CN106292189A

CN106292189A - 一种照明系统

Info

Publication number: CN106292189A
Application number: CN201510268899.XA
Authority: CN
Inventors: 刘柱; 景磊
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2015-05-24
Filing date: 2015-05-24
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明涉及一种照明系统，沿光束的传播方向依次包括光源、滤波片、快门、耦合组、石英棒、中继组以及掩膜面，所述耦合组采用非球面镜片，所述滤波片、非球面镜片、石英棒以及中继组位于同一光轴上，所述光源发出的光束经所述滤波片滤波，再经过所述快门入射至所述非球面镜片上，经过所述非球面镜片耦合后的光束经过所述石英棒匀光后入射至所述中继组，经所述中继组放大后成像在所述掩膜面上。本发明采用非球面镜片作为耦合组，减少耦合组镜片数量，提高系统的透过率，同时减小耦合系统的球差，提高系统的耦合效率；滤波片放置在光源与快门之间，大大降低了快门及耦合组的温度，提高了快门及耦合组的使用寿命。

Description

一种照明系统

技术领域

本发明涉及光刻设备领域，尤其涉及一种照明系统。

背景技术

现有半导体制造中大多采用光刻技术，光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的图案，经常使用的基片为表面涂有光敏感介质的半导体晶片或玻璃基片。在光刻过程中，晶片放在晶片台上，通过光刻设备内的曝光装置，将特征图案投射到晶片表面，此过程中，硅片面的照度是光刻机重要的参数，其大小将影响到光刻胶的曝光时间，进而影响到光刻机的产率。目前，提高照明系统的照度是光刻机亟待解决的问题，通过做大量的实验发现，照明系统的能量损失主要在灯室至石英棒的位置，即耦合组的耦合效率太低。

传统照明系统如图1所示，沿光的传播方向依次包括汞灯10，椭球反射碗20，冷光镜30，快门40，耦合组50，微透镜阵列60，石英棒70，中继组80以及掩膜面90，所述耦合组50采用四个球面光学镜片51组成，中间的两个球面光学镜片51之间还设有滤波片52。由于滤波片52放置在耦合组50当中，使得快门40及耦合组50的热载荷较大，较高的热量很容易将快门40烧坏，耦合组50镜片的膜层劣化，从而降低了快门40及耦合组50的使用寿命，不仅给系统更换元件带来不必要的工作量，还增加了额外的成本；耦合组50采用四个球面光学镜片51的结构，虽然能满足一定的照度需求，但存在耦合效率较低，采用传统的照明系统时，以均匀视场为54mm×34mm，光源输入功率100W为例，进入石英棒70的能量为77.76W，均匀视场光斑的能量为60.546W，通过Lighttools仿真分析，仿真结果如图2所示，结果如下：光瞳均匀性ellfield＝0.26％，Ellcheck＝0.14％；视场均匀性仿真结果如图3所示，其均匀性为0.92％；另外，传统的照明系统还存在体积较大，成本较高，结构较复杂等问题。

发明内容

本发明提供一种照明系统，以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种照明系统，沿光束的传播方向依次包括光源、滤波片、快门、耦合组、石英棒、中继组以及掩膜面，所述耦合组采用非球面镜片，所述滤波片、非球面镜片、石英棒以及中继组位于同一光轴上，所述光源发出的光束经所述滤波片滤波，再经过所述快门入射至所述非球面镜片上，经过所述非球面镜片耦合后的光束经过所述石英棒匀光后入射至所述中继组，经所述中继组放大后成像在所述掩膜面上。

较佳地，所述非球面镜片为一双凸型正屈光度透镜，其包括一球面的第一光学面和一非球面的第二光学面。

较佳地，所述非球面镜片为熔融石英材料制成。

较佳地，所述光源为汞灯光源，所述汞灯光源与所述滤波片之间还包括椭球反射碗和冷光镜，所述汞灯光源位于所述椭球反射碗的一个焦点上，所述汞灯光源发出的光束经所述椭球反射碗的反射汇聚至所述冷光镜上，经过所述冷光镜的反射入射至所述滤波片。

