CN102436152B

CN102436152B - 一种深紫外光刻照明系统

Info

Publication number: CN102436152B
Application number: CN 201110436392
Authority: CN
Inventors: 李艳秋; 魏立冬
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: CN102436152A

Abstract

本发明提供一种深紫外光刻照明系统，包括深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、聚光镜子系统、圆形光阑以及孔径光阑；上述各部件沿激光光路前进方向的顺序关系为：深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统、圆形光阑、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、孔径光阑、聚光镜子系统，其中孔径光阑位于聚光镜子系统的前焦面上，且上述各部件的中心与激光光束的中心重合。本发明采用球面和柱面结构，结果简单，且可满足光刻照明系统的需要。

Description

一种深紫外光刻照明系统

技术领域

本发明涉及一种深紫外光刻照明系统，属于高分辨光刻技术领域。

背景技术

光刻技术是一种制造半导体器件技术，利用光学的方法将掩膜上的电路图形转移到硅片上。光刻技术采用深紫外光源，如紫外(UV)、深紫外(DUV)等。多种半导体器件可以采用光刻技术制造，如二极管、晶体管和超大规模集成电路。一个典型的光刻曝光系统包括照明系统、掩膜、投影物镜和硅片。其中照明系统能够实现对掩膜的均匀照明。现在，随着半导体产品特征尺寸的不断降低，各种分辨率增强技术，如离轴照明技术、偏振照明技术，已经被证明为提高光刻分辨力的有效手段。

目前，荷兰ASML、日本Nikon、Canon、德国Zeiss等公司都已经开发了各种大视场光刻照明系统。但是由于其技术复杂，价格昂贵，为光刻技术研究带来困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种深紫外光刻照明系统，该照明系统结构简单，且出射光的空间相干性小。

实现本发明的技术方案如下：

一种深紫外光刻照明系统，包括深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、聚光镜子系统、圆形光阑以及孔径光阑；上述各部件沿激光光路前进方向的顺序关系为：深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统、圆形光阑、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、孔径光阑、聚光镜子系统，其中孔径光阑位于聚光镜子系统的前焦面上，且上述各部件的中心与激光光束的中心重合；

深紫外激光光源用于产生矩形的深紫外激光；

柱面扩束镜子系统用于将入射的矩形深紫外激光扩束成正方形；

圆形光阑用于将入射的正方形光束截成圆形光束；

球面扩束镜子系统用于对入射的圆形光束进行扩束，使其出射光束的直径为入射光束直径的n倍，其中n为大于1的正数；

复眼匀光子系统用于对入射的圆形光束进行分割，使得在其后焦面上形成多个二次光源；

孔径光阑用于对多个二次光源入射的光束进行分割，使得分割后的光源形状与孔径光阑上的图形相互匹配；

聚光镜子系统用于将入射的光束会聚成平行光束并出射。

进一步地，本发明包括偏振调制元件，所述偏振调制元件位于复眼匀光子系统和第二平面反射镜之间，用于对入射光束的偏振态进行调制。

更进一步地，本发明所述球面扩束镜子系统进一步包括一毛玻璃；所述毛玻璃位于第一平凸球面透镜和第二平凸球面透镜之间，且毛玻璃的毛面与第一平凸球面透镜的后焦面重合。

较佳地，本发明所述复眼匀光子系统包括第一复眼阵列和第二复眼阵列；第一复眼阵列中前表面的微透镜和后表面的微透镜的半径相同，其曲率半径的取值范围为70mm-80mm，第二复眼阵列的前表面和后表面微透镜的半径相同，其曲率半径的取值范围为40mm-50mm，其中第一复眼阵列上微透镜的焦距大于第二复眼阵列上微透镜的焦距；且第一复眼阵列在第二复眼阵列的前焦面上。

