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极紫外光刻技术(EUVL)是半导体制造实现22 nm及其以下节点的下一代光刻技术。在曝光过程中,EUVL物镜的每一面反射镜吸收35%~40%的入射极紫外(EUV)能量,使反射镜发生热和结构变形,影响投影物镜系统的成像性能。基于数值孔径为0.3,满足22 nm技术节点的产业化EUV投影物镜,采用有限元分析(FEA)的方法研究反射镜变形分布,再将变形导入光学设计软件CODE V中,研究反射镜变形其对成像特性的影响。研究结果表明:当达到硅片的EUV能量为321 mW,产量为每小时100片时,反射镜最高升温9.77 ℃,通光孔径内的最大变形为5.89 nm;若采用相干因子0.5的部分相干光照明,变形对22 nm线宽产生6.956 nm的畸变和3.414%的线宽误差。
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书书书
第
32
卷
第
3
期
光
学
学
报
Vol.32
,
No.3
2012
年
3
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犕犪狉犮犺
,
2012
22狀犿
极紫外光刻物镜热和结构变形及
其对成像性能影响
杨光华
李艳秋
(北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京
100081
)
摘要
极紫外光刻技术(
EUVL
)是半导体制 造实现
22nm
及其 以下节 点的下 一代光 刻技术。在曝光 过程中,
EUVL
物镜的每一面反射镜吸收
35%
~
40%
的入射极紫外(
EUV
)能量,使反射镜发生热和结构变形,影 响投影 物镜系 统的
成像性能。基于数值孔径为
0.3
,满足
22nm
技术节点的产业化
EUV
投影物镜,采用有限元 分析(
FEA
)的方 法研究
反射镜变形分布,再将变形导入光学设计软件
CODEV
中,研究反射镜变形其对成像特性的影响。研究结果表明:当
达到硅片的
EUV
能 量 为
321 mW
,产 量 为 每 小 时
100
片 时,反 射 镜 最 高 升 温
9.77 ℃
,通 光 孔 径 内 的 最 大 变 形 为
5.89nm
;若采用相干因子
0.5
的部分相干光照明,变形对
22nm
线宽产生
6.956nm
的畸变和
3.414%
的线宽误差。
关键词
热和结构变形;成像性能;有限元方法;极紫外光刻;投影物镜
中图分类号
TN305.7
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛201232.0322005
犜犺犲狉犿犪犾犪狀犱犛狋狉狌犮狋狌狉犪犾犇犲犳狅狉犿犪狋犻狅狀狅犳犘狉狅
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,
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~
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狆
犲狉犪狋狌狉犲犻狀犮狉犲犪狊犲犻狊
9.77 ℃
,
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犪狉狋犻犪犾犮狅犺犲狉犲狀狋犳犪犮狋狅狉
0.5
),
狋犺犲犱犻狊狋狅狉狋犻狅狀狊狅犳22狀犿犾犻狀犲犪狀犱狊
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犪犮犲犻狊6.956狀犿
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犆犇
)
犲狉狉狅狉犻狊3.414%.
犓犲
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狑狅狉犱狊
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狆
狋犻犮狊
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
220.4840
;
120.6810
;
110.4235
;
230.4040
收稿日期:
20110825
;收到修改稿日期:
20111021
基金项目:国家自然基金(
60938003
)、国家科技重大专 项(
2008ZX02501009
)和 教 育 部 长 江 学 者 特 聘 教 授 奖 励 计 划 资 助
课题。
作者简介:杨光华(
1984
—),男,硕士研究生,主要从事极紫外光刻系统变形分析和控制等方面的研究。
Email
:
yg
h
_
2011
@
126.com
导师简介:李艳秋(
1962
—),女,教授,博士生导师,主要从事高分 辨 成 像 及 先 进 光 刻 技 术、传 感 与 微 系 统 技 术、微 纳 检 测
技术及精密光学仪器等方面的研究。
Email
:
li
y
an
q
iu
@
