CN102077143A - 用于显微光刻投影系统的远心性校正器 - Google Patents

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Abstract

一种远心性校正器被纳入到显微光刻投影系统中，以在该显微光刻投影系统的输出处实现远心性目标。该远心性校正器位于该投影系统的照明装置与投影透镜之间，优选正好在用于控制照射掩模板的光的角分布的掩模板之前。

Description

用于显微光刻投影系统的远心性校正器
技术领域
本发明涉及投影系统的照明装置，具体涉及用于将掩模板、掩模或其它图案形成器的图像中继到诸如用于制造包括平板显示器、印刷电路板以及微机械器件的半导体器件或其它集成电路的光敏衬底上的显微光刻投影系统的照明装置。
背景技术
显微光刻投影系统的投影透镜一般至少在图像空间中是远心的，因此所投影的图像对聚焦误差不那么敏感，例如通过焦深保持相同的放大率。尤其当提供部分相干照明时，对远心性的设计考虑扩展到投影透镜的照明装置的性能方面。投影系统的有效远心性因此由照明装置在投影透镜的像平面处的辐射角分布决定。在远心图像空间中，像点处的辐射角分布内的能量质心垂直于像面延伸。位于投影透镜的物面处的照明装置像面与照明装置形成的均匀发光面一致。通过将诸如万花筒(kaleidoscope)的输出面的可调节刃或边缘的视场光阑成像到照明装置像面上，均匀发光场一般被限制在照明装置内。
无论投影透镜是单远心(像空间中的远心)还是双远心(像空间和物空间二者中的远心)，照射掩模板或掩模图案上的场点的主光线到达衬底上与衬底表面垂直的共轭场点。诸如通过掩模或掩模板在物空间内的轴向平移，可制造与掩模板或掩模的物空间中的远心性的偏离以支持放大率调节。照明装置的像面处的照明图案可被设置成匹配与投影透镜的物面中的远心性的所需偏离，以在投影透镜的像面内保持远心性。
对于一些投影透镜，即使是设计用于在物空间以及像空间中标称远心的那些投影透镜，其照明装置的输出处也需要与远心性的复杂或较高阶的偏离，以在投影透镜的像空间中实现所需远心性。所需的与照明装置的像空间中的远心性的偏离会对照明装置设计增加相当大的复杂性，且会扰乱发光均匀性，而发光均匀性是投影透镜的像面处所需的。
发明内容
根据本发明的一种照明装置内的远心性校正器可用于在投影透镜的物空间中匹配如在投影透镜的像空间内实现所需程度的远心性的复杂或较高阶的远心性偏离。对复杂或较高阶远心性偏离的需求会因为投影透镜的设计而产生，或因为实现该设计的限制或误差而产生。根据投影透镜的设计已知的物空间远心性偏离可被纳入远心性校正器中作为投影透镜系统的一部分。实际上，远心性校正器的附加设计自由度可被纳入投影系统的整体设计中，以使投影透镜的像面处的远心性需求与同一像面处的辐射均匀性需求平衡。
一旦建立该投影系统，就可补充、进一步修改该远心性校正器或用新的远心性校正器替换该远心性校正器，以补偿在投影系统使用期间产生的系统误差。例如，可对投影透镜的像空间中的辐射进行测量，以记录该像面上和焦深中的位置或强度波动。替代地，光敏衬底中的辐射结果可被用于推断远心度和辐射均匀度。
优选位于毗邻投影透镜的物空间的照明装置的像空间中的远心性校正器可制作成具有一个或多个校正光学表面的板形，用于根据相对于照明装置的光轴的径向距离或方位角使其通过不同角度局部地折射光。一般而言，可通过对校正表面斜率的局部调节来实现远心性校正，该校正表面可被集成以形成连续的非球面表面。调和局部斜率变化所需的非球面表面上的斜率变化率也可被控制成影响非球面表面上的输出功率变化，这可用作投影透镜的像面处的均匀性校正。校正表面的局部斜率调节类似于向校正表面添加小棱镜，这些小棱镜局部地重定向光束的各分段，从而在照明装置的像面处产生远心性变化。对斜率变化率的调节类似于向校正表面添加小透镜，这些小透镜局部地会聚或发散光束的各分段，从而在照明装置的像面处产生局部的辐射变化。
