CN1734340A - 用于空间控制光偏振的光学系统及其制造方法 - Google Patents

用于空间控制光偏振的光学系统及其制造方法 Download PDF

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Abstract

用于空间控制光偏振的光学系统，及其制造方法，包括光源，用于生成指定波长的光束、射束成形器，用于将由光源生成的光束分成多个局部射束；以及偏振控制器，控制局部射束的偏振状态。偏振控制器可以形成在射束成形器上或与射束成形器分开。

Description

用于空间控制光偏振的光学系统及其制造方法
技术领域
本发明通常涉及光学系统及其制造方法。更具体地说，本发明涉及用于空间控制光偏振的光学系统及其制造方法。
背景技术
为跟上半导体集成的快速技术进步，需要增加用来制造半导体设备的光学系统的分辨率。下述方程式1中的Rayleigh的方程式引入基本策略来增强光学系统的分辨率(Wmin)。
Wmin＝K1λ/NA                                      (1)
因此，为获得高分辨率，应当减少光的波长λ和过程系数k1，以及应当增加系统的数值孔径NA。如图1中所看到的，在许多努力后，用在曝光设备中的光的波长已经从1982中的泵弧灯(436nm)的G-线相当大地减小到当今的氟化氩(ArF)激光器波长(193nm)。近年研究显示在不久的将来，波长将会需要与氟遮光器(F2)激光器波长(157nm)一样低。此外，由于由改进的光掩膜和透镜、更好的光致抗蚀剂和过程控制，以及更强大的分辨率增强技术(RET)来支持曝光过程，过程系数k1已经从1982年的高于0.85减小到当今低于0.45，以及在不久的将来期望的继续提高，如图2所示。
同时，图1中的图表示NA的稳定增加，例如1982年的G-线的0.3、1998年的氟化氪(KrF)激光器(248nm)的0.6，以及2002年的ArF激光器(193nm)的0.7。期望继续增加NA直到超紫外(EUV)激光器(13.5nm)可用。只要结合当前波长193nm或甚至157nm的浸入技术提供足够的分辨率，期望这些波长继续用在半导体曝光设备中。然而，近来的调查已经预测由大的NA引起的横向磁性(TM)图像对比度的基本损失。
图3A和3B中的图分别说明NAs和横向电(TE)和TM极性的图像对比度间的关系，如Timothy A.Brunner，et al.，”High-NA lithographicimagery at Brewster’s angle”，Proceedings of SPIE，Vol.4691，OpticalMicrolithography XV，(2002年7月)，pp 11-24的文章中所述。更具体地说，图3A说明当分别在定义NA的光瞳的中心和边缘处放置两个光束时，相对于两个相干光束间的干扰，图像对比度如何改变。图3B示例说明当分别在定义NA的光瞳的相对边缘处放置两个光束时，相对于两个相干光束间的干扰，图像对比度如何改变。
参考图3A和3B，TE偏振光的图像对比度对每个NA均为1，但TM偏振光的图像对比度随NA增加而减小。当对强大的RET，例如交替相移掩膜(PSM)，在光瞳的相对边缘处排列两个光束时，TM偏振光的图像对比度的减少更明显。例如，如图3B所示，当NA为0.71时，TM偏振光的图像对比度减小到0，以及当NA为1时，TM偏振光的图像对比度减小到-1。当TM偏振光的图像对比度变为-1时，偏移TM偏振光和TE偏振光。由于TM偏振光未显著地用于曝光光致抗蚀剂，需要开发光学系统，其在使用大NA的曝光过程中，能有选择地使用TE偏振光。
然而，如图4所示，当光掩膜具有不同方向的主图形1时，能通过光掩膜吸收一个方向中偏振的光。在这种情况下，到达半导体衬底的表面的偏振光的强度对曝光光致抗蚀剂来说不够强。因此，为利用用于曝光过程的偏振光，有必要根据其位置，控制光的偏振状态。
