CN106933043B - 光刻成像系统及其投影曝光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光刻成像系统及其投影曝光方法，该光刻成像系统包括：光源、照明组件、掩模和投影物镜，所述照明组件与掩模之间和/或投影物镜与硅片之间设置有偏振补偿装置，所述投影物镜的像面上设置有远心检测装置，所述偏振补偿装置和远心检测装置分别连接至偏振控制单元。本发明通过在照明组件与投影物镜和/或投影物镜与像面之间直接加入偏振补偿装置，改变了投影物镜的偏振输入，对光刻成像系统进行偏振补偿，改善了系统传输特性，达到了提高投影成像光刻分辨率的目的；此外，在光刻成像系统中加入偏振补偿器件，不影响原照明组件和投影物镜的技术参数，因此可以在设计制造光刻曝光系统时就考虑加入，使光刻成像系统的设计简单方便。

Description

光刻成像系统及其投影曝光方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种光刻成像系统及其投影曝光方法。
背景技术
随着投影光刻技术的发展，光刻机的投影光学系统性能逐步提高，目前光刻机已成功应用于亚微米和深亚微米分辨率的集成电路制造领域。用光刻机制造集成电路芯片时，要求投影物镜(PO)具有较高的分辨率，以实现高集成度芯片的制备。为了满足对投影物镜的较高分辨率的要求，需要提高投影物镜的像方数值孔径(NA)。然而，采用大数值孔径的投影物镜导致偏振光对光刻结果的影响变得明显，对不同方向的线条使用不同的偏振态光进行曝光，可以极大的提高光刻效果。为了描述实际偏振态与理想期望偏振态的差别，引进期望偏振光强(IPS，Intensity in Preferred State)的概念。期望偏振光强(IPS)是期望偏振态的光强占总光强的比例。
将参与光刻成像的光分为TE和TM两个分量，分别考察TE和TM的成像效果，如图1-1所示，则像方总体光强分布可定义为：I＝ITE+ITM；或者将TE、TM分量按照如图1-2所示进行x，y，z分解。
如图1-3所示，当NA较小时，各种不同偏振态空间像的对比度接近，故偏振的影响可以忽略不计。
当NA>0.75时，不同偏振态各自空间像的对比度差异较大，存在一对正交的光瞳偏振模式，使得其中一种偏振态分布的空间成像对比度最大化而另一种偏振态分布的空间成像对比度最小化。通常，一维图形成像中的X，Y偏振是这样一对正交的偏振模式；如图1-4所示，二维图形成像中的TE、TM偏振也是这样一对正交的偏振模式，其中，TE偏振成像具有最大对比度，TM偏振对比度最小。
照明偏振的作用是产生与曝光图形特征相适应的偏振模式，使得空间成像对比度最大化。
IPS＝1时空间像对比度效果如图1-5所示。当系统的IPS<1时，对比度下降，投影物镜本身会造成IPS的下降，如图1-6所示。
投影物镜光瞳上任意一点均可描述为若干光强、相位、波片的组合，具体地，该光瞳点可以用Jones矩阵描述为：
其中，Jxx，Jxy，Jyx，Jyy均为复数，整个Jones矩阵共8个参数，描述了以下五类物理效果，
第一类：光瞳衰减器(截止)：描述光瞳透过率；
第二类：相位延迟器：描述波像差；
第三类：偏振相位延迟器(波片)：描述双折射，不同的偏振态具有不同的波像差；
第四类：偏振衰减器：描述不同偏振态的透过率；
第五类：相位旋转器：描述两个正交偏振态之间的转换(偏振方向旋转变化)。
偏振成像的计算正是基于该Jones矩阵8参数的定义方式。考虑到Jones矩阵在光瞳上的分布，可以将Jones矩阵每个参数在光瞳上的分布用Zernike多项式(泽尔尼克多项式)展开表示(并非最有效的方法)。
