CN102929107B - 光刻照明用光瞳整形装置 - Google Patents
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Abstract
一种光刻照明用光瞳整形装置，其特点在于包括转盘机构、连续变焦透镜组和控制器，所述的转盘机构沿圆周均匀地设有多个衍射光学元件，沿光刻机照明系统中产生的方形的入射光束方向依次是所述的转盘机构的衍射光学元件和连续变焦透镜组，所述的衍射光学元件位于所述的连续变焦透镜组的前焦面并垂直于装置的光轴，所述的控制器通过编码器精确控制所述的转盘机构的旋转和所述的衍射光学元件的移动，调节所述的连续变焦透镜组的焦距，在所述的连续变焦透镜组的像方焦面即光瞳面上形成所需的照明光瞳分布。本发明具有光学系统简单、光学透过率高、能克服现有光瞳整形装置因锥形镜组引入的光瞳劣化问题。
Description
技术领域
本发明涉及光刻机照明设备，特别是一种用于紫外光刻机离轴照明系统中调节光瞳面光强空间分布尺寸的光瞳整形装置。
背景技术
在先进光刻机的照明系统中，通过选择和光刻掩模图形的结构和尺寸对应的光瞳面照明光强空间分布尺寸，特别是通过改变光瞳面上环形照明的环带的内径大小和环带宽度，来提高光刻系统的分辨率，改善光刻对比度，从而实现超精细光刻图形的精确加工。光瞳面照明光强空间分布的产生与调节是光瞳整形装置的功能。
目前光瞳整形装置主要由衍射光学元件、连续变焦透镜组和锥形镜组构成；衍射光学元件用于产生光刻照明所需的光瞳面光强分布花样，光刻照明系统中衍射光学元件产生的各种照明花样（如传统、环形、二极和四极等照明模式），光刻机中衍射光学元件设计可参见Jerry Leonard,James Carriere,Jared Stack,Rich Jones,MarcHimel,John Childers,Kevin Welch，Proc.SPIE.6924,Optical Microlithography XXI69242O，March 14,2008；所述的锥形镜组一般由凹、凸两个锥形镜构成，通过改变两个锥形镜之间的距离实现光瞳面上环带内径的调节；连续变焦透镜组用于调节光瞳面上环带宽度的调节。采用该方法的主要缺点有：锥形镜组的引入将使光学系统产生难于校正的轴外像差，使光瞳面光强分布劣化，改变了光瞳面切向极张角的大小，并且径向光强分布也会受到影响；锥形镜组的引入降低了整个光学系统的透过率，无法有效利用激光光源的能量；工作在深紫外波段的锥形镜的加工难度大，导致光刻机的制造成本高。
在现有技术中，“一种产生连续可变光瞳的照明装置”（参见专利CN101408285A）中，公开了一种光刻照明用的光瞳整形装置，通过在上述传统光瞳整形装置中，加入具有X和Y方向不同光焦度的光学系统，从而使光束X和Y方向具有不同尺寸的整形装置。该光瞳整形装置能够增加几种照明模式的调节自由度，但没有改变传统整形装置的整体布局，因此无法克服上述缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种用于紫外光刻机离轴照明系统中调节光瞳面光强空间分布尺寸的光瞳整形装置，该光瞳整形装置的特点是光学系统简单，光学透过率高，能克服锥形镜组引入的光瞳劣化问题，并能有效降低光刻机的生产成本。适用于任何紫外光波段光刻照明系统的光瞳整形。
本发明的技术解决方案如下：
一种光刻照明用光瞳整形装置，其特点在于包括转盘机构、连续变焦透镜组和控制器，所述的转盘机构沿圆周均匀地设有多个衍射光学元件，沿光刻机照明系统中产生的方形的入射光束方向依次是所述的转盘机构的衍射光学元件和连续变焦透镜组，所述的衍射光学元件位于所述的连续变焦透镜组的前焦面并垂直于装置的光轴，所述的控制器通过编码器精确控制所述的转盘机构的旋转和所述的衍射光学元件的移动，通过所述的转盘机构的旋转选择所需要的衍射光学元件以实现所需的照明方式，通过所述的衍射光学元件的移动，实现光瞳面上的照明环带内径的调整；光刻机照明系统中产生的方形的入射光束照射在所选定的衍射光学元件上，调节所述的连续变焦透镜组，改变透镜焦距实现照明光瞳面上环带宽度的调节，在所述的连续变焦透镜组的像方焦面即光瞳面上形成所需的照明光瞳分布。
