一种光学系统薄膜分析方法、设备及存储介质与流程

本发明涉及极紫外光光刻技术领域，特别是涉及一种光学系统薄膜分析方法、设备及存储介质。

背景技术：

极紫外光刻(extremeultravioletlithography，euvl)是一种采用波长为13.5nm的极紫外光作为工作波长的投影光刻技术，采用极紫外光刻技术具有降低曝光波长一个数量级的天然优势，可以很好地释放对物镜数值孔径na及工艺因子的限制，使其成为下一代光刻技术，是实现7nm及其以下技术节点集成电路产业化的首选技术。由于极紫外光几乎对所有光学材料有极其强的吸收，极紫外光刻均采用反射式元件，并且利用光学薄膜技术进行膜系设计获得高反射率，提高光刻产量。目前，如图1所示，极紫外多层膜主要采用mo/si(钼/硅)两种材料交替沉积形成，其多层膜的周期大约为7nm，周期数大约在40至60，总厚度大约达到300nm。在波长13.5nm其理论入射的反射率峰值能够到达74％，其膜厚波长比大于20，会引入额外波像差。在处理镀膜的光学系统时，不能简单的理解为其为裸镜的整体的位移，薄膜引入的像差和成像位置偏移会共同影响系统波像差，降低物镜光学系统的成像质量，最终影响光刻性能，因此在物镜光学系统设计过程中要考虑薄膜对光学系统的影响，并且对加膜的光学系统进行定量评估。

目前对于极紫外光刻物镜薄膜引入的影响分析主要分为两种思路。其一是将薄膜引入的影响主要分析其引入的偏振像差，这种思路主要采取偏振光线追迹来分析，将多层膜导致的二向衰减和相位延迟引入偏振追迹中，利用琼斯矩阵或者穆勒矩阵来分析偏振影响。russella.chipman与thiagos.jota针对极紫外光刻中梯形膜，分析了薄膜偏振对光刻对比度及分辨率影响。然而偏振追迹没有考虑多层膜的物理厚度，因此无法处理由于多层膜物理厚度引起的光线横移和弯曲。为此，j.wesner和m.f.bal建立了有效入射深度模型，通过等效界面来处理上述问题。等效界面计算的初期是从薄膜引入位相变化的角度来推导建立有效入射深度模型，该深度是光线入射角及薄膜参数的函数，正比于薄膜引入相移对光线入射角的二阶偏导。由于推导中采用了余弦函数的低阶近似，忽略了4阶及以上高阶项，以及薄膜中p光和s光在大角度情况下位相变化的不一致，因此该模型在入射角较大时可能会出现某些不适，如p光和s光的有效入射深度发生较大分离，或出现负值等。为此，荷兰delft大学的m.f.bal和中科院长春光机所的王君分别提出了不同的方法来解决上述问题。m.f.bal采用的是基于不同深度界面反射能量比值加权求平均的方法，首先计算光能在多层膜各个不同深度界面被反射的能量占总反射能量的比值，然后以此比值作为权重来计算各反射界面深度的加权平均值，此平均值即为有效入射深度。而王君则采用的是能量守恒的概念，首先将光束在多层膜中的多次透射、反射等效为在等效界面上的单次反射以及入射和反射光束的能量衰减，而透射部分光强进入虚拟基底后便不再发生变化，然后根据能量守恒定律推导出光束在多层膜中的衰减系数与多层膜反射率和透过率的关系，最后考虑多层膜中光束的多次反射对衰减系数进行修正并反算出有效入射深度。等效界面将多层膜中复杂的物理光学过程转换为简洁的几何光学过程，构建等效系统并利用现有的光学设计软件以进行系统成像质量评估。需要指出的是，随着平均入射角的逐渐增加，多层膜反射振幅及相位随着入射角的变化而逐渐增大，且不同偏振态之间的差别也逐渐增大，而等效界面是一种平均界面，因此这种方法的有效性随着入射角的增大而逐渐丧失。因此无法对添加光学薄膜后的高na大入射角度光学系统的成像质量做出合理评估，导致按设计加工所得光学系统无法与光学薄膜兼容的问题。

因此，如何解决现有等效界面模型无法有效在离轴高na大入射角度下添加膜后对光学系统成像质量的评估，使得设计的光学系统与极紫外多层膜不兼容的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光学系统薄膜分析方法、设备及存储介质，可以完善平均入射角概念在大入射角度失效的缺陷。其具体方案如下：

