CN116774535A - 一种用于掩模对准光刻设备的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于掩模对准光刻设备的照明系统，包括：光源模块，光源模块包括多个可独立控制的光源；光准直模块，光准直模块将光源模块中的每一个光源所发出的光准直成沿平行于照明系统的光轴的第一方向发射的第一多个平行光束；设置于光轴上的第一抛物面反射镜，第一抛物面反射镜在第一方向上设置于光源模块的下游，用于将收集到的经准直的第一多个平行光束反射并汇集到光轴上的第一点，其中第一点是第一抛物面反射镜的焦点；以及设置于光轴上的光融合模块，用于将收集到的来自第一点的光反射并汇集到光轴上的第二点，其中第二点在第一方向上位于第一抛物面反射镜的下游。

Description

一种用于掩模对准光刻设备的照明系统

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，更具体地，涉及一种用于掩模对准光刻设备的照明系统。

背景技术

光刻机是集成电路生产的必要设备之一，而照明系统是光刻机系统中的核心组成部分。光刻机的工艺或分辨率与照明波长、投影物镜的数值孔径和工艺系数有关。在投影物镜和工艺系数一定的情况下，缩短照明波长将是直接有效的提升光刻机分辨率的方法。为提高光刻分辨率，照明系统工作波长从传统的汞灯照明谱线G（436nm）、H（405nm）、I（365nm）一直到KrF（248nm）、ArF（193nm），甚至到极紫外EUV（13.5nm）。

对于后道光刻系统，其光刻分辨率一般要求在微米量级，因此不需要在照明方面追求更短的工作波长，但是却要求照明的光源具有足够高的能量，要求曝光面上有足够均匀的照度值，同时考虑到光刻胶的特性，一般要求照明系统具有至少两种的混合光谱。

对于后道光刻系统，特别是接触/接近式光刻机，一般采用高压汞灯作为光源。然而，高压汞灯的缺点在于：1、其发射光谱中各谱段之间的比例是固定的，无法单独调节某一谱段的功率；2、功耗大；大功率的高压汞灯体积大，价格昂贵。除了高压汞灯，也有采用白光LED作为光源的方案。然而，白光LED的缺点在于：1、白光中各谱段的光之间的比例是固定的，无法单独调节某一谱段的功率；2、单光白光LED无法实现大功率。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步的描述一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

针对以上问题，本发明提供了一种用于一种掩模对准光刻设备的照明系统，该系统采用由多个可独立控制的光源组成的光源模块，实现了光刻所需的大功率，尤其是在采用紫外波长作为工作波长的场合。该系统可以实现混合光谱功能，包括波长接近的光谱之间的融合以及多重光谱之间的融合，并且各融合的光谱之间的能量比例可控制。此外，该系统构造简单、功能丰富，可满足掩模对准光刻机的使用要求。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于掩模对准光刻设备的照明系统，包括：光源模块，光源模块包括多个可独立控制的光源；光准直模块，光准直模块将光源模块中的每一个光源所发出的光准直成沿平行于照明系统的光轴的第一方向发射的第一多个平行光束；设置于光轴上的第一抛物面反射镜，第一抛物面反射镜在第一方向上设置于光源模块的下游，用于将收集到的经准直的第一多个平行光束反射并汇集到光轴上的第一点，其中第一点是第一抛物面反射镜的焦点；以及设置于光轴上的光融合模块，用于将收集到的来自第一点的光反射并汇集到光轴上的第二点，其中第二点在第一方向上位于第一抛物面反射镜的下游。

根据本发明的进一步实施例，光融合模块进一步包括：第二抛物面反射镜，第二抛物面反射镜在第一方向上设置于光源模块和第一抛物面反射镜之间，第二抛物面反射镜与第一抛物面反射镜共焦点，以将收集到的来自第一点的光反射并准直成沿第一方向发射的第二多个平行光束；以及凸透镜，凸透镜在第一方向上设置于第一抛物面反射镜的下游，用于将收集到的第二多个平行光束汇聚到第二点，其中第二点是凸透镜的焦点。

根据本发明的另一实施例，光融合模块是椭球面反射镜，其中第一点和第二点分别是椭球面反射镜的第一焦点和第二焦点，使得来自第一点的光经椭球面反射后汇集到第二点。

根据本发明的进一步实施例，光准直模块具有与光源模块的各个光源一一对应的光准直器，光准直器是以下光学器件中的任意一种：抛物面反射镜、透镜组、反光杯、以及衍射光学器件。

