CN102103329B - 一种用于光刻设备中的光束稳定装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光刻设备中的光束稳定装置，是光刻设备的照明单元中稳定照明光束的位置和指向角度的装置，所述光束稳定装置包括一个光束稳定探测装置和光束稳定调节装置，光束稳定探测装置和光束稳定调节装置位于光刻设备中光源和光刻设备照明单元之间；光束稳定探测装置的输入端与光源连接，光束稳定探测装置接收光源输出的光束，用于探测实际光束与光刻设备的系统光轴之间的位置和指向偏差；光束稳定调节装置的输入端与光束稳定探测装置的输出端连接，根据光束稳定探测装置的位置信号，通过调节运动将光束调整到位置和指向与光刻设备的系统光轴一致。

Description

一种用于光刻设备中的光束稳定装置

技术领域：

本发明光线刻划技术领域，涉及一种用于稳定进入光刻设备照明单元的光束，消除其与光刻设备的系统光轴在位置上和指向上的偏差。

背景技术

光刻技术是现代加工技术中制造微细结构最好也是最普遍的一种加工技术，特别是其中的光学投影光刻技术，是现代制造极大规模集成电路(IC)、微机电系统(MEMS)、平板显示器(LCD、OLED等)最主要的加工手段。

投影光刻技术的基本原理类似照相机照相原理，光源通过照明单元，形成满足要求的高均匀照明场，照明固定在掩膜台上的掩膜板，掩膜板上有所需的光刻图形，投影物镜将被照明掩膜图形无像差的成像到固定在工件台上的基片(一般的IC制造中采用硅片，本发明描述中采用硅片这一最常用特例代替基片，但按照本领域工程技术人员理解，所描述硅片应该理解为所有适合进行光学投影光刻的基片)上，引起硅片表面的光刻胶感光。通过显影，在光刻胶上得到曝光的光刻胶图形；再通过刻蚀、去胶等后续工艺，将曝光的光刻胶图形转移到硅片上，得到所需的微细结构。

在现有工作条件下适合曝光的波长包括但不限于汞灯的i线(365nm)、g线(436nm)和h线(405nm)，KrF准分子激光的248nm、ArF准分子激光的193nm、F2准分子激光的157nm。光源发出的光束由于本身固有的发光特点，会有一定范围的位置和指向偏差，这一点在目前主流光刻设备中常用的准分子激光器中体现得尤为明显；另外，在目前主流光刻设备的布局中，光源一般不放置在任何主动或者被动减振器件上，外界环境的振动也会影响光源，从而导致光束发生位置和指向的偏差。

这些偏差带入光刻设备照明单元中，会严重影响照明质量，包括带来照明模式的不准确、部分相干因子的不准确、照明场的不均匀等。前述影响会严重影响光刻图形在硅片上的成像质量，降低光刻生产的成品率。

发明内容

为了解决由于外界环境振动和光源本身的不稳定性带来的光束位置和指向偏差，而导致的光刻设备照明光源质量下降问题，本发明的目的是提供一种可以较好调节进入光刻设备照明单元光束的位置和指向偏差的用于光刻设备中的光束稳定装置，满足本发明的装置能够探测进入光刻设备照明单元的光束与光刻设备的系统光轴间的位置和指向偏差，并根据该探测信号进行调节，是进入光刻设备照明单元的光束与光轴重合。

为实现所述目的，本发明提供用于光刻设备中的光束稳定装置解决技术问题的技术术方案是：所述光束稳定装置包括一个光束稳定探测装置和光束稳定调节装置，光束稳定探测装置和光束稳定调节装置位于光刻设备中光源和光刻设备照明单元之间；光束稳定探测装置的输入端与光源连接，光束稳定探测装置接收光源输出的光束，用于探测实际光束与光刻设备的系统光轴之间的位置和指向偏差；光束稳定调节装置的输入端与光束稳定探测装置的输出端连接，根据光束稳定探测装置的位置信号，通过调节运动将光束调整到位置和指向与光刻设备的系统光轴一致。

