CN102880014A

CN102880014A - 一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明装置及照明方法

Info

Publication number: CN102880014A
Application number: CN2012103845301A
Authority: CN
Inventors: 陈红丽; 邢廷文; 林妩媚; 廖志杰
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明提供一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明装置及照明方法，采用能动变形镜产生各种照明光瞳形状。能动变形镜的每个能动单元通过电压进行控制，可以利用优化算法、优化设计等来产生任意的照明光瞳形状，无需针对不同的掩模来设置机械转盘或离线设计衍射光学元件，操作灵活，只需通过计算机进行在线控制，具有较高的响应速度，提高了产率。由于本发明提供的方法可以产生任意的照明光瞳形状，能更好的满足一些特殊掩模图形的需要。

Description

一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明装置及照明方法

技术领域

本发明涉及光刻设备的照明系统的技术领域，特别是涉及一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明装置及照明方法。

背景技术

极大规模集成电路制造装备及工艺是整体提升信息制造业和装备创新能力和竞争力的核心，而光刻机是极大规模集成电路制造装备中最重要的设备，是集成电路制造的先导和基础，而由照明分系统和投影光刻物镜构成的光刻机曝光系统则是光刻机的“心脏”，是光刻机整机成败的关键。

随着半导体器件制造技术的进步，缩减尺寸变得越来越困难，为了进一步减少线宽，现在的光刻工艺要求使用离轴照明技术，如环形照明，二极照明，四极照明等。随着技术的进一步发展，曝光图案更加多样化，这些模式的照明已经不能满足需求。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以产生任意光瞳形状的功能。

照明模式有多种实现方式：利用几何光学的方法实现，如利用各种形状的光阑或光阑的运动实现（专利公开号：CN1407408A），这种方式的缺点是照明模式不能连续可变，需根据不同的掩模图案设计不同的挡板，并且遮拦会损失一部分光能，降低光学系统的效率；利用衍射方法实现，如采用特殊形状的衍射光学组件（专利公开号：CN1474235A），这种方法在改变照明光瞳形状时可以不损失光能，但是需要根据不同的掩模图案设计不同的衍射元件，耗时长，成本高；采用液晶空间调制器（专利公开号：CN101364048A）对波前相位进行调制，这种方法有一定的局限性，如一般的液晶空间调制器都是只能作用于偏振光，降低了光信号的利用率，另外液晶空间调制器对外界环境（如应力、温度、光、磁等）比较敏感，它的这些特点使得它在照明系统中的应用受到限制。

基于采用能动光学技术的能动变形镜是一种较理想的波面位相调制器件，具有传输效率高，耐强激光损伤，可以较长时间保持面形等优点被广泛应用在激光光束整形，像差校正等领域。使用能动变形镜有望用一个器件对光瞳形状进行调制，从而可以替代多个器件来实现多种照明模式。并且采用能动变形镜还可以根据实际曝光工艺参数的需要，进行在线的优化调整，实现光瞳形状根据优化结果进行灵活变换。实现了掩模和照明协同优化，为光学系统设计提供额外的自由度，耗时短，可以提高产率。

发明内容

为了满足复杂掩模图案的需求，且提高光刻机产率，本发明提出一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明装置。

基于上述的需求，本发明提供一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明装置，该装置按光束传播的方向依次包括：激光器，扩束器，能动变形单元，变焦透镜组，旋转三棱镜组，匀光器，聚光镜和掩模，所述的能动变形单元包括基于能动光学技术的能动变形镜和控制计算机，通过控制计算机控制该能动变形镜产生各种特定的变形，所述激光器发出照射光束，经过所述的能动变形镜，变焦透镜组，旋转三棱镜组来调整光瞳形貌，然后再经匀光器，聚光镜进行匀光，照射到掩模上。

所述的基于能动光学技术的能动变形镜是基于微光刻和半导体批处理技术构造的MEMS变形镜，或是基于制动单元作用下薄膜表面局部形变的薄膜变形镜，或是其他类型的能动变形镜。

所述的薄膜变形镜为压电薄膜变形镜，静电驱动变形镜或Bimorph变形镜。

所述的Bimorph变形镜包含表面薄膜反射层，被动变形层，控制电极，PZT层，寻址电极，控制电极和寻址电极根据特定的变形要求被设计成不同的形状及分布方式，控制计算机通过和寻址电极，控制电极的实时通信实现变形镜产生各种特定的变形的要求。

为了产生所需要的光瞳形状，所使用的能动变形镜可以是一个，也可以是多个组合。

另外提供一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1）、根据掩膜图案计算出最优化的照明光瞳形状。

步骤（2）、根据优化算法优化变形单元的相位调制信息；

步骤（3）、将优化后的相位调制信息加载在能动变形镜的控制单元上；

步骤（4）、控制单元将相位调制信息中相位灰度信息转化为对应的电压，并寻址加到对应的能动变形镜的变形单元上；

步骤（5）、能动变形镜产生所需要的光瞳形状；

步骤（6）、从能动变形镜出发的光线经过变焦透镜组，旋转三棱镜组产生掩模图案所需的光瞳分布；步骤（7）、从旋转三棱镜组出发的光线经过匀光器进行匀光最后照射到掩膜上。