根据本发明的进一步实施例，第一抛物面反射镜的中心具有第一开口，以便光融合模块所反射的光穿过第一开口。

根据本发明的进一步实施例，第二抛物面反射镜的中心具有第二开口，以便光源模块中被布置在光轴处的光源所发出的光穿过第二开口。

根据本发明的进一步实施例，光源模块的多个光源中的至少一部分是LED灯珠。

根据本发明的进一步实施例，LED灯珠是UV-LED灯珠，UV-LED灯珠中封装有一种或多种波长类型的晶粒。

根据本发明的进一步实施例，在单个UV-LED灯珠中，每一种波长类型包括一个或多个彼此并联连接并且可独立控制的晶粒。

根据本发明的第二方面，提供了一种如第一方面所述的照明系统的掩模对准光刻设备。

通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。

附图说明

为了能详细地理解本发明的上述特征所用的方式，可以参照各实施例来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而应该注意，附图仅示出了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为该描述可以允许有其它等同有效的方面。

图1示出了现有技术中的光谱融合的方式的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的用于掩模对准光刻设备的照明系统的原理图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的照明系统的一部分的垂直于光轴方向的截面视图。

图4示出了图3的照明系统在光轴的不同位置处的光强的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的采用本发明的照明系统的用于掩模对准光刻设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的特点将在以下的具体描述中得到进一步的显现。然而，可以理解的是，本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受以下公开的具体实施方式的限制。

表述“和/或”在本文中使用的含义为，包括该表述之前和之后列出的组件中的至少一个。本文中的单数形式也包括复数形式，除非在措辞中特别提及。而且，本文中使用的涉及“包括”或“包含”的组件、步骤、操作和元件的含义为，存在或添加至少一个其他的组件、步骤、操作和元件。

如背景技术部分中提到的，在掩模对准光刻设备中，如果选择高压汞灯作为光源，有许多缺点，例如功耗高，发热大，且无法单独调节某一谱段的功率。如果采用LED作为光源，则为了提供多种混合波长，就需要采用不同的单波长的光源，并且需要对不同波长的光源进行融合。对于多种单波长光源进行融合的方法通常见于投影仪中，主要有如图1中所示的几种形式。

图1中（a）示出了第一种光谱融合方式，其中将RGB三种不同波长的芯片封装在同一LED灯珠内。这种方式的优点是结构紧凑、体积小，而其缺点则较多，包括：单个LED灯珠无法实现大功率，各个芯片偏离光轴，系统光效低，封装的热量大，散热困难。

图1中（b）示出了第二种光谱融合方式，其中将RGB三种不同波长的芯片单独封装，通过X-cube棱镜进行光谱融合。这种方式的优点是总体的光强增大，但是单个封装的LED功率是有限的，而其缺点则包括：系统复杂，镀膜难度大，特别是对于光刻设备，其不同工作波长之间偏差较小，因此X-cube的镀膜难极大，甚至无法实现。

图1中（c）示出了第三种光谱融合方式，其中将主波长（此示例中为绿光G）单独封装，其他波长（蓝光B和红光R）混合封装，并通过二向滤光片使三路光同角度出射。这种方式的优点是结构相对紧凑、可有效提高功率，而其缺点则是二向滤光片调节较麻烦，且当各LED的工作波长偏差较小时，二向波光片无法实现其功能。

图1中（d）示出了第四种光谱融合方式，其中RGB三种不同波长的芯片都单独封装，通过二向滤光片进行光谱融合。这种方式的优点是可提供大光强，而其缺点则是系统复杂，并且类似于图1中（c）的情形，当各LED的工作波长偏差较小时，无法实现二向波光片的功能。

概括来说，现有的光谱融合方式的主要缺点在于：（1）无法实现大的大功率，特别是针对于光刻设备，其要求的工作波长在紫外波长，现有融合方式的有效功率较低；（2）无法实现波长接近的光谱之间的融合；（3）无法实现多重光谱的之间的融合。

为此，本发明提供了一种改进的可用于掩模对准光刻设备的照明系统，能够解决以上问题，并实现不同光谱之间的能量比例可调。

图2是根据本发明的一个实施例的用于掩模对准光刻设备的照明系统100（以下简称“照明系统100”）的原理图。如图1中所示，照明系统100可包括光源模块1、光准直模块2、第一抛物面反射镜3、以及光融合模块。