较佳地，所述快门的位置与所述椭球反射碗的焦点位置错开。

较佳地，所述椭球反射碗和冷光镜的表面镀有高反膜。

较佳地，所述汞灯光源的波长为436nm、405nm、365nm或以下。

较佳地，所述石英棒的端面形状为矩形。

较佳地，所述光源为LED光源。

较佳地，所述中继组的放大倍率大于+1。

与现有技术相比，本发明提供的一种照明系统具有如下优点：

1.本发明采用非球面镜片作为耦合组，减少耦合组镜片数量，提高系统的透过率，同时减小耦合系统的球差，提高系统的耦合效率，理论仿真分析表明，耦合效率可以提高15％以上；

2.滤波片放置在光源与滤波片之间，在灯室出光口处已滤除不必要波段的光，大大降低了快门及耦合组的温度，提高了快门及耦合组的使用寿命；

3.耦合组中非球面镜片占有空间较小，在总长度不变时，可通过增大石英棒的长度，来提高照明视场的匀光效果，可以通过单独使用石英棒达到传统照明系统中的石英棒和微透镜阵列相结合的匀光效果，即可以节省微透镜阵列，从而降低系统的成本；

4.结构简单，便于安装。

附图说明

图1为现有的照明系统的结构示意图；

图2为现有的照明系统的光学分析仿真图；

图3为现有的照明系统的视场均匀性仿真图；

图4为本发明实施例一的照明系统的光路示意图；

图5为球面镜片的光路示意图；

图6为非球面镜片的光路示意图；

图7为本发明实施例一的照明系统中非球面镜片的结构示意图；

图8为本发明实施例一的照明系统的光学分析仿真图；

图9为本发明实施例一的照明系统的视场均匀性仿真图；

图10为本发明实施例二的照明系统中非球面镜片的结构示意图；

图11为本发明实施例三的照明系统的光路示意图。

图1中：10-汞灯、20-椭球反射碗、30-冷光镜、40-快门、50-耦合组、51-球面光学镜片、52-滤波片、60-微透镜阵列、70-石英棒、80-中继组、90-掩膜面；

图4-7中：110-光源、111-汞灯光源、112-椭球反射碗、113-冷光镜、120-滤波片、130-快门、140-耦合组、141-第一光学面、142-第二光学面、150-石英棒、160-中继组、170-掩膜面；

图10中：143-第一光学面、144-第二光学面；

图11中：210-LED光源、220-滤波片、230-快门、240-耦合组、250-石英棒、260-中继组、270-掩膜面。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例一

本发明提供的一种照明系统，如图4所示，沿光束的传播方向依次包括光源110、滤波片120、快门130、耦合组140、石英棒150、中继组160以及掩膜面170，本实施例中，所述光源110为汞灯光源111，所述汞灯光源111为照明系统提供所需的NA(数值孔径)的能量来源；所述汞灯光源111与所述滤波片120之间还包括椭球反射碗112和冷光镜113，所述汞灯光源111位于所述椭球反射碗112的一个焦点上，所述椭球反射碗112的作用是将从一个焦点发出的光线汇集到另一个焦点上；所述汞灯光源111发出的光束经所述椭球反射碗112的反射汇聚至所述冷光镜113上，经过所述冷光镜113的反射光束入射至所述滤波片120，所述滤波片120用于滤出ghi三线的光谱波段；所述耦合组140采用非球面镜片，所述滤波片120、非球面镜片、石英棒150以及中继组160位于同一光轴上，所述冷光镜113反射出的光束经所述滤波片120滤波，再经过所述快门130入射至所述非球面镜片上，具体的，所述快门130在每次曝光时打开，在曝光结束后关闭，快门130的叶片应尽可能小，以降低转动惯量，提高控制精度，减小快门130关闭后的漏光剂量；经过所述非球面镜片耦合后的光束经过所述石英棒150多次反射匀光后入射至所述中继组160，经所述中继组160放大后成像在所述掩膜面170上，在掩膜面170上形成所需的具有一定数值孔径、尺寸、视场均匀性和光瞳均匀性的照明区域。具体的，所述石英棒150用于将聚光单元提供的光进行均匀化，使得掩模板上的照明视场内得到具有高度均匀的光强分布，从而能够提供给中继组160合适尺寸的均匀物面；所述中继组160将一定视场一定NA的物方均匀照明面通过一定的光学变换传输到掩模板上，在掩模板上得到视场和NA都符合物镜输入条件像方均匀照明面；所述掩膜面170作为光刻物镜的物面，其表面可以是不同的图案，经投影物镜后，将掩膜面170上的图案清晰的成像到涂有光刻胶的硅片上。本发明采用非球面镜片作为耦合组140，减少耦合组140镜片数量，提高系统的透过率，同时减小耦合系统的球差，提高系统的耦合效率；滤波片120放置在光源110与快门130之间，大大降低了快门及耦合组140的温度，提高了快门130及耦合组140的使用寿命。