总的来说，当要求具有大的NA的曝光系统来制造高度集成的半导体设备时，曝光系统能控制光束的偏振状态，特别是当NA超出指定大小时也很重要。然而，考虑到在曝光过程中，将形成各种不同方向图形，需要用于空间控制光偏振的光学系统。
发明内容
因此，本发明针对光学系统及其制造方法，基本上克服由于现有技术的局限和缺点的一个或多个问题。
因此，本发明的实施例的特征是提供仅使用TE偏振光的光学系统。
本发明的实施例的另一特征是提供用于空间控制光偏振的光学系统。
本发明的实施例的另一特征是提供用于空间控制光偏振的光学系统的制造方法。
通过提供一种光学系统，可以实现本发明的上述的其他特征和优点的至少一个，包括：光源，用于生成指定波长的光束；目标物体，将由光源生成的光束照射在其上；在光源和目标物体间的光路中的射束成形器(beam shaper)，射束成形器将光束分成多个局部射束；以及在光源和目标物体间的光路中的偏振控制器，偏振控制器控制多个局部射束的偏振状态。
射束成形器可以包括自然数n个局部区。射束成形器单元的局部区的每一个可以包括自然数m个辅助区，辅助区根据在射束成形器中的它们的位置，具有不同厚度，以便将光束分成多个局部射束。辅助区的每一个具有第一厚度和大于第一厚度的第二厚度中的一个。
偏振控制器可以包括n×m个辅助偏振图形，第i局部区(1≤i≤n)的第j辅助区和第k局部区(k≠i和1≤k≤n)的第j辅助区的偏振图形输出相同的偏振状态。第i局部区(1≤i≤n)的第j辅助区和第k局部区(k≠i和1≤k≤n)的第j辅助区的偏振图形是相同方向中的条状图形。
射束成形器是衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)。
偏振控制器可以包括在指定方向中排列的多个条状图形。多个条状图形间的间距可以为光束的波长的约0.2至1.5倍，以及每个条状图形的宽度可以为条状图形间的间距的约0.2至0.8倍。条状图形的每一个的厚度可以为约10nm至200nm。条状图形可以由具有在约1.3和2.5间的实折射率和约0和0.2间的消光系数的材料制成。可以从由SiN、SiON和光致抗蚀剂组成的组中选择用于条状图形的材料。
光学系统可以进一步包括光输送系统，用于将由光源生成的光束传送到目标物体。目标物体可以是用于制造在其上形成半导体设备的、具有指定电路图形的光掩膜。
偏振控制器可以是射束成形器的表面上。射束成形器和偏振控制器可以是单独的元件。射束成形器可以位于光源和偏振控制器间或偏振控制器和目标物体间。
通过提供一种用于形成光学系统的方法，可以实现本发明的上述和其他特征和优点的至少一个，包括产生用于将指定波长光源的光束分成至少一个局部射束的射束成形器；以及产生用于控制至少一个局部射束的偏振状态的偏振器。
产生射束成形器可以包括准备具有自然数n个局部区的透明衬底，其中，局部区的每一个具有自然数m个辅助区；以及将衬底构图为根据位置的辅助区的不同厚度，从而形成用于输出具有指定形状的光束的衍射光学图形。产生偏振器可以包括在射束成形器的局部区的每一个的相同辅助区中，形成提供相同偏振状态的偏振图形。产生偏振器可以包括在射束成形器的表面上的指定方向中，形成偏振图形。产生偏振器可以包括在与射束成形器分开的表面上的指定方向中，产生偏振图形。
通过提供一种用于制造半导体设备的方法，可以实现本发明的上述和其他特征和优点的至少一个，包括产生指定波长的光束；将光束分成具有彼此不同的偏振状态的多个局部射束；以及使用具有彼此不同的偏振状态的多个局部光束，曝光涂敷在半导体衬底上的光致抗蚀剂层。
附图说明
通过参考附图，详细地描述其示例性实施例，对本领域的技术人员来说，本发明的上述和其他特征和优点将变得更显而易见，其中：
图1和图2是显示半导体曝光技术发展的图；
图3A和3B是显示NAs和偏振光的图像对比度间的关系的图；
图4说明不同方向图形的一部分的平面图；
图5说明根据本发明的实施例的曝光设备的示意图；
图6A至6G说明具有不同空间形状的光束；