bit.edu.cn
(通信联系人)
03220051
光
学
学
报
1
引
言
极紫外光刻技术(
EUVL
)作为
22
~
14nm
技术
节点极大规模集成电路光刻工艺主流技术的地位日
益显现
。在
EUVL
中 为 了 得 到 接 近 衍 射 极 限 的 分
辨率,投影物镜总波像差 的均方 根(
RMS
)值 要小于
1nm
(
λ
/
14
,
λ
=13.5nm
)。 对 于 六 镜 系 统,这 就 要
求每一面镜子表面变形允许的
RMS
值小于
0.2nm
[
λ
/(
28
槡
狀
),
狀
=6
]
[
1
]
。但 在极 紫 外(
EUV
)波段,几
乎所有已知光学材 料 都具 有 很强 的 吸收 性,无法 采
用传统的折 射 式 光 学 系 统,所 以
EUV
投 影 物 镜 系
统采用反射式设计,同时反射 镜上镀
Mo
/
Si
多层膜
增强反射率。虽然
Mo
/
Si
多层膜 反射率 很高,仍 然
接近
35%
~
40%
的
EUV
能量被反射镜吸收。由此
造成反射镜表面温度升高,进而导致镜面结构变形,
这对
EUV
光学成像系统 的分辨 率提出 了挑战。所
以需要研究
EUVL
投 影 物 镜 系 统 热 和 结 构 变 形 的
大小以及变形对于光刻性能的影响。
Chaudhuri
等
[
2
~
4
]
对 于
100
,
50
和
32nm
技 术
节点
EUVL
投影物 镜 热 和 结 构 变 形 对 成 像 性 能 的
影响分别进行了研究。而对 于
22nm
技术节 点,还
未见到关于
EUVL
投 影 物 镜 热 和 结 构 变 形 对 成 像
性能的影 响 的 报 道。 本 文 基 于 实 验 室 设 计 的 满 足
22nm
节 点 技 术 的 产 业 化 六 面
EUV
投 影 物 镜 系
统,对投影物镜进行热和结构变形瞬态分析,研究投
影 物镜温度和变相随时间的变化规律;在投影物 镜
达到热和结构平衡 时
,研 究投 影 物镜 变 形对 成 像质
量的影响。
2
模型建立
2.1
结构
采用 像 方 数 值 孔 径 为
0.3
,像 方 视 场 宽 度 为
1.5mm
满足
22nm
节 点 技 术 的 产 业 化 六 面
EUV
投影物 镜 系 统 作 为 研 究 对 象
[
5
]
。 结 构 图 如 图
1
所
示,且命名最靠近掩模 的反射 镜为
M1
,靠近硅 片的
反射镜命名 为
M6
,其 余 各 反 射 镜 命 名 沿 着 光 路 依
次类推。
图
1
六面反射极紫外光刻投影物镜系统
Fi
g
.1 Sixmirror
p
ro
j
ectiono
p
ticsofEUVL
在
EUVL
中,入 射
EUV
波长 为
13.5nm
。 在
此波长下,大 多 数 材 料 甚 至 气 体 对 于
EUV
都 有 很
强的吸收性。因此为减小反射镜变形和提高成像特
性,反射 镜 基 底 选 用 膨 胀 系 数 极 小 的 低 膨 胀 系 数
(
ULE
)玻璃,并 镀
41
层
Mo
/
Si
交 替 膜。 表
1
是 反
射镜材料热和结构特性参数。
表
1
反射镜材料热和结构特性参数
Table1 Thermalandstructural
p
arametersof
mirrormaterials
ULE Si Mo
Densit
y
/(
g
/
mm
3
)
2.205×10
-3
2.33×10
-3
1.03×10
-2
Thermalconductivit
y
/[
mW
/(
mm
·
K
)]
1.31 148.0 138.0
S
p
ecificheat
/[
J
/(
g
·
K
)]
0.766 0.712 0.255
Emissivit
y
0.735 0.122 0.122
Youn
g
′sratio
/
GPa 67.6 107.0 272.0
Poisson′sratio 0.17 0.25 0.25
Thermalex
p
ansioncoefficient
/(
10
-6
K
-1
)
0.02 2.50 5.35
2.2
边界条件
反射镜热变形分析包括热分析和结构分析两部
分。相应的有限元分析(
FEA
)中边 界 条件 分 为:热
边界条件和结构边界条件。其中热边界条件指在曝
光过程中反射镜吸收
EUV
的能量 和当反 射镜温 度
高于环境温度时向外辐射的热量。根据典型的产业
化
EUVL
样机 技 术参 数 模型
[
6
]
,如 表
2
所 示,可 以
计算出每一面反射镜吸收的
EUV
能量大小,如表
3
所示;同时可以 确 定 出 反 射 镜 吸 收
EUV
辐 射
9s
,
然后停止吸收
EUV
辐射
27s
,此种吸收 停止 吸收
停止循环的能量加载方式,如图
2
所示。设置环境
温度为
20℃
。结构边界条件指反射镜的装卡方式,
这里采用运动学侧面
3
点支撑方式
[
7
]
。在
3
个侧面
中心节点实施完全约束:即约束
3
点在
犡
,
犢
,
犣
3
个
方向的位移和转动都为零。如图
3
所示。
03220052
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