CN102937778A - 一种确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法，该方法可以准确、快速的确定光刻照明系统各部分匹配关系；具体过程为：确定转像镜倍率K；确定复眼阵列参数，该参数包括复眼阵列微透镜孔径pLA、复眼阵列中微透镜焦距fLA和复眼阵列外径Darray；根据科勒照明基本原理得到聚光镜的焦距fCS和聚光镜的入瞳直径Dpupil；判断Dpupil是否大于Darray，若是，则重新选定复眼阵列，否则根据当前确定的参数Dpupil，进行光线追迹，调整复眼阵列规格和Dpupil，直至照明均匀性满足设计指标要求为止；令Dpupil为光束整形单元的出射光束的大小，根据光束整形单元的入射光束和出射光束的大小，确定扩束镜、射光学元件、变焦镜和圆锥棱镜之间的匹配关系，从而完成了光刻照明系统中各元件之间的匹配。

Description

一种确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法
技术领域
本发明涉及一种确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法，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板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。
光刻照明系统能够实现对掩膜的均匀照明并产生各种与物镜入瞳相匹配的二次照明光源，其性能好坏在很大程度上将直接影响到曝光线条的质量。光刻照明系统其包括：光源，光束整形单元，匀光单元和转像镜四个组成部分，由于上述组成部分功能各不相同，因此如何确定各部分之间的匹配关系显得尤为重要。
现有技术(Proc.of SPIE 2006,6154,61542I:1~10)针对高数值孔径（Numerical aperture,NA）光刻照明系统的设计需要考虑的问题进行论述，包括：照明系统的光学扩展量（étendue law）,照明系统光束横向和纵向关系，激光束相干性的控制，偏振照明控制，部分相干照明控制和聚光镜、转像镜的设计。但对于光刻照明系统设计中各部分之间的匹配关系如何确定均未给出。
发明内容
本发明的目的是提出一种确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法，该方法可以准确、快速的确定光刻照明系统各部分匹配关系。
实现本发明的技术方案如下：
一种确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法，该方法所针对的光刻照明系统沿光路方向依次包括光源、扩束镜、衍射光学元件、变焦镜、圆锥棱镜、复眼阵列、孔径光阑、聚光镜、视场光阑以及转像镜；具体步骤为：
步骤101、确定转像镜倍率K，根据所述K确定视场光阑的大小，即照明场直径DFT，聚光镜的数值孔径NAILL；
步骤102、确定复眼阵列参数，该参数包括复眼阵列微透镜孔径pLA、复眼阵列中微透镜焦距fLA和复眼阵列外径Darray；
步骤103、根据科勒照明基本原理得到聚光镜的焦距fCS和聚光镜的入瞳直径Dpupil；
步骤104、判断Dpupil是否大于Darray，若是，则重新选定复眼阵列，并返回步骤102，否则进入步骤105；
步骤105、根据当前确定的参数Dpupil，进行光线追迹，判断照明均匀性是否满足要求，若满足，则进入步骤106，否则在保证Dpupil小于Darray的情况下，调整复眼阵列规格和Dpupil，使得光束被更多的复眼阵列分割，再进行光线追迹，直至照明均匀性满足设计指标要求为止；
步骤106、令Dpupil为由扩束镜、衍射光学元件、变焦镜和圆锥棱镜所构成的光束整形单元的出射光束的大小，根据光束整形单元的入射光束和出射光束的大小，确定扩束镜、射光学元件、变焦镜和圆锥棱镜之间的匹配关系，而聚光镜焦距fCS及数值孔径NAILL、复眼阵列参数和转向镜倍率在之前步骤中也已确定，从而完成了光刻照明系统中各元件之间的匹配。
有益效果
本方法通过首先确定复眼阵列的结构，并利用科勒照明基本原理能够快速确定光刻照明系统各部分之间的匹配关系，为光刻照明系统各部分设计和各部分之间的协同提供了依据。
附图说明
图1光刻照明系统结构示意图。
图2科勒照明示意图。
图3本发明具体流程图。
图4掩模面照度分布图。
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1所示为一典型的光刻照明系统，其沿光路方向依次包括光源1、扩束镜2、衍射光学元件3(Diffractive Optical Element)、变焦镜4、圆锥棱镜5、复眼阵列6、孔径光阑7、聚光镜8、视场光阑9和转像镜10，其中附图1中还给出掩模11。
扩束镜2，衍射光学元件3,变焦镜4和圆锥棱镜5构成光束整形单元，其作用是在孔径光阑7内产生各种二次照明光源，并与物镜入瞳匹配。复眼阵列6，孔径光阑7和聚光镜8构成均匀照明单元，其作用是分割光束整形单元产生光源，并在孔径光阑7平面内形成阵列二次光源。利用聚光镜8将二次光源叠加在其后焦面上，在此设置视场光阑9严格限定照明区域。转像镜10的作用是将由视场光阑9限定的照明区域通过光学成像的方式严格成像到掩膜面11上。
为了完成光刻照明系统的设计，首先要确定光刻照明系统各组成部分之间的匹配关系，即光刻照明系统各组成部分输入和输出光束在空间和角度分布。
本发明提出的方法首先确定复眼阵列的结构，将其作为光刻照明系统的设计核心，然后利用科勒照明原理通过反复计算和模拟得到聚光镜焦距和入瞳直径。这样可以准确、快速的确定光刻照明系统各元件之间的匹配关系。