图7A是能用作射束成形元件的全息图的平面图；
图7B说明通过使用图7A所示的全息图形成的光束的空间强度分布；
图8A至8C说明根据本发明的第一实施例的偏振控制器的示意图；
图9A和9B说明根据本发明的第二实施例的偏振控制器的示意图；
图10说明根据本发明的第三实施例的偏振控制器的示意平面图；以及
图11说明根据本发明的第四实施例的偏振控制器的示意透视图。
具体实施方式
2004年8月3日在韩国知识产权局提交的，名为“Optical Systemfor Spatially Controlling Light Polarization and Method for Manufacturingthe Same”的韩国专利申请No.2004-61229被在此引入以供参考。
下面，参考示出本发明的示例性实施例的附图，更全面地描述本发明。然而，本发明可以用不同形式实施以及不应当视为限制到在此所述的实施例。相反，提供这些实施例以便该公开内容将是全面和完整的，以及将向本领域的技术人员全面传达本发明的范围。在整个说明书中，相同的参考数字表示相同的元件。
图5是根据本发明的实施例的曝光设备的示意图。
参考图5，根据本发明的曝光设备100包括光源101，用于生成具有指定波长的光束L，以及光输送系统，用于将由光源101生成的光束L输送到照明系统105。如图5所示，光输送系统能包括多个反射镜102、103和104。
照明系统105包括射束成形器(或射束成形元件)，用于将由光源101生成的光束L改变(或分离)成以在不同空间形状的局部射束L’，如图6A至图6G所示。图6A至图6G所示的形状是用在制造半导体设备中的典型的空间形状的例子。射束成形器将来自光源101的射束L分离成具有彼此不同的空间路径的多个局部射束。为此，射束成形器按衍射原理运行。射束成形器的例子包括衍射光学元件(DOE)和全息光学元件(HOE)。
曝光设备100进一步包括光掩膜107，其具有画在其上的主图形(master pattern)，以及晶片台109，在其上加载涂有光致抗蚀剂111的半导体衬底110。光掩膜107加载在指定的掩膜台106上，以及透镜系统108位于掩膜台106和晶片台109间。如果使用浸入技术，能用指定的液体填充透镜系统108和光致抗蚀剂111间的空间。
图7A说明根据本发明，能在射束成形器，例如HOE中发现的全息图的平面图。图7A的特定全息图用来形成偶极子图形中的局部射束L’，如图6E和图7B所示。如在图8A中所看到的，其是图7A的区域99的放大视图，能将射束成形器分成多个局部区域。当空间干扰具有不同物理结构，例如厚度的局部区域时，获得在这种情况下的全息图。换句话说，图8A和8B所示的全息图包括具有彼此不同厚度的第一局部区10a和第二局部区10b。
局部区根据它们的位置，具有不同厚度以便局部射束L’能形成图6A至6G所示的空间剖面的任何一个。局部区10a、10b的每一个的厚度通过计算通过每个局部区的射束的光学属性来确定。计算通常包括应用计算机，使用傅里叶变换。射束成形器的制造进一步包括在计算局部区的每一个的厚度后，使用光刻法和蚀刻工艺，构图射束成形衬底200。然后，在构图步骤中使用所计算的厚度以便确定射束成形衬底200上的部分位置处的蚀刻深度。
图8B说明沿图8A的线I-I’的示意性透视图。参考图8B，属于第一局部区10a的局部区具有第一厚度t1以及属于第二局部区10b的局部区具有第二厚度t2。另外，也可以产生具有大的厚度范围的局部区10a、10b。
根据本发明的第一实施例，射束成形器包括偏振控制器，其将光束改变或分离成至少一个偏振控制的局部射束。因此，指定偏振图形210形成在射束成形器的表面上。在该特定的例子中，在单个方向中的偏振图形210形成在局部区上。因此，通过射束成形器的所有局部射束具有相同的偏振。
