先进光刻机是制造高端芯片的利器，只有少数国家掌握先进光刻设备的研制和高端芯片的制造。《先进光刻机曝光系统光学设计》遵循国际半导体协会光刻技术发展路线图，结合作者20余年从事先进光刻机曝光系统的研究，重点介绍光刻28nm～14nm～7nm～5nm技术节点相关的深紫外和极紫外光刻机曝光系统设计研制技术，主要包括以下内容：光刻机发展历程以及深紫外/极紫外光刻机曝光系统光学设计的发展历程；光刻机曝光系统光学设计基础；浸没式深紫外光刻机物镜系统光学设计基础、方法与系统设计；深紫外光刻机照明系统光学设计基础、方法与系统设计；极紫外光刻机匀倍率/变倍率物镜系统光学设计基础、方法与系统设计；极紫外光刻机匀倍率/变倍率照明系统光学设计基础、方法与系统设计。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 光刻机发展简介 1
1.2 深紫外光刻机曝光系统光学设计 3
1.2.1 深紫外光刻机物镜系统的光学设计 3
1.2.2 深紫外光刻机照明系统的光学设计 7
1.3 极紫外光刻机曝光系统光学设计 11
1.3.1 极紫外光刻机物镜系统的光学设计 12
1.3.2 极紫外光刻机照明系统的光学设计 16
参考文献 20
第2章 光刻机曝光系统光学设计基础 29
2.1 光学表面结构 29
2.1.1 球面 29
2.1.2 非球面 30
2.1.3 自由*面 31
2.2 光刻机物镜系统的光学设计基础 34
2.2.1 光刻机物镜系统的设计方法 35
2.2.2 光刻机物镜系统的优化方法 36
2.2.3 成像光学系统像质评价方法 39
2.3 光刻机照明系统的光学设计基础 49
2.3.1 光能及其计算 49
2.3.2 照明系统基本组成 53
参考文献 54
第3章 浸没式深紫外光刻机物镜系统光学设计 56
3.1 浸没式深紫外光刻机物镜系统设计基础 56
3.1.1 浸没式深紫外光刻机物镜系统设计的主要性能 56
3.1.2 浸没式深紫外光刻机物镜系统的光学材料 57
3.2 浸没式深紫外光刻机物镜系统分组设计方法 58
3.2.1 浸没式深紫外光刻机物镜系统分组方法 58
3.2.2 光学元件增减与面型优化方法 59
3.2.3 浸没式深紫外光刻机物镜系统初始结构设计方法 62
3.3 浸没式深紫外光刻机物镜系统设计 69
3.3.1 多维度参数优化策略 69
3.3.2 公差分析方法 70
3.3.3 NA1.35深紫外物镜系统优化设计 72
参考文献 79
第4章 深紫外光刻机照明系统光学设计 81
4.1 深紫外光刻机照明系统设计基础及方案 81
4.1.1 深紫外光刻机照明系统的设计基础 81
4.1.2 深紫外光刻机照明系统的设计方案 83
4.2 深紫外光刻机照明系统双向设计方法 85
4.2.1 深紫外光刻机照明系统的匀光照明子系统设计 85
4.2.2 深紫外光刻机照明系统的光束整形子系统设计 86
4.2.3 深紫外光刻机照明系统的偏振照明子系统设计 94
4.3 深紫外光刻机照明系统设计 100
4.3.1 NA1.35深紫外光刻机照明系统设计 100
4.3.2 照明系统仿真分析 105
4.3.3 照明光源仿真分析 106
参考文献 109
第5章 极紫外光刻机物镜系统光学设计 112
5.1 极紫外光刻机物镜系统设计基础 112
5.1.1 匀倍率极紫外光刻机物镜系统设计基础 112
5.1.2 变倍率极紫外光刻机物镜系统设计基础 113
5.2 极紫外光刻机物镜系统分组设计方法 115
5.2.1 极紫外光刻机物镜系统分组方法 115
