TWI531871B - 微影投影曝光設備之照明系統 - Google Patents

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麥可 派崔
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Description

微影投影曝光設備之照明系統
本發明一般有關微影投影曝光設備之照明系統，尤其有關包含可個別控制之微鏡或其他光束偏轉元件之陣列的設備。
微影技術(又稱為光微影或簡稱為微影)是一種製造積體電路、液晶顯示器及其他微結構化裝置的技術。結合蝕刻製程，微影技術製程係用以在基板(例如矽晶圓)上已形成之薄膜堆疊中圖案化特徵。在製造的每一層中，首先以光阻塗布晶圓，光阻是一種對特定波長的光敏感的材料。接著，使頂部具有光阻的晶圓在投影曝光設備中透過遮罩曝光於投影光。遮罩含有要成像於光阻上的電路圖案。在曝光之後，顯影光阻以產生對應於遮罩中所含電路圖案的影像。然後，蝕刻製程使電路圖案轉印至晶圓上的薄膜堆疊中。最後，移除光阻。以不同遮罩重複此製程，將形成多層的微結構組件。
投影曝光設備通常包括照明系統，照明系統照明遮 罩上具有例如矩形或彎曲長條形狀的場。投影曝光設備另外包含：對準遮罩的遮罩平台、成像遮罩上的照明場於光阻上的投影物鏡(有時又稱為「透鏡」)、及對準塗布有光阻之晶圓的晶圓對準平台。
在投影曝光設備的發展中，一個重要的目標是能夠 在晶圓上以微影方式定義尺寸越來越小的結構。較小結構導致較高的積體密度，這對於借助此設備產生之微結構化組件的性能一般具有有利的影響。
為達成此目標，過去已研究多種方法。一個方法是 改良遮罩的照明。理想上，投影曝光設備的照明系統以具有明確定義之空間及輻照角分布的投影光，照明遮罩上照明之場的每個點。術語「輻照角分布」描述會聚朝向遮罩上特定點之光線束的總光能在構成光線束之光線的各種方向中如何分布。
通常針對要成像在光阻上的圖案種類，調適撞擊在 遮罩上之投影光的輻照角分布。例如，相對大尺寸的特徵可能需要使用不同於小尺寸特徵的輻照角分布。最常使用的輻照角分布為習用的環狀、雙極及四極照明設定。這些術語指的是照明系統之光瞳表面中的輻照分布。例如，在環狀照明設定下，僅照明光瞳表面中的環狀區。以此在投影光的輻照角分布中僅出現較小角度範圍，因此，所有光線以相似的角度傾斜地撞擊在遮罩上。
本技術中已知有不同的方式可以修改遮罩平面中投影光的輻照角分布，以達成所要的照明設定。為達成在遮罩平面 中產生不同角分布的最大靈活性，已提議使用決定光瞳表面輻照分布的反射鏡陣列。
在EP 1 262 836 A1中，將反射鏡陣列實現為包含1000 個以上顯微鏡的微機電系統(MEMS)。各反射鏡可繞著兩個正交傾斜軸傾斜。因此，在此種反射鏡裝置上入射的輻射可被反射至半球中幾乎任何所要方向。配置在反射鏡陣列與光瞳表面間的聚光透鏡，將反射鏡產生的反射角轉換為光瞳表面中的位置。此照明系統因而可以複數個光點照明光瞳表面，其中每個光點與一個特定反射鏡相關聯，且藉由傾斜此反射鏡而可在光瞳表面上自由移動。
使用反射鏡陣列的類似照明系統請參考US 2006/0087634 A1、US 7 061 582 B2及WO 2005/026843 A2。
反射鏡陣列、或微透鏡陣列用以將個別光束引向陣列的反射鏡上以確保沒有光損耗在相鄰反射鏡之間形成的間隙中，該陣列應利用投影光均勻地照明或僅以適度輻照梯度來照明。也很重要的是，由照明系統光源產生之投影光束的暫態變化不會對照明系統的效能產生任何影響。例如，在通常用作光源的準分子雷射下，觀察到稱為雷射指向或雷射抖動的效應。從光源發出之投影光束之方向的小變化可證明這些效應本身的存在。
