CN103092006A - 光刻照明系统 - Google Patents

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Abstract

一种光刻照明系统，包括激光光源，沿激光光源的激光前进方向依次是准直扩束单元、光瞳整形单元、第一微透镜阵列、微积分棒阵列、微扫描狭缝阵列、第二微透镜阵列、聚光镜组和掩膜，运动控制单元控制所述的微扫描狭缝阵列的运动，本发明光刻照明系统减小了扫描狭缝的扫描行程和速度，降低了扫描狭缝振动带来的影响，提高了系统透过率，且具有结构简单的特点。

Description

光刻照明系统
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，特别是一种光刻照明系统。
背景技术
随着微电子产业的迅猛发展，极大规模集成电路的加工设备——高端扫描光刻机的研制成为迫切的需求。照明系统可以为光刻机提供高均匀性照明、控制曝光剂量和实现离轴照明，从而提高光刻分辨率和增大焦深，是光刻机的重要组成部分。因此照明系统的性能直接影响着光刻机的性能。
先技术[1](参见Mark Oskotsky，Lev Ryzhikov等.Advanced illumination system foruse in microlithography，US Patent 7187430 B2,2007)和先技术[2]（参见JorgZimmermann,Paul Graupner等.Generation of arbitrary freeform source shapes usingadvanced illumination systems in high-NA immersion scanners,Proc.of SPIE Vol.7640,764005,2010）都对一般光刻照明系统进行了描述。如图1所示，一般的光刻照明系统包括激光光源1、准直扩束单元2、光瞳整形单元3、第一微透镜阵列4、第二微透镜阵列5、聚光镜组6、扫描狭缝7、照明镜组8和掩膜9几个主要部分。其中，第一微透镜阵列4和第二微透镜阵列5构成了光刻照明系统的匀光单元。激光束经过准直扩束单元2、光瞳整形单元3后形成需求的照明模式，然后激光束再由匀光单元均匀化和聚光镜组6聚焦后在聚光镜组6的后焦面上形成均匀的光场，均匀光场经过扫描狭缝7后由照明镜组8成像到掩膜9上，扫描狭缝7在聚光镜组6后焦平面处对均匀光场进行了扫描，则掩膜上的光场也被相应地扫描。扫描狭缝的扫描速度非常快，可达到160mm/s，会产生一定的振动影响掩膜，进而影响光刻系统的性能，故需要引入照明镜组将掩膜和扫描狭缝分隔开。照明镜组的口径一般较大（一般200mm左右）、且镜片数目一般较多（一般10片左右），这样就会减小系统的光束透过率，降低能量利用率，且使得系统结构更加复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，提出一种光刻照明系统，该光刻照明系统减小了扫描狭缝的扫描行程和速度，降低了扫描狭缝振动带来的影响，提高了系统透过率，且具有结构简单的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种光刻照明系统，包括激光光源、准直扩束单元、光瞳整形单元、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、聚光镜组、掩膜、其特点在于还有微扫描狭缝阵列、运动控制单元和微积分棒阵列，上述元部件的位置关系是：激光光源出射的激光束依次经过所述的准直扩束单元、光瞳整形单元、第一微透镜阵列、微积分棒阵列、微扫描狭缝阵列、第二微透镜阵列、聚光镜组后照射到掩膜上；所述的运动控制单元与所述的微扫描狭缝阵列相连，控制所述的微扫描狭缝阵列的移动速度与行程，扫描相应的光场；所述的第一微透镜阵列处于所述的光瞳整形单元的出瞳面；所述的微积分棒阵列的入射端面位于第一微透镜阵列的后焦面；微积分棒阵列的出射端面处于第二微透镜阵列的前焦面；第二微透镜阵列的后焦面与掩膜的位置相对于所述的聚光镜组共轭，所述的第一微透镜阵列由多个完全相同的第一微透镜组成，所述的第二微透镜阵列由多个完全相同的第二微透镜组成，所述的微积分棒阵列由多个完全相同的微积分棒组成，所述的第一微透镜、所述的微积分棒和所述的第二微透镜一一对应。