所述的转盘机构沿圆周均匀地设有五个衍射光学元件，分别依次为环形照明衍射光学元件、X方向二极照明衍射光学元件、Y方向二极照明衍射光学元件、四极照明衍射光学元件和传统照明衍射光学元件，相应的在所述的光瞳面上形成环形照明、X方向二极照明、Y方向二极照明、四极照明和传统照明。
所述的环形照明衍射光学元件由一系列一维分区式的子区域构成，该子区域的排列方向和所述的环形照明衍射光学元件的移动方向相同，每个子区域分别对应于产生不同直径而环带宽度相同的照明环带，所述的环形照明衍射光学元件的子区域和所述的光瞳面上的环带相对应，即D子区域用于产生D环带，每个子区域和相邻子区域产生的照明环带是正好相接的，工作时，通过照射几个连续的子区域，得到一个总的照明环带，该总的照明环带的宽度等于被照射子区域的个数乘以一个照明环带的宽度。
一种光刻照明用光瞳整形装置由多个衍射光学元件、衍射光学元件转盘机构和连续变焦透镜组构成，并通过圆编码器精确控制转盘机构转动，实现多个衍射光学元件之间的精确位置切换。旋转转盘机构，将所需的衍射光学元件转到光路中，光路中的衍射光学元件位于连续变焦透镜组的前焦面，并在连续变焦透镜组的后焦面形成特定的照明光瞳分布；且每个衍射光学元件垂直于光轴放置，并且通过导轨、丝杆和位移编码器的精确控制，每个衍射光学元件能沿其子区域排列方向精确移动。
所述的衍射光学元件，其主要功能是调节照明光瞳面上的环带内径大小。入射光束的尺寸和位置固定不变，通过沿子区域排列方向移动衍射光学元件来改变照明光瞳面上环带内径的大小；而改变连续变焦透镜组的焦距，则可以调节照明光瞳截面上环宽的大小。即通过移动衍射光学元件和改变连续变焦透镜组的焦距，能够实现照明光瞳面上环带宽度和环带内环大小的调节。改变了传统方式中的连续变焦透镜组和锥形镜的模型。
所述的衍射光学元件采用一维分区式结构，子区域可根据照明花样的要求设计，每个子区域产生一个内外数值孔径不同而内外数值孔径之差固定的发散环形光束，相邻子区域产生的发散环形光束正好相接，衍射光学元件的移动方向和子区域排列方向相同，经过连续变焦透镜组，每个子区域分别对应于在照明光瞳面上产生不同直径而环带宽度相同的照明环带，而且每个子区域和相邻子区域产生的照明环带是正好相接的。工作时，通过照射几个连续的子区域，光瞳面产生几个连续相接的照明环带，当沿子区域方向移动所述的衍射光学元件时，照射的子区域发生了变化，则对应的产生的环带内径也发生了变化。
所述的衍射光学元件在垂直于子区域排列方向的总尺寸和方形入射光束的尺寸Dx相同，平行于子区域排列方向的总尺寸是Dy。衍射光学元件中每个子区域的尺寸l的选取范围是0.5mm到1mm。其总尺寸Dy的计算公式为其中是照明光瞳截面外环的最大直径，是照明光瞳截面内环的最小直径，Δd是照明光瞳截面内环的调节分辨率，也等于一个照明环带的宽度。
所述的衍射光学元件采用一维分区式结构，每个子区域含有M*N个方形位相单元，这些方形位相单元组合成一个位相分布矩阵，产生所需的照明光瞳分布；方形位相单元的尺寸t为不大于其中是照明光瞳截面外环的最大直径，λ是入射激光的波长，f是连续变焦透镜组在波长λ下的焦距。
所述的衍射光学元件的每个子区域，根据所需的照明光瞳分布，每个子区域排的位相分布矩阵通过盖师贝格-撒克斯通（G-S）迭代算法得到。盖师贝格-撒克斯通（G-S）迭代算法的具体步骤可以参见R.W.Gershberg,W.O.Saxton，Optik，35,237-246,1972。依次求出每个子区域的位相分布矩阵后，得到该衍射光学元件整体的位相分布矩阵。
为了在照明光瞳面上得到所需的环宽和内环大小，具体来说，光瞳整形装置的工作过程如下：
假定连续变焦透镜组的初始焦距为f1，所述的衍射光学元件的初始状态能产生内径为dinner、外径为douter、环宽为d1=douter-dinner的环形照明光瞳。现在需要把环形照明光瞳的尺寸调节为内径为dinner-target，外径为douter-target、环宽为d2=douter-targe-dinner-target。调节步骤为：
