CN101364048B - 光刻照明装置及照明方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于空间光调制器的光刻照明装置及照明方法，采用SLM(液晶空间光调制器)来衍射产生各种照明光瞳形貌。每个像素对光波相位的调制可通过寻址电压来进行控制，并且具有可编程控制的特点，可以利用优化算法，优化设计SLM的相位值来产生任意的照明光瞳形貌。无需针对不同的照明模式来离线设计衍射光学元件，无需设置机械转盘，操作灵活，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的需要。本发明可灵活改变入射光波的偏振方向，在具有较大数值孔径的浸液光刻系统中可提供偏振照明。

Description

光刻照明装置及照明方法

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。许多种半导体器件，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系统、含有电路图的掩模版、投影系统、和用于涂覆了光刻胶的硅片和硅片对准台。照明系统照射掩模版电路图，投影系统把掩模版电路图照明区域的像投射到晶片上。

在光刻中，对图像质量起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。所以既要获得更好的分辨率来形成关键尺寸的图形，又要保持合适的焦深。离轴照明技术可以提高焦深并且提高了分辨率。当今先进的光刻工艺要求使用离轴照明技术，包括环形照明、双极照明、四极照明等。通过合理的选择与曝光图案相匹配的光瞳形状可以最大限度的提高工艺窗口，这就要求照明系统具有可调节的光瞳形貌。

中国专利CN1474235提供了一种光刻照明装置，该装置是采用衍射片、变焦透镜组、一对凹凸互补的旋转三棱镜来产生连续可变的照明光瞳。这种方法在改变照明光瞳形状时可以不损失光能，效率高。其中衍射片是一种衍射光学元件，它可以对入射的平行光进行相位调制，使光束偏折以在远场形成所需诸如二极、四极的照明光瞳形貌。专利CN1474235所述的衍射光学元件DOE可以是微透镜阵列、菲涅尔透镜或衍射光栅。衍射片有一转盘装置，可以通过旋转更换不同的衍射片，衍射片有多种可供选择，以产生传统、四极和二极照明等。

液晶空间光调制器(Spatial Light Modulator，简称SLM)是一种新型的衍射光学元件，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、相干波前调制和相位调制等领域。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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于空间光调制器的光刻照明装置及照明方法，以实现提高响应速度，产率，并且满足了一些特殊光刻线条的需要。

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：光源系统，用以产生照射光束；空间光调制系统，包括空间光调制器和控制设备；匀光系统，用于控制照射光束；掩模；所述光源系统发出照射光束，经过所述空间光调制器、匀光系统，照射所述掩模。

该空间光调制器可以为透射式空间光调制器，可以为反射式空间光调制器，也可以为其他类型的具有相位调制的空间光调制器。

该空间光调制器可以是液晶空间光调制器。该液晶空间光调制器可以包括两个以上独立可寻址像素，每个该像素由单个分立元件构成。该分立元件包括电光材料层和有选择的向电光材料施加电压的电极。

该空间光调制器包括驱动装置和控制计算机，该驱动装置与控制计算机之间可以进行实时通信。该控制计算机的优化计算结果通过驱动装置加载到该空间光调制器的有效像素上。

该空间光调制器可以为离线控制，也可以为在线控制。

为达到上述目的，本发明提供了另一种光刻照明装置，按光束传播的方向依次包括：光源系统，用以产生照射光束；空间光调制系统，包括空间光调制器和控制设备，用于产生光瞳；匀光系统，包括光瞳形状控制元件、光束整形元件和聚光元件；所述光源系统产生照射光束通过所述空间光调制系统形成光瞳，并经过所述光瞳形状控制元件、光束整形元件和聚光元件成像。

其中，所述光瞳形状控制元件包括：变焦透镜组和旋转三棱镜。所述光束整形元件是微透镜阵列或石英棒。

此外，本发明还提供一种光刻照明方法，包括如下步骤：

(1)根据掩模图案确定最优化的照明光瞳形貌；

(2)依据优化算法，优化设计空间光调制器的每一像素的相位调制信息；

(3)将优化设计好的相位图装载在空间调制器的控制单元；

(4)控制单元将相位分布转换为对应电压，并寻址加到对应的空间光调制器的像素上；

(5)衍射光线在变焦透镜组出瞳产生所需的光瞳形貌。

本发明的基于空间光调制器的光刻照明装置及照明方法采用SLM(液晶空间光调制器)来衍射产生各种照明光瞳形貌。每个像素对光波相位的调制可通过寻址电压来进行控制，并且具有可编程控制的特点，可以利用优化算法，优化设计SLM的相位值来产生任意的照明光瞳形貌。无需针对不同的照明模式来离线设计衍射光学元件，无需设置机械转盘，操作灵活，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的需要。本发明可灵活改变入射光波的偏振方向，在具有较大数值孔径的浸液光刻系统中可提供偏振照明。

