膜系引入偏振像差对投影光刻物镜设计的影响与改进

为了实现高成像要求,投影光刻物镜在设计时需要考虑膜层偏振效应的影响,并进行相应的分析和评价。首先介绍了基于琼斯矩阵的偏振像差理论,然后以一个数值孔径(NA)为0.75的投影光刻物镜为例,设计了相应膜系,系统分析了膜层引入的偏振像差,并在设计时对膜层引入的离焦项和球差项进行了间隔优化补偿,补偿前后标量波像差和质心畸变分别从68.92 nm和3.76 nm改善为1.08 nm和0.38 nm,偶极照明模式下90 nm密集线条对比度从0.082提高为0.876,在此基础上,提出在设计时根据不同表面的入射角分布情况,采用组合膜系,同时控制P光和S光的振幅和相位分离,减小膜系引入的延迟和二次衰减等偏振像差,使得线条对比度提高了1.1%。     

光刻投影物镜的琼斯光瞳检测方法

提出一种基于琼斯光瞳的光刻投影物镜偏振像差检测方法。推导了基于琼斯矩阵的检测方程,建立了光强矢量与琼斯矩阵克氏积的线性关系,利用该线性关系直接检测琼斯光瞳形式的偏振像差。以一个典型的光刻投影物镜的琼斯光瞳为检测对象对所提方法进行仿真验证,仿真中考虑了偏振元件与CCD的实际参数误差,并与传统穆勒矩阵椭偏法转换得到的琼斯光瞳进行比较。对于同一种典型的偏振元件旋转角组合,与传统测量方法相比,所提方法测量的偏振衰减和偏振相位延迟误差均明显降低。仿真结果表明,所提方法在不增加现有测量装置复杂度的基础上,明显提高了琼斯光瞳形式偏振像差的测量精度。     

偏振双向衰减对光学成像系统像质影响的矢量平面波谱理论分析

偏振双向衰减(diattenuation)是指偏振元件引入的光场传播过程中表征电矢量的两个正交偏振态的振幅变化特性.在大部分有关偏振像差的讨论中,聚焦光场偏振态的振幅变化对其分布的影响较小而不被重视.但在一些大相对孔径光学系统中,对于分束器、光调制器等有复杂平面介质结构的低透过率光学元件而言,引入的偏振相关的振幅调制相对大得多.本文依据矢量平面波谱理论,建立了笛卡尔坐标系下的理想光学成像系统的矢量光学模型,验证了与德拜矢量衍射积分的一致性.在线偏振光入射的条件下,对在汇聚光路中使用的光学元件的偏振双向衰减特性对成像质量的影响进行理论研究.结果表明,在调制传递函数的低频率处(v0.2NA/λ),这种影响是可以忽略的;随着空间频率的增加,光学元件的偏振双向衰减特性对成像系统调制传递函数的影响逐渐变大.若要求调制传递函数的数值不低于衍射极限的90%,中频处(0.2NA/λv0.8NA/λ),s光和p光的透射/反射系数之比至少需要控制在[0.63,1.6]的范围内;而当v0.8NA/λ时,则需要控制在[0.9,1.11]的范围内.随着光学系统光轴与光学分界面法向的倾角增加,容差范围有所放宽.     

超高NA光刻投影物镜高阶波像差检测方法

提出了一种基于八角度孤立空检测标记的超高NA光刻投影物镜高阶波像差检测方法。通过对八角度孤立空检测标记的空间像进行主成分分析(PCA)和多元线性回归分析,构建了超高NA光刻投影物镜的空间像光强分布与高阶波像差之间的线性模型,并基于该模型实现了高阶波像差的检测。与使用六角度孤立空检测标记的传统方法相比,本方法提高了光瞳面波前的采样效率,拓展了波像差检测范围,实现了超高NA光刻投影物镜高阶波像差(Z_5~Z_(64))的高精度检测。光刻仿真软件PROLITH的仿真结果表明,该方法可实现60项泽尼克系数(Z_5~Z_(64))的检测,检测精度优于1.03×10~(-3)λ。     

无遮拦离轴天文望远镜偏振像差分析及其对光学椭率的影响

随着天文探测水平的提高,偏振像差对天文望远镜成像质量的影响逐渐凸显。基于偏振光线追迹,分析了一种用于探测宇宙弱引力透镜效应的无遮拦离轴天文望远镜的偏振像差,得到了该望远镜的琼斯瞳、振幅响应矩阵以及望远镜中各个反射镜的二向衰减和相位延迟分布特性。计算发现偏振像差会影响该望远镜的成像对比度,同时还会改变其点扩展函数的空间分布。计算了偏振像差对望远镜光学椭率的影响,结果表明偏振像差会导致该望远镜光学椭率在全视场范围内发生不同程度的变化,最大改变量为7.5×10~(-3),平均改变量为2.7×10~(-3)。在视场[-0.0487°,0.155°]附近,偏振像差使得该望远镜光学椭率最大插值误差由1.2×10~(-4)增大为1.1×10~(-3)。本文研究结果表明,对于探测弱引力透镜效应等要求超高成像质量的天文望远镜,偏振像差不可忽略,需要进行优化设计。     