按照一阶导数(斜率)和二阶导数(功率)而言的校正表面的变化可直接根据所需的远心性校正(作为局部斜率中的相应变化)和辐射均匀性校正(作为功率中的相应局部变化)来计算。该计算还取决于校正器表面与像面之间的距离偏移。偏移距离组合校正器表面斜率的局部变化改变光束的重定向分段入射在像面上的位置。偏移距离组合校正器表面的斜率变化率的局部变化影响像面处的辐射变化的大小。一般而言，局部会聚的光束因变于离像面的偏移距离增大像面处的局部辐射，而发散光束因变于离像面的偏移距离减小像面处的局部辐射。按任一种方式，需要一定偏移距离来实现辐射的局部变化，而不需要偏移距离来实现远心性的局部变化。可对像面处的局部远心性或局部辐射分布作出改变的分辨率倾向于随着距离像面的偏移距离增大而减小，因为校正器板的任何一点处的光影响像面的面积增大。
通过提供两个或更多个校正表面，其中第一个校正表面位于照明装置的像面附近(即处于像面或非常靠近像面)，而第二个校正表面仍位于照明装置的像空间内但从照明装置的像面偏移，可进一步将为了满足投影透镜的像面处的目标规范而对照明装置的像面处进行的远心性和辐射均匀性校正分开。第一校正光学装置优选定位成尽可能接近像面，以实现远心性校正而不影响辐射分布。第二校正光学装置从像面偏移，以实现辐射分布改变以及远心性改变，但优选良好地保持在照明装置的像面内，从而在整个像场内以足够的分辨率实现辐射分布的改变。因此，第二校正光学装置被最优化以校正投影透镜的像面处的辐射均匀性，而第一校正光学装置被最优化以校正投影透镜的像面处的远心性，同时还补偿由第二校正光学装置产生的任何不需要的远心性变化。
虽然校正光学装置被描述为位于照明装置的像面附近，或至少在照明装置的像空间内，但本描述还旨在覆盖照明装置内的共轭位置，诸如在包含视场光阑的中继透镜的物面处。因为共轭面正好位于照明装置内，所以校正光学装置可按照任一顺序定位，且定位在共轭面的同一面或相反面上。相比之下，在一致的照明装置的像面和投影透镜的物面附近，校正光学装置优选保持在照明装置空间内，以使该校正光学装置不会向投影透镜的成像功能中引入波前误差。
附图说明
图1是根据本发明的包含远心性校正器的显微光刻投影系统的示图。
图2A是未配置远心性校正器的投影系统的一部分的示图，示出了投影透镜的像空间中的远心性误差。
图2B是包含远心性校正器的投影系统的一部分的相似示图，且示出了透镜透镜的像空间中所需的远心性校正。
图3是示出具有交错斜率变化的校正表面的远心性校正器的示意性侧视图。
图4是掩模板附近的照明装置的像空间内的一对校正器板的示意性侧视图。
图5是投影系统的照明装置部分的示图，示出了与掩模板处的照明装置的像面共轭的面附近的一对校正器板。
详细描述
作为能受益于本发明的投影系统的示例的一种显微光刻投影系统10包括光源12、照明装置14以及用于将掩模板18的图像投影到衬底20上的投影透镜16。可在与照明装置14和投影透镜16的共同光轴24垂直的两个正交方向上平移的水平X-Y轴载物台22用于使衬底20相对于投影透镜16移动，以使衬底20的连续区域暴露。垂直Z轴载物台26用于使投影透镜16相对于衬底20沿光轴24平移，以用于将掩模板18的图像适当地聚焦到衬底20上。
该光源12可采取用于发出光束28形式的适于使光敏衬底20显影的光辐射的各种形式。例如，光源12可以是诸如针对某些光谱线的高压汞弧灯的灯光源或诸如受激准分子激光器的激光源，尤其是用于在深紫外光谱内操作的那些光源。
照明装置14用于将光束28整形并在空间上分配该光束28，且使辐射角和空间辐射分布设定针对光瞳和投影透镜的像面两者，其中投影透镜的像面与衬底20一致。虽然未在图1中详细示出，但用于显微光刻操作的典型照明装置包括：用于会聚和整形光束28的波形测量仪(profiler)、用于将光汇集到均匀辐射场中的均化器(例如万花筒或蝇眼阵列)、以及用于将均化器的输出的图像中继到掩模板18的中继透镜，其中照明装置14的像面与投影透镜16的物面一致。
