浅析光刻照明系统中复眼透镜的设计及公差原理

摘要：在超大规模集成电路中，为了实现NA=135，波长193nm处分辨率达到 45nm的目标，需要对影响光刻照明均匀性的误差源进行详细分析最终确定公差范围。复眼透镜是使光束在系统掩膜面上形成矩形均匀照明区域的关键元件。采用CODEV软件设计了复眼透镜对引起照明不均匀性的因素进行分析，结合复眼透镜组的设计方案和实际加工能力，给出X和Y向复眼曲率公差为±10%，后组曲率公差为±5%，前后组间隔公差为±50μｍ，位置精度偏心公差为±1μｍ，装配精度公差为±3μｍ。制定公差合理、可行，满足了浸没式光刻照明系统高均匀性、高能量利用率的要求。

1 引 言

随着世界光刻技术迈入45nm节点及以下，浸没式光学投影曝光光刻技术已成为集成电路制造的主流技术。良好的照明均匀性能够获得高分辨率，反之，如果照明均匀性较差，那么会造成各个视场分辨率存在差异，曝光线条的粗细不一致，严重影响***的性能。故设计了NA达到1.35，波长为紫外193nm的浸没式光刻系统中的复眼透镜并对其误差源进行详细分析最终确定公差范围，可实现在掩模面上达到高均匀照明，对改善最终的曝光质量具有重要的意义。

2 复眼透镜的设计

2.1 复眼透镜设计原理

复眼镜组分为前组和后组，复眼镜组的前组对不均匀的光强进行分割，由 Huggens-Fresnel原理，当平行光垂直入射到狭缝上时，透过狭缝的光会发生衍射现象，将狭缝上各点的光看作是一个个次级光源，在不同方向上的光强分布不同。若在狭缝后置一透镜，则在焦平面上得到强弱相间的衍射条纹。如图1所示，Ｐ点产生的场强为： dE=Ae-jkr（1）

式中，Ａ代表振幅；r为B点到P点的距离。

图1.单缝衍射原理图

2.2 复眼透镜的设计

复眼透镜的设计要求工作波长为193.368nm，通光口径为120mm，X向透镜 F#为1.67，Y向透镜F#为13.67，物方数值孔径0.035，等效单元面积小于0.265ｍm2。

本文设计的复眼透镜组由 ３片柱面复眼构成，六个表面S1、S2、S3、S4、S5、S6均为工作表面，如图２所示，S1、S2为Y向柱面复眼，实现 Ｙ方向上的均匀照明。S3、S4、S5为X向柱面复眼，完成X方向上的均匀照明。S6为Y向柱面复眼负责将光束沿Y方向弥散，与S1、S2一起形成Y向的平顶高斯能量分布。

图2. 复眼透镜结构示意图

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5 结论

根据复眼透镜的设计要求，采用3片柱面镜设计的复眼透镜组，分别实现了 X、Y方向上的均匀照明。对影响光刻照明均匀性的误差源进行详细分析，给出了复眼透镜的公差分析的光路图。前组复眼透镜经复眼光组、聚光镜和耦合成像后，在掩模上形成均匀照明，当畸变每变化0.1％，照明均匀性约变化0.4％。

因此复眼透镜组的误差源分析时，主要分析复眼光组透镜单元之间的发生相对位置误差和面形误差，对各个视场畸变的变化，计算出照明均匀性的变化量。

结合复眼透镜组的设计方案和实际加工能力，给出复眼透镜组具体的公差要求。采用CODEV软件对浸没式光刻照明系统的均匀性进行仿真，仿真结果表明在传统照明和离轴照明模式下，Y方向能量分布均优于99.5%，验证了制定公差合理、可行。




审核编辑：刘清