投影光学系统中的偏振像差分析

当光束斜入射时,光学薄膜存在一定的偏振效应。在飞利浦棱镜系统中,当一定大小孔径角的照明光束斜入射到分色合色薄膜后,S偏振分量和P偏振分量存在一定的相位差,使得线偏振光变成椭圆偏振光。利用琼斯矩阵偏振光线追迹的方法,分析了投影光学系统中由于两偏振分量相位差引起的偏振像差,以及它与暗态泄漏光强和系统衬比度的关系。得出了系统出瞳面上的光波偏振特性,以及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。分析了膜厚监控误差对光学系统偏振像差的影响,发现膜厚监控误差对偏振像差和系统衬比度有很大的影响。所使用的分析方法可以应用于其他大口径光学系统。     

基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计

传统的离轴反射光学系统初始结构设计方法是先求取轴对称反射光学系统结构,然后通过光瞳离轴、视场离轴或二者结合的方法实现无遮拦设计.由于同轴光学系统像差分布规律不适用于离轴光学系统,因此离轴后的反射光学系统结构像差较大,而且系统无遮拦设计过程复杂.本文提出了一种基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计方法,可以直接获取光瞳离轴、视场离轴或二者结合的无遮拦离轴反射光学系统初始结构.该方法可以获得较好的离轴反射光学系统初始结构供光学设计软件进一步优化.针对面阵探测器,设计了一个长波红外离轴三反光学系统,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,光学系统成像质量好,反射镜不存在倾斜和偏心,光学系统易于装调.     

光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析

基于节点像差理论,提出了以泽尼克多项式为表征函数的光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了光瞳离轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对光瞳离轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化泽尼克系数,设计了一个光瞳离轴自由曲面空间天文光学系统,系统有效焦距为25m,口径为2m,视场为1.2°×1.2°。自由曲面的引入,使系统三阶像散和彗差节点重新回到视场中,不仅平衡了系统光瞳离轴引起的非对称像差,而且有效控制了全视场内点扩展函数(PSF)椭率,减小了星体观测时的测量误差。系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

太阳模拟器的拉赫不变量传递

介绍了太阳模拟器的组成及工作原理。在非成像光学的光学扩展量基础上,对照明系统和投影成像系统进行了光学匹配,并从拉赫不变量的角度分析了能量在整个系统中的传递情况,得出椭球聚光镜、光学积分器和准直物镜这三者的相对孔径相互之间的最佳匹配关系,即三者的相互之间的相对孔径值均为1／4时,满足光瞳衔接原理。计算得到了从物面到像面的拉赫不变量为0．45,验证了整个光学系统从物面到像面的拉赫不变量守恒,有效地利用了光学系统的光能。     

超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法

提出了一种基于空间像主成分分析的超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法。通过采用偏振光照明和矢量光刻成像模型并考虑投影物镜的偏振像差,准确表征了超大数值孔径光刻机的空间像,从而提高了像差检测模型的精度,实现了超大数值孔径光刻机投影物镜33项泽尼克像差(Z5~Z37)的高精度检测。相比于原基于空间像主成分分析的投影物镜成像差检测技术(AMAI-PCA)方法,所提方法适用于超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测。采用光刻仿真软件PROLITH对所提方法的检测精度进行了仿真验证,并分析了空间像采样间隔对波像差检测精度的影响。仿真结果表明,该方法对泽尼克像差(Z5~Z37)的检测精度优于0.85×10-3λ。     

Skew aberration: a form of polarization aberration

We define a new class of aberration, skew aberration, which is a component of polarization aberration. Skew aberration is an intrinsic rotation of polarization states due to the geometric transformation of local coordinates, independent of coatings and interface polarization. Skew aberration in a radially symmetric system has the form of a circular retardance tilt plus coma aberration. Skew aberration causes undesired polarization distribution in the exit pupil. We demonstrate statistics on skew aberration of 2383 optical systems described in Code V's U.S. patent library [Code V Version 10.3 (Synopsys, 2011), pp. 22-24]; the mean skew aberration is 0.89° and the standard deviation is 1.37°. The maximum skew aberration found is 17.45° and the minimum is -11.33°. U.S. patent 2,896,506, which has ±7.01° of skew aberration, is analyzed in detail. Skew aberration should be of concern in microlithography optics and other high NA and large field of view optical systems.     

