CN103926806B - 一种实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，具体步骤为：步骤一、在光刻照明系统的柱面扩束镜与微透镜阵列之间设置m个光学相位延时元件；步骤二、根据所需的光刻照明系统偏振态的要求，不断优化光学相位延时元件之间的相对位置，直至光刻照明系统的光瞳偏振态满足要求为止。本发明通过优化光学相位延时元件的相对位置，可以精确实现所需要的任意光瞳偏振态分布，并减少光瞳能量损失，降低光源误差。

Description

一种实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法

技术领域

本发明涉及一种实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，属于高分辨光刻技术领域。

背景技术

光刻技术是一种制造半导体器件技术，利用光学的方法将掩模板上的电路图形转移到硅片上。光刻技术采用紫外(UV)、深紫外(DUV)光源等。多种半导体器件可以采用光刻技术制造，如二极管、晶体管和超大规模集成电路。一个典型的光刻曝光系统包括照明系统、掩模、投影物镜和硅片。

在高NA浸没曝光光刻系统中，不同方向的偏振光将产生不同的图像对比度，即偏振方向与掩模线条平行时成像对比度高，反之成像对比度严重下降，同时掩模、光刻胶也存在偏振效应。所以，高NA浸没曝光光学系统必须采用偏振光照明技术，偏振光照明技术成为高NA浸没曝光光学系统中的一个重要特征。

光刻照明系统的主要作用是均匀照明掩模面，并实现各种与光刻物镜光瞳匹配的各种照明光源和偏振照明。随着光源-掩模联合优化技术(SourceMaskOptimization,SMO)的发展，照明光瞳任意光强分布照明技术已经被广泛采用。微反射镜阵列被使用来实现包括任意光强分布的各种照明光源。每个微反射镜可以绕着两个垂直方向的轴倾斜。聚光镜置于微反射镜阵列和光瞳平面之间，它将由微反射镜产生的反射角转换为在光瞳平面内光斑的投射位置，进而实现任意光强的照明光瞳而不需要切换其他光学器件。

与此同时，为了进一步提高掩模图形的保真度，将光束在光瞳平面内的偏振态分布也作为优化自由度，如图2所示，以环形照明为例，常见的偏振照明包括X、Y、TE和TM照明，如图3所示为TE偏振照明。这样在光瞳平面范围内不仅光强分布是任意的，偏振态的分布也是任意的，这对于照明系统的设计是一个全新的挑战。

当前，主要通过设计波片组合来控制入射微反射镜阵列偏振态(即将波片依次沿一个方向平行进出光路来实现)。采用这种方法的直接结果是当所需某种偏振态的光斑的数量不是微反射镜阵列排数的整数倍时，定会有一些微反射镜接收到错误偏振态的入射光束。需要将这些光束投射到光阑以外的位置，一方面造成了能量损失，另一方面由于参加投射光斑的减少，会增大设计光源的误差。

发明内容

本发明的目的是提出一种实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，该方法通过在现有照明系统中设置光学相位延时元件，通过调整光学相位延时元件的位置，使得光刻照明系统的光瞳偏振态满足所需分布的要求。

实现本发明的技术方案如下：

一种实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，具体步骤为：

步骤一、在光刻照明系统的柱面扩束镜与微透镜阵列之间设置m个光学相位延时元件；

步骤二、根据所需的光刻照明系统偏振态的要求，不断优化光学相位延时元件之间的相对位置，直至光刻照明系统的光瞳偏振态满足要求为止。

进一步地，本发明所述步骤二中基于模拟退火算法对光学相位延时元件之间相对位置进行优化。

进一步地，本发明基于模拟退火算法进行优化的具体过程为：

步骤101，获取m个光学相位延时元件中心点的初始坐标(x₁,y₁),(x₂,y₂),……,(x_m,y_m)；所需的光刻照明系统的偏振态为n种，且n种偏振态的光斑数量分别为A₁，A₂，……，A_n；设定模拟退火算法的初始温度T＝1℃，设定初始内循环次数和外循环次数为0；