（1）改变连续变焦透镜组的焦距，使其为f2，
f2=(d2/d1)×f1;
（2）确定所述的衍射光学元件的移动距离lmove，
lmove=l×[dinner-target×(f1/f2)-dinner]/Δd；
通过上述步骤得到所需尺寸的环形照明光瞳。
与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：
(1)本发明的光瞳整形装置采用分区式衍射光学元件，实现传统光瞳整形装置中的锥形镜组调节光瞳面上环带内径的功能，本发明的光瞳整形装置无需锥形镜组，系统的整体透过率得到提高。
(2)本发明无需锥形镜组，降低了光学设计的难度，并且不存在锥形镜组引起的光瞳劣化问题；
(3)本发明省去了锥形镜组的加工费用，降低了系统制造成本。
附图说明
图1是本发明光刻照明用光瞳整形装置的系统结构图。
图2是本发明衍射光学元件的一维分区结构图及每个分区在照明光瞳面上对应产生的环带。
图3是本发明所述的转盘结构2的示意图。
图4是本发明一个实现环形照明光瞳调节的实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明光刻照明用光瞳整形装置的系统结构图，由图1可见，本发明光刻照明用光瞳整形装置，包括转盘机构2，连续变焦透镜组3和控制器5。
其中1是光刻机照明系统中产生的尺寸不变的方形入射光束。
转盘机构2含有多个衍射光学元件201~205，请参见图3，图3是本发明所述的转盘结构2的示意图。所述的转盘机构2沿圆周均匀地设有五个衍射光学元件，分别依次为环形照明衍射光学元件201、X方向二极照明衍射光学元件202、Y方向二极照明衍射光学元件203、四极照明衍射光学元件204和传统照明衍射光学元件205，相应的在所述的光瞳面4上形成环形照明、X方向二极照明、Y方向二极照明、四极照明和传统照明。
每个衍射光学元件的作用是在照明光瞳面上产生光刻时所需的照明花样，每个衍射光学元件是由一系列子区域排列构成，通过沿其子区域排列方向移动，可以改变照明光瞳面上内环直径的大小。请参见图2，以环形照明衍射光学元件201为例，环形照明衍射光学元件201通过控制器5控制丝杆2012驱动环形照明衍射光学元件201沿导轨2011精确移动，同理，其它衍射光学元件也可按此方式沿其子区域排列方向精确移动，当所述的衍射光学元件201~205沿其子区域排列方向的移动时，可以用于实现照明光瞳面上内环大小的调节。
连续变焦透镜组3通过改变焦距，可以实现照明光瞳面上环带宽度的调节。
同时，控制器5还可以通过圆编码器精确控制转盘机构2的转动，实现多个衍射光学元件之间的切换，以此来实现多种照明模式的切换（如传统、环形、二极和四极等照明模式）。工作时，假设将环形照明衍射光学元件201切换到光路当中，方形入射光束1照射环形照明衍射光学元件201，该环形照明衍射光学元件201位于连续变焦透镜组3的前焦面，在连续变焦透镜组3的后焦面即光瞳面4上得到环形照明的照明光瞳分布。当要同时改变照明光瞳面上的环带宽度和内环直径时，方形入射光束的位置和尺寸不变，我们只要沿子区域方向移动环形照明衍射光学元件201，并改变连续变焦透镜组3的焦距来实现。
下面通过图2来说明环形照明衍射光学元件是如何改变照明光瞳面上的内环直径的。所述的环形照明衍射光学元件201采用一维分区式结构，子区域211的排列方向和移动方向相同，当连续变焦透镜组3固定不动时，环形照明衍射光学元件201的每个子区域在照明光瞳面4上，分别对应于产生不同直径而环带宽度相同的照明环带，且相邻子区域产生的环带是相接的。例如环形照明衍射光学元件201的子区域211和光瞳面4上环带411中的对应关系用相同的字母表示，D子区域用于产生D环带。而且每个子区域和相邻子区域产生的照明环带是正好相接的，相邻的子区域D、E、F和G对应产生的环带是衔接在一起的，产生一个宽的环带。工作时，方形光束照射几个连续的子区域，从而得到大的照明环带。如图2中举例所示，方形光束照明区域为C-H，所产生的环带也对应为C-H，内环大小为H所对应的直径。如图2第二幅图所示，沿子区域方向移动环形照明衍射光学元件201，使照射区域变为D-I，则内环大小为I所对应的直径,对应的I内环直径变小，环带宽度不变，实现了照明光瞳面上内环直径大小的调节。
