CN103399463B - 投影光刻机照明装置和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种投影光刻机的照明装置及使用方法，包括激光源，沿激光源输出光束方向依次是：扩束器、微镜阵列、快速反射镜、光阑阵列、微透镜阵列、照明镜组和反射镜，所述的微镜阵列的控制系统包括第一计算机和微镜阵列控制器，所述的快速反射镜的控制系统包括第二计算机和快速反射镜控制器，第一计算机通过微镜阵列控制器控制微镜阵列上各个微镜单元进行二维转动，使扩束后光束经过微镜阵列、快速反射镜反射后在光阑阵列上形成光刻所需的强度模式，第二计算机通过快速反射镜控制器控制快速反射镜的反射镜部分转动，使所形成的强度模式相对于光阑阵列移动。本发明大大简化了结构，提高了系统的稳定性和光能利用率。

Description

投影光刻机照明装置和使用方法
技术领域
本发明涉及投影光刻机，特别是一种投影光刻机的照明装置和使用方法。
背景技术
投影光刻技术用于制造大规模集成电路、微机电系统等。投影光刻机主要包括照明系统和投影物镜。照明系统均匀照射掩模，掩模上的精细图案被投影物镜成像到涂有光刻胶的硅片上。投影光刻机中的照明系统主要实现对激光束的整形、照明均匀化、改变相干因子、偏振控制、视场控制等。
在先技术1“Advanced illumination system for use in microlithography”(US7187430 B2)给出了一种照明系统，该照明系统的构成主要包括衍射光学器件、变焦镜组、锥形镜组、微透镜阵列、聚光镜组、扫描狭缝、照明镜组等。经准直扩束后的光束入射至衍射光学器件。光束经衍射光学器件、变焦镜组、锥形镜组后，在微透镜阵列表面形成所需光强度分布，该光强度分布在投影光刻技术中称作强度模式。微透镜阵列配合聚光镜组在扫描狭缝所在面形成一个均匀性高于99%的长方形光斑，该长方形光斑经照明镜组照射掩模。扫描狭缝不仅控制曝光场的大小，而且决定了曝光场光强的均匀性，所以扫描狭缝的机械加工精度和运动部件的定位、速度精度直接影响投影光刻机的性能。满足投影光刻机照明需求的扫描狭缝的运动部件控制和动力学分析是极其复杂的，并且需要专门的隔离单元避免扫描单元的振动传递到系统其它部件，同样增加了系统复杂度和成本。
在先技术2“Illuminator for a photolithography device”（US 7982855 B2）中公开了一种用于微光刻设备的照射器(即照明系统)。该专利采用切割角谱的方法来代替现有的狭缝扫描，其优点在于可以减小扫描速度和扫描范围，并且不再需要造价不菲的照明镜组，降低了成本，但是需要更高的扫描速度精度和位置精度。
发明内容
本发明旨在解决上述中的问题，提供一种采用快速反射镜的投影光刻机照明装置和使用方法。该投影光刻照明装置大大简化了结构，可提高系统的稳定性和光能利用率。
本发明的技术解决方案如下：
一种投影光刻机的照明装置，包括：激光源，特征在于：其构成沿激光源输出光束方向依次是扩束器、微镜阵列、快速反射镜、光阑阵列、微透镜阵列、照明镜组和反射镜，所述的微镜阵列具有控制系统，该控制系统包括第一计算机和微镜阵列控制器，所述的第一计算机通过微镜阵列控制器控制所述的微镜阵列上各个微镜单元的二维转角，所述的快速反射镜具有控制系统，该控制系统包括第二计算机和快速反射镜控制器，所述的第二计算机通过快速反射镜控制器控制快速反射镜上反射镜部分的转角，所述的光阑阵列位于所述的微透镜阵列的前焦面，所述的光阑阵列外形为矩形，包含多个长方形通孔，所有的长方形通孔按二维均匀分布，所有长方形通孔的长对称轴互相平行，长方形通孔的长度方向的尺寸小于或者等于两相邻长方形通孔的长度方向之间的间隔，所述的长方形通孔的宽度方向的尺寸小于或者等于两相邻长方形通孔的宽度方向之间的间隔。所述的微镜阵列上所有的微镜单元的外形为相同的正方形。
