CN101339367B - 投影曝光装置及校正照明光束动态位置误差的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影曝光装置及校正照明光束动态位置误差的装置与方法，所述投影曝光装置结构把照明系统从照明镜组的光瞳处分离，并将照明镜组光瞳后的光学元件安装在掩模台所在的主框架上，同时将照明镜组光瞳前的光学元件安装在照明系统所在的机械框架上，从而把照明光的位移误差转换为微小的远心角误差；所述校正光刻机照明光束动态位置误差的装置及方法则进一步减小远心角误差。采用本发明能够把照明光相对物镜的较小的位移转换成该光瞳远心度或照明远心角的微弱变化，并利用照明远心角的微弱变化对光刻机各项性能影响很小的优点，改善扫描剂量性能。

Description

投影曝光装置及校正照明光束动态位置误差的装置与方法

技术领域

本发明属于光刻领域，涉及一种投影曝光装置的结构，及校正照明光束相对物镜的动态位移误差的装置与方法。

背景技术

在扫描光刻机中，由于照明框架和可变狭缝振动等多种因素，在曝光时照明光束相对物镜的位置随时间不断变化，该位置变化称为照明光束动态位置误差。比如，当照明系统出口所在的照明框架和物镜所在的主框架在掩模台上方分离后，照明光束位置随两个框架的相互振动而动态变化，而且变化幅度较大(比如约50-500微米)，频率较低(比如约几十赫兹)。分析表明，照明光束动态位置误差显著影响扫描剂量性能，在上述情况下剂量性能可变差0.3-2.5个百分点。

在扫描光刻机中，改善剂量性能的方式有多种，例如欧洲专利EP 1020769A2(公开日2000年7月19日)揭露的一种技术方案——动态改变可变狭缝不同位置的宽度，调整曝光场各点剂量，或美国专利US 6,346,979B1(公开日2002年2月12日)揭露的一种技术方案——分块设置透过率，改善照明轮廓，或欧洲专利EP 1014197A2(公开日2000年6月28日)揭露的一种技术方案——建立统一模型，反馈控制剂量性能。然而，上述方法没能校正照明光束相对物镜位移对扫描曝光场剂量性能的影响。再如美国专利US 5,986,742(公开日：1999年11月16日)中揭露了一种技术方案，通过动态改变扫描速度来跟踪照明系统的机械振动。由于照明系统的机械振动未必能准确反映实际照明光束的位置偏移等原因，导致该位移未被准确校正。另外，若使用更好的减振平台和更完善的机械框架的方法减振，则代价高，效果也不显著。

发明内容

有鉴于此，本发明所解决的技术问题是提供一种投影曝光装置及校正光刻机照明光束动态位置误差的装置及方法，以减小照明光束动态位置误差，并改善扫描曝光场的剂量性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种投影曝光装置，包括用于产生照明光束的照明系统，其包含一照明镜组，用于承载掩模版的掩模台，用于利用所述照明光束将所述掩模版内图案成像到曝光对象上的物镜，以及用于承载曝光对象的工件台。所述照明系统从照明镜组的光瞳处分离，且照明镜组光瞳后的光学元件安装连接到物镜所在的一主框架上，照明镜组光瞳前的光学元件安装连接到照明框架上。根据照明镜组的光瞳处光束被平移后，以不同角度仍会聚于掩模面上的同一位置的原理，掩模面照明光束的动态位置误差被转化为照明镜组光瞳处的动态位置误差，也就是照明远心角误差，从而达到消除掩模面照明光束的动态位置误差，改善剂量性能的目的。