所述的第一微透镜阵列是由多个完全相同的第一微透镜组成的，所述的第一微透镜之间需紧密相连，所述的第一微透镜为柱面镜或球面镜。
所述的第二微透镜阵列是由多个完全相同的第二微透镜组成的，所述的第二微透镜为柱面镜或球面镜，所述的第二微透镜的视场与所述的第一微透镜的视场不同。
所述的微积分棒阵列是由多个完全相同的微积分棒组成的，所述的微积分棒为长方体，所有所述的微积分棒的两端分别利用第一支撑架和第二支撑架固定呈等间隔的二维矩阵排列，所述的间隔的尺寸要大于等于所述的微积分棒的端面尺寸。
所述的微扫描狭缝阵列是由多个微扫描狭缝组成的，所述的微扫描狭缝位于所述的微积分棒的出射端面处，且穿插在所述的微积分棒两两之间的空间间隔里。
所述的运动控制单元是控制所述的微积分棒阵列进行一维或二维扫描移动的。
与先技术相比，本发明的技术效果如下：
该光刻照明系统利用微积分棒阵列作为匀光单元，巧妙地将匀光单元和扫描狭缝结合了起来，即可利用聚光镜组将扫描狭缝和掩膜分割开来，这样就省去了口径较大（一般200mm左右）、镜片数目较多（一般10片左右）照明镜组的使用，减小了系统的吸收损耗，增大了透过率，提高了能量利用率，且简化了系统结构。
该光刻照明系统用微扫描狭缝阵列代替传统的扫描狭缝，使得微扫描狭缝的扫描行程和运动速度都大大降低，这样就减小了扫描狭缝阵列的振动与其振动带来的影响，提高了系统的性能。
附图说明
图1为现有光刻照明系统的结构示意图
图2为本发明光刻照明系统的结构示意图
图3为本发明一种微积分棒阵列的实现方式
图4为一种微扫描狭缝阵列的实现方式
图5为另一种微扫描狭缝阵列的实现方式
图6为积分棒匀光的原理图
图7为光刻照明系统匀光与扫描成像的原理简图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，图2是本发明光刻照明系统的结构示意图。由图2可知，本发明光刻照明系统包括激光光源1、准直扩束单元2、光瞳整形单元3、第一微透镜阵列4、第二微透镜阵列5、聚光镜组6、微扫描狭缝阵列7、掩膜9、运动控制单元10和微积分棒阵列11；其位置关系是：激光光源1出射的激光束依次经过准直扩束单元2、光瞳整形单元3、第一微透镜阵列4、微积分棒阵列11、微扫描狭缝阵列7、第二微透镜阵列5、聚光镜组6后照射到掩膜9上；运动控制单元10与微扫描狭缝阵列7相连，控制微扫描狭缝阵列7的移动速度与行程，扫描相应的光场；第一微透镜阵列4处于光瞳整形单元3的出瞳面；微积分棒阵列11的入射端面位于第一微透镜阵列4的后焦面；微积分棒阵列11的出射端面处于第二微透镜阵列5的前焦面；第二微透镜阵列5的后焦面与掩膜9所处的位置是聚光镜组6的一对共轭位置。
第一微透镜阵列4是由多个完全相同的第一微透镜41组成的，每个第一微透镜41之间需紧密相连，第一微透镜41为柱面镜或球面镜。
第二微透镜阵列5是由多个完全相同的第二微透镜51组成的，每个第二微透镜51之间紧密相连，第二微透镜51为柱面镜或球面镜，第二微透镜51的视场与第一微透镜41的视场不同。
微积分棒阵列11是由多个完全相同的微积分棒111组成的，微积分棒111为长方体，微积分棒111与第一微透镜41和第二微透镜51都是一一对应的。