有益效果

第一、本发明采用球面和柱面结构，结果简单，且可满足光刻照明系统的需要。

第二、本发明在球面扩束系统后可以加入偏振器件，实现各种偏振照明方式。

第三、本发明采用旋转的毛玻璃，能够有效的减小光束的空间相干性，在照明面得到更好的照明效果。

第四、本发明复眼匀光子系统上的第一复眼阵列和第二复眼阵列采用不同的焦距，这样避免了由于聚焦光斑长时间照射在光学基底上可能引起的对基底材料的损坏。

第五、本发明照明区域大于物镜物方掩膜大小，照明区域为4*4mm，不照明均匀性优于2％(RMS)，系统满足了光刻照明科勒照明的要求，实现了照明系统像方远心照明，满足了和物镜光瞳的匹配。

附图说明

图1A为本发明照明系统的Y方向结构示意图。

图1B为本发明照明系统X方向结构示意图。

图2A为柱面扩束镜子系统的Y方向结构图。

图2B为柱面扩束镜系子统的X方向结构图。

图3A为包括毛玻璃的球面扩束镜子系统的结构示意图。

图3B为不包含毛玻璃的球面扩束镜子系统结构示意图。

图4为矩形光斑被圆形光阑300a截成圆形。

图5为复眼匀光子系统结构示意图。

图6为聚光镜子系统的结构图。

图7为照明系统孔径光阑500的各种结构形式。

图8一种小视场光刻照明系统的实际光路图。

图9照明系统掩膜面光强分布。

具体实施方式

以下结合附图对本发明光刻照明系统作进一步的详细介绍。

坐标系的预定义：以激光光束前进的方向为Z轴，并依据左手坐标系原则建立坐标系(X，Y，Z)。

如图1A和1B所示，本发明深紫外光刻照明系统，包括深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、聚光镜子系统以及圆形光阑以及孔径光阑；上述各部件沿激光光路前进方向的顺序关系为：深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统，圆形光阑、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、孔径光阑以及聚光镜子系统，其中孔径光阑位于聚光镜子系统的前焦面上，且上述各部件的中心与激光光束的中心重合。

深紫外激光光源用于产生矩形的深紫外激光。本实施例中较佳的选取中心波长为193nm的深紫外ArF激光光源，该激光光源出射的光束在距激光光源出光口138mm处为一矩形光斑，光斑大小为L_X×L_Y＝5.4mm×1.6mm，光束发散角为W_X×W_Y＝2.14mrad×1.4mrad。

柱面扩束镜子系统用于将入射的矩形深紫外激光扩束成正方形。本实施例中柱面扩束镜子系统包括平凹柱面透镜200a和平凸柱面透镜200b，如图2A-2B所示，沿激光光路前进方向的顺序关系为：平凹柱面透镜200a和平凸柱面透镜200b；所述平凹柱面透镜200a的前表面为凹面，后表面为平面，该前表面曲率半径的取值范围为25mm-30mm；所述平凸柱面透镜200b的前表面为凸面，后表面为平面，该前表面曲率半径的取值范围为80mm-90mm。平凹柱面透镜200a的前焦点和平凸柱面透镜200b的前焦点重合。由平凹柱面透镜200a和平凸柱面透镜200b组成的柱面扩束镜子系统在X方向上相当于平板玻璃，对光束不起作用，在Y方向上相当于一个倒置的伽利略扩束系统，可对光束进行扩束。

表1给出本实施例柱面扩束镜子系统具体参数，此时该柱面扩束镜子系统位于距激光光源出光口138mm处；依照表1的具体参数，该柱面扩束镜子系统在Y方向上的扩束比K₁＝5.4/1.6＝3.375，柱面扩束镜子系统将入射的矩形光束扩束成正方形光束出射，出射的正方形光束的光斑大小为L_X×L_Y＝5.4mm×5.4mm。在表1中，镜片曲率半径设计的原则为：当镜片的曲率中心位于顶点的左边时，设定曲率半径为负，当镜片的曲率中心位于顶点的右边时，设定曲率半径为正。