通过沿子区域方向移动衍射光学元件，可以改变照明光瞳面上环带的内环大小，通过改变连续变焦透镜组的焦距，可以改变照明光瞳面上的环带宽度。下面通过具体公式来说明要达到特定的环带宽度和内环直径的步骤：
假定连续变焦透镜组3的初始焦距为f1，所述的环形照明衍射光学元件201的初始状态为产生内径为dinner，外径为douter，环宽为d1＝douter-dinner的环形照明光场。现需要外环直径douter-target和内环直径dinner-targe,环宽d2=douter-targe-dinner-target，由于环宽的变化跟连续变焦透镜组的焦距成正比，所以需要改变连续变焦透镜组的焦距为f2，计算公式f2=(d2/d1)×f1;对于内环直径的调整，需要先将内环直径dinner-targe放缩，再确定衍射光学元件沿子区域排列方向移动的尺寸，需要移动的尺寸为lmove,计算公式为lmove＝l×[dinner-target×(f1/f2)-dinner]/Δd。通过上述方法和计算可以得到光瞳面上所需的外环直径和内环直径。
如图2所示，环形照明衍射光学元件201在垂直于子区域排列方向上的总尺寸和方形入射光束的尺寸Dx相同，平行于子区域排列方向上的总尺寸是Dy。衍射光学元件中每个子区域的尺寸l的选取范围是0.5mm到1mm。其总尺寸Dy的计算公式为其中是照明光瞳截面内环的最大直径，是照明光瞳截面内环的最小直径，Δd是照明光瞳截面内环的调节分辨率，等于一个照明环带的宽度。
如图2所示，环形照明衍射光学元件201采用一维分区式结构，每个子区域含有M*N个方形位相单元212，这些方形位相单元组合成一个位相分布矩阵，产生所需的照明光瞳分布；方形位相单元212的尺寸t为不大于其中是照明光瞳截面外环的最大直径，λ是入射激光的波长，f是连续变焦透镜组对应于λ时的焦距。
图3是转盘结构2的示意图，具有多个可更换的衍射光学元件，并通过更换机构换入所需的衍射光学元件，实现特定的照明模式。例如，衍射光学元件201-205依次产生环形、X方向二极、Y方向二极、四极、传统照明。具体应用中需要根据光刻图形的具体要求，选择合适的照明模式和对应的衍射光学元件。通过精确控制转盘，将所需要的衍射光学元件旋转到激光光束照射的位置。并且每个衍射光学元件可以沿自己子区域排列方向移动来改变照明光瞳面上内环的大小。工作时，通过旋转具有精确定位的转盘，如图3所示，将环形照明衍射光学元件201旋转到激光光束照射的位置。激光光束照射在环形照明衍射光学元件201的几个连续子区域上，且激光光束光轴方向沿Z轴方向，沿着光轴的方向在201的后面放置连续变焦透镜组，则在照明光瞳面产生一定环宽的环形照明。当环形照明衍射光学元件201沿着子区域排列方向移动时，照明光瞳面的内环直径随之变化。
下面通过一个具体实施例，进一步说明本发明光刻照明用光瞳整形装置的工作原理。
首先确定设计要求及参数，设计要求为实现环形照明光瞳分布，参数为入射激光波长λ为248nm，入射光束尺寸为10mmx10mm。当连续变焦透镜组焦距f为500mm时，照明光瞳截面内环的最大直径为20mm，照明光瞳截面内环的最小直径为5mm，照明光瞳截面内环的调节分辨率Δd为0.2mm，照明光瞳截面外环的最大直径为25mm，环带宽度d为5mm。
根据上述设计步骤确定衍射光学元件的主要参数：其通光尺寸Dx等于入射光束尺寸10mm，通过计算公式得到Dy为37.5mm，其中子区域尺寸l取为0.5mm。
衍射光学元件采用一维分区式结构，每个子区域含有M*N个方形位相单元，这些方形位相单元组合成一个位相分布矩阵，产生所需的环形照明光瞳分布；方形位相单元的尺寸t为不大于计算后去方形位相单元尺寸t为2μm。
