TW201827933A - 自由光瞳照明方法及照明系统 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種自由光瞳照明方法及照明系統，該方法包含如下步驟：步驟1、設置LED陣列光源，LED陣列光源由複數個LED光源組合而成，具有光源主軸；步驟2、設置可變視場光闌在光源主軸上；步驟3、設置控制單元，控制單元與LED陣列光源和可變視場光闌分別連接；步驟4、根據所需的光瞳能量分佈及曝光視場範圍，藉由控制單元控制相應的LED光源出射光的功率，及可變視場光闌的攔光範圍，實現相應的自由光瞳照明。本發明藉由調製LED陣列光源中各個LED光源出射光的功率，即可在光瞳面得到所需的能量分佈。本發明光瞳調製原理與結構簡單，便於安裝調試，安全性高，模式切換速度快，成本低廉。

Description

自由光瞳照明方法及照明系統

本發明關於半導體製造中的微影技術領域，特別是關於一種自由光瞳照明方法及照明系統。

半導體製造中的微影技術（Microlithography）就是利用光學系統把遮罩版上的圖形精確地投影曝光到塗有光刻膠的矽片上。

為了增強曝光系統的分辨能力，提高焦深，增大製程窗口，在掃描曝光系統中已廣泛採取了離軸照明技術（off-axis illumination，OAI）。傳統的離軸照明包含環形照明、二極照明和四極照明等，主要是根據具體的遮罩圖形來選擇不同的離軸照明光瞳分佈。

自由光瞳照明模式，是一種新的分辨率增強技術方案，屬於光瞳-遮罩優化（Source-Mask Optimization，SMO）技術方案中的一部分，即根據遮罩圖形的分佈，計算出最優的照明系統光瞳面的能量分佈，並藉由調製得到這種光瞳分佈，以增強系統分辨率並增強焦深。

目前，自由光瞳照明系統的技術方案包含以下幾種：

1、在光瞳面設置擋板，或者設置透過率分佈變化的玻璃平板，直接改變光瞳面的能量分佈。該方案最為簡單，而且可以應用在任意的光學系統中，但只能得到預設的光瞳分佈，且光瞳切換速度較慢。

2、使用衍射光學元件（Diffraction Optical Element，DOE），藉由選擇不同遠場分佈的DOE，在光瞳面得到相應的能量分佈。該方案常用於激光器作為光源的曝光系統中，能量利用率有所提高，但同樣只能得到預設的光瞳分佈，光瞳切換速度較慢，而且DOE的價格較高。

3、使用微反射鏡陣列元件（Minute Mirror Array，MMA），改變MMA中任意反射鏡的反射角度，在光瞳面得到相應的能量分佈。該方案常用於激光器作為光源的曝光系統中，能量利用率高，可以形成任意的光瞳分佈，且光瞳切換速度較快，是目前最有前景的應用方案。但本方案研發製作成本較高，形成相應光瞳能量分佈的計算方法非常複雜。

隨著LED光源技術的發展，LED光源的功率越來越接近現代半導體工業大功率高強度的需求，LED光源有很大的應用前景。LED光源一般包含基板，基板上有LED燈芯，LED燈芯外是封裝樹脂。LED光源具有體積小、壽命長、出射光功率易於控制等特點，在不同使用場景下，LED光源藉由使用不同的能量收集和勻光器件來滿足需求。

本發明提供一種自由光瞳照明方法及照明系統，利用LED光源，解決習知的自由光瞳照明系統切換速度慢、成本高、計算方法複雜等技術問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種自由光瞳照明方法，包含如下步驟：

步驟1、設置LED陣列光源，LED陣列光源由複數個LED光源組合而成，具有光源主軸；

步驟2、設置可變視場光闌在光源主軸上；

步驟3、設置控制單元，控制單元與LED陣列光源和可變視場光闌分別連接；

步驟4、根據所需的光瞳能量分佈及曝光視場範圍，藉由控制單元控制相應的LED光源出射光的功率，及可變視場光闌的攔光範圍，實現相應的自由光瞳照明。

較佳地，自由光瞳照明方法還包含：

步驟5、測試整個視場範圍內，光瞳能量分佈是否符合需求，如果不符合，修正各LED光源的出射光功率。

較佳地，LED陣列光源由複數個個同一類型的LED光源按照圓形的排列方式緊密排布組合而成，且複數個LED光源關於LED陣列光源的中心對稱分佈。

較佳地，每個LED光源均與控制單元相連。

較佳地，LED陣列光源的波長為365 nm、248 nm或以下。

較佳地，LED陣列光源的出射截面為24 mm。

本發明還提供了一種自由光瞳照明系統，包含LED陣列光源、第一中繼鏡組、勻光單元、可變視場光闌、第二中繼鏡組以及控制單元，LED陣列光源、第一中繼鏡組、勻光單元、可變視場光闌以及第二中繼鏡組依次排列，第一中繼鏡組、勻光單元以及可變視場光闌設置在LED陣列光源的主軸上，控制單元與所述LED陣列光源和可變視場光闌分別連接，用於根據所需的光瞳能量分佈及曝光視場範圍，藉由控制單元控制LED陣列光源出射光的功率，及可變視場光闌的攔光範圍，實現相應的自由光瞳照明。