为了进一步减小照明镜组在光瞳处分离后引入的远心角误差，本发明提供了一种校正照明光束动态位置误差的装置。所述装置包括一可动镜片组，设置于照明镜组光瞳处，用于实时改变照明镜组在光瞳处的光束位置。所述装置还包括一光瞳位置测量装置，可以是图像传感器或位置敏感传感器，用于测量所述照明镜组光瞳处光束的位置变化。所述装置还包括一控制装置，用于分析所述光瞳位置测量装置的测量值，并通过机械控制手段改变所述可动镜片组内可动镜片的位置或角度来校正照明光束的动态位置误差。本装置通过所述光瞳位置测量装置实时测量照明镜组光瞳处光束位置变化，并通过所述控制装置实时改变所述可动镜片组中可动镜片的位置或角度，校正照明镜组光瞳处光束动态位置误差，从而实现校正远心角误差的目的。

相应的，本发明还提供了一种校正照明光束动态位置误差的方法，用于具有照明系统、物镜、掩模台及工件台的投影曝光装置中，所述照明系统包含一照明镜组，所述照明系统用于产生照明光束，所述掩模台用于承载掩模。所述方法将照明系统从照明镜组的光瞳处分离，将照明镜组光瞳后的光学元件安装在物镜所在的主框架上，将照明镜组光瞳前的光学元件安装在照明框架上，从而把掩模面照明光的动态位置误差转换为照明镜组的光瞳光束动态位置误差。

进一步的，所述校正照明光束动态位置误差的方法还包括以下步骤：

在照明镜组光瞳处安装所述校正照明光束动态位置误差的装置，并连接到物镜所在的主框架上。

扫描曝光中，由所述光瞳位置测量装置测出照明镜组光瞳光束偏移量，通过所述控制装置实时采集，计算出所述可动镜片组的可动镜片下一时刻的位置，并通过机械控制手段设置所述可动镜片组的可动镜片到上述位置，如此反复，直到曝光结束。其中，根据平移可动镜片可校正反射光束的位置误差的原理，或者根据旋转可动镜片可校正折射光束的位置误差的原理，动态改变可动镜片组里的可动镜片，可实现校正照明镜组光瞳光束动态位置误差的目的。

所述校正照明光束动态位置误差的方法，还可能包含以下步骤：

对所述装置进行测校，通过所述光瞳位置测量装置探测照明光瞳光束的偏移位置，并立即传送给所述控制装置保存，并根据最近的历史数据分析出所述偏移位置的大致范围。

本发明的校正照明光束动态位置误差的方法，通过将照明光的位置误差转化为不影响剂量性能的远心角的微小误差，降低了照明系统内外的减振要求，改善了剂量系统性能，并且对光刻机的其它性能影响很小。

另外，在照明光束相对于物镜的动态位置误差不大时，仅应用本发明的投影曝光装置结构，就可消除照明光的动态位置误差，该位置误差被转化成远心角微小误差对光刻机的各项影响也可忽略。此时，仅要求照明系统中的照明镜组光瞳后的光学元件和所述装置一起安装在主框架上，而照明镜组光瞳前的光学元件则可装在另外的框架上，节省了主框架上的空间。

本发明的校正照明光束动态位置误差的装置，减少了照明镜组光瞳处光束的位置误差，也就是远心角误差，从而进一部改善了光刻机的性能。

综上所述，本发明的投影曝光装置及校正照明光束动态位置误差的装置与方法与现有技术相比，成本低，校正效果更明显。

附图说明

通过以下的结合附图对本发明实施例的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明的投影曝光装置结构示意图和校正照明光束动态位置误差的装置以及方法的示意图；

图2为本发明的校正照明光束动态位置误差的装置的一个较佳实施例的装置结构图；

图3为本发明的校正光刻机照明光束动态位置误差的装置的另一个较佳实施例的装置结构图；

在以上各图中，整个图是表示所述投影曝光装置的结构或部分结构，其中，虚线方框内表示所述校正照明光束动态位置误差装置的结构。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的校正照明光束动态位置误差的装置以及方法作进一步的详细描述。

