CN103472688B - 深紫外投影光刻机的照明装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种深紫外投影光刻机的照明装置及使用方法：装置包括激光源，沿激光源输出光束方向依次是：扩束器、微反射镜阵列、光阑阵列、微透镜阵列、照明镜组和反射镜，所述的微反射镜阵列的控制系统包括计算机和微反射镜阵列控制器，计算机通过微反射镜阵列控制器控制微反射镜阵列上各个微反射镜单元进行二维转动，使扩束后光束经过微反射镜阵列在光阑阵列上形成光刻所需的强度模式，强度模式形成后，计算机通过微反射镜阵列控制器控制微反射镜阵列进行一维转动，使所形成的强度模式相对于光阑阵列移动，完成光刻扫描过程。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
技术领域
本发明属于微光刻领域，涉及投影光刻技术，特别是一种深紫外投影光刻机的照明装置及使用方法。
背景技术
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版，掩模版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。
通常所用的投影光刻机照明系统如图1所示。光源1发出的光束经扩束器2进行准直扩束后入射至衍射光学器件3表面。光束在衍射光学器件3的作用下被调制，经过变焦镜组4、反射镜5、锥形镜组6后，在折射光学器件7表面形成所需光强度分布，该光强度分布通常称作强度模式。变焦镜组4和锥形镜组6中包含可移动光学器件，用于改变照明相干因子，反射镜5起到折叠光路的作用。折射光学器件7配合聚光镜组8在扫描狭缝9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10照射掩模11，决定了光刻机曝光光场的大小。
扫描狭缝9由四个刀口91、92、93、94和四个运动部件91’、92’、93’、94’组成，如图2所示，每个运动部件驱动一个刀口进行扫描运动。刀口93和94用于控制X方向上的视场尺寸，不随掩模11同步运动，另外两个刀口91和92需要在Y方向上进行扫描，完成一个图形单元的曝光过程。
由于刀口91和92控制曝光光场的大小，刀口93和94的扫描速度控制Y方向光强大小和均匀性，所以刀口的机械加工精度以及四个运动部件的定位、速度精度直接影响投影光刻机的性能。高数值孔径投影光刻机中的刀口扫描速度需要达到2000mm/s，移动范围达33mm，定位精度和尺寸精度在几百个微米之内，扫描过程中的速度误差在几十个微米左右。满足上述要求系统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，同样增加了成本。
在先技术1“Illuminator for a photolithography device”（US7982855B2）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现有技术的问题，提供一种深紫外投影光刻机的照明装置及使用方法。本发明采用微反射镜阵列进行照明模式的形成，微反射镜阵列与光阑阵列配合完成了光刻扫描运动，简化了的投影光刻照明系统结构，成本优势明显。
本发明的技术解决方案如下：
一种深紫外投影光刻机的照明装置，包括：激光源，特征在于：沿所述的激光源输出光束方向依次是扩束器、微反射镜阵列、光阑阵列、微透镜阵列、照明镜组和反射镜，所述的微反射镜阵列具有包括计算机和微反射镜阵列控制器的控制系统，所述的计算机通过微反射镜阵列控制器控制所述的微反射镜阵列上各个微反射镜单元进行二维转动，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，所述的微反射镜阵列上所有的微反射镜单元的外形为相同的正方形。
所述的投影光刻机的照明装置，其特征在于所述的微反射镜阵列上微反射镜单元的数目N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根据掩模上的图案，确定所述的光阑阵列上的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反射镜阵列上各个微反射镜单元的初始二维转角。假设N个微镜单元中心的坐标依次为（X'1,Y1'）、（X'2,Y2'）、…、（X'N-1,Y'N-1）、（X'N,Y'N）。将强度模式分割成T个与微反射镜单元面积相等的正方形子光斑，每个子光斑的中心坐标为（X1,Y1）、（X2,Y2）、…、（XT-1,YT-1）、（XT,YT），光束沿光轴从微反射镜阵列传播到所述的光阑阵列的距离为L，每个微反射镜单元的二维转角通过以下方法确定：
