CN104460242B - 一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，该系统包括视场复眼、光阑复眼及二次曲面反射镜；其中，视场复眼由若干个抛物面反射镜构成，入射光束在每一抛物面反射镜上发生掠入射，并以平行光束出射至光阑复眼上；光阑复眼由若干个自由曲面反射镜构成，每一自由曲面反射镜用以对入射其上的光束整形，使得光阑复眼出射光束在指定平面处为一个均匀的弧形光斑；二次曲面反射镜，用于将所述弧形光斑成像于掩模面上，将光阑复眼成像于投影物镜的入瞳面上。该照明系统由三组反射镜构成，极大的提高了系统的能量利用率。同时，该系统采用自由曲面式光阑复眼，以在掩模面上获得满足要求的均匀弧形光斑。
Description
技术领域
本发明提供了一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，属于光刻照明技术领域。
背景技术
极紫外(EUV)光刻作为下一代光刻技术之一，被寄希望于实现半导体制造22nm以及更高技术节点的产业化要求。投影式光刻机的核心部件包括光源，照明系统以及投影物镜系统。照明系统主要功能是为掩膜面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现多种照明模式。目前极紫外光刻照明系统的设计思想主要有两种：基于科勒照明的双排复眼照明和基于科勒-临界照明的波纹板照明，其中双排复眼照明以其匀光效果好，加工技术较成熟，便于控制，且易于实现离轴照明等优点成为极紫外光刻照明系统的主流设计结构。双排复眼照明系统通常由视场复眼，光阑复眼以及两片中继镜构成，当EUV光束在经过每一片反射镜反射时，正入射式的反射至少有30％的能量损失，掠入射式的反射至少有10％的能量损失，因此，双排复眼照明系统的能量损失非常大，整个曝光系统输出到硅片上的能量过低，这也是目前阻碍EUV光刻技术走向产业化的主要原因之一。为了解决该问题，一些具有高能量利用率的照明系统被提出。
相关文献(US7400699)在现有的四组反射镜照明系统的基础上，提出一种新的双排复眼。该结构通过交错地排布视场复眼并适当的改变每一个视场复眼的尺寸，使视场复眼平板上被照明的区域尽可能多的被视场复眼所覆盖，有效的提高了该元件的光束收集效率，从而提高了整个系统的能量利用率；同时至少两个光阑复眼元的曲率半径不同，以保证掩模面上每一个视场复眼像的尺寸相同。
相关文献(US20060132747)提出一种新的照明系统，该系统仅由两组反射镜构成，其中第一组反射镜由成千甚至上万个小反射镜构成，第二组由一个反射镜构成。然而，该系统由于采用了临界照明，其在掩模面上的照明均匀性难以达到曝光要求。
相关文献(US7869138)提出一种新的照明系统，该系统仅由双排复眼构成，其光阑复眼直接置于投影物镜的入瞳面上，无需后续中继镜实现光阑复眼与投影物镜入瞳之间的共轭关系。然而，该结构要求将光阑复眼直接置于物镜系统中，为了避免挡光，所匹配的物镜系统在设计过程中必须预留出足够的空间来放置光阑复眼，极大的增加了物镜系统的设计难度；同时，该结构要求照明系统与物镜系统安装在同一个真空腔中，这样，照明系统中的杂散光会显著的降低物镜系统的成像性能，影响曝光系统的分辨率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，该照明系统由三组反射镜构成，极大的提高了系统的能量利用率。同时，该系统采用自由曲面式光阑复眼，以在掩模面上获得满足要求的均匀弧形光斑。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，该系统包括视场复眼、光阑复眼及二次曲面反射镜；其中，
视场复眼由若干个抛物面反射镜构成，入射光束在每一抛物面反射镜上发生掠入射，并以平行光束出射至光阑复眼上；
光阑复眼由若干个自由曲面反射镜构成，每一自由曲面反射镜用以对入射其上的光束整形，使得光阑复眼出射光束在指定平面处为一个均匀的弧形光斑，所述指定平面与掩模面关于二次曲面反射镜成物像共轭关系；
二次曲面反射镜，用于将所述弧形光斑成像于掩模面上，将光阑复眼成像于投影物镜的入瞳面上。
进一步地，本发明所述若干个抛物面反射镜的反射面为尺寸相同的矩形，且所有矩形的尺寸相同；所述若干个自由曲面反射镜的反射面为尺寸相同的矩形。
