光刻機(jī)照明系統(tǒng)中繼鏡組的光場(chǎng)均勻性優(yōu)化設(shè)計(jì)

龔爽，楊寶喜，黃惠杰

（1 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海201800）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引言

光刻機(jī)是超大規(guī)模集成電路加工的關(guān)鍵設(shè)備，照明系統(tǒng)作為核心部件之一，其作用是將光源發(fā)出的光束進(jìn)行整形勻化后照明掩模面，再由投影物鏡系統(tǒng)將掩模面上的圖形復(fù)制到硅片表面。為了提高光刻分辨率和成像對(duì)比度并改善焦深，需要根據(jù)不同的掩模圖形來(lái)調(diào)整照明模式［1］。光刻機(jī)通常采用改變照明光束數(shù)值孔徑大小和出射光瞳形狀的方式來(lái)調(diào)整照明模式。光刻機(jī)中繼鏡組的主要功能是照明光場(chǎng)的中繼傳遞，將狹縫面的刀口像成像在掩膜面上，在傳遞過(guò)程中要盡量減小照明均勻性的惡化［1］。在傳統(tǒng)成像光學(xué)鏡頭自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，一般采用波像差、彌散斑或光學(xué)傳遞函數(shù)作為評(píng)價(jià)函數(shù)。因此，采用傳統(tǒng)像差評(píng)價(jià)方式無(wú)法全面、完整地滿足中繼鏡組的性能評(píng)價(jià)需求。在光刻機(jī)照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，評(píng)價(jià)不同數(shù)值孔徑大小和不同光瞳形狀下的照明光場(chǎng)不均勻性［2-3］。

傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的照度計(jì)算基于蒙特卡洛方法，通過(guò)追跡大量光線來(lái)獲取像面照度，其結(jié)果的精確程度與追跡光線的數(shù)量有關(guān)［4-5］，使用這種計(jì)算方法在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)會(huì)造成計(jì)算量過(guò)大，優(yōu)化速度較慢以及難以收斂的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外通用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件（例如CodeV 和Zemax）中，仍然采用像方視場(chǎng)角余弦四次方的計(jì)算方式［6-7］，在大量工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)通過(guò)傳統(tǒng)算法設(shè)計(jì)得到的預(yù)期照度分布與實(shí)際分布差別較大［8］。對(duì)于像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，像方的視場(chǎng)角為0°，則像平面的相對(duì)照度為1，光場(chǎng)完全均勻，這個(gè)結(jié)論是值得懷疑的。針對(duì)像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，屈恩世等［9］提出以入瞳模式為參考的照度計(jì)算模型，得出了以物方視場(chǎng)角余弦四次方的照度計(jì)算方法。陳琛等［10］提出針對(duì)物方大視場(chǎng)的相似成像物鏡系統(tǒng)和非相似成像系統(tǒng)的相對(duì)照度計(jì)算方法。光刻機(jī)照明系統(tǒng)中繼鏡組具有雙遠(yuǎn)心以及光瞳連續(xù)可調(diào)的特征，上述算法仍然不適用于中繼鏡組的像面相對(duì)照度計(jì)算。

本文針對(duì)光刻機(jī)照明系統(tǒng)，提出利用出射光瞳數(shù)值孔徑（Numerical Aperture，NA）來(lái)表征照明系統(tǒng)掩膜面照度的方法，可快速計(jì)算出各照明參數(shù)下的照明光場(chǎng)均勻性，并利用均勻性作為自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中的評(píng)價(jià)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了光刻機(jī)照明系統(tǒng)中繼鏡組，并對(duì)設(shè)計(jì)得到的中繼鏡組進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本原理與概念