较佳地，请参考图5和图6，所述非球面镜片为一双凸型正屈光度透镜，其包括一球面的第一光学面141和一非球面的第二光学面142，请重点参考图5，由于轴上物点(图中O所示)不同高度的光线会聚在光轴不同位置(如图中的O₁和O₂所示)，边缘光线会聚点靠近镜片，近轴光线会聚点远离镜片，进而在光轴上会聚的不是一个物点，而是一个弥散斑，也就是产生了球差，由于球差的存在会使得边缘一些光线不能进入到匀光单元中，因为匀光单元的端面通常是矩形(包括方形)，所以圆形光斑会被切掉一部分。采用非球面镜片的光路示意图如图6所示，由于边缘光线与近轴光线通过非球面镜片后会聚成一点O’，因此，使得入射到匀光单元中的光斑较小，因此较传统的耦合组相比，采用非球面镜片可以提高照明系统的耦合效率，进而提高照明系统的照度，到达提高光刻机的产率的目的。

较佳地，请重点参考图7，在掩膜面170的NA＝0.146时，第一光学面141的曲率半径R1＝92.432mm；第二光学面142的曲率半径R2＝-9.222mm，第二光学面142的圆锥系数K＝-7.347，有效焦距f＝21.188，中心厚度d＝45mm，外径D＝90mm。

较佳地，所述非球面镜片为熔融石英(F-SILICA)材料制成，可使用玻璃精密模造方法制成，其中Nd＝1.4585为该非球面镜片的折射率，νd＝67.79为该非球面镜片的阿贝数。

上述的耦合组140应用于图4所示的照明系统时，照明均匀视场为54mm×34mm，光源110输入功率100W，进入石英棒150前端面的能量89.086W,均匀视场光斑的能量71.827W，通过Lighttools仿真分析，如图8和图9所示，其结果如下：光瞳均匀性ellfield＝0.14％，Ellcheck＝1.11％；视场均匀性为0.94％。

本实施例中的照明系统，在其他条件不变的情况下，与传统的照明系统相比，视场均匀性相差不大，但照明视场范围的光斑能量有明显的增强，且光瞳均匀性同样满足指标要求。

较佳地，所述快门130的位置与所述椭球反射碗112焦点位置错开，也就是说，所述快门130不能位于所述椭球反射碗112的焦点上，避免过大的热载荷使快门130严重变形。

较佳地，所述椭球反射碗112和冷光镜113的有效面镀有反射紫外光的高反膜，用于折转光路，减小系统的体积。

较佳地，所述汞灯光源111的波长为436nm、405nm、365nm或更短波长。

较佳地，所述石英棒150的端面形状为矩形(包括方形)。

较佳地，所述中继组160的放大倍率大于+1，且所述中继组160有一定的远心性及像质矫正的特性。

实施例二

与实施例一相比，同样以图4为例，本实施例的区别在于：所述耦合组140在掩膜面170的NA＝0.1时，请重点参考图10，其第一光学面143的曲率半径R1＝500mm；第二光学面144的曲率半径R2＝-30.499mm，第二光学面144的圆锥系数K＝-1.211，有效焦距f＝64.218，中心厚度d＝45mm，外径D＝90mm；所述非球面镜片为熔融石英(F-SILICA)材质制成，其中折射率Nd＝1.4585，阿贝数νd＝67.79。