較佳地，勻光單元包含微透鏡陣列和彙聚鏡組，彙聚鏡組的入瞳面位於微透鏡陣列的後表面。

較佳地，微透鏡陣列的前表面位於第一中繼鏡組的像面。

較佳地，可變視場光闌位於彙聚鏡組的像面。

較佳地，第二中繼鏡組的物面位於彙聚鏡組的像面。

較佳地，微透鏡陣列包含兩塊相同的微透鏡，每塊微透鏡由前後兩面分別相互垂直的柱面鏡疊加而成。

較佳地，彙聚鏡組和可變視場光闌之間還設有石英棒。

較佳地，石英棒的入光端面位於所述彙聚鏡組的像面，可變視場光闌位於石英棒的出光端。

較佳地，第一中繼鏡組的物面位於LED陣列光源的出光端。

與習知技術相比，本發明提供的一種自由光瞳照明方法及照明系統具有如下優點：

1、本發明所提供的技術方案，利用控制單元控制LED陣列光源成像在照明系統的光瞳面上，藉由調製LED陣列光源，實現自由光瞳照明模式，起到提升光刻機投影物鏡焦深的作用；

2、本發明可實現任意形狀的自由光瞳照明模式，且光瞳切換速度較快；

3、本發明相較於習知技術中使用衍射光學元件和微反射鏡陣列的方案，成本低廉；

4、本發明結構簡單，便於安裝調試，且安全性更高。

為了更詳盡的表述上述發明的技術方案，以下列舉出具體的實施例來證明技術效果；需要強調的是，這些實施例用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。

實施例一

本發明提供的一種自由光瞳照明系統，如圖1所示，包含LED陣列光源10、第一中繼鏡組20、勻光單元30、可變視場光闌40、第二中繼鏡組50以及控制單元60，所述LED陣列光源10、第一中繼鏡組20、勻光單元30、可變視場光闌40以及第二中繼鏡組50依次排列，第一中繼鏡組20、勻光單元30以及可變視場光闌40設置在LED陣列光源10的主軸上，控制單元60與LED陣列光源10和可變視場光闌40分別連接。本發明使用LED陣列光源10，藉由第一中繼鏡組20和第二中繼鏡組50成像在光刻照明系統的光瞳面上，產生提升光刻機投影物鏡焦深的作用，再藉由使用勻光單元30勻光，以使光束能量分佈均勻，藉由調製LED陣列光源10的出射光的功率，即可在光瞳面得到所需的能量分佈，即實現了自由光瞳照明模式。本發明之光瞳調製原理與結構簡單，便於安裝調試與控制，安全性高，模式切換速度快，且成本低廉。

較佳地，請重點參考圖2， LED陣列光源10由複數個同一類型的LED光源11按照圓形的排列方式緊密排布組合而成，且複數個LED光源11關於LED陣列光源10中心對稱分佈，換句話說，LED光源11為朗伯分佈，本實施例中，LED光源11的數量為307個，整個LED陣列光源10的出射截面的直徑為24 mm。上述LED光源的數量以及整個LED陣列光源的出射截面直徑可以根據實際需要而改變，不應以此為限制。

較佳地，每個LED光源11均與控制單元60相連，也就是說，控制單元60可對每個LED光源11進行單獨控制，具體地，控制單元60控制LED陣列光源10中各個LED光源11出射光的功率，改變照明光瞳的能量分佈，形成自由光瞳照明，如果控制所有LED光源11全部以同樣的功率發光，則會形成傳統的圓形光瞳，本發明中，光瞳模式切換速度較快。

較佳地，LED陣列光源10發出的光經過LED光源基底反射面反射，在光源出射截面形成近似圓形的光斑，第一中繼鏡組20的物面位於LED陣列光源10的出光端，將LED陣列光源10放大傳遞到勻光單元30，即照明系統的光瞳面上，由於LED陣列光源10的出射NA（數值孔徑）較大，所以藉由第一中繼鏡組20後，第一中繼鏡組20像面NA減小，更利於後續勻光單元30的勻光效果；勻光單元30包含微透鏡陣列31和彙聚鏡組32，微透鏡陣列31的前表面位於第一中繼鏡組20的像面，彙聚鏡組32的入瞳面位於微透鏡陣列31的後表面，微透鏡陣列31和彙聚鏡組32對光束進行勻光，在彙聚鏡組32的像面形成均勻照明視場；可變視場光闌40位於彙聚鏡組32的像面，在掃描曝光過程中，可藉由控制單元60控制可變視場光闌40的攔光範圍，改變掃描曝光過程中的視場大小；第二中繼鏡組50的物面位於彙聚鏡組32的像面，第二中繼鏡組50把均勻視場放大，並在第二中繼鏡組50的像面形成均勻性滿足要求的均勻性照明視場。