一种光学系统薄膜分析方法，包括：

根据未加膜的光学系统中不同面型元件上的角度分布，设计添加对应的极紫外多层膜；

利用空间光线追迹对每条入射光线在所述极紫外多层膜中的传播过程建立等效反射点，并计算所述等效反射点的坐标；

根据所述等效反射点的坐标，计算所述入射光线经所述等效反射点反射后形成的出射光线在所述极紫外多层膜表面上的坐标；

对加膜后的所述光学系统逐面追迹直至出瞳面；

在出瞳处计算加膜后的所述光学系统的成像质量并进行像质评估。

优选地，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，根据未加膜的光学系统中不同面型元件上的角度分布，设计添加对应的极紫外多层膜，具体包括：

根据未加膜的光学系统的结构参数，利用光学设计软件设置视场采样点；

根据设置的所述视场采样点，得出入射光线在所述光学系统中不同裸镜表面有效通光孔径内的入射角分布；

根据得出的所述入射角分布，在各所述裸镜表面上添加对应的极紫外多层膜。

优选地，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，在计算所述等效反射点的坐标之前，还包括：

根据所述极紫外多层膜的膜系参数，拟合出所述极紫外多层膜表面的面型方程；

根据拟合出的所述极紫外多层膜表面的面型方程，利用空间光线追迹计算入射光线在所述极紫外多层膜表面上的坐标。

优选地，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，计算所述等效反射点的坐标，具体包括：

通过能量加权平均法计算所述等效反射点的有效深度；

利用计算出的所述等效反射点的有效深度，拟合所述等效反射点所在面的面型方程；

根据计算出的所述入射光线在所述极紫外多层膜表面上的坐标，以及拟合出的所述等效反射点所在面的面型方程，计算所述等效反射点的坐标。

优选地，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，通过能量加权平均法计算所述等效反射点的有效深度，具体包括：

通过菲涅尔公式和光学薄膜特征矩阵法计算出所述入射光线在所述极紫外多层膜中每层膜界面上的光强，以及每层膜界面与所述极紫外多层膜表面的距离；

根据计算出的所述光强和距离，通过能量加权平均法计算出等效反射点的有效深度。

优选地，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，在出瞳处计算加膜后的所述光学系统的成像质量并进行像质评估，具体包括：

在出瞳处计算加膜后的所述光学系统的成像质量；所述成像质量包括出瞳波像差和mtf；

若计算出的成像质量满足要求，则判定所述极紫外多层膜能兼容所述光学系统；若未满足要求，则以物像距和镜间距为优化变量进行优化；

若优化后的成像质量满足要求，则判定经优化后所述极紫外多层膜能兼容所述光学系统；若优化后还未满足要求，则重新对所述极紫外多层膜进行设计。

本发明实施例还提供了一种光学系统薄膜分析设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种光学系统薄膜分析方法、设备及存储介质，包括：根据未加膜的光学系统中不同面型元件上的角度分布，设计添加对应的极紫外多层膜；利用空间光线追迹对每条入射光线在极紫外多层膜中的传播过程建立等效反射点，并计算等效反射点的坐标；根据等效反射点的坐标，计算入射光线经等效反射点反射后形成的出射光线在极紫外多层膜表面上的坐标；对加膜后的光学系统逐面追迹直至出瞳面；在出瞳处计算加膜后的光学系统的成像质量并进行像质评估。

本发明通过光线追迹，不采用平均入射角概念，而是建立每一条光线在膜面上的入射坐标和出射坐标的联系，即对每一条光线在极紫外多层膜中的传播过程建立等效反射点，得出等效反射点坐标，然后利用等效反射点计算出射光线坐标，在此基础上对后续光学系统的不同面均进行追迹，直至到出瞳面，最后在出瞳处进行像质评价。这样利用空间光线追迹对离轴高na大入射角度下加入光学薄膜的光学系统进行分析优化，适应于镀膜的反射式结构，将单条光线在多层膜中反射过程转化为在等效反射点处反射，完善了平均入射角概念在大入射角度失效的缺陷，解决了现有等效界面模型无法有效在离轴高na大入射角度下添加膜以后对光学系统成像质量的评估的问题，不仅能将光在极紫外多层膜中复杂的物理光学过程转化为几何光学内容，而且可以精确用于对镀膜光学系统的分析评估和优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的光学薄膜在基底上的镀膜后的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光学系统薄膜分析方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的光学系统薄膜分析方法中步骤s102的具体流程图；