所述的光阑阵列的单个长方形通孔的面积为所述的微镜阵列上单个微镜单元面积的S倍，S为正整数
根据权利要求1所述的投影光刻机的照明装置，其特征在于所述的光阑阵列上长方形通孔的数目为1000-50000个，所述的微镜阵列上微镜单元的数目大于所述的光阑阵列上长方形通孔的数目。
所述的投影光刻机的照明装置的使用方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①根据掩模上图案确定所述的光阑阵列上强度模式为传统强度模式、环形强度模式、二级-X强度模式、二级-Y强度模式或四级强度模式中的其中一种；
②根据所确定的强度模式计算微镜阵列上各个微镜单元的二维转角，计算方法如下：将强度模式分割成与微镜单元面积相等的正方形光斑，第j个正方形光斑中心坐为（Xj，Yj），与正方形光斑j对应的T个微镜单元的中心坐标为（X'p，Y'p）、（X'P+1，Y'P+1）、…、（X'P+T-1，Y'P+T-1），光束沿光轴从微镜阵列传播到光阑阵列的距离为L，根据光学反射原理计算微镜单元的转角为（αp=arctan[（Xj-X'p）/L]/2，βp=arctan[（Yj-Y'p）/L]/2）、（αp+1=arctan[（Xj-X'P+1）/L]/2，βp+1=arctan[（Yj-Y'P+1）/L]/2）、…、（αp+T-1=arctan[（Xj-X'P+T-1）/L]/2，βp+T-1=arctan[（Yj-Y'P+T-1）/L]/2）；
③将步骤②得到的二维转角输入到第一计算机的控制程序，第一计算机通过微镜阵列控制器控制所述的微镜阵列上各个微镜单元转动，使光束经过微镜阵列调制达到光阑阵列时形成所确定的强度模式；
④根据掩模初始位置与移动速度计算快速反射镜的初始转角δ0与角速度ω,计算方法如下：设掩模的初始位置为（X"，Y"），掩模扫描速度为V，微透镜阵列的焦距为f1，聚光镜组的焦距为f2，光束沿光轴从快速反射镜传播到光阑阵列的距离D，则初始转角δ0=arctan(Y"*f1/f2/D)，角速度ω=arctan(V*f1/f2/D)；；
⑤将步骤④得到的快速反射镜的初始旋转角度δ0输入到第二计算机的控制程序，第二计算机通过快速反射镜控制器控制快速反射镜上反射镜部分转动至δ0；
⑥扫描开始后t时刻，将角度（δ0+ωt）输入到第二计算机的控制程序，第二计算机通过快速反射镜控制器控制快速反射镜上反射镜部分转动至（δ0+ωt），使步骤③形成的强度模式相对于所述的光阑阵列从所述的初始位置开始运动扫描，经d2/V/f1*f2时间后扫描结束。
与在先技术相比，本发明的技术效果如下：
1、采用微镜阵列代替变焦镜组、锥形镜组和传统扫描狭缝，系统的成本和复杂度大大降低。
2、采用快速反射镜和固定的光阑阵列代替扫描狭缝，减小了机械振动对照明系统光学器件的影响，提高了系统的稳定性。
3、由于变焦镜组、锥形镜组和照明镜组等光学元件减少，系统对光能的吸收作用变小，光能利用率得到提高。
附图说明
图1为本发明投影光刻机的照明装置的实施例。
图2为本发明所的采用光阑阵列的实施例。
图3为第一计算机的控制程序流程图。
图4为微镜单元与照明模式对应关系图
图5为第二计算机的控制程序流程图。
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1为本发明投影光刻机的照明装置的实施例，由图1可见，本发明投影光刻机的照明装置，包括：激光源1，其构成沿激光源1输出光束方向依次是扩束器2、微镜阵列3、快速反射镜4、光阑阵列5、微透镜阵列6、照明镜组7和反射镜8，所述的微镜阵列3具有控制系统，该控制系统包括第一计算机13和微镜阵列控制器12，所述的第一计算机13通过微镜阵列控制器12控制所述的微镜阵列3上各个微镜单元的二维转角，所述的快速反射镜4具