CN112445074B - 一种照明装置、曝光系统及光刻设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种照明装置、曝光系统及光刻设备。其中照明装置包括光源以及在光源的出光路径上依次排列的匀光单元和中继单元，匀光单元用于对光源的出射光束进行匀光，中继单元用于将匀光单元出射光的视场放大；还包括均匀性调整单元，设置于匀光单元或中继单元内，均匀性调整单元所在平面与垂直于出射光束光轴的平面具有可调的第一夹角，以使照明装置形成均匀分布的照明像面。本发明实施例的技术方案，通过设置均匀性调整单元，均匀性调整单元对入射光线的透过率随入射角的变化而变化，通过调整均匀性调整单元所在平面与垂直于出射光束光轴的平面的第一夹角，实现照明像面光线的均匀分布，且该照明装置具有结构简单、成本低的优点。

Description

一种照明装置、曝光系统及光刻设备

技术领域

本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种照明装置、曝光系统及光刻设备。

背景技术

随着半导体制造领域的发展，光刻的特征尺寸持续减小。在曝光工艺中，照明均匀性是影响特征尺寸均匀性(Critical dimension uniformity，CDU)的主要因素，光刻设备对在曝光时照明均匀性的要求也日益增高，仅靠设计无法保证照明均匀性的要求，因此需要通过补偿控制手段，将照明均匀性控制在预设范围内。此外，随着光刻设备的使用，照明装置的性能也会出现衰减，同样需要增加补偿控制手段，使光刻设备的整个生命周期内照明均匀性都满足指标。

现有技术中，一般是利用两块或多块透过率分布不同的平板，控制其平移、旋转等，得到不同的透过率组合，对均匀性进行补偿控制，或者利用机械挡片阵列，控制其平移或旋转，改变其挡光的位置，对均匀性进行补偿控制，这两种方式均存在结构及控制方式复杂、成本较高的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种照明装置、曝光系统及光刻设备，以提供一种结构简单、成本低的提高照明均匀性的技术方案。

第一方面，本发明实施例提供一种照明装置，包括光源以及在所述光源的出光路径上依次排列的匀光单元和中继单元，所述匀光单元用于对所述光源的出射光束进行匀光，所述中继单元用于将所述匀光单元出射光的视场放大；

还包括均匀性调整单元，设置于所述匀光单元或所述中继单元内，所述均匀性调整单元所在平面与垂直于所述出射光束光轴的平面具有可调的第一夹角，以使所述照明装置形成均匀分布的照明像面。

可选的，还包括驱动单元，所述驱动单元用于调节所述第一夹角。

可选的，所述均匀性调整单元包括镀有增透膜的透明平板，所述透明平板的透过率随着入射角的变化而变化。

可选的，所述透明平板的透过率随着入射角的增大而均匀降低。

可选的，所述第一夹角大于或等于0°，小于或等于12°。

可选的，所述光源包括汞灯光源，所述匀光单元包括匀光积分棒，所述中继单元包括中继镜组；

所述均匀性调整单元设置于所述中继镜组的孔径光阑位置处。

可选的，还包括椭球反射镜，所述光源位于所述椭球反射镜的一个焦点位置处。

可选的，还包括耦合镜组，所述耦合镜组的物面设置于汞灯光源与所述椭球反射镜的出光端，所述耦合镜组用于将所述汞灯光源与所述椭球反射镜出射的光束耦合入所述匀光积分棒内。

可选的，所述光源包括激光光源，所述匀光单元包括沿光线传播路径依次排列的微透镜阵列以及汇聚镜组，所述中继单元包括中继镜组；

所述均匀性调整单元设置于所述微透镜阵列和所述汇聚透镜之间或者所述中继镜组的孔径光阑位置处。

可选的，还包括扩束单元，所述扩束单元用于扩束和准直所述激光光源的出射光束。

可选的，还包括在所述扩束单元的出光路径上依次排列的衍射光学元件和傅里叶镜组，所述衍射光学元件用于将准直后的光束衍射形成一定的角度分布，所述傅里叶镜组用于在所述傅里叶镜组的像方焦平面形成预设的光瞳分布；

