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深紫外光刻复杂照明光学系统设计

作　者: 赵阳
导　师: 巩岩
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学
关键词: 深紫外光刻照明系统光学设计高均匀性双远心系统
分类号: TN405
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着微电子产业的迅猛发展,我国迫切需要研制极大规模集成电路的加工设备-光刻机。曝光波长为193nm的投影式光刻机因其技术成熟、曝光线宽可延伸至32nm节点的优势已成为目前光刻领域的主流设备。照明系统是光刻机的重要组成部分,其主要作用是提供高均匀性照明、控制曝光剂量和实现离轴照明,以提高光刻分辨率和增大焦深。论文以深紫外光刻照明系统光学设计为研究方向,对照明系统关键单元进行了光学设计与仿真研究。首先,根据所用激光光源和照明区域特性,对照明系统的扩束单元、光束整形单元、匀光单元以及照明物镜四个关键部分的结构形式进行了分析研究,确定了照明系统总体方案。根据照明系统指标要求,计算了各单元的设计参数。其次,对深紫外照明系统各单元进行了设计仿真,具体内容如下:1.分析了激光光束特性,根据照明系统对光斑形状的要求,采用多组元平行反射镜扩束单元结构形式,有效降低了加工和装调难度。此外,为了提高照明均匀性,采用子光束叠加的方法,提出了非平行双反射镜扩束单元,这种结构使出射光束的均匀性提高了71.3%。2.根据光刻机对照明模式的要求,用几何光学方法设计了轴锥镜组,实现了环形照明和四极照明模式,优点是结构简单,部分相干因子可在要求的变化范围内任意调节。此外,从物理光学角度提出了基于平面波角谱理论的光束整形衍射元件的设计方法,实现了各种离轴照明模式。优点是有效降低了近场衍射的仿真误差。最后将衍射元件与轴锥镜组合构成了照明系统光束整形单元。3.为了满足照明系统的高均匀性要求,设计了双排蝇眼透镜阵列和像方远心聚光镜组合的匀光单元,建模分析了各种照明模式的匀光效果,传统照明、环形照明和四极照明均匀性分别达到1.8%、3.0%和3.5%。4.为了实现光瞳匹配和减小照明系统放大倍率误差以及半影效应,用CODEV设计了两种双远心结构照明物镜,第一种采用单一熔融石英透射材料,物方、像方远心度分别达到2.2mrad和2.6mrad。第二种采用非球面透镜和氟化钙材料,化简了物镜结构,并采用了优化入射角度的方法降低了非球面照明物镜公差灵敏度。物方、像方远心度分别达到1.5mrad和1.9mrad。最后,用LIGHTTOOLS软件对照明系统进行了贯穿仿真分析,结果表明传统照明、环形照明和四极照明模式下掩模面均匀性分别为2.2%、3.4%和4%,掩模面上传统照明和离轴照明的远心度分别为2.6mrad和2.8mrad。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-29
  1.1 论文研究背景及意义  13-17
  1.2 深紫外光刻照明系统概述  17-18
  1.3 光刻照明系统发展趋势  18-27
  1.4 论文研究的主要内容  27-29
第2章光刻照明系统总体方案  29-45
  2.1 非成像照明光学系统简介  29-34
    2.1.1 非成像光学理论概述  29-30
    2.1.2 光学扩展量  30-32
    2.1.3 远心系统  32-33
    2.1.4 照明方式分类  33-34
  2.2 深紫外光刻照明光源  34-37
    2.2.1 准分子激光光源介绍  34-35
    2.2.2 准分子激光光源光束特性分析  35-37
  2.3 偏振光照明技术  37-40
    2.3.1 偏振光照明原理  37-38
    2.3.2 偏振光照明在光刻系统中的应用  38-40
  2.4 照明系统总体方案  40-41
  2.5 照明系统设计参数计算  41-42
    2.5.1 照明系统总体设计要求  41-42
    2.5.2 照明系统各单元设计参数计算  42
  2.6 本章小结  42-45
第3章扩束单元设计  45-63
  3.1 扩束单元分类  45-47
    3.1.1 一维扩束单元  45-47
    3.1.2 二维扩束单元  47
  3.2 一维扩束单元设计  47-61
    3.2.1 多组元平行反射扩束镜组设计  50-55
    3.2.2 扩束单元出射光束均匀性提高的方法  55-57
    3.2.3 非平行双反射扩束镜组  57-61
  3.3 本章小结  61-63
第4章光束整形单元设计  63-87
  4.1 OAI 技术简介  63-67
    4.1.1 离轴照明提高成像分辨率  63-65
    4.1.2 离轴照明增大焦深  65-66
    4.1.3 不同OAI 模式的作用  66-67
  4.2 轴锥镜组光束整形单元  67-74
    4.2.1 轴锥镜光束整形单元设计  67-73
    4.2.2 轴锥镜和塔型棱镜组合的光束整形单元  73-74
  4.3 DOE 光束整形单元设计  74-83
    4.3.1 DOE 光束整形单元的设计原理与方法  74-76
    4.3.2 基于角谱理论设计光束整形单元  76-83
  4.4 模拟仿真及结果分析  83-86
  4.5 本章小结  86-87
第5章匀光单元设计  87-99
  5.1 匀光单元分类  87-89
  5.2 蝇眼透镜阵列匀光单元设计  89-98
    5.2.1 透镜阵列单元匀光原理  89-92
    5.2.2 双排蝇眼透镜阵列匀光单元设计  92-97
    5.2.3 透镜阵列匀光单元仿真  97-98
  5.3 本章小结  98-99
第6章照明物镜设计  99-109
  6.1 照明物镜在深紫外光刻照明系统中的作用  99-101
    6.1.1 照明物镜减小半影效应  99-101
    6.1.2 远心照明物镜保证光刻系统的高分辨率  101
  6.2 照明物镜设计  101-103
  6.3 模拟仿真及结果分析  103-105
  6.4 照明系统整体设计及性能评价  105-108
  6.5 本章小结  108-109
第7章总结与展望  109-113
  7.1 本文的研究工作  109-110
  7.2 本文的创新之处  110-111
  7.3 本文的不足之处与工作展望  111-113
参考文献  113-121
在学期间学术成果  121-122
指导教师及作者简介  122-123
致谢  123-124

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