投影透镜16优选具有比用于提供部分相干成像的照明装置14的输出数值孔径大的输入数值孔径，该投影透镜16将掩模板18的图像投影到衬底20上。即，通常与照明装置14中的光瞳(未示出)共轭的投影透镜16的光瞳(也未示出)优选未被照明装置光瞳的图像填满，但其大小被调整为会聚来自掩模板18的被照明部件的角发散光，以在衬底20上产生掩模板18的高分辨率图像。掩模板1 8的投影图像可按需被放大或缩小。投影透镜16可包括反射或衍射元件以及折射元件，或这些元件的组合，诸如反射折射性光学装置中那样。
也称为“掩模”的掩模板18包括旨在投影到衬底20上的一个或多个图案，且其大小可被调整为在投影透镜16的入瞳的大小以内或超过其大小。具有较大图案的掩模板可相对于投影透镜平移，以使掩模板图案的不同部分连续暴露。
光敏衬底20一般采取诸如用光致抗蚀剂处理从而对曝光作出反应的半导体晶片或玻璃面板的平板的形式。通常，整个衬底20不能被一次成像，因此底座30上的水平X-Y轴平移载物台22用于使衬底20在一位置范围上平移，以整体地照射衬底20的所需工作区域。投影透镜16在底座30上的垂直Z轴平移载物台26上得到支承，用于调节投影透镜16从衬底20沿光轴24的成像距离。控制器32协调投影透镜16、掩模板18、衬底20之间的相对运动以及投影系统10的曝光。
远心性校正器40被定位于照明装置14的像空间42中且尽可能靠近掩模板18，用于将照明装置的角辐射在投影透镜16的相邻物空间44中重新分配，以确保投影系统10至少在投影透镜16的像空间46中是远心的。在缺少远心性校正器40的情况下，如图2A中所示，照明装置14的相邻像空间42和投影透镜16的物空间44内的标称远心辐射(描述为照射掩模板18的图案化表面48——照明装置14的像面和投影透镜16的物面——上的各个物点54的垂直取向光锥52)导致从投影透镜16的像空间46中的远心性的非线性偏离(被描绘为在衬底20的光敏表面50——投影透镜16的像面——上形成相应的图像点58的多个斜光锥56)。从远心性的偏离在衬底20的表面50上的大小和方向均变化。虽然掩模板18的图案化表面48被示为在掩模板的上表面上，但该图案化表面48也可位于掩模板18的下表面上，如常见的用于保护图案化表面48和减少投影透镜16操作所需的玻璃量的情况那样。虽然位于掩模板的上表面或下表面上，但图案化表面48还优选位于照明装置14的像面处或投影透镜16的物面处。
如图2B所示，通过在掩模板18之前使照明装置14的角辐射分布局部地重新分布(描述为照射掩模板18的表面48上的各个物点64的各个斜光锥62)，以使掩模板18上的每个部件在衬底20处远心地成像(描述为在衬底20的表面50上形成相应的像点68的垂直取向光锥66)，远心性校正器40补偿投影透镜16或掩模板1 8内的明显误差或设计限制。远心性校正器40可类似地补偿照明装置14内的误差或设计限制，这些误差或设计限制会导致从投影透镜16的像空间46内的远心性的较高阶偏离或以其它方式对其作出贡献。
如图3所示，远心性校正器40具有基本平坦的主体72，该主体72具有背离平坦形状的校正表面74。可通过对校正表面74整形以使其包括局部斜率变化(描绘为角
Figure BPA00001287204600061
)以使射线以不同量和不同方向在照射场上弯曲，来对照明装置14的角辐射分布进行调整。校正表面74上的局部斜率
Figure BPA00001287204600062
可被认为是非球面表面的垂度的一阶导数。通过对校正表面74的较高阶改变成为可能的附加自由度可被包括到标准透镜中，从而定义最优化校正表面74上的局部斜率变化的规范。例如，此类设计自由度可在可从总部设在美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的光学研究协会(Optical research associates)获得的规范V光学设计软件内最优化。