图4为本发明实施例提供的光经过等效反射点坐标变换的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种光学系统薄膜分析方法，如图2所示，包括以下步骤：

s101、根据未加膜的光学系统中不同面型元件上的角度分布，设计添加对应的极紫外多层膜；

在实际应用中，先设计不加膜的裸镜光学系统，给定裸基面型方程，并且给出每个面型元件在元件上的角度分析，在此基础上根据其不同元件上角度分布进行对应的极紫外多层膜的膜系设计；

s102、利用空间光线追迹对每条入射光线在极紫外多层膜中的传播过程建立等效反射点，并计算等效反射点的坐标；

s103、根据等效反射点的坐标，计算入射光线经等效反射点反射后形成的出射光线在极紫外多层膜表面上的坐标；

需要了解的是，对于极紫外光刻系统而言，其为反射式结构，基底处的能量均为0，与入射角度无关，光在距离膜面一定深度位置就会全部反射回真空环境中。现有技术中，光学设计软件(如codev软件)对薄膜的处理是对于薄膜只考虑其对系统透过率和偏振的影响，在进行成像质量评估时还是以裸镜光学系统为工作面，无法合理有效的对光学薄膜成像兼容性评估。因此，本发明提出一种基于等效反射点的光学系统薄膜分析方法，将单条光线在多层膜中反射过程转化为在等效反射点处反射，计算出入射光线经等效反射点反射后的在膜面上的坐标；

s104、对加膜后的光学系统逐面追迹直至出瞳面；

在实际应用中，光学系统包括六个面，因此需要对其每个面均进行光线追迹；

s105、在出瞳处计算加膜后的光学系统的成像质量并进行像质评估。

在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，通过建立一套针对离轴高na大入射角光学系统分析优化的空间光线追迹程序，不采用平均入射角概念，而是创建每一条光线在膜面上的入射坐标和出射坐标的联系，即首先对每一条光线在极紫外多层膜中的传播过程建立等效反射点，得出等效反射点坐标，然后利用等效反射点计算出射光线坐标，在此基础上对后续光学系统的不同面均进行追迹，直至到出瞳面，最后在出瞳处进行像质评价。这样利用空间光线追迹对离轴高na大入射角度下加入光学薄膜的光学系统进行分析优化，适应于镀膜的反射式结构，将单条光线在多层膜中反射过程等效转化为在等效反射点处的单次反射，完善了平均入射角概念在大入射角度失效的缺陷，解决了现有等效界面模型无法有效在离轴高na大入射角度下添加膜以后对光学系统成像质量的评估的问题，不仅能将光在极紫外多层膜中复杂的物理光学过程转化为简洁的几何光学内容，而且可以精确用于对镀膜光学系统的分析评估和优化。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，步骤s101根据未加膜的光学系统中不同面型元件上的角度分布，设计添加对应的极紫外多层膜，具体可以包括：首先，根据未加膜的光学系统的结构参数，利用光学设计软件(如codev软件)设置视场采样点；然后根据设置的视场采样点，得出入射光线在光学系统中不同裸镜表面有效通光孔径内的入射角分布；最后，根据得出的入射角分布，在各裸镜表面上添加对应的极紫外多层膜。

需要注意的是，这里主要考虑平均入射角，即入射光线在光学系统中不同裸镜表面有效通光孔径内每个点的平均入射角。根据平均入射角分布，结合光学设计软件，可以设计并得出对应的极紫外光多层膜的膜系参数。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，如图3所示，在执行步骤s102计算等效反射点的坐标之前，还可以包括以下步骤：

s201、根据极紫外多层膜的膜系参数，拟合出极紫外多层膜表面的面型方程；

s202、根据拟合出的极紫外多层膜表面的面型方程，利用空间光线追迹计算入射光线在极紫外多层膜表面上的坐标。

进一步地，步骤s102计算等效反射点的坐标，具体可以包括以下步骤：

s203、通过能量加权平均法计算等效反射点的有效深度；

在实际应用中，在计算有效深度之前，利用薄膜计算分析软件计算出不同角度下，在不同入射深度其能量分布；在此基础上利用能量加权平均的概念，计算出其有效深度；

s204、利用计算出的等效反射点的有效深度，拟合等效反射点所在面的面型方程；该面型方程主要包括曲率半径r，以及高阶非球面叙述；

s205、根据计算出的入射光线在极紫外多层膜表面上的坐标，以及拟合出的等效反射点所在面的面型方程，计算等效反射点的坐标。

更进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，步骤s203通过能量加权平均法计算等效反射点的有效深度，具体可以包括：首先，通过菲涅尔公式和光学薄膜特征矩阵法计算出入射光线在极紫外多层膜中每层膜界面上的光强，以及每层膜界面与极紫外多层膜表面的距离；然后，根据计算出的光强和距离，通过能量加权平均法计算出等效反射点的有效深度。