為了防止此類變化對於遮罩的照明有不利的影響，WO 2009/080279 A1提議在光源及反射鏡陣列、或放置在反射鏡陣列前方的微透鏡陣列之間配置光束均質化單元。光束均質化單元 包含：光學積分器，其包括第一及第二光柵板；及聚光器，其具有其中配置光學積分器之第二光柵板的前焦面。由於第一光柵板配置在第二光柵板之透鏡的前焦面中，此前焦面係成像在聚光器的後焦面上。光在第一光柵板的角分布因此對聚光器後焦面中的空間輻照分布沒有任何影響。由於第二光柵板之透鏡之物體平面的影像疊加在聚光器的後焦面中，輻照分布在第一光柵板上的移位僅實質上影響聚光器後焦面中的光角分布而非空間光分布。
然而，光學積分器必然增加投影光的幾何光通量。 因此，投影光在光學積分器後面的發散大於其前面。然而，對於光束均質化單元，並不需要增加發散，因為發散應該僅由反射鏡陣列增加。投影光在撞擊在反射鏡陣列上時的發散越大，由陣列之反射鏡在後續光瞳平面中產生的光點就越大。但僅在極小的光點下，才可在遮罩平面中產生任意光角分布。
如果第二光柵板的透鏡具有較小折射功率(這表示 透鏡的焦距較大)，則由光學積分器在輸入發散未超過特定限制時產生的發散增加可保持較小。然而，較大焦距需要在光柵板之間及還有在光學積分器及聚光器之間有較大的距離。此問題可藉由使用摺疊反射鏡來解決。然而，如果投影光的發散較小，由繞射光在光學積分器的相鄰通道之間產生的光學串擾將成為問題。在設計以明顯增加發散的習用光學積分器中，在光柵板之間的距離如此之小，致使由透鏡標準配置所繞射的光將維持限定在光學積分器的相應通道內。然而，如果發散較小及光柵板之間的距離變 大，則繞射光可進入相鄰通道並促成光學串擾。
光學積分器中的光學串擾更改光束均質化單元之聚 光器後焦面中的輻照分布。主要的問題是，如果撞擊光束的方向不穩定，光學串擾將經常變更。然後，雷射指向或其他暫態干擾可變更光束均質化單元之聚光器後焦面中的空間輻照分布。這最終將變更遮罩平面中的光角分布。換句話說，光學串擾破壞光束均質化單元產生疊加空間輻照分布(其實質上與撞擊在光學積分器上之光的角分布無關)的性質。
本發明之目的因此在於提供包含光學積分器的照明 系統。即使光學積分器僅稍微增加傳播通過光學積分器之光的發散，由光學積分器在遠場(或在聚光器的後焦面，其與遠場相當)中產生的疊加空間輻照分布應該與撞擊在光學積分器上之光的角分布實質上無關。
根據本發明，此目的以包含光學積分器之微影投影 曝光設備之照明系統來達成。光學積分器包含第一光柵板，其包含沿著參考方向具有第一焦距f1之第一透鏡的陣列。第二光柵板包含沿著參考方向具有第二焦距f2之第二透鏡的陣列。第一透鏡的頂點及第二透鏡的頂點隔開大於第二焦距f2的距離d，其中d>1.01．f2。
本發明人察覺到，即使光學積分器僅稍微增加發散 且輸入發散很小，仍無法完全避免光學串擾。然而，可以消除由繞射光造成之光學串擾的主要不利影響，亦即，光學積分器對入射光之光角分布之暫態變化的敏感度。已發現，如果不將第一透鏡配置在第二透鏡的前焦面中，而是距離前焦面更遠一點，則可明顯或甚至完全減少此敏感度。由於在光學積分器僅稍微增加發散的情形中，第二焦距f2通常在數百公釐的範圍中，距離增加僅1%代表著光柵板之間的距離將增加至少若干公釐，且通常增加若干公分。
增加第一及第二光柵板之間的距離具有以下效應： 補償遠場空間輻照分布的變更(其由促成光學串擾的繞射光在第一光柵板上的光角分布改變時產生)。這運用第二透鏡的反轉效應。然而，唯有考量光之波特性的嚴謹計算方可完全解釋第一透鏡的散焦配置如何減少光學積分器對入射光之光角分布之暫態變化的敏感度。
必須針對特定應用而選擇的比值d/f2主要取決於光 柵板的幾何參數，尤其是第一及第二透鏡的間距、投影光的波長及其發散。在一些應用中，d可超過1.02．f2或甚至1.05．f2。一般而言，比值d/f2增加，光學積分器產生的發散就越小。