表1为柱面扩束镜子系统的具体参数

圆形光阑300a用于将入射的正方形光束截成圆形光束。本实施例中选取圆形光阑300a的直径为5.4mm，则从圆形光阑300a出射光的光束为圆形光束，且该圆形光束的直径为5.4mm，如图4所示。

如图3A-3B所示，球面扩束镜子系统用于对入射的圆形光束进行扩束，使其出射光束的直径为入射光束直径的n倍，其中n为大于1的正数。本实施例中球面扩束镜子系统包括第一平凸球面透镜300b和第二平凸球面透镜300d，沿激光光路前进方向的顺序关系为：第一平凸球面透镜300b和第二平凸球面透镜300d，且第一平凸球面透镜300b的后焦面和第二平凸球面透镜300d的前焦面重合；所述第一平凸球面镜300b的前表面为凸面，后表面为平面，该前表面曲率半径的取值范围为30mm-40mm；所述第二平凸球面透镜300d的前表面为平面，后表面为凸面，该后表面曲率半径的取值范围为100mm-110mm。由平凸球面透镜组成的球面扩束镜子系统相当于一个倒置的开普勒扩束系统，用于将入射的圆形光束扩束到需要的大小。

表2给出本实施中球面扩束镜子系统的具体参数，依照表2的具体参数，此时该球面扩束镜子系统的扩束比K₂＝17/5.4＝3.148，其将入射光扩束成直径等于17mm的圆形光束出射。表2中其曲率半径的给定原理与表1相同。

表2为球面扩束镜子系统的参数

为了减小球面扩束镜子系统出射光束的相干性，本实施中的球面扩束镜子系统进一步包括一毛玻璃300c，所述毛玻璃300c位于第一平凸球面透镜300b和第二平凸球面透镜300d之间，且毛玻璃300c的毛面与第一平凸球面透镜300b的后焦面重合。毛玻璃300c处于旋转状态，随着毛玻璃300c的旋转，照明面的干涉条纹或散斑随着时间变化，通过时间平均，从毛玻璃发出的光线的空间相干性被减弱。

本发明当在球面扩束镜子系统中放置入毛玻璃300c时，由于毛玻璃300c引入的附加光程，毛玻璃300c的毛面就不位于第二平凸球面透镜300d的前焦面上，此时球面扩束镜子系统300c出射的光束不再是平行光束。因此需要设置机械装置，可以沿Z方向前后移动圆形光阑300a和第一平凸球面透镜300b，以保证毛玻璃300c在放置入球面扩束镜子系统300以及移出后，第一平凸球面透镜300b的后焦面和第二平凸球面透镜300d的前焦面重合。

表3给出包含毛玻璃的球面扩束镜子系统的具体参数，依照表3的具体参数，此时该球面扩束镜子系统的扩束比K₃＝17/5.4＝3.148，其将入射光扩束成直径等于17mm的圆形光束出射。表3中其曲率半径的给定原理与表1相同。

表3为包含毛玻璃的球面扩束镜子系统的参数

复眼匀光子系统用于对入射的圆形光束进行分割，使得在其后焦面上形成多个二次光源。如图5所示，本实施例中复眼匀光子系统包括第一复眼阵列400a和第二复眼阵列400b；第一复眼阵列400a前表面的微透镜和后表面的微透镜的半径相同，其曲率半径的取值范围为70mm-80mm，第二复眼阵列400b的前表面和后表面微透镜的半径相同，其曲率半径的取值范围为40mm-50mm，其中第一复眼阵列400a上微透镜的焦距大于第二复眼阵列400b上微透镜的焦距；且第一复眼阵列400a在第二复眼阵列400b的前焦面上。本实施例中微透镜可以是球面镜、柱面镜、非球面镜等。本发明较佳的采用微柱面镜，即第一复眼阵列400a的前表面和后表面刻蚀正交的微柱面镜，第二复眼阵列400b的前表面和后表面刻蚀正交的微柱面镜。这种结构相对于采用传统的微球面镜的微透镜阵列，加工难度和成本大大降低。装配时要求第一列复眼阵列400a和第二列复眼阵列400b一一对应。复眼匀光子系统400对入射光束进行分割，在其后焦面上形成很多个二次光源。这些二次光源通过聚光镜子系统600叠加在照明面上，实现对照明面的均匀照明。通常而言，光束被复眼匀光子系统400分割的数量越多，则叠加的数目越多，因此能够得到更均匀的照明。