请参阅图1，其显示了本发明的投影曝光装置结构示意图和校正照明光束动态位置误差的装置以及方法的示意图。

本发明的校正照明光束动态位置误差的方法，是应用于扫描光刻机中，如图1，其通过在照明镜组光瞳处分离照明镜组，把照明镜组光瞳前的光学元件101安装到照明系统的机械框架102上，照明镜组光瞳后的光学元件107和掩模台108通过连接框架111连接在一起，并安装在主框架112上，其中，物镜109和工件台110也安装在主框架112上。通过该方法，照明光103相对物镜109的位移被转换成该光瞳远心度或照明远心角的微弱变化。在本实施例中，照明远心角误差不影响扫描剂量性能，对光刻机的其它性能影响也很小。照明远心角误差，可通过以下装置进一步校正。

本发明的校正照明光束动态位置误差的装置，是应用于扫描光刻机中，如图1，虚线方框内是装置结构，包含了可动镜片组104、光瞳位置测量装置105和控制装置106。其中，可动镜片组104可以包含一个或两个平移的分光镜，或一固定分光镜和两个可旋转的折射镜；光瞳位置测量装置105可以是图像传感器(CCD)或位置传感器(PSD)；控制装置106，可以分析光瞳位置测量装置105的测量结果，并通过机械控制手段改变可动镜片组104的状态。该装置106安装在照明镜组光瞳处，与主框架112相连，实时校正照明光瞳处的位移误差，也就是照明远心角误差，从而保证剂量性能被提高的同时，不引入远心角误差。

一般而言，当照明光相对于主框架112或物镜109有50-500微米的振动，则分析表明，扫描后的曝光场的剂量性能(指同一曝光场最大剂量和最小剂量的差与它们的和的比值)可变差0.3-2.5个百分点，使得剂量性能严重下降。应用了本发明的动态校正照明光束动态位置误差的方法后，照明光的位置误差被转换为照明远心角大约1mrad的变化；因为照明远心角对剂量性能几乎没影响，所以剂量性能相对于应用本发明前的情况改善了约0.3-2.5个百分点。而且，如此小的照明远心角误差对光刻机的其它性能影响也很小。结合本发明的动态校正照明光束动态位置误差的方法，进一步应用了本发明的动态校正照明光束动态位置误差的装置，远心角误差能被校正到0.1mrad以下，光刻机的其它性能几乎不受影响，而照明光束的动态位置误差几乎被完全校正。以下的实施例中将对该装置的具体实现方式做出更加具体的描述。

第一实施例

如图2，本实施例的动态校正照明光束动态位置误差的装置如图中虚线方框所示，包括了一可动镜片202，是1％的光透射，99％的光反射的分光镜，45度角斜置于照明镜组的光瞳处，一图像传感器(CCD)或位置敏感传感器(PSD)204，用于采集并测量出照明镜组的光瞳处光束中心的位置，一控制装置205，可通过一个电机实时控制可动镜片202的位置，和一可动镜片框架206，用来放置并带动可动镜片202平移。需要说明的是，有鉴于扫描曝光中照明光束扫描方向的动态位置误差对剂量性能的影响远大于非扫描方向的动态位置误差对剂量性能的影响，为简单起见，本实施例中仅采用一个可动镜片校正扫描方向的位置偏移。

本实施例中的装置安装在照明镜组的光瞳处，和照明镜组光瞳后的光学元件207以及掩模台208所在的主框架211连接在一起，而照明镜组光瞳前的所有光学元件201和主框架211分离，另外安装在一个框架212上。

更详细地说，本实施例的动态校正照明光束相对物镜位移的装置是如下工作的：照明镜组光瞳处平行光入射到可动镜片202后，1％的光透射，99％的光反射。透射光被图像传感器(CCD)或位置敏感传感器(PSD)204采集并测量出光束中心的位置，该信息经由一控制装置205分析后，由控制装置205通过一个电机实时控制可动镜片框架206和可动镜片202的位置。比如，由于框架212的振动，在某时刻，照明镜组光瞳处的相对于本实施例装置的入射光束位置从实线变化到虚线位置，产生了位置误差dx，此位置误差的透射光被图像传感器(CCD)或位置敏感传感器(PSD)204测量并反馈给控制装置205，控制装置205计算出下一时刻的可动镜片应该位于虚线位置203，并通过机械控制手段移动可动镜片框架206和可动镜片202到虚线位置203处，此时虚线位置203的反射光与原来的实线位置202的反射光重合，则反射光线的位置被校正。被校正后的光束透过照明镜组光瞳后的光学元件207为掩模台208照明，不会引入远心角误差。由于该装置的框架209通过连接框架210和主框架211相连，避免了再次引入照明光束的位置误差。

