CN104965391B - 一种光刻照明系统中的相干因子调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻照明系统中的相干因子调整装置，包括：反射镜组，位于照明系统前端光路上，反射镜组高精度旋转电机驱动，可以有较高的旋转精度；准直镜组位于反射镜组后的照明系统光路上；锥形棱镜组位于准直镜组的出射光路上；再经过后方的均匀照明子系统后在掩模面上获得均匀的光强分布。本发明利用简单的方法实现了相干因子的多档变化，提高系统透过率，达到简化结构降低成本的目的。

Description

一种光刻照明系统中的相干因子调整装置

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种光刻照明系统中的相干因子调整模块。

背景技术

光学投影光刻是利用光学投影成像的原理，将掩模版上的集成电路(IC)图形以分步重复或步进扫描曝光的方式将高分辨率图形转移到涂胶硅片上的光学曝光过程。

根据光刻机实际工作时不同的曝光要求，硅片上需要不同的数值孔径或者相干因子。

现有的技术主要是变焦镜组配合锥形棱镜来调整照明系统的相干因子。

如美国专利US6452662采用了变焦镜组配合锥形棱镜的方法调节照明系统的相干因子。图1所示为该系统的图：该系统主要包括扩束整形系统10，锥形棱镜和变焦模块12，匀光器和投影光学系统14。系统中定义了光轴16，光瞳面18和调制平面20。模块12中包含了间距可调的锥形棱镜组和变焦镜组，其中锥形棱镜22中前者为负锥，后者为正锥。激光器光源发出的经光照明系统中的扩束整形系统10后，进入由锥形棱镜和变焦镜构成的模块12，最后进入匀光器和投影光学系统模块14后，照明调制平面。图2所示为经锥形棱镜22和变焦镜组24调节后，光瞳面18上可获得的光能分布。其中光瞳形状由A变为形状B时，将锥形棱镜的间隔置零，将变焦镜组24的焦距变大即可；当需要从光瞳形状A变为形状C时，增加锥形棱镜22的间隔即可。上述过程就是在调节照明系统的相干因子。

然而对于上述的照明系统想要得到大的相干因子变化范围时，变焦镜组的变倍比就很大，使得设计难度增加，由短焦变到长焦时动镜的行程会很长。另一方面，激光通过照明系统的玻璃镜片时，能量会被镜片吸收，变焦镜组和石英棒会影响系统的透过率。

发明内容

本发明主要解决技术问题为：主要提供了一种光刻照明系统中的相干因子调整装置，能用简单的方法实现照明系统的相干因子连续变化，提高光刻机的效率，降低成本。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：利用两组反射镜、一组准直镜以及一组锥形棱镜可以实现相干因子的连续变化；将准直镜组、锥形棱镜中心的连线定义为系统的光轴，所述装置包括：

反射镜组，由四片反射镜组成，起调整由聚光镜汇聚出射光的数值孔径的作用。每片反射镜都由高精度旋转电机控制其旋转，通过转动反射镜来改变光束从反射镜出射的数值孔径；

准直镜组：位于反射镜组后，负责准直反射镜组出射的光束；

锥形棱镜组：位于准直镜组后，由两个锥形棱镜组成，通过调整锥形棱镜的间隔能同时改变光束的内外沿高度，保持光束宽度和角度不变。

进一步的，每组反射镜分布于光轴的两侧，反射镜组的中心与准直镜组和锥形棱镜组的中心在同一条直线上。

进一步的，当每组反射镜组的反射镜分布于照明系统光轴两侧时，为了保证实现光束整形的功能，每组反射镜组的入射端间隔必须大于出射端间隔。

进一步的，反射镜组还可以与准直镜组和锥形棱镜组成非共轴系统调节照明系统的相干因子，其中，第一和第四片反射镜位于照明系统的光轴上，第二和第三片反射镜不位于照明系统的光轴上。

