CN103135369B - 光刻照明模式产生装置 - Google Patents

Abstract

一种光刻照明模式产生装置，该装置包括线起偏器、衍射光学元件、变焦镜组、偏振分光器、四分之一波片、凸锥形镜和平面反射镜，本发明无需使用凹锥形镜，减小了加工的难度，并且具有结构紧凑的特点。

Description

光刻照明模式产生装置

技术领域

本发明涉及光刻曝光装置中的照明系统，特别是光刻照明模式产生装置。

技术背景

近年来，随着信息化程度的不断提高，集成电路的规模越来越大，对集成电路加工工艺的要求也越来越高。光刻机是目前国际上制造极大规模集成电路的主流设备。光刻机中一个重要组成部分就是照明系统，它用于保证掩膜面具有较高均匀性照明，控制曝光剂量和实现离轴照明，以提高光刻系统分辨率和增大焦深。离轴照明技术是应用最为广泛的提高分辨率的方法，该技术由照明系统中的光束整形单元实现。光束整形单元通常由衍射光学元件、变焦镜组、锥形镜组构成。变焦镜组改变入射于锥形镜组上的光束截面尺寸，然后锥形镜组把圆形光束变成环形光束，实现环形照明。由此可见，锥形镜组是实现环形照明的关键部分之一。

在先技术[1]（参见Wangler等,Illuminating arrangement including a zoom objectiveincorporating two axicons,US Patent5,675,401A,1997）和先技术[2]（参见Oskotsky等,Advanced illumination system for use in microlithography,US Patent7,187,430B2,2007）中都提到运用一块凹锥形镜和一块凸锥形镜构成了锥形镜组，该组合方式虽然能实现环形照明，但凹锥形镜加工难度高，精度也很难达到要求。先技术[3]（参见Suzuki等,Illumination system and scanning exposure apparatus using the same,USPatent6,762,823B2,2004）采用了两块凸锥形镜构成了锥形镜组，与一凹锥形镜一凸锥形镜的组合方式相比，虽然减小了加工的难度，但增加了锥形镜组所占的空间，系统结构不够紧凑。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提出一种光刻照明模式产生装置，该装置无需使用凹锥形镜，减小了加工的难度，并且具有结构紧凑的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻照明模式产生装置，包括线起偏器、衍射光学元件、变焦镜组、偏振分光器、四分之一波片、凸锥形镜和平面反射镜，上述元部件的位置关系如下：

所述的凸锥形镜的凸面靠近平面反射镜，一束平行光经过所述的线起偏器后形成线偏振光，该线偏振光依次经过所述的衍射光学元件、变焦镜组、偏振分光器和四分之一波片后形成圆偏振光，该圆偏振光经过所述的凸锥形镜后被所述的平面反射镜反射形成反射光，该反射光再经过所述的四分之一波片后被所述的偏振分光器的分光面反射形成相应的光刻照明模式，所述的偏振分光器的分光面上的透射光的偏振方向与所述的线起偏器的透振轴方向一致，即成0°角，所述的四分之一波片的快轴与所述的线起偏器的透振轴成45°角。

所述的衍射光学元件是利用菲涅尔衍射产生传统照明、二极照明和四极照明模式的元件。

所述的偏振分光器是镀有偏振分光膜的平板，或偏振分光棱镜。

所述的凸锥形镜的凸点距所述的平面反射镜反射面的距离之间的距离d必须大于距离D：

$D=\frac{h\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin 2\mathrm{\α}(n\cos \mathrm{\α}-\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}})}$

其中：α为所述的凸锥形镜的锥角，h为入射到所述的凸锥形镜上的光束的半口径，该光刻照明模式产生装置才可以产生环形照明模式，该环形照明模式的外环半径为：

$b=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1),$

内环半径为：

$a=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1)-h,$

内外环半径之差始终等于入射光束的半口径h。

与先技术相比，本发明的技术效果如下：

该光刻照明模式产生装置采用了一块凸锥形镜和一块平面反射镜组合来产生环形照明模式，无需凹锥形镜，故其加工更简单。

该光刻照明模式产生装置利用平面反射镜的反射产生环形照明模式，使改变部分相干因子时凸锥形镜需要调节的行程缩短了一半，则减小了整个系统的空间，故其结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明光刻照明模式产生装置的结构示意图。

图2为本发明光刻照明模式产生装置产生环形照明模式的光路简图。

图3为本发明光刻照明模式产生装置不产生环形照明模式的光路简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例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1，图1为光刻照明模式产生装置的结构示意图。由图可见，本发明光刻照明模式产生装置，包括线起偏器1、衍射光学元件2、变焦镜组3、偏振分光器4、四分之一波片5、凸锥形镜6和平面反射镜7，其位置关系是：一束平行光经过线起偏器1后形成线偏振光，线偏振光依次经过衍射光学元件2、变焦镜组3、偏振分光器4和四分之一波片5后形成圆偏振光，圆偏振光经过凸锥形镜6后被平面反射镜7反射形成反射光，反射光再经过四分之一波片5后被偏振分光器4的分光面反射形成需要的照明模式。

衍射光学元件2利用菲涅尔衍射产生一定的离轴照明模式，如传统照明、二极照明和四极照明。

变焦镜组3的前焦面和后焦面的位置不变，但是其焦距可变。

偏振分光器4可以是镀有偏振分光膜的平板，也可以是偏振分光棱镜，其分光面上的透射光的偏振方向与线起偏器1的透振轴方向一致，即成0°角。

四分之一波片5的快轴与线起偏器1的透振轴成45°角。

凸锥形镜6的位置是可调节的，其凸面靠近平面反射镜7，凸锥形镜6的凸点与平面反射镜7反射面之间的距离d必须大于等于最小距离D：

$D=\frac{h\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin 2\mathrm{\α}(n\cos \mathrm{\α}-\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}})},$