根据本发明的一个实施例，偏振图形210能是具有指定间距P的条状图形，如图8B和图8C所示。条状图形210间的间距P可以在光束的波长λ的0.2至1.5倍之间，以及条状图形的宽度W可以为条状图形间的间距的0.2至0.8倍。同时，每个条状图形210可以具有约10nm至200nm的厚度h。条状图形210可以由具有在约1.3和2.5间的实折射率n，以及在0和0.2间的消光系数K的材料制成(其中，复折射率N＝n-ik)。用于条状图形210的材料的例子包括光致抗蚀剂，例如ArF光致抗蚀剂、氮化硅(SiN)，例如LP-SiN和氮氧化硅(SiON)。
图9A说明用于形成垂直于彼此偏振的局部射束的偏振控制器303的示意性平面图。图9B说明沿图9A的线I-I’的示意透视图。为形成垂直偏振局部射束，通过将形成第一方向中的第一偏振状态的第一虚拟偏振控制器301和形成垂直于第一方向的第二方向中的第二偏振状态的第二虚拟偏振控制器302结合，制造如图9A所示的偏振控制器303。此时，第一和第二虚拟偏振控制器301，302的制造与图8A和8B中所述的射束成形器的制造相同。然而，介绍第一和第二虚拟偏振控制器301和302仅仅是为说明制造偏振控制器303的方法，即，不需要真正制造虚拟偏振控制器。
更具体地说，偏振控制器303包括多个局部区30，以及如图8B所示，第一和第二虚拟偏振控制器301，302包括第一局部区10a和具有比第一局部区10a更大厚度的第二局部区10b。如图9A所示，通过将分别位于第一和第二偏振控制器301，302的相应位置上的局部区组合，形成偏振控制器303的每个局部区30。
第一和第二虚拟偏振控制器301，302上的厚度分布确定通过偏振控制器的局部射束的形状，以及在第一和第二虚拟偏振控制器301，302上形成的偏振图形的方向确定局部射束的偏振状态。因此，通过偏振控制器303的每个局部区30的光束具有通过使用第一和第二虚拟偏振控制器301，302，单独产生的重叠局部射束的物理属性(例如光束的剖面和偏振状态)。
根据本发明的第二实施例，偏振控制器303的每个局部区30包括第一辅助区30a和第二辅助区30b。第一辅助区30a的厚度与第一虚拟偏振控制器301上的相应位置处的局部区的厚度相同。用相同的方式，第二辅助区30b的厚度与第二虚拟偏振控制器302上的相应位置处的局部区的厚度相同。通过偏振控制器303的局部射束的形状与分别通过第一和第二虚拟偏振控制器301，302的重叠局部射束相同。
另外，在与第一和第二虚拟偏振控制器301，302的相应位置处的局部区上形成的偏振图形相同的方向，图9A的第一辅助区30a和第二辅助区30b分别包括第一偏振图形210a和第二偏振图形210b，如图9B所示。因此，在通过第一辅助区30a后形成的局部射束具有与通过第一虚拟偏振控制器301的射束相同的偏振状态。类似地，在通过第二辅助区30b后形成的局部射束具有与通过第二虚拟偏振控制器302的射束相同的偏振状态。
为优化组合，偏振控制器303上的多个局部区等于第一和第二虚拟偏振控制器301，302上的多个局部区。同时，在图中所示的局部区字面上是偏振控制器301，302和303的一部分。
能概括本发明的偏振控制器。该通用结构能用作用于设计/制造具有更复杂应用的偏振控制器的基本单元。本发明的偏振控制器包括正整数或自然数n个局部区30，以及每个局部区30具有正整数或自然数m个辅助区。因此，偏振控制器具有n×m个辅助区。
最好，辅助区的总数等于形成所需射束形状所需的光束数。通过改变辅助区的厚度，能产生所需形状的局部射束。根据本发明的实施例，每个局部区中的第k(1≤k≤m)个辅助区的厚度确定第k个局部射束的形状。
此外，根据本发明的实施例，第i(1≤i≤n)个局部区中的第j辅助区和第k(k≠i和1≤k≤n)个局部区中的第j个辅助区中的偏振图形具有相同的偏振属性。例如，相同方向中的偏振图210排列在这些区中。换句话说，由第j个辅助区确定的第j个局部射束具有由在第j个辅助区上形成的偏振图210确定的偏振属性。最好，如已经参考图8B和8C所解释过的，偏振图210是具有在约射束的波长λ的0.2至1.5倍间的间距P和约条状图形间的间距的0.2至0.8倍间的宽度W的条状图形。同时，每个条状图形210可以具有约10nm至200nm的厚度h。最好，条状图形210由具有在1.3和2.5间的折射率n和约0和0.2间的消光率k的材料制成。用于条状图形210的材料的例子包括ArF光致抗蚀剂、SiN和SiON。
