TW202205027A

TW202205027A - 用於半導體微影的投影曝光裝置

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Publication number: TW202205027A
Application number: TW110110441A
Authority: TW
Inventors: 提摩勞弗; 麥可史托茲
Original assignee: 德商卡爾蔡司Ｓｍｔ有限公司
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2022-02-01
Also published as: EP4124208A1; WO2021190781A1; US20230010705A1; DE102020203753A1; KR20220156891A

Abstract

本發明揭示一種用於半導體微影的投影曝光裝置（1，101），其包含至少一光學元件（20）；及至少一溫度記錄器件（26），用於藉由從該光學元件（20）的一表面（22）發出的電磁輻射（34）以偵測該光學元件（20）的該表面（22）上的溫度，其中該溫度記錄器件（26）可包括一用於過濾該電磁輻射（34）的過濾器（30）。

Description

用於半導體微影的投影曝光裝置

本發明係關於一種用於半導體微影的投影曝光裝置。

此裝置用於製造極精密的結構，特別是在半導體組件或其他微結構化組件上。該等裝置的工作原理係基於藉由通常將所謂倍縮光罩（Reticle）之類的光罩上的結構縮小成像在所謂晶圓之類的待結構化元件（即具有感光材料）上，以生產低至奈米範圍的非常精細結構。所產生結構的最小尺寸直接取決於所用光的波長。最近，越來越多使用發射波長在數奈米範圍內，例如在1 nm與120 nm之間，特別是在13.5 nm範圍內的光源。13.5 nm附近的波長範圍亦稱為EUV範圍。除了EUV系統之外，微結構化組件亦使用商業上建立的DUV系統生產，其波長在100 nm到400 nm之間，尤其是193 nm。由於導入EUV範圍，因此有可能生產甚至更小的結構，對波長為193 nm的DUV系統光學校正需求也進一步增加。此外，每新世代投影曝光裝置的產量都在增加，與波長無關，從而提高盈利能力；這通常會導致更大的熱負荷，從而導致更多由熱引起的成像像差。為了校正成像像差，可使用光學總成，例如，諸如操縱器，其改變光學元件的位置和校準，或者藉由使光學有效表面變形來影響光學元件，特別是反射鏡的成像特性。在這情況下，光學有效表面應理解為係指光學元件表面的一部分，該部分由用於結構成像的使用光所照射。另外，實施為反射鏡的光學總成的光學元件可藉由直接水冷來調節溫度。為此目的，反射鏡包含切口，這些切口實施為冷卻通道，並且配置在距光學有效表面不同距離的一或多個平面中，並且溫度調節水流過該切口。表面溫度的準確測量對於這兩種方法都是有利的。

專利申請案案第US20040051984A1號揭示一種包含紅外線相機的投影曝光裝置，該相機用來偵測反射鏡表面的溫度。然而，這有缺點，即紅外線相機偵測從反射鏡表面發出的輻射，還偵測從反射鏡表面周圍環境反射的熱輻射之輻射，因此，不能以足夠精度確定反射鏡表面與周圍環境溫度之間的差異。

本發明之一目的在於提出一種消除上述先前技術缺點之器件。

藉由具備獨立請求項特徵的一器件達成此目的。從屬請求項涉及本發明的有利擴展方案和變化。

一種根據本發明用於半導體微影的投影曝光裝置包含至少一光學元件和至少一溫度記錄器件，用於藉由從光學元件表面發出的熱電磁輻射來偵測光學元件表面上的溫度。根據本發明，該器件可包含一用於過濾電磁輻射的過濾器。

在這情況下，可在溫度記錄器件與光學元件之間配置過濾器。由於用於偵測溫度的輻射在到達溫度記錄器件之前已過濾，因此可屏蔽不能用於確定表面溫度或會破壞測量的干擾輻射，因此提高測溫精度。