1.1 投影式光刻機(jī)的光學(xué)原理

投影式光刻機(jī)照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1［11］所示。光源經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直與傳輸后進(jìn)入光瞳整形單元，然后再經(jīng)過(guò)照明勻化單元來(lái)實(shí)現(xiàn)特定分布的照明光場(chǎng)，掃描狹縫用來(lái)確定曝光視場(chǎng)尺寸和中心位置，控制曝光劑量，并與掩模臺(tái)和硅片臺(tái)完成同步掃描曝光［12］。中繼鏡組（Relay lens）位于掃描狹縫與掩模板之間，負(fù)責(zé)將掃描狹縫上的照明光場(chǎng)中繼成像到掩模面上。光瞳整形單元由衍射元件、變焦距準(zhǔn)直鏡組和錐形鏡組組成，其中衍射元件用來(lái)生成不同的光瞳形狀，如傳統(tǒng)、環(huán)形、二極、四極和特定光瞳形狀；變焦距準(zhǔn)直鏡組用于改變光瞳的環(huán)寬；錐形鏡組用于改變光瞳外徑和內(nèi)徑的大?。?3］。

圖1 投影式光刻機(jī)的光學(xué)原理示意圖Fig.1 Schematic of the optical principle of projection lithography

1.2 照明部分相干因子

在光刻過(guò)程中，需要針對(duì)不同的掩模圖形采用不同的離軸照明模式來(lái)增強(qiáng)光刻分辨率、改善焦深、提高成像對(duì)比對(duì)，從而得到更好的光刻性能［14］。因此，對(duì)于深紫外光刻機(jī)而言，一般需要調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的部分相干因子（Partial coherent factor，σ），如圖2所示，使不同寬度的曝光線條達(dá)到最佳分辨率。σ定義為照明系統(tǒng)數(shù)值孔徑與投影物鏡物方數(shù)值孔徑之比，即

圖2 部分相干照明示意圖Fig.2 Schematic of partial coherent illumination

式中，Dobj為投影物鏡的光闌口徑，Dill為投影物鏡光闌處照明光束的口徑；NAobj為投影物鏡像面數(shù)值孔徑，NAill為照明光束在投影物鏡像方的數(shù)值孔徑。

1.3 照明均勻性

光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)物為余弦輻射體，并且光學(xué)系統(tǒng)滿足正弦條件，軸上像點(diǎn)的照度與孔徑角正弦的平方成正比，即［15］

式中，E′o為軸上像點(diǎn)的照度，L為物面亮度，τ為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，n為物方介質(zhì)折射率，n′為像方介質(zhì)折射率，U′為像方孔徑角。

光學(xué)系統(tǒng)的像方數(shù)值孔徑為NA=n′sinU′，n=n′=1，則軸上像點(diǎn)的照度為

可見(jiàn)，軸上像點(diǎn)的照度與像方數(shù)值孔徑的平方成正比。由于照明系統(tǒng)在掩模面為像方遠(yuǎn)心光路，軸外像點(diǎn)照度同樣可用式（3）來(lái)表示。

如圖3所示，對(duì)于無(wú)漸暈的軸上像點(diǎn)，由于光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性，其出射光瞳為圓形，子午面和弧矢面的邊緣光線與主光線的夾角都為U′；對(duì)于無(wú)漸暈的軸外像點(diǎn)，由于光學(xué)像差的必然存在，其出射光瞳呈現(xiàn)橢圓性。子午面上邊緣光線與下邊緣光線走過(guò)的路徑不同，它們與主光線的夾角也不相同。而弧矢面左右光線相對(duì)于子午面對(duì)稱(chēng)，其邊緣光線與主光線的夾角也相同。因此，軸外像點(diǎn)出射光束的NA2可近似計(jì)算為

圖3 軸外光束立體角的計(jì)算Fig.3 Calculation of solid angle of off-axis beam

式中，U′upper為出射光束子午面上邊緣光線與主光線的夾角，U′lower為射光束的子午面下邊緣光線與主光線的夾角，U′left為出射光束弧矢面邊緣光線與主光線的夾角。