有益效果
首先，本发明提出的照明系统仅由三组反射镜构成，与由双排复眼及两片中继镜构成的照明系统相比，极大的提高了系统的能量利用率，有效的促进了EUV光刻的产业化发展。
其次，本发明提出的照明系统中的视场复眼采用掠入射的形式，因此能保证光源和掩模工件台分别位于照明系统的两侧，从而保证整个曝光系统具有可实现的机械结构。
再者，本发明提出的照明系统可实现多种照明模式，从而进一步提高曝光系统的分辨力。本发明通过使光阑复眼以及中继镜以正入射的方式工作，保证了光阑复眼与投影物镜的入瞳之间的共轭关系，从而使得通过调整光阑复眼的光强分布即可控制投影物镜入瞳上的光强分布，实现多种照明模式。
最后，与现有的仅包含双排复眼的照明系统相比，本发明的结构能保证掩模面上的光斑具有更好的均匀性，同时也不会对物镜设计提出新的要求。
附图说明
图1为本发明提出的具有高能量利用率的极紫外光刻照明系统。
图2为视场复眼的结构示意图。
图3为本发明中设计实例所建立的直角坐标系示意图。
图4为视场复眼的排布图。
图5为分别在传统照明、二极照明、环形照明以及四极照明模式下，光阑复眼的排布图。
图6为光学仿真软件中得到的本系统结构图。
图7为仿真得到的掩模面上照度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，该系统包括视场复眼2、光阑复眼3及二次曲面反射镜4；1是中间焦点(IF)，5是掩模面，其中，
视场复眼由若干个抛物面反射镜构成，入射光束在每一抛物面反射镜上发生掠入射，并以平行光束出射至光阑复眼上；
光阑复眼由若干个自由曲面反射镜构成，每一自由曲面反射镜用以对入射其上的光束整形，使得光阑复眼出射光束在指定平面处为一个均匀的弧形光斑，该指定平面经过二次曲面反射镜后成像在掩模面上；
二次曲面反射镜，用于将所述弧形光斑成像于掩模面上，将光阑复眼成像于投影物镜的入瞳面上。
为了提高极紫外光刻照明系统能量利用率，本发明采用三片反射镜实现该照明系统，为了保证光源与掩模工件台处于照明系统的两侧，三片反射镜中必须存在一片为掠入射，若选定光阑复眼或二次曲面反射镜为掠入射，则难以实现离轴照明，因此本发明选定视场复眼为掠入射；针对当前光刻照明系统中的视场复眼，其为通过截面形状(弧形)来保证出射光束为弧形，当视场复眼为掠入射，其出射光束形成的光斑不再为弧形，本发明将构成光阑复眼的若干个反射镜的面型设计成自由曲面，通过自由曲面来保证光阑复眼出射光束为弧形，从而使本发明在减少反射镜来提高光能利用率的同时，能够在掩模面得到弧形光斑。同时，现有技术只能针对点光源入射或平行光入射的情况下设计自由曲面，因此本发明将构成视场复眼的若干个反射镜的面型设计成抛物面，使其出射光束为平行光束，保证了光阑复眼中自由曲面的计算。
实例1：
一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，该系统包括视场复眼、光阑复眼及二次曲面反射镜；
视场复眼由若干个抛物面反射镜构成，每一个抛物面反射镜的反射面都是一个矩形，所有矩形的尺寸相同，所有视场复眼均紧密排布在视场复眼平板上，入射光束在每一个视场复眼上发生掠入射反射后出射；
光阑复眼由若干个自由曲面反射镜构成，每一个自由曲面反射镜的反射面都是一个矩形，所有矩形的尺寸相同，所有光阑复眼都排布在光阑复眼平板上；
为方便说明，本发明认为所有光束均从IF出射而不考虑实际光源模块。
工作原理为：如图1所示为该照明系统的结构示意图，其中IF1，视场复眼2，光阑复眼3，二次曲面反射镜(中继镜)4，掩模面5。IF出射的光束入射至视场复眼中，视场复眼由若干个抛物面反射镜构成，每一个视场复眼元都是一个抛物面反射镜，入射光束经过在每一个抛物面反射镜时，在抛物面发生掠入射，并以平行光束出射至与该视场复眼相对应的光阑复眼上。光阑复眼由若干个自由曲面反射镜构成，每一个光阑复眼元都是一个自由曲面反射镜，用以对入射光束整形，并在指定的平面处获得一个均匀的弧形光斑。该弧形光斑经过一个面型为椭球面的二次曲面反射镜(中继镜)后，成像于掩模面上，同时该二次曲面反射镜也将光阑复眼成像于给定的投影物镜的入瞳面上，实现光瞳填充。
下面对该光刻照明系统的三组反射镜进行详细说明：