请参阅图3，图3为一种微积分棒阵列的实现方式，图3（a）和图3（b）分别表示微积分棒阵列11的正视图和侧视图。由图3知，所有的微积分棒111的两端分别利用第一支撑架112和第二支撑架113固定呈等间隔的二维矩阵排列，所述的间隔的尺寸要大于等于微积分棒111的端面尺寸。
微扫描狭缝阵列7是由多个微扫描狭缝71组成的，微扫描狭缝71位于微积分棒111的出射端面处，且穿插在两两微积分棒111之间的空间间隔里。
请参阅图4和图5（黑色部分表示不透光部分，白色部分表示透光部分，即微扫描狭缝71），图4和图5分别表示微扫描狭缝阵列的两种实现方式。图4所示的实现方式是将两块透光方向不同的微扫描狭缝阵列叠加使用，第一块微扫描狭缝阵列的透光方向沿着y方向，当其被运动控制单元10控制沿着x方向移动时就可以对x方向的光场进行一维扫描，而第二块微扫描狭缝阵列的透光方向沿着x方向，当其被运动控制单元10控制沿着y方向移动时就可以对y方向的光场进行一维扫描，当两块微扫描狭缝阵列分别同时沿着x方向和y方向移动时就可以对光场进行二维扫描。图5所示的实现方式是将图4所示的两块微扫描狭缝阵列整合成一块为扫描狭缝阵列，当其被运动控制单元10控制沿着x方向移动时就可以对x方向的光场进行一维扫描，沿着y方向移动时就可以对y方向的光场进行一维扫描，而沿着x和y的角平分线移动时就可以对光场进行二维扫描。
运动控制单元10是控制微扫描狭缝阵列7进行一维或二维扫描移动的。
下面对本发明的主要部分——匀光与扫描成像的原理进行详细的说明。
我们先对光刻照明系统采用的积分棒匀光的原理作简要的说明。在文章（郭立萍,黄惠杰,王向朝.积分棒在步进扫描投影光刻系统中的应用,光子学报,Vol.35(7),981-984,2005）中指出，一束平行光经过透镜1聚焦耦合进积分棒里，光束在积分棒里多次反射转折，形成了位于积分棒入射端面的若干虚点光源（如图6中的S0、S1等），每一个虚点光源均代表入射光束的一个小孔径的细光束，而每个虚点光源在透镜2的像方对应位置有一个相应的像点（如图6中的P0、P1等），则相应的细光束投射到了透镜2的像面上的相同区域，这些细光束的迭加导致像面上的照明光强基本上处处相等。
基于积分棒匀光的原理，我们先参阅图7，图7是光刻照明系统的匀光与扫描成像的原理简图。由图7可知，经过光瞳整形单元3出射的激光束被第一微透镜阵列4分割且聚焦耦合进微积分棒阵列11中，每一个被分割的子光束在对应的微积分棒111中多次反射转折，然后在微积分棒111的出射端面形成均匀光场。此时微积分棒111的端面相当于若干个相同的子光源，这些子光源位于第二微透镜51的前焦面上，故从第二微透镜51出射的光束为平行光，这些平行光经过聚光镜组6聚焦后成像在掩膜9上。每个微积分棒111的相同位置的点光源发出的光束经过第二微透镜51和聚光镜组6后会聚到掩膜9上的同一点，即掩膜9上的每一点都是由不同微积分棒111的相同位置的点光源发出的不同数值孔径的细光束迭加而成的，换句话说，掩膜9上的光场是每个微积分棒111出射端面处的均匀光场的再次迭加，这样掩膜9上就形成了均匀的光场。那么，如果微扫描狭缝71对微积分棒111的出射端面处的均匀光场进行了扫描，则掩膜9上的光场也会相应地被扫描。这样我们就巧妙地将匀光单元和扫描狭缝结合了起来，省去了照明镜组的使用。值得注意的是，在微积分棒111端面一定的情况下，微积分棒111越长，其匀光效果也会越好，但同时光的吸收损耗也会越大，因而在追求高均匀性光场的同时也要兼顾系统透过率的需求。
本发明光刻照明系统利用微积分棒阵列和微扫描狭缝阵列实现了匀光和扫描，使得扫描狭缝的扫描行程和速度可大大降低，减小了其振动带来的影响，并省去了照明镜组的使用，使系统的透过率大大增强，且简化了系统的结构。

Claims (8)