步骤102，计算当前投射到微反射镜阵列的n种偏振态光斑的数量A₁’，A₂’，……，A_n’；定义误差函数e为：

e＝|A’₁-A₁|+|A’₂-A₂|+......+|A’_n-A_n|

步骤103，计算本次迭代和上次迭代误差函数的变化量Δe，若Δe＜0，则进入步骤105；若Δe＞0，则进入步骤104；

步骤104，计算若p大于(0,1)之间的一个随机数，则进入步骤105，否则将光学相位延时元件中心点的坐标替换为上次迭代的中心点坐标并进入步骤105；

步骤105，令内循环次数加一，判断内循环的次数是否达到上限N_in，若是则进入步骤106，否则更新m个光学相位延时元件中心点坐标后返回步骤102；

步骤106，令外循环次数加一，判断外循环的次数是否达到上限N_out，若否则令退火温度T下降为T×α后返回步骤102，其中α是一个线性因子，其取值范围是(0,1)，若是则将当前光学相位延时元件的位置记为最优位置，结束该方法。

进一步地，本发明所述n为4，4种偏振态分别为X方向、Y方向、+45°方向，-45°方向。

进一步地，本发明所述n为8，8种偏振态分别为Y方向，+22.5°方向，+45°方向，+67.5°方向，X方向，-67.5°，-45°方向，-22.5°方向。

进一步地，本发明所述光学相位延时元件为二分之一波片或旋光晶体。

进一步地，本发明在执行所述步骤二之前，还包括优化被微反射镜阵列投射到光瞳面上所有光斑的位置，使光瞳上实现任意光强分布。

有益效果

首先，本发明通过优化光学相位延时元件的相对位置，可以精确实现所需要的任意光瞳偏振态分布，并减少光瞳能量损失，降低光源误差。

其次，本发明可以根据需要的偏振态的种类，设置不同数量的光学相位延时元件，并通过对其位置优化实现，因此本发明设计方法具有更广的实用性。

再次，本发明在优化光学相位延时元件之前，可以对被微反射镜阵列投射到光瞳面上所有光斑的位置进行优化，使得本发明设计方法可以实现光刻照明系统光瞳偏振态和光强的任意分布。

附图说明

图1光刻照明系统结构简图；

图2环形照明下的X,Y,TE和TM偏振照明；

图3Freeform照明下的TE偏振照明；

图4Freeform照明下的任意偏振照明；

图5光束偏振态改变原理；

图6二分之一波片位置优化结果举例；

图7为本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的设计方法作进一步的详细介绍。

坐标系的预定义：以激光光束前进的方向为Z轴，并依据左手坐标原则建立坐标系(X,Y,Z)。

原理说明：当光学相位延时元件位于光路中后，会改变入射光束的偏振态。因此本发明根据目标光源偏振态分布要求，通过调整光学相位延时元件之间的相对位置，使得入射至微反射镜阵列光束的偏振态满足用户需求，同时利用微反射镜阵列将具有不同偏振态的光束投射到光瞳的相应位置。

如图7所示，本发明具体的实现过程为：

步骤一、在光刻照明系统的柱面扩束镜与微透镜阵列之间设置m个光学相位延时元件；

光学相位延时元件个数m是根据需要偏振态种类的总数确定，例如需要获得四种偏振态时，此时需要的光学相位延时元件的个数为3；通常情况下，需要的偏振态种类越多，所需设置的光学相位延时元件的个数也越多。