其中：α为凸锥形镜6的锥角，h为入射到凸锥形镜6上的光束的半口径，当距离d等于最小距离D时，该光刻照明模式产生装置刚好不能产生环形照明模式；当距离d大于最小距离D时，该光刻照明模式产生装置可以产生环形照明模式。此时，外环半径为 $b=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1),$ 内环半径为 $a=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1)-h,$ 内外环的半径之差始终等于入射光束的半口径h。

平行光经过线起偏器1后变成线偏振光，线偏振光经过衍射光学元件2后光强分布发生变化，产生一定的离轴照明模式，具有一定照明模式的光束再经过变焦镜组3改变其截面尺寸，因为线起偏器1的透振轴与偏振分光器4的透射光束的偏振方向一致，故经过变焦镜组3的光束全部透过偏振分光器4，透射光束经过快轴与起偏器1的透振轴成45°角的四分之一波片5之后变成圆偏振光，圆偏振光经过凸锥形镜6后在平面反射镜7上反射形成反射光，此反射光再次经过四分之一波片5后变成了线偏振光，因为两次经过四分之一波片5相当于经过一块二分之一波片，故线偏振光的偏振方向被旋转了90°，则此时的线偏振光在偏振分光器4的分光面上全部反射形成环形照明模式。

下面对光刻照明模式产生装置产生环形照明模式的过程进行详细说明和公式推导。

图2为光刻照明模式产生装置产生环形照明模式的光路简图。如图2所示，设入射光束半径为h，凸锥形镜6的材料折射率为n、锥角为α，凸锥形镜6与平面反射镜7之间的距离BO为d。由几何关系可得

θ＝α。     （1）

将AD延长到E，由反射定律和几何关系得

∠BED＝∠DLE，

OE＝OL。      （2）

在△ABE中应用正弦定理可得

$\frac{\mathrm{AB}}{\sin (\∠\mathrm{AEB})}=\frac{\mathrm{BE}}{\sin (\∠\mathrm{BAE})}.---\left(3\right)$

其中，∠BAE＝90°-θ'，∠AEB＝∠ABC-∠BAE＝(90°-θ)-(90°-θ')＝θ'-θ，BE＝BO+OE＝d+OE，代入式（3）可得

$\frac{h}{\cos \mathrm{\θ}\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}=\frac{d+\mathrm{OE}}{\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}}.---\left(4\right)$

同理，在△BFL中应用正弦定理可得

$\frac{\mathrm{BF}}{\sin (\∠\mathrm{BLF})}=\frac{\mathrm{BL}}{\sin (\∠\mathrm{BFL})}.---\left(5\right)$

其中，∠BFL＝90°-θ'，∠BLH＝θ'-θ，BL＝d-OE，代入式（5）可得

$\frac{a}{\cos \mathrm{\θ}\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}=\frac{d-\mathrm{OE}}{\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}}.---\left(6\right)$

根据式（4）和式（6）可得

$a=\frac{2d\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\θ}}{\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}}-h.---\left(7\right)$

再根据斯涅尔定律nsinθ＝sinθ'与和差化积公式可得

$a=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1)-h---\left(8\right)$

同理可得 $b=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1)---\left(9\right)$

由式（8）和式（9）可知，环形照明模式的内外环半径随着凸锥形镜6和平面反射镜7间距离d的变化而变化，部分相干因子σ可被连续调节，但内外环半径之差始终等于h。

当时，内环半径a=0，即此时刚好不产生环形照明，如图3所示。

该照明模式产生装置利用单块凸锥形镜和一块平面反射镜代替传统的锥形镜组来产生环形照明模式，既减小加工的难度、提高了精度，又减小了凸锥形镜的调节行程，使系统结构更加紧凑。

Claims (4)

1.一种光刻照明模式产生装置，包括线起偏器(1)、衍射光学元件(2)、变焦镜组(3)、偏振分光器(4)、四分之一波片(5)、凸锥形镜(6)和平面反射镜(7)，上述元部件的位置关系如下：

所述的凸锥形镜的凸面靠近平面反射镜，一束平行光经过所述的线起偏器后形成线偏振光，该线偏振光依次经过所述的衍射光学元件、变焦镜组、偏振分光器和四分之一波片后形成圆偏振光，该圆偏振光经过所述的凸锥形镜后被所述的平面反射镜反射形成反射光，该反射光再经过所述的四分之一波片后被所述的偏振分光器的分光面反射形成相应的光刻照明模式，所述的偏振分光器的分光面上的透射光的偏振方向与所述的线起偏器的透振轴方向一致，即成0°角，所述的四分之一波片的快轴与所述的线起偏器的透振轴成45°角。

2.根据权利要求1所述的光刻照明模式产生装置，其特征在于所述的衍射光学元件是利用菲涅尔衍射产生传统照明、二极照明和四极照明模式的元件。

3.根据权利要求1所述的光刻照明模式产生装置，其特征在于所述的偏振分光器是镀有偏振分光膜的平板，或偏振分光棱镜。

4.根据权利要求1所述的光刻照明模式产生装置，其特征在于所述的凸锥形镜的凸点距所述的平面反射镜反射面的距离之间的距离d必须大于最小距离D：

$D=\frac{h\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin 2\mathrm{\α}(n\cos \mathrm{\α}-\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}})}$

其中：α为所述的凸锥形镜的锥角，h为入射到所述的凸锥形镜上的光束的半口径，n为材料折射率，该光刻照明模式产生装置产生环形照明模式，该环形照明模式的外环半径为：

$b=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1),$

内环半径为：

$a=d\sin 2\mathrm{\α}(\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}-1)-h,$

内外环半径之差始终等于入射光束的半口径h。