优选实施例，所述的光束稳定探测装置包括：第一分光镜、第二分光镜、近场探测器和远场探测器，第一分光镜的反射面与第二分光镜的反射面相对放置；近场探测器位于第二分光镜的透射光路上，远场探测器位于第二分光镜的反射光路上；或者近场探测器位于第二分光镜的反射光路上，远场探测器位于第二分光镜的透射光路上。

优选实施例，所述第一分光镜放置于光路中，将光束按设定的能量比例分为两束，一透射光束向前传播，一反射光束按照90度方向偏折；所分的透射光束和反射光束的光轴与光刻设备的系统光轴等效。

优选实施例，所述近场探测器，用于探测光束相对于光轴的位置信号；近场探测器中心位置与经第二分光镜转折后的光束光轴重合，且近场探测器沿光轴方向到最近一个第二分光镜的距离小于远场探测器沿光轴方向到最近一个第二分光镜的距离。

优选实施例，所述近场探测器是一种光电探测器，所述光电探测器是四象限探测器、CCD探测器及COMS探测器中的一种。

优选实施例，所述远场探测器中心位置与经第二分光镜转折后的光束光轴重合，且远场探测器沿光轴方向到最近一个第二分光镜的距离大于近场探测器沿光轴方向到最近一个第二分光镜的距离。

优选实施例，所述远场探测器是一种光电探测器，所述光电探测器是四象限探测器、CCD探测器、及COMS探测器中的一种。

优选实施例，所述光束稳定调节装置包括：第一反射镜调节装置、第二反射镜调节装置和第三反射镜调节装置，光源出射的光束入射到第一反射镜调节装置上，经过第一反射镜调节装置反射的光束入射到第二反射镜调节装置上，经过第二反射镜调节装置反射的光束入射到第三反射镜调节装置上，经过第三反射镜调节装置反射后进入光刻设备照明单元；三个反射镜调节装置相互位置有多种布置方式，必须满足不发生结构运动干涉、不产生结构与光路干涉、出射光束相对于入射光束产生90°偏折。

优选实施例，所述第一反射镜调节装置、第二反射镜调节装置和第三反射镜调节装置中任意一个、两个或者三个根据光束稳定探测装置的位置信号做旋转运动，以使光束与光刻设备的系统光轴垂直，旋转运动的第一反射镜的调节装置、第二反射镜的调节装置和第三反射镜的调节装置是压电陶瓷、柔性铰链、力矩电机、步进电机、伺服电机和万向节中的一种。

优选实施例，所述第一反射镜调节装置、第二反射镜调节装置和第三反射镜调节装置中任意一个、两个或者三个根据光束稳定探测装置的位置信号做直线运动，以使光束与光刻设备的系统光轴重合，直线运动的第一反射镜调节装置、第二反射镜调节装置和第三反射镜调节装置是直线电机和导轨、步进电机和丝杠导轨、伺服电机和丝杠导轨、压电陶瓷和柔性铰链机构、压电陶瓷直线运动机构中的一种。

本发明光刻设备中的光束稳定装置的原理是：采用光束稳定探测装置中的近场和远场探测器探测信号作为闭环控制信号，控制光束稳定调节装置中反射镜调节装置进行转动和平动，使进入光刻设备照明单元的光束与光刻设备的系统光轴重合，保证光刻设备系统具有光刻所需的照明参数。光束稳定调节装置的调节原理是基于反射定律这一基本光学原理。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)能够闭环的实现对光束进行调节，校正其相对于光轴的位置和指向偏差，使进入光刻设备照明单元的光束稳定的与光轴重合。

(2)采用旋转运动与直线运动相结合，大大的简化了控制算法的复杂度，有利于提高装置的可靠性和工作频率。

附图说明

图1为光刻设备组成结构示意图；

图2为本发明组成结构示意图；

图3为本发明的光束稳定探测装置组成结构示意图；

图4为本发明的一种光束稳定调节装置组成结构示意图；

图5为本发明的反射镜调节装置旋转运动示意图；

图6为本发明的反射镜胶结装置直线运动示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

光学光刻设备按照成像方式可分为投影光刻设备和接近接触式光刻设备，本发明所涉及的是投影光刻设备。如图1所示，投影光刻设备由以下几个基本部分组成：光源1、光刻设备照明单元2、掩模台(用于放置掩模，且带动掩模运动)3、投影物镜4和装有硅片且能够对硅片位置进行调节的工件台5。