特別是，該過濾器可實施為一偏振過濾器（polarisation filter）。這利用實際上，干擾輻射的主要部分最初並非來自光學元件的表面，而是來自投影曝光裝置的其他組成部分，並且僅從光學元件表面沿溫度記錄器件的方向反射。然而，當電磁輻射在介面處反射時會發生部分或完全偏振，也就是說，垂直於輻射入射平面偏振的輻射部分主要由光學元件表面反射。因此該介面在偏振器/分析器配置中採用偏振器方式起作用。然後，所提及的輻射部分可由配置在溫度記錄器件上游的偏振過濾器濾除，在這情況下，該偏振過濾器當成分析器。因此，可部分或完全抑制由周圍環境（即圍繞光學元件的殼體）發射並由光學有效表面反射的輻射，使得非偏振輻射主要由光學有效表面本身發射或此輻射的相當部分會撞擊到溫度記錄器件上，並且可由後者偵測到。

在這情況下，如果溫度記錄器件採用在表面上反射並且入射到溫度記錄器件上的輻射以接近起偏振角（Brewster angle）的角度反射的方式，則可能是有利的。起偏振角是當輻射入射到兩介質之間的介面上時，反射光最大程度垂直於輻射入射平面偏振的角度。起偏振角取決於兩介質的折射率和電磁輻射的頻率，例如，空氣與SiO₂ 之間的介面為55.59°。

更進一步，偏振過濾器可實現為一旋轉偏振過濾器。因此，已知頻率可施加在反射的偏振熱輻射之強度上，該強度由溫度記錄器件偵測。如此，歸因於反射（和不需要的）輻射的信號部分可輕易由溫度記錄器件識別，並且在確定光學元件表面溫度時考慮在內。

為了進一步提高測量精度，該器件可包括一鎖相放大器（lock-in amplifier）。一鎖相放大器放大以已知頻率和相位調變的微弱電信號。在投影曝光裝置的情況下，用於將結構成像到晶圓上的輻射通常為時脈控制。在這方面，舉例來說，可以0.2秒輻射開啟和0.5秒輻射關閉的時脈來照射實施為反射鏡的光學元件。在所描述情況下，這會導致反射鏡的塊體材料達到大約攝氏60度的溫度，但反射鏡的最頂層達到的表面溫度介於大約60°C和120°C，隨時間週期性變化。這個循環熱的最上層非常薄，因此在總熱輻射中的比例可能很小；尤其可能僅對應於反射鏡總熱輻射的0.1%。然而，在鎖相（lock-in）技術的幫助下，可準確放大、偵測和確定輻射的此時脈信號。

鎖相技術還可免除使用過濾器。這同樣適用於以下描述的變體。這些變體中的每一者本身或與一或多個其他變體組合可亦在不使用過濾器的情況下實現。

此外，投影曝光裝置的至少一元件（其輻射由於在光學元件處的反射而撞擊在溫度記錄器件上）可組態成進行溫度調節。藉此實現，到達溫度記錄器件且不直接源自光學元件表面（要測量的表面）的輻射，至少由其溫度和因此其熱輻射可控制的元件所發射。藉由根據本發明的措施，可比根據先前技術迄今為止可能的情況，更佳管理在光學元件表面上反射的熱輻射之誤差組成。

此外或另外，光學元件表面可包含對於由該溫度記錄器件所偵測波長範圍具有發射率0.1、較佳大於0.4、並且特別較佳大於0.95的塗層。光學元件表面通常具有用於反射波長在1 nm和400 nm之間電磁輻射的塗層。因此可在該表面上形成一額外層，其不會降低1 µm至400 µm範圍內的反射率，並且可增加例如波長為1 μm至15 μm的表面發射率至上述值。不言而喻，對於上述範圍之外的波長也可增加發射率。

在本發明的一種有利變型中，其輻射由於在光學元件處反射而照射到溫度記錄器件上的該投影曝光裝置之至少一元件可採用對於溫度記錄器件偵測到的波長範圍之發射率大於0.4、較佳大於0.7並且特別較佳大於0.95之此方式具體實施。該元件同樣可塗覆，其中在用於半導體微影的光學元件情況下，這裡不必考慮功能層。在這情況下，由於提到的高發射率也伴隨著高吸收率，因此該元件就像一光束陷阱，用於捕捉周圍發出的熱輻射。