所述微透镜阵列设置于所述傅里叶镜组的像方焦平面位置处。

可选的，所述傅里叶镜组具有固定焦距或可变焦距。

第二方面，本发明实施例还提供一种曝光系统，包括上述的任意一种照明装置，还包括第一工作台，投影物镜装置以及第二工作台；

所述第一工作台位于所述照明装置的出光侧，用于放置掩模板；所述投影物镜装置位于所述第一工作台远离所述照明装置的一侧，用于聚焦所述照明装置的出射光至曝光基底；所述第二工作台位于所述投影物镜装置远离所述第一工作台的一侧，用于放置所述曝光基底。

第三方面，本发明实施例还提供一种光刻设备，包括上述的曝光系统。

本发明实施例提供的照明装置，包括光源以及在光源的出光路径上依次排列的匀光单元和中继单元，匀光单元用于对光源的出射光束进行匀光，中继单元用于将匀光单元出射光的视场放大；还包括均匀性调整单元，设置于匀光单元或中继单元内，均匀性调整单元所在平面与垂直于出射光束光轴的平面具有可调的第一夹角，以使照明装置形成均匀分布的照明像面。通过在匀光单元或中继单元内设置均匀性调整单元，均匀性调整单元对入射光线的透过率随入射角的变化而变化，通过调整均匀性调整单元所在平面与垂直于出射光束光轴的平面的第一夹角，实现照明像面光线的均匀分布，且本实施例提供的照明装置具有结构简单、成本低的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种照明装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种匀光性调整单元匀光原理示意图；

图3是本发明实施例提供的一种匀光性调整单元透过率随入射角变化关系示意图；

图4是本发明实施例提供的一种像面均匀性调节示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种像面均匀性调节示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种照明装置的结构示意图；

图7和图8分别是本发明实施例提供的又一种照明装置的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种曝光系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种照明装置，包括光源以及在光源的出光路径上依次排列的匀光单元和中继单元，匀光单元用于对光源的出射光束进行匀光，中继单元用于将匀光单元出射光的视场放大；还包括均匀性调整单元，设置于匀光单元或中继单元内，均匀性调整单元所在平面与垂直于出射光束光轴的平面具有可调的第一夹角，以使照明装置形成均匀分布的照明像面。

本发明实施例提供的照明装置可以用于光刻设备中，用于提供均匀照明光线。其中，匀光单元对光源的出射光束具有一定的匀光作用，然后通过中继单元将视场放大，但由于光源出光及传播等导致光线不均匀的因素，需要通过均匀性调整单元对照明均匀性进行补偿。示例性的，以均匀性调整单元设置于中继单元内为例，图1所示为本发明实施例提供的一种照明装置的结构示意图。参考图1，该照明装置包括光源10以及在光源10的出光路径上依次排列的匀光单元20和中继单元30，还包括均匀性调整单元40，设置于中继单元30内，均匀性调整单元40所在平面与垂直于出射光束光轴的平面具有可调的第一夹角α，以使照明装置形成均匀分布的照明像面。

示例性的，图2所示为本发明实施例提供的一种匀光性调整单元匀光原理示意图。参考图2，本实施例以典型的4F系统为例，在典型的4F系统中，特别是在像方远心系统中，光瞳面(或称为频谱面)的角度分布即是像面的位置分布，通过改变光瞳面不同角度透过率，即可以改变像面不同位置的相对照度，进一步改变像面的均匀性。在其他的系统中，例如2F、4F或8F等系统中，只要涉及物像面与光瞳面的相互转换均可适用。

