CN109634059B

CN109634059B - 曝光装置、曝光方法以及元件的制造方法

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Publication number: CN109634059B
Application number: CN201710931207.4A
Authority: CN
Inventors: 孙晶露; 田毅强
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2037-10-09
Also published as: CN109634059A

Abstract

本发明提出的一种曝光装置，包括：光学透镜模块，所述光学透镜模块具有一孔径光阑，所述孔径光阑用于调整所述光学透镜模块的数值孔径，使所述光学透镜模块具备第一数值孔径和第二数值孔径；其中，所述第一数值孔径大于所述第二数值孔径；照明模块，用于提供一第一照明光源和一第二照明光源，且所述第一照明光源中心波长小于所述第二照明光源的中心波长，所述第二照明光源的谱线宽度大于所述第一照明光源的谱线宽度；本发明通过数值孔径与照明光源的选择与切换，实现了高分辨率模式与高产率模式的切换。进而，采用本发明所提供的曝光装置的曝光方法以及元件的制造方法均能实现高分辨率模式与高产率模式的切换。

Description

曝光装置、曝光方法以及元件的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制备领域中的光刻系统及工艺，尤其涉及一种光学透镜模块。

背景技术

随着半导体技术的发展，半导体器件的尺寸不断微缩，相应的，半导体制备领域中的各种制备工艺也对工艺节点有了更高的需求，也就需要更高精度的工艺设备以满足工艺的高要求。

目前，在半导体加工制造的后道封装领域中，对光刻工艺分辨率要求也越来越高，从之前普遍的3～10μm，发展到1～3μm，甚至已经有1μm以下的工艺需求。高分辨率固然成为了生产过程中所追求的，然而，实际生产过程中，生产效率也是不容忽视的问题，因此，高分辨率和高产率都是生产过程中所追求的，可是，这两者又互相影响，难以同时满足。另外，目前光刻机照明光源通常使用汞灯，但是汞灯存在着体积大，易衰减，光强难控制和有污染等问题。随着LED光源技术的发展，LED光源的功率越来越接近现代半导体工业大功率高强度的需求。LED光源具有体积小、寿命长、出射光功率易于控制能特点。而且通过使用不同的能量收集和匀光器件可以适应不同的使用场景下需求。LED光源是汞灯的优良替代光源，是光刻设备光源的发展趋势，有很大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学透镜模块，以解决现有技术中存在的以下问题：光刻设备无法针对高分辨率和高产率的不同要求进行模式转换；以及如何避免采用汞灯作为光源带来的问题及优化像质结果。

本发明提供了一种曝光装置，包括：

光学透镜模块，所述光学透镜模块具有一孔径光阑，所述孔径光阑用于调整所述光学透镜模块的数值孔径，使所述光学透镜模块具备第一数值孔径和第二数值孔径；其中，所述第一数值孔径大于所述第二数值孔径；

照明模块，用于提供一第一照明光源和一第二照明光源，且所述第一照明光源中心波长小于所述第二照明光源的中心波长，所述第二照明光源的谱线宽度大于所述第一照明光源的谱线宽度，即所述第二照明光源的光功率大于所述第一照明光源的光功率；

当所述光学透镜模块的数值孔径为所述第一数值孔径时，所述照明模块提供所述第一照明光源，并照射至所述光学透镜模块；

当所述光学透镜模块的数值孔径为所述第二数值孔径时，所述照明模块提供所述第二照明光源，并照射至所述光学透镜模块。

可选的，所述光学透镜模块包括沿着所述光学透镜模块的光轴从物区域至像区域依次排布的第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组和第四透镜组；所述孔径光阑位于所述第二透镜组和所述第三透镜组之间。

可选的，所述孔径光阑为一可变光阑，所述可变光阑包括一叶片组合，所述叶片组合用于控制所述可变光阑的光孔直径以所述光轴为圆心连续变化。

可选的，所述第一照明光源为i线的光源。

可选的，所述第二照明光源包括g线、h线和i线中的其中至少两种光源。

可选的，还包括光源模块，所述光源模块提供一原始光源，所述光源通过所述照明模块转换为所述第一照明光源或所述第二照明光源。

可选的，所述光源模块利用一LED光源提供所述原始光源。

可选的，所述照明模块包括第一滤波片和第二滤波片；当所述原始光源通过所述第一滤波片后，转换为所述第一照明光源，当所述原始光源通过所述第二滤波片后，转换为所述第二照明光源。

