CN101408285B - 一种产生连续可变光瞳的照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明的产生连续可变光瞳的照明装置在照明系统的光瞳面附近放置一光学系统，具有x和y方向不同的光焦度，经过该系统后，在x和y方向坐标相同的照明光瞳形貌可以整形成x方向和y方向不相同。该光学系统可以设计成在x方向(或y方向)的连续变焦扩束系统，以实现照明光瞳形貌连续可调。本发明无需增加光瞳挡板，光能利用率高。不用另外设计定做衍射元件产生所需照明模式。结构简单，只需在传统照明系统的光瞳面后插入该光学系统，以实现对照明光瞳的整形。可以针对不同的掩模图案产生更为灵活的照明模式，增加了四极照明的可调自由度。

Description

一种产生连续可变光瞳的照明装置

技术领域

本发明涉及光刻照明技术，特别涉及一种产生连续可变光瞳的光刻照明装置。

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。

如图1所示为离轴照明的成像机理，在离轴照明中，由于掩模具有光栅周期结构，入射光入射到掩模上由于衍射作用分成三束光，分别为0级、+1级和-1级。投影物镜由于其有限的NA只捕获0级和+1级光，并改变光束方向使光束会聚到硅片面上，这两束平面波场在硅片面上叠加，叠加的光波方程和照明入射光入射角θ_i有关。理论上，当照明的入射光满足方程(1)时，可以获得无限大的焦深。

$\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/p-\sin {\mathrm{\θ}}_i)}^2-\cos {\mathrm{\θ}}_i}=0---\left(1\right)$

因此最优化的照明入射角为：θ_i＝arcsin(λ/2p)，式中p为掩模在该方向上的空间周期Pitch。而入射角θ_i对应于照明相干因子σ。由此可见，照明相干因子σ的选择应该与掩模的空间周期Pitch相联系。对于只分布在x方向上的一维密集线条来说，一种优化的照明方式可以为二极照明，其二孔径的中心坐标可以由公式(1)得到。

$J(f,g)=\frac{1}{2}[\mathrm{\δ}(f-\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}*P_x},g)+\mathrm{\δ}(f+\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}*P_x},g)]---\left(2\right)$

J(f，g)为照明的光源函数，f，g为光瞳平面坐标，p_x为掩模的光栅周期Pitch，NA为投影物镜的数值孔径，λ为曝光波长。

而掩模通常具有二维的几何分布，假设掩模图形为图2a所示的接触孔结构，其在x和y方向具有不同的空间周期p_x和p_y，其中p_x＝200nm，p_y＝250nm，此时宜采用四极或环形的照明方式。

依据公式(1)可根据x和y方向的pitch决定四极照明4个孔径中心的位置：

$J(f,g)=\frac{1}{4}[\mathrm{\δ}(f-\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}*P_x},g)+\mathrm{\δ}(f+\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}*P_x},g)+\mathrm{\δ}(f,g+\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}*P_y})+\mathrm{\δ}(f,g+\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}*P_y})]$

若投影物镜数值孔径为NA＝0.75，λ＝193nm，则四极照明的四孔中心位置为：

$J(f,g)=\frac{1}{4}[\mathrm{\δ}(f\±0.64,g)+\mathrm{\δ}(f,g\±0.51)]$

图2b为针对掩模图形2a计算出的最优化的四极照明形貌。

另外，中国专利CN02130481.5中根据不同的掩模得到的优化的照明光瞳，该掩模结构具有在x和y方向不同的空间周期及占空比，分别如图3a和图3c所示，对于这种掩模，其优化的照明光瞳形貌为图3b和图3d。

由此可见，照明光瞳形貌的选择与掩模的几何形状密切相关。当掩模具有x和y方向上不同的空间周期(或不同的占空比)时，其优化的离轴照明形貌也应该在x和y方向具有不同的坐标位置。