进一步的，可将第三片反射镜设置成动镜来确保由反射镜组出射光束的中心在照明系统的光轴上。

进一步的，为了保证反射镜组的出射光束能全部被准直，准直镜组的入射数值孔径必须大于反射镜组的出射数值孔径。

进一步的，所述反射镜由低转速高精度的旋转电机驱动，控制精度在秒级，以满足照明系统的对准精度要求。

进一步的，所述照明系统中的锥形棱镜由精度在微米量级的步进电机控制，控制精度满足照明系统的对准要求。

本发明的原理在于：

一种光刻照明系统中的相干因子调整装置首先将过照明系统中的准直镜组，锥形棱镜和均匀照明系统中心的直线定义为系统的光轴，沿Z轴正方向为光轴的正方向；

所述相干因子调整装置还包括：

反射镜组，由4片反射镜组成，负责调整由聚光镜汇聚出射光的数值孔径，位置靠近的两片反射镜为一组。每片反射镜都由高精度旋转电机控制其旋转，通过改变反射镜与光轴的夹角来改变光束从反射镜出射的数值孔径。所有反射镜与光轴的夹角数值都相等，每组反射镜组内部的反射镜与光轴夹角的符号相反。

准直镜组：位于反射镜组后的照明系统光路上，负责准直反射镜组出射的光束；

锥形棱镜组：位于准直镜组的照明系统光路上后，由两个锥形棱镜组成，通过调整锥形棱镜的间隔能在保持光束宽度和角度不变的前提下同时改变光束的内外沿高度；

为了保证实现光束整形的功能，每组反射镜组的入射端间隔必须大于出射端间隔。

所述的锥形棱镜组由一正锥形棱镜和一负锥形棱镜组成。锥面向内凹的锥形棱镜为负锥形棱镜、锥面向外凸的锥形棱镜为正锥形棱镜。负锥形棱镜放置在在准直镜组后的照明系统光路上，正锥形棱镜放置在负锥形棱镜后，需要在负锥形棱镜与准直镜组或者正锥形棱镜与准直镜组之间留出足够的轴向距离来移动锥形棱镜；

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用可旋转的反射镜，实现照明系统多档数值孔径，即多档相干因子的变化。转动反射镜。反射镜不动的情况下，调整锥形棱镜组的间距，可以获得更大的相干因子调节范围。与通过石英棒和变焦镜组调整照明系统相干因子的方法相比，这种方法调节时照明系统透过率高，四片反射镜可同时转动，相干因子调节速度快，节约空间，能够提高曝光效率。

附图说明

图1a和图1b为美国专利US6452662中使用变焦镜组和锥形棱镜来调整系统相干因子的照明系统，其中图1a为采用石英棒匀光的照明系统实施图；图1b为采用复眼阵列透镜匀光的照明系统。

图2为美国专利US6452662中使用变焦镜组和锥形棱镜调整光瞳面能量分布示意图。

图3为反射镜组整形光束的示意图。图3a为反射镜组1的两块反射镜水平放置和反射镜组2的两块反射镜竖直放置时的反射镜组示意图，图3b转动了一定角度的反射镜组1在YZ平面的投影图。图3c为转动了相同角度的反射镜组1在XZ平面的投影图。

图4为相干因子调整装置工作示意图。图4a为各反射镜转动了一定角度后照明系统示意图，图4b为各反射镜转动了较图4a中反射镜角度更大的角度后，照明系统示意图。图4c为将图4a中所示照明系统中的锥形棱镜拉开一定距离后的照明系统示意图。

图5为反射镜组整形光束另一种实现方式的示意图。图中光束依次经过4片反射镜a、b、c、d。其中反射镜a和反射镜b为一组，反射镜c和反射镜d为一组。

图6反射镜与锥形棱镜组成非共轴系统时相干因子调整装置的工作示意图。

图7经过反射镜后光线的角度计算示意图。

图8为锥形棱镜调整光束高度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。

本发明能用简单的方法实现多档相干因子变换，提高照明系统的透过率，提高曝光效率。

本发明首先利用两组反射镜组，通过旋转电机控制每片反射镜与光轴成相同的角度，调整光束的数值孔径从而调节照明系统相干因子，可连续调节数值孔径，即连续的相干因子。再利用锥形棱镜来改变光束的整体高度，在不调节反射镜组的前提下，增大相干因子的可调范围。与仅通过变焦镜组配合锥形棱镜组来调整照明系统相干因子，这种方法调节相干因子时仅需调节一次反射镜控制装置，控制结构和过程都简单，并且可以获得多档相干因子。控制装置通过高精度旋转台驱动，可以达到较高的旋转精度。