可被认为是非球面表面的垂度的二阶导数的校正表面74上的逐点的斜率变化率
Figure BPA00001287204600063
产生影响投影透镜16的像面50上的辐射不均匀性的局部光功率变化。局部汇聚或发散的光的光功率变化通过掩模板18的校正表面74和图案化表面48之间的偏移距离来操作，从而与照明装置14的像面和投影透镜16的物面一致。图案化表面处的局部辐射分布影响与校正表面74从图案化表面48偏移的距离成正比。然而，图案化表面48处的角和空间校正的分辨率与偏移距离成反比。
远心性校正器40的设计优选被优化以平衡投影透镜16的像面50处的远心性和均匀性要求。实际上，当远心性校正器40被纳入其它部件的设计也经过最优化的原始投影透镜系统设计中时，可对像面50处的远心性和均匀性作出改进。
通过纳入或后续添加远心性校正器40可实现替代或附加的设计限制的目标。例如，投影透镜16可被设计成双远心(即在物平面44和像平面46二者中均远心)或以预定方式从物空间44中的远心性的偏离，以用于诸如支持对放大率或失真的后续调节的目的。2007年4月26日提交且被公布为WO 2007/130299并在2007年12月12日进入美国国家阶段作为申请No.11/922,18的共同拥有国际申请No.PCT/US2007/010044使用了物面远心性中的非线性变化来提供对失真和放大率的调节。所需的用于特殊目的的投影透镜16的像面50中的远心性可类似地调适为设计最优化的目标。
除了改进投影系统10的原始设计之外或作为其替代方案，远心性校正器40可被用于补偿在构建投影系统10之后产生的系统误差或替代性能目标。例如，可经验地测量远心性或均匀性误差(无论它们的起源为何)，并将它们用作设计或重新设计远心性校正器40的基础。可在投影透镜16的像面50处直接测量或根据与衬底20上的已知图案出现相关联的误差推断从所需辐射分布的空间或角偏离。需要由远心性校正器40补偿的测得误差可被纳入常规设计软件中作为相反目标符号。
虽然远心性校正器40被示为具有斜率存在较高阶变化的单个校正表面的标称平坦折射光学装置，但远心性校正器40也可被纳入不同形状的折射光学装置或诸如反射性或折射性光学装置的非折射光学装置中。梯度折射率变化也可被替代或附加用于产生光的局部重定向的表面形状改性使用。输入和输出表面二者均可被用于影响所需校正。还可使用一个以上远心性校正器，诸如用于纳入到原始设计中的一个校正器和用于补偿稍后测量的误差的另一个校正器。优选地，远心性校正器被纳入该设计中作为附加的光学元件，但该远心性校正器也可被纳入该设计的现有元件中，诸如通过将其它平坦或球面光学装置的表面改性。
虽然该远心性校正器40优选定位于尽可能接近掩模板18同时适应诸如用于调节或替换掩模板的需求或保护掩模板免遭环境损坏所需的间隙之类的机械限制，但该远心性校正器40可替代地位于与掩模板18共轭的照明装置平面内，诸如在均化器的输出附近的平面。分开的远心性校正器可被定位于两个或更多个共轭面中的每一个中，以更好地满足投影透镜16的像面处的远心性和均匀性，以及用于该设计中的其它位置(诸如投影透镜1 6的物面处)的远心性或均匀性的其它目标。
图4示出在折射体84和94中形成的具有各自的非球面校正表面82和92的两个校正器板80和90的组合。校正器90的校正表面92定位成尽可能靠近掩模板18的图案化表面48，用于影响图案化表面48处(即在照明装置14的像面和投影透镜16的物面处)的远心性至高分辨率，同时对该图案化表面48处的辐射分布的影响最小。校正器80的校正表面82被定位于距离图案化表面48的偏移距离“D”处，用于影响该图案化表面48的辐射均匀性和远心性二者。校正器80的校正表面82的局部曲率可被最优化以在图案化表面48处提供所需的辐射分布。校正器90的校正表面92的局部斜率可被最优化，以在图案化表面48处提供所需远心性，同时补偿校正表面82的任何不希望有的远心性效果。校正表面82和92可一起被最优化以在掩模板18的图案化表面48所定位的照明装置14的像面处实现所需远心性和所需辐射分布。