所述的优化算法为模拟退火算法或遗传算法或G-S算法。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明提出的基于能动变形镜的光刻照明装置及照明方法采用了能动变形镜产生各种掩模所需的照明光瞳形状。

（2）、本发明能动变形镜具有传输效率高，耐强激光损伤可以较长时间保持面形等优点，根据掩模图案优化照明光瞳形状，然后根据优化算法优化设计变形镜的寻址电极控制电极的分布，使得它产生所需的光瞳形状。

（3）、本发明实现了掩模和照明协同优化，为光学系统设计提供额外的自由度，耗时短，可以提高产率。

附图说明

图1是基于Bimorph变形镜光刻照明装置总体结构的示意图；

图2是两种Bimorph变形镜的结构的示意图；图2（a）为一种Bimorph变形镜的结构及电极形状示意图、图2（b）一种Bimorph变形镜结构及驱动电机排布示意图。图2（a）、图2（b）中右边图是左边元件图中电极形状及排布示意图。

图3是Bimorph变形镜的工作原理的示意图；图3（a）为当外加电场方向

与此种材料的极化方向

相反时，产生纵向延伸且横向收缩的形变；图3（b）为当

与

方向一致时，产生纵向收缩而横向延伸的形变；图3（c）为当两块同样性质的压电材料按极化方向被反向粘合在一起的时候，在同一外电场的作用下，材料整体就会产生上表面向下凹屈的形变；

图4形成所需光瞳流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步阐述本发明。

本发明光刻照明系统包括激光光束的扩束、激光束的传输和稳定、激光光束的整形、照明模式的变换、照明视场的均匀化、以及采用正确的视场大小和所需的数值孔径对掩模版进行照明。

图1是本发明提供的照明系统总体结构示意图，其包括沿光路依次排列的激光器1，扩束器2，能动变形单元3（包括能动变形镜301，控制计算机302），变焦透镜组4，旋转三棱镜组5，匀光器6，聚光镜7，以及掩模8。

所述的基于能动光学技术的能动变形单元3的能动变形镜可以是基于微光刻和半导体批处理技术构造的MEMS变形镜，也可以基于制动单元作用下薄膜表面局部形变的薄膜变形镜如压电薄膜变形镜，静电驱动变形镜，Bimorph变形镜，或其他类型的能动变形镜。

本实施例中能动变形镜以Bimorph变形镜，匀光器以微透镜阵列为例来进行说明。

由激光光源1发出的激光经过扩束器2入射到Bimorph变形镜3上，Bimorph变形镜3在远场形成特定的照明光瞳形状（诸如传统、二极、四极、环形等照明模式），变焦透镜组4具有可变焦距，这样使得Bimorph变形镜衍射的光在远场形成可变大小的光瞳分布，以调节照明相干因子的大小，旋转三棱镜组5用于产生环形照明，旋转三棱镜组5由凹旋转三棱镜和凸旋转三棱镜组成，其中，凸旋转三棱镜可以沿光轴移动，通过变焦透镜组4和旋转三棱镜组5的合适设置，就可以产生特定的照明光瞳形状。照明光瞳面入射到匀光器6上，匀光器6将光瞳面上的光形成许多二次光源，这些二次光源组成了照明系统的光源函数分布，二次光源经过聚光镜7使光均匀照明在掩模面8上。

对光波相位实现调制功能的Bimorph变形镜(双压电晶片变形镜)通常是由金属弹性片粘合在两片陶瓷元件之间构成，包含表面薄膜反射层，大多由金属镀膜而成，用于提高变形镜的表面反射率；被动变形层，它通常由玻璃等介质构成；控制电极；PZT层（压电陶瓷层），一般它的极化方向与电场方向平行，并在电压作用下产生沿该方向的伸缩形变；寻址电极，通过在不同寻址电极上施加电压，获得相应的局部变形。控制电极和寻址电极根据特定的变形要求被设计成不同的形状及分布方式（其结构如图2（a）、图2（b）所示，反射层101，205，被动变形层102，204，压电陶瓷介质103，203，寻址电极104，202，控制电极105，201），通过控制计算机和寻址电极，控制电极的实时通信实现变形镜产生各种特定变形的要求，它们的本质区别只是控制电极和寻址电极的分布方式不同。

压电驱动方式的基本原理是基于压电材料的逆压电效应。对于厚度为t的压电材料，在沿厚度方向、强度为的均匀电场作用下，材料的变形量Δz可表示为

d₃₃为材料沿电场方向的压电常数。

下面说明一下bimorph变形镜的工作原理。当外加电场方向

与此种材料的极化方向

相反时，产生纵向延伸且横向收缩的形变（如图3（a）所示）；当

与

方向一致时，产生纵向收缩而横向延伸的形变（如图3（b）所示），因此当两块同样性质的压电材料按极化方向被反向粘合在一起的时候，在同一外电场的作用下，材料整体就会产生上表面向下凹屈的形变（如图3（c）所示）。