此外，該溫度記錄器件可包含一紅外線相機。

尤其是，該溫度記錄器件可設計為偵測光學元件表面的部分區域。藉由限制相機的視場，紅外線相機偵測到來自於光學元件上反射的輻射可減少到最低程度，該輻射代表用於檢測光學有效表面的表面溫度之干擾寄生輻射。在複數個相機的情況下，該等相機可偵測光學元件的不同部分區域。

此外，溫度記錄器件可組態成以掃描方式偵測由光學元件發射或反射的輻射。

特別是，該溫度記錄器件採用以掃描方式偵測由光學元件發射或反射的輻射之此方式移動。

若溫度記錄器件的光學單元可以掃描方式偵測由光學元件發射或反射的輻射之此方式移動，則也可能是有利的。輻射的掃描偵測具有可使用具有窄視場紅外線相機的優點。掃描運動也可以即使在光學元件的凹面或凸面情況下，偵測到的輻射角度也始終接近起偏振角之此方式實施。在這情況下，接近起偏振角係指該角已到達例如最大為10°的偏差。

圖1例示可使用本發明的一示範投影曝光裝置1。該投影曝光裝置1用於對塗覆感光材料的基板上之結構曝光，該基板通常主要由矽組成並且稱為晶圓2，用於製造諸如電腦晶片的半導體組件。

在這情況下，該投影曝光裝置1主要包含一用於照明物平面9中物場8的照明器件3；一用於接受和精確定位具有結構並配置在物平面9中的光罩之倍縮光罩支架6，該光罩就是所謂的倍縮光罩7，用於確定晶圓2上的結構；一用於安裝、移動和精確定位該晶圓2的晶圓支架10；及一成像器件，即一投影光學單元13，其具有複數個光學元件14，其藉由安裝件15維持在該投影光學單元13的透鏡殼體16中。

在這情況下的基本功能原理提供用於該等引入要在晶圓2上成像的倍縮光罩7之結構，該成像通常會縮小尺度。

照明裝置3的光源4提供電磁輻射形式的投影光束17，所需的該投影光束係為將配置在物平面9中的倍縮光罩7成像到配置於像平面12中的像場11的區域內晶圓2上，該電磁輻射特別是在100 nm和300 nm之間的波長範圍內。雷射、電漿源等可用作此輻射的來源4，以下亦稱為使用光。採取當投影光束17入射到配置在物平面9中的倍縮光罩7上時，所述投影光束使用關於直徑、偏振、波前形狀等的所需特性來照明物場8之此方式，借助於照明器件3的照明光學單元5中之光學元件18以成形輻射。

倍縮光罩7的影像藉由投影光束17產生，並且在由投影光學單元13的相對縮小之後，轉移到配置在像平面12中的晶圓2，如前所述。在這情況下，倍縮光罩7和晶圓2可同步移動，使得倍縮光罩7的區域在所謂的掃描製程中幾乎連續成像到晶圓2的相應區域上。投影光學單元13具有多個單獨的折射、衍射及/或反射光學元件14，諸如，例如透鏡元件、反射鏡、稜鏡、端接板等，其中該等光學元件14可例如藉由一或複數個致動器配置（圖中未個別示出）來致動。

圖2藉由舉例顯示本發明同樣可應用的微微影EUV投影曝光裝置101之基本構造。投影曝光裝置101的構造，及將配置在物平面109中的倍縮光罩107上的結構成像到配置在像平面112中的晶圓102上之原理，係相當於圖1所述的構造和程序。相同的組件由相對於圖1增加100的參考符號所表示，即圖2所示的參考符號是從101開始。相對於如圖1描述的透射光裝置，在EUV投影曝光裝置101中，由於EUV輻射117的短波長，僅體現為反射鏡的光學元件114、118可用於成像及/或照明，當成在1 nm至120 nm範圍內，特別是13.5 nm內的使用光。