图10说明包括第一、第二和第三偏振控制器401、402和403以便产生三个不同局部射束的本发明的第三实施例。如该图中所示，第三辅助区(C)的区域近似为各个第一和第二辅助区(A，B)的每一个的区域的两倍。在这种情况下，由第三辅助区(C)形成的局部射束的强度是由各个第一和第二辅助区(A，B)形成的局部射束的强度的两倍。换句话说，由第j辅助区的区域确定第j局部射束的强度。
根据本发明的另一实施例，本发明的技术目的和特征也能通过分开射束成形和偏振器的光学系统实现。该实施例与在前所述的实施例类似，因此，在此不提供相同技术特征的详细情况。如图11所示，根据第四实施例的光学系统包括射束成形器衬底200上的射束成形器，用于将光束改变或分离成局部射束，以及位于离射束成形器衬底200一定距离的偏振器210，用于控制局部射束的偏振状态。偏振器210能位于射束成形器上，即，在光源101和射束成形器间，或位于射束成形器下，即，射束成形器和光掩膜107间。
如在上述实施例中，射束成形器包括自然数n个局部区，以及每个局部区30包括自然数m个辅助区。此外，偏振器包括多个辅助偏振板，以及在已经通过第i(1≤i≤n)局部区的第j个辅助区和第k(k≠i和1≤k≤n)局部区的第j个辅助区的局部射束的行进路径上的辅助偏振板具有提供相同偏振属性的物理结构。因此，存在至少n×m个辅助偏振板。
为产生具有上述结构的光学系统，首先放置光源，然后，在光源和光掩膜间放置射束成形器和偏振器。光源产生具有指定波长的光束。射束成形器是将由光源生成的光束分成至少一个局部射束的光学元件。如前所述，可以将衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)用作射束成形器。偏振器偏振局部射束。
为制造射束成形器，首先准备透明衬底，然后，在衬底上执行构图过程。衬底包括自然数n个局部区，以及每个局部区包括自然数m个辅助区。构图过程包括根据它们的位置，形成不同厚度的辅助区。通过将不同厚度的辅助区放在不同位置，产生衍射光学图形以及这些图形将入射光束改变成指定形状。
为形成偏振器，可以在射束成形器的表面上产生指定方向中的偏振图形。射束成形器中的局部区的每一个的相同辅助区具有在其上形成的相同的偏振图，从而提供相同的偏振状态。另外，在位于远离射束成形器的表面的一定距离的单独衬底上形成偏振器。偏振图形的结构和排列与图8B、图9B、图10和图11类似，因此在此不再详细地解释它们。
根据本发明的实施例，指定方向中的偏振图形排列在射束成形器的辅助区中。用这种方式，光束能具有受控偏振状态和受控形状。换句话说，本发明的光学系统能空间控制光束的偏振状态。因此，能防止通常具有大的NA的曝光设备出现的对比度降低。
在此已经公开本发明的示例性实施例，以及尽管采用特定的术语，但仅在广义和描述意义方面使用和解释它们，而不用于限制目的。因此，本领域的普通技术人员将理解到在不背离如在下述权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面做出各种改变。

Claims (23)

1.一种光学系统，包括：
光源，用于生成指定波长的光束；
目标物体，将由所述光源生成的光束照射在其上；
射束成形器，其在所述光源和所述目标物体间的光路中，所述射束成形器将所述光束分成多个局部射束；以及
偏振控制器，其在所述光源和所述目标物体间的光路中，所述偏振控制器控制所述多个局部射束的偏振状态。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述射束成形器包括自然数n个局部区。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中，所述射束成形器的局部区的每一个包括自然数m个辅助区，所述辅助区根据它们在所述射束成形器中的位置，具有不同厚度，以便将所述光束分成多个局部射束。
