CN1645258A - 高数值孔径光刻成像偏振控制装置 - Google Patents

Abstract

高数值孔径光刻成像偏振控制装置，包括椭球镜、光源、高强度高均匀照明部件、投影光刻物镜及硅片等，其特征在于：在投影光刻物镜的光瞳面位置，放置对成像光束可进行偏振控制的偏振光瞳器件，偏振光瞳器件使成像光束不受阻挡，改变了投影光学光刻成像光学系统的光瞳函数，以及光学系统的传递函数，把光刻成像调制成S偏振成像，进一步提高了成像质量。本发明的高数值孔径光刻成像偏振控制装置对光刻成像系统的成像特性进行了调制，提高了光刻成像对比度，进一步挖掘短波长高数值孔径投影光学光刻成像系统的光刻分辨力。

Description

高数值孔径光刻成像偏振控制装置

所属技术领域

本发明是一种新型高数值孔径光刻成像偏振控制装置，属于超大规模集成电路生产设备分步重复投影光刻机和步进扫描投影光刻机光刻成像技术领域。

背景技术

对超大规模集成电路器件的迫切需求，促进了投影光学光刻技术的飞速发展，为了延长投影光学光刻技术的极限和寿命，人们提出了各种各样的提高光刻分辨力及改善焦深的方法。目前主要通过提高投影光刻物镜的数值孔径(NA)，缩短曝光波长(λ)，提高工件台的定位精度，再结合离轴照明、相移掩模、光瞳滤波、光学邻近效应校正等波前工程技术，已经使投影光刻达到了很高的分辨力。然而随着数值孔径的增大，曝光波长的缩短，基于偏振性的矢量衍射效应对光刻图形的影响越来越大。基于偏振性的矢量成像控制已经变得十分必要了。如光刻的最小特征尺寸接近和低于曝光波长；高数值孔径的投影光学系统的使用导致了入射光波严重倾斜；反射和由硅片空间形状造成的各种影响；以及照明光在光刻胶中的散射效应等等。因此在高数值孔径投影光学光刻系统中，可以通过控制成像光束的偏振态来提高光刻成像系统的分辨力。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种高数值孔径光刻成像偏振控制装置，在投影光刻物镜光瞳面放置偏振光瞳器件对成像光束进行偏振调制，提高光刻成像对比度，较大地提高投影光学成像光刻分辩力，同时也能增大焦深。

本发明的技术解决方案是：高数值孔径光刻成像偏振控制装置包括椭球镜、光源、高能量高均匀照明部件、掩模板、投影光刻物镜及硅片，其特点在于：在所述的投影光刻物镜的光瞳面位置放置有对成像光束可进行偏振调制的偏振光瞳器件。

所述的偏振光瞳器件为在石英基板上制作了若干个扇形区域构成，每个扇形区域上制作了对成像光束进行偏振调制的偏振膜层；偏振光瞳器件上的每一扇形区域都形成线偏振器，其偏振方向在光瞳的径向。

本发明的原理是：偏振光瞳器件使成像光束不受阻挡，改变了投影光学光刻成像光学系统的光瞳函数，以及光学系统的传递函数，把光刻成像调制成S偏振成像，进一步提高了成像质量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明在投影光刻机的成像光刻物镜光瞳面上直接加入偏振光瞳器件，改变了投影成像光学系统的光瞳函数，以及光学系统传递函数，对成像系统进行了偏振调制，改善了系统传输特性，达到了提高投影成像光刻分辩力的目的。

(2)本发明克服了离轴照明和相移掩模低曝光容限、高邻近效应的不足，大幅度提高了投影光刻成像对比度。

(3)本发明在投影光刻成像系统中加入偏振光瞳器件，不影响原投影光刻机成像系统的技术参数，因此可在设计制造光刻成像物镜时就考虑加入，使光刻成像系统的设计简单方便；在超深亚微米级以及纳米级范围内的微细图形制作中，都可以应用高数值孔径光刻成像偏振控制装置，提高分辩力和焦深。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的偏振光瞳器件具体实施例的结构示意图；

