CN104049466A

CN104049466A - 超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法

Info

Publication number: CN104049466A
Application number: CN201310076400.6A
Authority: CN
Inventors: 孙文凤
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: CN104049466B

Abstract

本发明公开一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法，其中所述装置包括：偏振补偿单元，放置于光刻装置投影物镜的光瞳面并对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制；偏振检测装置，位于所述投影物镜的像面，以检测所述投影物镜的视场点的偏振态；偏振控制单元，用于控制所述偏振子单元。与现有及技术相比，本发明可以有效提高期望偏振光强达到97%以上，满足超高数值孔径NA的偏振需求，实现分辨率及关键尺寸均匀性CDU需求。

Description

超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法

技术领域

本发明属于超大规模集成电路生产设备步进扫描投影光刻机光刻成像技术领域，尤其涉及一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法。

背景技术

随着投影光刻技术的发展，光刻机的投影光学系统性能逐步提高，目前光刻机已成功应用于亚微米和深亚微米分辨率的集成电路制造领域。用光刻机制造集成电路芯片时要求投影物镜具有较高的分辨率，以实现高集成度芯片的制备。为了满足对投影光物镜较高分辨率的要求，需要提高投影物镜的像方数值孔径（NA）。然而，采用大数值孔径的投影物镜导致偏振光对光刻结果的影响变得明显，对不同方向的线条使用不同的偏振态光进行曝光，可以极大的提高光刻效果。为了描述实际偏振态与理想期望偏振态的差别，引进期望偏振光强IPS（Intensity in Preferred State）的概念。期望偏振光强（IPS）是期望偏振态的光强占总光强的比例。

在超高数值孔径（NA) 光刻机尤其是NA>1的浸没光刻机中，偏振的控制尤为重要，即为控制IPS。早期的高NA光刻机中，一直被关注的是光源的偏振影响，而掩模及投影物镜PO的光瞳偏振不被关注。随着浸没投影物镜NA的不断提高，照明偏振的控制所达到的IPS一般小于95%，而超高NA的偏振需求IPS要求大于97%，不能满足光刻成像需求。

专利US2008/0074632A1和专利US2009/0128796A1都提出了照明光路中偏振控制技术。US2008/0074632 A1中FIG1~FIG11描述了利用偏振态开关装置实现常用的四种照明模式传统照明，环形照明，四极照明和二级照明的偏振控制；专利US2009/0128796A1在照明光路中放置线性起偏器和旋光装置实现偏振控制。这些偏振控制技术都是保证在掩模面上照明的偏振方向最有利于光刻成像，而实际PO光路上由于Fresnel效应、材料双折射和镀膜的影响也会改变偏振态，偏振像差的残差积累值不容忽视，需要补偿和控制。尤其是，投影物镜光学元件的表面全部进行了镀膜，而目前大多数的镀膜都采用多层膜的膜系结构。光波在每一层膜的交界面的发生折反射时其偏振状态都会发生一定程度的改变，因此，在设计阶段不知道每个膜层的折射率信息的情况下是不可能精确计算出光的偏振态是如何随着光束的传播在光路中变化的，只能在设计过程中进行估算。这些不可预计的影响需要在物镜实际加工制造出来之后用偏振补偿来控制。

本专利期望提供一种光刻偏振补偿装置及实施方法，可以有效提高期望偏振光强的到97%以上，满足超高NA的偏振需求，实现分辨率及关键尺寸均匀性CDU需求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种光刻偏振补偿装置及实施方法，可以有效提高期望偏振光强达到97%以上，满足超高NA的偏振需求，实现分辨率及CDU需求。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，包括：偏振补偿单元，放置于光刻装置投影物镜的光瞳面并对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制。

更近一步地，所述偏振补偿单元包括：若干个偏振子单元，用于实现不同偏振态。所述超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置还包括：偏振检测装置，位于所述投影物镜的像面，以检测所述投影物镜的视场点的偏振态；以及偏振控制单元，用于控制所述偏振子单元。所述偏振子单元包括X向偏振子单元、Y向偏振子单元和/或S向偏振子单元。所述X/Y偏振子单元由在石英基板上制作的若干个方形区域构成，每个方形区域包括对成像光束进行X/Y向偏振调制的电光晶体；每个方形区域形成偏振方向可改变的线偏振器。所述方形区域利用微阵列电极装置控制，通过控制不同的电压光轴偏转角度来实现不同X/Y向的偏振态改变。所述S偏振子单元由在石英基板上制作的若干个扇形区域构成，每个扇形区域包括对成像光束进行S向偏振调制的电光晶体；每个扇形区域形成偏振方向可改变的线偏振器。所述扇形区域利用微阵列电极装置控制，通过控制不同的电压光轴偏转角度来实现不同S向的偏振态改变。

本发明还公开一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿方法，其特征在于，包括：步骤一、偏振检测装置检测各视场的实际偏振态；步骤二、偏振控制单元对比期望偏振态和实际偏振态的大小，如果<,则投影物镜直接曝光；如果>,偏振控制单元确定需要调整的偏振子单元N和各个偏振子单元需要调整量；步骤三、根据所述各个偏振子单元需要调整量，偏振控制单元计算各个子单元需要调整的物理量；步骤四、偏振控制单元根据调整偏振子单元N的偏振态。

本发明还公开了一种应用超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置的光刻机，其特征在于，包括：光源，用于产生激光光束；照明单元，用于将所述激光光束调整为照明光束并照射至一掩模板；投影物镜，用于将携带所述掩模板信息的所述照明光束投影至一基底表面；超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，用于对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制；其中，所述超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，包括：偏振补偿单元，放置于所述投影物镜的光瞳面并对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制；偏振检测装置，位于所述投影物镜的像面，以检测所述投影物镜的视场点的偏振态；偏振控制单元，用于控制所述偏振子单元。

本发明技术方案与现有技术相比具有以下优点：

第一、本发明在投影光刻机的成像光刻物镜光瞳面上直接加入偏振光瞳器件（即偏振补偿单元），改变了投影成像光学系统的光瞳函数，对成像系统进行偏振调制，改善了系统传输特性，达到了提高投影成像光刻分辨率的目的。

第二、本发明在投影光刻机的成像光刻物镜光瞳面上直接加入偏振光瞳器件（即偏振补偿单元），通过调整偏振补偿单元的单个偏振子单元的偏振状态，使期望偏振光强大于97%，提高投影成像光刻CDU。

第三、本发明在投应光刻成像系统中加入偏振光瞳器件（即偏振补偿单元），不影响原投影光刻机成像系统的技术参数，因此可以在设计制造光刻成像物镜时就考虑加入，使光刻成像系统的设计简单方便。

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是本发明具体实施例一种应用超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置的光刻机的结构示意图；

图2为本发明具体实施例不同偏振态方向示意图；

图3为本发明具体实施例所示出偏振测量补偿和调整流程图；

图4为本发明具体实施例实现X方向偏振补偿装置示意图；

图5为本发明具体实施例实现X方向偏振补偿效果示意图；

图6为本发明具体实施例实现Y方向偏振补偿装置示意图；

图7为本发明具体实施例实现Y方向偏振补偿效果示意图；

图8为本发明具体实施例实现S偏振补偿装置示意图；

图9为本发明具体实施例实现S偏振补偿效果示意图。

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。

针对现有技术中存在的技术缺陷，本发明需要解决的技术问题是：提供一种超高数值孔径光刻成偏振补偿控制装置，在投影物镜光瞳面放置偏振补偿器件对成像光束进行偏振调制，目的在于补偿超高NA光刻成像系统中PO光路上的偏振像差影响，精确控制偏振态，提高光刻效果。

图1是一种应用超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置的光刻机的结构示意图。光刻设备100包括用于光源1、提供曝光光束的照明系统以及掩模M，投影物镜PL和硅片W。对于超高NA光刻成像系统，光源1一般为193nmArF激光器或248nmKrF激光器或其它紫外激光器。从激光器1而来的光沿Z轴方向传播，在XY面上的截面为长扇形光斑，传播至扩束器单元2，2a和2b是不同曲率半径的透镜，使光源在2b之后的光路XY截面上输出预定的目标扇形的光斑。3为转折反射镜，光线经过3后转为沿Y向传播。10为旋光装置，20为消偏装置。4为衍射元件，5和7均为变焦光学单元，6为衍射光学元件，60为实现四极照明衍射光学元件，61为实现环形照明衍射光学元件，62为实现X向二极照明衍射光学元件，63为实现Y向二极照明衍射光学元件。5、6和7一起实现不同照明模式和不同相关因子的照明分布。8为微透镜阵列，实现均匀照明。9为聚光光学系统，将均匀照明成像置掩模面M处。

投影光学系统PL位于图 1所示的掩模M下方，其光轴AX平行于Z轴方向。由于采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折射式或折反射式光学系统作为投影光学系统，所以当照明系统发射的曝光光束照射掩模M上的掩模图案时，电路掩模图案经过投影光学系统PL在涂覆有光刻胶的硅片W上成缩小的图像。

其中，上述超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，包括：偏振补偿单元11，放置于所述投影物镜的光瞳面并对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制；偏振检测装置21，位于所述投影物镜的像面，以检测所述投影物镜的各个视场点的偏振态；偏振控制单元31，用于控制所述偏振子单元。其中，偏振控制单元31一般包括探测传感系统、板卡驱动系统和电机执行系统。偏振检测单元21和偏振控制单元31一起实现偏振补偿调整。其中，偏振补偿单元11包括：若干个偏振子单元，用于实现不同偏振态。上述偏振子单元包括X向偏振子单元、Y向偏振子单元和/或S向偏振子单元。X/Y偏振子单元由在石英基板上制作的若干个方形区域构成，每个方形区域包括对成像光束进行X/Y向偏振调制的电光晶体；每个方形区域形成偏振方向可改变的线偏振器。所述方形区域利用微阵列电极装置控制，通过控制不同的电压光轴偏转角度来实现不同X/Y向的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。S偏振子单元由在石英基板上制作的若干个扇形区域构成，每个扇形区域包括对成像光束进行S向偏振调制的电光晶体；每个扇形区域形成偏振方向可改变的线偏振器。所述扇形区域利用微阵列电极装置控制，通过控制不同的电压光轴偏转角度来实现不同S向的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。

当光刻机实际工作时，从光源1发出的激光经过照明系统各个元件，在掩模面上形成一定视场的均匀照明。对于不同的掩模图形曝光时，光刻系统会设置不同的期望偏振态。当光刻机曝光垂直线条图形时，需要设置X向偏振态，如图2中的a图所示。如光刻机曝光水平线条图形时，需要设置Y向偏振态，如图2中的b图所示。曝光同时由两个方向的线条时，需要S偏振，如图2中的c图所示的偏振态。在45nm节点都要求IPS大于97%。不同的偏振态都需要偏振同补偿调整。以下将介绍实现X向偏振的补偿方案和补偿步骤。

图4为实现X向偏振补偿装置方案示意图，X向偏振子单元11a为一系列在石英基板11b上制作的若干个方形区域12构成，如图4所示，每个方形区域上还可以制作了对成像光束进行偏振调制的电光晶体；偏振光瞳器件上的每一个方形区域都形成线偏振器，其偏振方向可利用微阵列电极装置使方形区域12加电压，如图4所示根据不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。

具体偏振补偿调整方法如图3所示，步骤为：

301：首先由偏振检测装置21检测当前各视场的实际偏振态，

302：曝光不同的图形时，系统都有与之对应的期望偏振态，偏振控制单元31在控制程序中比较实际偏振态与期望偏振态；

303：如果<,则直接曝光。如果>,偏振控制单元31需要确定偏振子单元N和需要偏振调整量；

304：根据各个偏振子单元需要调整量，偏振控制单元31计算各个子单元需要调整的物理量；

305：根据子单元调整量，由偏振控制单元31的电机单元驱动实现；

306：调整完成后，重新检测偏振状态，如果不满足重复上述301至305，使偏振态满足需求。

当投影物镜中存在双折射或镀膜的影响时，测试出来实际的偏振态为图5中12a所示的偏振态,可以看出，12a偏振态与12b的偏振态存在差异，IPS为94%，不满足偏振需求。通过这两个偏振态差异，可以通过31偏振控制单元将12方形区域进行调整，调整量为3%.经过调整后，使偏振态满足需求。

以下将介绍实现Y向偏振的补偿方案和补偿步骤。

图6为实现Y向偏振补偿装置方案示意图，Y向偏振子单元13a为一系列在石英基板13b上制作的若干个方形区域14构成，如图6所示，每个方形区域上还可以制作了对成像光束进行偏振调制的电光晶体；Y向偏振子单元上的每一个方形区域都形成线偏振器，其偏振方向可利用微阵列电极装置使方形区域14加电压，如图6所示根据不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。Y向偏振补偿补偿方法如图3中所示。

当投影物镜中存在双折射或镀膜的影响时，测试出来实际的偏振态为图7中14a所示的偏振态,可以看出，14a偏振态与14b的偏振态存在差异，IPS为94%，不满足偏振需求。通过这两个偏振态差异，可以通过31偏振控制单元将14方形区域进行调整，调整量为 3%。经过调整后，使偏振态满足需求。

以下将介绍实现S偏振的补偿方案和补偿步骤。

图8为偏振补偿装置方案示意图，S偏振子单元15a为一系列在石英基板15b上制作的若干个扇形区域16构成，如图8所示，每个扇形区域上还可以制作了对成像光束进行偏振调制的电光晶体；S偏振子单元上的每一个扇形区域都形成线偏振器，其偏振方向可利用微阵列电极装置使扇形区域16加电压，如图8所示根据不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。S向偏振补偿补偿方法如图3中所示。

当投影物镜中存在双折射或镀膜的影响时，测试出来实际的偏振态为图9中16a所示的偏振态,可以看出，16a偏振态与16b的偏振态存在差异，IPS为94%，不满足偏振需求。通过这两个偏振态差异，可以通过偏振控制单元31将16扇形区域进行调整，调整量为 3%。经过调整后，使偏振态满足需求。

本发明具体实施例技术方案与现有技术相比具有以下优点：

第一、本发明在投影光刻机的成像光刻物镜光瞳面上直接加入偏振光瞳器件，改变了投影成像光学系统的光瞳函数，对成像系统进行偏振调制，改善了系统传输特性，达到了提高投影成像光刻分辨率的目的。

第二、本发明在投影光刻机的成像光刻物镜光瞳面上直接加入偏振光瞳器件，通过调整偏振补偿装置单个补偿元器件的偏振状态，使期望偏振光强大于97%，提高投影成像光刻CDU。

第三、本发明在投应光刻成像系统中加入偏振光瞳器件，不影响原投影光刻机成像系统的技术参数，因此可以在设计制造光刻成像物镜时就考虑加入，使光刻成像系统的设计简单方便。

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

1.一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，包括：

偏振补偿单元，放置于光刻装置投影物镜的光瞳面并对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制。

2.如权利要求1所述的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，所述偏振补偿单元包括：若干个偏振子单元，用于实现不同偏振态。

3.如权利要求2所述的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，所述超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置还包括：

偏振检测装置，位于所述投影物镜的像面，以检测所述投影物镜的视场点的偏振态；以及

偏振控制单元，用于控制所述偏振子单元。

4.如权利要求2所述的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，所述偏振子单元包括X向偏振子单元、Y向偏振子单元和/或S向偏振子单元。

5.如权利要求4所述的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，所述X/Y偏振子单元由在石英基板上制作的若干个方形区域构成，每个方形区域包括对成像光束进行X/Y向偏振调制的电光晶体；每个方形区域形成偏振方向可改变的线偏振器。

6.如权利要求5所述的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，所述方形区域利用微阵列电极装置控制，通过控制不同的电压光轴偏转角度来实现不同X/Y向的偏振态改变。

7.如权利要求4所述的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，所述S偏振子单元由在石英基板上制作的若干个扇形区域构成，每个扇形区域包括对成像光束进行S向偏振调制的电光晶体；每个扇形区域形成偏振方向可改变的线偏振器。

8.如权利要求7所述的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，所述扇形区域利用微阵列电极装置控制，通过控制不同的电压光轴偏转角度来实现不同S向的偏振态改变。

9.一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿方法，其特征在于，包括：

步骤一、偏振检测装置检测各视场的实际偏振态；

步骤二、偏振控制单元对比期望偏振态和实际偏振态的大小，如果<,则投影物镜直接曝光；如果>,偏振控制单元确定需要调整的偏振子单元N和各个偏振子单元需要调整量；

步骤三、根据所述各个偏振子单元需要调整量，偏振控制单元计算各个子单元需要调整的物理量；

步骤四、偏振控制单元根据调整偏振子单元N的偏振态。

10.一种应用超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置的光刻机，其特征在于，包括：

光源，用于产生激光光束；

照明单元，用于将所述激光光束调整为照明光束并照射至一掩模板；

投影物镜，用于将携带所述掩模板信息的所述照明光束投影至一基底表面；

超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，用于对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制；

其中，所述超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，包括：

偏振补偿单元，放置于所述投影物镜的光瞳面并对所述投影物镜的出射光束进行偏振调制；

偏振检测装置，位于所述投影物镜的像面，以检测所述投影物镜的视场点的偏振态；

偏振控制单元，用于控制所述偏振子单元。