根据本发明的一个实施方式，光源模块1可包括多个可独立控制的光源，用于提供光刻设备的光刻过程中所使用的光。为了便于解说，在图2的示例中仅示出了3个独立的光源。然而，本领域技术人员应当理解，本发明的光源模块1可以根据需要包括更多或更少数量的独立光源，以满足光源整体的光强需求。

光准直模块2用于将光源模块1中的每一个光源所发出的光准直成沿平行于照明系统100的光轴的第一方向发射的第一多个平行光束。如图2中所示，以点折线来代表照明系统100的光轴X，并且以图中平行于光轴X的由左侧向右侧的方向D作为第一方向。光源模块1中的光源的光可以是四散发射的，因此，根据本发明的一个示例，光准直模块2中可具有与光源模块1中的光源数量一一对应的光准直器，每一个光准直器将相应光源发出的光准直成沿第一方向平行射出。这可以通过诸如抛物面反射镜、透镜组、反光杯、衍射光学器件等来实现。例如，如图2中所示的，可以使用抛物面反射镜来作为光准直器，将光源置于该抛物面反射镜的焦点上，由光源发出的光经由抛物面反射后就会以平行于抛物面反射镜的光轴的方向射出。只需要进一步将光准直器的光轴配置成与照明系统100的光轴X平行，经由光准直器反射的光束就会被准直成与光轴X平行、沿第一方向射出的多个平行光束。类似地，其他的光准直器也可同样配置。由此，通过光准直模块2中的各个光准直器的准直，光源模块1所发出的光被准直成沿第一方向D发射的多个平行光束，为便于与后续的平行光束区分，此处将这些光束称为第一多个平行光束。

进一步地，如图2中所示，第一抛物面反射镜3设置在光轴X上，并且更具体地，在第一方向上被设置于光源模块1的下游，用于将收集到的经准直的第一多个平行光束反射并汇集到光轴上的第一点201，其中该第一点201是第一抛物面反射镜3的焦点。根据抛物面反射镜的光学特性，沿抛物面反射镜的光轴平行入射的光将被汇聚到该抛物面反射镜的焦点上。因此，可将第一抛物面反射镜3设置成在光源模块1的下游接收其射出的经准直的平行光束，并且将第一抛物面反射镜3设置在光轴X上并且其光轴与光轴X重合，从而将入射的平行光束往第一方向上的上游反射，并汇聚到第一抛物面反射镜3的焦点，该焦点即光轴X上的第一点201。

随后，再在光轴X上设置光融合模块，用于将收集到的来自第一点201的光反射并汇集到光轴上的第二点202，其中第二点202在第一方向上位于第一抛物面反射镜3的下游。

根据本发明的一个实施方式，如图2中所示，光融合模块可进一步包括第二抛物面反射镜4和凸透镜5。第二抛物面反射镜4可被设置在光轴X上，更具体地，可在第一方向D上设置在光源模块1和第一抛物面反射镜3之间，并且第二抛物面反射镜4与第一抛物面反射镜3共焦点，从而将收集到的来自第一点201（即第一抛物面反射镜3的焦点）的光再次反射，并重新准直成沿第一方向D发射的平行光束，此处称为第二多个平行光束。类似地，这可通过将第二抛物面反射镜4的光轴设置成与照明系统100的光轴X重合来实现。

凸透镜5也可被设置在光轴X上，更具体地，可在第一方向D上设置于第一抛物面反射镜3的下游，用于将收集到的第二多个平行光束汇聚到第二点202，其中第二点202即凸透镜5的焦点。

可以理解，由于凸透镜5在第一抛物面反射镜3的下游，因此为了让经第二抛物面反射镜4反射的光通过并到达凸透镜5，第一抛物面反射镜3的中心可以具有开口（此处称为“第一开口”），使第二多个平行光束通过。第一开口的形状并没有限制，只需要使第二多个平行光束能够通过即可。优选地，第一开口可以是圆形的，这有利于制造。由于具有圆形开口，第一抛物面反射镜3沿光轴方向看呈圆环形。