鉴于以上描述，光刻机照明系统应该具有产生四极照明的能力，其在x和y方向或其它方向上的坐标可以设置为实质不相同。

现有技术中，中国专利CN1407408描述的一种典型的光瞳产生装置如图4所示，它在照明光瞳面插入光瞳遮挡转盘，来遮挡出不同形状的光瞳(如图5所示)，从而产生所需的照明模式。这种方法的缺点是照明模式不能连续可变，需要根据不同的掩模图案设计不同的挡板。光瞳遮挡转盘笨重、且遮挡造成较大光能损失，降低了光学系统的效率。

一种改进的方式如图6所示，是采用衍射片101(DOE1)、变焦透镜组102、一对凹凸互补的旋转三棱镜104来产生连续可变的照明光瞳(中国专利CN1474235)。这种方法在改变照明光瞳形状时可以不损失光能，效率高。衍射片101可以采用二元光学的方法来制作，以使衍射的光线在光瞳面上产生诸如二极、四极照明模式等。专利CN1474235所设计的四极照明通常在x方向和y方向上具有相同的坐标，对于如上文所示的具有x和y方向不同空间周期的掩模，若要给出合适的四极照明，需要另外设计一种衍射片。这种方法虽然不损失光能，但需要根据不同的掩模图案设计不同的衍射片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生连续可变光瞳的照明装置，以实现光瞳形貌的连续可调。

为了达到上述的目的，本发明提供一种产生连续可变光瞳的照明装置，其包括沿光路依次排列的衍射光学元件、变焦透镜组、旋转三棱镜、光瞳整形装置以及聚光系统，所述光瞳整形装置在垂直于光路平面内的正交方向，即x和y方向上具有不同的光焦度。

所述光瞳整形装置包括一个沿x方向或y方向放置的柱面透镜组，所述柱面透镜组在其放置方向上能够提供不同的扩束能力，而在与其放置方向正交的另一方向上光焦度为0。进一步的，所述柱面透镜组由至少三片柱面透镜组成，其中至少两片柱面透镜的位置可调，通过透镜位置的变化在x方向或y方向上提供不同的扩束能力。此外，所述柱面透镜组可以绕光轴旋转。

所述光瞳整形装置也可以由一x方向变焦柱面透镜组和一y方向变焦柱面透镜组组成。所述x方向/y方向变焦柱面透镜组由至少三片柱面透镜组成，其中至少两片柱面透镜的位置可调，通过透镜位置的变化在x方向/y方向上提供不同的扩束能力。

所述光瞳整形装置还可以是棱镜系统或螺旋面透镜组，该棱镜系统通过调节棱镜的旋转角度以控制x和y方向的扩束比。

本发明采用了一种新的装置来产生连续可调节的照明光瞳，其在x和y方向上的照明光瞳坐标可以设置为不相同。其特点是利用一在x和y方向具有不同光焦度的光学元件，如一种柱面透镜结构或一种螺旋面透镜组，对照明光瞳重新进行整形，以使出射光瞳在x和y方向具有不同的扩束能力。并且该光学元件具有在x方向(或y方向)的连续可调扩束比，以使照明模式连续可变。本发明的装置无需设置不同的挡光装置，提高了系统的光能利用率。另外无需增加设计衍射光学元件，能很方便的产生所需的光瞳形状。提高了照明系统的性能。

