CN102495536B - 光刻机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光刻机，所述光刻机从上往下依次包括光源、掩膜板、折射镜单元和物镜，所述折射镜单元用于减小光源通过掩膜板发生衍射后的衍射光的衍射角度，其中所述折射镜单元由至少一个棱镜构成，所述折射镜单元中的棱镜折射率均大于1，且所述折射镜单元中最靠近掩模板的棱镜表面和最靠近物镜的棱镜表面均为平面。本发明在现有的光刻机的掩膜板和物镜之间增加一组折射率大于1的折射镜单元，用于减小光源通过掩膜板发生衍射后的衍射光的衍射角度，在物镜数值孔径不变的情况下，提高光刻机的分辨率，延长光刻平台的使用寿命。

Description

光刻机
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种光刻机。
背景技术
伴随着集成电路的关键尺寸做的越来越小，集成电路产业面临越来越多的挑战，所面临的重要挑战之一是光刻关键尺寸已经接近光刻机的极限分辨率。
半导体产业界一直致力于延长光学光刻平台的寿命，多种分辨率增强技术和光学临近修正技术已经得到了业界的普遍应用。其中双重图形化技术和高折射率浸没式光刻技术已成为目前业界32纳米主流解决方案。
半导体业界也着力于研发新架构和新概念的光刻平台，目前主流的开发方向有极紫外线曝光(EUV)和电子束直写等。但是新的光刻平台要达到规模化商用量产都还面领着诸多问题，例如极紫外线曝光技术面临着高能量的光源供应和低产率等诸多问题等待解决；而电子束直写机台的产率过低和稳定性不足等缺陷也使得其距离工业化量产还有很远的距离。结合以上的举例可以看出，新一代的光刻平台的开发方向目前都有自身难以克服的障碍和缺陷。
光刻机分辨率R＝k1*λ/NA,其中k1为工艺因子，跟工艺、机台、掩膜板相关的一个因子，通常在0.5左右。通过工艺改善和机台改善可以降低K1工艺因子，从而增强光刻机分辨率。λ为光源波长，NA为数值孔径，数值孔径NA由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半(a/2)的正弦值的乘积，其大小由下式决定：NA＝n*sin a/2,孔径角又称“镜口角”，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。对于光刻机的分辨率，光源越小，分辨率越好；数值孔径越大，分辨率越好。目前高端光刻机的光源为波长为193nm的氟化氩激光，更小的波长为157nm激光已经被证明面临诸多问题无法克服已经被业界放弃，所以目前光学光刻平台的光源的激光波长已经无法突破；而对于数值孔径，物镜的物理尺寸越大，则数值孔径越大，而局限于目前的镜头制造技术和数值孔径的定义，数值孔径已经达到极限，借助于新型的浸没式曝光技术，数值孔径已经能够大于1，但是也已经接近于极限无法突破。
现有技术的光刻机如图1所示，包括光源101、掩膜板102和物镜103，所述光源101透过掩膜板102，由于掩膜板102上关键图形的节距很小，发生狭缝衍射，产生0阶光(zero order)，+/-1阶光，+/-2阶光等。光阶的产生是光的衍射和光的干涉等多种现象共同作用的结果，在物理学中有详细的定义，这里不再赘述。简单来讲，0阶光定义光强即能量，与入射光角度一致，而+/-1阶光，+/-2阶光等定义图形信息，其与0阶光之间有一定夹角。根据光学衍射原理，掩膜板102上图形节距越小，发生衍射的光与0阶光的夹角越大；光阶越高，其与0阶光的夹角越大。所以存在一定夹角的衍射光需要足够大的物镜103和数值孔径来收集+/-1阶光，+/-2阶光等信息，才能够将掩膜板102上的图形分辨，至少要获得0阶光和+1阶光或者-1阶光才能将图形分辨。在掩膜板102上图形节距越做越小的情况下，衍射角度越来越大，而局限于物镜103的数值孔径已经到达极限，光学光刻机的分辨率也已经达到了极限。
如何继续延长现有光学光刻平台的寿命，继续突破和延伸现有光学光刻平台极限分辨率是半导体产业界所着力研究的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光刻机，以提高光刻机的分辨率，延长光刻平台的使用寿命。
本发明的技术解决方案是一种光刻机，用于曝光硅片，所述光刻机从上往下依次包括光源、掩膜板、折射镜单元和物镜，所述折射镜单元用于减小光源通过掩膜板发生衍射后的衍射光的衍射角度，其中所述折射镜单元由至少一个棱镜构成，所述折射镜单元中的棱镜折射率均大于1，且所述折射镜单元中最靠近掩模板的棱镜表面和最靠近物镜的棱镜表面均为平面。