如果要校正照明光束非扫描方向的位置误差，可以在光瞳处用一反射镜把光线反射到非扫描方向上，再利用和上述类似的可动镜片校正该位置误差。

通过本实施例的动态校正照明光束相对物镜位移的装置，照明光垂直于光线传播方向的位置误差被转换成照明远心角误差被校正。比如高达500微米的照明光位置动态误差，经过照明系统从光瞳处分离的方法，可以转换成大约1mrad的远心角误差，扫描曝光的剂量性能可改善2％以上；此外，该远心角误差对光刻机的各项性能影响已经很小，经过在本实施例的装置的进一步校正，该远心角度误差可被校正到0.1mrad以下。因此，照明光的位置误差几乎被消除，改善了扫描曝光的剂量性能，远心角误差也被降至很低的水平，几乎不影响光刻机其它性能。

第二实施例

请参阅图3，如虚线方框所示，本实施例的动态校正照明光束相对物镜位移的装置，包括一可动镜片组，一光瞳位置测量装置303，一控制装置308。

所述可动镜片组，包括在照明镜组的光瞳处放置的一个45度角斜置的99％反射和1％透射的固定分光镜302，用于反射和折射照明光束；还包括与扫描方向成θ1角、厚度为D、折射率为n的可动折射镜304，可随旋转装置305以非扫描方向为轴转动，用于在扫描方向折射光线，校正扫描方向的光束位置误差，这里，折射角为θ2，光束在扫描方向引起位置偏移y；此外，还包括与非扫描方向成θ3角、厚度为D、折射率为n的可动折射镜306，可随旋转装置307以扫描方向为轴转动，用于在非扫描方向折射光线，校正非扫描方向的光束位置误差，这里，折射角为θ4，光束在扫描方向引起位置偏移x。需要说明的是，由于图3为正剖面图，无法清楚地标示出θ3、θ4和x，但是本领域的技术人员根据可动折射镜304和可动折射镜306的关系的类似性，可以很容易由θ1、θ2、y的标注推断出θ3、θ4、x的含义。

所述光瞳位置测量装置303，为位置敏感探测器PSD或图像传感器CCD，用于测量固定分光镜302的透射光，得到照明镜组的光瞳处光束中心位置。

所述控制装置308，根据光瞳位置测量装置303提供的光束位置，预测可动折射镜304和可动折射镜306下一时刻位置，并动态调整与其相连的旋转装置305和旋转装置307的倾斜角度，使得照明镜组的光瞳处光束位置误差经折射后被校正。校正后的照明光束经过照明镜组光瞳后的照明元件309直接照射到掩模台310的掩模上，使远心角误差被校正。

本实施例的动态校正照明光束相对物镜位移的方法，在照明镜组的光瞳处增加以上装置，该装置和照明镜组光瞳后的光学元件309一起安装在框架311上，并进一步安装到掩模台310所在的主框架312上，而照明镜组光瞳前的光学元件301和主框架312分离。安装在独立的框架313上。

本实施例的动态校正照明光束相对物镜位移的方法还包括下列具体步骤，这些步骤主要思想是在照明镜组光瞳处实时测量照明光束位置，根据平行光经过斜置的平面玻璃折射产生位置偏移的原理，实时控制平面玻璃的倾斜角度，从而动态校正照明光束的位置偏移，然后为掩模照明。

首先，计算装置本身引起的固有位置偏差。该偏差为：

$y=D\sin {\mathrm{\θ}}_1(1-\cos {\mathrm{\θ}}_1/\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}),$

