CN106556974B - 光刻照明系统以及光刻设备 - Google Patents

Abstract

一种光刻照明系统，包括：照明单元，用于提供环形入射光；透光板，用于遮挡部分所述环形入射光以形成投射至掩膜的透射光，所述透射光包括多段弧形透射光和位于相邻弧形透射光之间的圆点形透射光。本发明通过使所述透光板在形成多段弧形透射光之外，还在弧形透射光的连接处形成圆点形透射光，以圆点形透射光补充弧形透射光连接处的光能不足，从而提高所述光刻照明系统产生光束光能分布的均匀性，优化光刻效果，扩大工艺窗口。而且，通过改变透光板的设计直接形成弧形透射光和圆点形透射光的方法简单易行。

Description

光刻照明系统以及光刻设备

技术领域

本发明涉及半导体光刻领域，特别涉及一种光刻照明系统以及光刻设备。

背景技术

随着集成电路制造技术的不断发展，人们对集成电路的集成度和性能的要求变得越来越高。为了提高集成度，降低成本，元器件的关键尺寸不断变小，集成电路内部的电路密度越来越大。

集成电路制造过程中，通常采用光刻技术实现半导体器件的制造，通过投影、显影等工艺，使掩膜上的图线转移至半导体材料上，并通过刻蚀、沉积等工艺以形成二极管、三极管、电阻、电容等元件及其相互之间的连线。

照明系统是投影光刻机的核心部件之一。光源发出的光束经照明系统后投射至掩膜，再由物镜系统将掩膜上的图形复制到衬底表面。照明系统的质量直接影响到光刻的质量。照明系统的重要指标之一是光能分布的均匀性，较好的光能分布均匀性，能够有效提高光刻的分辨率，增大焦深。

但是现有技术中的光刻照明系统无法满足光刻技术对光束光能分布的均匀性的要求。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种光刻照明系统以及光刻设备，以提高光束光能分布的均匀性。

为解决上述问题，本发明提供一种光刻照明系统，用于提供投射至掩膜的光束，包括：

照明单元，用于提供环形入射光；

透光板，用于遮挡部分所述环形入射光以形成投射至掩膜的透射光，所述透射光包括多段弧形透射光和位于相邻弧形透射光之间的圆点形透射光。

可选的，所述照明单元包括：光源，用于产生照明光束；环形单元，用于使所述照明光束形成环形入射光。

可选的，所述多段弧形透射光相同。

可选的，所述多段弧形透射光构成四极照明；所述圆点形透射光的数量为4个，分别位于四极照明的连接处。

可选的，所述弧形透射光的外相干系数在0.8到0.98范围内。

可选的，所述弧形透射光的内相干系数在0.5到0.8范围内。

可选的，所述弧形透射光的弧形角度在30度到60度范围内。

可选的，任一圆点形透射光的圆心与所述弧形透射光的圆心距离均相等。

可选的，所述圆点形透射光的圆心到所述弧形透射光的圆心的相干系数在0.3到0.88范围内。

可选的，所述圆点形透射光的半径的相干系数在0.05到0.15范围内。

可选的，所述照明光束的波长包括248nm、193nm、157nm或126nm。

相应的，本发明还提供一种光刻设备，包括：

本发明所提供的光刻照明系统；

掩膜台，用于放置光刻掩膜，所述光刻照明系统提供的光束投射至所述掩膜上。

可选的，所述光刻照明系统的数值孔径在1.3到1.35范围内。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明通过使所述透光板在形成多段弧形透射光之外，还在弧形透射光的连接处形成圆点形透射光，以圆点形透射光补充弧形透射光连接处的光能不足，从而提高所述光刻照明系统产生光束光能分布的均匀性，优化光刻效果，扩大工艺窗口。而且，通过改变透光板的设计直接形成弧形透射光和圆点形透射光的方法简单易行。

附图说明

图1是现有技术中一种光刻照明系统所形成光斑的形状示意图；

图2是本发明光刻照明系统一实施例的结构示意图；

图3是图2所示光刻照明系统所形成光斑的形状示意图；

图4是本发明所提供光刻设备一实施例的结构示意图；

图5是图4所示光刻设备与现有技术中一种光刻设备对同一掩膜进行曝光工艺浮动带宽的比较图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中的光刻照明系统存在均匀性较低的问题。现结合现有技术中光刻照明系统分析其均匀性低问题的原因：