在本实施例中，中继单元30包括透镜31和透镜32形成的4F系统，均匀性调整单元40设置于4F系统的光瞳面(孔径光阑位置处)，且其透过率随光束入射角变化而变化，可选的，均匀性调整单元40可以包括镀有增透膜的透明平板，透明平板的透过率随着入射角的变化而变化，例如透光率与入射角可以为线性关系、二次或更高次关系等，本实施例对此不做限定。当该透明平板绕某一坐标轴倾斜时(图2中以绕着x轴为例)，即改变第一夹角α的大小，光瞳面平行于x方向出射的角度的透过率不会发生变化，而平行于y方向出射的角度的透过率就会被该透明平板所改变，通过改变光瞳面不同角度的透过率，即可以改变像面不同位置的相对照度，进一步改变像面的均匀性。

需要说明的是，如果使用该照明装置的系统对照明光线的偏振性能要求较高，均匀性调整单元可以增加另一透明平板，对应控制其另一方向(例如绕图2中y轴)的倾斜，补偿由于透明平板倾斜带来的偏振性能变化。

可选的，透明平板的透过率随着入射角的增大而均匀降低。

示例性的，图3所示为本发明实施例提供的一种匀光性调整单元透过率随入射角变化关系示意图。可以理解的是，入射角定义为入射光线与入射界面处法线的夹角，参考图2可知，第一夹角α与入射角大小相同。本实施例中，匀光性调整单元透过率随入射角的增大而线性减小。

示例性的，图4所示为本发明实施例提供的一种像面均匀性调节示意图，图4中的结果对应图2中的透明平板绕x轴(Rx)旋转，在本实施例中，可选的，第一夹角大于或等于0°，小于或等于12°。图中，透明平板Rx倾斜12°放置时，对照明均匀性没有影响。而当逐渐将透明平板Rx调节至0°，即没有倾斜的过程中，照明均匀性的趋势发生二阶变化，即中间相对积分照度增大，边缘相对积分照度降低的趋势，即可以改变照明均匀性的分布。需要说明的是，本实施例仅以图3中透过率变化为例，如果采用其他的透明平板，例如透明平板的透过率随着入射光束角度的增大而线性增大，则透明平板Rx倾斜12°放置时，对照明均匀性没有影响。而当逐渐将透明平板Rx调节至0°，即没有倾斜的过程中，照明均匀性的趋势发生二阶变化，即中间相对积分照度降低，边缘相对积分照度增大的趋势，同样可以改变照明均匀性的分布。若采用其他的透明平板，仅影响最终的技术效果的变化趋势，都可以起到改变均匀性的目的。

图5所示为本发明实施例提供的另一种像面均匀性调节示意图，图5中的结果对应图2中的透明平板绕y轴(Ry)旋转，图中，透明平板Ry倾斜调整时，照明均匀性会有1阶变化，即可以改变照明均匀性的分布。需要说明的是，本实施例仅以图3所示的透过率变化为例，如果采用其他的透明平板，仅影响最终的技术效果的变化趋势，都可以起到改变均匀性的目的。

本实施例的技术方案，通过在匀光单元或中继单元内设置均匀性调整单元，均匀性调整单元对入射光线的透过率随入射角的变化而变化，通过调整均匀性调整单元所在平面与垂直于出射光束光轴的平面的第一夹角，实现照明像面光线的均匀分布，且本实施例提供的照明装置具有结构简单、成本低的优点。

在上述技术方案的基础上，可选的，继续参考图1，本发明实施例提供的照明装置还包括驱动单元50，驱动单元50用于调节第一夹角α。

可以理解的是，均匀性调整单元40可以包括一镀有增透膜的透明平板，驱动单元50可以驱动透明平板绕x轴或y轴旋转，从而调节第一夹角α的大小，进行照明像面光线的均匀性调节，实现均匀分布。在其他实施例中，例如对照明光线的偏振性能要求较高的系统中，均匀性调整单元40可以包括两个透明平板，每个透明平板对应设置一个驱动单元，分布控制对应的透明平板绕x轴和y轴旋转，补偿由于透明平板倾斜带来的偏振性能变化。