在超高数值孔径光刻机尤其是NA>1的浸没光刻机中，偏振的控制尤为重要，即为控制IPS。早期的高NA光刻机中，一直被关注的是光源的偏振影响，而掩模和投影物镜的光瞳偏振不被关注。随着浸没投影物镜NA的不断提高，照明偏振的控制所达到的IPS一般小于95％，而超高NA的偏振要求IPS大于97％，否则不能满足光刻成像需求。当NA越来越大，实际投影物镜光路上由于Fresnel效应(菲涅尔效应)、材料双折射和镀膜的影响也会改变偏振态，偏振像差的残差积累值不容忽视，需要补偿和控制。尤其是，投影物镜光学元件的表面全部进行了镀膜，而目前大多数的镀膜都采用多层膜的膜系结构。光波在每一层膜的交界面发生折反射时，其偏振状态都会发生一定程度的改变，因此，在设计阶段不知道每个膜层的折射率信息的情况下是不可能精确计算出光的偏振态是如何随着光束的传播在光路中变化的，只能在设计过程中进行估算。这些不可预计的影响需要在物镜实际加工制造出来之后用偏振补偿来控制。
物镜偏振效应用Jones矩阵表述的五个影响结果，除波像差外的，其余四个通过光刻仿真软件仿真线条CDU(CD uniformity，线宽均匀性)的影响如图1-7所示：其中光瞳截止的影响最大，其次是偏振衰减器、双折射及旋转的影响。
在投影物镜结构中，每个透镜表面都会镀抗反射膜，这些膜系都是严格按照一定入射角度来设计的，比如有的对S偏振透过率高，有的对P偏振透过率高，而完美的镀膜并不存在，镀膜偏差也会导致不同偏振态的透镜率有差异。
现有技术对曝光系统光路中偏振影响提出两种补偿方式。其中一种为：在照明系统中由于不同偏振配置情况下，照明系统的透过率均匀性不好，通过添加有效的可变的光源器件来改善照明像面的均匀性；另一种提出：在曝光系统的物镜光路中，由于材料偏振特性双折射引起的光学性能不均匀，通过在光路中布置相位可调器件来实现补偿。但是以上两种技术中都没有提到补偿物镜光瞳截止的影响，光瞳截止不仅会影响CDU，而且会引起很大的远心。
因此，如何有效控制投影物镜的偏振像差，并提高光刻成像系统传输特性，是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明提供一种光刻成像系统及其投影曝光方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光刻成像系统，包括：包括光源、照明组件、掩模和投影物镜，所述照明组件与掩模之间和/或投影物镜与硅片之间设置有偏振补偿装置，所述投影物镜的像面上设置有远心检测装置，所述偏振补偿装置和远心检测装置分别连接至偏振控制单元。
作为优选，所述偏振补偿装置包括多个可控的补偿子单元。
作为优选，所述偏振补偿装置还包括石英基板，所述石英基板上设置有若干方形区域，所述补偿子单元位于所述方形区域内。
作为优选，所述补偿子单元采用铌酸锂晶体。
作为优选，利用微阵列电极装置对所述石英基板施加电压以改变所述铌酸锂晶体的透过率。
作为优选，所述光源采用紫外激光器。
作为优选，所述照明组件，沿光路传播方向包括依次设置的扩束器单元、转折反射镜、衍射元件、照明调节单元、微透镜阵列和聚光光学系统。
作为优选，所述照明调节单元，沿光路传播方向包括依次设置的第一变焦光学元件、衍射光学元件和第二变焦光学元件。
作为优选，所述衍射光学元件采用四极照明衍射光学元件、环形照明衍射光学元件、X向二极照明衍射光学元件和Y向二极照明衍射光学元件中的一个或多个。
作为优选，所述扩束器单元包括曲率不同的两个透镜。
作为优选，所述转折反射镜与衍射元件之间还设置有旋光装置和消偏装置。
作为优选，所述投影物镜采用双远心结构且具有预定缩小比例的折射式或折反射式投影物镜。
本发明还提供一种光刻成像系统的投影曝光方法，包括：步骤1：偏振控制单元通过远心检测装置获取实际偏振态；步骤2：将实际偏振态与期望偏振态进行比较，若实际偏振态小于等于期望偏振态，则进入步骤3；若实际偏振态大于期望偏振态，则计算并调整所述偏振补偿装置后，进入步骤3；步骤3：开始对硅片曝光。
作为优选，所述偏振补偿装置包括多个可控的补偿子单元。
作为优选，所述步骤2具体包括：步骤21：将实际偏振态与期望偏振态进行比较；步骤22：若实际偏振态小于等于期望偏振态，则进入步骤3，否则进入步骤23；步骤23：根据实际偏振态与期望偏振态的数值，确定需进行透过率调节的补偿子单元及与其对应的透过率调整量；步骤24：根据该透过率调整量计算补偿子单元需要调整的物理量；步骤25：偏振控制单元根据上述数值调节各补偿子单元。