图3为本发明成像光束在硅片面的S偏振成像示意图；

图4为本发明成像光束在硅片面的P偏振成像示意图；

图5为本发明的成像对比度与数值孔径的关系曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明由椭球镜1、光源2、高能量高均匀照明部件3、掩模板4、投影光刻物镜5、偏振光瞳器件6及硅片7等构成。光源2所发射的光被椭球镜1收集，并将光聚集通过高能量高均匀照明部件3(均匀能够达到±2.5％)照明掩模板4，而掩模板4上的超微细特征图形通过投影光刻物镜5投影成像于硅片7上。在投影光刻物镜的光瞳面放置对成像光束进行偏振控制的偏振光瞳器件。偏振光瞳器件使成像光束不受阻挡，改变了投影光学光刻成像光学系统的光瞳函数，以及光学系统的传递函数，把光刻成像调制成S偏振成像，即不同级数的衍射光束的电场振动方向相同，干涉效果最好，提高了光刻成像对比度，进一步挖掘短波长大数值孔径投影光学光刻成像系统的光刻分辩力。

如图2所示，偏振光瞳器件6是在石英基板9上制作的，偏振光瞳器件6上制作了若干个扇形区域10，每个扇形区域10上制作了对成像光束进行偏振调制的偏振膜层8，偏振膜层的材料和厚度需要根据投影光刻曝光波长来选择，首先把石英板分成若干扇形，选定一个扇形，将偏振膜按所选定的扇形的径向的切线作为线偏振方向沉积在石英板上，除了所选择的扇形以外的偏振膜层被刻蚀掉。将制作好偏振膜层的扇形保护起来，再依次这样镀制下一扇形区域，直到制作好整个偏振光瞳器件。每一扇形区域10都形成一线偏振器，这样将使投影光刻成像是S偏振成像，使投影光刻成像的光强对数斜率值也最高，提高了成像对比度，其偏振方向在整个光瞳的径向的切线方向，在图2中用箭头表示线偏振器的偏振方向。

如图3、4所示，为在硅片面的偏振成像示意图，代表的是两种偏振成像，即S偏振成像、P偏振成像。在硅片上的成像主要由0级和±1级三束衍射光之间的干涉而形成，三束衍射光的干涉效应如何，直接影响到成像的对比度。假设A₊₁级衍射光的传播方向为(α，0，γ)，则S偏振成像和P偏振成像下的三束衍射光表示如下：

S偏振成像：

$A_0=\frac{1}{2}\exp \left(\mathrm{ikz}\right)---\left(1\right)$

$A_{+1}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\exp \left[\mathrm{ik}(\mathrm{\αx}+\mathrm{\γz})\right]---\left(2\right)$

$A_{-1}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\exp \left[\mathrm{ik}(\mathrm{\γz}-\mathrm{\αx})\right]---\left(3\right)$

P偏振成像：

$A_0=\frac{1}{2}\exp \left(\mathrm{ikz}\right)---\left(4\right)$

$A_{+1}=\frac{1}{\mathrm{\π}}(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α})\exp \left[\mathrm{ik}(\mathrm{\αx}+\mathrm{\γz})\right]---\left(5\right)$

$A_{-1}=\frac{1}{\mathrm{\π}}(\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\exp \left[\mathrm{ik}(\mathrm{\γz}-\mathrm{\αx})\right]---\left(6\right)$

上面(1)～(6)式中的k是光波数，其值为2π/λ。

硅片上成像电场是由0级和±1级三束衍射光的电场的矢量和形成，则硅片上的像场表示为：

$A_S=\frac{1}{2}\exp \left(\mathrm{ikz}\right)+\frac{1}{\mathrm{\π}}\exp \left(\mathrm{ik\γz}\right)[\exp \left(\mathrm{ik\αx}\right)+\exp (-\mathrm{ik\αx})]---\left(7\right)$