视场复眼由若干个视场复眼元组成，每一个视场复眼元都是一个抛物面反射镜，每一个抛物面反射镜的反射面都是一个矩形，所有矩形的尺寸相同，所有抛物面的焦点均与IF重合，抛物面的焦点和与该抛物面相对应的光阑复眼中心的连线与该抛物面的旋转对称轴重合，如图2所示，21表示某一个视场复眼元，31表示与之对应的一个光阑复眼元，22表示另一个视场复眼元，32表示与之对应的一个光阑复眼元。所有视场复眼元均紧密排列在视场复眼平板上，光束在视场复眼面上发生掠入射。
光阑复眼由若干个光阑复眼元组成，每一个光阑复眼元都是一个自由曲面反射镜，每一个自由曲面反射镜的反射面都是一个矩形，所有矩形的尺寸相同。光阑复眼对平行入射的光束进行整形，并在指定的平面获得均匀的弧形光斑。所有光阑复眼元均排列在光阑复眼平板上，光束在光阑复眼面上发生正入射。
二次曲面反射镜，其作用为将在指定平面上获得均匀弧形光斑成像于掩模面上，同时将光阑复眼成像于投影物镜的入瞳面上。
本照明系统的工作原理与现有的双排复眼照明系统的工作原理类似，因此，系统中所有元件的坐标都可以用现有的方法设计得到(如专利ZL201210132163.6)。所有视场复眼的面型参数可由上述结构特点计算得到，系统的中继镜的面型参数也可以用现有设计方法获得(如专利ZL201210132163)。系统中光阑复眼的面型设计也可以用现有的方法获得(如R.Wu,Z.Zheng,H.LIandX.Liu,“OptimizationdesignofirradiancearrayforLEDuniformrectangularillumination,”Appl.Opt.13,2257-2263(2012).)
本发明的实施实例：
如表1所示，首先针对一套给定的极紫外光刻投影物镜的参数确定照明系统的出瞳直径、出瞳距离以及掩膜面上弧形光斑的尺寸。
表1
| 出瞳直径 | 103.7155mm |
| 出瞳距离 | 1375.5387mm |
| 弧形光斑外径 | 141mm |
| 弧形光斑内径 | 135mm |
| 弧形光斑弦长 | 104mm |
以IF点为坐标原点建立直角坐标系，Y轴垂直向上，Z轴水平向右，根据右手坐标系确定X轴，如图3所示。元件倾斜角度的定义如下：元件在Y-Z平面内绕X轴的旋转角度定义为alpha，元件在X-Z平面内绕Y轴的旋转角度定义为beta，元件在X-Y平面内绕Z轴的旋转定义为gamma，其中，alpha与beta是左旋，gamma是右旋。利用现有技术分别计算双排复眼平板的坐标和倾斜角度，中继镜的坐标，倾斜角度以及其面型参数，如表2所示。
表2
在该实例中，视场复眼平板被照明的区域为一个椭圆，所有视场复眼元均位于该椭圆内。每个视场复眼元的反射面均为一个矩形，其尺寸为：长4mm，宽4mm。视场复眼元总共196个，其排布如图4所示。
在该实例中，光阑复眼元的总共424个，每一个光阑复眼元的反射面均为一个矩形，其尺寸为：长4.2mm，宽4.2mm。该系统可以实现多种照明模式，图5给出了系统在每一种照明模式下，光阑复眼的排布方式。
以二极照明模式为例，对上述照明系统进行光线追迹仿真，得到系统结构如图6所示，掩模面上的光斑如图7所示，其照明非均匀度可控制在4.8％以内。现有相关文献指出，EUV光刻照明系统在设计阶段所需要实现的照明非均匀度应控制在5％以内(如专利US7456408)，因此，本实施例的仿真结果表明，该结构满足EUV光刻照明对均匀度的要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，其特征在于，该系统包括视场复眼、光阑复眼及二次曲面反射镜；其中，
视场复眼由若干个抛物面反射镜构成，入射光束在每一抛物面反射镜上发生掠入射，并以平行光束出射至光阑复眼上；
光阑复眼由若干个自由曲面反射镜构成，每一自由曲面反射镜用以对入射其上的光束整形，使得光阑复眼出射光束在指定平面处为一个均匀的弧形光斑，所述指定平面与掩模面关于二次曲面反射镜成物像共轭关系；
二次曲面反射镜，用于将所述弧形光斑成像于掩模面上，将光阑复眼成像于投影物镜的入瞳面上。
2.根据权利要求1所述基于自由曲面式光阑复眼的极紫外光刻照明系统，其特征在于，所述若干个抛物面反射镜的反射面为尺寸相同的矩形；所述若干个自由曲面反射镜的反射面为尺寸相同的矩形。
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