作为可选实施方式，第二抛物面反射镜4的中心也可具有开口（此处称为“第二开口”）。如图2中所示，当第二抛物面反射镜4的中心具有第二开口时，光源模块1的位于光轴X上或光轴X附近的光源所射出的光可以穿过该第二开口。由于第一开口能够允许第二抛物面反射镜4所反射的第二多个平行光束通过，因此第一开口在垂直于光轴的面上的截面积可以大于等于第二抛物面反射镜4的截面积，因而也显然大于第二开口在垂直于光轴的面上的截面积。此外，第二开口在垂直于光轴的面上的截面积可大于等于光准直器的截面积，使得若光源模块1在位于光轴X上或光轴X附近设置有光源，则该光源所射出的平行光线可穿过第二开口，并继续穿过第一开口，最好到达凸透镜5。由于这些光线同样平行于光轴X，因此经过凸透镜5之后，也将汇聚在第二点202上。

替代地，根据本发明的另一实施方式，光融合模块也可以是椭球面反射镜。椭球面反射镜的光学特性是从椭圆的两个焦点中的一个射出的光经过椭球面反射镜的反射之后，会汇聚到其另一个焦点。因此，通过配置椭球面反射镜，使其第一焦点与第一点201重合，椭球面反射镜的光轴与照明系统100的光轴X重合，则来自第一点201的光经椭球面反射后可汇集到其另一焦点。可以理解的是，取决于椭球面反射镜的椭圆曲线，其第二焦点可以与第二点202重合，也可以是不同于第二点202的另一点。

为了进一步帮助理解照明系统100的结构和原理，图3示出了根据本发明的一个实施例的照明系统100的一部分的垂直于光轴方向的截面视图。更具体地，图3的视图是设想从光源模块1的外侧，沿光轴X向第一方向D看所呈现的照面系统100的视图。如图3中所示，最大的圆代表第一抛物面反射镜3，中间可以看到第二抛物面反射镜4。在第一抛物面反射镜3的有效孔径内，光源模块1包括的9个独立的光源，围绕每一个光源的是光准直模块2中的对应的光准直器。作为非限制性示例，其中1个光源处于中心的光轴上，其余的分布在光轴周围。可以理解，此处的光源模块1可以根据需要包括更多或更少数量的独立光源，这些光源的分布也是任意的，只要其避开第二抛物面反射镜4，则都会在准直后平行发射到第一抛物面反射镜3，并最终汇聚到光轴上的一点。在这一示例中，第二抛物面反射镜4的中心处有第二开口。因此，光源模块1的位于光轴中心的光源可以透过该第二开口直接到达凸透镜5。

图4示出了图3的照明系统在光轴的不同位置处的光强的示意图。首先，回到图2，分别设想在光轴X上取以下三个垂直于光轴X的截面：

P₁：位于光准直模块2和第二抛物面反射镜4之间；

P₂：位于第一抛物面反射镜3和凸透镜5之间；以及

P₃：位于凸透镜5的焦点。

相应地，图4中的（a）-（c）分别对应于在平面P₁- P₃处的光斑，其中图4中（a）可表征由光源模块1经光准直模块2准直后发射出的光的光斑，图4中（b）可表征由第二抛物面反射镜4所反射后的光的光斑，图4中（c）可表征经凸透镜5汇聚后得到的光斑。为便于理解和说明，在这一示例中，每个光源及其对应的光准直器的结构和功能完全一样，因此在平面P₁处，这些光源的光斑的尺寸也是相同的。

首先，在P₁处，可以得到由9个光源经准直后射出的光的光斑。接着，在P₂处，可以看到，外围的8个光源的光在经过第一抛物面反射镜3和第二抛物面反射镜4的相继反射后，光斑尺寸被压缩，而中间的光源的光直接穿过第一抛物面反射镜3和第二抛物面反射镜4中间的开口过来，因此光斑尺寸不变。最后，在P₃处，无论是外围的光还是中心的光，都经过凸透镜5汇聚到一个点，因此该点呈现小尺寸、高能量集中的光斑。由于这一过程中，光源发出的光只经过抛物面反射镜的反射，而抛物面反射镜不会产生色差，因此不会选择波长，也不需要考虑对不同谱段镀不同的窄带滤波片，可实现多重的光谱融合，即使光谱之间波长差距再小，也可以实现融合。

根据本公开的进一步实施例，光源模块1可以被实现为紫外光（UV）光谱的LED灯珠，即UV-LED。根据照明系统100的光谱需求，灯珠内可包含有一种或多种波长类型的晶粒，所有的晶粒可被整体封装在同一个灯珠内。根据照明光强的要求，光源模块1中的每种波长可以采用一个或多个晶粒，通过增加晶粒的数量可以有效提升的光照度，同波长的晶粒之间以并联方式连接，这样如果其中某一个晶粒出现故障，仅会影响到出射光的照度，但在出射光中仍会包含此种光谱，不影响照明系统整体的出射光谱。