式（5）也可用來(lái)計(jì)算光瞳內(nèi)一個(gè)環(huán)帶產(chǎn)生的照度，實(shí)際照度的計(jì)算精度可通過(guò)增加采樣的環(huán)帶數(shù)來(lái)提高。在一個(gè)照明光場(chǎng)內(nèi)，照明均勻性可表示為［3］

式中，UNU為照明均勻性，Emax為像面上的最大照度，Emin為像面上的最小照度；為照明光場(chǎng)內(nèi)NA2的最大值，為照明光場(chǎng)內(nèi)NA2的最小值。式中沒(méi)有考慮材料的吸收和光學(xué)薄膜的透過(guò)率對(duì)照明均勻性帶來(lái)的影響。

2 中繼鏡組的光學(xué)設(shè)計(jì)

中繼鏡組作為照明系統(tǒng)的核心部件之一，負(fù)責(zé)將掃描狹縫上的照明光場(chǎng)成像到掩模面上［1］，它不僅需要滿足不同光瞳大小和環(huán)寬的照明模式需求，并且要盡量減少照明光場(chǎng)不均勻性在中繼過(guò)程中的惡化。在所研制KrF 光刻機(jī)照明系統(tǒng)中，中繼鏡組的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 中繼鏡組的性能指標(biāo)Table 1 Parameters of the Relay Lens

2.1 光瞳劃分

從照明部分相干因子（σ）的定義可知，當(dāng)σ=1 時(shí)，照明光束的數(shù)值孔徑與投影物鏡的數(shù)值孔徑相等，定義此時(shí)所對(duì)應(yīng)中繼鏡組的相對(duì)光瞳（Relative pupil）大小為1，光學(xué)設(shè)計(jì)中將部分相干因子的大小近似為中繼鏡組相對(duì)光瞳大小。

部分相干因子變化范圍為［0.16，1］，則中繼鏡組相對(duì)光瞳變化范圍為［1/6.25，1］，像方數(shù)值孔徑變化范圍為［0.032 8，0.205］；部分相干因子最小環(huán)寬為0.24，對(duì)應(yīng)相對(duì)光瞳環(huán)寬為1/4.17，像方數(shù)值孔徑為0.049 2。

光學(xué)自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中，為了能夠全面評(píng)估不同光瞳大小和不同環(huán)形光瞳所形成光場(chǎng)的照明均勻性，將中繼鏡組光瞳按照?qǐng)D4所示區(qū)域進(jìn)行劃分成。傳統(tǒng)照明按照5 種相對(duì)光瞳進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表2所示；環(huán)形照明按照4 種相對(duì)環(huán)形光瞳進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表3所示。

圖4 出射光瞳區(qū)域劃分示意圖Fig.4 Diagram of exit pupil regionalism

表2 傳統(tǒng)照明下相干因子對(duì)應(yīng)數(shù)值孔徑Table 2 Numerical aperture corresponding to coherence factor under conventional illumination

表3 環(huán)形照明下相干因子對(duì)應(yīng)數(shù)值孔徑Table 3 Numerical aperture corresponding to coherence factor under annular illumination

2.2 評(píng)價(jià)函數(shù)

在傳統(tǒng)的光學(xué)鏡頭自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，一般采用波像差、彌散斑或調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）作為評(píng)價(jià)函數(shù)。光刻機(jī)中繼鏡組的主要功能是照明光場(chǎng)的中繼傳遞，在傳遞過(guò)程中要盡量減小照明均勻性的惡化。因此，采用傳統(tǒng)像差評(píng)價(jià)方式無(wú)法全面、完整地滿足中繼鏡組的性能評(píng)價(jià)需求。本文利用出射光瞳數(shù)值孔徑NA2來(lái)表征像面照度的方法，可快速計(jì)算出照明光場(chǎng)的均勻性，并利用均勻性作為自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中的評(píng)價(jià)函數(shù)。