表4给出复眼匀光子系统的具体参数，其中镜片曲率半径的设计原理与表1相同。

表4复眼匀光子系统的参数

孔径光阑500用于对多个二次光源入射的光束进行分割，使得分割后的光源形状与孔径光阑上的图形相互匹配。

由于离轴照明是一种分辨率增强方式，能够有效的提高光刻曝光质量。在本发明中孔径光阑500位于聚光镜系统600的前焦面上或其附近，且位于聚光镜子系统的前焦面上，这样形成在孔径光阑500的二次光源就被聚光镜系统600成像在像方无穷远处，将照明光瞳成像在物镜入瞳上，实现了科勒、像方远心照明和光瞳匹配。孔径光阑500可以采用不同的形式实现各种不同的照明方式，如图7所示。其中500a为圆形孔径光阑，即实现传统照明；500b为环形孔径光阑，即实现环形照明；500c为四级孔径光阑，即实现四级照明；500d为二级孔径光阑，即实现二级照明。在实际照明过程中，通过更换不同的孔径光阑，既可以实现不同的照明方式。

聚光镜子系统用于将入射的光束会聚成平行光束并出射。如图6所示，本实施例中聚光镜子系统600由三片透镜组成，包括第一凹凸球面透镜，第二凹凸球面透镜及第三凹凸球面透镜。由于第一复眼阵列400a位于第二复眼阵列400b的前焦面上，而照明面700位于聚光镜子系统600的后焦面上。这样每一个第二复眼阵列的微柱面镜和聚光镜600一同构成了一个望远系统，将和第二复眼阵列的微柱面镜相对应的第一复眼阵列的微柱面镜成像在聚光镜子系统600的后焦面(即照明面700)上，实现了视场的匹配。因此根据事先给定的照明面700的直径D、第一复眼阵列400a的微柱面镜的口径pitch以及第二复眼阵列子孔径的焦距f_LA2，可确定聚光镜子系统600的焦距f_c：

f_c＝Df_LA2/pitch

当D＝4mm，pitch＝0.8mm，f_LA2＝85.44mm，则聚光镜子系统600的焦距f_c为427.2mm。表4给出焦距为427.2mm、数值孔径NA为0.01875的聚光镜子系统的具体参数，其中表5中曲率半径的给定原理与表1相同

表5聚光镜子系统的参数

图8为本发明设计实现的一种小视场光刻照明系统的实际光路图。进一步包括三片平面反射镜；第一平面反射镜101位于柱面扩束镜子系统和第一孔径光阑之间，且与入射的激光光束成45°夹角；第二平面反射镜102位于球面扩束镜子系统和复眼匀光子系统之间，且与入射的激光光束成45°夹角；第三平面反射镜103位于聚光镜子系统的出射光路上，且与入射的激光光束成45°夹角。在光路中加入了三片平面反射镜101、102、103，用来折转光路减小系统的空间尺寸。

本发明由于第二平面反射镜102和复眼匀光子系统400之间为平行光路，可以在二者之间加入偏振调制元件如波片、偏振片、旋光晶体等对入射光束的偏振态进行调制实现各种偏振照明方式，如X偏振光，Y偏振光，TE、TM偏振光等。