有控制系统，该控制系统包括第二计算机11和快速反射镜控制器10，所述的第二计算机11通过快速反射镜控制器10控制快速反射镜4上反射镜部分的转角，所述的光阑阵列5位于所述的微透镜阵列6的前焦面，所述的光阑阵列5外形为矩形，包含多个长方形通孔5-2，所有的长方形通孔5-2按二维均匀分布，所有长方形通孔5-2的长对称轴互相平行，长方形通孔5-2的长度方向的尺寸小于或者等于两相邻长方形通孔的长度方向之间的间隔，所述的长方形通孔5-2的宽度方向的尺寸小于或者等于两相邻长方形通孔的宽度方向之间的间隔，所述的微镜阵列3上所有的微镜单元的外形为相同的正方形，所述的光阑阵列5的单个长方形通孔的面积为所述的微镜阵列上单个微镜单元面积的S倍，S为正整数,所述的光阑阵列5上长方形通孔的数目为1000-50000个，所述的微镜阵列3上微镜单元的数目大于所述的光阑阵列5上长方形通孔的数目。
下面是本发明一个实施例的元部件参数：
所述的微镜阵列3是一种包含几万至几百万个微反射镜单元的MEMS产品，第一计算机13通过微镜阵列控制器12控制微镜阵列3，使扩束后的光束在光阑阵列5上形成所需的强度模式。微镜阵列具有40000（200×200）个微镜单元，每个微镜单元的边长为200μm，工作波长为193nm-800nm。所述的快速反射镜4是一种利用压电驱动装置或者音圈电机驱动反射镜部分旋转使光束传播方向发生一维偏转的装置，反射镜部分直径大于50mm，旋转角度精度高于0.1μrad。
激光源1辐射出频率稳定的深紫外激光束，通常情况下，该光束截面尺寸较小，需要扩束器2进行扩束。通过扩束器2的光束入射至微镜阵列3表面，第一计算机13的控制程序通过微镜阵列控制器12改变施加在微镜阵列3上各个微反射镜的电压，使扩束后的光束经微镜阵列3、快速反射镜4反射后在光阑阵列5上形成光刻所需的强度模式。强度模式中通过光阑阵列5的部分在微透镜阵列6和聚光镜组7的作用下照明掩模9，反射镜8起到折叠光路的作用。第二计算机11的控制程序通过快速反射镜控制器10控制快速反射镜4上反射镜部分转动，使形成的强度模式相对于光阑阵列5移动。光束沿光轴14从微镜阵列3传播到光阑阵列5的距离L远远大于微镜阵列上工作区域的尺寸，本实施例中L≥1000mm，光束沿光轴14从快速反射镜4传播到光阑阵列5的距离D≥L/2。
图2为本发明所采用的光阑阵列的实施例。光阑阵列5的外形尺寸为120mm×120mm，厚度为5mm，包括挡光部分5-1以及许多长方形通孔5-2。单个长方形通孔5-2的尺寸为0.4mm×0.2mm，长方形通孔数量为10000个，许多长方形通孔均匀分布在光阑阵列5上。长方形通孔5-2的尺寸与相邻长方形通孔之间的相对位置关系满足：d1=1.2d2，d3=1.2d4。
所述的投影光刻机的照明装置的使用方法包括下列步骤：
①根据掩模上图案确定所述的光阑阵列5上强度模式为传统、环形、二级-X、二级-Y、四级等强度模式中的其中一种；
②根据所确定的强度模式计算微镜阵列3上各个微镜单元的二维转角；
③将步骤②得到的二维转角输入到第一计算机13的控制程序，第一计算机13通过微镜阵列控制器12控制所述的微镜阵列3上各个微镜单元转动，使光束经过微镜阵列3调制达到光阑阵列5时形成所确定的强度模式；
④根据掩模初始位置与移动速度计算快速反射镜4的初始转角δ0与角速度ω；
⑤将步骤④得到的快速反射镜4的初始旋转角度δ0输入到第二计算机11的控制程序，第二计算机11通过快速反射镜控制器10控制快速反射镜4上反射镜部分转动至δ0；
⑥扫描开始后t时刻，将角度（δ0+ωt）输入到第二计算机11的控制程序，第二计算机11通过快速反射镜控制器10控制快速反射镜4上反射镜部分转动至（δ0+ωt），使步骤③形成的强度模式相对于所述的光阑阵列5从所述的初始位置开始运动扫描，经d2/V/f1*f2时间后扫描结束。