步骤二、根据所需的光刻照明系统偏振态的要求，不断优化光学相位延时元件之间的相对位置，直至光刻照明系统的光瞳偏振态满足要求为止。

本发明仅通过不断调整光学相位延时元件的相对位置即可达到偏振态任意分布的要求，其实现简单，且能减少光瞳能量损失，降低光源误差。

本发明较佳地基于模拟退火算法对光学相位延时元件之间相对位置进行优化，具体过程为：

步骤101，获取m个光学相位延时元件中心点的初始坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、……、(x_m,y_m)，所需的光刻照明系统的偏振态为n种，且n种偏振态光斑需要的数量分别为A₁，A₂，……，A_n，设定模拟退火算法的初始温度T＝1℃，设定初始内循环次数和外循环次数为0；

步骤102，计算此时投射到微反射镜阵列的n种偏振态光斑的数量A₁’，A₂’，……，A_n’；定义误差函数e为：

e＝|A’₁-A₁|+|A’₂-A₂|+......+|A’_n-A_n|

本发明将误差函数定义为当前光学相位延时元件出射光的偏振态数与所需偏振态数之差，在迭代优化的过程中，当误差函数变化量越来越小时，则说明优化后的出射光的偏振态越接近于所需的偏振状态。

步骤103，计算本次循环迭代和上次循环迭代误差函数的变化量Δe，若Δe＜0，则说明m个光学相位延时元件的新位置是可以接受的，此时进入步骤105；若Δe＞0，则需要作进一步的判断，此时进入步骤104；

步骤104，计算若p大于(0,1)之间的一个随机数，则进入步骤105，否则将当光学相位延时元件中心点的坐标替换为上次迭代中心点坐标并进入步骤105；

步骤105，从步骤102执行到步骤105时，完成了一次内循环的执行，此时令内循环次数加一，判断内循环的次数是否达到上限N_in，若是则进入步骤106，否则更新m个光学相位延时元件中心点坐标后返回步骤102；

更新m个光学相位延时元件的新坐标为：

x’₁＝x₁+α₁,y’₁＝y₁+β₁；

x’₂＝x₂+α₂,y’₂＝y₂+β₂；

……

x’_m＝x_m+α_m,y’_m＝y_m+β_m；

其中(α₁，β₁)，(α₂，β₂)……(α_m，β_m)分别是原光学相位延时元件中心点坐标位置附近的随机值。

步骤106，令外循环次数加一，判断外循环的次数是否达到上限N_out，若是则将当前光学相位延时元件的位置记为最优位置，结束该方法，否则令退火温度T下降为T×α后返回步骤102，其中α是一个线性因子，其取值范围是(0,1)。

本实施例中的二分之一波片也可以被旋光晶体代替，旋光晶体的厚度为,其中d是旋光晶体厚度，α是线偏振光经过旋光晶体后电矢量震动方向的旋转角度，ρ是旋光晶体的旋光系数。

本实施例中涉及到光瞳平面上光束偏振态的种类不限于四种状态，X方向、Y方向、+45°方向，-45°方向；也可以为八种状态：Y方向，+22.5°方向，+45°方向，+67.5°方向，X方向，-67.5°，-45°方向，-22.5°方向，此时根据形成八种偏振态所需的波片数量，在光刻照明系统中放置相应数量的波片来实现。

本实施例中在执行本步骤二之前，还包括优化被微反射镜阵列投射到光瞳面上所有光斑的位置，使光瞳上实现任意光强分布，所述优化可以采用现有技术实现，也可以较佳地采用本申请人于2014年3月18日、申请号为201460099930.7、发明名称为“一种优化设计微反射镜阵列产生任意光刻照明光源的方法”的专利申请实现。

下面列举一实例对本发明进行详细说明：

本实例中给出的光刻照明系统如图1所示，其沿光路依次包括光源1、柱面扩束镜2、微透镜阵列4、微反射镜阵列5、转像聚光镜6、复眼阵列7、孔径光阑8、聚光镜9、视场光阑10、转向镜11和掩模12。