可选的，所述第一数值孔径的值为0.2～0.24。

可选的，所述第二数值孔径的值为0.1～0.2。

可选的，所述曝光装置还包括掩膜台和工作台，所述光源模块所提供的所述原始光源通过所述照明模块转换为所述第一照明光源或所述第二照明光源，所述第一照明光源或所述第二照明光源投射到所述掩膜台上，经过所述掩膜台的光源照射至所述光学透镜模块，以及，所述经由所述光学透镜模块的光源照射至所述工作台上。

本发明的另一个目的在于提供一种曝光方法，使用了本发明所提供的曝光装置。

以及，一种元件的制造方法，使用了本发明所提供的曝光方法。

本发明提供的一种曝光装置通过孔径光阑调整所述光学透镜模块的数值孔径，实现了所述光学透镜模块的数值孔径在第一数值孔径和第二数值孔径下进行切换的效果，并且，进一步的，配合两个不同的数值孔径使用了两种不同中心波长且不同谱线宽度的照明光源，最终，实现了曝光装置在高分辨率模式与高产率模式之间的切换。

附图说明

图1是本发明实施例中曝光装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中第一数值孔径下的光学透镜模块结构示意图及光路示意图；

图3是本发明实施例中第二数值孔径下的光学透镜模块结构示意图及光路示意图；

图4是g线、h线和i线LED光谱和汞灯光谱的对比图；

图5是本发明实施例中光源模块和照明模块的结构示意图；

图6和图7分别是本发明实施例一中数值孔径为0.24和0.1时光学透镜系统的像差结果图；

图8和图9分别是本发明实施例一中数值孔径为0.24和0.1时光学透镜系统的像点弥散斑图；

图10和图11分别是本发明实施例一中数值孔径为0.24和0.1时光学透镜系统的场曲和畸变图；

图12和图13分别是本发明实施例一中所述光学透镜系统在0.24NA和0.1NA下的调制传递函数(MTF)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的曝光装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。

本实施例中提供了一种曝光装置的具体实施方式。

图1是本发明实施例中提供的一种曝光装置的连接关系示意图；图2是本发明实施例一中第一数值孔径下的光学透镜模块结构示意图及光路示意图；图3是本发明实施例一中第二数值孔径下的光学透镜模块结构示意图及光路示意图。以下具体参考图1～图3所示，对本发明实施例一进行详细说明。

一种曝光装置，包括：

光学透镜模块4，所述光学透镜模块具有一孔径光阑，所述孔径光阑用于调整所述光学透镜模块的数值孔径，使所述光学透镜模块具备第一数值孔径和第二数值孔径；其中，所述第一数值孔径大于所述第二数值孔径；

照明模块2，用于提供一第一照明光源和一第二照明光源，且所述第一照明光源中心波长小于所述第二照明光源的中心波长，所述第二照明光源的谱线宽度大于所述第一照明光源的谱线宽度，即所述第二照明光源的光功率大于所述第一照明光源的光功率；

当所述光学透镜模块4的数值孔径为所述第一数值孔径时，所述照明模块2提供所述第一照明光源，并照射至所述光学透镜模块4；

当所述光学透镜模块4的数值孔径为所述第二数值孔径时，所述照明模块2提供所述第二照明光源，并照射至所述光学透镜模块4。

本实施例中，通过改变所述光学透镜模块中孔径光阑500的光孔直径，使所述光学透镜模块4的数值孔径为所述第一数值孔径，所述第一数值孔径大于所述第二数值孔径；同时，配合采用所述第一照明光源，所述第一照明光源与第二照明光源相比，具有更短的中心波长。故，由于，光学透镜模块4的分辨率与光源的波长成正比，与光学透镜模块4的数值孔径成反比。因此，所述光学透镜模块在所述第一数值孔径下能够实现较高的光刻分辨率，进而所述曝光装置实现了高分辨率的工作模式。

