CN111279264A - 照明光学系统、曝光装置和物品制造方法 - Google Patents

照明光学系统、曝光装置和物品制造方法 Download PDF

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Abstract

一种照明光学系统被配置成包括：第一透镜阵列FE，该第一透镜阵列FE包括将从光源发射的光束分成多个光束的多个透镜单元；第二透镜阵列MLAi，该第二透镜阵列MLAi包括从第一透镜阵列中包括的透镜单元出射的点光被会聚在其中的透镜单元；以及第一光学构件IL3，该第一光学构件IL3使被会聚在第二透镜阵列中包括的透镜上的点光的图像形成在构成光学调制单元的一个光学调制元件上。

Description

照明光学系统、曝光装置和物品制造方法
技术领域
本发明涉及照明光学系统、曝光装置以及使用它们的物品制造方法。
背景技术
已知用于通过投影光学系统将原件(掩模)的图案转印到感光基板的曝光装置。近来，随着经受由曝光装置曝光的基板的尺寸增大，形成有图案的掩模也增大。掩模的较大尺寸增大了掩模自身的成本，延长了掩模的制造时间并且增大了掩模的制造成本。
在这种情况下，注意力被集中于能够在不使用形成有图案的掩模的情况下在基板上形成图案的所谓的无掩模曝光装置。无掩模曝光装置是使用诸如数字微镜器件(DMD)之类的光学调制器的数字曝光装置。根据无掩模曝光装置，通过利用DMD生成与曝光图案对应的曝光光，并通过根据与曝光图案对应的图案数据在基板上执行曝光，可以在不使用掩模的情况下在基板上形成图案。
专利文献(PTL)1公开了一种曝光装置，在该曝光装置中通过使从激光发射单元发射的激光束入射在光学调制单元的各个光学调制元件上，并且通过利用每个光学调制元件将入射激光束调制为要么曝光状态要么非曝光状态来执行根据图像数据的图像曝光。
[引文列表]
[专利文献]
PTL 1：日本专利申请公开No.2004-62155
发明内容
[技术问题]
在PTL 1中公开的曝光装置中，从设置在DMD的光入射侧的照明单元中所包括的光纤阵列光源发射的激光束被会聚在DMD上，以用激光束一次照亮DMD。
图6示出了在PTL 1中公开的曝光装置中的光路。照明光束被构成DMD的每个镜选择性地调制和反射，并且反射的光束进入投影光学系统PO。已经进入投影光学系统PO的光通过构成投影光学系统PO的第一光学系统L1、微透镜阵列MLA、针孔构件PH和第二光学系统L2被会聚到基板PL上。
这里，当照明光束在图6中由标记x表示的位置处被反射时，反射光变为噪声光并引起曝光光的分辨率性能的降低。在图6中由标记x表示的位置表示构成DMD的每个镜的周边区域、构成DMD的镜的相邻两个镜之间的间隙等。
如上所述，当用照明光束一次照亮DMD时，由于从构成DMD的镜的周边区域、构成DMD的镜的相邻两个镜之间的间隙等反射的光，可能发生曝光光的分辨率性能的降低。
本发明的一个目的是提供照明光学系统和曝光装置，其每个都可以实现曝光光的分辨率性能的提高。
[解决问题的方法]
本发明提供了一种照明光学系统，该照明光学系统利用从光源发射的光束照亮包括多个光学调制元件的光学调制单元，该照明光学系统包括第一透镜阵列，该第一透镜阵列包括将从光源发射的光束划分为多个光束的多个透镜单元；第二透镜阵列，该第二透镜阵列包括从第一透镜阵列中包括的透镜单元出射的点光被会聚在其上的多个透镜单元；以及第一光学构件，该第一光学构件使被会聚在第二透镜阵列中包括的透镜单元上的点光成像到构成光学调制单元的光学调制元件中的一个光学调制元件。
[发明的有益效果]
根据本发明，获得了各自能够实现曝光光的分辨率性能的提高的照明光学系统和曝光装置。
附图说明
图1示出了根据第一实施例的照明光学系统的配置。
图2表示构成DMD的微镜中的照度分布。
图3示出了根据第二实施例的照明光学系统的配置。
图4表示构成DMD的微镜中的照度分布。
图5示出了包括根据本发明的照明光学系统的曝光装置的配置。
