16 nm极紫外光刻(EUVL)物镜热变形是影响其高分辨成像的主要因素之一。为了给EUVL系统热管理提供可靠的技术依据,对数值孔径为0.33且满足16 nm技术节点的典型EUVL物镜进行热变形仿真研究。采用有限元软件ANSYS仿真曝光过程中反射镜的瞬态温度和变形分布。以Zernike多项式为接口拟合变形面,分析热变形对成像性能的影响。结果表明:物镜的最高温升和最大变形分别为3.9 ℃和10.2 nm,高温态物镜的热变形引起的最大波像差均方根和畸变分别为0.1λ和56 nm,超出了合理范围。M3和M4反射镜热变形累加引起的波像差和畸变的占比分别为88%和99%,对成像性能的影响起主导作用,需要对其进行严格控温。

10 nm以下光刻技术牵引极紫外(EUV)光刻物镜向超高数值孔径(NA)、组合倍率设计形式发展,物镜系统的入射角和入射角范围因此急剧增大,传统规整膜和横向梯度膜难以满足该类物镜系统反射率及像质要求。为此,提出了横纵梯度膜组合法,用横向梯度膜提高反射率,用纵向梯度膜提高反射率均匀性,并补偿横向梯度膜引入的像差。应用该方法对一套NA为0.50的组合倍率EUV光刻物镜进行膜层设计,设计结果表明,在保证系统成像性能不变的情况下,平均每面反射镜的反射率大于60%,各反射镜的反射峰谷值均小于3.5%,满足光刻要求,验证了横纵梯度膜组合法的可行性。

极紫外(EUV)光刻物镜设计不仅要在系统优化阶段尽可能减小残余像差，还必须选择像质补偿器合理分配各项公差，从而在保证系统可制造性的前提下实现预期性能。针对一套数值孔径0.33 的极紫外光刻物镜，进行了补偿器的优选和定位精度分析。根据结构参量对系统波像差的灵敏度并结合各结构参量之间的相关性选择了6个像质补偿器，并分析了非补偿器结构参量的公差。在此基础上，提出了基于蒙特卡罗法的补偿器定位精度分析方法。利用蒙特卡罗法模拟实际装调过程，通过分析补偿器定位精度对像质的影响，确定满足统计像质要求的补偿器定位精度。结果显示，当物镜系统最严间隔公差、偏心公差、倾斜公差分别在± 2 μm、± 3 μm、± 5 μrad 范围内，间隔和偏心补偿器的定位精度为± 0.1 μm 时，系统波像差均方根(RMS)值在97.7 %的置信概率下小于1 nm。

针对极紫外光刻照明系统光能利用率低的问题，设计了一套高光能利用率极紫外光刻波纹板照明系统。该系统中波纹板面形采用柱面镜阵列，降低了加工难度；并且根据波纹板反射光线的特性，确定了由修正型复合抛物面聚光镜与二次曲面反射镜组作为中继镜组的结构。整个系统仅采用四片反射镜且其中两片反射镜为掠入射，与传统的极紫外光刻照明系统相比，有效地提高了系统的光能利用率。对一套数值孔径0.33 的极紫外光刻投影物镜，给出了与之相匹配的波纹板照明系统设计实例。仿真结果表明，系统的光能利用率可达39.7%，掩模上弧形照明区域扫描方向的积分不均匀度小于2.7%，验证了该设计的可行性和有效性。

极紫外光刻是16~22 nm光刻技术节点的候选技术之一，其投影物镜设计需在满足像质和分辨率要求的前提下，兼顾工程可实现性。在考虑加工、检测和制造约束的情况下，设计了像方数值孔径分别为0.3和0.32、曝光视场为26 mm×1.5 mm的极紫外光刻投影物镜。详细分析和比较了两套物镜的光学性能和可制造性。结果表明，两套物镜结合分辨率增强技术可分别满足22 nm和16 nm光刻技术节点的性能要求。