光刻设备的工作过程为：光源1发出适合进行曝光光刻的特定波长的光源。光源1的光束进入光刻设备照明单元2中进行一系列的光学处理，根据目前的主流光刻设备技术特点，这些光学处理包括形成复杂照明模式、改变部分相干因子、均匀化照明视场、均匀化照明光瞳、形成照明视场等，最终得到与光刻设备固有参数相符的高度均匀的照明视场。照明视场照明到放置在掩模台3上的掩模版上，成为了投影物镜4的“物”。通过投影物镜4的无像差高质量成像和适当倍率的放缩，将此“物”成像到放置在工件台5上的硅片等基片面上，通过硅片面上的光刻胶感光，得到所需的曝光图形。而后通过后续的显影、定影、刻蚀工艺，将曝光图形转移到硅片等基片上，得到所需的微细结构。

所述的照明视场的大小由光刻设备的固有设计参数决定，目前业界通用的照明视场大小包括104mm×42mm，104mm×132mm，本发明所述的照明视场包括但不限于目前的常用照明视场，应该理解为投影光刻设备所可能使用的照明视场均满足本发明要求。

所述的投影物镜4的缩放倍率由光刻设备总体的固有设计参数决定，目前业界较为常用的为-1/4和-1/5，本发明所述的缩放倍率包括但不限于目前的常用倍率，应该理解为投影光刻设备所可能使用的缩放倍率均满足本发明要求。

如图2所示，一种光刻设备中的光束稳定装置6在光刻设备中布置于光路上光源1和光刻设备照明单元2之间，其主要作用是调节进入光刻设备照明单元2的光束与光刻设备的系统光轴之间的位置和指向偏差，起到将光束始终稳定在所述光轴上的作用。光束稳定装置6包括光束稳定探测装置7和光束稳定调节装置8。在布局上，光束稳定调节装置8位于光束稳定探测装置7和光刻设备照明单元2之间。

如图3所示，光束稳定探测装置7由第一分光镜9、近场探测器10和远场探测器11组成。光束稳定探测装置7的主要作用是探测实际光束与光刻设备的系统光轴之间的位置和指向偏差，并为光束稳定调节装置8提供闭环控制信号。

在布局上，第一分光镜9放置在系统主照明光路中，使照明光束在分光镜上成45°入射，且只分小部分能量的光束折90°进入探测光路，大部分能量的光束任然沿光束原有方向传播，进入光刻设备照明单元2；分出来的光束经过第二分光镜9a，第一分光镜9分出的小能量部分光束在第二分光镜9a上入射角为45°，这样一部分能量的光束折90°传播，另一部分能量的光束沿原方向传播。在原方向传播的光路上放置近场探测器10，在折90°传播的光路上放置远场探测器11。两个探测器放置的光路可以在实际使用中交换，但必须满足沿光路方向上，近场探测器10到第二分光镜9a的距离小于远场探测器10到第二分光镜9a的距离。近场探测器10和远场探测器11的坐标原点都必须放置在光刻设备的系统光轴经过两个分光镜转折后的相应等效位置上。

在实施例中，近场探测器10上光斑位置坐标为(X1，Y1)，远场探测器11上光斑位置坐标为(X2，Y2)，远场探测器11到第二分光镜9a的距离与近场探测器10到第二分光镜9a的距离之差为L，近场探测器10到第一分光镜9的距离与光刻设备照明单元2入口处到第一分光镜9的距离之差为D，则可计算出实际光束与光轴的位置误差ΔX、ΔY和指向偏差θx、θy分别为：θ_x＝arctan[(X2-X1)/L]，θ_y＝arctan[(Y2-Y1)/L]，ΔX＝X1+D×tanθ_x，ΔY＝Y1+D×tanθ_y。

