同時，降低了光學系統的復雜度，減少了光學系統中鏡片的數量，同時縮短了光學系統的總長。

非球面的計算公式如下：

式中：z為非球面的表面矢高，c為表面中心曲率半徑，h為到中心的距離。K為圓錐曲線系數，A、B、C、D、E、F分別為4次、6次、8次、10次、12次、14次非球面系數。

3.4 使用中間像面及約束入射角來控制系統的孔徑

光學系統的數值孔徑越大，鏡片的口徑也會越大，尤其是凸透鏡的口徑，這不僅給光學制造和檢測帶來很大的挑戰，同時也使成本急劇增加。該文提出的光刻投影物鏡結構，采用兩次中間像面成像，并約束光學系統光線的入射角度來實現光學鏡片口徑的約束。

4 大數值孔徑的光刻投影物鏡結構設計

該文設計的超大數值孔徑浸沒式投影物鏡結構如圖1所示。整個結構包含17塊球面透鏡、6個非球面透鏡、4個反射鏡、3個平板鏡片。采用折反射式結構，像方浸液為水。

圖1中G1為第一透鏡組;G2為第二透鏡組;G3為第三透鏡組;M1、M2、M3為3個反射鏡;L1-L4為負彎月透鏡;L11為負彎月透鏡的前表面;OS為掩模;AS為光闌;IS為像平面。

整體結構總共分為3組透鏡組：G1、G2和G3。掩膜板上的圖案通過第一透鏡組G1成像在第一個中間像面上，然后再通過第二鏡組G2成像在第二個中間像面上，最后再通過鏡組G3最終成像在硅片面上。

鏡組G1中采用2個凹面反射面與2個彎月透鏡組合，由于彎月透鏡產生負的光焦度，凹面反射面產生正的光焦度，從而很好地校正了第一個中間像面的像質。

第一個中間成像良好地像差校正，同時約束鏡組2初始入射光線的入射角小于38°，這樣不僅很好地優化了第二組透鏡組G2的光學鏡片口徑，最大光學鏡片口徑為258 mm，從而降低了光學元件的加工及檢測難度;而且降低了光學鏡片的膜層的設計難度，有利于提高光學系統透過率。

光學結構中6個非球面的設計減少了整個系統光學鏡片的數量，同時將光學系統的總長很好地控制在1 300 mm以內。

5 浸沒式光刻投影物鏡設計結果

從表3可以看出，設計結果明顯優于指標要求，波像差為0.5 nm，為指標要求1 nm的1/2，畸變的設計結果為2 nm，遠優于設計指標。

6 結論

該文提出的物鏡以193 nm的準分子激光器為曝光光源，視場范圍為26 mm×5.5 mm，光學結構為折反射浸沒式光刻投影物鏡。浸沒情況下最大數值孔徑可達到1.35，像質指標設計結果明顯優于指標要求，波像差為0.5 nm，為指標要求1 nm的1/2，畸變的設計結果為2 nm，遠優于設計指標。

參考文獻

[1]孫磊，戴慶元，喬高帥.從特征尺寸的縮小看光刻技術的發展[J].顯微、測量、微細加工技術與設備，2009，36（3）：187-188.

[2]姚漢民，胡松，邢廷文.光學投影曝光微納加工技術[M].北京：北京工業大學出版社，2006：20-40.

[3]徐德衍.現行光學元件檢測與國際標準[M].北京：科學出版社，2009：64-65.

[4]杜偉峰.深紫外浸沒式光刻投影物鏡設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012：33-42.

[5]郁道銀，談恒英.工程光學[M].北京：機械工業出版社，2006：104-127.