作为优选：所述折射镜单元包括第一棱镜和第二棱镜，其中所述第一棱镜的上表面和第二棱镜的下表面均为平面，第一棱镜的下表面形状和第二棱镜的上表面形状互补。
作为优选：所述第一棱镜的截面呈倒三角形，所述第二棱镜的截面呈V字型开口的矩形，所述倒三角形的顶角角度与V字型开口的角度相等。
作为优选：所述第一棱镜的形状为倒锥体，所述第二棱镜的形状为漏斗柱。
作为优选：所述第一棱镜和第二棱镜都呈柱体。
作为优选：所述第一棱镜的材料为CaF2或SiO2。
作为优选：所述第二棱镜的材料为CaF2或SiO2。
作为优选：所述折射镜单元包括一第三棱镜，所述棱镜的截面呈倒梯形。
作为优选：所述第三棱镜的形状为圆台柱。
作为优选：所述第三棱镜的材料为CaF2或SiO2。
与现有技术相比，本发明在现有的光刻机的掩膜板和物镜之间增加一组折射率大于1的折射镜单元，用于减小光源通过掩膜板发生衍射后的衍射光的衍射角度，在物镜数值孔径不变的情况下，提高光刻机的分辨率，延长光刻平台的使用寿命。
附图说明
图1是现有技术光刻机的结构示意图。
图2是光从空气进入玻璃界面发生折射的示意图。
图3是本发明光刻机的第一实施例的结构示意图。
图4是本发明第一实施例中高阶光在第一棱镜中的光线示意图。
图5是本发明第一实施例中传统照明方式下0阶光在第一棱镜和第二棱镜中的光线示意图。
图6a-6b是本发明第一实施例中两组第一棱镜和第二棱镜的结构示意图。
图7是本发明光刻机的第二实施例的结构示意图。
图8是本发明第二实施例中衍射光在折射镜单元中的光线示意图。
图9是本发明第二实施例中折射镜单元的结构示意图。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
一种光刻机，用于曝光硅片206，所述光刻机从上往下依次包括光源201、掩膜板202、折射镜单元和物镜205，所述折射镜单元用于减小光源201通过掩膜板202发生衍射后的衍射光的衍射角度，其中所述折射镜单元由至少一个棱镜构成，所述折射镜单元中的棱镜折射率均大于1，且所述折射镜单元中最靠近掩模板202的棱镜表面和最靠近物镜205的棱镜表面均为平面。
图3示出了本发明光刻机的第一实施例的结构示意图。
请参阅图3所示，在本实施例中，所述光刻机的折射镜单元包括第一棱镜203和第二棱镜204，其中所述第一棱镜203和第二棱镜204的折射率都大于1，所述第一棱镜203的上表面2031和第二棱镜204的下表面2042为平面，第一棱镜203的下表面2032的形状和第二棱镜204的上表面2042的形状互补。所述第一棱镜203的截面呈倒三角形，所述第二棱镜204的截面呈V字型开口的矩形，所述倒三角形的顶角角度与V字型开口的角度相等。所述第一棱镜203的材料为CaF2或SiO2，所述第二棱镜204的材料为CaF2或SiO2。
如图6a所示，所述第一棱镜203的形状为倒锥体，所述第二棱镜204配合经过第一棱镜203的出射光线，所述第二棱镜204的形状为漏斗柱。如图6b所示，所述第一棱镜203呈柱体，所述第二棱镜204配合经过第一棱镜203的出射光线，所述第二棱镜204也呈柱体。
图7示出了本发明光刻机的第二实施例的结构示意图。
请参阅图7所示，所述光刻机的折射镜单元包括一个横截面呈倒梯形的第三棱镜207，所述第三棱镜207的材料为CaF2或SiO2，如图9所示，所述第三棱镜207的形状为圆台柱。
本发明的折射镜单元还可以是上下表面为平面且能够对衍射光线起到收集作用的其它形状的棱镜，如多棱镜或不同棱镜的组合体等。
所述光刻机的工作原理如下：
光源201通过掩膜板202，由于掩膜板202上的图形节距和间隙很小，发生狭缝衍射；
发生衍射后的衍射光产生0阶光、+/-1阶光和+/-2阶光等高阶光，其中高阶光与0阶光之间存在一定夹角，物镜不仅需要收集到0阶光，至少还要收集到+/-1阶光其中之一。
在第一实施例中，衍射光入射到第一棱镜203的上表面，并在第一棱镜203上表面2031入射时和下表面2032出射时发生两次折射；由于第一棱镜203的折射率n大于1，即在第一棱镜203上表面2031发生第一次折射时，光是从空气进入第一棱镜203的，如图2所示，光从空气进入玻璃界面发生折射示意图；当入射光从空气中射入玻璃界面后，根据折射原理，折射率n＝sinα/sinβ，由于玻璃的折射率n大于1，所以折射角β小于入射角α，其中图中虚线为界面法线。而在第一棱镜203的下表面2032发生第二次折射时，光是从第一棱镜203进入空气，则折射角大于入射角。