$x=D\sin {\mathrm{\θ}}_3(1-\cos {\mathrm{\θ}}_3/\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_3})$

把装置装到合适的位置抵消该位置偏差。

接着，进行测校，采用光瞳位置测量装置303(位置敏感探测器PSD或图像传感器CCD)探测照明光束的偏移位置，并立即传送给控制装置308，采样周期为T1。控制装置308保存该偏移位置，并根据最近的历史数据分析出该位移的平均周期T和最大幅度A(在垂直于光线方向分为Ax，Ay两个分量)，并计算出倾斜角度的摆动范围θ1_min，θ1_max和θ3_min，θ3_max作为参考。

然后，实际曝光时，光瞳位置测量装置303测出当前光束偏移量，分解为非扫描方向Δx和扫描方向Δy两分量。根据这两个分量的上一次测量数据Δx₀和Δy₀，判断当前位移方向。结合当前倾斜角度θ1_curr，θ3_curr，计算下一时刻新的倾斜角度θ1_next，θ3_next。然后动态控制旋转装置305和旋转装置307的摆动，使得该摆动和照明光束的位移改变同步，调整周期为T2，直到曝光结束。动态跟踪开始时间可以比曝光开始时间慢一个周期T。因为扫描过程中照明光束的动态位移基本被消除，所以剂量性能被改善。

例如，设D＝10mm，n＝1.3，θ1＝60°，θ2＝60°，则按以上步骤计算偏差y＝2.0970mm，x＝2.0970mm，把装置安装到此位置抵消光轴的偏移。测量结果有T1＝20ms，Ay＝100μm，Ax＝100μm，得到θ1_min＝58.5550°，θ1_max＝61.3860°，θ3_min＝58.5550°，θ3_max＝61.3860°。实际曝光过程中，位置敏感探测器按采样周期T1＝0.25ms(4000Hz)测量照明光束的位置偏移，每隔约T2＝0.25ms调整旋转装置跟踪位置偏移，直到曝光结束。如开始时刻测量得Δx₀＝0μm，Δy₀＝0μm，第二次测量有Δx₁＝10μm，Δy₁＝10μm，θ1_curr＝60°，θ3_curr＝60°，则调整θ1＝θ1_next＝60.0380°，θ3＝θ3_next＝60.0380°。

通过以上动态校正照明光束相对物镜位移的装置以及方法，照明光垂直于光线传播方向的位置误差被转换成照明远心角误差，并且校正了转换后的照明远心角误差。比如高达500微米的照明光位置动态误差，可以转换成大约1mrad的远心角误差，扫描曝光的剂量性能可改善2％以上，该远心角度误差经过校正后可以改善到0.1mrad以下。因此，照明光的位置误差几乎被消除，被转化的远心角度误差也被校正，从而使得扫描曝光后的剂量性能变好，而其它性能几乎不受影响。

需要特别说明的是，本发明的动态校正照明光束动态位置误差的装置以及方法不局限于上述实施例中所限定结构以及步骤执行顺序，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种投影曝光装置，包括用于产生照明光束的照明系统，其包含一照明镜组，用于承载掩模版的掩模台，用于利用所述照明光束将所述掩模版内图案成像到曝光对象上的物镜，以及用于承载曝光对象的工件台，其特征在于：所述照明系统从照明镜组的光瞳处分离，且照明镜组光瞳后的光学元件安装连接到物镜所在的一主框架上，照明镜组光瞳前的光学元件安装连接到照明框架上。

2.一种校正照明光束动态位置误差的装置，所述装置设置于具有照明系统、掩模台、物镜及工件台的投影曝光装置中，所述照明系统包含一照明镜组，所述照明系统用于产生照明光束，其特征在于，所述照明系统从照明镜组的光瞳处分离，且照明镜组光瞳后的光学元件安装连接到物镜所在的一主框架上，照明镜组光瞳前的光学元件安装连接到照明框架上；所述的校正照明光束动态位置误差的装置包括：一可动镜片组，设置于照明镜组的光瞳处，用于实时改变照明镜组在光瞳处的光束位置；一光瞳位置测量装置，用于测量所述照明镜组光瞳处光束的位置变化；一控制装置，接收并分析所述光瞳位置测量装置的测量值，并通过机械控制手段改变所述可动镜片组的位置。