附图说明

图1是衍射光学元件DOE的原理示意图；

图2是空间光调制器SLM的原理示意图；

图3是空间光调制器的宏观、微观结构示意图；

图4是空间光调制器及其驱动装置和控制计算机示意图；

图5是本发明的基于空间光调制器的照明装置示意图；

图6是空间光调制器SLM和控制单元及控制计算机的控制流程图。

附图中：1、激光器；2、扩束器；3、空间光调制器SLM；301、空间光调制器SLM；302、控制计算机；4、变焦透镜组；5、旋转三棱镜；6、微透镜阵列；7、聚光镜；8、掩模。

具体实施方式

下面结合附图与实施例进一步说明本发明。

现有技术的衍射光学元件DOE的原理示意图如图1所示，其中衍射片是一种衍射光学元件，它可以对入射的平行光进行相位调制，使光束偏折以在远场形成所需诸如二极、四极的照明光瞳形貌。衍射光学元件DOE可以是二元光学元件、菲涅尔透镜或衍射光栅。衍射片有一转盘装置，可以通过旋转更换不同的衍射片，衍射片有多种可供选择，以产生传统、四极和二极照明等。

空间光调制器SLM对光波的调制原理如图2所示，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，并且至少一个像素元件包括一电光材料层以及用于有选择的向电光材料施加电压的电极，从而改变它的双折射。电光层的双折射将进一步引起光波的相位调制。

由于SLM可以方便的利用寻址电压进行控制，这使得液晶空间光调制器成为一种对光波进行可编程的控制器件。纯相位电寻址空间光调制器可对光波相位进行连续的调制，因此可以代替传统的衍射光学元件。目前市场上已有纯相位调制的液晶空间光调制器，如Boulder Nonlinear Systems公司的产品，它可以实现0-2π范围内的纯相位调制。

SLM的微观结构如图3所示，它通常由一系列的像素组成，像素尺寸可以控制在几个微米量级。设SLM的某一像素透射函数为

其复数表示形式为：

式中|r|≤1，

为经过调整器的相位变化，当|r|＝1时，调制器只对入射光波的相位进行调制，称为纯相位调制。此时，调制后的光波强度不变，有利于光束的光束能量集中及远距离传播。纯相位电寻址的液晶空间光调制器是利用驱动电压改变液晶分子指向来产生光程差，从而实现对入射光的相位调制，其光程差可简单表示为：

式中n_e为非寻常光等效折射率，n_o为寻常光折射率，d为衍射厚度。可以将液晶空间光调制器看作一种可变相位光栅元件，通过对驱动电压控制，来实现对入射光波相位面的可编程控制，一束单色平面波经过液晶空间光调制器后，偏转角度可以由光栅公式确定。

$\sin a_m=\frac{\mathrm{m\λ}}{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

其中a_m是光束偏转角，m为衍射级次，λ是光波波长，Δ是空间周期长度。对于SLM以n个像素为一个周期，单个像素尺寸为p，则Δ为np。

将液晶调制器整体看作一个相位掩模，当单位平面波经过该相位掩模，远场光振幅分布和出射光波(刚离开相位掩模后的光波)有简单的傅立叶变换对应关系：设任意一个SLM像素点(ε，η)的相位为由整数(m，n)表征的各衍射级的复振幅

因为一个像素是用一个电压驱动，所以任何一个像素内的像素为常数，从而有而不同的像素其相位值可以不相同，于是可以对相位进行离散化的优化设计，远场光强度I(I＝|A|²)取决于每一个像素点的相位值，如何选取相位

的值，使得用该相位值获得的远场衍射图更加逼近所预期的图形，是一个优化过程。即如何使得给定的正数ε使式(5)达到全局最小。

$|\left|I\right|-\left|I_{\mathrm{desired}}\right||\⇒\mathrm{\ϵ}---\left(5\right)$

其中I为实际的衍射图形，I_desired为期望的衍射图形。

根据以上SLM作为相位调制衍射光学元件的原理描述，当所需的照明光瞳形貌为传统、四极或环形时可以写出所代表的I_desired值，从而依据方程(5)对SLM的每个像素进行优化设计。通过计算机控制的SLM器件可以实时的显示出来。

图5是本发明的照明系统总体结构图，包括：1、激光器，本实施例选用波长为193nm的ArF激光器，同样的，在其他实施方案中可选用高压汞灯或产生其他波长的激光器，2、扩束器，3、空间光调制器SLM301和控制计算机302，4、变焦透镜组，5、旋转三棱镜，6、微透镜阵列，在其他实施方案中可选用石英棒，7、聚光镜，8、掩模。