图3为反射镜组整形光束的示意图。图3a为转动了一定角度的反射镜组301在YZ平面的投影图。图3b为转动了相同角度的反射镜组301在YZ平面的投影图。反射镜组1的入射间距为d1，反射镜组2的出射间距为d2，本图中为了表明反射镜与光轴间有一定角度，所以显示的角度较实际角度大。光束经过系统中的反射镜组后，其出射口径为入射口径的d2/d1倍，出射光束的发散角变为入射光束发散角的d1/d2倍。

衡量一个光学系统收集光线的能力是拉氏不变量：

L＝nhu (1)

式中n、h和u分别表示介质折射率、物高以及视场角；

由于式(1)是对小角度的光学系统的近似，在大角度系统中采用sinu代替u，可以获得更接近真实系统的拉氏不变量。根据拉氏不变量在反射镜组的入射端和出射端不变可得到：

hnsinu＝h'n'sinu' (2)

h、n、u分别表示反射镜组入射端口径、介质折射率以及入射光束的发散角；h'、n'、u'分别表示反射镜组出射端口径、出射端介质折射率以及出射-端光束的发散角。

反射镜组两端的拉式不变量守恒，nsinu即为系统的数值孔径(NA)，即：

hNA₁＝h’NA₂ (3)

式中NA₁为反射镜入射端的入射数值孔径，NA₂为出射端的出射数值孔径。

反射镜的出射端面口径是入射端面口径的k倍，即h’＝kh，由上述公式可得NA₁＝kNA₂，即出射端的数值孔径是入射端数值孔径的1/k。

附图2、3、4、5、6中用虚线描绘出系统光轴。

对于固定数值孔径的入射光束，将反射镜绕各自的旋转轴旋转可以达到光束整形的目的。如图3b、3c所示，光束入射到反射镜组1上，经反射镜组1反射后入射到反射镜组2上。按照图示位置放置的反射镜，只要光束经反射镜组1反射后能入射到反射镜组2上，光束就能够在两个方向被整形。图3b中所示的反射镜组2的入射端口径必须大于其出射端口径，才能完全接收由反射镜组1入射且未被反射镜组1整形的光束。为了将光束整形为数值孔径在两个方向的分量分布一致，反射镜组1的入射端口径也必须大于其出射端口径。

图3a所示的本实施例中反射镜组1和2的z向都长度为L，反射镜组未旋转时，反射镜a和b的间距为d(毫米级)。

将图3a的反射镜组1中反射镜a沿反射镜a的中心轴，绕X轴向的顺时针旋转角度θ，再将反射镜b沿该轴绕X轴逆时针旋转角度θ可得到图3b中反射镜组1所示的反射镜结构。同理将图3a反射镜组2的反射镜c沿其中心轴线绕Y轴顺时针旋转角度θ，反射镜d沿该轴绕Y轴逆时针旋转θ就可以得到如图3b所示反射镜组2的反射镜结构。

两组反射镜功能是整形所有入射光束并将光束送入准直镜组，两组反射镜沿光轴的放置距离需要考虑从反射镜组1处入射的光束传输到反射镜组2上的最大高度。假设光束从反射镜组1的中心处入射的数值孔径为NA_in，两组反射镜沿轴向的间隔为L₁，则在反射镜组2的入射端光线的最大高度为NA_in×(L+L₁)。