图9为照明系统掩膜面光强分布，从图可以看到在整个4mm*4mm照明区域内都得到了很好的照明均匀性。对193nm深紫外ArF激光光源的光刻照明系统。该照明系统配合小视场高NA(NA＝0.75)的深紫外物镜，实现了对物镜物方掩膜的均匀照明，并实现了照明光瞳和物镜光瞳的匹配，其可很好的利用到深紫外光刻领域中。

Claims

1.一种深紫外光刻照明系统，其特征在于，包括深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、聚光镜子系统、圆形光阑以及孔径光阑；上述各部件沿激光光路前进方向的顺序关系为：深紫外激光光源、柱面扩束镜子系统、圆形光阑、球面扩束镜子系统、复眼匀光子系统、孔径光阑、聚光镜子系统，其中孔径光阑位于聚光镜子系统的前焦面上，且上述各部件的中心与激光光束的中心重合；

深紫外激光光源用于产生矩形的深紫外激光；

圆形光阑用于将入射的正方形光束截成圆形光束；

聚光镜子系统用于将入射的光束会聚成平行光束并出射；

所述柱面扩束镜子系统包括平凹柱面透镜和平凸柱面透镜，沿激光光路前进方向的顺序关系为：先平凹柱面透镜、后平凸柱面透镜，且平凹柱面透镜200a的前焦点和平凸柱面透镜200b的前焦点重合；所述平凹柱面透镜的前表面为凹面，后表面为平面，该前表面曲率半径的取值范围为25mm-30mm；所述平凸柱面透镜的前表面为凸面，后表面为平面，该前表面曲率半径的取值范围为80mm-90mm；

所述球面扩束镜子系统包括第一平凸球面透镜和第二平凸球面透镜，沿激光光路前进方向的顺序关系为：先第一平凸球面透镜、后第二平凸球面透镜，且第一平凸球面透镜的后焦面和第二平凸球面透镜的前焦面重合；所述第一平凸球面镜的前表面为凸面，后表面为平面，该前表面曲率半径的取值范围为30mm-40mm；所述第二平凸球面透镜的前表面为平面，后表面为凸面，该后表面曲率半径的取值范围为100mm-110mm；

所述复眼匀光子系统包括第一复眼阵列和第二复眼阵列；第一复眼阵列中前表面的微透镜和后表面的微透镜的半径相同，其曲率半径的取值范围为70mm-80mm，第二复眼阵列的前表面和后表面微透镜的半径相同，其曲率半径的取值范围为40mm-50mm，其中第一复眼阵列上微透镜的焦距大于第二复眼阵列上微透镜的焦距；且第一复眼阵列在第二复眼阵列的前焦面上。

2.根据权利要求1所述深紫外光刻照明系统，其特征在于，进一步包括三片平面反射镜；第一平面反射镜位于柱面扩束镜子系统和孔径光阑之间，且与入射的激光光束成45°夹角；第二平面反射镜位于球面扩束镜子系统和复眼匀光子系统之间，且与入射的激光光束成45°夹角；第三平面反射镜位于聚光镜子系统的出射光路上，且与入射的激光光束成45°夹角。

3.根据权利要求2所述深紫外光刻照明系统，其特征在于，进一步包括偏振调制元件，所述偏振调制元件位于复眼匀光子系统和第二平面反射镜之间，用于对入射光束的偏振态进行调制。

4.根据权利要求1所述深紫外光刻照明系统，其特征在于，所述孔径光阑采用环形孔径光阑、圆形孔径光阑、二级孔径光阑及四级孔径光阑中的任意一个。

5.根据权利要求1所述深紫外光刻照明系统，其特征在于，所述球面扩束镜子系统进一步包括一毛玻璃；所述毛玻璃位于第一平凸球面透镜和第二平凸球面透镜之间，且毛玻璃的毛面与第一平凸球面透镜的后焦面重合。

6.根据权利要求1所述深紫外光刻照明系统，其特征在于，所述第一复眼阵列和第二复眼阵列的微透镜为微柱面镜。