$A_P=\frac{1}{2}\exp \left(\mathrm{ikz}\right)+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\π}}\exp \left(\mathrm{ik\γz}\right)[\exp \left(\mathrm{ik\αx}\right)+\exp (-\mathrm{ik\αx})]$

$-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}}\exp \left(\mathrm{ik\γz}\right)[\exp \left(\mathrm{ik\αx}\right)-\exp (-\mathrm{ik\αx})]---\left(8\right)$

由式(7)和(8)就可以得到硅片上空间像的强度分布，其表达式如下：

$I_S\left(x\right)=\frac{1}{4}+\frac{2}{\mathrm{\π}}\cos \left(\mathrm{k\αx}\right)\cos \left(\right[k(1-\mathrm{\γ})z]+\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}{\cos }^2\left(\mathrm{k\αx}\right)---\left(9\right)$

$I_P\left(x\right)=\frac{1}{4}+\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\π}}\cos \left(\mathrm{k\αx}\right)\cos \left[k(1-\mathrm{\γ})z\right]$

$\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}[{\mathrm{\α}}^2+({\mathrm{\γ}}^2-{\mathrm{\α}}^2){\cos }^2\left(\mathrm{k\αx}\right)]---\left(10\right)$

则S偏振成像和P偏振成像光强对数斜率值可以通过式(9)和(10)

计算出。

${\mathrm{LS}}_S=\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\α}}---\left(11\right)$

${\mathrm{LS}}_P=\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\α}}\frac{{(1-{\mathrm{\α}}^2)}^2}{1+{16\mathrm{\α}}^2/{\mathrm{\π}}^2}---\left(12\right)$

从式(11)和(12)可以得到：S偏振成像比P偏振成像有更高的光强对数斜率值，这是因为在式(12)中，除了具有4λ/α外，还有一个小于1的系数。在传统的非偏振成像中，光强对数斜率值是S偏振成像和P偏振成像这两种情况的光强对数斜率值的平均，因此S偏振成像比非偏振成像具有更高的光强对数斜率值。在S偏振成像时，在硅片上成像的三束衍射光的电矢量振动方向都是相同的(如图3所示)，都垂直于入射面，因此三束衍射光之间的干涉效应达到最好，相应的光强对数斜率值也最高；而在P偏振成像时，在硅片上成像的三束衍射光的电矢量的振动方向随着每一衍射光束传播方向的角度而改变(如图4所示)，三束衍射光之间的干涉效应就不如S偏振成像时，相应的光强对数斜率值也不如S偏振成像的。总之，在S偏振成像、P偏振成像和非偏振成像成像中，S偏振成像具有最高的光强对数斜率值。

如图5所示，为的成像对比度与数值孔径的关系曲线，从图5可知，P偏振成像时，随着数值孔径的增加，对比度下降是很显著的；S偏振成像时，对比度明显比P偏振高，而且随着数值孔径的增加而有所提高；由于传统的非偏振光照明成像中，光强对数斜率值是S偏振光和P偏振光的光强对数斜率值的平均，其对比度处于两者之间。

Claims (3)

1、高数值孔径光刻成像偏振控制装置，包括椭球镜(1)、光源(2)、均匀照明部件(3)、掩模板(4)、投影光刻物镜(5)、偏振光瞳器件(6)及硅片(7)，其特征在于：在投影光刻物镜(5)的光瞳面放置有对成像光束进行偏振调制的偏振光瞳器件(6)。

2、根据权利要求1所述的高数值孔径光刻成像偏振控制装置，其特征在于：所述的偏振光瞳器件(6)为在石英基板(9)上制作若干个扇形区域(10)构成，每个扇形区域(10)上制作有对成像光束进行偏振调制的偏振膜层(8)。

3、根据权利要求1或2所述的高数值孔径光刻成像偏振控制装置，其特征还在于：所述的偏振光瞳器件(6)的石英基板(9)上的每一扇形区域(10)都形成一个线偏振器，其偏振方向在光瞳的径向。

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