較佳地，微透鏡陣列31包含兩塊相同的微透鏡，每塊微透鏡由前後兩面分別相互垂直的柱面鏡疊加而成，可以將照射在微透鏡陣列31前表面的光束分解成多個子照明視場，利用彙聚鏡組32將這些子照明視場都成像在彙聚鏡組32的像面，則在彙聚鏡組32的像面形成一定視場大小和一定NA的均勻照明視場。

較佳地， LED陣列光源10的波長為365 nm、248 nm或更短波長。

請重點參考圖3，並結合圖1，本發明還提供了一種自由光瞳照明方法，包含如下步驟：

步驟1、設置LED陣列光源10，LED陣列光源10由複數個LED光源11組合而成，具有光源主軸；

步驟2、設置可變視場光闌40在光源主軸上；

步驟3、設置控制單元60，控制單元60與LED陣列光源10和可變視場光闌40分別連接；

步驟4、根據所需的光瞳能量分佈及曝光視場範圍，藉由控制單元60控制相應的LED光源11出射光的功率，及可變視場光闌40的攔光範圍，完成相應的自由光瞳照明。

較佳地，自由光瞳照明方法還包含：

步驟5、測試整個視場範圍內，光瞳能量分佈是否符合需求，如果不符合，修正各LED光源11出射光的功率。

具體地，請重點參考圖4，控制LED陣列光源10的出射光功率，令中間部分的LED光源11不發光，則會形成環形光瞳，即得到環形照明模式101A。控制發光LED光源11和不發光LED光源11的範圍，即可調節環形照明光瞳的大小。

請重點參考圖5，控制LED陣列光源10的出射光功率，令四極部分的LED光源11發光，其他LED光源11不發光，則會形成四極照明光瞳，即得到四極照明模式101B。控制發光LED光源11和不發光LED光源11的範圍，即可調節四極照明光瞳的大小和四極的位置。

請重點參考圖6，控制LED陣列光源10的出射光功率，令垂向二極部分的LED光源11發光，其他LED光源11不發光，則會形成Y向二極照明光瞳，即得到Y向二極照明模式101C。控制發光LED光源11和不發光LED光源11的範圍，即可調節Y向二極照明光瞳的大小和二極的位置。

請重點參考圖7，控制LED陣列光源10的出射光功率，令橫向二極部分的LED光源11發光，其他LED光源11不發光，則會形成X向二極照明光瞳，即得到X向二極照明模式101D。控制發光LED光源11和不發光LED光源11的範圍，即可調節X向二極照明光瞳的大小和二極的位置。

需要說明的是， LED陣列光源10可以快速形成曝光系統常用的照明光瞳分佈，包含但不限於傳統圓形照明、環形照明、四極照明和二極照明，也可以形成任意分佈的照明光瞳分佈。

實施例二

較佳地，請重點參考圖8，本實施例與實施例一的區別在於：彙聚鏡組32和可變視場光闌40之間還設有石英棒70，具體地，石英棒70的入光端面位於彙聚鏡組32的像面，可變視場光闌40位於石英棒70的出光端。本實施例中，增加了石英棒70，具體地，微透鏡陣列31和彙聚鏡組32進行一級勻光，石英棒70的入光端面位於彙聚鏡組32的像面，對入射光進行二級勻光，則在石英棒70的出光端形成更加均勻的照明視場。可變視場光闌40位於石英棒70的出光端，在掃描曝光過程中，可變視場光闌40可以改變均勻照明視場的視場大小。第二中繼鏡組50的物面同樣位於石英棒70的出光端，將可變視場光闌40改變後的均勻照明視場放大傳遞到第二中繼鏡組50的像面，形成一定視場大小和一定NA的均勻照明視場。