参考图1，示出了现有技术中一种光刻照明系统所形成光斑的形状示意图。

所述光源是通过遮挡部分环形光源而形成的由多段圆弧构成的弧形透射光10，也就是说，在相邻弧形透射光10的连接处存在遮挡(如圈11中所示)。因此所述弧形透射光10投射到掩膜上进行曝光时，在相邻弧形透射光10连接处的光强小于弧形透射光10中心处的光能，造成了投射到掩膜上光束光能分布不均，从而影响光刻质量，影响所形成半导体器件的性能。

为解决所述技术问题，本发明提供一种光刻照明系统，包括：

照明单元，用于提供环形入射光；透光板，用于遮挡部分所述环形入射光以形成投射至掩膜的透射光，所述透射光包括多段弧形透射光和位于相邻弧形透射光之间的圆点形透射光。

本发明通过使所述透光板在形成多段弧形透射光之外，还在弧形透射光的连接处形成圆点形透射光，以圆点形透射光补充弧形透射光连接处的光能不足，从而提高所述光刻照明系统产生光束光能分布的均匀性，优化光刻效果，扩大工艺窗口。而且，通过改变透光板的设计直接形成弧形透射光和圆点形透射光的方法简单易行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图2，示出了本发明光刻照明系统一实施例的结构示意图。

需要说明的是，所述光刻照明系统用于提供投射至掩膜300的光束230。

所述光刻照明系统包括：

照明单元100用于提供环形入射光120。

具体的，所述照明单元100包括：

光源101，用于产生照明光束102。

具体的，所述光源101产生的照明光束102的波长包括248nm、193nm、157nm或126nm等。本实施例中，所述光源101包括ArF准分子激光器，因此所述照明光束102由ArF准分子激光器输出的193nm的光形成。

本实施例中，所述光源101还可以包括扩束系统(图中未示意)，由ArF准分子激光器产生193nm的激光，经扩束系统形成具有一定束宽的照明光束102。

但是，需要说明的是，本实施例中采用激光形成照明光束的做法仅为一示例。本发明其他实施例中，根据工艺要求，所述光源101还可以包括汞灯光源、椭球镜以及积分透镜。所述汞灯光源发出的紫外光经椭球镜反射后到达积分透镜，在积分透镜形成汞灯的多个二级光源。由积分透镜形成的汞灯的多个二级光源产生的照明光束102。本发明对光源101的具体结构不做限制。本实施例中，采用准分子激光器具有发光效率高、光功率大、带宽窄的好处。

所述照明单元100还包括用于使所述照明光束102形成环形入射光120的环形单元103。

具体的，本实施例中，所述环形单元103可以包括锥形棱镜组和变倍扩束光组。通过调整锥形棱镜组的间距，可以同时改变环形入射光120内外环的半径而保持环的宽度不变。变倍扩速光组可以实现对光束的内外等比例放大，两者结合就可以对所述环形入射光120内外环半径分别进行调节。

需要说明的是，本实施例中，采用包括锥形棱镜组和变倍扩束光组的环形单元103的做法仅为一示例。本发明的其他实施例中，还可以通过在光源101后添加环形相干片以形成环形入射光120，也就是说，所述环形单元103还可以包括环形相干片。本发明对所述环形单元103的具体结构不做限定。

所述光刻照明系统还包括：透光板200，用于遮挡部分所述环形入射光120以形成投射至掩膜300的透射光230，所述透射光230包括多段弧形透射光和位于相邻弧形透射光之间的圆点形透射光。

所述透光板200上形成有一定的透光区和遮光区，所述透光区用于使所述环形入射光120透过形成透射光230，所述遮光区用于遮挡部分所述环形入射光120，以使所述透射光230中包括多段弧形透射光。