本实施例中，所述石英棒150为方形结构，端面尺寸为17.2mm×17.2mm，长度为400mm，均匀视场为45mm×45mm，光源110输入功率100W，进入石英棒150的能量为92.582W，掩膜面170上接收的能量为92.503W；均匀视场光斑的能量75.289W，通过Lighttools仿真分析，结果如下：光瞳均匀性ellfield＝0.33％，Ellcheck＝0.28％；视场均匀性为0.94％。

同样的，照明视场范围的光斑能量明显增强。

实施例三

与实施例一和二相比，本实施例的区别在于：所述光源210为LED光源。请重点参考图11，LED光源210发出的光束经所述滤波片220滤波，再经过所述快门230入射至所述耦合组240上，经过耦合组240中的非球面镜片耦合后的光束经过所述石英棒250多次反射匀光后入射至所述中继组260，经所述中继组260放大后成像在所述掩膜面270上。

本实施例提供的照明系统，同样具有耦合效率高，体积小，成本低，延长了快门230及耦合组240的使用寿命的优点。

综上所述，本发明提供的一种照明系统，沿光束的传播方向依次包括光源、滤波片、快门、耦合组、石英棒、中继组以及掩膜面，所述耦合组采用非球面镜片，所述滤波片、非球面镜片、石英棒以及中继组位于同一光轴上，所述光源发出的光束经所述滤波片滤波，再经过所述快门入射至所述非球面镜片上，经过所述非球面镜片耦合后的光束经过所述石英棒匀光后入射至所述中继组，经所述中继组放大后成像在所述掩膜面上。本发明采用非球面镜片作为耦合组，减少耦合组镜片数量，提高系统的透过率，同时减小耦合系统的球差，提高系统的耦合效率；滤波片放置在光源与快门之间，大大降低了快门及耦合组的温度，提高了快门及耦合组的使用寿命。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种照明系统，其特征在于，沿光束的传播方向依次包括光源、滤波片、快门、耦合组、石英棒、中继组以及掩膜面，所述耦合组采用非球面镜片，所述滤波片、非球面镜片、石英棒以及中继组位于同一光轴上，所述光源发出的光束经所述滤波片滤波，再经过所述快门入射至所述非球面镜片上，经过所述非球面镜片耦合后的光束经过所述石英棒匀光后入射至所述中继组，经所述中继组放大后成像在所述掩膜面上。

2.如权利要求1所述的一种照明系统，其特征在于，所述非球面镜片为一双凸型正屈光度透镜，其包括一球面的第一光学面和一非球面的第二光学面。

3.如权利要求1或2所述的一种照明系统，其特征在于，所述非球面镜片为熔融石英材料制成。

4.如权利要求1所述的一种照明系统，其特征在于，所述光源为汞灯光源，所述汞灯光源与所述滤波片之间还包括椭球反射碗和冷光镜，所述汞灯光源位于所述椭球反射碗的一个焦点上，所述汞灯光源发出的光束经所述椭球反射碗的反射汇聚至所述冷光镜上，经过所述冷光镜的反射入射至所述滤波片。

5.如权利要求4所述的一种照明系统，其特征在于，所述快门的位置与所述椭球反射碗的焦点位置错开。

6.如权利要求4所述的一种照明系统，其特征在于，所述椭球反射碗和冷光镜的表面镀有高反膜。

7.如权利要求4所述的一种照明系统，其特征在于，所述汞灯光源的波长为436nm、405nm、365nm或以下。

8.如权利要求1所述的一种照明系统，其特征在于，所述石英棒的端面形状为矩形。

9.如权利要求1所述的一种照明系统，其特征在于，所述光源为LED光源。

10.如权利要求1所述的一种照明系统，其特征在于，所述中继组的放大倍率大于+1。