图4给出了包含本发明实施例的相干因子调整装置的照明系统简图。相干因子调整装置包括：反射镜组401、准直镜组402和锥形棱镜组403。反射镜组401包括由反射镜a、b组成的反射镜组1，和由反射镜c、d组成的反射镜组2；锥形棱镜组403由正锥形棱镜403a和负锥形棱镜403b组成。除了相干因子调整模块，该系统还包括复眼404，由复眼聚光镜组和耦合镜组组成的均匀照明系统405，406是照明系统的掩模面。其中，为了确保光能无损失并且在反射镜出射端获得均匀的光束发散角，反射镜组401的入射端口径必须大于各自的出射端口径，并且两组反射镜的入射端口径相等，出射端口径也相等。

定义相干因子σ为照明系统的数值孔径与投影光学系统的数值孔径之比，表示为：

σ＝NA_ill/NA_po (4)

由上式可以看出，当投影光学系统的物方数值孔径固定时，调整照明系统的像方数值孔径就能调整照明系统的相干因子。

在复眼均匀照明系统中，入射光线充满复眼的口径时，此时照明系统掩模面上的数值孔径就是系统的最大数值孔径。入射光线在复眼上的高度与照明系统数值孔径的关系如下：

NA＝h/D*NA_max (5)

其中，NA为照明系统的数值孔径，h为光线入射到复眼镜组上相对于光轴的高度，D为复眼透镜组有效通光口径的一半，NA_max为照明系统设计数值孔径最大值。

装置调整照明系统相干因子的原理如图4所示。图4a中所示的反射镜组中反射镜401a与光轴夹角为1°，反射镜401b与光轴的夹角为-1°反射镜401c、401d与光轴的夹角数值也为1°。此时反射镜组出射端的间距约为(d-L*sin1°)，入射端的间距约为(d+L*sin1°)，光束经过反射镜后数值孔径变大。反射镜组入射端口径与出射端口径比为(d-L*sin1°)/(d+L*sin1°)，由公式3可得出射端的数值孔径与入射端数值孔径之比为(d+L*sin1°)/(d-L*sin1°)。入射端数值孔径为NA_in，则出射端数值孔径为(d+L*sin1°)/(d-L*sin1°)*NA_in。

图4b中所示的反射镜组中反射镜401a与光轴夹角为4°，反射镜401b与光轴的夹角为-4°反射镜401c、401d与光轴的夹角数值也为4°。此时反射镜组出射端的间距约为(d-L*sin4°)，入射端的间距约为(d+L*sin4°)，光束经过反射镜后数值孔径变大。反射镜组入射端口径与出射端口径比为(d-L*sin4°)/(d+L*sin4°)，由公式3可得出射端的数值孔径与入射端数值孔径之比为(d+L*sin4°)/(d-L*sin4°)。假设入射端数值孔径为NA_in，则出射端数值孔径为(d+L*sin4°)/(d-L*sin4°)*NA_in。

结合光刻照明系统的体积以及制造成本考虑，假设d为5mm，L为20mm。当反射镜旋转1°时，反射镜出射端与入射端的数值孔径比约为1.15。当反射镜旋转4°时，反射镜出射端与入射端的数值孔径比约为1.77。

将准直镜组设计为在上述条件下，入射光束数值孔径与出射光束数值孔径比为1.15时，准直镜组的出射光束最大高度对应复眼半口径的0.345，由公式5和公式4可以得出照明系统相干因子为0.345。当入射光束数值孔径与出射光束数值孔径比为1.77时，准直镜组出射光束的最大高度对应复眼的半口径的0.533。同理可以计算出此时照明系统相干因子为0.533。上述调节过程可以获得的相干因子范围为[0.345，0.533]。

对于图4a所示的照明系统，调整锥形棱镜403的间隔可得到图4c所示的照明系统，可以使相干因子在0.345到最大相干因子的范围内连续变化；对于当相干因子为0.533时，调整锥形棱镜303的间隔，可以使照明系统的相干因子在0.533到最大相干因子的范围内连续变化；

对于第二片和第四篇反射镜与锥形棱镜不共轴时的相干因子调整装置，光束数值孔径的调整与上述共轴的照明系统中的装置类似：也是通过向相反的方向转动同一组的反射镜来实现调整光束数值孔径的功能。

