高数值孔径投影光刻物镜的光学设计

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大规模集成电路工业化生产的核心设备是光刻机,而光刻机的核心分系统是投影光刻物镜。本文针对45 nm节点深紫外(DUV)投影光刻机的研发,开展高数值孔径(NA)浸没式投影光刻物镜的光学设计与仿真;即综合照明光源、光学材料、光学加工、光学检测以及机械结构等各项技术要求,完成NA≥1.30,工作波长为193 nm的投影光刻物镜光学设计;同时研究投影光刻物镜的像质补偿措施和偏振像差分析方法。目前国际上最先进的193 nm投影光刻物镜都是折反式(Catadioptric)系统,其元件数目超过25个(包含多个非球面元件),像方视场达到26 mm×5.5 mm,波像差小于1 nm RMS。作为现代最精密、最复杂的光学系统,投影光刻物镜涵盖了光学、机械、计算机、电子学等多个学科领域最前沿、最尖端的技术。针对投影光刻物镜的光学设计,单纯的依靠脑力和经验已经不足完成任务,必须采用专业的光学设计软件进行优化设计。针对高NA投影光刻物镜的设计优化及其相关内容,本文主要开展了以下工作:一、光学设计。首先,研究投影光刻物镜的像质评价方法,给出高NA投影光刻物镜的光学设计指标和基本输入参数。然后,结合国际上高NA投影光刻物镜的实现方式,选择两种结构方案进行设计优化;对设计结果作出优选并对优选结果进行详细的像质分析。最后,提出了波像差自动平衡算法,降低高NA投影光刻物镜的最大波像差。二、像质补偿。首先,研究基于Zernike系数的公差敏感度分析,并以此为基础对低阶像差和高阶像差的补偿方法进行归类。然后,研究光学复算原理和旋转(Clocking)补偿算法;研究计算机辅助装调技术,包括补偿器的选择和补偿量的计算。最后,针对投影光刻物镜的设计结果,对光学复算和计算机辅助装调进行了模拟仿真。三、偏振像差研究。首先,讨论标量成像和矢量成像的联系与区别,指出矢量成像理论更适用于高NA投影光刻物镜。然后,阐述穆勒矩阵和琼斯矩阵各自描述偏振像差时的优缺点,并研究琼斯矩阵的奇异值分解方法,进而简化琼斯光瞳并使其物理意义更加明确。最后,对高NA投影光刻物镜的全视场偏振像差进行分析。最终的设计结果和分析表明,本文的光学设计方案,像质补偿措施以及偏振像差分析方法,可为45 nm节点高NA投影光刻物镜的研制提供有益的理论依据和指导。
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