CN103293863A - 一种光刻照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光刻照明系统，包括高压汞灯、耦合透镜组、石英棒、中继透镜组、掩模板，汞灯发出的光经耦合透镜组会聚，在石英棒中经过多次全反射形成均匀照明光，经过中继透镜组放大，在掩模板上形成具有一定数值孔径、尺寸和均匀性的照明视场；其特征在于：所述中继透镜组用于提升照明视场内边缘视场光照强度。与现有技术相比较，本发明提升了照明视场中边缘视场的光照强度，避免了由于汞灯数值孔径变化造成的影响，从而使汞灯光源和整个照明系统具有更强的实用性。

Description

一种光刻照明系统

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻装置的光刻照明系统。

背景技术

光刻法，亦称微光刻法，用于制造半导体器件，是半导体制造中的一道重要工艺。许多半导体器件都能够用光刻技术制作，如二极管、三极管和集成电路等。现有的光刻法中常采用高压汞灯照明的光学系统，主要对g（436nm）h（405nm）i（365nm）三线进行曝光，将掩模板上图案精确地转移到衬底（如：硅片）上。

根据半导体器件光刻制作和曝光的要求，光刻机所需的照明系统通常要求是远心设计的，照明系统产生的照明视场内的光强分布要求尽量均匀，硅片面上的部分照明视场内有时需要实现不同的数值孔径。

要实现照明远心的足够小，现有设计中一般是以主光线的远心值作为照明系统设计远心度的参考值，主光线处的远心值是指中心波长下各视场内主光线与光轴在像面上的夹角。按此法设计的主光线远心与现实光路中的远心实际是有差别的，因为实际光路中的远心度是多个波长共同作用后的结果。设计远心值与实际值偏差过大，会导致掩模面上由于加工产生的不平整度极其敏感，从而引起硅片面上的成像质量，尤其是畸变的极大变化。

现有设计中往往由于镀膜条件的限制、积分棒倒角、棱边以及毛边漫反射等因素的影响，会导致镀膜玻璃透镜边缘位置的透过率低于中间位置，使入射到掩模面上的光照强度呈现中间高四周低的情形，如图1所示，从而影响掩模面上光照强度分布的均匀性。

美国专利US5245384公开的一种照明系统中，为实现不同的数值孔径，把聚光透镜做成一个变焦系统50b，如图2所示。现有技术中，或者通过改变照明系统中中继透镜组中孔径光阑的大小来实现不同的数值孔径。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光刻照明系统，通过优化设计，在保证照明系统光强均匀性的前提下，增大边缘视场的数值孔径，提高掩模面和硅片面上边缘视场的光照强度，克服光强分布呈中间高四周低的情形，增强系统的实用性。

为了实现上述发明目的，本发明提出一种光刻照明系统，包括高压汞灯、耦合透镜组、石英棒、中继透镜组、掩模板，汞灯发出的光经耦合透镜组会聚，在石英棒中经过多次全反射形成均匀照明光，经过中继透镜组放大，在掩模板上形成具有一定数值孔径、尺寸和均匀性的照明视场；其特征在于：所述中继透镜组用于提升照明视场内边缘视场光照强度。

更近一步地，所述耦合透镜组具有变焦功能，用于改变耦合镜组输出端面光束的数值孔径。

更进一步地，所述耦合透镜组包含：具有正光焦度的第一透镜组G1和具有正光焦度的第二透镜组G2；所述第一透镜组G1至少包含两片透镜；所述第二透镜组G2至少包含两片透镜。所述第一透镜组G1至少包含一个弯月式的正透镜，以及一个双凸式的正透镜；所述第二透镜组G2至少包含一个弯月式的正透镜，以及一个弯月式的正透镜。

更近一步地，所述耦合透镜组包含有一可移动镜片，设置在所述耦合透镜组的入射端，用于通过移动所述可移动镜片的位置，改变所述耦合透镜组输出端出射光束的数值孔径。所述出射光束的数值孔径的变化范围为0.32至0.34。

更进一步地，所述中继透镜组包含：具有正光焦度的第三透镜组G3，具有正光焦度的第四透镜组G4以及具有正光焦度的第五透镜组G5；所述第三透镜组G3至少包含三片透镜，所述第四透镜组G4至少包含两片透镜，所述第五透镜组G5至少包含三片透镜。所述第三透镜组G3至少包含一个弯月式的正透镜，一个双凸式的正透镜以及一个弯月式的负透镜；第四透镜组G4至少包含一个弯月式正透镜以及一个双凸式的正透镜；第五透镜组G5至少包含一个双凹式负透镜，一个弯月式正透镜以及一个双凸式正透镜。