作为实际问题，在校正表面92与照明装置14的像面之间一般需要一些间距，以物理地容纳掩模板18。因为此类校正表面92也会影响像面处的光分布，所以即使与另一校正表面82协作，两个表面82和92的最优化也可能需要投影透镜16的像面处的远心性的目标值与辐射均匀性之间的一些折衷。然而，如图5中描述的照明装置14的放大图所示，替代的校正光学装置112可被定位成使其校正表面114位于与照明装置14的像面122共轭的均匀平面116处，以与辐射均匀性无关地校正远心性。
如图5中进一步详细描绘的照明装置14包括光束波形测量仪104，用于对来自光源12的光整形并填充均化器106，该均化器106将光整合到包含视场光阑118的均匀平面116中。中继透镜120将视场光阑118成像到照明装置14的均匀像面122上，该均匀像面122与投影透镜16的物面124一致。掩模板18的图案化表面48位于一致的照明装置12的像面122和投影透镜14的物面124处。校正光学装置112的校正表面114位于共轭的均匀表面116处，用于与同一像面和物面122和124处的辐射均匀性无关地相似地影响该共轭的均匀表面116与一致的像面和物面122和124处的远心性。第二校正光学装置108包括定位成偏离共轭面116的校正表面110，用于影响共轭均匀面116与一致的像面和物面122和124二处的辐射分布。虽然第二校正光学装置108优选位于均化器106与共轭均匀面116之间，以不干扰视场光阑118的成像，但第二校正光学装置108也可位于共轭均匀面116和中继透镜120之间，因为在照明装置14内或在中继透镜120与像面122之间的照明装置像空间中成像的要求较低。
虽然图4的校正光学装置80和90的校正表面82和92以及校正光学装置108和112的校正表面110和114被示为成形在不同的折射体(例如84和88)上，但校正表面82、92和110、114也可被成形在单个折射体的不同面上。校正表面92或114优选定位成尽可能接近照明装置14的像面122或照明装置14的共轭面116，同时校正表面82和110偏移单个折射体的厚度。
虽然已关于常规显微光刻投影系统10描述了本发明，但本发明也可应用于各种光刻投影系统，包括其中掩模板图案通过可编程空间光调制器形成的投影系统。基于对本发明陈述的示教，其它修改和改进对本领域技术人员将显而易见。

Claims (19)

1.一种光刻投影系统，包括：
光源，
用于从所述光源接收光的照明装置，所述照明装置用于照射所述照明装置的像面处的掩模板，
用于向衬底上投影所述掩模板的图像的投影透镜，以及
位于所述照明装置的像面或像面的共轭面附近的远心性校正器，用于使照射所述掩模板的光进行局部角度重新分布，以匹配所述衬底处的远心性目标规范。
2.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述远心性校正器位于所述照明装置的像面内。
3.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述远心性校正器与所述掩模板基本毗邻或共轭。
4.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述远心性校正器包括校正表面，所述校正表面具有用于实现光的局部角度重新分布的局部斜率变化。
5.如权利要求4所述的投影系统，其特征在于，所述局部斜率的变化率被调节以控制所述衬底上的辐射均匀性。
6.一种用于实现包括照明装置和投影透镜的显微光刻投影系统的远心性和辐射均匀性目标的方法，包括步骤：
定义所述投影透镜的像面处的远心性和辐射均匀性的目标，以及
最优化所述照明装置、所述投影透镜以及位于所述照明装置的像面或像面的共轭面附近的远心性校正器的设计，以实现所述远心性和辐射均匀性的目标，