与之相应的，通过改变所述孔径光阑500的光孔直径，使所述光学透镜模块4的数值孔径为所述第二数值孔径，所述第二数值孔径小于所述第一数值孔径；同时，配合采用所述第二照明光源，所述第二照明光源与第一照明光源相比，具体更宽的谱线宽度，即更高的光功率。由于宽谱线下，可相应提高曝光效率，因此，所述投影装置在所述第二数值孔径下能够实现高产率的工作模式。

作为优选的方案，所述光学透镜模块4包括沿着所述光学透镜模块的光轴从物区域至像区域依次排布的第一透镜组100、第二透镜组200、孔径光阑500、第三透镜组300和第四透镜组400；所述孔径光阑500位于所述第二透镜组200和所述第三透镜组300之间。

具体的，对于所述光学透镜模块中所述第一透镜组100、所述第二透镜组200、所述第三透镜组300和所述第四透镜组400中的透镜的选择以及排布并不唯一，本领域的技术人员可以根据实际情况自行选择与更改透镜。

本实施例中，所述第一透镜组100沿所述光轴从物区域至像区域方向依次排布一凹透镜101、一弯月透镜102、一平凸透镜103、一双凸透镜104、一平凹透镜105、一平凸透镜106和一凹透镜107，所述第一透镜组具有正光焦度；

第二透镜组200沿所述光轴由物区域至像区域依次包括了凹透镜201、凸透镜202、凹透镜203和凸透镜204，第二透镜组200总体具有正光焦度；作为优选的方案，所述第二透镜组200中的所述凹透镜和所述凸透镜采用双分离式结构。

双分离式结构是相对于双胶合结构而言的。一片凸透镜和一片凹透镜胶合在一起的透镜称为双胶合结构,简称双胶合。而双分离比双胶合中间增加了一个空气层,此空气层在光学设计中也可以当成是一片虚拟的透镜,能够更好的消除像差,从而使双分离比双胶合有更好的效果。

优选的方案中，所述光学透镜模块采用双远心结构，且所述第一透镜组100和所述第二透镜组200分别与所述第四透镜组400和所述第三透镜组300关于所述孔径光阑500对称。

采用双远心结构，不仅能够有效地校正色差，提高成像质量，还可以保证一定物距范围内移动物体时成像的放大倍率不会改变。当将所述光学脱净系统应用于光刻工艺中，则即使掩膜图形和硅片偏离和倾斜，投影光刻的倍率也不会发生改变。

具体的，所述第四透镜组400沿所述光轴从像区域至物区域方向依次排布一凹透镜401、一弯月透镜402、一平凸透镜403、一双凸透镜404、一平凹透镜405、一平凸透镜406和一凹透镜407，所述第四透镜组具有正光焦度；

第三透镜组300沿所述光轴由像区域至物区域依次包括了凹透镜301、凸透镜302、凹透镜303和凸透镜304，第二透镜组300总体具有正光焦度。

作为优选的方案，所述孔径光阑500为一可变光阑，所述可变光阑包括一叶片组合，所述叶片组合用于控制所述可变光阑的光孔直径以所述光轴为圆心连续变化。

基于所述可变光阑，所述第一透镜组100和所述第二透镜组200的焦距比范围为0.48～0.54。具体的，本实施例中，第一透镜组100的焦距范围为200mm～230mm；第二透镜组200的焦距范围为400mm～450mm，第一透镜组100总长约为232mm，第二透镜组200总长约为106mm，两个透镜组之间的距离约为83mm。

根据以上内容，本实施例中所述光学透镜系统是使用了22片透镜的放大倍率为-1的全球面光学透镜系统。视场为26.5mm×33mm的矩形视场，总长为950mm，物像距均为50mm。

为了便于本领域技术人员的实现，表1中列出了所述光学透镜模块各个透镜表面的具体参数，特别的，序号1代表物面，序号24代表的是孔径光阑，以及序号46面的下个表面为像面之外，表中的序号均是从物区域至像区域依次编排的，例如，凹透镜101靠近物区域的表面为2，凹透镜101靠近像区域的表面为3，其他透镜表面编号依次类推；应当说明的是，“曲率半径”给出了每个透镜表面所对应的球面半径；“厚度/间距”给出了当前表面沿光轴至下一个表面之间的距离，当两个表面属于同一透镜，则该距离可以表示所属透镜的中心厚度；“材料”给出的数值代表的是材料的折射率与色散常数，例如1.51183/65代表的是折射率为1.51183且色散常数为65的材料。