对于图5中的调整装置，反射镜a和反射镜b为一组，反射镜c和反射镜d为一组。初始状态下反射镜a、b、c、d与水平方向的夹角为45°。转动反射镜调整入射光束的数值孔径的过程如下：平行光束经汇聚后从反射镜组入射，依次经过反射镜a、b、c、d。假设入射光束的数值孔径为NA，空气的折射率为1。将反射镜a在YZ平面转动0.5°，反射镜b在YZ平面内转动-0.5°后，所有光线的角度变化-2°，由反射镜b出射光束的数值孔径为|sin(asin(NA)-2°)|。为了保证光束在各个方向的NA一致性，需要将反射镜c在XZ平面内旋转0.5°，把反射镜d在XZ平面内旋转-0.5°。

将反射镜a在YZ平面转动-0.5°，反射镜b在YZ平面内转动0.5°后，所有光线的角度变化2°，由反射镜b出射光束的数值孔径为|sin(asin(NA)+2°)|。为了保证光束在各个方向的NA一致性，需要将反射镜c在XZ平面内旋转-0.5°，把反射镜d在XZ平面内旋转0.5°。

保持入射光束的数值孔径不变，将反射镜a在YZ平面内转动1°，反射镜b在YZ平面内转动-1°时，所有光线的角度变化-4°，由反射镜b出射的光束数值孔径变为|sin(asin(NA)-4°)|。将反射镜c在XZ平面内旋转1°，反射镜d在XZ平面内旋转-1°保持光束的NA一致性。

保持入射光束的数值孔径不变，将反射镜a在YZ平面内转动-1°，反射镜b在YZ平面内转动1°时，所有光线的角度变化4°，由反射镜b出射的光束数值孔径变为|sin(asin(NA)+4°)|。将反射镜c在XZ平面内旋转-1°，反射镜d在XZ平面内旋转1°保持光束的NA一致性。

如上所述，转动反射镜1°可以获得[|sin(asin(NA)-4°)|，|sin(asin(NA)+4°)|]范围内的数值孔径范围。可以将系统设计为当经过反射镜组出射的光束数值孔径为|sin(asin(NA)-4°)|时，对应的准直镜组的出射光束高度与准直镜组最大像高的比值为0.345，出射光束数值孔径为|sin(asin(NA)+4°)|时，准直镜组的出射光束高度与准直镜组最大像高的比值为0.533。可以得到相干因子在[0.345，0.533]范围内变化的照明系统。

上述装置在转动反射镜时，最后一片反射镜上光束的位置会发生改变。光线经反射镜a反射后入射到反射镜b上，由反射镜b反射后入射到反射镜c上。反射镜a的法线，反射光线和反射镜b组成了一个三角形，如图7所示。由余弦定理可知L*cosγ＝L₁*cosα＝L₂*cosβ，可以计算出由反射镜a反射的光线在反射镜b上的位置。在转动反射镜a和b后，由上述公式可以计算出光线在反射镜b、反射镜c和反射镜d上的位置。可以根据上述计算结果来调整反射镜c的位置，从而确保反射镜d上光束中心在照明系统光轴上的要求。

通过调节反射镜组602的反射镜，系统的相干因子可在[0.345，0.533]范围内变化。由于系统中的反射镜旋转角度较小，系统中选择转速小精度高的旋转台来驱动反射镜组。

还可以通过控制装置中的锥形棱镜来调节照明系统的相干因子。

锥形棱镜是通过调整光束高度来调整照明系统的相干因子，原理如图8所示。假设锥面的半锥角为θ，材料折射率为n，光线平行于光轴入射到锥面上，光线相对于锥面出射的角度θ’为：

θ'＝arcsin(n*sinθ) (6)

出射光线与光轴的夹角为：

φ＝θ'-θ (7)