其中所述远心性校正器的最优化包括控制所述远心性校正器中的局部变化以接近远心性目标，以及控制远心性校正器中的局部变化的变化率以接近辐射均匀性目标。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述远心性校正器中的局部变化包括校正表面中的局部斜率变化，且所述局部变化中的变化率包括校正表面中的局部斜率变化的变化率。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述远心性校正器中的局部变化包括校正表面中的局部折射率变化，且所述局部变化中的变化率包括校正表面中的局部折射率变化的变化率。
9.一种补偿包括照明装置和投影透镜的光刻投影系统中的实验测得误差的方法，包括以下步骤：
标识投影透镜的像面处的远心性误差，
在所述照明装置的像面处设定经修改的远心性目标，以补偿所标识的远心性误差，以及
在位于所述照明装置的像面或像面的共轭附近的远心性校正器中纳入变化，以达到经修改的远心性目标。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述远心性校正器包括校正表面，且纳入变化的所述步骤包括在所述校正表面中产生局部斜率变化。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
标识所述投影透镜的像面处的辐射均匀性误差，
在所述照明装置的像面处设定经修改的远心性目标，以补偿所标识的辐射均匀性误差，以及
在所述远心性校正器中纳入变化，以达到经修改的辐射均匀性目标。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述远心性校正器具有校正表面，且纳入变化的所述步骤包括控制所述校正表面中的局部斜率变化，以接近经修改的远心性目标。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述远心性校正器具有校正表面，且纳入变化的所述步骤包括控制所述校正表面中的局部斜率变化的变化率，以接近经修改的辐射均匀性目标。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述远心性校正器具有校正表面，且纳入变化的所述步骤包括控制所述校正表面中的局部斜率变化以接近经修改的远心性目标，并控制所述校正表面中的局部斜率变化的变化率以接近经修改的辐射均匀性目标。
15.一种光刻投影系统，包括：
光源，
用于从所述光源接收光的照明装置，所述照明装置用于照射所述照明装置的像面处的掩模板，
用于向衬底上投影所述掩模板的图像的投影透镜，
第一校正表面，用于使照射所述掩模板的光进行局部角度重新分布，以接近所述衬底处的远心性目标规范，
第二校正表面，用于使照射所述掩模板的光进行局部空间重新分布，以接近所述掩模板处的辐射均匀性规范，
所述第一校正表面位于所述照明装置的像面或所述像面的共轭附近，以及
所述第二校正表面从所述照明装置的像面或所述像面的共轭偏移。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第一校正表面包括用于实现光的局部角度重新分布的局部斜率变化。
17.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，所述第二校正表面包括用于实现光的局部空间重新分布的局部斜率变化率。
18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第一校正光学装置补偿所述第二校正表面所实现的光的局部角度重新分布，用于匹配所述衬底处的远心性目标规范。
19.如权利要求15所述的投影系统，其特征在于，所述第一和第二校正表面分别在(a)两个校正光学装置的一面和(b)一个校正光学装置的两面中的至少之一上形成。
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