具体地，如图4所示，根据极紫外多层膜的膜系参数，拟合出极紫外多层膜表面a的面型方程，再根据光线追迹，即可计算出入射光线在极紫外多层膜表面a上的坐标，用{x,y,z,θi}表示。图4中入射光线在裸镜表面b上的坐标，用{x0,y0,z0,θ0}表示。然后根据能量加权平均的概念，将入射光线{x,y,z,θi}在极紫外多层膜中的多次反射等效为在等效反射点处的反射，计算出等效反射点在等效反射点所在面c上的坐标为{x',y',z',θ'}，最后再计算出其出射光线在极紫外多层膜表面a上的坐标{x1,y1,z1,θ1}。

等效反射点的坐标{x',y',z',θ'}与入射光线在极紫外多层膜表面a上的坐标{x,y,z,θi}之间存在以下关系：

其中α为入射光线与子午面的夹角，d为入射光线与等效反射点的空间距离，也为该等效反射点的有效深度，θn表示子午方向上等效反射点的法线方向夹角。

需注意图中对于每一条光线对应的等效反射点所在面均不同，因为入射光线的坐标不同，则等效反射点的位置不同，有效深度值也会不同，这些光线很难用一个面拟合，因此基于光线追迹的等效反射点准确求解，假设入射光光强为i0，则利用菲涅尔公式和光学薄膜特征矩阵的方法即可计算出光在每个界面j上的光强ij和该界面与薄膜表面的距离dj,则利用能量加权平均，即可计算出等效反射点的有效深度d：

当有效深度确定后即可拟合该光线对应的等效反射点所在面c，即可计算出等效反射点的坐标，再计算出出射光线的坐标即可。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光学系统薄膜分析方法中，步骤s105在出瞳处计算加膜后的光学系统的成像质量并进行像质评估，具体可以包括：在出瞳处计算加膜后的光学系统的成像质量；成像质量包括出瞳波像差和mtf；若计算出的成像质量满足要求，则判定极紫外多层膜能兼容光学系统；若未满足要求，则以物像距和镜间距为优化变量进行优化；若优化后的成像质量满足要求，则判定经优化后极紫外多层膜能兼容光学系统；若优化后还未满足要求，则重新对极紫外多层膜进行设计。

具体地，若加膜光学系统的成像质量满足要求，结束优化设计，输出结构参数，表示针对该裸镜光学系统，加上目前设计的极紫外多层膜，能够满足成像兼容性。若不满足要求，则用物像距和镜间距作为优化变量进行优化，若经优化后的加膜光学系统的成像质量满足要求，结束优化设计，输出优化后的结构参数，表示针对该裸镜光学系统，加上目前设计的极紫外多层膜，经优化调整后，能够满足成像兼容性。若不满足，则重新设计膜系进行迭代设计，直至能够满足为止。

相应的，本发明实施例还公开了一种光学系统薄膜分析设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现前述实施例公开的光学系统薄膜分析方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

进一步的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现前述公开的光学系统薄膜分析方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备、存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本发明实施例提供的一种光学系统薄膜分析方法、设备及存储介质，包括：根据未加膜的光学系统中不同面型元件上的角度分布，设计添加对应的极紫外多层膜；利用空间光线追迹对每条入射光线在极紫外多层膜中的传播过程建立等效反射点，并计算等效反射点的坐标；根据等效反射点的坐标，计算入射光线经等效反射点反射后形成的出射光线在极紫外多层膜表面上的坐标；对加膜后的光学系统逐面追迹直至出瞳面；在出瞳处计算加膜后的光学系统的成像质量并进行像质评估。这样利用空间光线追迹对离轴高na大入射角度下加入光学薄膜的光学系统进行分析优化，适应于镀膜的反射式结构，将单条光线在多层膜中反射过程转化为在等效反射点处反射，完善了平均入射角概念在大入射角度失效的缺陷，解决了现有等效界面模型无法有效在离轴高na大入射角度下添加膜以后对光学系统成像质量的评估的问题，不仅能将光在极紫外多层膜中复杂的物理光学过程转化为几何光学内容，而且可以精确用于对镀膜光学系统的分析评估和优化。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的光学系统薄膜分析方法、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。