193nm光刻投影物镜的研究

为了跟踪国际光刻设备的发展,介绍了工作波长为193nm国际主流光刻机的发展现状,对光刻机的核心—投影物镜的设计原理进行了分析,针对投影物镜光学系统参数、光学结构、光学材料和机械结构进行了深入探讨,最后对中国光刻机的发展前景进行展望。     

高数值孔径投影光刻物镜的光学设计

针对45nm节点投影光刻物镜的应用,开展了工作波长为193nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜,并对两个设计方案的优劣进行对比分析,选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系,提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明,应用本文设计方案,光刻物镜的波像差小于1nm,畸变小于1nm;新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57mrad降低至0.26~3.21mrad。本文提出的设计方案为45nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。     

基于光栅制造的光刻投影物镜设计

光栅尺作为位移传感器被广泛应用在精密测量体系中，随着测量趋于纳米级精度和大量程，对光栅尺的制造精度提出了更高的要求。刻线误差是影响光栅尺制造精度的重要因素，减小刻线误差能够有效提高光栅制造精度。设计了一种大孔径、低畸变的投影光刻物镜，并在Zemax光学设计软件中对物镜进行了设计及优化。结果显示，其全视场波像差小于λ/10,MTF>0.6,最大畸变<0.0037%,最大分辨率R=2μm,数值孔径NA=0.15,缩小倍率5×,最大焦深±9.73μm。对其进行公差分析，结果表明，该物镜完全满足提高光栅尺制造精度的需求。     

软X射线投影光刻原理装置的设计

首先介绍了投影光刻技术发展的历程、趋势和软X射线投影光刻技术的特性,其次介绍了软X射线投影光刻原理装置的研制工作.该装置由激光等离子体光源、掠入射椭球聚光镜、透射掩模、镀有多层膜的Schwarzchild微缩投影物镜、涂有光刻胶的硅片及相应的真空系统组成.0.1倍的Schwarzchild微缩投影物镜具有小于0.2μm的分辨率.     

基于勒让德多项式的加工中心几何误差参数化建模

为快速准确地对加工中心的几何误差进行预测,提出一种基于勒让德多项式的几何误差参数化建模方法。基于多体系统理论对加工中心的误差进行建模,构建勒让德多项式基函数,将误差数据以勒让德多项式基函数展开,通过线性最小二乘法拟合求得线性回归系数,得到误差关于勒让德多项式基函数的拟合多项式,根据变量关系得到误差项关于运动轴位移的多项式模型,应用雷尼绍XL-80激光干涉仪测量加工中心直线轴的定位误差,以Y轴为例进行参数化建模。通过勒让德多项式得到的机床误差参数化模型能够很好地拟合误差数据,其残差较小,精度较高;五阶模型拟合的精度更高,拟合效果较好,可用于误差补偿。     

大视场投影光刻物镜的研究

大视场投影光刻物镜是光学系统中的一种特殊的形式,其设计加工要求高。针对研制的8英寸视场的投影光刻物镜,从光学设计要求出发,分析了影响光学系统成像质量的各种主要误差因素,通过ZEMAX模拟,确定了加工容差,并对其加工和装校过程做了阐述,对研制完成的物镜检验了其曝光分辨力和畸变特性,达到了系统设计的指标要求。     

光刻投影物镜中的透镜X-Y柔性微动调整机构

针对光刻投影物镜中透镜X-Y调整机构调整量程小、调整精度高的特点,提出了一种基于柔性铰链的X-Y微动调整机构,并将其应用在光刻投影物镜模型中进行了实验验证.首先,基于机构自由度和机构瞬心等概念介绍了该机构的工作原理.然后,用柔性铰链代替传统铰链完成了该机构的结构设计,并对该机构的运动方向刚度、位移输入-输出比以及固有频率和阵型等进行了仿真分析.分析结果表明:该机构X,y方向的刚度值为1.99 μm/N和1.96 μm/N,X,y方向的位移输入-输出比值分别为-2.5和-2.56,机构X,y方向运动的原理误差分别为实际量的8.22％和6.68％.最后,将研制的X-Y微动调整机构用于光刻投影物镜验证模型中,给出了X-Y调整机构补偿前后的系统波像差.结果显示:模型补偿前后的系统波像差RMS分别为50.864 nm和25.933 nm.由此表明,本文设计的柔性微动调整机构补偿效果明显,能够满足光刻投影物镜高精度X-Y调整补偿要求.     

步进投影数字光刻技术研究

随着微纳加工技术的不断发展,其对光刻技术提出了新的要求,步进投影数字光刻技术作为光刻技术的重要分支,在光刻发展的过程中,扮演着不可替代的角色。主要介绍步进投影数字光刻技术的原理及组成,详细阐述关键技术单元,如数字掩模投影成像技术、照明均匀化处理技术、CCD同轴调焦及对准技术等,并利用该技术进行了分辨率测试和灰度图形曝光实验。实验结果表明该技术在微细加工领域达到国内先进水平。     

偏心孔阑离轴照明EUVL微缩投影物镜的设计及模拟装调

针对极紫外投影光刻 ( Extreme Ultraviolet Lithography,简称 EUVL)工作波长短的特点及由此带来的一些问题 ,对 EUVL微缩投影物镜的结构参数进行分析选择 ,设计了离轴照明方式的 Schwarzschild微缩投影成像物镜。利用基于奇异值分解的牛顿迭代法对敏感矩阵进行分解 ,求出相应失调量的大小 ,以实现系统的精密装调     