1.一种光刻照明系统，包括激光光源（1）、准直扩束单元（2）、光瞳整形单元（3）、第一微透镜阵列（4）、第二微透镜阵列（5）、聚光镜组（6）、、掩膜（9）、其特征在于还有微扫描狭缝阵列（7）、运动控制单元（10）和微积分棒阵列（11），上述元部件的位置关系是：激光光源(1)出射的激光束依次经过所述的准直扩束单元(2)、光瞳整形单元(3)、第一微透镜阵列(4)、微积分棒阵列(11)、微扫描狭缝阵列(7)、第二微透镜阵列(5)、聚光镜组(6)后照射到掩膜9上；所述的运动控制单元（10）与所述的微扫描狭缝阵列（7）相连，控制所述的微扫描狭缝阵列（7）的移动速度与行程，扫描相应的光场；所述的第一微透镜阵列（4）处于所述的光瞳整形单元（3）的出瞳面；所述的微积分棒阵列（11）的入射端面位于第一微透镜阵列（4）的后焦面；微积分棒阵列（11）的出射端面处于第二微透镜阵列（5）的前焦面；第二微透镜阵列（5）的后焦面与掩膜（9）的位置相对于所述的聚光镜组（6）共轭，所述的第一微透镜阵列（4）由多个完全相同的第一微透镜（41）组成，所述的第二微透镜阵列（5）由多个完全相同的第二微透镜（51）组成，所述的微积分棒阵列（11）由多个完全相同的微积分棒（111）组成，所述的第一微透镜（41）、所述的微积分棒（111）和所述的第二微透镜（51）一一对应。
2.根据权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于所述的第一微透镜阵列（4）的第一微透镜（41）之间紧密相连，所述的第一微透镜为柱面镜或球面镜。
3.根据权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于所述的第二微透镜（51）之间需紧密相连，第二微透镜（51）为柱面镜或球面镜。
4.根据权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于所述的第二微透镜（51）的视场与第一微透镜（41）的视场不同。
5.根据权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于所述的微积分棒（111）为长方体，所有的微积分棒（111）的两端分别利用第一支撑架（112）和第二支撑架（113）固定呈等间隔的二维矩阵排列，所述的间隔的尺寸要大于等于微积分棒（111）的端面尺寸。
6.根据权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于所述的微扫描狭缝阵列（7）由多个微扫描狭缝（71）组成，每个微扫描狭缝（71）位于所述的微积分棒（111）的出射端面处并穿插在两两微积分棒（111）之间的空间间隔里。
7.根据权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于所述的微扫描狭缝阵列（7）是由透光方向沿y方向排列的第一块微扫描狭缝阵列和透光方向沿x方向排列的第二块微扫描狭缝阵列的叠加构成，当所述的运动控制单元（10）控制所述的第一块微扫描狭缝阵列沿着x方向移动时就可以对x方向的光场进行一维扫描，当运动控制单元（10）控制第二块微扫描狭缝阵列的透光方向沿着y方向移动时就可以对y方向的光场进行一维扫描，当两块微扫描狭缝阵列分别同时沿着x方向和y方向移动时就可以对光场进行二维扫描。
8.根据权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于所述的微扫描狭缝阵列（7）是一块由多个小方块扫描狭缝呈二维阵列分布的微扫描狭缝阵列，当其被运动控制单元（10）控制沿着x方向移动时就可以对x方向的光场进行一维扫描，沿着y方向移动时就可以对y方向的光场进行一维扫描，而沿着x和y的角平分线移动时就可以对光场进行二维扫描。
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