如图4所示，光束稳定调节装置8由第一反射镜调节装置12和第二反射镜调节装置13、或者第一反射镜调节装置12、第二反射镜调节装置13和第三反射镜调节装置14组成，第一反射镜调节装置12、第二反射镜调节装置13和第三反射镜调节装置14由光源1和光刻设备照明单元2的实际空间布局所决定，其布局要求为，在第一反射镜调节装置12、第二反射镜调节装置13、第三反射镜调节装置14处于初始(静止、未调节)状态时，沿光刻设备的系统光轴的理想光束可经过反射镜的反射垂直入射到光刻设备照明单元2入口中心。实施例中提供了一种第一反射镜调节装置12、第二反射镜调节装置13、第三反射镜调节装置14布局方式，其中第一反射镜调节装置12的反射面相对于水平方向角度为45°，第二反射镜调节装置13的反射面相对于水平方向角度为150°，第三反射镜调节装置14的反射面相对于水平方向角度为-30°。光束稳定调节装置8的作用是在光束稳定探测装置7的信号闭合控制下，实现对出射光束位置和指向的调节。

如图5所示，第一反射镜调节装置12具有旋转调节功能，根据光的反射定律，当需要调节光束旋转角度为α时，需要旋转反射镜的角度为α/2。通过调节第一反射镜调节装置12的旋转运动，使出射光束与光刻设备的系统光轴平行，假定调节在X平面上，则需使近场探测器10和远场探测器11上的光斑位置坐标满足X1＝X2；Y平面上的调节方式与X平面上的调节方式相同。

如图6所示，第一反射镜调节装置12具有直线运动调节功能，根据光的反射定律，当反射镜调节装置直线运动距离为l时，则出射光束平移量d与l成正比。在通过上一段所述的光束指向调节过程完成后，使光束与光刻设备的系统光轴平行的情况下，通过调节第一反射镜调节装置12(或者第二反射镜调节装置13、第三反射镜调节装置14)的直线运动，使出射光束与光刻设备的系统光轴重合，假定调节在X平面上，则需使近场探测器10和远场探测器11上的光斑位置满足X1＝X2＝0；Y平面上的调节方式与X平面上的调节方式相同。

第一反射镜调节装置12的调节动作受光束稳定探测装置7中的近场探测器10和远场探测器11上光斑位置坐标(X1，Y1)、(X2，Y2)数值和相互关系闭环控制，在调节过程中，首先需要通过旋转实现X1＝X2和Y1＝Y2，然后通过平动实现X1＝0和Y1＝0，整个调节过程为闭环调节过程。

第二反射镜调节装置13、第三反射镜调节装置14的调节工作方式与反射镜调节装置12的工作方式相同，且在光束稳定调节装置8中，第一反射镜调节装置12、第二反射镜调节装置13、第三反射镜调节装置14中一个、两个或者三个根据实际光路的布局进行调节，在总体上至少在X、Y方向上各需要一个旋转运动和一个直线运动，以保证在X、Y两个方向上均能够完成光束位置和指向的调节。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所描述的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光刻设备中的光束稳定装置，其特征在于，所述光束稳定装置包括一个光束稳定探测装置(7)和光束稳定调节装置(8)，光束稳定探测装置(7)和光束稳定调节装置(8)位于光刻设备中光源(1)和光刻设备照明单元(2)之间；光束稳定探测装置(7)的输入端与光源(1)连接，光束稳定探测装置(7)接收光源(1)输出的光束，用于探测实际光束与光刻设备的系统光轴之间的位置和指向偏差；光束稳定调节装置(8)的输入端与光束稳定探测装置(7)的输出端连接，根据光束稳定探测装置(7)的位置信号，通过调节运动将光束调整到位置和指向与光刻设备的系统光轴一致；