激光器1为准分子激光器，光束波长为193nm。出射的准直光束形状为矩形。经过柱面扩束镜2将其扩束为近似的矩形光束。微透镜阵列4由许多正方形微透镜排列组成，将由柱面扩束镜2出射的光束分割为多个子光束。微反射镜阵列5位于微透镜阵列4的后焦面附近，每一个微反射镜可以绕着正交的两个旋转轴独立的倾斜。整个微反射镜包括的微反射镜数量可以为1000个或者数千个。微反射镜阵列5的每一个微反射镜和微透镜阵列5中的微透镜一一对应。通过倾斜每一个微反射镜的角度来改变光束出射的反射角度。转像聚光镜6位于微反射镜阵列5和光瞳平面8中间，微反射镜阵列4位于转像聚光镜6的前焦面，复眼阵列7的前表面位于转像聚光镜6的后焦面附近。转像聚光镜6将由微反射镜阵列4产生的反射角转换为在光瞳平面8内光斑的投射位置。复眼阵列7，孔径光阑8和聚光镜9构成均匀照明单元，其作用是分割光束整形单元产生光源，并在孔径光阑8平面内形成阵列二次光源。利用聚光镜9将二次光源叠加在其后焦面上，在此设置视场光阑10严格限定照明区域。转像镜11的作用是将由视场光阑10限定的照明区域通过光学成像的方式严格成像到掩模面12上。

本实施例在上述光刻照明系统中加入3块二分之一波片301,302和303，用于对入射光束的偏振态进行调制。3块二分之一波片的快轴方向相对于Y方向的夹角分别为22.5°，67.5°和112.5°。通常由准分子激光器出射光束的偏振态为偏振度95％以上的线偏振光，假设入射波片组合的光束为Y方向的线偏振光；则光束经过一个二分一波片后，电矢量振动方向旋转45°。因此，当入射光束经过第一个二分之一波片301后，光束变为+45°偏振光；经过两个二分之一波片301和302后，光束变为X偏振光；经过三个二分之一波片301,302和303后，光束变为-45°偏振光，如图5所示。因此在上述光刻照明系统中加入3个二分之一波片后，光瞳上的偏振态方向可以有四种状态：Y方向，+45°方向，X方向，-45°方向，如图4所示。为了实现偏振态在光瞳平面内的任意分布(即在光瞳面上各偏振方向光斑总数的任意分布)，可以采用调整波片之间的相对位置来实现。

如图6所示，本实施例设计的3块二分之一波片组合可以在X-Y平面内任意放置，而不是沿着一个方向平行进出光路。根据所需特定偏振光束的数量，优化3块二分之一波片在X-Y平面内的最优位置，得到所需要的入射微反射镜阵列的光束偏振态。3块二分之一波片位置优化的过称为：

S1，随机分布3块二分之一波片，3块二分之一波片中心点的初始坐标位置分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)。将目标光源偏振态分布和在不考虑偏振态情况下优化得到的光斑位置进行比较，确定所需的光刻照明系统的四种偏振态(X方向，Y方向，+45°方向，-45°方向)光斑数量分别为A1，A2，A3，A4，所述优化较佳采用本申请人于2014年3月18日、申请号为201460099930.7、发明名称为“一种优化设计微反射镜阵列产生任意光刻照明光源的方法”的专利申请实现；微反射镜阵列中微反射镜的数量为M，M＝A1+A2+A3+A4。令模拟退火算法的初始温度T＝1℃。

S2，计算此时投射到微反射镜阵列的4种偏振态的光斑的数量，分别为A1’,A2’,A3’A4’。定义误差函数为：

e＝|A1’-A1|+|A2’-A2|+|A3’-A3|+|A4’-A4|

S3，计算本次循环迭代和上次循环迭代误差函数的变化量Δe＝e'-e。若Δe＜0，则说明3个二分之一波片的新位置是可以接受的，此时进入步骤S5；若Δe＞0，则需要进一步进行判断，此时进入步骤S4。

