CN101349871A - 光刻照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻照明装置，其按光束传播方向依次包括激光器，衍射光学元件，变焦透镜组，旋转三棱镜组，微透镜阵列，聚光镜和掩模，其中，所述微透镜阵列的一侧还设有一振幅型空间光调制器(SLM)。本发明采用振幅型SLM放置在微透镜阵列的光阑面上，作为光源滤波器，调制照明光瞳上的光源分布。SLM的优点是其每个像素对光波振幅的调制可通过寻址电压来进行控制，并且SLM具有可编程控制的特点，可以利用SLM的振幅调制来产生任意的照明光源函数。采用本发明的光刻照明装置可以方便地校正传统、环形、二极和四极照明的光瞳均匀性，提高照明系统的光瞳质量。

Description

光刻照明装置

技术领域

本发明涉及光刻设备的照明技术，特别是涉及基于空间光调制器的光刻设备照明技术。

背景技术

光刻法用于制造半导体器件。光刻法使用电磁辐射，如紫外(UV)、深UV、或可见光，在半导体器件设计中产生精细的图形。许多半导体器件，如二极管、三极管和集成电路，能够用光刻技术制作。

光刻曝光系统通常包括照明装置，照明装置从光源(如激光器)接受光辐射，并产生照明光束来均匀照射包含了光刻线条的掩模图形。光刻照明系统结构通常采用柯勒照明，在典型的光刻照明装置中，照明光束被成形和控制为使得该光束在光瞳平面处具有所需的空间强度分布，即照明模式，照明模式的类型有：传统型、环形、二极照明和四极照明，另外还有反对称型和六极型等照明模式。在该光瞳平面处的空间强度分布实际上起到产生照明光束的二次光源的作用。在光瞳平面之后，该二次光源通常由聚光镜组聚光照射在掩模上，二次光源的数量很多，经过聚光镜后，每一个二次光源都均匀地照射在掩模上，这样，所有的二次光源都均匀地混合，起到匀光的效果，实现均匀照明。

光刻曝光系统还包括投影物镜系统，用于将掩模图形成像在硅片上。投影物镜通常设计成双远心光学系统。在实际光刻曝光系统中，成像过程既不是相干光成像又不是非相干光成像，而是部分相干成像。在部分相干成像系统中，像强分布是光源中每个点源相干成像结果的权重之和，权重因子由光源分布决定。每个点源的成像过程如图1所示，部分相干光照明可以看作是无数这些点源成像的叠加。公式(1)是部分相干照明的成像公式，该公式表明成像系统的光源可以分解为一系列的点光源成像，每个点光源照明是相干光照明，每个点光源照明所成的像在像面上进行叠加形成最终的像。光刻仿真软件Prolith的成像模型正是根据这个理论，用公式表示如下：

$I_{\mathrm{total}}(x,y)=\frac{\underset{\mathrm{source}}{\∫\∫}I(x,y,f_x^{\′},f_y^{\′})S(f_x^{\′},f_y^{\′})d{f}_x^{\′}d{f}_y^{\′}}{\underset{\mathrm{source}}{\∫\∫}S(f_x^{\′},f_y^{\′})d{f}_x^{\′}d{f}_y^{\′}}---\left(1\right)$

其中：

I(x，y，f′_x，f′_y)＝|E(x，y，f′_x，f′_y|²                (2)

E(x，y，f′_x，f′_y)＝F-1{M(f_x-f′_x，f_y-f′_y)P(f_x，f_y)}    (3)

部分相干光成像理论表明，若用数学函数来表达最终在硅片面上所成的像，该像函数由三部分组成，分别是掩模图形空间分布M(x，y)，投影物镜的光瞳函数P(f_x，f_y)(包含像差因子)以及光源函数S(f′_x，f′_y)。

因此，为了增强光刻图形的成像质量，人们针对这三部分提出了很多分辨率增强技术。掩模方面，采取移相掩模(PSM)以及光学临近校正(OPC)，来改善掩模图形空间分布；设计大NA小像差的投影物镜，来改善光瞳函数；采用离轴照明技术来改善光源函数。

实际中，要获得优化的光刻图形，需要将三者结合起来综合考虑。在光源函数的选择中，需要针对掩模的几何分布特征选择对应的照明方式。随着IC设计的不断提高和OPC技术的提高，掩模图形的结构越来越复杂，而对于复杂结构的掩模图形，传统的离轴照明技术如二极照明和四极照明已不能满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带光源滤波器的光刻照明装置，以调制二次光源的光强度，并利用计算机进行实时控制。

为了达到上述的目的，本发明提供一种光刻照明装置，按光束传播的方向依次包括：激光器，衍射光学元件，变焦透镜组，旋转三棱镜组，微透镜阵列，聚光镜和掩模，其中，所述微透镜阵列的一侧设有一振幅型空间光调制器。

