光学光刻技术的发展（关于光刻机的光学结构与镜头光学的分析）

下面开始讲光学

由于单片球面镜片由很多难以消除的像差，例如球面像差（Z9)，彗差（Z7,Z8)，场曲（FC)等，需要在一个相当大的视场中都能做到衍射极限的投影镜头，需要很多片镜片来平衡像差/色差

其他的设计方案不谈

例如美国柏金-艾尔默扫描式光刻机光学系统示意图

目前最主流的duv光刻机所采用的镜头设计，即双高斯结构

那么顺便加入一些对焦模块，平衡像差色差的镜片

例如图上的在193nm波长，NA=0.93.静态视场区域为26x10.5mm，mask-wafer缩小倍率为4的光刻机镜头，由德蔡设计

其镜片编号11-39,共29片镜片

其镜头用于asml的193nm干法光刻机中，由全紫外熔融玻璃所制造，其在193.304nm的折射率为1.56028895，采用了27片镜片其中12个非球面，最大镜片380mm，与双高斯照相机镜头相比

Zeiss镜头与其有几个相同点

1：镜头设计都是对称设计，分为前后组两组，以及中间的负透镜

前组由曲面1，2，3，4组成

后组由曲面7，8，9，10组成，中组负透镜由曲面4，5和6，7组成

在图中，镜片编号由11-39组成，共29片镜片，前组正透镜为14-20，后组正透镜为29-39，中组负透镜为21-24.正透镜是用来会聚成像，中组负透镜则用来平衡场曲S4。前组和后组都有多片镜片分摊曲率，来减小球差（S1）彗差（S2)与像差（S3)

不一样的点：

双高斯照相机镜头可以接受大角度入射与出射的光，而zeiss镜头是双远心结构，无论物空间与像空间都只能接受平行于光轴的入射光/出射光，好处是当成像物体或像平面离焦时，系统放大率不会发生变化

重要说一下25，26，27，28这四片两组，25，26是正透镜，而27，28则是凹面朝像平面的负透镜，其作用是纠正像场离轴像差，例如球差S1，彗差S2。

简单的例子，例如本身由柯克结构演化成的天塞结构其就是在后组的正透镜前增加了一片曲面朝向像平面的负透镜，改变了大部分的离轴像差

上 柯尔镜头

下 天塞镜头

以下其数据是其镜头（专利：US7339743B2）中列举出来的镜头几何数据仿真而来，列举了蔡司镜头每个曲面最后的像差。

蔡司0.93na，193nm光刻机镜头经过一些优化设计算出每个折射曲面的赛得像差（计算波长使用193.3041nm）这只是示意图，畸变还是较大的，标阴影的格子代表数值较大

分析：

对于球差S1,前组镜头引入的球差并不大，主要是后球差，由27与28所平衡。相对于前组镜头，后组镜头存在较大的球差S1，和彗差S2，也是可以理解的，毕竟后组的NA是前组的4倍。

像散S3，则比较均衡

场曲S4，则是正负透镜的曲率乘以放大倍数的和，也比较平均

畸变S5，也比较均衡

这其中全部使用了熔融石英(Fusedsilica(FS)。光波长控制在E95=0.35pm,也就是算进95％光谱能量的激光波长带宽=0.35pm。

对于高斯线型,这相当于1.64倍的全宽半高(FWHM),也就是说FWHM=0.213pm

对于洛伦旅(Lorenz）线型，这大约相当于4.8倍的全宽半高(FWHM),也就是说FWHM=0.073pm。

再看看这个镜头经过初步优化后的成像性能

RMS散点半径(掩模平面x/y)：4倍的26mm×10.5mm=104m.m×42mm）[中央（- 13mm，- 5.25mm)

（- 26mm，- 10.5mm)