亚10 μm线宽的投影光刻物镜设计及其成像性能的实验测定

 采用Zemax软件设计出6镜片、数值孔径为0.06、2倍缩小、以405 nm半导体激光器为光源、分辨精度达5 μm、视场12 mm×12 mm 内波像差小于1/4波长、畸变小于0.005%的双远心投影光刻物镜的设计方法。将设计的物镜实物化,并对其光学传递函数(MTF)作精确的实验测定,利用所提出的MTF标准实验测量法,得到该投影物镜的成像性能达亚10 μm线宽。     

深紫外双层金属光栅偏振器的设计与分析

193 nm波长浸没式步进扫描投影光刻机是实现45 nm及以下技术节点集成电路制造的核心装备.增大数值孔径是提高光刻分辨率的有效途径,而大数值孔径曝光系统的偏振性能严重影响光刻成像质量.光刻机曝光系统偏振参数的高精度检测是对其进行有效调控的前提.基于光栅的偏振检测技术能实现浸没式光刻机偏振检测装置的小型化,满足其快速、高精度在线检测的需求,该技术中的关键部件是结构紧凑且偏振性能良好的光栅.本文基于反常偏振效应和双层金属光栅对TE偏振光的透射增强原理,采用严格耦合波理论和有限时域差分方法,设计了一种双层金属光栅偏振器.计算了该偏振器的初始结构参数,并通过数值仿真得到了其偏振性能关于各光栅参数的变化关系.仿真结果表明,中间层高度是影响TE偏振光透射增强的主要因素;垂直入射时TE偏振光的透过率可达到56.8%,消光比高达65.6 dB.与现有同波段金属光栅偏振器相比,所设计的光栅偏振器在保证高透过率的同时,消光比提升了四个数量级.     

Aberration Functions for Microlithographic Optics

In this paper a newly proposed polynomial series for aberration expression is reviewed. The new series can be utilized to express aberration distribution of a high NA and wide field optical system like a microlithographic projection lens. Moreover, the new aberration functions can be used for the microlithographic lens manufacturing process because they can express each aberration component of a rotationally symmetric system with a small amount of decentering error and astigmatic (toric) error.     

Coma measurement using a PSM and transmission image sensor

As feature size decreases, especially with the use of resolution enhancement technique, requirements for the coma aberrations in the projection lenses of the lithographic tools have become extremely severe. So, fast and accurate in situ measurement of coma is necessary. In the present paper, we present a new method for characterizing the coma aberrations in the projection lens using a phase-shifting mask and a transmission image sensor. By measuring the image positions at multiple NA and partial coherence settings, we are able to extract the coma aberration. The simulation results show that the accuracy of coma measurement increases approximately 20% compared to the previous straightforward measurement technique.     

Trefoil aberration measurement of lithographic projection optics based on linewidth asymmetry of the aerial image

The degradation of critical dimension uniformity caused by trefoil aberration of lithographic projection optics is a serious problem in the production of dynamic random access memory devices. In the present paper, we propose a novel method for measuring the trefoil aberration of lithographic projection optics. The trefoil aberration can be extracted from the linewidth asymmetry of the aerial image of brick-wall patterns. The present method has an advantage of timesaving. The test mark used in the present method is easy and cheap to fabricate, and the model for aberration extraction is simple. The PROLITH simulation results show that the trefoil aberration can be measured with high accuracy.     

光刻机投影物镜的像差原位检测新技术

提出了一种新的光刻机投影物镜像差原位检测(AMF)技术。详细分析了该技术利用特殊测试标记检测投影物镜球差、像散、彗差的基本原理,论述了该技术利用对准位置坐标计算像差引起的成像位置偏移量的方法。实验结果表明AMF技术可实现球差、彗差、像散等像差参量的精确测量。AMF技术考虑了光刻胶等工艺因素对像差引起的成像位置偏移量的影响,有效避免了目前基于硅片曝光方式的彗差原位检测技术对离焦量、像面倾斜等像质参量限制的依赖。     

光学系统的偏振像差分析

偏振像差是影响光学系统性能的重要因素之一,尤其对偏振有严格要求的光学系统来说更是如此。论述了偏振像差的理论和偏振光线追迹的方法,并对旋转对称光学系统、倾斜偏轴光学系统的偏振像差进行了分析,指出了薄膜设计对偏振像差所产生的重要影响。介绍了提高光学系统偏振精度的几个方法,包括尽可能的减小入射角、薄膜设计的优化和像差之间的相互平衡。     

All-reflective optical system design for extreme ultraviolet lithography

All-reflective optical systems,due to their material absorption and low refractive index,are used to create the most suitable devices in extreme ultraviolet lithography （EUVL）.In this letter,we present a design for an all-reflective lithographic projection lens.We also discuss its design idea and structural system.After analysis of the four-mirror optical system,the initial structural parameters are determined,the optical system is optimized,and the tolerances of the system are analyzed.We also show the implementation of optimal layout and desired imaging performance.