如图4和图5所示，在传统照明模式下，即光源垂直入射掩膜板，衍射光经过第一棱镜203的上下表面发生两次折射后，第一棱镜203的折射作用减小了透过掩膜板202发生衍射的两侧的高阶衍射光的出射角度，即被折射后的高阶衍射光与0阶光之间的夹角变小；而垂直入射的0阶光的光路上由于有相抵消的第二棱镜204，所述0阶光的出射角度不变，依然是垂直入射到物镜205上。
在环形照明模式下(图中未示)，即光源201斜角度入射进入掩膜板202，穿过掩膜板202发生衍射后，0阶光并不垂直入射到第一棱镜203上表面2031，而是和1阶光存在一定夹角并斜射入第一棱镜203的上表面2031，此时第一棱镜203的上表面2031边缘对0阶光和1阶光同时产生折射，并将0阶光和1阶光之间的夹角变小，折射后的0阶光因入射角度的关系将不会入射到第二棱镜204内，因此，在第一棱镜203的上下表面发生两次折射后，从第一棱镜203下表面2032出射的衍射光的衍射角变小，直接入射到第二棱镜204正下方的物镜205上表面；衍射光之间的夹角变小，可以使物镜205在最大数值孔径不变的情况下捕获更多的光学信息，从而提高光刻机的分辨率。
在第二实施例中，衍射光的传播原理跟第一实施例的相同，如图8所示，在传统照明模式下，即光源垂直入射掩膜板，其中透过掩膜板202发生衍射的两侧的高阶衍射光经过第三棱镜207的上表面和侧面时发生两次折射后，第三棱镜207的折射作用减小了高阶衍射光的出射角度，即被折射后的高阶衍射光与0阶光之间的夹角变小；而垂直入射的0阶光的光路上由于第三棱镜207的上下表面都为平面，所述0阶光的出射角度不变，依然是垂直入射到物镜205上。
在环形照明模式下(图中未示)，即光源201斜角度入射进入掩膜板202，穿过掩膜板202发生衍射后，0阶光并不垂直入射到第三棱镜207上表面2071，而是和1阶光存在一定夹角并斜射入第三棱镜207的上表面2071，此时第三棱镜207的上表面2071边缘对0阶光和1阶光同时产生折射，并将0阶光和1阶光之间的夹角变小，折射后的0阶光因入射角度的关系将不会入射到第三棱镜207的下表面2073，因此，0阶光和1阶光在第三棱镜207的上表面2071和侧表面2072发生两次折射后，衍射光之间的夹角变小，可以使物镜205在最大数值孔径不变的情况下捕获更多的光学信息，从而提高光刻机的分辨率。
在光刻机扫描曝光过程中，折射镜单元的位置保持不变；此过程中固定掩膜板202的掩模台(图中未示)和放置硅片206的工件台(图中未示)保持同步移动和扫描，直到整片硅片206完成曝光；再进行后续的烘烤和显影工艺，将掩膜板202上的图形最终形成在硅片206上。
本发明在现有的光刻机的掩膜板102和物镜103之间增加一组折射率大于1的折射镜单元，用于减小光源201通过掩膜板202发生衍射后的衍射光的衍射角度，在物镜205数值孔径不变的情况下，提高光刻机的分辨率，延长光刻平台的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种光刻机，用于曝光硅片，所述光刻机从上往下依次包括光源、掩膜板、折射镜单元和物镜，所述折射镜单元用于减小光源通过掩膜板发生衍射后的衍射光的衍射角度，其特征在于：所述折射镜单元由至少一个棱镜构成，所述折射镜单元中的棱镜折射率均大于1，且所述折射镜单元中最靠近掩模板的棱镜表面和最靠近物镜的棱镜表面均为平面。
2.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于：所述折射镜单元包括第一棱镜和第二棱镜，其中所述第一棱镜的上表面和第二棱镜的下表面均为平面，第一棱镜的下表面形状和第二棱镜的上表面形状互补。
3.根据权利要求2所述的光刻机，其特征在于：所述第一棱镜的截面呈倒三角形，所述第二棱镜的截面呈V字型开口的矩形，所述倒三角形的顶角角度与V字型开口的角度相等。
4.根据权利要求3所述的光刻机，其特征在于：所述第一棱镜的形状为倒锥体，所述第二棱镜的形状为漏斗柱。
5.根据权利要求3所述的光刻机，其特征在于：所述第一棱镜和第二棱镜都呈柱体。
6.根据权利要求2所述的光刻机，其特征在于：所述第一棱镜的材料为CaF2或SiO2。
7.根据权利要求2所述的光刻机，其特征在于：所述第二棱镜的材料为CaF2或SiO2。
8.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于：所述折射镜单元包括一第三棱镜，所述棱镜的截面呈倒梯形。
9.根据权利要求8所述的光刻机，其特征在于：所述第三棱镜的形状为圆台柱。
10.根据权利要求8所述的光刻机，其特征在于：所述第三棱镜的材料为CaF2或SiO2。
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