作为优选，在完成步骤25之后，返回步骤1。
作为优选，所述步骤1中，通过远心检测装置获取光刻投影系统中各视场点的远心获取实际偏振态。
作为优选，曝光垂直线条时，光刻成像系统设置X向偏振态，当曝光水平线条时，光刻成像系统设置Y向偏振态，当同时曝光垂直和水平方向线条时，光刻成像系统设置S偏振态。
与现有技术相比，本发明的光刻成像系统及其投影曝光方法，通过在照明组件与投影物镜和/或投影物镜与像面之间直接加入偏振补偿装置，改变了投影物镜的偏振输入，对光刻成像系统进行偏振补偿，改善了系统传输特性，达到了提高投影物镜分辨率的目的；此外，在光刻成像系统中加入偏振补偿器件，不影响原照明组件和投影物镜的技术参数，因此可以在设计制造光刻曝光系统时就考虑加入，使光刻成像系统的设计简单方便。
附图说明
图1-1为TE和TM偏振光示意图；
图1-2为TE和TM偏振光的分解示意图；
图1-3为NA较小时偏振态对空间像的影响效果图；
图1-4为NA大于0.75时偏振态对空间像的影响效果图；
图1-5为IPS为1时空间像对比度效果示意图；
图1-6为IPS小于1时对比度下降效果示意图；
图1-7为投影物镜偏振效应对光刻图形CDU的影响示意图；
图2为本发明一具体实施方式中光刻投影系统的结构示意图；
图3a和图3b为本发明一具体实施方式中偏振调节装置的结构示意图；
图4a至图4c分别为X向、Y向、S向偏振态示意图；
图5为本发明一具体实施方式中光刻投影系统的投影曝光方法流程图；
图6至图7为本发明一具体实施方式中偏振调节装置的补偿细节图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图2所示，本发明的光刻成像系统，包括：光源1、照明组件、掩模M和投影物镜PL，所述照明组件与掩模M之间和/或投影物镜PL与硅片W之间设置有偏振补偿装置11，所述投影物镜PL的像面上设置有远心检测装置21，所述偏振补偿装置11和远心检测装置21分别连接至偏振控制单元31。所述远心检测装置21可以检测各个视场点的远心，通过该远心来补偿偏振像差，从而降低光瞳截止导致的远心误差。本发明通过在照明组件与投影物镜PL和/或投影物镜PL与像面之间直接加入偏振补偿装置11，改变了投影物镜PL的偏振输入，对光刻成像系统进行偏振补偿，改善了系统传输特性，达到了提高投影物镜PL分辨率的目的；此外，在光刻成像系统中加入偏振补偿装置11，不会影响原照明组件和投影物镜PL的技术参数，因此可以在设计制造光刻曝光系统时就考虑加入，使光刻成像系统的设计简单方便。
所述偏振控制单元31包括探测传感系统、板卡驱动系统和电机执行系统，通过探测传感系统接收远心检测装置21中探测获得的远心数据，并进行数据分析，获得对曝光能量的偏振补偿数值，提供至板卡驱动系统。由板卡驱动系统发驱动执行命令至电机执行系统，通过电机执行系统，调整偏振补偿装置11，达到偏振补偿的期望值。
请参照图3a和图3b，所述偏振补偿装置11包括多个可控的补偿子单元11a，即偏振控制单元31可以对各补偿子单元11a进行分别控制，实现部分区域偏振补偿。具体地，所述偏振补偿装置11还包括石英基板11b，所述石英基板11b上设置有若干方形区域12，所述补偿子单元11a位于所述方形区域12内。
进一步的，所述补偿子单元11a采用横向调制晶体，具体采用铌酸锂晶体(LiNbO3)，通过控制铌酸锂晶体的电场可以控制其透过率，本实施例采用微阵列电极装置对石英基板11b施加电压，来调节各补偿子单元11a的电场，通过电场改变来实现不同补偿子单元11a的透过率改变，以满足投影物镜PL的偏振像差补偿需求。
作为优选，所述光源1采用紫外激光器，具体可以采用193nm的ArF激光器或248nm的KrF激光器。
继续参照图2，所述照明组件包括依次设置的扩束器单元2、转折反射镜3、旋光装置10、消偏装置20、衍射元件4、照明调节单元、微透镜阵列8和聚光光学系统9。进一步的，所述照明调节单元包括依次设置的第一变焦光学元件5、衍射光学元件6和第二变焦光学元件7。