綜上所述，本發明提供的一種自由光瞳照明方法及照明系統，該方法包含如下步驟：步驟1、設置LED陣列光源10，所述LED陣列光源10由複數個LED光源11組合而成，具有光源主軸；步驟2、設置可變視場光闌40在所述光源主軸上；步驟3、設置控制單元60，所述控制單元60與所述LED陣列光源10和可變視場光闌40分別連接；步驟4、根據所需光瞳能量分佈需求，及曝光視場範圍，藉由所述控制單元60控制相應的LED光源11出射光的功率，及所述可變視場光闌40的攔光範圍，完成相應的自由光瞳照明。本發明藉由調製LED陣列光源10中各個LED光源11出射光的功率，即可在光瞳面得到所需的能量分佈。本發明光瞳調製原理與結構簡單，便於安裝調試，安全性高，模式切換速度快，成本低廉。

顯然，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。

10‧‧‧LED陣列光源

11‧‧‧LED光源

101A‧‧‧環形照明模式

101B‧‧‧四極照明模式

101C‧‧‧Y向二極照明模式

101D‧‧‧X向二極照明模式

20‧‧‧第一中繼鏡組

30‧‧‧勻光單元

31‧‧‧微透鏡陣列

32‧‧‧彙聚鏡組

40‧‧‧可變視場光闌

50‧‧‧第二中繼鏡組

60‧‧‧控制單元

70‧‧‧石英棒

圖1為本發明的實施例一的自由光瞳照明系統的結構示意圖； 圖2為本發明的實施例一的自由光瞳照明系統中LED陣列光源的排佈示意圖； 圖3為本發明的一具體實施方式的自由光瞳照明方法的流程圖； 圖4至7分別為本發明中LED陣列光源的不同照明模式示意圖； 圖8為本發明的實施例二的自由光瞳照明系統的結構示意圖。

Claims (15)

1. 一種自由光瞳照明方法，其包含下列步驟： 步驟1、設置LED陣列光源，該LED陣列光源由複數個LED光源組合而成，具有光源主軸； 步驟2、設置可變視場光闌在該光源主軸上； 步驟3、設置控制單元，該控制單元與該LED陣列光源和可變視場光闌分別連接；以及 步驟4、根據所需的光瞳能量分佈及曝光視場範圍，藉由該控制單元控制相應的LED光源出射光的功率，及該可變視場光闌的攔光範圍，實現相應的自由光瞳照明。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自由光瞳照明方法，其更包含： 步驟5、測試整個視場範圍內，光瞳能量分佈是否符合需求，如果不符合，修正各LED光源的出射光功率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自由光瞳照明方法，其中該LED陣列光源由複數個同一類型的LED光源按照圓形的排列方式緊密排布組合而成，且該複數個LED光源對應於該LED陣列光源的中心對稱分佈。
4. 如申請專利範圍第3項所述之自由光瞳照明方法，其中各個該LED光源均與該控制單元相連。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自由光瞳照明方法，其中該LED陣列光源的波長為365 nm、248 nm或以下。
6. 如申請專利範圍第1項所述之自由光瞳照明方法，其中該LED陣列光源的出射截面為24 mm。
7. 一種自由光瞳照明系統，其包含LED陣列光源、第一中繼鏡組、勻光單元、可變視場光闌、第二中繼鏡組以及控制單元，該LED陣列光源、第一中繼鏡組、勻光單元、可變視場光闌以及第二中繼鏡組依次排列，該第一中繼鏡組、勻光單元以及可變視場光闌設置在該LED陣列光源的主軸上，該控制單元與該LED陣列光源和可變視場光闌分別連接，用於根據所需的光瞳能量分佈及曝光視場範圍，藉由該控制單元控制該LED陣列光源出射光的功率，及該可變視場光闌的攔光範圍，實現相應的自由光瞳照明。
8. 如申請專利範圍第7項所述之自由光瞳照明系統，其中該勻光單元包含微透鏡陣列和彙聚鏡組，該彙聚鏡組的入瞳面位於該微透鏡陣列的後表面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之自由光瞳照明系統，其中該微透鏡陣列的前表面位於該第一中繼鏡組的像面。
10. 如申請專利範圍第8項所述之自由光瞳照明系統，其中該可變視場光闌位於該彙聚鏡組的像面。
11. 如申請專利範圍第8項所述之自由光瞳照明系統，其中該第二中繼鏡組的物面位於該彙聚鏡組的像面。
12. 如申請專利範圍第8項所述之自由光瞳照明系統，其中該微透鏡陣列包含兩塊相同的微透鏡，每塊微透鏡由前後兩面分別相互垂直的柱面鏡疊加而成。
13. 如申請專利範圍第8項所述之自由光瞳照明系統，其中該彙聚鏡組和可變視場光闌之間還設有石英棒。
14. 如申請專利範圍第13項所述之自由光瞳照明系統，其中該石英棒的入光端面位於該彙聚鏡組的像面，該可變視場光闌位於該石英棒的出光端。
15. 如申請專利範圍第7項所述之自由光瞳照明系統，其中該第一中繼鏡組的物面位於該LED陣列光源的出光端。