(- 39mm，- 15.75mm）

（- 52mm.- 21mm)]：57nm,68nm,65nm,70nm,64nm。

而衍射极限，爱里斑(Airy Disk)半径：0.61×193nm/0.93=126.6nm

散点光强分布示意如图 图所示

可见,此光刻机镜头的像差导致的弥散圆基本在爱里斑中。另外，还有一些剩余的高阶彗差

光刻机镜头经过初步优化计算得出的在硅片平面3处的MTF值（Modulation Transfer Function）（调制传递函数）对于大多数像场的点/分辦率极限在9260线对/毫米,或者极限分辨空间周期=108nm。

注意,在像场坐标为（- 6.5mm，- 2.75mm)处的分辦率极限在8650 线对/毫米，或者极限分辨空间周期=115.6nm

从仿真结果来看，物镜可以采用可动镜片调整场曲。此外,由于折射率与照明波长有关,可以通过调整照明波长来实现光刻机场曲的调整

虽然此镜头没有达到理论极限的 104nm 周期

由于一般使用 193nm .0.93NA 光刻机的最小周期在 140nm(7143 线对/毫米)左右(逻辑光刻工艺),或者 132nm(7576 线对/毫米）(存储器），所以该镜头没有能够达到理论极限的分辨率。

在这里假设激光的输出频谱为高斯线型。

由于对称设计,横向色差做得比较小，而主要的色差是轴向色差。由式

可知，光刻机的场曲是由所有折射面的曲率乘以折射率的倒数差的和决定。所以,一旦所有镜片都制作好(曲率固定了)，场曲也就不会再变化了。从仿真结果来看，物镜可以采用可动镜片调整场曲。此外,由于折射率与照明波长有关,可以通过调整照明波长来实现光刻机场曲的调整

虽然此镜头没有达到理论极限的 104nm 周期，由于一般使用 193nm .0.93NA 光刻机的最小周期在 140nm(7143 线对/毫米)左右(逻辑光刻工艺),或者 132nm(7576 线对/毫米）(存储器），所以镜头没有能够达到理论极限的分辨率。

下面讨论色差

这里使用了E95=0.35pm的光源,E95定义为包括95％能量的光源谱线全宽。

而半高全宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)表示光源中心波长两边光谱能量等于谱线峰值能量一半的光谱全宽。

图上则用了3个波长(假设激光频谱是高斯分布，实际上比高斯分布要窄,大约介于高斯和洛伦兹分布之间):193.30389nm、193.304nm 和193.30411nm来仿真

蔡司 0.93na 193nm光刻机镜头经过初步优化计算得出在硅片平面各处的均方根散点图（途中圆圈代表爱里斑的大小，可见，此光刻机镜头的像差导致的弥散圈基本在爱理斑里）

上图则是优化后的镜头的像差在

[中央（- 13mm, - 5.25mm)、

（- 26mm，- 10.5mm）、

（- 39mm，- 15.7mm)、

（- 52mm,- 21mm)]9个掩模位置的像差随光瞳位置的分布情况。

可以看到,中心波长的像差非常小,最大值在光瞳的边缘，约100nm以内.但是3个波长一起看,最大的像差在300nm左右。且 193.303 89nm 和 193.304 11nm 波长的像差用绕纵轴呈对称分布。也就是说，此系统的像差已经达到优化的极限,由色差来决定

蔡司0.93na 193nm光刻机镜头经过初步优化计算得出在硅片平面5处的调制传递函数

由上图中可知，场曲在单波长=0.05um，全波段(使用E95=0.35pm的193nm准分子激光光源)＜0.16pm。而光刻工艺的最小对焦深度为0.18um,可以说场曲基本达到要求。由切向-孤矢之间的差异,可以看出系统还有很少的像散畸变大约为- 13nm。其实可以看到，畸变13nm对于光刻工艺的套刻要求（10-15nm）来说是比较大的。也就是说，这样的光刻机如果按照套刻要求10-15nm来进行生产，只能单机工作，或者同类型的光刻机匹配使用。不过由于像点做得比较小，可以通过适当释放一点对像点几何尺寸的控制,以进一步改进畸变。

明天则是1.35na，193nm水浸模式反射深紫外投射物镜的成像与像差/结构分析

以及euv的成像与像差/结构分析

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