5.2.2 匀倍率极紫外光刻机物镜系统初始结构设计方法 116
5.2.3 变倍率极紫外光刻机物镜系统初始结构设计方法 123
5.3 极紫外光刻机物镜系统设计 130
5.3.1 极紫外光刻机物镜系统优化方法 130
5.3.2 NA0.33匀倍率极紫外光刻机物镜系统设计 130
5.3.3 NA0.55变倍率极紫外光刻机物镜系统设计 134
参考文献 137
第6章 极紫外光刻机照明系统光学设计 139
6.1 极紫外光刻机照明系统设计基础及方案 139
6.1.1 极紫外光刻机照明系统设计基础 139
6.1.2 极紫外光刻机照明系统设计方案 140
6.2 极紫外光刻机照明系统逆向设计方法 141
6.2.1 极紫外光刻机照明系统中继镜组设计 142
6.2.2 极紫外光刻机照明系统双排复眼设计 151
6.2.3 极紫外光刻机照明系统双排复眼对位匹配方法 158
6.3 极紫外光刻机照明系统设计 163
6.3.1 极紫外光刻机照明系统光源 163
6.3.2 匀倍率极紫外光刻机照明系统设计 164
6.3.3 变倍率极紫外光刻机照明系统设计 167
参考文献 176

第1章绪论
　　1.1光刻机发展简介
　　1965年，摩尔预言集成电路(integrated circuit，IC)上的晶体管数量，按每18个月增加一倍的速度发展[1-3]。光刻机作为大规模集成电路制造的核心设备，其不断发展让摩尔定律“生命不竭”。
　　1960～1970年，光刻机主要分为接触式光刻机和接近式光刻机[4]。接触式光刻机很容易污染掩模，而接近式光刻机与掩模之间能保持一个合适的空隙，可避免掩模被污染[5]。1973年，Perkin Elmer公司研制了**台扫描式光刻机Micralign[6]，该光刻机数值孔径(numerical aperture，NA)为0.17，采用波长为400nm的汞灯照明，光刻成像分辨率为2μm。如图1.1.1(a)所示，扫描式光刻机在整个硅片上单次扫描完成单次曝光，并能避免掩模和光刻胶的污染。
　　1980年，步进式光刻机问世[7]。早期步进式光刻机物镜的NA为0.28，采用波长为436nm的汞灯照明(G线)，光刻成像分辨率为1.25μm。如图1.1.1(b)所示，步进式光刻机单次曝光面积只有1～2个芯片的区域。曝光过程如下：先曝光一小块区域，再步进至下一个区域进行曝光。
　　20世纪80年代末，步进-扫描式光刻机问世[8]，光刻机物镜系统的NA进一步增大，光刻成像分辨率进一步提高。如图1.1.1(c)所示，在步进-扫描式光刻过程中，扫描曝光单个区域后(虚线框所示)，再步进至下一个区域进行扫描曝光。这种步进-扫描方式沿用至今，深紫外(deepultraviolet，DUV)和极紫外(extreme ultraviolet，EUV)光刻机曝光系统均采用步进-扫描式。
　　图1.1.1投影式光刻机曝光示意图步进-扫描式光刻机的核心子系统包括投影曝光光学系统、掩模台、硅片台、对准系统、调焦调平系统、掩模及硅片的传输系统等[9]，其中光刻机投影曝光光学系统如图1.1.2所示。
　　光刻机光源发出的光经过照明系统调控，可产生不同的照明模式(如传统照明(conventional illumination，CI)、环形照明(annular illumination，AI)、四极照明(quasar illumination，QI)、二极照明(dipole illumination，DI)、自由照明(freeform illumination)等)。依据光刻需求，不同照明模式的光经掩模进入物镜系统，其出射光在硅片上旋涂的光刻胶中成像，并经过显影、定影等多道工艺，完成在光刻胶中的光刻成像。光刻成像分辨率用晶圆上光刻胶成像的特征尺寸(critical dimension，CD)表示[10]：