附图说明

图1是离轴照明方式原理图；

图2a和图2b分别是具有x和y方向上不同空间周期的接触孔掩模示意图及优化的四极照明示意图；

图3a和图3c是具有x和y方向不同空间周期和占空比的掩模示意图，图3b和图3d分别是对应其的优化的照明光瞳示意图；

图4是现有技术通过采用光瞳遮挡转盘的照明系统示意图；

图5是现有技术的光瞳遮挡转盘示意图；

图6是现有技术采用衍射片、变焦透镜组、一对凹凸互补的旋转三棱镜作为光瞳整形模块的示意图；

图7是本发明采用变焦柱面透镜组的照明装置示意图；

图8是本发明采用变焦柱面透镜组的照明装置局部结构图；

图9是本发明采用正交变焦柱面透镜组的照明装置示意图；

图10是本发明采用正交变焦柱面透镜组的照明装置局部示意图；

图11是本发明采用棱镜系统的照明装置局部示意图；

图12是由本发明产生的照明光瞳形状示意图。

附图中：

1、衍射片；2、变焦透镜组；202、可动镜片；203、可动镜片；204、可动镜片；3、旋转三棱镜组；301、凹旋转三棱镜；302、凸旋转三棱镜；4、变焦柱面透镜组；402、可动镜片；403、可动镜片；5、聚光系统；6、掩模；7、x方向变焦柱面透镜组；702、可动镜片；703、可动镜片；8、y方向变焦柱面透镜组；802、可动镜片；803、可动镜片；9、棱镜系统；902、可动棱镜；903、可动棱镜。

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7是本发明的实施例1的照明系统总体结构图，包括：衍射片1；变焦透镜组2；旋转三棱镜组3；柱面透镜组4(或其它具有x和y方向不同光焦度的光学器件)；聚光系统5；掩模6。

由光源发出的激光经过扩束系统入射在衍射片1上，衍射片1根据设计要求可在远场形成特定的照明光瞳分布(可以产生诸如圆形、二极、四极等照明模式)；变焦透镜组2是可变焦的傅立叶变换透镜，用于在焦平面形成照明光瞳分布，变焦透镜组2包括三片可动镜片---202、203和204用以实现变焦；旋转三棱镜组3是由两个凹凸互补的旋转三棱镜组成，其中301为凹旋转三棱镜，302为凸旋转三棱镜，302可以沿光轴移动，产生环形照明。通过总共这四片镜片(202、203、204、302)的移动，就可以产生特定的照明光瞳形状：衍射光学元件1用于产生特定的照明模式(圆形、双极、四极等)，变焦透镜组2用于改变照明系统光瞳截面的大小，凸旋转三棱镜302用于调节环形照明光瞳截面上内环的大小。柱面透镜组4具有在x和y方向不同的光焦度，可将x和y方向坐标相同的照明光瞳进一步整形为不相同，以满足不同光刻线条的需要。聚光系统5包括一匀光器件蝇眼微透镜阵列，蝇眼透镜将入射光瞳形成二次光源，入射在聚光透镜上，聚光透镜将光瞳上的光均匀的照射在掩模6上，实现均匀照明。

图8为本实施例的局部结构图，其中变焦透镜组2中有三片可动镜片---202、203和204用以实现变焦，另外一个凸旋转三棱镜302可以沿光轴移动，通过总共这四片镜片的移动，就可以产生特定的照明光瞳形状：衍射光学元件1用于产生特定的照明模式(圆形、双极、四极等)，变焦透镜组2用于改变照明系统光瞳截面的大小，凸旋转三棱镜302用于调节光瞳截面上内环的大小。

由上述系统所得到的四极照明光瞳具有x和y方向上相同的坐标，其对于具有在x和y方向不同空间周期和占空比的掩模图案，并不能给出最优化的照明模式。为了实现在x和y方向上的坐标连续可变，而且不用增加衍射光学元件，本发明增加可变焦的柱面镜组4。柱面镜组4由三片或多片柱面透镜组成，可以通过调节镜片402、403的位置改变y方向上的扩束能力，而x方向上的扩束能力为0，对光瞳不起扩束或压缩作用。这样，柱面透镜组4具有x和y方向上的可调扩束比。因此可以使照明光瞳形貌具有在x和y方向上的可调坐标，以适应不同的掩模图形的需要。

图9是本发明的实施例2的照明系统总体结构图，包括：衍射片1；傅立叶变换透镜2；旋转三棱镜组3；x方向变焦柱面透镜组7；y方向变焦柱面透镜组8；聚光系统5；掩模6。