图6是被参考以说明现有技术的问题的说明图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。注意的是，本发明不限于以下实施例，并且以下实施例仅仅是执行本发明的实际示例。
[第一实施例]
下面将参考图1描述根据第一实施例的照明光学系统IL和投影光学系统PO的配置。根据这个实施例的光学系统可以应用于所谓的无掩模曝光装置，在该无掩膜曝光装置中可以在不使用形成有图案的掩模的情况下在基板上形成图案。在无掩模曝光装置中，从照明光学系统IL发射的光束入射在作为光学调制器的一种类型并且用作光学调制单元的数字微镜器件(下文中被称为DMD)上。然后，与曝光图案对应的曝光光由DMD生成，并通过投影光学系统PO被会聚到基板PL上。因此，在基板上执行根据与曝光图案对应的图案数据的曝光。
半导体激光器或LED(发光二极管)被用作光源LS。从光源发射的光束的波长根据涂覆在基板PL上的光致抗蚀剂的类型来确定。从光源LS发射的光束的波长一般为约300nm至约440nm。
下面将描述照明光学系统IL的配置。从光源LS发射的光束被光学系统IL1准直并且照亮复眼透镜FE。在复眼透镜FE的每个透镜单元的出射面上形成点光，并且根据光源LS的发光面积、光学系统IL1的焦距以及复眼透镜FE的每个透镜单元的焦距来确定形成的点光的尺寸。
图1中的复眼透镜FE包括在XY平面内排列的多个透镜单元，该XY平面包括与照明光学系统IL的光轴(Z轴)垂直的X轴和Y轴。在这个实施例中，假设复眼透镜FE包括5×5＝25个透镜单元。构成复眼透镜FE的透镜单元的数量可以被适当地改变。
由复眼透镜FE发散的光束被光学系统IL2(下文中也被称为光学构件B或第二光学构件)准直，并且照亮微透镜阵列MLAi。微透镜阵列MLAi由物镜MFi和成像透镜Mi构成，该物镜MFi包括多个透镜单元，并且该成像透镜Mi布置在与物镜MFi相距与物镜MFi的焦距对应的距离的位置处。成像透镜Mi也包括多个透镜单元。
物镜MFi的入射侧面和成像透镜Mi的出射侧面是平面并且没有光焦度。换句话说，微透镜阵列MLAi的实质入射面是物镜MFi的出射面，并且微透镜阵列MLAi的实质出射面是成像透镜Mi的入射面。
这里，复眼透镜FE、光学系统IL2和物镜MFi被布置为使得复眼透镜FE的出射面位于光学系统IL2的前侧焦平面中并且物镜MFi的出射面位于光学系统IL2的后侧焦平面中。利用这种光学布置，形成了所谓的Koehler照明系统，由此可以几乎均匀地照亮物镜MFi的出射面。
此外，通过光学系统IL2和物镜MFi两者的作用，复眼透镜FE的出射面与成像透镜Mi的入射面处于共轭关系。根据光学系统IL2的焦距与物镜MFi的焦距之比来确定复眼透镜FE的出射面中的光学图像与成像透镜Mi的入射面中的光学图像之间的成像倍率。通过将光学系统IL2的焦距设定为比物镜MFi的焦距长，与在复眼透镜FE的出射面中形成的多个点光对应的多个点光形成在成像透镜Mi的一个透镜单元中。在这个实施例中，沿着X轴方向和Y轴方向中的每个在成像透镜Mi的一个透镜单元中排列五个点光。
从微透镜阵列MLAi出射的光束通过光学系统IL3(下文中也被称为光学构件A或第一光学构件)的作用被成像在用作构成DMD的光学调制元件的微镜上。构成成像透镜Mi的各个透镜单元与构成DMD的各个镜具有1∶1的对应关系。例如，点光形成在DMD的镜A上，具有与在成像透镜Mi的透镜单元A处形成的点光对应的照度分布。构成DMD的多个微镜被二维地排列，并且每个镜的反射面的角度可以被独立地改变。因而，入射在每个镜上的光可以被调制为要么曝光状态要么非曝光状态。
图1中的物镜MFi包括在XY平面中排列的多个透镜单元。在这个实施例中，假设物镜MFi包括3×6＝18个透镜单元。构成物镜MFi的透镜单元的数量与构成DMD的微镜的数量对应，并且可以被适当地改变。
在这个实施例中，物镜MFi和成像透镜Mi彼此分开地构成。通过形成原件以使得原件的一个面具有作为物镜的功能并且原件的另一个面具有作为成像透镜的功能，可以使物镜MFi和成像透镜Mi彼此一体化。
构成物镜MFi和成像透镜Mi的透镜单元的有效直径被假定为具有几十微米至几百微米的尺寸。当这些微小的透镜单元难以在原件的两面以高精确度形成时，如这个实施例中那样，彼此分开地构成物镜MFi和成像透镜Mi是有效的。