α1=arctan[(X1-X′1)/L]/2，β1=arctan[(Y1-Y′1)/L]/2
α2=arctan[(X1-X′2)/L]/2，β2=arctan[(Y1-Y′2)/L]/2
…
α(S-1)=arctan[(X1-X′S-1)/L]/2，β(S-1)=arctan[(Y1-Y′S-1)/L]/2
αS=arctan[(X1-X′S)/L]/2，βS=arctan[(Y1-Y′S)/L]/2
α(S+1)=arctan[(X2-X′(S+1))/L]/2，β(S+1)=arctan[(Y2-Y′(S+1))/L]/2
…
α(2S-1)=arctan[(X2-X′(2S-1))/L]/2，β(2S-1)=arctan[(Y2-Y′(2S-1))/L]/2
α(2S)=arctan[(X2-X′(2S))/L]/2，β2S=arctan[(Y2-Y′(2S))/L]/2
α(2S+1)=arctan[(X3-X′2S+1)/L]/2，β(2S+1)=arctan[(Y3-Y′2S+1)/L]/2
…
α(T*S-1)=arctan[(XT-X′(T*S-1))/L]/2，β(T*S-1)=arctan[(YT-Y′(T*S-1))/L]/2
α(T*S)=arctan[(XT-X′(T*S))/L]/2，β(T*S)=arctan[(YT-Y′(T*S))/L]/2
其中：S=N/T，S为正整数，α为微镜单元在X方向上的转角，β为微镜单元在Y方向上的转角；
③所述的计算机通过微反射镜阵列控制器控制所述的微反射镜阵列上相应的各个微反射镜单元的二维转角与步骤②得到的各个微反射镜单元的二维转角一致，使光束经过所述的微反射镜阵列达到所述的光阑阵列时，形成所确定的强度模式；
④根据所述的掩模的初始位置与移动速度按下式计算微反射镜阵列的各个微反射镜单元的角速度为ω：
ω=arctan(V*f1/f2/L)
式中：V为掩模扫描速度，f1为微透镜阵列的焦距，f2为照明镜组的焦距；
⑤扫描开始后，计算机通过微反射镜阵列控制器控制微反射镜阵列微反射镜单元从初始状态在1维方向上旋转，例如t0时刻，微反射镜单元二维转角分别为（α1，β1+ωt0）、（α2，β2+ωt0）、…、（αN，βN+ωt0），使步骤③形成的强度模式相对于所述的光阑阵列运动扫描，经过（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本发明装置在保持功能不变的情况下采用微反射镜阵列和光阑阵列代替了衍射光学器件、变焦镜组、锥形镜组和扫描狭缝，不仅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，而且系统的成本和复杂度大大降低。
2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为现有光刻机原理图。
图2为扫描刀口结构示意图。
图3为本发明深紫外投影光刻机的照明装置的实施例结构示意图。
图4为本发明所的采用光阑阵列实施例示意图。
图5为光阑阵列上形成的传统强度模式示意图。
具体实施方式
下面，结合附图和优选实施例详细叙述本发明。
先请参阅图3、图4，图3为本发明深紫外投影光刻机的照明装置的实施例结构示意图。图4为本发明所的采用光阑阵列实施例示意图。由图3可见，本发明投影光刻机的照明装置，包括：激光源101，其构成沿激光源101输出光束方向依次是扩束器102、微反射镜阵列103、光阑阵列104、微透镜阵列105、照明镜组106和反射镜107，所述的微反射镜阵列103具有控制系统，该控制系统包括计算机110和微反射镜阵列控制器109，所述的计算机110通过微反射镜阵列控制器109控制所述的微反射镜阵列103上各个微反射镜单元的二维转角，所述的光阑阵列104位于所述的微透镜阵列105的前焦面，所述的光阑阵列104外形为矩形，包含多个长方形通孔104-2，所有的长方形通孔104-2按二维均匀分布，所有长方形通孔104-2的长对称轴互相平行，长方形通孔104-2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104-2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，所述的微反射镜阵列103上所有的微反射镜单元的外形为正方形，所述的光阑阵列104的单个长方形通孔的面积为所述的微反射镜阵列上单个微反射镜单元面积的S倍，S为正整数，所述的微反射镜阵列103上微反射镜单元的数目大于所述的光阑阵列105上长方形通孔的数目。