其中，所述光刻照明系统的像方工作距大于100mm。

与现有技术相比较，本发明使用多波长光线质心远心的优化设计，能得到更加切合实际的多波长光路中的远心度。同时，本发明提升了照明视场中边缘视场的光照强度，补偿了由于镀膜条件、石英棒毛边漫反射等因素引起的照明视场边缘光照强度低于中间的情形，有效地保证了照明视场内光照强度的均匀性。本发明通过调节耦合透镜组中第一片镜片的位置，实现了耦合透镜组输出端面数值孔径的微小可调，其变化范围覆盖了汞灯数值孔径的变化范围，能随着光源数值孔径的改变而调节耦合透镜组输出端面的数值孔径，避免由于汞灯数值孔径变化造成的影响，从而使汞灯光源和整个照明系统具有更强的实用性。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是现有技术中掩模面相对光强照度分布图；

图2是现有技术中光刻照明系统结构示意图；

图3是本发明光刻照明系统结构示意图；

图4是本发明光刻照明系统中耦合透镜组结构示意图；

图5是本发明光刻照明系统中中继透镜组结构示意图；

图6是本发明掩模面相对光强照度分布图；

图7是本发明光刻照明系统像方质心远心曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。本发明的光刻照明系统具体结构如图3所示，该照明系统包括：高压汞灯1、耦合透镜组2、石英棒3、中继透镜组4以及掩模板5。汞灯1发出的光经过椭球反射镜会聚后入射到耦合透镜组2的入射端面2a，光束经过耦合透镜组2的会聚作用后从出射端面2b出射，照射到石英棒3的入射端面3a，光束在石英棒3中经过多次全反射之后，在石英棒出射端面3b上形成均匀的照明光，这些均匀照明光从石英棒出射端面3b出射，经过中继透镜组4的放大、传输作用后成像在掩模板5上，在掩模板5上形成所需的具有一定数值孔径、尺寸和均匀性的照明视场。

本光刻照明系统包含的耦合透镜组2具有变焦功能，可以改变耦合镜组输出端面光束的数值孔径，也可以保持其数值孔径与汞灯光源输出光束数值孔径一致，不发生变化。由于汞灯光源使用寿命的限制，随着汞灯的老化，电极距变短，电极容易腐蚀、粘附东西，发生变化，这将导致汞灯光源输出光束的数值孔径发生变化。该耦合透镜组结构通过移动第一片镜片的位置，能够改变耦合镜输出端出射光束的数值孔径，变化的范围为0.32至0.34，这个范围能很好的覆盖汞灯数值孔径的变化区间，弥补汞灯光源数值孔径变化造成的影响，从而具有更强的实用性。

耦合透镜组2为4片镜片结构，只需移动第一片镜片位置即可实现数值孔径0.32-0.34间的变化，如图4所示。以0.32NA为例，四片镜片全部为球面，分为第一、第二两个透镜组G1、G2，光焦度依次为正、正。G1和G2两个透镜组之间包含一块滤波片23。

第一透镜组G1由两片透镜21、22构成，光焦度分别为正、正。透镜21为凸面面向物面的弯月式的正透镜，透镜22为双凸式正透镜。

第二透镜组G2由两片透镜24、25构成，光焦度分别为正、正。透镜24为凹面面向滤波片的正透镜，透镜25为凹面面向像面的弯月式的正透镜。

对图4中0.32NA的耦合透镜组，只需稍微移动第一透镜组G1中第一片透镜21的位置，就能将耦合透镜组输出端面出射光束数值孔径变至0.34。

该0.32NA耦合透镜各镜片参数的具体设计值如表1所示。正的半径值表示曲率中心在表面的右边，负的半径值代表曲率中心在表面的左边。光学元件厚度或两个光学元件之间的间隔是到下一个表面的轴上距离。所有尺寸单位都是毫米。表1中，“S#”表示表面编号，“STOP”表示孔径光阑AS，半径项中，“INF”表示无穷大。

表1

S#	半径	厚度与间距	材料	备注
					OBJ	INF	8.1		物方工作距离
1	-42.25	10.78	F_SILICA	L1
					2	150.9	70.5
3	129.22	15.05	F_SILICA	L2
					4	-85.12	2.5
STO	INF	4	F_SILICA	Filter
					6	INF	35.2
7	-1670	20.5	F_SILICA	L3
					8	-59.52	7.66
9	41.02	15.06	F_SILICA	L4
					10	49.55	45.11		像方工作距离
IMA	INF	-