图5是根据本发明的一个实施例的采用本发明的照明系统的用于掩模对准光刻设备的结构示意图。如图5中所示，掩模对准光刻设备可包括图2中的照明系统100。经过照明系统100的汇聚后的光可被引导至掩膜板501并照射在晶圆502上，实现对晶圆的曝光。掩膜对准光刻设备可包括电控系统和主控系统（未示出），其中电控系统可用于为照明系统的各个模块提供电力，而主控系统用于控制各个模块在执行照明过程中的各项操作，包括控制要发光的光源，以及光源中不同波长的晶粒，从而可以根据需要任意调节不同光谱之间的能量比例。

以上所已经描述的内容包括所要求保护主题的各方面的示例。当然，出于描绘所要求保护主题的目的而描述每一个可以想到的组件或方法的组合是不可能的，但本领域内的普通技术人员应该认识到，所要求保护主题的许多进一步的组合和排列都是可能的。从而，所公开的主题旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这样的变更、修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于掩模对准光刻设备的照明系统（100），包括：

光源模块（1），所述光源模块（1）包括多个可独立控制的光源；

光准直模块（2），所述光准直模块（2）将所述光源模块（1）中的每一个光源所发出的光准直成沿平行于所述照明系统（100）的光轴的第一方向发射的第一多个平行光束；

设置于所述光轴上的第一抛物面反射镜（3），所述第一抛物面反射镜（3）在所述第一方向上设置于所述光源模块（1）的下游，用于将收集到的经准直的第一多个平行光束反射并汇集到所述光轴上的第一点（201），其中所述第一点（201）是所述第一抛物面反射镜（3）的焦点；以及

设置于所述光轴上的光融合模块，用于将收集到的来自所述第一点（201）的光反射并汇集到所述光轴上的第二点（202），其中所述第二点（202）在所述第一方向上位于所述第一抛物面反射镜（3）的下游。

2.如权利要求1所述的照明系统（100），其特征在于，所述光融合模块进一步包括：

第二抛物面反射镜（4），所述第二抛物面反射镜（4）在所述第一方向上设置于所述光源模块（1）和所述第一抛物面反射镜（3）之间，所述第二抛物面反射镜（4）与所述第一抛物面反射镜（3）共焦点，以将收集到的来自所述第一点的光反射并准直成沿第一方向发射的第二多个平行光束；以及

凸透镜（5），所述凸透镜（5）在所述第一方向上设置于所述第一抛物面反射镜（3）的下游，用于将收集到的所述第二多个平行光束汇聚到所述第二点（202），其中所述第二点（202）是所述凸透镜（5）的焦点。

3.如权利要求1所述的照明系统（100），其特征在于，所述光融合模块是椭球面反射镜，其中所述第一点（201）和所述第二点（202）分别是所述椭球面反射镜的第一焦点和第二焦点，使得来自所述第一点（201）的光经所述椭球面反射后汇集到所述第二点（202）。

4.如权利要求1所述的照明系统（100），其特征在于，所述光准直模块（2）具有与所述光源模块（1）的各个光源一一对应的光准直器，所述光准直器是以下光学器件中的任意一种：

抛物面反射镜、透镜组、反光杯、以及衍射光学器件。

5.如权利要求1所述的照明系统（100），其特征在于，所述第一抛物面反射镜（3）的中心具有第一开口，以便所述光融合模块所反射的光穿过所述第一开口。

6.如权利要求2所述的照明系统（100），其特征在于，所述第二抛物面反射镜（4）的中心具有第二开口，以便所述光源模块（1）中被布置在所述光轴处的光源所发出的光穿过所述第二开口。

7.如权利要求1所述的照明系统（100），其特征在于，所述光源模块（1）的多个光源中的至少一部分是LED灯珠。

8.如权利要求7所述的照明系统（100），其特征在于，所述LED灯珠是UV-LED灯珠，所述UV-LED灯珠中封装有一种或多种波长类型的晶粒。

9.如权利要求8所述的照明系统（100），其特征在于，在单个所述UV-LED灯珠中，每一种波长类型包括一个或多个彼此并联连接并且可独立控制的晶粒。

10.一种包括如权利要求1-9中任意一项所述的照明系统（100）的掩模对准光刻设备。