如上文已經提過，唯有光學積分器產生的發散很 小，光學串擾才會成為問題。此發散(全圓角)等於p/f2，其中p是第二透鏡的間距及f2是其焦距。光學積分器之單一通道之繞射級的距離等於λ/p。如果使發散p/f2除以相鄰繞射級λ/p之間的距離，則參 數p2/(λ．f2)指示在發散內接收之繞射級的數目。如果此數目很小，則有許多未在發散中接收及因此促成光學串擾的繞射級。
在一些具體實施例中，數目k低於40，在其他具體實 施例中低於20及在又其他具體實施例中低於10。數目k越小，藉由增加光柵板之間的距離d超出第二透鏡之焦距f2的習用值所獲得的好處就越大。
k小於40、20或甚至10的條件通常發生在光學積分器 配置在光源及空間光調變器(其經組態以改變照明系統光瞳表面中的空間輻照分布)之間的情況。然而，照明系統中亦可以有其他應用需要僅稍微增加發散的光學積分器。
此空間光調變器可包含反射或透明光束偏轉元件的光束偏轉陣列。各光束偏轉元件可經組態以按偏轉角來偏轉光束，該偏轉角可回應於施加至光束偏轉元件的控制信號而改變。尤其，光束偏轉元件可由可傾斜反射鏡形成。
本發明同樣適用於對稱光學積分器，其中第一透鏡的焦距f1等於第二透鏡的焦距f2，及在非對稱光學積分器中，f1≠f2。
在一些具體實施例中，照明系統包含聚光器，其具有其中配置第二光柵板的前焦面。然而，光學積分器亦可在無後續聚光器的情況下使用。
定義
術語「光」代表任何電磁輻射，尤其是可見光、UV、DUV及VUV光。
本文使用術語「光線」代表其傳播路徑可以線條描述的光。
本文使用術語「光線束」代表在場平面中具有共用原點的複數個光線。
本文使用術語「光束」代表通過特定透鏡或另一光學元件的光。
本文使用術語「光學積分器」代表增加乘積NA．a的光學系統，其中NA是數值孔徑，及a是照明場面積。
本文使用術語「聚光器」代表在兩個平面(例如場平面及光瞳平面)之間建立(至少大約建立)傅立葉關係的光學元件或光學系統。
本文使用術語「空間輻照分布」代表總輻照如何在光所撞擊的實面或虛面上改變。通常可以函數I s (x,y)描述空間輻照分布，其中x、y為表面中一點的空間座標。如果應用於場平面，空間輻照分布必定求出由複數個光線束所產生輻照的積分。
本文使用術語「輻照角分布」代表光線束的輻照如何取決於構成光線束之光線的角度而改變。通常可以函數I a (α,β)描述輻照角分布，其中α、β為描述光線方向的角座標。如果輻照角分布具有場相依性，則I a 將也是場座標的函數，即，I a =I a (α,β,x,y)。
本文使用術語「表面」代表三維空間中的任何平面或彎曲表面。表面可為主體的一部分或可與主體完全分離，通常 如場平面或光瞳平面的情況。
使用術語「光功率」代表光學元件對光具有發散或 會聚效應的能力。正光功率因此具有會聚效應，及負光功率具有發散光學效應。
術語「會聚效應」是指無論入射光是發散、平行或 已經會聚，均增加會聚。如果入射光是發散的，必須增加會聚至如此之一程度，致使從光學元件出現的光束至少稍微會聚。
10‧‧‧投影曝光設備
12‧‧‧照明系統
14‧‧‧照明場
16‧‧‧遮罩
18‧‧‧圖案
18'‧‧‧圖案的縮小影像
19‧‧‧特徵
20‧‧‧投影物鏡
21‧‧‧透鏡
22‧‧‧感光層
24‧‧‧基板
29‧‧‧外殼
30‧‧‧光源
31‧‧‧光束
32‧‧‧光束擴展單元
34‧‧‧光束均質化單元
36‧‧‧光束分割陣列
37‧‧‧微透鏡
38‧‧‧空間光調變器
40‧‧‧陣列
42‧‧‧微鏡
43‧‧‧控制單元
45‧‧‧總系統控制
46‧‧‧稜鏡
47‧‧‧光軸
48a‧‧‧第一平坦表面
48b‧‧‧第二平坦表面
49‧‧‧出射表面
50‧‧‧第一聚光器
52‧‧‧光學積分器
54a‧‧‧第一光柵板