衍射光学元件采用一维分区式结构，根据所需的照明光瞳分布，每个子区域上的位相分布矩阵可通过盖师贝格-撒克斯通（G-S）迭代算法得到。盖师贝格-撒克斯通（G-S）迭代算法的具体步骤可以参见R.W.Gershberg,W.O.Saxton，Optik,35,237-246,1972。例如设计从上往下数第四个子区域，该子区域产生的环形照明光场的尺寸为内径5.8mm，外径6.0mm，对应连续变焦透镜组焦距f为500mm，按照这些条件可以通过盖师贝格-撒克斯通（G-S）迭代算法得到该子区域的位相分布矩阵。依次求出每个子区域的位相分布矩阵后，得到该衍射光学元件整体的位相分布矩阵，即完成设计。
图4中显示了本实施例的几种工作状态。本发明光刻照明用光瞳整形装置，包括衍射光学元件201和连续变焦透镜组3，在光瞳面即连续变焦透镜组3的像方焦平面4得到所需的光瞳分布。图3中的前三幅图展示了如果在连续变焦透镜组前焦面内，通过沿子区域方向移动衍射光学元件201能够实现照明光瞳面上内环直径大小的调节，同时保证环带宽度不变。当衍射光学元件201在连续变焦透镜组前焦面内移动，并沿子区域方向移动后，衍射光学元件201被照射的子区域有所变化，所以产生的环带内径大小发生改变，但由于照射的子区域个数不变，所以环带宽度不变。这和传统光瞳整形装置中的锥形镜组起到的作用相同。图4中最后一幅图展示通过改变连续变焦透镜组3的焦距，可以调节照明光瞳面上照明环带的宽度。
与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：
(1)本发明的光瞳整形装置采用分区式衍射光学元件，实现传统光瞳整形装置中的锥形镜组调节光瞳面上环带内径的功能，从而无需锥形镜组，系统的整体透过率得到提高。
(2)本发明无需锥形镜组，降低了光学设计的难度，并且不存在锥形镜组引起的光瞳劣化问题；
(3)本发明省去了锥形镜组的加工费用，降低了系统制造成本。
Claims (3)
1.一种光刻照明用光瞳整形装置，其特征在于包括转盘机构（2）、连续变焦透镜组（3）和控制器（5），所述的转盘机构（2）沿圆周均匀地设有多个衍射光学元件，沿光刻机照明系统中产生的方形的入射光束（1）方向依次是所述的转盘机构（2）的衍射光学元件和连续变焦透镜组（3），所述的衍射光学元件位于所述的连续变焦透镜组（3）的前焦面并垂直于装置的光轴，所述的控制器（5）通过编码器精确控制所述的转盘机构（2）的旋转和所述的衍射光学元件的移动，通过所述的转盘机构（2）的旋转选择所需要的衍射光学元件以实现所需的照明方式，通过所述的衍射光学元件的移动，实现光瞳面（4）上的照明环带内径的调整；光刻机照明系统中产生的方形的入射光束（1）照射在所选定的衍射光学元件上，调节所述的连续变焦透镜组（3），改变透镜焦距实现照明光瞳面（4）上环带宽度的调节，在所述的连续变焦透镜组（3）的像方焦面即光瞳面（4）上形成所需的照明光瞳分布。
2.根据权利要求1所述的光刻照明用光瞳整形装置，其特征在于所述的转盘机构（2）沿圆周均匀地设有五个衍射光学元件，分别依次为环形照明衍射光学元件（201）、X方向二极照明衍射光学元件（202）、Y方向二极照明衍射光学元件（203）、四极照明衍射光学元件（204）和传统照明衍射光学元件（205），相应的在所述的光瞳面（4）上形成环形照明、X方向二极照明、Y方向二极照明、四极照明和传统照明。
3.根据权利要求1所述的光刻照明用光瞳整形装置，其特征在于所述的衍射光学元件由一系列一维分区式的子区域构成，该子区域的排列方向和所述的衍射光学元件的移动方向相同，每个子区域分别对应于产生不同直径而环带宽度相同的照明环带，所述的衍射光学元件的子区域和所述的光瞳面上的环带相对应，即D子区域用于产生D环带，每个子区域和相邻子区域产生的照明环带是正好相接的，工作时，通过照射几个连续的子区域，得到一个总的照明环带，该总的照明环带的宽度等于被照射子区域的个数乘以一个照明环带的宽度。
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