一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，其可用于扫描-步进式 极紫外光刻机、空间成像望远镜、光谱成像仪或显微物镜成像系统中，属于光学设计技术领 域。
【背景技术】
[0002] 极紫外光刻已经成为半导体制造业实现8-10nm技术节点的主要光刻技术。为了满 足这一需求，极紫外光刻物镜的数值孔径则需要达到0.45以上。采用传统1/4倍放大倍率系 统实现这样的高数值孔径会导致两种现象：（1)中心视场主光线物面入射角大于6°; (2)掩 模处的入射光束与出射光束发生重叠。现象（1)会引起掩模的3D阴影效应，而现象(2)则会 导致物镜系统无法正常成像，因此传统1/4倍放大倍率光刻物镜无法合理地实现超高数值 孔径。
[0003] 现有6自由曲面反射镜极紫外光刻物镜设计美国专利US 8810906B2,其中的所有 结构均为1/8放大倍率。该结构可以实现0.5~0.7的超高数值孔径，且可避免上述两种现象 的发生。但是由于放大倍率的提高，扫面曝光视场面积减小4倍，而掩模和硅片尺寸不可变， 因此对于一个6英寸（133 X 102mm2)的掩模成像，则需要拼接4次曝光视场。这就会导致生产 效率降低，不能被半导体产业所接受。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种组合放大倍率(曝光扫描方向放大倍率为M，垂直于扫描 方向放大倍率为N)的成像物镜系统设计方法，利用该方法设计的成像物镜系统可在不同方 向上实现不同的放大倍率。
[0005] 实现本发明技术方案如下：
[0006] -种组合放大倍率的成像物镜系统设计方法，具体过程为：
[0007] 步骤一，设计共轴、放大倍率为Μ的全球面成像物镜系统A;
[0008] 步骤二，以系统Α中各反射镜曲率为优化变量，将所述系统Α优化为放大倍率为Ν的 系统B;
[0009] 步骤三，将系统A中各反射镜转化为变形非球面面形，且各变形非球面的纵向曲率 保持不变，横向曲率为系统B中相应反射镜的曲率，从而获得纵向放大倍率为M、横向放大倍 率为N的组合倍率成像系统C。
[0010] 进一步地，本发明还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面 项进行优化，直至满足成像性能要求为止。
[0011] 进一步地，本发明还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面 项进行优化，当加入低阶非球面项进行优化无法满足成像要求时，则增加非球面优化阶数 进行进一步优化，直至满足成像性能要求为止。
[0012] 进一步地，本发明还包括步骤四，针对成像系统C中的各反射镜，加入低阶非球面 项进行优化，当加入低阶非球面项(4~6阶)进行优化无法满足成像要求时，则增加非球面 优化阶数(8~10阶)进行进一步优化，若仍无法满足成像要求，则将高阶变形非球面拟合成 自由曲面进行优化，直至成像性能满足要求为止。
[0013]有益效果
[0014] 第一、本方法通过两个共轴全球面成像物镜系统组合来直接获得组合放大倍率的 成像物镜系统初始结构，极大地提高了设计效率。
[0015] 第二、本方法采用共轴全球面成像物镜系统为起点，可通过调节其结构参数(如， 元件间的光学距离，光线在各元件上的入射角，物像方远心度等)来间接控制组合倍率成像 物镜系统初始结构各项光学参数，有利于提高组合倍率系统初始结构的合理性。
[0016] 第三、本发明采用渐进优化方式对组合倍率初始结构进行优化，避免了优化后结 构极大偏离初始结构而造成的结构不合理，并且可加快优化收敛的速度，提高优化效率。
【附图说明】
[0017] 图1为【具体实施方式】中的实施流程；
[0018] 图2为【具体实施方式】中实例涉及的变形非球面示意图；
[0019] 图3为【具体实施方式】中实例涉及的1/8倍共轴旋转对称光刻物镜系统；
[0020] 图4为【具体实施方式】中实例涉及的组合前后系统光瞳形状；
[0021] 图5为【具体实施方式】中实例涉及的组合放大倍率光刻物镜系统；
[0022] 图6为【具体实施方式】中实例涉及的掩模、硅片及曝光视场；
[0023] 图7为【具体实施方式】中实例涉及的自由曲面示意图；
[0024]图8为【具体实施方式】中实例涉及的带中心孔的反射镜M5和M6;
[0025] 图9为【具体实施方式】中实例涉及的带中心遮拦的光阑；
[0026] 图10为【具体实施方式】中实例涉及的物镜在全视场内均方根波像差分布图；
[0027] 图11为【具体实施方式】中实例涉及的物镜在全视场内畸变二维分布图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
[0029] 本发明的设计思想为:应用分组设计方法设计放大倍率为Μ的全球面成像系统A， 在此基础上仅改变各反射元件曲率半径来改进系统Α至放大倍率为Ν的系统Β。组合系统Α和 B相对应反射元件的曲率半径获得组合放大倍率系统初始结构。然后依次加入低阶到高阶 非球面系数对初始结构进行优化。若无法达到成像性能要求，则可适量选择个别元件由高 阶非球面拟合转化为自由度更多的自由曲面进行优化，直至成像性能满足要求。
[0030] 如图1所示为具体的实施流程，主要分为两大部分:初始结构设计和初始结构优 化，该设计过程在光学设计软件中实现。
[0031]初始结构设计：（1)根据所需系统的基本特征，利用分组设计方法设计共轴、放大 倍率为Μ的全球面极紫外成像系统初始结构A; (2)应用光学软件将该系统优化为放大倍率 为Ν的系统Β，在优化过程中仅设置各反射镜曲率为优化变量，其余变量都固定；（3)将Α中各 反射镜球面面型转化为变形非球面面型，变形非球面顶点处横向（X方向）曲率为C x，纵向（y 方向）曲率为Cy，如图2所示，由于A中各反射镜仍为旋转对称球面，在这种情况下Cx = Cy，
[0032]
[0033] (4)替换A中各反射镜横向（x方向）曲率为对应B中各反射镜曲率，而纵向（y方向） 曲率保持不变，这样就获得了一个纵向放大倍率为M，横向放大倍率为N的组合倍率成像系 统初始结构。
[0034] 初始结构优化:将上述获得的物镜系统中各反射镜加入低阶非球面项(4~6阶)进 行优化，如果可以优化至满足要求的成像性能则设计结束，如果无法优化至满足成像性能 要求则适当增加非球面阶数(8~10阶)进一步优化。若仍无法达到要求则可将高阶变形非 球面拟合成具有更多自由变量的自由曲面来进行优化，直至成像性能满足要求为止。
[0035] 实施实例
[0036] 根据具体实施方案，设计了一套组合放大倍率极紫外光刻物镜。首先以放大倍率 为1/8,共轴6镜系统为起始点，如图3所示。该系统采用分组设计方法获得，即将6面反射镜 两两一组进行设计。沿着光路方向，第一反射镜Ml和第二反射镜M2为第一镜组G1;第三反射 镜M3和第四反射镜M4为第二镜组G2;第五反射镜M5和第六反射镜M6为第三镜组G3。首先根 据合理约束条件设计G1和G3镜组，再根据物像关系及光瞳匹配原则