將整個(gè)照明光場(chǎng)進(jìn)行n等分，在照明部分相干因子為σ時(shí)，根據(jù)式（4）計(jì)算出每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)出射光束的NA2，并對(duì)NA2進(jìn)行歸一化處理，可以計(jì)算出整個(gè)照明光場(chǎng)的相對(duì)照度。求出照明光場(chǎng)中NA2的最大值和最小值，就可以計(jì)算出照明均勻性UNU（σ），即

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Code V、Zemax 等，將照勻性UNU（σ）加上一個(gè)權(quán)重（W）作為目標(biāo)值參與中繼鏡組的光線自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程，其中σ=1，3/4，1/2，1/4，1/8；W根據(jù)不同σ下的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)相干因子σ下的照明光場(chǎng)完全均勻時(shí)，式（8）成立，UNU（σ）的值越小代表光場(chǎng)均勻性越好。在優(yōu)化設(shè)計(jì)非成像光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，其原理與傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)相同。優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理仍是在參數(shù)空間內(nèi)尋找評(píng)價(jià)函數(shù)的全局最小值，不同的是將傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)（如幾何像差參數(shù)、波相差等）替換成了能反映非成像系統(tǒng)性能參數(shù)的評(píng)價(jià)函數(shù)。

3 中繼鏡組設(shè)計(jì)結(jié)果分析

中繼鏡組設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示，由9 片透鏡組成，物像雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，在小彗差的情況下，中繼鏡組近似滿足正弦條件，材料全部為KrF 級(jí)熔石英，光闌位于第5 片透鏡前表面附近。

圖5 照明系統(tǒng)中繼鏡組結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of relay lens set of illumination system

中繼鏡組像方視場(chǎng)為104 mm×32 mm，最大半視場(chǎng)（對(duì)角線）設(shè)計(jì)值為55 mm，設(shè)置視場(chǎng)點(diǎn)間隔5.5 mm，共11 個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)。中繼鏡組有多個(gè)性能需求，主要包括光場(chǎng)均勻性、半影寬度、遠(yuǎn)心度、光瞳極平衡性、光瞳橢圓度等，因此需要多個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)分別評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)時(shí)為這些指標(biāo)分配不同的權(quán)重因子，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整權(quán)重，如此反復(fù)迭代直至各指標(biāo)全部滿足需求。本文主要討論通過(guò)優(yōu)化NA 一致性來(lái)提高中繼鏡組的照明均勻性，故未詳細(xì)介紹中繼鏡組的其他性能指標(biāo)及優(yōu)化方法。將UNU（σ）作為評(píng)價(jià)函數(shù)之一參與中繼鏡組的自動(dòng)優(yōu)化，最終優(yōu)化結(jié)果由照明均勻性和相對(duì)照度進(jìn)行評(píng)估分析。

由表4所示，采用照明均勻性作為設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中的評(píng)價(jià)函數(shù)，各照明參數(shù)下的照明均勻性均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。根據(jù)NA 的近似算法，得到掩膜面光能的相對(duì)照度分布如圖6 和7所示。

圖6 傳統(tǒng)照明模式下不同σ 的相對(duì)照度Fig.6 Relative illumination of conventional illumination of different σ

表4 傳統(tǒng)照明和環(huán)形照明模式下不同σ 下的照明均勻性Table 4 Illumination uniformity of convention illumination and annular illumination under different coherence factors

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，將設(shè)計(jì)的中繼鏡組在LightTools 軟件中進(jìn)行了相關(guān)仿真驗(yàn)證，仿真模型如圖8所示。利用軟件中的反向追跡功能，在位于掩膜面的接收器上設(shè)置11 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)間隔為5.5 mm，在測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置設(shè)置點(diǎn)光源，光源的角度分布設(shè)置為朗伯輻射體。通過(guò)改變光源的出射球面角度來(lái)實(shí)現(xiàn)各相干因子σ的調(diào)節(jié)。仿真驗(yàn)證時(shí)追跡光線的總數(shù)為385000，照度計(jì)算的估計(jì)誤差約為0.53%。

圖7 環(huán)形照明模式下不同σ 的相對(duì)照度Fig.7 Relative illumination of annular illumination of different σ