S4，计算,若p大于(0,1)之间的一个随机数，则接受当前3块二分之一波片的中心点坐标，否则仍取上次迭代的坐标进入步骤S5，进行下一次迭代优化。

S5，令内循环次数加一，判断内循环的次数是否达到上限N_in，若是则结束内循环，此时进入S6，否则更新m个光学相位延时元件中心点坐标后返回S2；

更新3块二分之一波片的新坐标位置为：

x’₁＝x₁+α₁,y’₁＝y₁+β₁；

x’₂＝x₂+α₂,y’₂＝y₂+β₂；

x’₃＝x₃+α₃,y’₃＝y₃+β₃；

其中(α1，β1)，(α2，β2)和(α3，β3)分别是原波片中心点坐标位置附近的随机值。

S6，令外循环次数加一，判断外循环的次数是否达到上限N_out，若是则将当前光学相位延时元件的位置记为最优位置，结束该方法，否则令退火温度T下降为T×α后返回S2，其中α是一个线性因子，其取值范围是(0,1)。然后又开始一个新的内循环，当内循环和外循环次数达到预定的次数后结束当前优化过程，得到了3块二分之一波片中心点坐标的最佳位置。

在上述波片的位置确定后，根据入射微反射镜光束偏振态和光瞳平面内相同偏振态光束位置，确定微反射镜和投射光斑的对应关系，并在此基础上确定所有微反射镜的倾斜角度。

虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做若干变形、替换和改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、在光刻照明系统的柱面扩束镜与微透镜阵列之间设置m个光学相位延时元件；

步骤二、根据所需的光刻照明系统偏振态的要求，不断优化光学相位延时元件之间的相对位置，直至光刻照明系统的光瞳偏振态满足要求为止；

所述步骤二基于模拟退火算法对光学相位延时元件之间相对位置进行优化，具体过程为：

步骤101，获取m个光学相位延时元件中心点的初始坐标(x₁,y₁),(x₂,y₂),……,(x_m,y_m)；所需的光刻照明系统的偏振态为n种，且n种偏振态的光斑数量分别为A₁，A₂，……，A_n；设定模拟退火算法的初始温度T＝1℃，设定初始内循环次数和外循环次数为0；

步骤102，计算当前投射到微反射镜阵列的n种偏振态光斑的数量A₁’，A₂’，……，A_n’；定义误差函数e为：

e＝|A₁′-A₁|+|A₂′-A₂|+......+|A_n′-A_n|

步骤103，计算本次迭代和上次迭代误差函数的变化量Δe，若Δe＜0，则进入步骤105；若Δe＞0，则进入步骤104；

步骤104，计算若p大于(0,1)之间的一个随机数，则进入步骤105，否则将光学相位延时元件中心点的坐标替换为上次迭代的中心点坐标并进入步骤105；

步骤105，令内循环次数加一，判断内循环的次数是否达到上限N_in，若是则进入步骤106，否则更新m个光学相位延时元件中心点坐标后返回步骤102；

步骤106，令外循环次数加一，判断外循环的次数是否达到上限N_out，若否则令退火温度T下降为T×α后返回步骤102，其中α是一个线性因子，其取值范围是(0,1)，若是则将当前光学相位延时元件的位置记为最优位置，结束该方法。

2.根据权利要求1所述实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，其特征在于，所述n为4，4种偏振态分别为X方向、Y方向、+45°方向，-45°方向。

3.根据权利要求1所述实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，其特征在于，所述n为8，8种偏振态分别为Y方向，+22.5°方向，+45°方向，+67.5°方向，X方向，-67.5°，-45°方向，-22.5°方向。

4.根据权利要求1所述实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，其特征在于，所述光学相位延时元件为二分之一波片或旋光晶体。

5.根据权利要求1所述实现光瞳偏振态任意分布的光刻照明系统设计方法，在执行所述步骤二之前，还包括优化被微反射镜阵列投射到光瞳面上所有光斑的位置，使光瞳上实现任意光强分布。