图2表示构成DMD的微镜中的点光的分布。如图1中所示，构成成像透镜Mi的各个透镜单元与构成DMD的各个镜具有1:1的对应关系，并且图2示出了在十八个镜中形成的点光的分布。如从图2可以看出的，在每个镜中，在X轴方向和Y轴方向的每个上排列五个点光，并且各个点光几乎均匀地被会聚。还可以看出的是，没有点光形成在构成DMD的镜的周边区域和构成DMD的镜的相邻两个镜之间的间隙中。
根据这个实施例，如上所述，由复眼透镜FE划分的多个光束通过光学系统IL2入射在微透镜阵列MLAi的实质入射面上。此外，形成所谓的Koehler照明系统，在该Koehler照明系统中复眼透镜FE的出射面位于光学系统IL2的前侧焦平面中，并且物镜MFi的出射面位于光学系统IL2的后侧焦平面中。因此，可以几乎均匀地照亮微透镜阵列的入射面。
而且，复眼透镜FE的出射面与成像透镜Mi的入射面处于共轭关系，并且与在复眼透镜FE的出射面中形成的多个点光对应的多个点光形成在成像透镜Mi的一个透镜单元中。此外，从微透镜阵列MLAi出射的光束被成像在构成DMD的微镜上，使得构成成像透镜Mi的各个透镜单元与构成DMD的各个镜具有1∶1的对应关系。因此，可以防止由从镜的周边区域、构成DMD的镜的相邻两个镜之间的间隙等反射的光引起的曝光光的分辨率性能的降低。
接下来，将描述投影光学系统PO的配置。由构成DMD的每个微镜反射的光束进入构成投影光学系统PO的光学系统PO1。光学系统PO1具有将入射在光学系统PO1上的光束会聚在微透镜阵列MLAp上的作用。微透镜阵列MLAp具有与照明光学系统IL中包括的微透镜阵列MLAi的结构类似的结构，并且该微透镜阵列MLAp由物镜MFp和成像透镜Mp构成，该成像透镜Mp布置在与物镜MFp相距与物镜MFp的焦距对应的距离的位置处。
由光学系统PO1在物镜MFp处成像的光束由成像透镜Mp再成像。在这个实施例中，光束被成像透镜Mp再成像的点位于成像透镜Mp的内部。来自再成像点的光束通过光学系统PO2被再次成像，并且针孔构件PH布置在光束被光学系统PO2成像的位置处。
针孔构件的各个开口以一对一的关系与构成DMD的微镜的位置对应。直径被针孔构件减小的点光通过光学系统PO3入射在基板PL上。当由光学系统PO2形成的点光的直径足够小时，不需要针孔构件PH和光学系统PO3。
[第二实施例]
下面将参考图3描述根据第二实施例的照明光学系统IL和投影光学系统PO的配置。第二实施例中的投影光学系统PO的配置与第一实施例中的投影光学系统PO的配置相同。与第一实施例相比，第二实施例在照明光学系统IL的配置的部分中不同。更具体而言，代替第一实施例中的微透镜阵列MLAi，设置包括多个开口的遮光构件SM。
在第二实施例中，遮光构件SM布置在光学系统IL2的后侧焦平面中。利用这种光学布置，如第一实施例中所描述的，遮光构件SM几乎被从复眼透镜FE出射的光束均匀地照亮。
在遮光构件SM中形成的开口和构成DMD的镜以一对一的关系彼此对应，并且穿过遮光构件SM的开口的光束通过光学系统IL3的作用照亮DMD的镜。遮光构件SM的每个开口具有与DMD的每个镜的照明区域对应的尺寸。换句话说，可以通过改变遮光构件SM的开口的尺寸来改变镜的照明区域。
在这个实施例中，遮光构件SM的开口的尺寸被适当地设定以使得DMD的镜的周边区域不被光照亮。
图4表示构成DMD的微镜中的照度分布。如从图4可以看出的，每个镜的周边区域不被光照亮。
遮光构件SM例如由金属制成。因为金属具有高的光反射率，所以通过使用金属作为遮光构件SM的材料，可以提高遮光构件SM的遮光性能。作为替代方案，遮光构件SM可以涂覆有电介质膜。
(无掩模曝光装置的配置)
下面将参考图5描述包括照明光学系统IL、投影光学系统PO和DMD的无掩模曝光装置的配置。为了便于解释，在图1中，以展开的形式示出了穿过照明光学系统IL、DMD和投影光学系统PO的光路。实际上，如图5中所示，穿过照明光学系统IL的光束被分束器BS弯曲并且几乎垂直地入射在DMD上。