激光源101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102进行扩束。通过扩束器102的光束入射至微反射镜阵列103表面，计算机110通过微反射镜阵列控制器109改变施加在微反射镜阵列103上各个微反射镜的电压，使扩束后的光束经微反射镜阵列103后在光阑阵列104上形成光刻所需的强度模式。强度模式中通过光阑阵列104的部分在微透镜阵列105和聚光镜组106的作用下照明掩模108，反射镜107起到折叠光路的作用。光束沿光轴111从微反射镜阵列103传播到光阑阵列104的距离L≥1200mm。
所述的微反射镜阵列103是一种包含几万至几百万个微反射镜单元的MEMS产品，计算机110通过微反射镜阵列控制器109控制微反射镜阵列103，使光束在光阑阵列104上形成所需的强度模式。微反射镜阵列103具有N=40000（200×200）个微反射镜单元，每个微反射镜单元的边长为200μm，工作波长为193nm-800nm。图4为本发明所采用的光阑阵列的实施例，光阑阵列104的外形尺寸为120mm×120mm，厚度为5mm，包括挡光部分104-1以及许多长方形通孔104-2，单个长方形通孔104-2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104上，长方形通孔104-2的尺寸与相邻长方形通孔之间的相对位置关系满足：d1=1.1d2，d3=1.1d4。
所述的投影光刻机的照明装置的使用方法如下：首先根据掩模108上的图案确定光阑阵列104上的强度模式，例如传统强度模式，如图5中所有白色矩形光斑104-a所示。每个白色矩形光斑104-a的尺寸与光阑阵列104上长方形通孔的尺寸104-2相同。由于1个白色矩形光斑104-a的面积对应2个微反射镜单元的面积，将每个矩形光斑分割成2个边长为0.2mm的正方形子光斑，子光斑总数目为M，M还应该满足：S=（40000/2M），S为正整数。实施例中M可选择为5000，S则为4，因此8个微反射镜单元对应1个白色矩形光斑。然后计算各个微反射镜单元的二维转角。假设每个子光斑的中心坐标为（X1,Y1）、（X2,Y2）…、（XT-1,YT-1）、（XT,YT），微镜单元中心的坐标依次为（X'1,Y1'）、（X'2,Y2'）…、（X'N-1,Y'N-1）、（X'N,Y'N）。设α为微镜单元在X方向上的转角，β为微镜单元在Y方向上的转角，则每个微反射镜单元的二维转角计算为：
α1=arctan[(X1-X′1)/L]/2，β1=arctan[(Y1-Y′1)/L]/2
α2=arctan[(X1-X′2)/L]/2，β2=arctan[(Y1-Y′2)/L]/2
α3=arctan[(X1-X′3)/L]/2，β3=arctan[(Y1-Y′3)/L]/2
α4=arctan[(X1-X′S)/L]/2，βS=arctan[(Y1-Y′S)/L]/2
α5=arctan[(X2-X′5)/L]/2，β(S+1)=arctan[(Y2-Y′5)/L]/2
…
α(2S-1)=arctan[(X2-X′(2S-1))/L]/2，β(2S-1)=arctan[(Y2-Y′(2S-1))/L]/2
α2S=arctan[(X2-X′2S)/L]/2，β2S=arctan[(Y2-Y′2S)/L]/2
α(2S+1)=arctan[(X3-X′(2S+1))/L]/2，β(2S+1)=arctan[(Y3-Y′(2S+1))/L]/2
…
α39999=arctan[(X4999-X′39999)/L]/2，β39999=arctan[(Y4999-Y′39999)/L]/2
α40000=arctan[(X5000-X′40000)/L]/2，β40000=arctan[(Y5000-Y′40000)/L]/2
接下来将所计算的各个微反射镜单元二维转角加载到计算机110控制程序中，计算机110通过微反射镜阵列控制器109控制微反射镜阵列103的各个微反射镜单元，使微反射镜阵列103上各个微反射镜单元旋转到相应的角度，光束在光阑阵列104上形成所确定的强度模式。强度模式形成后，计算机110的控制程序中的各个微反射镜单元的转角保持不变，直至扫描结束
接下来根据掩模的初始位置与移动速度计算微反射镜阵列的各个微反射镜单元的角速度为ω：
ω=arctan(V*f1/ f2/L)
式中：V为掩模108扫描速度，f1为微透镜阵列103的焦距，f2为照明镜组106的焦距。