图10是本发明的实施例2的局部结构图。其中1为衍射光学元件，用来衍射光线；2为傅立叶变换透镜，用来在远场(在其出瞳)产生双极、四极和圆形照明模式；3为旋转三棱镜组，包括凹旋转三棱镜301和凸旋转三棱镜302，可以调节环形、四极和双极的照明相干因子σ的大小；7为x方向上的柱面透镜组，其柱面的轴向方向为x方向，702和703为可动镜片，可以通过位置变化获得x方向不同的扩束比。柱面透镜组7在y方向上相当于平行平板，对光不起扩束作用。8为y方向上的柱面透镜组，其柱面的轴向方向为y方向。802和803为可动镜片，可以通过位置变化获得y方向不同的扩束比。柱面透镜组8在x方向上相当于平行平板，对光不起扩束作用。因此通过柱面透镜组7和8的不同设置，可以提供x和y方向不同的扩束能力，可将光瞳形貌进一步整形为在x和y方向上具有不同的坐标。这样，通过装置1、3、7、8的配合设置，就可以获得照明所需的圆形、环形、四极和双极模式，且通过柱面变焦透镜组7和8以及旋转三棱镜组3可以调节照明因子σ的大小，并可以设置四极光瞳或环形光瞳在x和y方向上具有连续可调的比例，满足特定光刻线条的应用。光瞳x和y坐标的纵横比依靠可变焦柱面透镜组7和8在x和y方向上的扩束比例来调节，如图12(g)所示。

图11是本发明的实施例3局部结构图，其中变焦透镜组2中有三片可动镜片---202、203和204用以实现变焦，另外一个凸旋转三棱镜302可以沿光轴移动，通过总共这四片镜片的移动，就可以产生特定的照明光瞳形状：衍射光学元件1用于产生特定的照明模式(圆形、二极、四极等)，变焦透镜组2用于改变照明系统光瞳截面的大小，凸旋转三棱镜302用于调节光瞳截面上内环的大小。本实施例的照明光瞳整形装置，采用棱镜系统9来代替实施例1中的柱面镜系统，棱镜系统9可将x和y方向坐标对称的光瞳整形为不相同。并且可以通过调节902及903的旋转角度来控制x和y方向的扩束比。另外，棱镜系统9也可以采用螺旋面透镜组来替代。

图12是由本发明产生的照明光瞳形状，图(a)、(b)为圆形照明，图(c)、(d)为环形照明，图(e)、(f)、(g)为四极照明。由本发明所产生的照明光瞳形貌，可以产生圆形，环形，二极和四极照明，并且可以通过变焦透镜组2和旋转三棱镜3连续调节照明相干因子的大小，且对于四极照明来说，也可以调节x和y方向具有不同的坐标，其光瞳x和y坐标的纵横比通过可变焦柱面透镜组在x和y方向上的扩束比来调节，如图12(g)所示。

Claims (10)

1.一种产生连续可变光瞳的照明装置，该照明装置包括沿光路依次排列的衍射光学元件、变焦透镜组、旋转三棱镜、光瞳整形装置以及聚光系统，其特征在于：所述光瞳整形装置在垂直于光路平面内的正交方向，即x和y方向上具有不同的光焦度。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述光瞳整形装置包括一沿x方向或y方向放置的光学元件，用以提供x方向或y方向的不同扩束能力。

3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于：所述光瞳整形装置由一个沿x方向或y方向放置的柱面透镜组构成，所述柱面透镜组在其放置方向上能够提供不同的扩束能力，而在与其放置方向正交的另一方向上光焦度为0。

4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于：所述柱面透镜组由至少三片柱面透镜组成，其中至少两片柱面透镜的位置可调，通过透镜位置的变化在x方向或y方向上提供不同的扩束能力。

5.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于：所述柱面透镜组绕光轴旋转。

6.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于：所述光瞳整形装置由一x方向变焦柱面透镜组和一y方向变焦柱面透镜组组成。

7.根据权利要求6所述的照明装置，其特征在于：所述x方向/y方向变焦柱面透镜组由至少三片柱面透镜组成，其中至少两片柱面透镜的位置可调，通过透镜位置的变化在x方向/y方向上提供不同的扩束能力。

8.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于：所述光瞳整形装置是棱镜系统。

9.根据权利要求8所述的照明装置，其特征在于，所述棱镜系统通过调节棱镜的旋转角度以控制x和y方向的扩束比。

10.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于：所述光瞳整形装置是螺旋面透镜组。

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