具体的，所述微透镜阵列包括一组或一组以上柱面透镜阵列，所述空间光调制器设置在微透镜阵列的光阑面上。所述空间光调制器包括显示器件和控制单元，所述显示器件由纵横排列的像素组成，其中每个像素都可单独对光线进行调制。所述空间光调制器通过其控制单元连接至一控制计算机，所述控制计算机对空间光调制器像素得到的振幅调制信息进行优化计算，并将优化计算的结果装载到所述控制单元，由控制单元将振幅信息转化为对应的电压，并加载到对应的空间光调制器像素上。所述空间光调制器是透射式空间光调制器或者反射式空间光调制器。

本发明采用振幅型SLM放置在微透镜阵列的光阑面上，作为光源滤波器，其效果是调制照明光瞳上的光源分布。SLM的优点是其每个像素对光波振幅的调制可通过寻址电压来进行控制，并且SLM具有可编程控制的特点，原则上可以利用SLM的振幅调制来产生任意的照明光源函数。这样，就无需针对不同的照明光源函数来离线设计衍射光学元件，无需针对照明光源函数设置微透镜阵列的孔径光阑。

本发明可以方便地校正传统、环形、二极和四极照明的光瞳均匀性。提高了照明系统的光瞳质量。本发明的操作比较灵活，方便实时，只需计算机编程进行在线控制，具有较高的响应速度，提高了产率。

本发明可以提供更多的照明光瞳形貌，满足了一些特殊光刻线条对特殊照明光瞳的需要。

附图说明

图1是点光源S照明的光刻成像过程示意图；

图2是美国专利US7245354公开的像素点光源的示意图；

图3是振幅型空间光调制器的宏观结构和微观结构示意图；

图4是液晶空间光调制器(SLM)的受控原理图；

图5是本发明的光刻照明装置的总体结构图；

图6是SLM作光源滤波器的侧视图；

图7是空间光调制器和微透镜阵列的前视图；

图8是SLM作为光源滤波器的控制流程图；

图9是二极照明光瞳上的光源分布示意图；

图10是调节SLM相关像素的透过率来补偿照明光瞳均匀性的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例进一步说明本发明。

图5是本发明的光刻照明装置总体结构图，其包括沿光路依次排列的激光器1(Laser)，扩束器2(Expander)，衍射光学元件3(DOE)，变焦透镜组4(Zoom)，旋转三棱镜组5(Axicon)，空间光调制器6(SLM)，微透镜阵列7(Micro lensarray)，聚光镜8(Condenser)，以及掩模9(Mask)。

由激光光源1发出的激光经过扩束器2入射在衍射光学元件3上，衍射光学元件3在远场形成特定的照明光瞳分布(可以产生诸如传统、二极、四极等照明模式)；变焦透镜组4具有可变焦距，这样可使衍射光学元件3衍射的光在远场形成可变大小的光瞳分布，以调节照明相干因子的大小，旋转三棱镜组5用于产生环形照明，由凹旋转三棱镜和凸旋转三棱镜组成，其中，凸旋转三棱镜可以沿光轴移动，通过变焦透镜组4和旋转三棱镜组5的合适设置，就可以产生特定的照明光瞳形状。

照明光瞳面入射在微透镜阵列7上，微透镜阵列7将光瞳面上的光形成许多二次光源，这些二次光源组成了照明系统的光源函数分布。二次光源经过聚光镜8使光均匀照明在掩模9面上，由于二次光源的数目很多，使光线得到充分的混合，实现了均匀的照明。本发明在入射的光瞳面上，即微透镜阵列附近放置一振幅型的空间光调制器6以实现光源滤波。空间光调制器6的像素大小和微透镜阵列7的每个微透镜尺寸相等，这样空间光调制器的每个像素放置在每个微透镜的入射光阑上，对入射的平行光光强进行调制，以产生所需的照明光源函数。

空间光调制器(Spatial Light Modulator，简称SLM)，具有质量小，功耗低、无机械惰性等特点，目前广泛应用在成像显示、光束分束、激光束整形、相干波前调制和振幅调制等领域。电寻址液晶空间光调制器，利用外电压改变液晶分子指向达到控制液晶的双折射，从而实现对光波的调制作用。SLM的典型特征是它包括多个独立可寻址像素，每个像素由单个分立元件构成，能够用来调制入射其上的光波的振幅和相位，如图3所示。由于SLM可以方便的利用寻址电压进行控制，这使得SLM成为了一种对光波进行可编程的控制器件，可以方便实时地作为光源滤波器使用。