图6所示为本发明实施例提供的另一种照明装置的结构示意图。参考图6，可选的，光源10包括汞灯光源，匀光单元20包括匀光积分棒，中继单元30包括中继镜组；均匀性调整单元40设置于中继镜组的孔径光阑位置处。

可以理解的是，匀光积分棒的原理是光在光棒里面多次反射，每次反射都会形成虚拟光源像，多次反射形成二维的虚拟光源矩阵，从而使得光更加的均匀。具体实施时，可以选用匀光石英棒。中继镜组可以为包括两个透镜的4F系统，与图2类似，均匀调整单元40可以为镀有增透膜的透明平板，设置于中继镜组的孔径光阑位置处，即4F系统的光瞳位置。

可选的，继续参考图6，本实施例提供的照明装置还包括椭球反射镜60，光源10位于椭球反射镜60的一个焦点位置处。

可以理解的是，汞灯光源直接出射的光线可能无法达到照明用的准直性要求，通过设置椭球反射镜60，光源10位于椭球反射镜60的一个焦点上，用于提高光束的准直性，椭球反射镜60可以将汞灯光源发出的光束传递到后续光学系统中。

可选的，继续参考图6，本实施例提供的照明装置还包括耦合镜组70，耦合镜组70的物面设置于汞灯光源与椭球反射镜60的出光端，耦合镜组70用于将汞灯光源与椭球反射镜60出射的光束耦合入匀光积分棒内。

可以理解的是，耦合镜组70具有汇聚作用，用于将汞灯光源发出的光线耦合入匀光积分棒内，图6所示的耦合镜组70包括两个汇聚透镜仅是示意性的，具体实施时可以根据实际情况选择合适的透镜，本发明实施例对此不作限定。

图7和图8所示分别为本发明实施例提供的又一种照明装置的结构示意图。可选的，光源10包括激光光源，匀光单元20包括沿光线传播路径依次排列的微透镜阵列21以及汇聚镜组22，中继单元30包括中继镜组；参考图7，均匀性调整单元40设置于微透镜阵列21和汇聚镜组22之间，参考图8，均匀性调整单元40设置于中继镜组的孔径光阑位置处。

可以理解的是，微透镜阵列21与汇聚镜组22一起对光束进行匀光，在汇聚镜组22的像方焦平面形成均匀照明视场。中继镜组把均匀视场放大，并在中继像面，也就是照明像面形成均匀性满足要求的一定波长的照明视场，具体实施时，均匀性调整单元40可以位于微透镜阵列21和汇聚透镜22之间，如图7所示；均匀性调整单元40也可以位于中继镜组中间，类似于图6所示的实施例，如图8所示。

可选的，继续参考图7或图8，本实施例提供的照明装置还包括扩束单元80，扩束单元80用于扩束和准直激光光源的出射光束。可以理解的是，由于激光光源输出的光斑比较小，可以设置扩束单元80对激光光源的出射光束进行扩束和准直后传递到后续光学系统中。

可选的，继续参考图7或图8，本实施例提供的照明装置还包括在扩束单元80的出光路径上依次排列的衍射光学元件81和傅里叶镜组82，衍射光学元件81用于将准直后的光束衍射形成一定的角度分布，傅里叶镜组82用于在傅里叶镜组82的像方焦平面形成预设的光瞳分布；微透镜阵列21设置于傅里叶镜组82的像方焦平面位置处。

可选的，傅里叶镜组82具有固定焦距或可变焦距。具体实施时，可以通过切换不同的衍射光学元件81和傅立叶镜组82的焦距，得到不同大小、形状的光瞳分布。微透镜阵列21位于傅立叶镜组82的像方焦平面上，与汇聚镜组22一起对光束进行匀光，在汇聚镜组22的像方焦平面形成均匀照明视场，中继镜组的物面位于汇聚镜组22的像方焦平面。