4.如权利要求3所述的光学系统，其中，所述偏振控制器包括n×m个辅助偏振图形，第i局部区(1≤i≤n)的第j辅助区和第k局部区(k≠i并且1≤k≤n)的第j辅助区中的偏振图形输出相同的偏振状态。
5.如权利要求4所述的光学系统，其中，第i局部区(1≤i≤n)的第j辅助区和第k局部区(k≠i并且1≤k≤n)的第j辅助区中的偏振图形是相同方向中的条状图形。
6.如权利要求3所述的光学系统，其中，所述辅助区的每一个具有第一厚度和大于所述第一厚度的第二厚度中的一个。
7.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述射束成形器是衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)。
8.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述偏振控制器包括在指定方向中排列的多个条状图形。
9.如权利要求8所述的光学系统，其中，所述多个条状图形间的间距为所述光束的波长的约0.2至1.5倍，以及每个条状图形的宽度为所述条状图形间的间距的约0.2至0.8倍。
10.如权利要求8所述的光学系统，其中，所述条状图形的每一个的厚度为约10nm至200nm。
11.如权利要求8所述的光学系统，其中，所述条状图形由具有在约1.3和2.5间的实折射率和约0和0.2间的消光系数的材料制成。
12.如权利要求8所述的光学系统，其中，从由SiN、SiON和光致抗蚀剂组成的组中选择用于所述条状图形的材料。
13.如权利要求1所述的光学系统，进一步包括：
光输送系统，用于将由所述光源生成的光束传送到所述目标物体。
14.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述目标物体是用于制造在其上形成的半导体设备的、具有指定电路图形的光掩膜。
15.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述偏振控制器是在所述射束成形器的表面上。
16.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述射束成形器和所述偏振控制器是单独的元件。
17.如权利要求16所述的光学系统，其中，所述射束成形器位于所述光源和所述偏振控制器间或所述偏振控制器和所述目标物体间。
18.一种用于形成光学系统的方法，包括：
产生用于将由光源生成的指定波长的光束分成至少一个局部射束的射束成形器；以及
产生用于控制所述至少一个局部射束的偏振状态的偏振器。
19.如权利要求18所述的方法，其中，产生所述射束成形器包括：
准备具有自然数n个局部区的透明衬底，其中，所述局部区的每一个具有自然数m个辅助区；以及
根据位置将所述衬底构图为辅助区的不同厚度，从而形成用于输出具有指定形状的光束的衍射光学图形。
20.如权利要求19所述的方法，其中，产生所述偏振器包括：
在所述射束成形器的局部区的每一个的相同辅助区中，形成提供相同偏振状态的偏振图形。
21.如权利要求18所述的方法，其中，产生所述偏振器包括：
在所述射束成形器的表面上的指定方向中，形成偏振图形。
22.如权利要求18所述的方法，其中，产生所述偏振器包括：
在与所述射束成形器分开的表面上的指定方向中，产生偏振图形。
23.一种用于制造半导体设备的方法，所述方法包括：
产生指定波长的光束；
将所述光束分成具有彼此不同的偏振状态的多个局部射束；以及
使用具有彼此不同的偏振状态的多个局部光束，曝光涂敷在半导体衬底上的光致抗蚀剂层。
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