54b‧‧‧第二光柵板
56‧‧‧光瞳平面
58‧‧‧第二聚光器
60‧‧‧場光闌平面
62‧‧‧可調整場光闌
64‧‧‧場光闌物鏡
66‧‧‧遮罩平面
70‧‧‧均質化光學積分器
72‧‧‧聚光器
72'‧‧‧聚光器
74‧‧‧第一光柵板
76‧‧‧第二光柵板
77‧‧‧光軸
77'‧‧‧光軸
78‧‧‧第一透鏡
78'‧‧‧透鏡
80‧‧‧彎曲表面
82‧‧‧方形邊緣
84‧‧‧第二透鏡
84'‧‧‧透鏡
88‧‧‧聚光器72的前焦面
90‧‧‧聚光器72的後焦面
90'‧‧‧後焦
91‧‧‧體積
92、93、94‧‧‧光學通道
92'、94'‧‧‧光學通道
95‧‧‧焦面
96‧‧‧第二透鏡84的前焦面
102‧‧‧吸收板
104‧‧‧投影光
106‧‧‧繞射級
108‧‧‧透鏡
109‧‧‧空間輻照分布
110‧‧‧稜鏡
112、114‧‧‧楔形部分
170‧‧‧均質化光學積分器
174‧‧‧光柵板
176‧‧‧光柵板
178a、178b‧‧‧圓柱形透鏡
184a、184b‧‧‧圓柱形透鏡
A1‧‧‧遮罩移動方向
A2‧‧‧基板移動方向
d‧‧‧距離
F‧‧‧焦點
f1‧‧‧焦距
f2‧‧‧焦距
fc‧‧‧焦距
I1、I2、I3‧‧‧影像點
LB1、LB2‧‧‧會聚光束
O1、O2、O3‧‧‧物體點
OA‧‧‧光軸
p‧‧‧間距
w‧‧‧寬度
參考結合附圖的詳細說明，即可明白本發明各種特徵及優點，其中：圖1是根據本發明一具體實施例之投影曝光設備的示意透視圖；圖2為圖1所示設備之一部分之照明系統的縱剖面；圖3為圖2所示照明系統所含反射鏡陣列的透視圖；圖4為亦是圖2顯示之照明系統之一部分之光束均質化單元的縱剖面；圖5是圖4顯示之光束均質化單元中所含光柵板的俯視圖；圖6是沿著穿過圖5顯示之光柵板之直線VI-VI的橫截面；圖7是根據替代性具體實施例含有圓柱形微透鏡之 兩個光柵板的透視圖；圖8是先前技術光束均質化單元的示意縱剖面；圖9是圖4顯示之光束均質化單元之光學積分器的縱剖面；圖10是如何可將第二光柵板的三個相鄰透鏡視為單一較大透鏡及稜鏡之組合的示意圖解；圖11是光學串擾如何影響遠場輻照分布的示意圖解；圖12是顯示將第一光柵板配置在散焦軸向位置中之影響的示意圖解；圖13是圖解在對稱光學積分器的情形中為各種間距及焦距組合所需之散焦數量的曲線圖；圖14是圖解取決於數目p2/(λ．f2)所需之散焦數量的曲線圖；圖15是圖解其中第一及第二光柵板之透鏡具有不同焦距之非對稱光學積分器之可能解決方案的曲線圖。
I. 投影曝光設備的一般構造
圖1為根據本發明之投影曝光設備10的透視圖及簡圖。設備10包含產生投影光束的照明系統12。照明系統12照明遮 罩16上的場14，遮罩16包含精細特徵19的圖案18。在此具體實施例中，照明場14具有環形段的形狀。然而，亦考慮照明場14的其他形狀，例如矩形。
投影物鏡20具有光軸OA及含有複數個透鏡21，並將 照明場14中的圖案18成像於感光層22上，感光層22例如光阻，其由基板24支撐。可由矽晶圓形成的基板24在晶圓平台(未顯示)上配置成感光層22的頂面精確地位在投影物鏡20的影像平面中。利用在投影物鏡20之物體平面中的遮罩平台(未顯示)定位遮罩16。由於投影物鏡具有放大率β，其中|β|1，照明場14中圖案18的縮小影像18'被投影於感光層22上。
在投影期間，遮罩16及基板24沿著對應於圖1所示Y 方向的掃描方向移動。照明場14接著在遮罩16上方掃描，使得大於照明場14的圖案化區域可被持續成像。基板24與遮罩16之速度的比值等於投影物鏡20的放大率β。如果投影物鏡20顛倒影像(β<0)，則遮罩16與基板24在相反方向中移動，如圖1中以箭頭A1及A2指示。然而，本發明亦可在步進機工具中使用，其中遮罩16與基板24在投影遮罩期間並不移動。