由激光光源1发出的激光经过扩束系统2入射在空间光调制器SLM301上，SLM由计算机302控制，一方面计算机可以根据用户所需的照明光瞳形貌，依据优化算法优化SLM上的相位分布，另一方面，计算机可以通过接口控制SLM上的相位，这样SLM可以代替衍射片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SLM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5可以产生环形照明，一个凸锥形透镜可以沿光轴移动，通过变焦透镜组4和旋转三棱镜5的合适设置，就可以产生特定的照明光瞳形状：衍射光学元件3用于产生特定的照明模式(圆形、环形、双极、四极等)，连续变焦透镜组4用于改变照明系统光瞳截面的大小，两个旋转三棱镜5用于调节光瞳截面上内环的大小。

对于SLM像素对光波相位调制的优化由控制计算机来完成，并将优化的结果通过控制单元转换给SLM。流行的优化算法有很多，如模拟退火算法和遗传算法等，但是以上算法计算费时，只适合离线的精确设计相位。为了满足实时性的要求，需要选择一种能够快速收敛的优化算法。G-S算法(Gerchberg-Saxton)及其改进算法已在诸多领域取得成功，该算法有较好的快速收敛性。为了进一步提高收敛速度，可采用将第一次反傅立叶变换后得到的相位值作为初始相位。首先，将欲逼近的远场图像进行强度归一化表示，开平方后求出其振幅(实数值|F(x)|)，然后进行一次反傅里叶变换求出相应相位值作为相位初始值。将相位初始值送到G-S算法中，开始傅立叶迭代。迭代算法先将相位值进行逐级次量化而转化成灰度数字图像g(x)，对该数字图像进行傅立叶变换得到G(X)，对G(X)的模值进行判断，如果它与期望的强度图像幅度F(x)满足逼近条件，则程序退出并输出相位灰度图，否则令G(X)的模值等于F(x)的模值而保持G(X)的相位不变，从而得到新的G(X)，下一步对其进行反傅立叶变换得到新的物空间图像函数g(x)，接下来将其相位保持不变而将其幅值置1，再进行相位阶梯量化进入下一次循环，直到得到满意的相位值解。

计算机和SLM之间可以进行实时的通信，流程见图6，具体步骤为：对于如图3所示的SLM，该SLM由一些离散的点阵组成(该图像为512×512或更多，依据SLM的像素值)，根据如上文所述的优化算法对图像进行迭代优化，计算出其相位图；将优化后的相位图装载到空间光调制器的控制单元，该控制单元负责将相位灰度转化为对应的电压，并寻址加到对应的SLM像素上；在均匀的单色光激光束照射下，受到调制的光波面在远场形成夫琅和费衍射图形。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种光刻照明装置，按光束传播的方向依次包括：

光源系统，用以产生照射光束；

空间光调制系统，包括空间光调制器和控制设备；

匀光系统，用于控制照射光束；

掩模；

其特征在于：所述光源系统发出照射光束，经过所述空间光调制器、匀光系统，照射所述掩模；

其中，所述空间光调制器是液晶空间光调制器。

2.根据权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述液晶空间光调制器包括两个以上独立可寻址像素，每个所述像素由单个分立元件构成。

3.根据权利要求2所述的光刻照明装置，其特征在于：所述分立元件包括电光材料层和有选择的向电光材料施加电压的电极。

4.根据权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述控制设备包括驱动装置和控制计算机，所述驱动装置与控制计算机之间可以进行实时通信。

5.根据权利要求4所述的光刻照明装置，其特征在于：所述控制计算机的优化计算结果通过驱动装置加载到所述空间光调制器的有效像素上。

6.根据权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述空间光调制器为离线控制或在线控制。

7.一种光刻照明装置，按光束传播的方向依次包括：

光源系统，用以产生照射光束；

空间光调制系统，包括空间光调制器和控制设备，用于产生光瞳；

匀光系统，包括光瞳形状控制元件、光束整形元件和聚光元件；

其特征在于：所述光源系统产生照射光束通过所述空间光调制系统形成光瞳，并经过所述光瞳形状控制元件、光束整形元件和聚光元件成像，所述空间光调制器是液晶空间光调制器。

8.根据权利要求7所述的光刻照明装置，其特征在于：所述光瞳形状控制元件包括：变焦透镜组和旋转三棱镜。

9.根据权利要求7所述的光刻照明装置，其特征在于：所述光束整形元件是微透镜阵列或石英棒。

10.一种使用权利要求1所述装置的光刻照明方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据掩模图案确定最优化的照明光瞳形貌；

(2)依据优化算法，优化设计空间光调制器的每一像素的相位调制信息；

(3)将优化设计好的相位图装载在空间调制器的控制单元；

(4)控制单元将相位分布转换为对应电压，并寻址加到对应的空间光调制器的像素上；

(5)衍射光线在变焦透镜组出瞳产生所需的光瞳形貌。

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