光束变化的高度为其中Δl为锥形棱镜803a和803b之间的间隔。为了确保光能无损失，锥形棱镜的半口径应该大于准直镜组的最大像高。从图8可以看出，锥形棱镜803的可动间隔大小由入射到锥形棱镜上的光束高度决定，锥形棱镜上的入射高度是由反射镜的出射数值孔径决定。保证光能不损失的前提下，反射镜的出射光束数值孔径越大，锥形棱镜的可移动间隔就越小，相应的相干因子可调范围也就越小。

图8中所示的正负锥形棱镜组成的锥形棱镜组，当锥形棱镜803a与803b之间的空气间隔为0mm时，光束尺寸不发生变化。当空气间隔大于0时，光束的高度就会改变。假设锥形棱镜的张角为140°，当光线平行于光轴入射到锥形棱镜上时，光线在锥面上的入射角为20°。在锥面处根据折射定律n₁*sini₁＝n₂*sini₂可知，其中n₁、i₁为锥形棱镜的折射率和光线在锥面上的入射角，n₂、i₂为空气的折射率和光线在空气中的出射角。i₁为20°,假设锥形棱镜的折射率为1.5608，则i₂＝32.25°，出射光线与光轴的夹角i3＝i2-(90-140/2)＝12.25°。两个锥形棱镜的间隔为L，光线经过负锥形棱镜后相对于光轴的出射高度为h₁，在正锥形棱镜上的高度为h₂，h₂-h₁＝L*tan(i₃)。假设锥形棱镜的半口径为D，当光束以D/2的高度入射时，当光束充满正锥形棱镜的通光口径时，两个锥形棱镜的间隔L＝D/(2*tan(i₃))。

综上所述，本发明利用旋转控制装置控制两端面积不同的石英棒至于照明系统光路中，操作控制装置将指定的石英棒置于照明系统光路中即可实现数值孔径和曝光视场的变换。

相对于变焦镜组配合锥形棱镜调整照明系统的相干因子的方法，本发明通过高精度旋转台驱动控制装置，使不同角度的反射镜置于光路中调节照明系统的相干因子，可达到的精度高。单独通过反射镜调节系统的数值孔径、相干因子时，可获得多档变化。再配合上锥形棱镜就可以实现更大范围的相干因子调整，照明系统结构简单，成本低，效率高。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：利用两组反射镜、一组准直镜以及一组锥形棱镜可以实现相干因子的连续变化；将准直镜组、锥形棱镜中心的连线定义为系统的光轴，所述装置包括：

反射镜组，由四片反射镜组成，起调整由聚光镜汇聚出射光的数值孔径的作用，每片反射镜都由高精度旋转电机控制其旋转，通过转动反射镜来改变光束从反射镜出射的数值孔径；

准直镜组：位于反射镜组后，负责准直反射镜组出射的光束；

锥形棱镜组：位于准直镜组后，由两个锥形棱镜组成，通过调整锥形棱镜的间隔能同时改变光束的内外沿高度，保持光束宽度和角度不变；

每组反射镜分布于光轴的两侧，反射镜组的中心与准直镜组和锥形棱镜组的中心在同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：当每组反射镜组的反射镜分布于照明系统光轴两侧时，为了保证实现光束整形的功能，每组反射镜组的入射端间隔必须大于出射端间隔。

3.根据权利要求1所述的光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：反射镜组还可以与准直镜组和锥形棱镜组成非共轴系统，其中，第一和第四片反射镜位于照明系统的光轴上，第二和第三片反射镜不位于照明系统的光轴上。

4.根据权利要求1所述的光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：可将第三片反射镜设置成动镜来确保反射镜组出射光束的中心在照明系统的光轴上。

5.根据权利要求1所述的光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：为了保证反射镜组的出射光束能全部被准直，准直镜组的物方数值孔径必须大于反射镜组的出射数值孔径。

6.根据权利要求1所述的光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：所述反射镜由低转速高精度的旋转电机驱动，控制精度在秒级，以满足照明系统数值孔径调整时的对准精度要求。

7.根据权利要求1-6任一项所述的光刻照明系统中的相干因子调整装置，其特征在于：所述锥形棱镜由精度在微米量级的步进电机控制，控制精度满足照明系统的对准要求。