投影曝光裝置101的照明器件103在輻射源104旁邊包含一用於照明物平面109內的物場108之照明光學單元105。由光源104產生的光學使用輻射形式下之EUV輻射117借助於整合在光源104中的收集器，採用入射到場分面鏡120上之前藉由中間焦平面119的區域中的中間焦點之此方式進行對準。EUV輻射光束117在場分面鏡120的下游從一光瞳分面鏡121反射。借助於光瞳分面鏡121和具有反射鏡118的光學總成122，場分面鏡120的場分面被成像到物場108中。除了使用反射鏡114之外，下游投影光學單元113的構造在原則上與圖1描述的構造沒有區別，因此不再進一步詳細描述。

圖3顯示如圖1或圖2所述投影曝光裝置1、101的細部圖，其中例示具體實施為反射鏡20並配置在殼體23中的光學元件。在顯示的範例中，殼體23包含由窗口25封閉的切口24，從而避免藉由切口24與周圍環境進行氣體交換。在所示範例中具體實施為紅外線相機26的溫度記錄器件藉由窗口25部分或完全偵測用使用光17、117照射的光學有效表面22，作為在此情況所考慮下的反射鏡20的表面部分。窗口25可透射熱輻射33、34，熱輻射由紅外線相機26偵測並且與溫度確定相關。在本發明的其他具體實施例中，溫度記錄器件亦可位於別處，特別是亦在殼體內。在此情況下，不必然需要窗口。為清楚起見，未例示反射鏡20和紅外線相機26與殼體23的機械連接。該圖示同樣未顯示反射鏡材料中的一或複數個可選溫度感測器，特別是可用於校準目的。反射鏡的光學有效表面22由於吸收使用光17、117而受熱，其中光學有效表面22上的溫度由於使用光17、117在光學有效表面22上非恆定分佈以及反射鏡20內不同熱流而不是恆定。致動器可補償反射鏡可能不要的剛體運動。為了藉由光學有效表面22和由此產生的變形來補償溫差，反射鏡20可藉由溫度調節器件（未示出）進行溫度調節及/或可藉由致動器（未示出）進行變形，例如，該致動器可配置在反射鏡20的後側，其方式為以補償由於反射鏡20受熱而形成的變形。為此，光學有效表面22的表面溫度由含有一過濾器30和一控制器31的紅外線相機26確定。控制器31經由一線路35連接到紅外線相機26，其中在反射鏡20冷卻及/或變形的情況下，溫度調節器件及/或致動器同樣連接到控制器31。紅外線相機26僅看到由反射鏡20發射的熱輻射34，及由殼體23的一部分23.1發射並由反射鏡20反射的熱輻射33。根據輻射表面22最初發射的熱輻射34之比率，該熱輻射與輻射表面22的溫度確定有關，以及由殼體23的一部分23.1發射之熱輻射33藉由反射來偵測，可以低於±0.5°K的足夠精度以確定光學有效表面22的表面溫度。在顯示的範例中，控制器31包含一鎖相放大器32，其能夠相對於由殼體組件23.1發射的熱輻射33之背景，以改進確定由光學有效表面22發射的熱輻射34。這可利用實際上，在投影曝光裝置的操作期間，被照射表面22的熱輻射34包括恆定部分和由反射鏡20的循環曝光所引起之循環部分。光學有效表面22例如以0.2秒「開燈」和0.5秒「關燈」的時脈受照射。在此範例中，反射鏡20的塊體材料將具有大約攝氏60度的溫度，但是反射鏡20的最頂層將具有例如介於約攝氏60度與約攝氏120度之間隨時間週期性變化的表面溫度。此最頂層非常薄，因此在總熱輻射中的比例同樣很小；尤其可能僅對應於反射鏡表面總熱輻射的0.1%。然而，在鎖相技術的幫助下，可放大、偵測和確定熱輻射34的此時脈信號。在使用鎖相放大器32的情況下，控制器31藉由一線路36連接到投影曝光裝置的照明或照明控制器（均未示出），藉由該控制器將使用光17的時脈通訊至控制器31。此外，殼體部分23.1發出的熱輻射34與光學有效表面22發出的熱輻射34之比率，亦可藉由在紅外線相機26上成像的殼體部分23.1之發射率設定，以及藉由紅外線相機26所偵測波長範圍的光學有效表面22之發射率設定來增加。在這情況下，至少殼體23的成像部分之發射率降低，並且照射表面22的發射率增加，這將在下面參考圖4、5和6進行描述。