本发明的光刻照明系统包含的中继透镜组4通过优化多波长下的质心光线与光轴的夹角，实现多波长光线共同作用的质心远心照明，提供的远心值更精确、更贴合实际。

本照明系统在保证了照明视场光照强度均匀性的前提下，增大了照明视场内边缘视场的数值孔径，提升了边缘视场的光照强度，从而补偿了由于镀膜工艺条件、石英棒的棱边和棱角的毛边漫反射以及漏光等因素引起的照明视场内光照强度中间视场高边缘视场低的影响，进一步有效地保证了照明视场内光照强度的均匀性。

中继透镜组4为8片镜片结构，如图5所示，全部为球面，分为第三、第四、第五三个透镜组G3、G4、G5，光焦度依次为正、正、正，孔径光阑AS位于G3和G4之间。

第三透镜组G3由三片透镜41、42、43构成，光焦度分别为正、正、负。透镜41为凹面面向物面的弯月式的正透镜，透镜42为双凸式正透镜，透镜43为凹面面向光阑AS的弯月式的负透镜。

第四透镜组G4由两片透镜44、45构成，光焦度依次为正、正。透镜44为弯月式正透镜，透镜45为双凸式正透镜。

第五透镜组G5由三片透镜46、47、48构成，光焦度依次为负、正、正。透镜46为双凹式负透镜，透镜47为弯月式正透镜，透镜48为双凸式正透镜。

中继透镜组4各镜片参数的具体设计值如表2所示。正的半径值表示曲率中心在表面的右边，负的半径值代表曲率中心在表面的左边。光学元件厚度或两个光学元件之间的间隔是到下一个表面的轴上距离。所有尺寸单位都是毫米。表1中，“S#”表示表面编号，“STOP”表示孔径光阑AS，半径项中，“INF”表示无穷大。

表2

图6表明本实施例可以实现掩模面上中间低四周高的相对光强照度，补偿镀膜等原因造成的边缘视场低照度。

图7表明本实施例的像方质心远心在1.5mrad左右。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种光刻照明系统，包括：高压汞灯、耦合透镜组、石英棒、中继透镜组、掩模板，汞灯发出的光经耦合透镜组会聚，在石英棒中经过多次全反射形成均匀照明光，经过中继透镜组放大，在掩模板上形成具有一定数值孔径、尺寸和均匀性的照明视场，其特征在于：所述中继透镜组用于提升照明视场内边缘视场光照强度。

2.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于：所述耦合透镜组具有变焦功能，用于改变耦合镜组输出端面光束的数值孔径。

3.如权利要求1或2所述的光刻照明系统，其特征在于，所述耦合透镜组包含：

具有正光焦度的第一透镜组G1和具有正光焦度的第二透镜组G2；所述第一透镜组G1至少包含两片透镜；所述第二透镜组G2至少包含两片透镜。

4.如权利要求3所述的光刻照明系统，其特征在于：所述第一透镜组G1至少包含一个弯月式的正透镜，以及一个双凸式的正透镜；所述第二透镜组G2至少包含一个弯月式的正透镜，以及一个弯月式的正透镜。

5.如权利要求1或2所述的光刻照明系统，其特征在于：所述耦合透镜组包含有一可移动镜片，设置在所述耦合透镜组的入射端，用于通过移动所述可移动镜片的位置，改变所述耦合透镜组输出端出射光束的数值孔径。

6.如权利要求5所述的光刻照明系统，其特征在于：所述出射光束的数值孔径的变化范围为0.32至0.34。

7.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述中继透镜组包含：

具有正光焦度的第三透镜组G3，具有正光焦度的第四透镜组G4以及具有正光焦度的第五透镜组G5；所述第三透镜组G3至少包含三片透镜，所述第四透镜组G4至少包含两片透镜，所述第五透镜组G5至少包含三片透镜。

8.如权利要求7所述的光刻照明系统，其特征在于：所述第三透镜组G3至少包含一个弯月式的正透镜，一个双凸式的正透镜以及一个弯月式的负透镜；第四透镜组G4至少包含一个弯月式正透镜以及一个双凸式的正透镜；第五透镜组G5至少包含一个双凹式负透镜，一个弯月式正透镜以及一个双凸式正透镜。

9.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于：所述光刻照明系统的像方工作距大于100mm。

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