因为穿过照明光学系统IL的光束几乎垂直地入射在DMD上，所以在图1所示的成像透镜Mi的每个透镜单元中形成的点光可以以高精确度被成像在DMD上。此外，穿过图3中所示的遮光构件SM的开口的光可以以高精确度被成像在DMD上。由DMD的每个微镜反射的光束穿过分束器BS，然后进入投影光学系统PO。然后，由投影光学系统PO形成的点光入射在基板PL上。
在图5中，在穿过照明光学系统IL的光束被分束器BS反射并且被DMD的镜进一步反射之后，光束穿过分束器BS，并且然后进入投影光学系统PO。但是，无掩模曝光装置可以如下被配置。穿过照明光学系统IL的光束穿过分束器BS，并且在被DMD的镜反射之后，光束被分束器BS反射，并且然后进入投影光学系统PO。
这里，当偏振分离膜不被施加到分束器BS时，穿过照明光学系统IL的光束在光束每次被分束器BS反射以及穿过分束器BS时经历约50％的光量损失。换句话说，在光束穿过照明光学系统IL之后直到光束进入投影光学系统PO为止，发生约75％的光量损失。
在本发明中，分束器BS被赋予偏振分离特性，以便减小上述光量损失。这种分束器被称为偏振分束器。分束器BS具有允许P偏振光穿过并且反射S偏振光的特性。此外，λ/4相位板PP1布置在分束器BS与DMD之间。
当从照明光学系统IL出射的光是非偏振光时，由分束器BS反射的光变为S偏振光，并且在穿过λ/4相位板PP1并且被构成DMD的镜反射之后，S偏振光再次穿过λ/4相位板PP1。通过两次穿过λ/4相位板PP1，由分束器BS反射的S偏振光变为P偏振光。因为分束器BS允许P偏振光穿过，所以进入分束器BS的P偏振光原样穿过分束器BS。换句话说，在光束穿过照明光学系统IL之后直到光束进入投影光学系统PO为止所生成的光量损失可以被减小到约50％。
此外，如图5中所示，λ/4相位板PP2可以布置在分束器BS和投影光学系统PO之间。可以通过经由λ/4相位板PP2将P偏振光转换成圆偏振光并使圆偏振光进入投影光学系统PO以使得圆偏振光入射在基板PL上来抑制归因于偏振状态的图案分辨率性能的降低。例如，当抗蚀剂的感光特性取决于偏振状态而不同时，使圆偏振光入射在基板上是有效的。
(变形例)
虽然已经在构成复眼透镜FE的透镜单元是球面透镜的假设下描述了上述实施例，但是构成复眼透镜FE的透镜单元可以是柱面透镜。如图2所示，当构成DMD的排列的微镜的数量在X轴与Y轴之间不同时，整个DMD在X轴方向与Y轴方向上的长度彼此不同。在这种情况下，通过使用在X轴方向和Y轴方向之间各自具有不同焦距的柱面透镜作为构成复眼透镜FE的透镜单元，可以使点光的形状在X轴方向与Y轴方向之间不同，并且可以提高照明效率。
此外，虽然在上述实施例中，通过使用复眼透镜FE使从光源LS发射的光束的光强度分布均匀，但是也可以使用诸如光学积分器之类的用于使光强度分布均匀的其它部件代替复眼透镜FE。当使用光学积分器代替复眼透镜FE时，已通过光学积分器变均匀的光束被会聚在成像透镜Mi上。在这种情况下，在光学积分器的出射面中的光学图像与成像透镜Mi的入射面中的光学图像之间的成像倍率被设定以使得从光学积分器出射的光束被会聚在构成成像透镜Mi的透镜单元中的一个透镜单元上。
(物品制造方法)
根据本发明的实施例的物品制造方法适合于制造例如诸如半导体器件之类的微器件以及具有微结构的元件的物品。根据这个实施例的物品制造方法包括通过使用上述曝光装置在施加到基板的光致抗蚀剂中形成潜像图案的步骤(即，在基板上执行曝光的步骤)；以及显影在上述步骤中已形成潜像图案的基板的步骤。物品制造方法还包括其它已知步骤(诸如氧化、成膜、气相沉积、掺杂、平坦化、刻蚀、抗蚀剂去除、切割、接合和封装)。根据这个实施例的物品制造方法在物品的性能、质量、生产率和生产成本中的至少一个中比现有技术方法有优势。
虽然上面已经描述了本发明的优选实施例，但是不用说，本发明不限于这些实施例，并且在不脱离本发明的主旨的情况下可以进行各种修改和改变。
本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改和改变。因而，本文附带所附权利要求书，以使本发明的范围对公众公开。