II. 照明系統的一般構造
圖2為圖1所示照明系統12的縱剖面。為了清楚之故，圖2的圖解極為簡化且未按比例繪製。這尤其表示僅以一個或 極少的光學元件代表不同的光學單元。現實中，這些單元可包含明顯更多的透鏡及其他光學元件。
照明系統12包括外殼29及光源30，在所示具體實施 例中，將光源30實現為準分子雷射。光源30發射投影光的光束31，其具有約193nm的波長。亦考慮其他類型的光源30及其他波長，例如248nm或157nm。
在所示具體實施例中，光源30發射的光束31進入擴 展光束的光束擴展單元32。為此目的，光束擴散單元32可例如包含若干透鏡或平面反射鏡。從光束擴散單元32發出的擴散光束31具有低發散，即，其幾乎準直。
光束31接著進入光束均質化單元34，其使光束31均 質化並穩定投影光在遮罩層的角分布。光束均質化單元34的布置及功能將在第III節中詳細解說。
在均質化後，光束31撞擊在光束分割陣列36上。光 束分割陣列36將光束31分割成複數個個別會聚光束，圖2中僅顯示以LB1、LB2代表的兩個會聚光束。為此目的，光束分割陣列36包含複數個小的微透鏡37。光束分割陣列36的可能組態例如揭示於PCT/EP2010/005628。或者，光束分割陣列36可包含繞射光學元件陣列，如其揭示於WO 2005/026843 A2，或也可以完全省掉。
會聚光束LB1、LB2接著傳播通過用以在後續光瞳平 面中產生可變空間輻照分布的空間光調變器38。在此具體實施例中，空間光調變器38包含微鏡42之陣列40，該等微鏡可在致動器 的幫助下，個別地繞著兩個正交軸傾斜。致動器由連接至總系統控制45的控制單元43控制。
圖3是陣列40的透視圖，其圖解會聚光束LB1、LB2 如何取決於光束LB1、LB2撞擊微鏡42的傾斜角被反射至不同方向中。在圖2及圖3中，陣列40包含僅6×6個微鏡42；在現實中，陣列40可包含數百個或甚至數千個微鏡42。
再次參考圖2，空間光調變器38另外包含稜鏡46，其 具有相對於照明系統12的光軸47均為傾斜的第一平坦表面48a及第二平坦表面48b。在這些傾斜表面48a、48b處，光束LB以全內反射而被反射。第一表面48a將撞擊光束LB1、LB2朝向微鏡陣列40的微鏡42反射，及第二表面48b將從微鏡42反射的光束LB1、LB2引向稜鏡46的出射表面49。
因此可藉由個別傾斜陣列40的微鏡42，改變光束 LB1、LB2的方向，及因此改變從稜鏡46之出射表面49出現之光的輻照角分布。有關空間光調變器38的更多細節例如請見US 2009/0115990 A1。
在將撞擊光束LB1、LB2引向場定義光學積分器52之 第一聚光器50的幫助下，將空間光調變器38所產生的輻照角分布變換成空間輻照分布。在此具體實施例中，場定義光學積分器52包含兩個光柵板54a、54b，其各含有兩個正交陣列的圓柱形微透鏡。光學積分器52在照明系統12的後續光瞳平面56中產生複數個二次光源。第二聚光器58在光瞳平面56及場光闌平面60(其中配置 可調整場光闌62)之間建立傅立葉關係。第二聚光器58疊加從二次光源出現的光束於場光闌平面60中，使得極為均質地照明該場光闌平面。
場光闌平面60由場光闌物鏡64成像於遮罩平面66 上，支撐於遮罩平台(未顯示)上的遮罩16配置在遮罩平面中。可調整的場光闌62亦藉此成像於遮罩平面66上，並至少定義沿著掃描方向Y延伸之照明場14的較短橫向側。
在場定義光學積分器52前面的空間輻照分布決定光 瞳平面56中的空間輻照分布，及因此決定場光闌平面60及遮罩平面66的輻照角分布。在控制單元43的幫助下，藉由仔細地設定反射鏡陣列40之微鏡42的傾斜角，因此可在遮罩平面66中快速地產生幾乎任何任意輻照角分布。這繼而可以針對遮罩16中所含的圖案18，快速地調適遮罩平面66中的輻照角分布。使用專為圖案18定製的輻照角分布，可將圖案18更精確地成像於感光層22上。
III. 光束均質化單元
圖4為圖2所示光束均質化單元34的縱剖面。光束均 質化單元34包含均質化光學積分器70及聚光器72。與場定義光學積分器52相對照，以下將均質化光學積分器70簡稱為光學積分器。均質化光學積分器70包括第一光柵板74及第二光柵板76，該等光柵板沿著光束均質化單元34的光軸77隔開。
如可在圖5的俯視圖中看到，第一光柵板74包含複數 個第一透鏡78，其沿著X及Y方向以均等間距p配置在規則的格子狀陣列中。圖6是圖5顯示之第一光柵板74沿著直線VI-VI的橫截面，其圖解第一透鏡78具有正折射功率及在顯示的具體實施例中實現為平面-凸面微透鏡。每個第一透鏡78具有彎曲表面80，其由方形邊緣82(見圖5)劃定界限。亦設想以下組態：分別沿著X及Y方向的不同間距px、py、或具有不同形狀的邊界82及/或沿著X及Y方向具有不同折射功率。
第二光柵板76包含第二透鏡84及具有與第一光柵板 74實質上相同的組態。尤其在不失一般性的情況下假設第二透鏡84沿著X及Y方向具有相同間距p。然而，第一及第二透鏡78、84的折射功率及因此其焦距可以不同。
圖7顯示包含光柵板174、176之均質化光學積分器 170的替代性具體實施例。每個光柵板174、176分別包含兩個陣列的平行圓柱形透鏡178a、178b及184a、184b，其中在光柵板174、176之相對側上的圓柱形透鏡178a、178b及184a、184b沿著正交方向Y及X延伸。由兩個正交圓柱形透鏡178a、178b或184a、184b限定的體積91對應於圖5及6中顯示之光學積分器70的單一透鏡78或84。
在圖4顯示之光束均質化單元34的具體實施例中，聚 光器72由具有焦距fc的單一正透鏡組成。在聚光器72的前焦面88中配置第二光柵板76，及在聚光器72的後焦面90中配置照明系統 12的光束分割陣列36。
在其他具體實施例中，聚光器72以一個以上的透鏡或其他光學元件組裝，及因此其可具有與後焦距不同的前焦距。在又其他具體實施例中，可完全省掉在其前焦面88及其後焦面90之間建立Fourier關係的聚光器。在此情形中，光束分割陣列36必須配置距離光學積分器如此之遠，致使至少大約以遠場條件為主。然後，從第二光柵板76上之點發出的光波將大約為平面。
下文中，將首先參考圖8簡短解說包含光學積分器及聚光器的習用光束均質器如何運作。此習用光束均質器的實例是圖2顯示之場定義光學積分器52及第二聚光器58的組合。
第一及第二光柵板74'、76'的透鏡78'、84'沿著延伸平行於光軸77'的直線配置，且形成複數個光學通道，圖8中僅顯示其中兩個，如92'、94'所示。每個光學通道92'、94'具有以下性質：如果至少不管繞射，投影光將在進入與相應通道92'、94'相關聯的第一透鏡78'後限定於此特定光學通道。換句話說，不允許投影光離開一光學通道而進入相鄰光學通道。此種通道變更在本文中稱為「光學串擾」。
習用光學積分器的特性化特徵是第一透鏡78'配置在第二透鏡84'的前焦面中。由於第二透鏡84'配置在聚光器72'的前焦面中，第一透鏡78'上的空間輻照分布被成像在聚光器72'的後焦面90'上。這在圖8的上方部分中針對三個物體點O1、O2、O3來圖解，這三個物體點分別由第二透鏡84'及聚光器72'成像於影像點I1、I2 及I3上。
從圖8看得很清楚，每個光學通道92'、94'在聚光器 72'的後焦面90'中照明為邊沿影像點I1及I3所限定的相同區域。因此，第一透鏡78'上的空間輻照分布(其在某種程度上有所不同)在後焦面90'中疊加。此疊加導致後焦面90'中極為均勻的空間輻照分布。