圖4顯示反射鏡20和殼體23的細部圖。由殼體組件23.1發射的熱輻射33.1最初並未偏振。由於反射鏡20的光學有效表面22處之反射，對於大於0°的入射角，該熱輻射主要垂直偏振。熱輻射33.2到達紅外線相機26，該熱輻射由部分殼體23.1發射並在反射鏡20處反射，因此主要垂直於輻射33.1在反射鏡20上的入射平面定向。如果熱輻射33.1以接近起偏振角的反射角反射，則該效果尤其顯著。在此使用背景下，接近應理解為入射角與起偏振角的偏差小於10°。然而，配置在反射鏡20與紅外線相機26之間的過濾器30阻擋垂直偏振方向，從而僅平行偏振方向，即平行於入射平面定向的熱輻射33.2部分，撞擊紅外線相機26。因此，殼體組件23.1的反射熱輻射33.2與反射鏡20的熱輻射34之比率進一步降低，並因此額外簡化光學有效表面22的溫度確定。過濾器30還可實施為一旋轉偏振過濾器，由此在已反射、偏振的熱輻射強度上施加已知頻率，該強度由紅外線相機26所偵測。如此，歸因於反射（和不需要的）輻射的信號部分可輕易由紅外線相機26識別，並且在確定光學元件表面溫度時考慮在內。過濾器30和鎖相技術的組合也是可能的。此外，還可將複數個紅外線相機26對準光學有效表面22，並偵測光學有效表面22的不同區域。此外，紅外線相機26本身或僅光學單元37可用可移動方式安裝，從而可掃描光學有效表面22。

圖5顯示以W/(m²mSr)為單位的光譜輻射率（spectral radiance）（以下簡稱為輻射率）在雙對數圖中針對波長繪製之圖式。波長繪製在橫坐標上，輻射率繪製在縱坐標上。由橫坐標上的點A和B所界定之範圍代表紅外線相機偵測熱輻射之波長範圍，在顯示的範例中，該範圍介於2 µm與5 µm之間。曲線I顯示溫度調節到攝氏-20度的殼體部分23.1之輻射，該殼體部分例示於圖3和圖4中。曲線II和III顯示被照射光學有效表面22的溫度調節到攝氏100度之輻射率，該光學有效表面例示於圖3和圖4中。在這情況下，曲線II表示發射率為0.4的輻射率，曲線III表示發射率為1.0的輻射率，即黑體。

圖6顯示其中圖5所示曲線I和II的比率同樣以雙對數圖繪製之圖式。波長同樣繪製在橫坐標上，輻射率的比例繪製在縱坐標上。在紅外線相機偵測到的波長範圍內，該比例在12到1500之間。即使光學有效表面22的發射率大約為0.05之值，例如在非最佳化塗層的情況下常見，光學有效表面22和殼體部分23.1的輻射率比例仍大於450，即足以用+/- 1°K的精度確定被照射表面的表面溫度。