近场探测器(10)上光斑位置坐标为(X1，Y1)，远场探测器(11)上光斑位置坐标为(X2，Y2)，远场探测器(11)到第二分光镜(9a)的距离与近场探测器(10)到第二分光镜(9a)的距离之差为L，近场探测器(10)到第一分光镜(9)的距离与光刻设备照明单元(2)入口处到第一分光镜(9)的距离之差为D，则计算出实际光束与光轴的位置误差ΔX、ΔY和指向偏差θx、θy分别为：θ_x＝arctan[(X2-X1)/L]，θ_y＝arctan[(Y2-Y1)/L]，ΔX＝X1+D×tanθ_x，ΔY＝Y1+D×tanθ_y；

所述光束稳定调节装置(8)包括第一反射镜调节装置(12)、第二反射镜调节装置(13)和第三反射镜调节装置(14)，根据光束稳定探测装置(7)的位置信号做旋转运动或做直线运动，以使光束与光刻设备的系统光轴垂直或以使光束与光刻设备的系统光轴重合。

2.根据权利要求1所述的光束稳定装置，其特征在于，所述的光束稳定探测装置(7)包括：第一分光镜(9)、第二分光镜(9a)、近场探测器(10)和远场探测器(11)，第一分光镜(9)的反射面与第二分光镜(9a)的反射面相对放置；近场探测器(10)位于第二分光镜(9a)的透射光路上，远场探测器(11)位于第二分光镜(9a)的反射光路上；或者近场探测器(10)位于第二分光镜(9a)的反射光路上，远场探测器(11)位于第二分光镜(9a)的透射光路上。

3.根据权利要求2所述的光束稳定装置，其特征在于，所述第一分光镜(9)放置于光路中，将光束按设定的能量比例分为两束，一透射光束向前传播，一反射光束按照90度方向偏折；所分的透射光束和反射光束的光轴与光刻设备的系统光轴等效。

4.根据权利要求2所述的光束稳定装置，其特征在于，所述近场探测器(10)，用于探测光束相对于光轴的位置信号；近场探测器(10)中心位置与经第二分光镜(9a)转折后的光束光轴重合，且近场探测器(10)沿光轴方向到最近一个第二分光镜(9a)的距离小于远场探测器(11)沿光轴方向到最近一个第二分光镜(9a)的距离。

5.根据权利要求2所述的光束稳定装置，其特征在于，所述近场探测器(10)是一种光电探测器，所述光电探测器是四象限探测器、CCD探测器及COMS探测器中的一种。

6.根据权利要求2所述的光束稳定装置，其特征在于，所述远场探测器(11)中心位置与经第二分光镜(9a)转折后的光束光轴重合，且远场探测器(11)沿光轴方向到最近一个第二分光镜(9a)的距离大于近场探测器(10)沿光轴方向到最近一个第二分光镜(9a)的距离。

7.根据权利要求2所述的光束稳定装置，其特征在于，所述远场探测器(11)是一种光电探测器，所述光电探测器是四象限探测器、CCD探测器、及COMS探测器中的一种。

8.根据权利要求1所述的光束稳定装置，其特征在于，所述光源(1)出射的光束入射到第一反射镜调节装置(12)上，经过第一反射镜调节装置(12)反射的光束入射到第二反射镜调节装置(13)上，经过第二反射镜调节装置(13)反射的光束入射到第三反射镜调节装置(14)上，经过第三反射镜调节装置(14)反射后进入光刻设备照明单元(2)；三个反射镜调节装置相互位置有多种布置方式，必须满足不发生结构运动干涉、不产生结构与光路干涉、出射光束相对于入射光束产生90°偏折。

9.根据权利要求1所述的光束稳定装置，其特征在于，旋转运动的第一反射镜的调节装置(12)、第二反射镜的调节装置(13)和第三反射镜的调节装置(14)是压电陶瓷、柔性铰链、力矩电机、步进电机、伺服电机和万向节中的一种。

10.根据权利要求1所述的光束稳定装置，其特征在于，所述直线运动的第一反射镜调节装置(12)、第二反射镜调节装置(13)和第三反射镜调节装置(14)是直线电机和导轨、步进电机和丝杠导轨、伺服电机和丝杠导轨、压电陶瓷和柔性铰链机构、压电陶瓷直线运动机构中的一种。

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