如同典型的成像關係，物體平面(例如在物體點O1、 O2、O3)中的光角分布，對於影像平面(即聚光器72'的後焦面90')中的空間輻照分布沒有任何影響。這是光束均質器的重要性質，因其確保撞擊在第一透鏡78'上之投影光入射角的變化不會變更後焦面90'中的空間輻照分布。例如，如果光源30產生的投影光束31並非絕對穩定，而是在中期或長期中稍微變更其方向，將發生此類入射角變化。此類變化有時稱為雷射指向，並不是很容易抑制。 然而，以圖8中顯示的光束均質器，如果不管繞射的話，可成功減少雷射指向對聚光器72'之後焦面90'中空間輻照分布之均勻性的影響。
雷射指向通常也代表著第一透鏡78'上的輻照區域稍 微改變。只要全部的光學通道92'、94'被照明或不被照明，這將對後焦面90'中的空間輻照分布沒有任何影響。因而照明後焦面90'中全部的場的工作只是從一個光學通道轉移至另一個光學通道。唯有在局部照明光學通道時，這將對後焦面90'中的空間輻照分布造成影響。然而，如果光學通道的數目夠大，也就是說透鏡78'、84' 的間距較小，則可忽略因局部照明光學通道所引起的空間輻照分布變化。
在圖8的下半部，顯示如果平行投影光撞擊在第一透 鏡78'上的情況。如果第一透鏡78'的焦距f1等於焦距f2，則光學積分器為對稱且第一透鏡78'的焦點F位在第二透鏡84'內部。入射投影光的發散越小，焦點F處的強度就越高。為此之故，通常決定第一透鏡78'的焦距f1致使在預期高光強度不會造成任何損壞的定位處獲得最高光強度。例如，焦點F可完全位在第二透鏡84'之外，或至少在施加敏感的抗反射塗層的光學表面之外。
圖9為根據本發明之光束均質化單元34之均質化光 學積分器70的縱剖面。第一光柵板74的第一透鏡78至少沿著X方向具有焦距f1，其在此具體實施例中小於第一透鏡78之頂點100及第二透鏡84之頂點102沿著Z方向(平行於光束均質化單元34的光軸77)隔開的距離d。光軸77與聚光器72的旋轉對稱軸重合。因此含有由第一透鏡78產生之焦點的焦面95將配置在第二光柵元件76之外，使得可忽略高光強度造成損壞的風險。
第二透鏡84的焦距f2亦小於距離d。在顯示的具體實 施例中，d1.06．f2，即距離d大於焦距f2約6%。因此與圖8顯示的習用配置相對照，第一光柵板74並非配置在第二光柵板76之第二透鏡84的前焦面96中，而是配置在與其相距更遠的位置處。此散焦配置具有以下效應：繞射光產生的光學串擾不會不利地影響光束均質化單元34的穩定化效應。更明確地說，條件d>1.01．f2確保 聚光器72之後焦面90的空間輻照分不會取決於、或至少不會大幅取決於入射投影光的方向。
僅憑幾何光學法無法完全瞭解第一光柵板74之散焦 配置的效應。唯有憑靠亦考量繞射效應的嚴謹數學表述，才可全面解釋此效應及決定理想比值d/f2。
不過，下文仍將試著舉例解釋如果撞擊在均質化光 學積分器70上的投影光方向改變，第一光柵板74的散焦配置如何防止聚光器72之後焦面90中的空間輻照分布變更。
IV. 討論
圖10在左側顯示包含三個相鄰光學通道92、93、94 之均質化光學積分器70的一部分(未按比例)。下文中將僅考慮撞擊在中央光學通道93上的投影光；假設相鄰光學通道92、94被吸收板102遮住。
104指示之撞擊在中央光學通道93上的投影光在第 一光柵板74的第一透鏡78折射。投影光104的一較大部分專門在中央光學通道93內傳播及最後從後續第二光柵板76的相關聯第二透鏡84發出。
然而，第一透鏡78之邊緣82的規則配置形成在遠場 中產生繞射圖案(Fraunhofer繞射)的格子，該繞射圖案可使用已針對多個狹縫發展的概念來說明。在圖10中，以虛線指示若干相鄰 繞射級106。在繞射級106之間的角距離等於比值λ/p，其中λ是投影光的波長，及p是透鏡78的間距。在圖10中，假設相當數目的繞射級106並不限定於中央光學通道93，而是也進入相鄰光學通道92、94及因此促成光學串擾。