扫描开始后，计算机110通过微反射镜阵列控制器109控制微反射镜阵列103微反射镜单元从初始状态在1维方向上旋转，使形成的强度模式相对于所述的光阑阵列104运动扫描。t0时刻，微反射镜单元二维转角分别为（α1，β1+ωt0）、（α2，β2+ωt0）、…、（α40000，β40000+ωt0）。经过（d2/V/f1*f2）时间后，扫描结束。
Claims (1)
1.一种深紫外投影光刻机的照明装置的使用方法，深紫外投影光刻机的照明装置，包括：激光源(101)，沿所述的激光源(101)输出光束方向依次是扩束器(102)、微反射镜阵列(103)、光阑阵列(104)、微透镜阵列(105)、照明镜组(106)和反射镜(107)，所述的微反射镜阵列(103)具有包括计算机(110)和微反射镜阵列控制器(109)的控制系统，所述的计算机(110)通过微反射镜阵列控制器(109)控制所述的微反射镜阵列(103)上各个微反射镜单元进行二维转动，所述的光阑阵列(104)位于所述的微透镜阵列(105)的前焦面，所述的光阑阵列(104)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，所述的微反射镜阵列(103)上所有的微反射镜单元的外形为相同的正方形，其特征在于该方法包括下列步骤：
①根据掩模上的图案，确定所述的光阑阵列(104)上的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反射镜阵列(103)上各个微反射镜单元的初始二维转角；假设N个微镜单元中心的坐标依次为(X′1,Y′1)、(X′2,Y′2)、…、(X′N-1,Y′N-1)、(X′N,Y′N)，将强度模式分割成T个与微反射镜单元面积相等的正方形子光斑，每个子光斑的中心坐标为(X1,Y1)、(X2,Y2)、…、(XT-1,YT-1)、(XT,YT)，光束沿光轴从微反射镜阵列(103)传播到所述的光阑阵列(104)的距离为L，每个微反射镜单元的二维转角通过以下方法确定：
α1＝arctan[(X1-X′1)/L]/2，β1＝arctan[(Y1-Y′1)/L]/2
α2＝arctan[(X1-X′2)/L]/2，β2＝arctan[(Y1-Y′2)/L]/2
…
α(S-1)＝arctan[(X1-X′S-1)/L]/2，β(S-1)＝arctan[(Y1-Y′S-1)/L]/2
αS＝arctan[(X1-X′S)/L]/2，βS＝arctan[(Y1-Y′S)/L]/2
α(S+1)＝arctan[(X2-X′(S+1))/L]/2，β(S+1)＝arctan[(Y2-Y′(S+1))/L]/2
…
α(2S-1)＝arctan[(X2-X′(2S-1))/L]/2，β(2S-1)＝arctan[(Y2-Y′(2S-1))/L]/2
α(2S)＝arctan[(X2-X′(2S))/L]/2，β2S＝arctan[(Y2-Y′(2S))/L]/2
α(2S+1)＝arctan[(X3-X′2S+1)/L]/2，β(2S+1)＝arctan[(Y3-Y′2S+1)/L]/2
…
α(T*S-1)＝arctan[(XT-X′(T*S-1))/L]/2，β(T*S-1)＝arctan[(YT-Y′(T*S-1))/L]/2
α(T*S)＝arctan[(XT-X′(T*S))/L]/2，β(T*S)＝arctan[(YT-Y′(T*S))/L]/2
其中：S＝N/T，S为正整数，α为微镜单元在X方向上的转角，β为微镜单元在Y方向上的转角，S是每个子光斑对应的微镜单元数，N是微镜单元总数；
③所述的计算机(110)通过微反射镜阵列控制器(109)控制所述的微反射镜阵列(103)上相应的各个微反射镜单元的二维转角与步骤②得到的各个微反射镜单元的二维转角一致，使光束经过所述的微反射镜阵列(103)达到所述的光阑阵列(104)时，形成所确定的强度模式；
④根据所述的掩模的初始位置与移动速度按下式计算微反射镜阵列(103)的各个微反射镜单元的角速度为ω：
ω＝arctan(V*f1/f2/L)
式中：V为掩模扫描速度，f1为微透镜阵列(105)的焦距，f2为照明镜组(106)的焦距；
⑤扫描开始后，计算机(110)通过微反射镜阵列控制器(109)控制微反射镜阵列(103)微反射镜单元从初始状态在1维方向上旋转，例如t0时刻，微反射镜单元二维转角分别为(α1，β1+ωt0)、(α2，β2+ωt0)、…、(αN，βN+ωt0)，使步骤③形成的强度模式相对于所述的光阑阵列(104)运动扫描，经过(d2/V/f1*f2)时间后，扫描结束。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |