CN104317169B - 一种极紫外光刻波纹板照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种极紫外光刻波纹板照明系统，包括光源、收集镜、波纹板和中继镜组；光源发出的EUV光经收集镜收集后形成平行光束或小角度会聚的近似平行光束依次经过波纹板、中继镜组后照射到掩模上；波纹板为垂直于轴线方向上依次排列的柱面反射镜阵列，用于将入射宽光束分割为多个通道，每个通道分别对光源成子午像和弧矢像；中继镜组由修正型复合抛物面聚光镜(CPC)与二次曲面反射镜组组成，用于将波纹板所成的子午像叠加到掩模面上，将波纹板所成的弧矢像成像在照明系统的出瞳上。本发明通过减少系统中反射镜的数量，提高系统光能利用率。

Description

一种极紫外光刻波纹板照明系统

技术领域

本发明属于光刻照明设计技术领域，具体涉及一种极紫外光刻波纹板照明系统。

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。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。

极紫外光刻(EUVL)是以波长为11～14nm的EUV辐射为曝光光源的微电子光刻技术。投影式光刻机的核心部件是投影曝光光学系统，该系统最重要的组成部分是照明系统和投影物镜系统。照明系统主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现一定的光瞳填充。作为光刻机重要组成部分的照明系统对提高整个光刻机性能至关重要，因此设计好照明系统是完成整个投影曝光系统的重要环节。

目前造成极紫外光刻系统光能损失的原因主要有两个：一是光源收集效率低，现阶段，可收集到的EUV光源的最大功率仅为70W(cleanpowerIF)，远小于极紫外光刻HVM(high-volumemanufacturing)的目标值250–350W(cleanpowerIF)；二是曝光系统光能利用率非常低。因此有必要研究高光能利用率的极紫外光刻照明系统。根据匀光元件的不同，极紫外光刻照明系统主要有双排复眼照明系统和波纹板照明系统。与双排复眼照明系统相比，波纹板照明系统仅采用一片掠入射式反射镜作为匀光元件，不仅可以降低照明系统的复杂度，显著地提高系统的可制造性，更重要的是，还可以极大的提高系统的光能利用率。

相关文献(U.S.,2003/0031017)提出一种极紫外光刻波纹板照明系统，但是该系统需要波纹板匀光器与复眼匀光器组合使用，需要5～7片反射镜，所用光学元件较多，光能利用率并没有得到显著提高。

相关文献(U.S.,2005/0057738)提出单一匀光器的波纹板照明系统，但是该系统的中继镜组由7片反射镜组成，所用光学元件较多，光能利用率并没有得到显著提高。

发明内容

本发明的目的为了克服已有技术的缺陷，为了解决极紫外光刻照明系统光能利用率低的问题，提供一种高光能利用率的极紫外光刻波纹板照明系统，通过减少系统中反射镜的数量，尽量多地使用掠入射，提高系统光能利用率，匀光元件波纹板的面形采用柱面镜阵列，降低系统加工难度，且该系统具有结构紧凑的特点。

实现本发明的技术方案如下：

一种极紫外光刻波纹板照明系统，包括光源、收集镜、波纹板和中继镜组；光源发出的EUV光经收集镜收集后形成平行光束或小角度会聚的近似平行光束依次经过波纹板、中继镜组后照射到掩模上；其中，

波纹板为垂直于轴线方向上依次排列的柱面反射镜阵列，用于将入射宽光束分割为多个通道，每个通道分别对光源成子午像和弧矢像，所述子午像为弓形平行光束，为了便于理解，称其为子午像；

中继镜组由修正型复合抛物面聚光镜(CPC)与二次曲面反射镜组组成，用于将波纹板所成的子午像叠加到掩模面上，将波纹板所成的弧矢像成像在照明系统的出瞳上。

进一步地，本发明所述柱面反射镜的半径R_c满足如下条件：

R_c ²＝(p/4)²+(R_c-H/2)²,(1)

其中，p是波纹板的周期，θ_arc是掩模弓形所对应的圆心角，H为峰谷值，定义为：

$H=\frac{p}{2\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{arc}}}\{1-\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{arc}}+\ln [\frac{1}{2}(1+\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{arc}})\left]\right\}---\left(2\right)$

进一步地，本发明所述二次曲面镜组由双曲面反射镜及椭球面反射镜组成，其中所述波纹板和CPC采用掠入射，所述双曲面反射镜及椭球面反射镜均采用正入射。

进一步地，本发明所述CPC的抛物线方程为：

sin²θ-2sinθcosθ+y²cos²θ+2Rzcosθ-2dzsinθ

(3)

+2Rysinθ+2dycos²θ+d²cos²θ+2dRsinθ-R²＝0,

d＝-l·sinβ,

其中，l是光源子午像经CPC所成的叠加像与光源弧矢像经CPC所成的像之间的距离，β＝180-θ-γ，γ/2是主光线在CPC上的反射角，θ为抛物面的倾斜角；R为构成CPC的抛物线的顶点半径。

有益效果

本发明采用了柱面反射镜阵列作为匀光单元，并将修正型复合抛物面聚光镜和二次曲面镜组结合了起来，减少系统中反射镜的数量，减小了系统的吸收损耗，提高了能量利用率，且简化了系统结构。

本发明该系统的特点在于其仅采用四片反射镜且其中两片反射镜为掠入射，有效地提高了系统的光能利用率。

本发明匀光单元采用柱面反射镜阵列，可以有效降低了系统加工难度。

附图说明

图1为本发明光刻照明系统的结构示意图。

图2为本发明波纹板匀光元件的原理示意图。

图3为本发明中继镜组的结构示意图。

图4为本发明中修正型CPC结构示意图。

图5为掩模面上的弧形区域示意图。

图6为波纹板照明系统仿真图。

图7为照明系统在掩模面上的光强分布示意图。

图8掩模面弓形照明区域扫描方向积分能量分布。

其中，1EUV光源、2收集镜、3波纹板反射镜、31～33单个柱面反射镜、4中继镜组、41CPC、42双曲面反射镜、43椭球面反射镜、5掩膜面、6投影物镜、7硅片、8照明系统出瞳(投影物镜入瞳)。

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。

图1是本发明光刻照明系统的结构示意图。如图1所示，本发明极紫外光刻波纹板照明系统，包括光源1、收集镜2、波纹板3和中继镜组4；光源1发出的EUV辐射经收集镜2收集后形成平行光束或小角度会聚的近似平行光束，依次经过波纹板3、中继镜组4后照射到掩模5上；其中，

波纹板为垂直于轴线方向上依次排列的柱面反射镜阵列，用于将入射宽光束分割为多个通道，每个通道分别对光源成子午像和弧矢像；

中继镜组由修正型复合抛物面聚光镜(CPC)与二次曲面反射镜组组成，用于将波纹板所成的子午像叠加的掩模面上，将波纹板所成的弧矢像成像在照明系统的出瞳上。

本发明照明系统的工作原理为：当沿着波纹板轴线方向的平行光线以一定角度入射到波纹板时，波纹板将入射宽光束分割为多个通道，每个通道分别对光源成像；由于波纹板仅在一个方向上对光有调制作用，光源经过每个通道所成的子午像和弧矢像分离，光源的子午像为弓形光斑(子午面实际为锥体反射，反射光线为弓形平行光束，为了便于理解，称其为子午像)，光源的弧矢像为沿着轴线方向的线形光斑，称为二次光源。所有的弓形光斑经过中继镜组4叠加成像在掩模5上，补偿了其均匀性的微小差别，得到均匀的照明光斑。二次光源经后续中继镜组成像在照明系统出瞳，实现一定的光瞳填充；光源的子午像和弧矢像(二次光源)分别成像在掩模和出瞳处，形成两组共轭关系。

下面对本发明的主要部分——匀光元件波纹板与中继镜组的原理及设计进行详细的说明。

图2是光刻照明系统的波纹板的原理简图。当入射光线为平行光线时，波纹板3的反射光线是一系列具有不同方位角的平行光。入射到同一波纹板通道31的x方向不同位置的光线，其反射光线分布在一个弓形上，如图2(a)所示；入射到同一波纹板通道31的y方向不同位置的光线，其反射光线平行，如图2(b)所示；入射到不同波纹板通道31～33相同位置的光线，其反射光线平行，如图2(c)所示。光源经过每个通道所成的子午像和弧矢像分离，光源的子午像为弓形光斑(子午面实际为锥体反射，反射光线为弓形平行光束，为了便于理解，称其为子午像)，光源的弧矢像为沿着轴线方向的线形光斑，称为二次光源。

波纹板的起伏的形状可以影响弓形照明区域的均匀性，为了简化照明系统，方便加工，采用柱面镜波纹板，已知波纹板的峰谷值H

$H=\frac{p}{2\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{arc}}}\{1-\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{arc}}+\ln [\frac{1}{2}(1+\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{arc}})\left]\right\},---\left(2\right)$

其中，p是波纹板周期，θ_arc是掩模弓形所对应的圆心角，那么对应不同的周期p可以推导出每个小柱面镜的半径R_c满足如下条件：

R_c ²＝(p/4)²+(R_c-H/2)²,(1)

基于所述R_c设计的波纹板既可以满足和相关文献中复杂结构相同的峰谷值H和波纹板周期p，保证照明的均匀性，同时对波纹板面型进行了简化，降低加工难度。

图3为本发明中继镜组的结构示意图。如图所示的中继镜组由三片反射镜组成：CPC41，双曲面反射镜42及椭球面反射镜43。本发明利用波纹板的反射光与太阳光的相似性，选取CPC作为中继镜，实现光源子午像的叠加。同时，CPC的子午焦距f_m和弧矢焦距f_s不同，光线经过CPC后，其子午像和弧矢像将分别成像在不同位置。双曲面反射镜42及椭球面反射镜43的具体作用是将叠加的子午像叠加的掩模面上，将波纹板所成的弧矢像成像在照明系统的出瞳上，并同时控制其放大倍率。

为了实现良好的叠加，需要对传统的CPC进行一定的修正，抛物面需相对于光轴偏移一定的距离d。图4所示为修正型CPC结构示意图。与传统的CPC结构不同，为了使光源的子午像均叠加成像在抛物面的焦面上，修正型CPC中d＝-l·sinβ,其中l是光源子午像经CPC所成的叠加像与光源弧矢像经CPC所成的像之间的距离，β＝180-θ-γ，γ/2是主光线在CPC上的反射角，θ为抛物面的倾斜角，这个角度由波纹板反射光线的角度决定，可以推导出经过倾斜和偏移后抛物线的方程为

sin²θ-2sinθcosθ+y²cos²θ+2Rzcosθ-2dzsinθ

(3)

+2Rysinθ+2dycos²θ+d²cos²θ+2dRsinθ-R²＝0,

R为构成CPC的抛物线的顶点半径，为本方程需要求解的未知量；将求得的R所确定的抛物线绕原轴线旋转，即可得到需要的CPC结构。

在实际计算过程中，为了很好地与投影物镜相匹配，采用逆向设计，即以照明系统的出瞳为物，将掩模看作逆向系统的光阑，利用二次曲面的等光程原理及两组共轭关系，求解其面形参数和位置坐标。

如图5所示，极紫外光刻系统在掩模面上的光强呈弧形分布，该分布由两个同心圆环构成。

本发明的实施实例：

如表1所示，首先针对一套极紫外光刻投影物镜的参数确定了照明系统的出瞳直径、出瞳距离以及掩模面上环形视场的尺寸。

表1

出瞳直径D	220.4mm
		出瞳距离L	1331.5mm
环形视场外径	122mm
		环形视场内径	116mm
环形视场弦长	104mm

如表2所示，根据上述数据设计得到了一套波纹板照明系统。

表2

使用光学设计软件LightTools进行仿真，追迹10⁹条光线。仿真结果如图6所示。系统的光能利用率由波纹板的光能利用率η_ripple，CPC的光能利用率η_CPC和二次曲面的光能利用率η_conic决定。整个系统的光能利用率η_SYS定义为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{SYS}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{ripple}}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CPC}}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{conic}}^2,---\left(4\right)$

则可以得出该系统的光能利用率为39.7％。

可在指定的掩模面上得到一个弧形视场，如图7所示；极紫外光刻照明区域的不均匀度即掩模扫描方向的光强线积分不均匀度，定义为

$U=\left(\frac{E_{\max }-E_{\min }}{E_{\max }+E_{\min }}\right)\×100\%,---\left(5\right)$

其中，E_max和E_min分别代表掩模扫描方向的光强线积分的最大值和最小值。仿真结果表明，目标照明区域的不均匀度为2.7％，如图8所示。上述结果表明，本文提出的结构能够满足极紫外光刻照明系统的设计要求，同时可以极大地提高系统光能利用率。

虽然结合实施例和附图对本发明进行了说明，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 (3)

1.一种极紫外光刻波纹板照明系统，其特征在于，包括光源、收集镜、波纹板和中继镜组；光源发出的EUV光经收集镜收集后形成平行光束或小角度会聚的近似平行光束依次经过波纹板、中继镜组后照射到掩模上；其中，

波纹板为垂直于轴线方向上依次排列的柱面反射镜阵列，用于将入射宽光束分割为多个通道，每个通道分别对光源成子午像和弧矢像；

中继镜组由修正型复合抛物面聚光镜CPC与二次曲面反射镜组组成，用于将波纹板所成的子午像叠加到掩模面上，将波纹板所成的弧矢像成像在照明系统的出瞳上；

所述二次曲面反射镜组由双曲面反射镜和椭球面反射镜组成；

所述修正型复合抛物面聚光镜的抛物线方程为：

sin²θ-2sinθcosθ+y²cos²θ+2Rzcosθ-2dzsinθ

(3)

+2Rysinθ+2dycos²θ+d²cos²θ+2dRsinθ-R²＝0,

d＝-l·sinβ,

其中，l是光源子午像经CPC所成的叠加像与光源弧矢像经CPC所成的像之间的距离，β＝180-θ-γ，γ/2是主光线在CPC上的反射角，θ为抛物面的倾斜角；R为构成CPC的抛物线的顶点半径。

2.根据权利要求1所述极紫外光刻波纹板照明系统，其特征在于，所述柱面反射镜的半径R_c满足如下条件：

R_c ²＝(p/4)²+(R_c-H/2)²,(1)

其中，p是波纹板的周期，θ_arc是掩模弓形所对应的圆心角，H为波纹板的峰谷值，定义为：

$H=\frac{p}{2{\mathrm{sin\θ}}_{arc}}\{1-{\mathrm{cos\θ}}_{arc}+ln\[\frac{1}{2}(1+{\mathrm{cos\θ}}_{arc})\]\}---\left(2\right).$

3.根据权利要求1所述极紫外光刻波纹板照明系统，其特征在于，所述波纹板和CPC采用掠入射，所述双曲面反射镜及椭球面反射镜均采用正入射。