结合参考图3，示出了图2所示光刻照明系统所形成光斑的形状示意图。

所述透射光230包括多段弧形透射光231和位于相邻弧形透射光之间的圆点形透射光232。

具体的，所述弧形透射光231是环形入射光120部分被遮挡后所形成的。本实施例中，为了提高所述透射光230在掩膜平面上光能分布的均匀性，提高光刻质量，多段所述弧形透射光231相同。具体的，多段所述弧形透射光231的形状相同、宽度相同、弧形角度相同，也就是说，所述多段弧形透射光231完全相同。

需要说明的是，本实施例中，所述光刻照明系统用于静态随机存取存储器(StaticRandom Access Memory,SRAM)的形成工艺中。由于SRAM器件对于水平方向和垂直方向的工艺要求较高，因此本实施例中，所述透射光230中包含有四段相同的弧形透射光231，并且四段所述弧形透射光231平均分布在同一圆周上，以构成四极照明。具体的，四段所述弧形透射光231中的两段位于一圆周的水平位置，另两段位于同一圆周的垂直位置，从而构成四极照明。

通常成像系统的相对孔径与照明系统的相对孔径是相匹配的，即要求照明光充满成像物镜的光瞳。但是照明光充满成像物镜光瞳的做法不利于提高光学系统的成像对比度。因此，使成像物镜光瞳大于照明光光束尺寸的做法能够改善光学系统成像的对比度。而成像物镜光瞳尺寸与照明光光束尺寸的相对大小通常以相干系数(Sigma)进行标度，其中相干系数表示照明光在成像物镜光瞳上的半径与物镜光瞳半径的比值。当相干系数小于1时，相应的成像光学系统被称为部分相干系统，能够减小工艺系数因子k₁，从而提高系统成像分辨率。

具体的，本实施例中，所述弧形透射光231是由遮挡部分环形透射光120而形成的，因此，本实施例中所述弧形透射光231包括外相干系数241(SigmaOut)和内相干系数242(SigmaIn)。

如果外相干系数241过大，则会使所述光刻照明系统成像对比度较低；如果外相干系数241过小，则会影响所述光刻照明系统成像的光场范围大小。因此，所述弧形透射光的外相干系数241在0.8到0.98范围内。

相应的，如果内相干系数242过大，会使所述光刻照明系统的通光量过小，影响光刻剂量，从而影响光刻效率；如果内相干系数242过小，则会影响所述光刻照明系统成像的对比度。因此，所述弧形透射光231的内相干系数242在0.5到0.8范围内。

此外，由于所述弧形透射光231的外相关系数241和内相关系数242的差值与所述光刻照明系统输出的光功率相关，决定了所述光刻照明系统的曝光速度。为了提高所述光刻照明系统的生产能力，实用中需要较短的曝光时间，因此需要提高照明系统的光能利用率和透过率。具体的，所述弧形透射光231的外相关系数241和内相关系数242的差值在0.15到0.3范围内。

进一步，所述弧形透射光231的弧形角度243(Ringwidth)也会影响所述光刻照明系统的光刻效果。具体的，如果所述弧形透射光231的弧形角度243过大，则会影响所述光刻照明系统成像的对比度；如果弧形透射光231的弧形角度243过小，则系统通光量过小影响光刻剂量。因此所述弧形透射光231的弧形角度243范围在30度到60度范围内。

此外，光刻照明系统投射到掩膜300上的透射光230必须具有较高的照明均匀性，以保证后续曝光光刻工艺中所形成的图像的曝光量具有相当的一致性，也就是说，光刻照明系统的均匀性的提高有利于提高光刻质量，提高所形成半导体器件的性能。因此，为了提高投射至掩膜300的透射光230的均匀性，所述透射光230还包括位于相邻弧形透射光231之间的圆点形透射光232。

具体的，由于所述弧形透射光231是通过遮挡部分所述环形入射光120形成的，因此投射至掩膜300的透射光230在环形入射光120受遮挡的部分的光能比未受遮挡部分的光能小，也就是说，透射光230在相邻弧形透射光231之间位置的光能比弧形透射光231位置的光能小。所以，通过在相邻弧形透射光231之间设置圆点形透射光232，增强相邻弧形透射光231之间位置的光能，能够提高透射光230的均匀性。