下面对实施例中所述投影光刻机的照明装置的使用方法进行详细叙述：
图3为所述的第一计算机13的控制程序流程图。首先根据掩模9上的图案确定光阑阵列5上的强度模式，强度模式中包含许多每个白色矩形光斑5-a，如图4所示，白色矩形光斑5-a的尺寸与光阑阵列5上长方形通孔的尺寸5-2相同，白色矩形光斑5-a的数量N小于50000，由于1个白色矩形光斑5-a的面积对应2个微镜单元的面积，N还应该满足：S=（40000/2N），S为正整数。实施例中N可选择为8000，S则为2，因此4个微镜单元对应1个白色矩形光斑。然后根据所确定强度模式计算各个微镜单元的二维转角。计算方法如下：首先将每个矩形光斑分割成2个边长为0.2mm的正方形光斑，每个正方形光斑的中心坐标为（Xj，Yj），其中1≤j≤8000。与正方形光斑j对应的两个微镜单元的中心坐标分别为（X'p，Y'p）、（X'q，Y'q），其中1≤p≤8000，1≤q≤8000。这两个微镜单元的转角分别为（αp=arctan[（Xj-X'p）/L]/2，βp=arctan[（Yj-Y'p）/L]/2）、（αq=arctan[（Xj-X'q）/L]/2，βq=arctan[（Yj-Y'q）/L]/2）。接下来将各个微镜单元二维转角加载到第一计算机13控制程序中，第一计算机13的控制程序通过微镜阵列控制器12控制微镜阵列3的各个微镜单元，使微镜阵列3上各个微镜单元旋转到相应的角度，光束在光阑阵列5上形成所确定的强度模式。强度模式形成后，第一计算机13的控制程序中的各个微镜单元的转角保持不变，直至快速反射镜4扫描结束。
图4给出了一种微镜单元与照明模式对应关系。下面对强度模式中两个白色矩形光斑5-a、5-b与8个微镜单元的对应关系进行叙述。白色矩形光斑5-a可分成两个正方形5-a-1、5-a-2，与正方形5-a-1对应的微镜为3-1、3-6，与正方形5-a-2对应的微镜单元为3-2、3-7。白色矩形光斑5-b可分成两个正方形5-b-1、5-b-2，与正方形5-b-1对应的微镜单元为3-4、3-9，与正方形5-b-2对应的微镜为3-5、3-10。微镜单元与强度模式的对应关系并不唯一，以微镜单元转角较小的对应关系为优。
图5为第二计算机11的控制程序流程图。首先根据掩模的位置和光刻扫描速度计算出快速反射镜4的反射镜部分的初始转角δ0和角速度ω，然后将初始转角δ0加载到第二计算机11的控制程序中，第二计算机11通过快速反射镜控制器10控制快速反射镜4的反射镜部分转动至δ0，为扫描初始状态。扫描开始后t时刻，第二计算机11的控制程序中转角设置为（δ0+ωt），第二计算机11与快速反射镜控制器10进行实时通讯，快速反射镜控制器10实时地将第二计算机11传输过来的转角转换为控制电压，驱动快速反射镜4上反射镜部分转动。强度模式中通过光阑阵列5的部分经过微透镜阵列6、照明镜组7后照明到掩模9，照明区域随着快速反射镜4上反射镜部分的转动进行扫描运动。扫描完成后，第二计算机11的控制程序中转角设置为δ0。设掩模的初始位置为（X"，Y"），设掩模扫描速度为V，微透镜阵列的焦距为f1，聚光镜组的焦距为f2，则δ0=arctan(Y"*f1/f2/D)，角速度ω=arctan(V*f1/f2/D)。
由上述可知，首先第一计算机13的控制程序通过微镜阵列控制器12控制微镜阵列3上各个微镜单元转动，是光束到达光阑阵列5时形成光刻所需强度模式，然后第二计算机11通过快速反射镜控制器10控制快速反射镜4上反射镜部分旋转，使所形成的强度模式相对于光阑阵列5移动，实现对掩模9的扫描，可以代替传统的扫描狭缝。快速反射镜4和光阑阵列5的使用是本发明区别于在先技术中描述的投影光刻机照明装置的重要特征。

Claims (4)