光学透镜模块的详细设计参数如下:

表1

作为优选的方案，述第一照明光源为i线的光源；所述第二照明光源包括g线、h线和i线中的其中至少两种光源。

具体的，现有的光刻工艺中，常采用的工艺为g线(436nm)、h线(405nm)和i线(365nm)，基于此，为了实现高分辨率的要求，相应的采用了i线工艺；而为了达到高产率的效果，采用了g线、h线和i线中的至少两种结合。

本实施例中，所述第一照明光源采用了i线的光源，以满足高分辨率的要求；所述第二照明光源采用了g线、h线和i线的光源，从而增大了光照强度，提高了曝光效率，以满足高产率的要求。

＝作为优选的方案，所述曝光装置还包括光源模块1，所述光源模块1提供一原始光源，所述光源通过所述照明模块2转换为所述第一照明光源或所述第二照明光源；所述光源模块1利用一LED光源提供所述原始光源；所述照明模块2包括第一滤波片和第二滤波片；当所述原始光源通过所述第一滤波片后，转换为所述第一照明光源，当所述原始光源通过所述第二滤波片后，转换为所述第二照明光源。

具体的，图4是g线、h线和i线LED光谱和汞灯光谱的对比图，表2和表3分别是g线、h线、i线光源的光谱参数和i线光源而对光谱参数，参考图4、表2和表3所示，不难看出LED作为光源相比常用的汞灯光源具有更宽的谱线宽度以及更高的光功率，可以进一步提高高产率模式下的曝光效率，同时，其光照效率易于控制，也可以降低高分辨率模式下的照明光源控制难度。此外，LED光源相比于汞灯还具有体积小和无污染的优点。

表2

表3

图5是本实施例中光源模块和照明模块的结构示意图，参考图5所示，本实施例中，所述光源模块1包括但不限于LED或者LED阵列，并且有控制系统保证LED光源输出稳定的光功率，所述照明模块2中包含有一i线滤波片，用于将原始光源转换为所述第一照明光源；以及照明模块2中还包含一g线、h线和i线滤波片，用于将原始光源转换为所述第二照明光源。

作为优选的方案，所述第一数值孔径的值为0.2～0.24；所述第二数值孔径的值为0.1～0.2。

本实施例中，利用所述可变光阑使所述光学系统的数值孔径在0.1～0.24的范围内，可实现极限分辨率为750nm的线条曝光。

具体的，本实施例中的所述可变光阑500的光孔直径的最大值为111.27mm，此时，对应了所述光学透镜组的所述第一数值孔径为0.24；所述可变光阑500的光孔直径最小值为47.29mm，此时，对应了所述光学透镜系统的所述第二数值孔径为0.1。所述可变光阑500的光孔直径通过所述叶片组合的控制下，可在111.27mm和47.29mm两个大小的档位之间切换，进而配合所述照明光源的切换，实现高分辨率模式和高产率模式的切换。

作为优选的方案，所述曝光装置还包括掩膜台3和工作台5，所述光源模块1所提供的所述原始光源通过所述照明模块2转换为所述第一照明光源或所述第二照明光源，所述第一照明光源或所述第二照明光源投射到所述掩膜台3上，经过所述掩膜台3的光源照射至所述光学透镜模块4，以及，所述经由所述光学透镜模块4的光源照射至所述工作台5上。

对于本实施例中所述的曝光系统采用了以下两种评价手段进行评判：

1、像质结果

图6和图7分别是本发明实施例一中数值孔径为0.24和0.1时光学透镜系统的像差结果图；图8和图9分别是本发明实施例一中数值孔径为0.24和0.1时光学透镜系统的像点弥散斑图；图10和图11分别是本发明实施例一中数值孔径为0.24和0.1时光学透镜系统的场曲和畸变图，参考图6～图11所示。