作为优选，所述衍射光学元件6采用四极照明衍射光学元件60、环形照明衍射光学元件61、X向二极照明衍射光学元件62或Y向二极照明衍射光学元件63。
作为优选，所述扩束器单元2包括曲率不同的两透镜2a和2b。
光源1发出的光束沿Z轴方向传播，经曲率不同的透镜2a和2b后的光斑在XY平面上的截面为长扇形。即光源1发出的光束经扩束器单元2后在XY截面上输出预定的目标扇形的光斑。接着，光束经转折反射镜3转为沿Y向传播，经消光装置10和纠偏装置20后，经衍射元件4进入到照明调节单元，该照明调节单元中的第一变焦光学单元5、衍射光学元件6和第二变焦光学元件7一起调节光斑，实现不同照明模式和不同相关因子的照明分布，接着，微透镜阵列8实现均匀照明，聚光光学系统9将调节完成的均匀光束成像至掩模M处。
继续参照图2，所述投影物镜PL位于掩模M的下方，其光轴AX与Z轴平行。进一步的，由于本实施例采用双远心结构且具有预定缩小比例为1/5或1/4的折射式或折反射式投影物镜，所以当曝光光束照射掩模M的掩模图案时，掩模图案经过透明物镜PL在涂覆有光刻胶的硅片W上成缩小的像。
如图5所示，结合图2，本发明还提供一种光刻成像系统的投影曝光方法，并具体包括以下步骤：
步骤1：偏振控制单元31通过远心检测装置21获取实际偏振态TELm；具体地，通过远心检测装置21探测光刻投影系统中各视场点的远心，从而获取实际偏振态TELm；
步骤2：将实际偏振态TELm与期望偏振态TELper进行比较，若实际偏振态TELm小于等于期望偏振态TELper，即TELm≤TELper，则进入步骤3；若实际偏振态TELm大于期望偏振态TELper，即TELm＞TELper，则计算并调整所述偏振补偿装置11后，进入步骤3；
由于所述偏振补偿装置11包括多个可控的补偿子单元11a，因此步骤2可以具体为：
步骤21：将实际偏振态TELm与期望偏振态TELper进行比较；
步骤22：若TELm≤TELper，则进入步骤3，否则(TELm＞TELper)则进入步骤23；
步骤23：根据实际偏振态TELm与期望偏振态TELper的数值，确定需进行透过率调节的补偿子单元11a及与其对应的透过率调整量△Trann；其中，n为各补偿子单元11a的编号；
步骤24：根据该透过率调整量△Trann计算补偿子单元11a需要调整的物理量△Ln；
步骤25：偏振控制单元31根据上述物理量△Ln调节各补偿子单元11a。
步骤3：开始对硅片W曝光。
进一步的，本发明可以在完成步骤25之后，返回步骤1，即在调整完成后，重新检测各视场的远心状态，如果不满足重复步骤1至步骤2，直至远心满足需求。
需要说明的是，对不同的掩模图案进行曝光时，光刻成像系统会根据掩膜图案预先设置不同的期望偏振态TELper，具体地，当需要曝光垂直线条时，光刻成像系统设置如图4a所示的X向偏振态，当曝光水平线条时，光刻成像系统设置如图4b所示的Y向偏振态，当同时曝光垂直和水平方向线条时，光刻成像系统设置如图4c所示的S偏振态。
当投影物镜PL中存在双折射或镀膜的影响时，光瞳均匀性存在差异，造成的远心超标。如图6和图7所示，通过光瞳透过率与理想完全均匀的透过率差异，可以通过偏振控制单元31对方形区域12中的补偿子单元11a进行调整，调整量为ΔTrann，经过调整后，使远心满足需求。
综上所述，本发明的光刻成像系统及其投影曝光方法，该系统包括：光源1、照明组件、掩模M和投影物镜PL，所述照明组件与掩模M之间和/或投影物镜PL与硅片W之间设置有偏振补偿装置11，所述投影物镜PL的像面上设置有远心检测装置21，所述偏振补偿装置11和远心检测装置21分别连接至偏振控制单元31。所述远心检测装置21可以检测各个视场点的远心，通过该远心来补偿偏振像差，从而降低光瞳截止导致的远心误差。本发明通过在照明组件与投影物镜PL和/或投影物镜PL与像面之间直接加入偏振补偿装置11，改变了投影物镜PL的偏振输入，对光刻成像系统进行偏振补偿，改善了系统传输特性，达到了提高投影物镜PL分辨率的目的；此外，在光刻成像系统中加入偏振补偿装置11，不会影响原照明组件和投影物镜PL的技术参数，因此可以在设计制造光刻曝光系统时就考虑加入，使光刻成像系统的设计简单方便。