本实施例中，由于多段所述弧形透射光231构成四极照明，所述弧形透射光231的数量为四段，因此所述圆点形透射光232的数量也为四个，而且四个圆点形透射光232分别位于所述四极照明的对角线位置。

所述圆点形透射光232的尺寸太大，则会影响所述光刻照明系统成像的对比度；如果圆点形透射光232的尺寸太小，则无法实现补充环形入射光120受遮挡的部分光能，提高透射光230均匀性的作用。因此，本实施例中，所述圆点形透射光232半径的相干系数244(Aradius)在0.05到0.15范围内。

此外，为了使多个圆点形透射光232在所述掩膜300上的光能分布均匀，任一个圆点形透射光232的圆心与所述弧形透射光231的圆心距离均相等。换句话说，多个所述圆点形透射光232的圆心分布在所述弧形透射光231的同心圆周上。

需要说明的是，如果所述圆点形透射光232的圆心到所述弧形透射光231圆心的距离太大，所述圆点形透射光232距离弧形透射光231弧形圆心的距离过远，所述圆点形透射光232的位置远离相邻弧形透射光231的连接处，无法实现增强相邻弧形透射光231之间位置光能的作用；如果圆点形透射光232的圆心到所述弧形透射光231圆心的距离太小，所述圆点形透射光232的位置也会远离相邻弧形透射光231的连接处，无法提高透射光230在掩膜上的均匀性。本实施例中，所述圆点形透射光232圆心到所述弧形透射光231圆心的相干系数245(SigmaA)在0.3到0.88范围内。

相应的，本发明还提供一种光刻设备，包括：

本发明所提供的光刻照明系统；掩膜台，用于放置光刻掩膜，所述光刻照明系统提供的光束投射至所述掩膜上。

参考图4，示出了本发明所提供光刻设备一实施例的结构示意图。

所述光刻系统包括：光刻照明系统1000，所述光刻照明系统1000为本发明所提供的光刻照明系统，具体方案参考前述光刻照明系统的实施例，在此不再赘述。

需要说明的是，光学系统的数值孔径(Numerical Aperture，NA)是衡量系统能够收集光的角度范围。在光学显微镜领域，数值孔径描述了物镜收光锥角的大小，而物镜收光锥角的大小决定了显微镜收光能力和空间分辨能力的强弱。

数值孔径与光学系统其他技术参数有着密切的关系，它与分辨率成正比，与放大率成反比。数值孔径的增大，视场宽度与工作距离都会相应的减小。对于光刻照明系统来说，光刻分辨率的公式为：R＝k₁λ/NA，其中k₁为工艺系数因子，λ为曝光波长，NA为光刻物镜的数值孔径。由此可见，数值孔径的提高能够提高光刻的分辨能力。

此外，根据光学原理，在焦深(Depth Of Focus,DOF)范围内，光学系统的成像质量是可以接受的。光刻过程中，需要将掩膜上的图形转移到光刻胶上，为了使光刻胶上所形成的图形侧壁陡直，具有一定厚度的光刻胶需要曝光一致，也就是说光刻照明系统的焦深需要大于光刻胶的厚度。而光学系统的焦深与其数值孔径和成像波长相关：DOF＝k₂λ/NA²，其中k₂是焦深工艺因子。由此可见，数值孔径的提高会受到系统焦深的限制。因此，本实施例中，所述光刻照明系统的数值孔径在1.3到1.35范围内。

所述光刻设备还包括：用于放置光刻掩膜2000的掩膜台3000，所述光刻照明系统1000提供的光束1200投射至所述掩膜2000上。

所述掩膜台3000为可调掩膜台，用于使掩膜2000与光刻照明系统1000以及待处理硅片实现对准。在进行光刻时，掩膜2000设置于所述掩膜台3000朝向所述光刻照明系统1000的一面上，所述光刻照明系统1000提供的光束1200投射至所述掩膜2000上以进行光刻。