根据图6～图11所示结果可归纳为表4，表4是本实施例中所述光学透镜系统的主要像质结果，如表4所示，在此简述各个像质结果的成因与含义：

波像差：表示的是实际波面和理想波面之间的光程差；

慧差：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差；

像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散；具体的，根据图6和图7所示的像点弥散图即可得出数值孔径分别为0.24和0.1时所对应的像散结果。

球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为球差；

场曲：垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲；

畸变：被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变；

色差：由白色物点向光学系统发出一束白光，经该光学系列折射后，组成该束白光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光，不能会聚于同一点，即白色物点不能结成白色像点，而结成一彩色像斑的成像误差，称为色差。

本实施例中，所述光学透镜系统波像差最大值为16nm，反映了本发明的光学透镜系统成像质量的完善度。像散、球差、场曲和色差等也具有较好的结果。以及，本实施例中双远心结构的远心度误差最大值为6.4urad。

表4

2、调制传递函数(MTF)评价

图12和图13分别是本实施例中所述光学透镜系统在0.24NA和0.1NA下的调制传递函数(MTF)，如图12和图13所示，所述光学透镜系统在0.24NA下的截止频率约为1300lp/mm，具有较高的分辨率；所述光学透镜系统在0.1NA下的截止频率约为550lp/mm。

本实施例还提供了一种曝光方法，采用了本发明所提供的所述曝光装置。

以及，一种元件的制造方法，采用了本发明所提供的所述曝光方法。

综上所述，本发明所提供的一种曝光装置，通过调整孔径光阑，从而改变所述光学透镜模块的数值孔径，实现了所述光学透镜模块的数值孔径在第一数值孔径和第二数值孔径下进行切换的效果，并且，配合第一数值孔径使用了中心波长较短的第一照明光源；配合第二数值孔径使用了谱线宽度较宽的，即光功率较高的第二照明光源，进而实现了光学透镜模块在高分辨率模式与高产率模式之间的进行工作模式切换的效果。

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，倘若本发明的这些改动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动在内。

Claims

1.一种曝光装置，其特征在于，包括：

照明模块，用于提供一第一照明光源和一第二照明光源，且所述第一照明光源中心波长小于所述第二照明光源的中心波长，所述第二照明光源的谱线宽度大于所述第一照明光源的谱线宽度；

2.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，其特征在于，所述光学透镜模块包括沿着所述光学透镜模块的光轴从物区域至像区域依次排布的第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组和第四透镜组；所述孔径光阑位于所述第二透镜组和所述第三透镜组之间。

3.根据权利要求2所述的曝光装置，其特征在于，所述孔径光阑为一可变光阑，所述可变光阑包括一叶片组合，所述叶片组合用于控制所述可变光阑的光孔直径以所述光轴为圆心连续变化。

4.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述第一照明光源为i线的光源。

5.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述第二照明光源包括g线、h线和i线中的其中至少两种光源。

6.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，还包括光源模块，所述光源模块提供一原始光源，所述光源通过所述照明模块转换为所述第一照明光源或所述第二照明光源。

7.根据权利要求6所述的曝光装置，其特征在于，所述光源模块利用一LED光源提供所述原始光源。

8.根据权利要求6所述的曝光装置，其特征在于，所述照明模块包括第一滤波片和第二滤波片；当所述原始光源通过所述第一滤波片后，转换为所述第一照明光源，当所述原始光源通过所述第二滤波片后，转换为所述第二照明光源。

9.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述第一数值孔径的值为0.2～0.24。

10.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述第二数值孔径的值为0.1～0.2。

11.根据权利要求6所述的曝光装置，其特征在于，还包括掩膜台和工作台，所述光源模块所提供的所述原始光源通过所述照明模块转换为所述第一照明光源或所述第二照明光源，所述第一照明光源或所述第二照明光源投射到所述掩膜台上，经过所述掩膜台的光源的光照射至所述光学透镜模块，以及，经由所述光学透镜模块的光源的光照射至所述工作台上。

12.一种曝光方法，其特征在于，使用如权利要求1～11中任意一项所述的曝光装置。

13.一种元件的制造方法，其特征在于，使用如权利要求12中所述的曝光方法。