　　(1.1.1)
　　NA其中，k1为工艺因子；为曝光光源波长；NA为物镜系统的像方数值孔径。由式(1.1.1)可知，提高光刻成像分辨率的途径包括缩短.、增加NA、降低k1。如图1.1.3所示，曝光系统设计.时经历了436nm(g-line)、365nm(i-line)、248nm(氟图1.1.3光刻机发展历程图化氪(KrF))、193nm(氟化氩(ArF))和13.5nm(极紫外)的发展历程。
　　下面分别概述深紫外光刻机曝光系统光学设计和极紫外光刻机曝光系统光学设计。
　　1.2深紫外光刻机曝光系统光学设计
　　深紫外光刻机的曝光系统由物镜系统和照明系统组成。物镜系统的功能是将掩模上的图形复制到硅片上涂敷的光刻胶中；照明系统的功能是实现光刻成像性能需求的多种照明模式，并在掩模上形成均匀照明。本节介绍深紫外光刻机物镜系统和照明系统的发展历程及相关设计方法。
　　1.2.1深紫外光刻机物镜系统的光学设计
　　光刻机物镜系统设计参照**高斯型照相物镜的设计。随着光刻分辨率和产率要求的不断提高，曝光波长不断缩短，NA不断增大，深紫外光刻机物镜系统经历了折射式物镜系统和折反射式物镜系统两个发展阶段，产生了以下一系列关键技术：早期全球面深紫外光刻机物镜系统NA为0.3～0.6；引入非球面面型，实现了NA0.9的物镜系统设计；引入像方浸没技术(折射率1.44的去离子水作为浸没液体)，实现了NA>1的物镜系统设计；引入折反射式结构，实现了NA1.3的物镜系统设计，如图1.2.1所示[11]。
　　1.折射式深紫外光刻机物镜系统
　　20世纪90年代初，光刻机开始采用波长为248nm和193nm的准分子激光光源。深紫外光刻机物镜系统采用氟化钙(CaF2)和熔融石英(fused silica)作为光学材料。上述两种材料的折射率相对较低，需将物镜系统的光焦度分配到较多的元件上，实现像差校正。如图1.2.2所示[12]，NA0.75的KrF光刻机物镜系统采用步进-扫描的方式，在26mm×5.5mm的视场内、涂有光刻胶的硅片上，实现光刻曝光成像。步进-扫描曝光可降低轴外像差的校正难度。如图1.2.3所示，NA0.85的ArF光刻机物镜系统采用非球面设计[12]实现像差校正。光刻机物镜系统引入非球面可减少镜片数量并减小口径，改变物镜系统光焦度的分布，物镜结构从双腰结构演变成单腰结构[13，14]，有利于像差校正。
　　光刻机曝光系统设计是研制光刻机的关键，但关于光刻机曝光系统详实、全面的信息鲜见报道。国内外公开发表的深紫外光刻机物镜系统设计方法主要包括形态参数法、全局搜索法、鞍点构造法、分组设计方法，具体介绍如下。
　　1998年，Sasian等[15]提出了形态参数法，利用物镜设计的两个重要参数，即光焦度(用W表示)和对称度(用S表示)量化了光焦度的分布和系统的对称特性[16]。2003年，Cheng等[17]以物镜形态参数作为判据，实现了NA0.62全折射式深紫外光刻机物镜系统的设计。
　　2005年，Yabe[18]提出了全局搜索法，通过一组虚拟面，对物镜系统进行全局移动搜索，在NA0.85全折射式深紫外光刻机物镜系统中，确定新增非球面的*佳位置，实现了波像差小于0.01.的NA0.85ArF光刻机物镜系统的设计。