通過(guò)仿真驗(yàn)證，得到掩膜面光能的相對(duì)照度分布如圖9 和10所示。與設(shè)計(jì)得到的相對(duì)照度分布對(duì)比，在視場(chǎng)0～40mm 范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果在分布趨勢(shì)上有較好的一致性，在視場(chǎng)大于40 mm 后，某些照明模式下呈現(xiàn)出了明顯差異，這是由于NA的近似算法誤差以及系統(tǒng)像差造成的。通過(guò)分析比較可以看出，傳統(tǒng)照明差異比環(huán)形照明差異更大，并且隨著NA的減小和視場(chǎng)的增大，誤差呈變大的趨勢(shì)。此外實(shí)際出射光瞳切趾并非是嚴(yán)格的均勻分布，這也會(huì)在評(píng)估時(shí)造成一定的誤差。

圖9 仿真得到傳統(tǒng)照明模式下不同σ 的相對(duì)照度Fig.9 Simulated relative illumination of conventional illumination of different σ

圖10 仿真得到環(huán)形照明模式下不同σ 的相對(duì)照度Fig.10 Simulated relative illumination of annular illumination of different σ

仿真得到的光場(chǎng)不均勻性結(jié)果如表5所示。與設(shè)計(jì)結(jié)果相比，各照明條件下的光場(chǎng)不均勻性都優(yōu)于設(shè)計(jì)值，這是由于設(shè)計(jì)時(shí)評(píng)價(jià)函數(shù)是通過(guò)近似方法計(jì)算各視場(chǎng)的NA，在此過(guò)程中放大了各視場(chǎng)間NA 的差異。用式（2）計(jì)算像面照度是建立在系統(tǒng)對(duì)整個(gè)光瞳具有均勻能量分布的假設(shè)之上，但是在實(shí)際照明系統(tǒng)中，光瞳中心部分的透過(guò)率會(huì)高于邊緣透過(guò)率，出射光瞳的能量更向中心集中，導(dǎo)致使用快速評(píng)估算法時(shí)造成系統(tǒng)性誤差。此外，使用近似算法時(shí)，需要系統(tǒng)滿足正弦條件，要求系統(tǒng)的正弦差和球差均為0。對(duì)于中繼鏡組而言，正弦差可以滿足要求，而球差不可忽略，且為負(fù)值，造成系統(tǒng)未嚴(yán)格滿足正弦條件。光瞳切趾分布和中繼鏡組的球差是造成評(píng)估算法誤差的主要因素，且均具有確定的方向性，意味著每個(gè)視場(chǎng)的像點(diǎn)是一個(gè)具有一定尺寸的彌散斑，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)NA計(jì)算得到的光場(chǎng)分布需要卷積彌散斑才能得到實(shí)際的光場(chǎng)分布，這本質(zhì)上是對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行了勻化，會(huì)一定程度去除光場(chǎng)分布中的高頻突變量，提高實(shí)際光場(chǎng)的均勻性。彌散斑作為卷積核，如果不同視場(chǎng)的彌散斑尺寸一致性較差，則不同視場(chǎng)范圍的光場(chǎng)需要卷積不同尺寸的彌散斑，當(dāng)在其尺寸較小的視場(chǎng)范圍內(nèi)，光場(chǎng)分布會(huì)更加接近設(shè)計(jì)值，當(dāng)在其尺寸較大的視場(chǎng)范圍內(nèi)，光場(chǎng)分布會(huì)比設(shè)計(jì)值更加平滑。這也是仿真測(cè)試得到的光場(chǎng)分布會(huì)與設(shè)計(jì)值存在誤差，并且其不均勻性會(huì)優(yōu)于設(shè)計(jì)時(shí)評(píng)估值的原因。另外，雖然增大彌散斑的尺寸會(huì)增加光場(chǎng)的均勻性，但也會(huì)使光場(chǎng)的半影寬度增大，造成光場(chǎng)性能下降，在設(shè)計(jì)時(shí)需要控制彌散斑的尺寸范圍來(lái)平衡這兩個(gè)性能指標(biāo)。