控制计算机和能动变形镜之间可以进行实时通信，流程图见图4。具体步骤为：

步骤（1）根据掩膜图案计算出最优化的照明光瞳形状。

通过能动变形镜来实现特定光瞳形状的过程可以是：根据部分相干成像过程的互相干强度传递理论，计算出特定掩模图案的最优照明光瞳形状。

步骤（2）、根据优化算法优化变形单元的相位调制信息；

例如，根据计算所得的最佳照明光瞳形状对Bimorph变形镜的寻址电极和控制电极的形状和分布方式进行优化设计，最后通过计算机控制来实现变形镜的特定形状变形。

对光刻照明系统光波相位调制的优化一般是由控制计算机完成的，并将优化后的结果通过变形镜的控制单元转换给变形镜。目前，常见的算法很多，如模拟退火算法和遗传算法等，但是这些算法计算耗时，所以比较适合离线的相位设计。为了满足实时性的要求，需要选择能够快速熟练的优化算法。G-S算法（Gerchberg-Saxton算法）及其改进算法在很多领域已经取得成功，具有较好的收敛性。

为了进一步提高收敛速度，可采用将第一次反傅里叶变换后得到的相位值作为初始位相。首先，将欲逼近的远场图像进行强度的归一化表示，开方后求出振幅（实数值|F(x)|），然后进行一次反傅里叶变换求出相应相位值作为相位初始值。将相位初始值送到G-S算法中，开始傅里叶迭代。迭代算法先将相位值进行逐级次量化而转化为灰度数字图像g(x),对该数字图像进行傅里叶变换得到G(X)，对G(X)的模进行判断，如果它与期望值的强度图像幅度F(x)满足逼近条件，则程序退出并输出相位灰度图，否则令G(X)的模等于F(x)的模而保持G(X)的相位不变，从而得到新的G(X)，下一步对其进行反傅里叶变换得到新的物空间图像函数g'(x)，接下来将其相位保持不变而将其幅值置1，再及逆行相位阶梯量化进入下一次循环，直到得到满意的相位值解。

步骤（5）、能动变形镜产生所需要的光瞳形状

步骤（6）、从能动变形镜出发的光线经过变焦透镜组，旋转三棱镜组产生掩模图案所需的光瞳分布（如相干因子等的调整）；

步骤（7）、从旋转三棱镜组出发的光线经过匀光器进行匀光最后照射到掩膜上。

在均匀的单色激光光束照射下，收到调制的光波面在远场形成弗朗和费衍射图形。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述内容做的任何变更、修饰均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明装置，其特征在于：该装置按光束传播的方向依次包括：激光器（1），扩束器（2），能动变形单元（3），变焦透镜组（4），旋转三棱镜组（5），匀光器（6），聚光镜（7）和掩模（8），所述的能动变形单元（3）包括基于能动光学技术的能动变形镜（301）和控制计算机（302），通过控制计算机（302）控制该能动变形镜产生各种特定的变形，所述激光器（1）发出照射光束，经过所述的能动变形镜（301），变焦透镜组（4），旋转三棱镜组（5）来调整光瞳形貌，然后再经匀光器（6），聚光镜（7）进行匀光，照射到掩模（8）上。

2.根据权利要求1所述的光刻照明装置，其特征在于：所述的基于能动光学技术的能动变形镜是基于微光刻和半导体批处理技术构造的MEMS变形镜，或是基于制动单元作用下薄膜表面局部形变的薄膜变形镜，或是其他类型的能动变形镜。

3.根据权利要求2所述的光刻照明装置，其特征在于：所述的薄膜变形镜为压电薄膜变形镜，静电驱动变形镜或Bimorph变形镜。

4.根据权利要求3所示的光刻照明装置，其特征在于：所述的Bimorph变形镜包含表面薄膜反射层，被动变形层，控制电极，PZT层，寻址电极，控制电极和寻址电极根据特定的变形要求被设计成不同的形状及分布方式，控制计算机通过和寻址电极，控制电极的实时通信实现变形镜产生各种特定的变形的要求。

5.根据权利要求2所述的光刻照明装置，其特征在于：为了产生所需要的光瞳形状，所使用的能动变形镜可以是一个，也可以是多个组合。

6.一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1）、根据掩膜图案计算出最优化的照明光瞳形状。

步骤（2）、根据优化算法优化变形单元的相位调制信息；

步骤（5）、能动变形镜产生所需要的光瞳形状

步骤（6）、从能动变形镜出发的光线经过变焦透镜组，旋转三棱镜组产生掩模图案所需的光瞳分布；

7.根据权利要求6所述的一种基于能动光学技术的能动变形镜的光刻照明方法，其特征在于，所述的优化算法为模拟退火算法或遗传算法或G-S算法。