参考图5，示出了图4所示光刻设备与现有技术中一种光刻设备对同一掩膜进行曝光工艺浮动带宽(Process Variation Band，PV-Band)的比较图。图中横坐标表示掩膜上14个不同的采样点的编号；纵坐标表示相应采样点的PV-Band范围值。图线51表示的是图4所示光刻设备对掩膜进行曝光的PV-Band范围值；图线52表示的现有技术中一种光刻设备对同一掩模进行曝光的PV-Band范围值。

需要说明的是，本实施例中，图4所示光刻设备中光刻照明系统的数值孔径为1.35，外相干系数为0.8，内相干系数为0.6，弧形透射光的弧形角度为45°，圆形透射光的圆形到所述弧形透射光的圆心的相干系数为0.56，所述圆形透射光半径的相干系数为0.15。

如图5所示，对于掩膜上编号为07到13的采样点，图线51所示光刻设备曝光的PV-Band范围值小于图线52所示光刻设备曝光的PV-Band范围值；而对于其他采样点，图线51所示光刻设备的曝光PV-Band范围值与图线52所示光刻设备的曝光PV-Band范围值相当。PV-Band范围值用以表征当工艺参数在可控的范围内发生变化时，器件的关键尺寸变化的最大范围。所以PV-Band范围值越小，说明版图设计的可制造性越高。换句话说，对于光刻设备而言，PV-Band范围值越小，说明光刻设备的成像质量稳定性越高。所以如图5所示，图4所示的光刻设备的成像质量稳定性较优。

此外，在获得图5所示PV-Band范围值的曝光过程中，还可以获得，图4所示光刻设备的焦深为102纳米，而现有技术中光刻设备的焦深为84纳米。与现有技术中的光刻设备相比，图4所示光刻设备的成像焦深提高了20％左右。焦深可以认为是工艺允许的，并可获得光刻效果的聚焦误差范围，因此，焦深的提高也就扩大了曝光的工艺窗口，提高了所述光刻设备的工艺能力。

综上，本发明通过使所述透光板在形成多段弧形透射光之外，还在弧形透射光的连接处形成圆点形透射光，以圆点形透射光补充弧形透射光连接处的光能不足，从而提高所述光刻照明系统产生光束光能分布的均匀性，优化光刻效果，扩大工艺窗口。而且，通过改变透光板的设计直接形成弧形透射光和圆点形透射光的方法简单易行。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种光刻照明系统，用于提供投射至掩膜的光束，其特征在于，包括：

照明单元，用于提供环形入射光；

透光板，用于遮挡部分所述环形入射光以形成投射至掩膜的透射光，所述透射光包括多段弧形透射光和位于相邻弧形透射光之间的圆点形透射光，所述圆点形透射光的半径的相干系数在0.05到0.15范围内。

2.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述照明单元包括：

光源，用于产生照明光束；

环形单元，用于使所述照明光束形成环形入射光。

3.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述多段弧形透射光相同。

4.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述多段弧形透射光构成四极照明；所述弧形透射光的数量为四段，所述圆点形透射光的数量为四个。

5.如权利要求4所述的光刻照明系统，其特征在于，四段弧形透射光中的两段位于一圆周的水平位置，另两段位于同一圆周的垂直位置以构成四极照明，四个圆点形透射光分别位于所述四极照明的对角线方向。

6.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述弧形透射光的外相干系数在0.8到0.98范围内。

7.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述弧形透射光的内相干系数在0.5到0.8范围内。

8.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述弧形透射光的弧形角度在30度到60度范围内。

9.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述圆点形透射光的数量为多个，多个圆点形透射光的圆心与所述弧形透射光的圆心距离均相等。

10.如权利要求9所述的光刻照明系统，其特征在于，所述圆点形透射光的圆心到所述弧形透射光的圆心的相干系数在0.3到0.88范围内。

11.如权利要求1所述的光刻照明系统，其特征在于，所述照明光束的波长包括248nm、193nm、157nm或126nm。

12.一种光刻设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至权利要求11任一项权利要求所提供的光刻照明系统；

掩膜台，用于放置光刻掩膜，所述光刻照明系统提供的光束投射至所述掩膜上。

13.如权利要求12 所述的光刻设备，其特征在于，所述光刻照明系统的数值孔径在1.3到1.35范围内。