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 (18)

1.一种光刻成像系统，包括光源、照明组件、掩模和投影物镜，其特征在于，所述照明组件与掩模之间和/或投影物镜与硅片之间设置有偏振补偿装置，所述偏振补偿装置用于调整光瞳均匀性，所述投影物镜的像面上设置有远心检测装置，所述远心检测装置用于检测各个视场点的远心，所述偏振补偿装置和所述远心检测装置分别连接至偏振控制单元。
2.如权利要求1所述的光刻成像系统，其特征在于，所述偏振补偿装置包括多个可控的补偿子单元。
3.如权利要求2所述的光刻成像系统，其特征在于，所述偏振补偿装置还包括石英基板，所述石英基板上设置有若干方形区域，所述补偿子单元位于所述方形区域内。
4.如权利要求3所述的光刻成像系统，其特征在于，所述补偿子单元采用铌酸锂晶体。
5.如权利要求4所述的光刻成像系统，其特征在于，利用微阵列电极装置对所述石英基板施加电压以改变所述铌酸锂晶体的透过率。
6.如权利要求1所述的光刻成像系统，其特征在于，所述光源采用紫外激光器。
7.如权利要求1所述的光刻成像系统，其特征在于，所述照明组件，沿光路传播方向包括依次设置的扩束器单元、转折反射镜、衍射元件、照明调节单元、微透镜阵列和聚光光学系统。
8.如权利要求7所述的光刻成像系统，其特征在于，所述照明调节单元，沿光路传播方向包括依次设置的第一变焦光学元件、衍射光学元件和第二变焦光学元件。
9.如权利要求8所述的光刻成像系统，其特征在于，所述衍射光学元件采用四极照明衍射光学元件、环形照明衍射光学元件、X向二极照明衍射光学元件和Y向二极照明衍射光学元件至少其一。
10.如权利要求7所述的光刻成像系统，其特征在于，所述扩束器单元包括曲率不同的两个透镜。
11.如权利要求7所述的光刻成像系统，其特征在于，所述转折反射镜与所述衍射元件之间还设置有旋光装置和消偏装置。
12.如权利要求1所述的光刻成像系统，其特征在于，所述投影物镜采用双远心结构且具有预定缩小比例的折射式或折反射式投影物镜。
13.一种光刻成像系统的投影曝光方法，其特征在于，包括：
步骤1：偏振控制单元通过远心检测装置获取实际偏振态；
步骤2：将实际偏振态与期望偏振态进行比较，若实际偏振态小于等于期望偏振态，则进入步骤3；若实际偏振态大于期望偏振态，则计算并调整偏振补偿装置后，进入步骤3；
步骤3：开始对硅片曝光。
14.如权利要求13所述的投影曝光方法，其特征在于，所述偏振补偿装置包括多个可控的补偿子单元。
15.如权利要求14所述的投影曝光方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤21：将实际偏振态与期望偏振态进行比较；
步骤22：若实际偏振态小于等于期望偏振态，则进入步骤3，否则进入步骤23；
步骤23：根据实际偏振态与期望偏振态的数值，确定需进行透过率调节的补偿子单元及与其对应的透过率调整量；
步骤24：根据该透过率调整量计算补偿子单元需要调整的物理量；
步骤25：偏振控制单元根据上述数值调节各补偿子单元。
16.如权利要求15所述的投影曝光方法，其特征在于，在完成步骤25之后，返回步骤1。
17.如权利要求13所述的投影曝光方法，其特征在于，所述步骤1中，通过远心检测装置获取光刻投影系统中各视场点的远心获取实际偏振态。
18.如权利要求13所述的投影曝光方法，其特征在于，曝光垂直线条时，光刻成像系统设置X向偏振态，当曝光水平线条时，光刻成像系统设置Y向偏振态，当同时曝光垂直和水平方向线条时，光刻成像系统设置S偏振态。
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