表5 仿真得到傳統(tǒng)照明和環(huán)形照明模式下不同σ 時(shí)的照明不均勻性Table 5 Simulated illumination uniformity of convention illumination and annular illumination under different coherence factors

因此用該近似算法作為光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)的評(píng)價(jià)函數(shù)是一個(gè)相對(duì)保守的評(píng)估方法，實(shí)際光場(chǎng)不均勻性會(huì)優(yōu)于設(shè)計(jì)評(píng)估的結(jié)果。但是從追跡光線的數(shù)量上分析，商用軟件CODEV 以及LightTools 均采用蒙特卡洛追跡算法來(lái)計(jì)算各個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的照度，這種計(jì)算方法顯然需要追跡大量的光線數(shù)量，并且計(jì)算精度與光線數(shù)量相關(guān)。如在仿真驗(yàn)算時(shí)，單個(gè)照明模式下，對(duì)11 個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)共追跡了385 000 條光線，每個(gè)視場(chǎng)35 000 條。相比之下，提出的快速評(píng)估算法對(duì)每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)最少僅需要追跡5 至9 條光線，即使增加采樣的環(huán)帶數(shù)，追跡數(shù)量也不會(huì)超過(guò)25 條。并且在設(shè)計(jì)時(shí)需要評(píng)估多個(gè)照明模式下的相對(duì)照度，進(jìn)一步加大了兩種算法的效率差距。由于評(píng)估算法結(jié)果偏向保守的特性，可以保證設(shè)計(jì)的中繼鏡組實(shí)際光場(chǎng)不均勻性符合指標(biāo)需求。

提出的照明均勻性評(píng)估算法得到是一個(gè)近似估計(jì)值，其計(jì)算精度相比于基于蒙特卡洛的追跡算法較低。但是將其作為設(shè)計(jì)優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)，不會(huì)要求計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值嚴(yán)格相等。作為設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)的評(píng)價(jià)函數(shù)，算法滿足三個(gè)特點(diǎn)：1）雖然算法存在一定誤差，但是其與實(shí)際性能指標(biāo)保持較高的相關(guān)性，能夠反映實(shí)際的照明均勻性，可以通過(guò)控制評(píng)價(jià)函數(shù)的值，提高系統(tǒng)的照明均勻性；2）算法的結(jié)果被證明具有保守的特性，即實(shí)際的照明均勻性會(huì)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，這保證了設(shè)計(jì)得到的結(jié)果滿足性能需求；3）該評(píng)價(jià)算法在速度上相比蒙特卡洛法有巨大的優(yōu)勢(shì)，可以滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。

4 中繼鏡組的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證光刻機(jī)照明系統(tǒng)中繼鏡組的實(shí)際光場(chǎng)均勻性，對(duì)照明系統(tǒng)掩膜面光場(chǎng)分布進(jìn)行檢測(cè)，采用的光場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)基于能量點(diǎn)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)，即利用能量點(diǎn)探測(cè)器對(duì)掩膜面的光強(qiáng)能量進(jìn)行掃描式采樣。為提高檢測(cè)結(jié)果的一致性，還需要對(duì)所采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，照明系統(tǒng)如圖11（a）所示。

光場(chǎng)檢測(cè)裝置如圖11（b）所示，檢測(cè)掩膜面光場(chǎng)分布時(shí)，驅(qū)使位移臺(tái)使小孔光闌和能量探測(cè)器移動(dòng)，通過(guò)能量探測(cè)器記錄采樣點(diǎn)的光強(qiáng)，同時(shí)記錄位移臺(tái)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)軸光柵尺讀數(shù)作為采樣點(diǎn)坐標(biāo)值，重復(fù)上述步驟直至完成全視場(chǎng)內(nèi)的光強(qiáng)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，x、y方向采樣點(diǎn)數(shù)分別為53 和49 個(gè)。KrF 步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)進(jìn)行掩模曝光時(shí)，照明光場(chǎng)沿步進(jìn)方向的寬度分別為104 mm，沿掃描方向梯形輪廓的頂部、半腰、底部寬度分別為20 mm、26 mm 和32 mm。掩膜面的光場(chǎng)分布以及光場(chǎng)的積分曲線如圖12所示，實(shí)際照明系統(tǒng)更關(guān)注光場(chǎng)步進(jìn)方向的積分均勻性。

