超大数值孔径(Numerical Aperture,简称NA)浸没式氟化氩(Argon Fluoride,简称ArF)光刻机,结合多种新型分辨率增强技术(Resolution Enhancement Technology,简称RET)可实现45-14nm技术节点集成电路制造,光刻机照明系统和物镜系统必须实现RET预言的结构和性能。国外浸没式光刻机已经实现产业化,技术相对成熟,而我国基础相对薄弱,比国际落后几代,同时,国际上对中国进口先进或高端光刻机进行限制。因此,我国必须自主设计研制超大NA浸没式光刻机。浸没式(NA>1)光刻物镜是现代最精密、最复杂的光学系统之一,二十余枚镜片的初始结构设计难度极大,设计和优化参数的维度极高,常规的设计优化方法难以获得满足光刻性能要求的物镜。另一方面,浸没式光刻采用偏振成像。因此,在物镜设计过程中,不仅要控制物镜波像差(波像差仅仅是偏振像差的子像差之一),更要全面控制物镜系统的偏振像差。现有文献主要研究偏振像差的表征及其对光刻成像的影响。针对具体浸没式光刻物镜设计,尚没有全面和系统地研究和报道偏振像差分析和控制方法。此外,对光刻物镜加工、检测及集成的精度要求极高,必须在设计优化光刻物镜,以及确定光刻物镜加工公差和集成精度的过程中,研发各个环节像差控制方法和技术。本文面向国家科技重大专项(极大规模集成电路装备及成套工艺)的需求,完成了如下研究工作:一、浸没式光刻物镜的光学系统结构设计及多维度参数优化技术。对比研究了国际上浸没式光刻物镜的结构特点,确定了含两枚反射镜的同轴折反结构为初始结构。研究了各子镜组的设计特点,建立了本文的研究基础。分析研究和明确了该物镜的工程化约束条件,提高了物镜设计的可制造性。本文提出了多维度参数优化方法,有效解决了折反式光刻物镜优化变量较多,结构变量空间的维数较高导致的优化难题。具体方法和实施过程:利用CODE V并结合人工干预方法和加减镜片来逐步进行改进设计,不同设计和优化阶段确定了不同约束条件和优化变量类型,最终高效稳定地获得了满足设计要求的物镜结构。应用该优化技术,本文设计优化了三套浸没式光刻物镜结构,其NA分别为1.2、1.25以及1.35。对于NA1.2双远心成像系统,全视场内单色波像差RMS值达到1nm以下,畸变小于0.5nm,满足物镜系统各项几何光学指标的要求。对于特征尺寸为45nm的密集线条,仅考虑物镜光学结构引起的波像差,其特征尺寸误差(cderror,简称cde)最大仅为0.1nm,图形位置偏移误差(pe)小于0.4nm。二、偏振像差的影响及控制技术研究。分别研究了物镜系统光学薄膜和氟化钙透镜双折射两个关键因素独立引起的偏振像差特点及分布规律,为偏振像差的分析及控制提供了物理光学研究基础。以na1.2物镜系统为研究对象,对比研究了裸镜系统和规整膜系统的偏振像差及其对光刻性能影响,并在物镜设计阶段比较系统地研究了偏振像差中各子像差对光刻性能之间的影响规律。研究结果表明,偏振像差中的标量变迹和双向衰减子像差是引起cd误差的主要因素,标量相位和双向延迟子像差是引起图形偏移的主要因素,对于te偏振光照明,旋转子像差对光刻性能无影响。同时研究结果表明,传统规整膜引起的物镜系统的双向衰减仍然较大,引起严重的cde。进而,本文提出了协同控制非规整膜层与氟化钙偏振效应的设计方法。该方法首先在大入射角度的表面上进行特定的非规整膜层设计,然后将膜层与氟化钙双折射效应进行协同优化,获取最佳晶轴取向,实现两者之间的最佳补偿,最终,有效地降低了系统偏振像差。较规整膜系统,偏振像差控制后的系统,双向衰减减小了90%,双向延迟减小了26%。45nm不同周期线条下,全视场范围内,图形偏移误差均在3.4nm以下,cd误差的变化范围由控制前的-12.7nm~+4.3nm缩小到-0.1nm~+0.9nm。在本项研究工作中,开发了自动获取单一偏振子像差的琼斯光瞳的程序,单一表面引起的偏振像差获取程序、全视场范围内入射到镜片各表面的角度分析程序,氟化钙引起的偏振像差分析程序,膜层偏振效应及晶体双折射效应的协同优化设计程序等,拓展了商业光学设计软件的功能,在光学系统的偏振像差分析及控制中发挥了重要作用。三、公差分析和像差控制及补偿技术研究。针对所设计的na1.2浸没式光刻物镜,进行了详尽的公差分析及补偿器优选。特别针对透镜加工后的面形误差补偿问题,本文提出了两种有效的补偿方法。一是基于模拟退火算法的面形自动匹配优化方法。该方法是依据面形误差的非旋转对称性和各表面面形误差相互补偿的原理,首先建立了面形误差与其影响的波像差的解析关系,依此关系和各表面的有效通光区域,建立了面形匹配的全局优化方法,最终自动获取最佳元件旋转角度组合,实现了诸多面形误差之间的最佳补偿效果。二是利用补偿面来补偿其余表面面形误差的方法。该方法依据波像差互补的补偿原理,建立了一种确定补偿面的面形误差函数的计算方法。通过模拟装调na1.2物镜系统,验证了两种方法的有效性。上述两种方法均可应用到几乎所有的成像光学系统中,具有普适性和较强的工程实用价值。四、实验型深紫外光刻物镜的研制和像差控制及补偿技术应用。本文设计并研制了国内首套ArF光源(193nm波长)实验型投影光刻物镜。该物镜采用一种新型折反式Schwarzschild的物镜结构,工作带宽达100pm、数值孔径达0.75,且接近衍射极限的成像性能。重点针对装配过程中像差补偿技术进行了深入研究。研究表明:半径误差和厚度误差对系统波像差的影响,可通过优化空间间隔,几乎得到完全补偿;应用本文提出的面形匹配优化方法,物镜的象散和彗差显著降低,系统波像差RMS由匹配前的0.35λ降低至0.11λ,像质提高了65%;应用本文提出的补偿面法,其余表面的面形误差几乎被完全补偿,波像差RMS可降低至0.04λ,像质较补偿前提高了84%。