本申请要求基于2017年10月24日提交的日本专利申请No.2017-205643的优先权，该日本专利申请通过引用整体并入本文。

Claims (15)

1.一种照明光学系统，利用从光源发射的光束照亮包括多个光学调制元件的光学调制单元，所述照明光学系统包括：
第一透镜阵列，包括将从光源发射的光束划分为多个光束的多个透镜单元；
第二透镜阵列，包括从第一透镜阵列中包括的透镜单元出射的点光被会聚在其上的透镜单元；以及
第一光学构件，使被会聚在第二透镜阵列中包括的透镜单元上的点光成像在构成光学调制单元的光学调制元件中的一个光学调制元件上。
2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，第二透镜阵列由物镜和成像透镜构成，成像透镜位于与物镜相距所述物镜的焦距的位置处。
3.根据权利要求2所述的照明光学系统，还包括第二光学构件，所述第二光学构件布置在第一透镜阵列和第二透镜阵列之间；
其中，第二光学构件的焦距比物镜的焦距长。
4.根据权利要求1或2所述的照明光学系统，还包括第二光学构件，所述第二光学构件布置在第一透镜阵列和第二透镜阵列之间；
其中，第一透镜阵列被布置为使得第一透镜阵列的出射面被定位在第二光学构件的前侧焦平面中，以及
第二透镜阵列被布置为使得第二透镜阵列的入射面被定位在第二光学构件的后侧焦平面中。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的照明光学系统，其中，从第一透镜阵列中包括的所述多个透镜单元出射的所述多个点光被会聚在第二透镜阵列中包括的透镜单元上。
6.根据权利要求5所述的照明光学系统，其中，第一光学构件使被会聚在第二透镜阵列中包括的透镜单元上的所述多个点光成像在构成光学调制单元的光学调制元件中的一个光学调制元件上。
7.一种照明光学系统，利用从光源发射的光束照亮包括多个光学调制元件的光学调制单元，所述照明光学系统包括：
透镜阵列，包括将从光源发射的光束划分为多个光束的多个透镜单元；
遮光构件，由透镜阵列照亮并且包括多个开口；以及
第一光学构件，使穿过遮光构件的开口的点光成像在构成光学调制单元的光学调制元件中的一个光学调制元件上。
8.根据权利要求7所述的照明光学系统，还包括第二光学构件，所述第二光学构件布置在透镜阵列和遮光构件之间，
其中，透镜阵列被布置为使得透镜阵列的出射面被定位在第二光学构件的前侧焦平面中，以及
遮光构件被布置为使得遮光构件的入射面被定位在第二光学构件的后侧焦平面中。
9.根据权利要求7或8所述的照明光学系统，其中，遮光构件由金属制成。
10.一种照明光学系统，利用从光源发射的光束照亮包括多个光学调制元件的光学调制单元，所述照明光学系统包括：
积分器，使从光源发射的光束的光强度分布均匀；
透镜阵列，包括穿过积分器的光束被会聚在其上的透镜单元；以及
光学构件，使被会聚在透镜单元上的光束成像在构成光学调制单元的光学调制元件中的一个光学调制元件上。
11.一种曝光装置，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的照明光学系统，所述照明光学系统利用光照亮包括多个光学调制元件的光学调制单元；以及
投影光学系统，将来自光学调制单元的光投影在基板上。
12.根据权利要求11所述的曝光装置，其中，光学调制单元是包括多个二维排列的微镜的微镜器件，每个微镜具有反射面，所述反射面反射来自照明光学系统的光束并且反射面的角度能够被改变。
13.根据权利要求11或12所述的曝光装置，还包括布置在照明光学系统和光学调制单元之间的偏振分束器和相位板。
14.根据权利要求13所述的曝光装置，其中，来自照明光学系统的光束通过偏振分束器和相位板被转换成圆偏振光，并且所述圆偏振光入射在投影光学系统上。
15.一种物品制造方法，包括以下步骤：
通过使用根据权利要求11至14中的任一项所述的曝光装置在基板上执行曝光；以及
显影在曝光步骤中经受了曝光的基板。
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