3.根据权利要求2所述的校正照明光束动态位置误差的装置，其特征在于，所述可动镜片组包含至少一个可平移的分光镜，所述分光镜将照明光束分为透射光和反射光，反射光入射至照明镜组光瞳后的光学元件上，透射光入射至光瞳位置测量装置以测量照明镜组光瞳处光束的位置变化，所述控制装置根据该测量值对分光镜进行平移以校正照明光束的动态位置误差。

4.根据权利要求3所述的校正照明光束动态位置误差的装置，其特征在于，所述可动镜片组包含两个可平移的分光镜，分别用于校正照明光束扫描方向和非扫描方向上的动态位置误差。

5.根据权利要求3或4所述的校正照明光束动态位置误差的装置，其特征在于，所述分光镜以45度角斜置于照明镜组的光瞳处。

6.根据权利要求3或4所述的校正照明光束动态位置误差的装置，其特征在于，所述分光镜是1％光透射、99％光反射的分光镜。

7.根据权利要求2所述的校正照明光束动态位置误差的装置，其特征在于，所述可动镜片组包含一固定分光镜和至少一个可旋转的折射镜，所述分光镜将照明光束分为透射光和反射光，透射光入射至光瞳位置测量装置以测量照明镜组光瞳处光束的位置变化，反射光经由所述折射镜入射至照明镜组光瞳后的光学元件上，所述控制装置根据光瞳位置测量装置的测量值旋转折射镜以校正照明光束的动态位置误差。

8.根据权利要求7所述的校正照明光束动态位置误差的装置，其特征在于，所述可动镜片组包含两个可旋转的折射镜，其中一个折射镜与扫描方向成一角度设置，并且能够以非扫描方向为轴转动，另一个折射镜与非扫描方向成一角度设置，并且能够以扫描方向为轴转动。

9.根据权利要求2所述的校正照明光束动态位置误差的装置，其特征在于，所述光瞳位置测量装置是图像传感器或位置敏感传感器。

10.一种校正照明光束动态位置误差的方法，用于具有照明系统、掩模台、物镜及工件台的投影曝光装置中，所述照明系统包含一照明镜组，所述照明系统用于产生照明光束，所述掩模台用于承载掩模，其特征在于，所述方法将照明系统从照明镜组的光瞳处分离，将照明镜组光瞳后的光学元件安装在物镜所在的主框架上，将照明镜组光瞳前的光学元件安装在照明框架上，从而把掩模面照明光束的动态位置误差转换为照明镜组的光瞳光束动态位置误差，进而转换为掩模面照明光束的远心角误差。

11.根据权利要求10所述的校正照明光束动态位置误差的方法，其特征在于，所述方法还包括下列步骤：

通过一光瞳位置测量装置，实时测量所述照明镜组光瞳处照明光束的位置；

通过一控制装置，实时采集所述照明光束的位置测量值；

根据所述位置测量值，由控制装置控制一可动镜片组内可动镜片的位置或角度来校正照明光束的动态位置误差。

12.根据权利要求11所述的校正照明光束动态位置误差的方法，其特征在于，所述校正照明光束动态位置误差的步骤更进一步包括：

进行测校，通过所述光瞳位置测量装置测量照明光束在照明镜组光瞳处的偏移位置，并立即传送给所述控制装置，根据历史数据分析出所述偏移位置的平均周期和最大幅度，计算出所述可动镜片的移动范围或旋转角度。

13.根据权利要求11所述的校正照明光束动态位置误差的方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算所述可动镜片组、光瞳位置测量装置及控制装置的固有位置偏差；以及调整所述可动镜片组内可动镜片的位置以抵消所述固有位置偏差。

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