如图3所示，其具体实施步骤是：
步骤101、确定转像镜倍率K。一般来说，转像镜倍率可为1-4倍。
由于掩模面的大小已知，根据转像镜倍率K，可以确定视场光阑9的大小，即照明场DFT直径，聚光镜的数值孔径NAILL。
步骤102、确定复眼阵列规格（参数），包括复眼阵列微透镜孔径pLA；复眼阵列中微透镜焦距fLA；复眼阵列外径Darray。该过程需要考虑目前复眼阵列的制作能力和制造成本。
步骤103、如图2所示，200a为第一复眼阵列，200b为第二复眼阵列，200c为孔径光阑，200d为聚光镜，200e为掩模面。
根据科勒照明基本原理得到聚光镜的焦距fCS如下：
照明场DFT直径由如下公式决定
DFT＝pLA×fCS/fLA2            （1）
其中pLA是第一列复眼阵列微透镜孔径，fLA2是第二列复眼阵列中微透镜焦距，fCS是聚光镜焦距。
根据聚光镜8数值孔径NAILL和聚光镜8焦距fCS，确定聚光镜的入瞳直径Dpupil，如下：
NAILL＝Dpupil/(2×fCS)        （2）
可以得到聚光镜8的入瞳直径Dpupil（即当光刻照明系统部分相干因子σ＝1时光束整形单元出射光束孔径）。由于聚光镜8光阑（即孔径光阑7）即为聚光镜8的入瞳。
步骤104、若Dpupil大于Darray，则表明步骤103得到的Dpupil不合适，需要重新选定合适的复眼阵列微透镜结构，然后回到步骤102。
步骤105、考察光束是否被复眼阵列微透镜分割足够多以保证掩模面得到良好的照明均匀性。该步骤中Dpupil小于Darray，则此时要求Dpupil尽量大，这样入射复眼阵列6的光束可以被更多的复眼阵列微透镜分割，以得到更好的照明效果，定义光束分割比T：
T＝Dpupil/S            (3)
其中S为复眼阵列单个微透镜面积。T应尽量大，当利用光束追迹软件分析得到照明均匀性满足设计要求时，则说明T是合适的。
步骤106、令Dpupil为由扩束镜、衍射光学元件、变焦镜和圆锥棱镜所构成的光束整形单元的出射光束的大小，根据光束整形单元的入射光束（光源出射光束的大小）和出射光束的大小，确定扩束镜、衍射光学元件、变焦镜和圆锥棱镜之间的匹配关系；由前面确定的聚光镜焦距和孔径光阑直径以及确定了转向镜倍率，进而得到了光刻照明系统各部分之间的匹配关系。
本发明的实施实例：
现有一光刻照明系统，其设计要求表1如下：
表1：光刻照明系统要求
照明像方NA 0.1875
照明区域大小 104mm×42mm
本实施例中首先选择转向镜倍率为1×。则聚光镜NA=0.1875，聚光镜后焦面照明区域为108mm×46mm，稍大于掩模照明区域，同时使光刻照明系统部分相干因子σ＝1。
根据现在微透镜阵列加工情况，并根据本专利提出的设计方法最终确定了复眼阵列规格如下表所示：
表2：复眼匀光器规格
根据上述数据和按照本专利提出的设计方法反复修正设计和仿真分析后可以得到聚光镜焦距fCS=368mm，聚光镜的入瞳直径Dpupil=138mm。这样就得到了光束整形单元出射光束的口径，并且复眼匀光器、聚光镜和转向镜的基本参数都已确定。
根据上述结果对照明系统各部件进行详细设计后仿真得到的掩模面照明区域照度如图4所示，梯形顶部区域照明均匀性瞬时优于1.7%，掩模上各点的扫描均匀性优于1%，满足光刻系统要求。上述结果表明，本设计方法能够有效的用于确定光刻照明系统设计中各部分匹配关系设计。
虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做若干变形、替换和改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法，该方法所针对的光刻照明系统沿光路方向依次包括光源（1）、扩束镜（2）、衍射光学元件（3）、变焦镜（4）、圆锥棱镜（5）、复眼阵列（6）、孔径光阑（7）、聚光镜（8）、视场光阑（9）以及转像镜（10）；其特征在于，具体步骤为：
步骤101、确定转像镜倍率K，根据所述K确定照明场直径DFT和聚光镜的数值孔径NAILL；
步骤102、确定复眼阵列的规格，所述规格包括复眼阵列微透镜孔径pLA、复眼阵列中微透镜焦距fLA和复眼阵列外径Darray；
步骤103、根据科勒照明基本原理得到聚光镜的焦距fCS和聚光镜的入瞳直径Dpupil；
步骤104、判断Dpupil是否大于Darray，若是，则重新选择复眼阵列，并返回步骤102，否则进入步骤105；
步骤105、根据当前确定的参数Dpupil，进行光线追迹，判断照明均匀性是否满足要求，若满足，则进入步骤106，否则在保证Dpupil小于Darray的情况下，调整复眼阵列规格和Dpupil，使得光束被更多的复眼阵列分割，再进行光线追迹，直至照明均匀性满足设计指标要求为止；
步骤106、令Dpupil为由扩束镜、衍射光学元件、变焦镜和圆锥棱镜所构成的光束整形单元的出射光束的大小，根据光束整形单元的入射光束和出射光束的大小，确定扩束镜、衍射光学元件、变焦镜和圆锥棱镜之间的匹配关系，从而完成了光刻照明系统中各元件之间的匹配。
2.根据权利要求1所述确定光刻照明系统中各元件之间匹配关系的方法，其特征在于，
所述根据科勒照明基本原理得到聚光镜的焦距fCS和聚光镜的入瞳直径Dpupil为：
采用公式（1）计算出所述聚光镜的焦距fCS，
DFT＝pLA1×fCS/fLA2                （1）
其中pLA1是第一列复眼阵列微透镜孔径，fLA2是第二列复眼阵列中微透镜焦距；
采用公式（2）计算出所述聚光镜的入瞳直径Dpupil，
NAILL＝Dpupil/(2×fCS)            （2）。
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