1.一种投影光刻机的照明装置，包括激光源(1)，沿激光源(1)输出光束方向包括扩束器(2)、微镜阵列(3)、微透镜阵列(6)、照明镜组(7)和反射镜(8)，所述的微镜阵列(3)的控制部分包括第一计算机(13)和微镜阵列控制器(12)，所述的第一计算机(13)通过微镜阵列控制器(12)控制所述的微镜阵列(3)上各个微镜单元的二维转角，其特征是所述的微镜阵列(3)和微透镜阵列(6)之间依次设有快速反射镜(4)和光阑阵列(5)，所述的光阑阵列(5)位于所述的微透镜阵列(6)的前焦面，所述的快速反射镜(4)由第二计算机(11)和快速反射镜控制器(10)控制，所述的光阑阵列(5)的外形为矩形，包含多个相同的长方形通孔，所有的长方形通孔按二维均匀分布，所有长方形通孔的长对称轴互相平行，长方形通孔的长度方向的尺寸d4小于或者等于两相邻长方形通孔的长度方向之间的间隔，所述的长方形通孔的宽度方向的尺寸d2小于或者等于两相邻长方形通孔的宽度方向之间的间隔。
2.根据权利要求1所述的投影光刻机的照明装置，其特征在于所述的光阑阵列(5)的单个长方形通孔的面积为所述的微镜阵列(3)上单个微镜单元面积的S倍S为正整数。
3.根据权利要求1所述的投影光刻机的照明装置，其特征在于所述的光阑阵列(5)上长方形通孔的数目为1000-50000个，所述的微镜阵列(3)上微镜单元的数目大于所述的光阑阵列(5)上长方形通孔的数目。
4.权利要求1所述的投影光刻机的照明装置的使用方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①根据掩模上图案确定所述的光阑阵列(5)上强度模式为传统强度模式、环形强度模式、二级-X强度模式、二级-Y强度模式或四级强度模式；
②根据所确定的强度模式计算微镜阵列(3)上各个微镜单元的二维转角，计算方法如下：将强度模式分割成与微镜单元面积相等的正方形光斑，第j个正方形光斑中心坐为(Xj，Yj)，与正方形光斑j对应的T个微镜单元的中心坐标为(X'p，Y′p)、(X'P+1，Y'P+1)、…、(X'P+T-1，Y'P+T-1)，光束沿光轴从微镜阵列(3)传播到光阑阵列(5)的距离为L，根据光学反射原理计算微镜单元的转角为:
αp＝arctan[(Xj-X'p)/L]/2，βp＝arctan[(Yj-Y'p)/L]/2
αp+1＝arctan[(Xj-X'P+1)/L]/2，βp+1＝arctan[(Yj-Y'P+1)/L]/2
…
αp+T-1＝arctan[(Xj-X'P+T-1)/L]/2，βp+T-1＝arctan[(Yj-Y'P+T-1)/L]/2；
③将步骤②得到的二维转角输入到第一计算机(13)的控制程序，第一计算机(13)通过微镜阵列控制器(12)控制所述的微镜阵列(3)上各个微镜单元二维转角，使光束经过微镜阵列(3)达到光阑阵列(5)时形成所确定的强度模式；
④根据掩模的初始位置与移动速度计算快速反射镜(4)的初始转角δ0与角速度ω，计算方法如下：设掩模的初始位置为(X"，Y")，掩模扫描速度为V，微透镜阵列的焦距为f1，聚光镜组的焦距为f2，光束沿光轴从快速反射镜(4)传播到光阑阵列(5)的距离D，则初始转角δ0＝arctan(Y"*f1/f2/D)，角速度ω＝arctan(V*f1/f2/D)；
⑤将步骤④得到的快速反射镜(4)的初始旋转角度δ0输入到第二计算机(11)的控制程序，第二计算机(11)通过快速反射镜控制器(10)控制快速反射镜(4)上反射镜部分转动至δ0；
⑥扫描开始后t时刻，将角度(δ0+ωt)输入到第二计算机(11)的控制程序，第二计算机(11)通过快速反射镜控制器(10)控制快速反射镜(4)上反射镜部分转动至(δ0+ωt)，使步骤③形成的强度模式相对于所述的光阑阵列(5)从所述的初始位置开始运动扫描，经d2/V/f1*f2时间后扫描结束。
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