圖11 光場(chǎng)均勻性實(shí)驗(yàn)裝置Fig.11 Experimental device of illumination uniformity

圖12 照明光場(chǎng)和歸一化積分曲線Fig.12 Illumination field and normalized integrated illumination profile

在設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證時(shí)，假設(shè)中繼鏡組物平面（狹縫面）光場(chǎng)為完全均勻分布，而由于實(shí)際光束勻化單元存在制造誤差、裝配誤差、材料吸收等因素，狹縫面的光場(chǎng)并非完全均勻分布。將光束整形單元離線測(cè)試得到的光場(chǎng)分布作為中繼鏡組的輸入光場(chǎng)，掩膜面的光場(chǎng)分布作為輸出光場(chǎng)，則二者的比值為中繼鏡組的實(shí)際光場(chǎng)透過(guò)率分布，實(shí)驗(yàn)得到中繼鏡組步進(jìn)方向光場(chǎng)積分曲線如圖13所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)得到不同σ 的相對(duì)積分照度曲線Fig.13 Experimental relative integrated illumination of different σ

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)光場(chǎng)分布在趨勢(shì)上比較吻合，不均勻性大于設(shè)計(jì)值。并且各照明相干因子下，光場(chǎng)分布呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，光場(chǎng)右側(cè)變化幅度均大于左側(cè)，認(rèn)為這是由裝配引起的系統(tǒng)誤差，此外非理想鍍膜、材料吸收，光學(xué)元件加工誤差等因素都會(huì)劣化實(shí)際中繼鏡組的光場(chǎng)不均勻性，實(shí)驗(yàn)得到各相干因子光場(chǎng)不均勻性結(jié)果如表6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的中繼鏡組光場(chǎng)不均勻性均滿足指標(biāo)要求，證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。

表6 實(shí)驗(yàn)得到傳統(tǒng)照明和環(huán)形照明模式下不同σ 下的照明不均勻性Table 6 Experimental illumination uniformity of convention illumination and annular illumination

5 結(jié)論

本文提出了一種快速計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)像面照度均勻性的算法，通過(guò)近似算法計(jì)算系統(tǒng)數(shù)值孔徑，并利用出射光瞳數(shù)值孔徑來(lái)表征像面照度。利用該快速評(píng)估算法計(jì)算光場(chǎng)不均勻性，并將均勻性作為優(yōu)化函數(shù)，通過(guò)CODE V 優(yōu)化設(shè)計(jì)投影式光刻機(jī)照明系統(tǒng)中繼鏡組，實(shí)現(xiàn)了各相干因子照明下掩膜面上的均勻照明。對(duì)所設(shè)計(jì)的中繼鏡組進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了評(píng)估算法的有效性。仿真結(jié)果表明各相干因子照明下掩膜面上的光場(chǎng)不均勻性均小于0.5%，符合中繼鏡組光場(chǎng)不均勻性小于2.5%的指標(biāo)需求。仿真結(jié)果均優(yōu)于快速評(píng)估算法得到的設(shè)計(jì)值，表明快速評(píng)估算法具有保守特性。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了所設(shè)計(jì)的中繼鏡組的積分均勻性，結(jié)果表明各相干因子下，光場(chǎng)非均勻性均滿足指標(biāo)要求。證明了評(píng)估算法的有效性，可以在設(shè)計(jì)時(shí)作為照明均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，有效提高光刻機(jī)照明光場(chǎng)的性能。