1:DUV投影曝光裝置 2:晶圓 3:照明器件 4:光源 5:照明光學單元 6:倍縮光罩支架 7:倍縮光罩 8:物場 9:物平面 10:晶圓支架 11:像場 12:像平面 13:投影光學單元 14:光學元件 15:安裝件 16:透鏡殼體 17:投射光束 18:光學元件（照明器件） 20:反射鏡 22:光學有效表面/表面 23:殼體 23.1:成像的殼體部分 24:切口 25:窗口 26:溫度記錄器件 30:過濾器 31:控制器 32:鎖相放大器 33:殼體的熱輻射 34:光學有效表面的熱輻射 35:控制器線路 36:控制器線路 37:紅外線相機的光學單元 101:EUV投影曝光裝置 102:晶圓 103:照明器件 104:光源 105:照明光學單元 106:倍縮光罩支架 107:倍縮光罩 108:物場 109:物平面 110:晶圓支架 111:像場 112:像平面 113:投影光學單元 114:光學元件 115:安裝件 116:透鏡殼體 117:投射光束 118:光學元件 119:中間焦點 120:場分面鏡 121:光瞳分面鏡 122:光學總成 I:殼體部分的輻射率 II:反射鏡發射率等於0.4的輻射率 III:反射鏡發射率等於1的輻射率 IV:反射鏡對殼體部分的輻射率 A:紅外線相機的波長範圍下限 B:紅外線相機的波長範圍上限

以下將參考圖式來更詳細說明本發明的示範具體實施例與變化。圖式中：

圖1顯示實施本發明的DUV投影曝光裝置之基本結構；

圖2顯示實施本發明的EUV投影曝光裝置之基本結構；

圖3顯示本發明的細部圖；

圖4顯示本發明的進一步細部圖；

圖5顯示說明輻射與波長比較的關係圖；及

圖6顯示說明兩輻射率與波長的比率之圖式。

17:投射光束

20:反射鏡

22:光學有效表面/表面

23:殼體

23.1成像的殼體部分

24:切口

25:窗口

26:溫度記錄器件

31:控制器

32:鎖相放大器

33:殼體的熱輻射

35:控制器線路

117:投射光束

Claims

一種用於半導體微影的投影曝光裝置（1，101），包含：至少一光學元件（20）；至少一溫度記錄器件（26），其用於藉由從該光學元件（20）的一表面（22）發出之電磁輻射（34）以偵測該光學元件（20）的該表面（22）上的一溫度，特徵在於該溫度記錄器件（26）包含用於過濾該電磁輻射（34）的一過濾器（30）。
如請求項1之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該過濾器（30）實施為一偏振過濾器。
如請求項1或2之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該溫度記錄器件（26）配置使得在該表面（22）反射並且入射到該溫度記錄器件（26）上的該輻射（33）以接近起偏振角的一角度作反射。
如先前請求項2或3之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該偏振過濾器（30）實施為一旋轉偏振過濾器（30）。
如先前請求項任一項之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該溫度記錄器件（26）包含一鎖相放大器（32）。
如先前請求項任一項之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該投影曝光裝置（1，101）的至少一元件（23.1）的輻射（33）由於在該光學元件（20）處的反射而撞擊在該溫度記錄器件（26）上，該至少一元件組態成進行溫度調節。
如先前請求項任一項之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該光學元件（20）的該表面（22）包含一塗層，其對於由該溫度記錄器件（26）所偵測波長範圍具有發射率0.1、較佳大於0.4、並且特別較佳大於0.95。
如先前請求項任一項之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該投影曝光裝置的至少一元件（23.1）的輻射（33）由於在該光學元件（20）處反射而撞擊在該溫度記錄器件（26）上，該至少一元件係實施使得由該溫度記錄器件（26）偵測的波長範圍的發射率大於0.4，較佳大於0.7，特別較佳大於0.95。
如先前請求項任一項之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該溫度記錄器件（26）包含一紅外線相機。
如先前請求項任一項之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該溫度記錄器件（26）設計成偵測該光學元件（20）的該表面（22）之一部分區域。
如先前請求項任一項之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該溫度記錄器件（26）組態成以一掃描方式偵測由該光學元件（20）發射或反射的該輻射（33，34）。
如請求項11之投影曝光裝置（11，101），特徵在於該溫度記錄器件（26）可移動使得由該光學元件（20）發射或反射的該輻射（33，34）以一掃描方式被偵測。
如請求項11或12之投影曝光裝置（1，101），特徵在於該溫度記錄器件（26）的一光學單元（37）可移動使得由該光學元件（20）發射或反射的該輻射（33，34）以一掃描方式被偵測。