　　2008年，Marinescu等[19]提出了鞍点构造法，通过寻找光学系统新的局部*小值结构，构建物镜系统的结构网络。在全折射式KrF光刻机物镜系统中，反复引入新的薄弯月透镜，构造鞍点和新的优化变量。在KrF光刻机物镜系统中利用鞍点构造法设计的物镜结构网络如图1.2.4所示。
　　2004年，Ulrich等[20]提出了分组设计方法，实现了缩小倍率为4、NA0.80的全折射式KrF光刻机物镜系统的设计。2007年，Dodoc等[21]和Matsuyama等[22]将全折射式KrF物镜系统分为物方镜组和像方镜组，并进行分组设计，进一步改变像方镜组的结构，优化浸没物镜系统，设计了NA1.05浸没式深紫外光刻机物镜系统。然而，设计者未公开各镜组的设计方法。
　　2002年，面向90～100nm集成电路制造，中国启动NA0.75深紫外光刻机的研制。2017年，中国实现了*套NA0.75 Epolith A075型深紫外光刻机物镜系统的研制，达到了全视场平均波像差优于4nm、平均畸变优于5.7nm的核心技术指标[23]。
　　2.折反射式深紫外光刻机物镜系统
　　全折射式光刻机物镜系统的NA受光学元件口径和系统总长的限制。因此，ArF光刻机物镜系统采用折反射式结构。在这种结构中，凹面反射镜具有正光焦度，并与正透镜在场*的贡献中相反，能够拓展负透镜组的场*校正空间、减小负透镜组所承担的光焦度，从而有效地控制系统总长和光学元件口径。
　　目前，浸没式深紫外光刻机物镜系统均采用折反射式结构。卡尔蔡司(Carl Zeiss)、尼康(Nikon)和佳能(Canon)公司均设计了浸没式ArF光刻机物镜系统[24-26]，并且它们的浸没式步进-扫描光刻机已用于集成电路制造。尼康的折反射式ArF光刻机物镜系统如图1.2.5(a)所示，该结构通过引入Schupmann结构，矫正系统场*。虽然该结构的两个光学臂极大地增加了机械装调复杂度，但是将垂直于光轴的机械臂中凹面反射镜作为可变形镜，可补偿光刻过程中产生的热像差效应[27，28]。卡尔蔡司负责阿斯麦尔(Advanced Semiconductor Material Lithography，ASML)的折反射式ArF光刻机物镜系统的制造与装调，如图1.2.5(b)所示，该结构引入In-line结构，矫正系统场*。所有光学元件均具有光轴旋转对称性，有利于在系统加工、装调过程中，保证良好的机械稳定性[29]。与图1.2.5(b)类似，图1.2.5(c)所示的结构也仅有一个光轴，该结构利用两个反射镜构成的反射镜组矫正系统场*，反射镜组两端的中间像大小比例接近1∶1，有助于系统像差的校正，且反射镜数量少，有利于加工装调。
　　浸没式深紫外光刻机物镜系统结构复杂，设计及优化的结构参数维度高，像差控制要求严格，是光刻机曝光系统设计难度*大的光学子系统[30]。国内各大科研团队对浸没式深紫外光刻机物镜系统的设计方法进行了大量探索和研究。
　　2013年，李艳秋团队[31]建立了分组设计方法，设计了NA1.20折反射式深紫外光刻机物镜系统；2015年，李艳秋团队的刘晓林[32]建立了多维度参数优化方法，设计了NA1.35折反射式深紫外光刻机物镜系统，并对物镜系统的偏振像差进行了控制；2017年，Li等[33]提出了分组设计方法，该方法根据深紫外光刻机物镜系统中间像的特性，将整个物镜系统分为三个子镜组，并根据各子镜组的特点及设计要求，选择与之对应的光学结构进行调整和优化，使其满足光学特性和像差校正的要求，通过该方法设计并实现了NA1.20折反射式ArF光刻机物镜系统。2019年，李艳秋团队[34]通过形态参数法实现了NA1.20自由*面深紫外光刻机物镜系统设计，如图1.2.6所示。