图9所示为本发明实施例提供的一种曝光系统的结构示意图。参考图9，本发明实施例提供的曝光系统包括上述实施例提供的任意一种照明装置100，还包括第一工作台200，投影物镜装置300以及第二工作台400；第一工作台200位于照明装置100的出光侧，用于放置掩模板；投影物镜装置300位于第一工作200台远离照明装置100的一侧，用于聚焦照明装置100的出射光至曝光基底；第二工作台400位于投影物镜装置300远离第一工作台200的一侧，用于放置曝光基底。

本发明实施例提供的曝光系统，包括上述实施例提供的任意一种照明装置，可以实现照明像面光线的均匀分布，且本实施例提供的照明装置具有结构简单、成本低的优点。

本发明实施例还提供一种光刻设备，包括上述的曝光系统，该光刻设备具有与上述实施例提供的照明装置相同或相应的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (14)

1.一种照明装置，其特征在于，包括光源以及在所述光源的出光路径上依次排列的匀光单元和中继单元，所述匀光单元用于对所述光源的出射光束进行匀光，所述中继单元用于将所述匀光单元出射光的视场放大；

还包括均匀性调整单元，设置于所述匀光单元或所述中继单元内，所述均匀性调整单元所在平面与垂直于所述出射光束光轴的平面具有可调的第一夹角，以使所述照明装置形成均匀分布的照明像面；

所述均匀性调整单元包括两个透明平板，每个透明平板对应设置一个驱动单元，分布控制对应的透明平板绕x轴和y轴旋转，补偿由于透明平板倾斜带来的偏振性能变化。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述驱动单元用于调节所述第一夹角。

3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述均匀性调整单元包括镀有增透膜的透明平板，所述透明平板的透过率随着入射角的变化而变化。

4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述透明平板的透过率随着入射角的增大而均匀降低。

5.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述第一夹角大于或等于0°，小于或等于12°。

6.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述光源包括汞灯光源，所述匀光单元包括匀光积分棒，所述中继单元包括中继镜组；

所述均匀性调整单元设置于所述中继镜组的孔径光阑位置处。

7.根据权利要求6所述的照明装置，其特征在于，还包括椭球反射镜，所述光源位于所述椭球反射镜的一个焦点位置处。

8.根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，还包括耦合镜组，所述耦合镜组的物面设置于汞灯光源与所述椭球反射镜的出光端，所述耦合镜组用于将所述汞灯光源与所述椭球反射镜出射的光束耦合入所述匀光积分棒内。

9.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述光源包括激光光源，所述匀光单元包括沿光线传播路径依次排列的微透镜阵列以及汇聚镜组，所述中继单元包括中继镜组；

所述均匀性调整单元设置于所述微透镜阵列和所述汇聚镜组之间或者所述中继镜组的孔径光阑位置处。

10.根据权利要求9所述的照明装置，其特征在于，还包括扩束单元，所述扩束单元用于扩束和准直所述激光光源的出射光束。

11.根据权利要求10所述的照明装置，其特征在于，还包括在所述扩束单元的出光路径上依次排列的衍射光学元件和傅里叶镜组，所述衍射光学元件用于将准直后的光束衍射形成一定的角度分布，所述傅里叶镜组用于在所述傅里叶镜组的像方焦平面形成预设的光瞳分布；

所述微透镜阵列设置于所述傅里叶镜组的像方焦平面位置处。

12.根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，所述傅里叶镜组具有固定焦距或可变焦距。

13.一种曝光系统，其特征在于，包括如权利要求1-12任一所述的照明装置，还包括第一工作台，投影物镜装置以及第二工作台；

所述第一工作台位于所述照明装置的出光侧，用于放置掩模板；所述投影物镜装置位于所述第一工作台远离所述照明装置的一侧，用于聚焦所述照明装置的出射光至曝光基底；所述第二工作台位于所述投影物镜装置远离所述第一工作台的一侧，用于放置所述曝光基底。

14.一种光刻设备，其特征在于，包括如权利要求13所述的曝光系统。

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