全频段亚纳米精度氟化钙材料加工

考虑用CaF_2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标,本文研究了CaF_2材料加工工艺的全流程,以实现CaF_2材料的全频段高精度加工。首先,利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF_2元件有较好的面形和表面质量。然后,优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数,并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF_2元件的高频误差,逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。最后,在不改变CaF_2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明:其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39nm,Zernike残差RMS值为0.43nm,高频粗糙度均值为0.31nm,实现了对CaF_2元件的亚纳米精度加工,为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。     

Tolerance allocation and auto alignment algorithm of focusing unit for near field recording system

A tolerance allocation and auto alignment algorithm for the optical head of the near-field recoding (NFR) system are presented. The optical head of the NFR system consists of a solid immersion lens (SIL) and an objective lens (OL). The effects of assembling and manufacturing tolerances of SIL and OL are simulated using CODE V. These analyses show that the tolerances are very tight. So we proposed to move the collimate lens (CL) back and forth to compensate and control these tolerances, especially in the optical axis direction. Also, we allocate the compound tolerance of decenter and tilt motions of the SIL and OL using the worst On worst analysis (WOW) model. In addition, to align SIL and OL under these tolerances, we propose an auto alignment algorithm between SIL and OL. The simulation results of the alignment algorithm are compared with the experimental results.     

压印对正系统中标记图像几何畸变的校正

在综合分析了多种线性及非线性畸变后,建立了三次多项式图像系统畸变模型。采用基于控制点偏差目标函数最小优化法进行畸变模型的求解,并通过计算自标定偏差均方差与互标定偏差均方差对标定结果进行了评定。结果表明,模型求解误差为0.22 μm,通过校正标记图像几何畸变引入的定位误差由2.5 μm降低到0.25 μm,可实现压印对正系统中标记图像几何畸变的校正,实现精确定位。     

Zemax软件在离轴三反射镜系统计算机辅助装调中的应用

利用Zemax光学设计软件与自编计算机辅助装调软件,实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的装调.通过Zemax软件模拟光学系统的失调模式,得到整个光学系统的波前像差,把波前像差代入到自编的复杂光学系统计算机辅助装调软件中,计算出光学系统的失调量,与引入的失调量对比,证明了其正确性.在实际的装调过程中,用小型球面干涉仪分别收集3个视场的干涉图,得到失调光学系统的失调量,用Zemax软件验证失调量数据的正确性,从而指导装调.按此方法,在波长λ=632.8nm时,得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差RMS值为0.108λ.该方法也可以运用到其他光学系统中.     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。     

刀口半影最小化的光刻机扫描狭缝研究

扫描狭缝是步进扫描光刻机中控制曝光剂量的重要单元,而扫描狭缝产生过大的刀口半影会影响曝光性能。首先,根据步进扫描光刻机照明原理,通过分析掩模面上光强分布与扫描狭缝刀口厚度及位置的相对关系,推导出掩模面上刀口半影宽度的计算公式,同时针对数值孔径NA为0.75的光刻机照明系统模型分别对非共面和共面扫描狭缝在掩模面上的刀口半影进行仿真分析;研制了一种四刀口共面的高精度扫描狭缝装置,不仅满足步进扫描光刻机的同步性能需求,并且有效减小了X向和Y向的刀口半影;最后对所研制的扫描狭缝动态性能以及掩模面上实际刀口半影进行了测试。结果表明,当最大扫描速度达到470mm/s时,扫描刀口动态跟随误差始终在±30μm以内,同时两个方向的刀口半影均不超过0.5mm,满足90nm分辨率步进扫描光刻机的需求。     

Modified color CCD moiré method and its application in optical distortion correction

The characterization and correction of lens distortion is an important part of optical measurement. This work analyzes the formation mechanism of color fringes and multiplication moiré, and discusses modification of the color CCD moiré method for correcting lens distortion. A demosaicing algorithm was used to simulate the color fringes in a CCD moiré pattern. We then performed a detailed analysis of the carrier field, and adopted a universal polynomial distortion model to characterize lens distortion, which increased the accuracy of distortion correction. Comparison experiments verified the feasibility of the modified method and the correctness of the formation mechanism for color CCD moiré. The modified method was then applied to lens distortion correction in the DIC measurement process, effectively reducing errors in displacement measurement.     

球透镜耦合效率研究

根据能量积分法计算了球透镜用于激光二极管(LD)与单模光纤(SMF)之间耦合的耦合效率,并对其进行研究。结果表明:当采用单球透镜时,所带来的轴向偏差为±30 μm,横向偏差为±1.0 μm,沿着X-Y平面的轴向倾角偏差为±1.2°;当采用双球透镜时,角向偏差最大,横向偏差次之,轴向偏差最小。     

光纤石英玻璃基板微V槽阵列的精密磨削

针对脆性石英玻璃的微加工,利用自主研发的金刚石砂轮微尖端修整工艺,研发了光纤阵列石英玻璃微V槽磨削技术。分析了60°的微V槽形状偏差对光纤耦合损耗的影响,然后,研究了砂轮微尖端的误差补偿修整工艺。最后,实验分析了微V槽的磨削精度。理论分析显示:微V槽角度、间距和宽度的偏差分别控制在±0.42°、±1.04μm和±1.2μm以内时,耦合损耗小于0.5dB。实验结果表明:开发的数控磨削工艺可加工高精度的60°微V槽阵列;采用数控轨迹和角度补偿修整后,砂轮微尖端半径可平均达到10.46μm,角度精度为(60±0.22)°;对石英玻璃进行微磨削后,微V槽的角度偏差达到0.4°,尖端半径为10.5μm,宽度偏差为0.3μm,间距偏差为0.5μm,可保证光纤阵列的精密对接。