SLM对光源函数的调制依赖于优化计算所得到的光源函数。美国专利US7245354提出了一种根据掩模图案优化照明光源函数的方法，具体方法为：把照明光瞳40分割成许多像素102i，102ii，102iii，如图2所示，这样每个像素代表一个点光源。通过优化设计每个像素的照明强度，使每个像素的照明像在硅片面上叠加得到像面。构造评价像面质量的目标函数，这个目标函数是每个像素照明光强的函数，利用优化算法求取目标函数的最小值，可得到各个像素的照明光强分布，从而得到最优化的照明光源函数。该专利将光源、掩模和照明像进行了离散化。从而可以通过数值计算方法来解决优化问题，求得的值就是优化的照明光源函数，照明光源函数用矩阵来表示，矩阵的行和列分别表示光瞳面上的x和y坐标，矩阵的数值为该二次光源的强度大小。

专利US7245354所述的光源矩阵的产生是通过衍射光学元件(DOE)来实现，也可以通过传统的光学透镜和光阑来实现。DOE的衍射作用经过设计以后可以在远场形成以上所述的光源函数分布，这种DOE元件可以通过光刻的方法来制作。采用DOE在远场产生光源函数分布，需要根据不同的光源函数设计相对应的DOE元件。而采用传统的光学透镜和光阑来实现的话，每个光源像素的透过率值需要通过对每个像素光阑设置相应的透过率来实现，这两种方法需要离线设计，实现比较复杂。

需要说明的是，这种优化算法并不是本发明的内容。本发明主要是提供一种产生照明光源分布的装置，其特点是，可以根据优化算法得到的照明光源函数，将该光源函数分布转化为SLM的透过率函数，从而实现调制照明光源的光强的目的。

图6为空间光调制器6作为光源滤波器的侧视图，图7为空间光调制器6和微透镜阵列7的前视图。其中，微透镜阵列7由两组纵横排列的柱面透镜阵列701、702组成。将SLM 6放置在微透镜阵列7的光阑面上，可以对入射的平行光进行振幅调制，从而使每个像素上对应的二次光源的强度得到调制。SLM 6作为光波调制器可以放在微透镜阵列7的前面，也可以放在微透镜阵列7的后面。SLM像素对光波振幅的调制由控制计算机来完成，如图4所示，计算机将优化计算所得的光源调制信息装载到SLM的控制单元，该控制单元负责将振幅信息转化为对应的电压，并寻址加到对应的SLM每个像素S(x，y)上。

本发明所述的光刻照明装置，可以利用计算机进行实时的控制。控制的流程图如图8所示，首先确定光刻问题，并选择一仿真模型。将光源离散化，光源用一系列具有x和y坐标的点光源代替，并用数学矩阵表示光源函数，矩阵的行和列分别表示照明光瞳面上的x和y坐标的离散抽样。计算每个点光源的单独响应，即计算每个点光源照明所成空间像，该过程可以用光刻仿真软件来实现。将每个点光源照明所成的空间像叠加，并与理想的光刻图形相比，优化调整每个像素点光源的照明强度，直到叠加空间像与理想图形最为接近。最后将最终优化所得的光源函数加载到光源滤波器SLM上。

另外，本发明所述的照明系统，还可以对照明光瞳的均匀性进行调节，照明光瞳的均匀性包括x方向光瞳均匀性，y方向光瞳均匀性，和四极方向光瞳均匀性。x和y方向光瞳均匀性，分别是针对x方向和y方向上的二极照明，是指二极照明的两极照明强度之间的差异，如图9所示的光源1和光源2的光强差异。如果照明光瞳有x或y方向的光瞳不均匀，这将导致在离焦的情况下光刻成像的位置偏差，并会对套刻精度产生影响。而四极方向光瞳均匀性是指照明光瞳在四个象限的光瞳能量差异，四极方向光瞳的非均匀性，将会导致在刻接触孔形状时，会产生光刻线条的椭圆性。SLM可以灵活方便的调制入射光瞳面上每个像素点的光强，因此可以通过改变SLM上相关像素点的透过率来改善照明光瞳的均匀性，如图10所示。

Claims (7)

1、一种光刻照明装置，按光束传播的方向依次包括：激光器，衍射光学元件，变焦透镜组，旋转三棱镜组，微透镜阵列，聚光镜和掩模，其特征在于，所述微透镜阵列的一侧设有一振幅型空间光调制器。

2、如权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述微透镜阵列包括一组或一组以上柱面透镜阵列。

3、如权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述空间光调制器设置在微透镜阵列的光阑面上。

4、如权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述空间光调制器包括显示器件和控制单元。

5、如权利要求4所述的光刻照明装置，其特征在于：所述显示器件由纵横排列的像素组成，其中每个像素都可单独对光线进行调制。

6、如权利要求4所述的光刻照明装置，其特征在于：所述空间光调制器通过所述控制单元连接至一控制计算机，所述控制计算机对空间光调制器像素得到的振幅调制信息进行优化计算，并将优化计算的结果装载到所述控制单元，由控制单元将振幅信息转化为对应的电压，并加载到对应的空间光调制器像素上。

7、如权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述空间光调制器是透射式空间光调制器或者反射式空间光调制器。

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