用以在照明系統12的中間影像平面60中產生均勻空 間輻照分布的場定義光學積分器52必須明顯增加幾何光通量。幾何光通量係定義為影像高度乘數值孔徑NA的乘積。由於中間影像平面60中的數值孔徑NA會很大(尤其在投影物鏡20亦具有較大數值孔徑(例如NA=1.2)的情形中)，場定義光學積分器52產生之幾何光通量的增加必須相當大。換句話說，場定義光學積分器52必須產生等於比值p/f2的較大發散，其中p是透鏡78、84的間距，及f2是第二透鏡84的焦距。因此，較大發散代表著間距p較大及焦距f2較小。這導致其中第一及第二光柵板54a、54b配置緊鄰接近的配置，因為如上文已參考圖8所解說，在光柵板54a、54b之間的距離通常等於第二透鏡的焦距f2。
對於光束均質化單元34中含有的均質化光學積分器 70，則情況相當不一樣。此處不希望均質化光學積分器70增加幾何光通量。唯有從光束均質化單元34發出的光仍然實質上準直，才有可能在光學調變器38的幫助下定義光瞳平面56中的空間輻照分布。如果在反射鏡陣列42反射的光具有較大發散，則在場定義光學積分器52上產生的光點將會太大而無法精確地產生所要的空間輻照分布，及因此無法獲得所要的照明設定。
如果光束均質化單元34中所含均質化光學積分器70 的發散應該比較小，則透鏡78、84的間距p必須較小且第二透鏡84的焦距f2必須較大。這導致在第一及第二光柵板74、76之間的較大距離d。距離d可如此之大致使其有助於在兩個光柵板74、76之間配置光束摺疊反射鏡，從而減少光束均質化單元34的總尺寸。
再次參考圖10，許多繞射級106因為距離d較大而不 撞擊在屬於相同光學通道93的第二透鏡84上，而是撞擊在屬於相鄰光學通道92、94的第二透鏡上。因此，在光學積分器僅稍微增加幾何光通量的情形中，繞射光促成光學串擾的部分相當大。
為決定光學串擾問題有多嚴重，可僅決定多少繞射級離開光學通道。在本文中，可將數量k定義為k=p2/(λ．f2) (1)此處，k等於繞射級106留在光學通道中致使其「包含」在均質化光學積分器70產生之發散中的數目。此數目k等於在總發散(給定為p/f2)及相鄰繞射級間之距離(給定為λ/p)之間的比值。數目k越小，未包含在均質化光學積分器70產生之發散中的繞射級數目就越大，及因此促成光學串擾。
在場定義光學積分器52中，取決於方向X或Y，參數k係在數百及數千之間的範圍中。然而，在光束均質化單元34的均質化光學積分器70中，參數k通常小於40、往往小於20或甚至小於10。
下文將詳細解說光學串擾如何損及光學積分器70的 穩定化性質，及如何由第一光柵板74的散焦配置(其中d>f2)補償此負面效應。
為了圖解之故，在圖10中顯示且包含中央通道93及 兩個相鄰通道92、94之第二光柵板76的部分在概念上分成：單一較大透鏡108，其在所有三個光學通道92、93、94上延伸；及稜鏡110，其含有兩個楔形部分112、114。楔形部分112、114的斜率為第二透鏡84之邊緣82的斜率的兩倍。
如果沒有稜鏡110，使得繞射級106僅入射在較大透鏡108上，將對聚光器72之後焦面90中的空間輻照分布沒有任何效應。然而，這在亦考慮與稜鏡110相關聯的光學效應時有所變更。
這在下文將參考圖11的示意圖解來解說。撞擊在第二光柵板76之中央通道93上之位置A的投影光104將在後焦面90中產生的空間輻照分布109內點A'的某處促成輻照。撞擊在位置B的投影光將在空間輻照分布109的邊緣上促成點B'。在沒有稜鏡110的情況中，離開光學通道及撞擊在透鏡108之位置C的光將在空間輻照分布109的點C'促成輻照。
然而，如果適當地考慮稜鏡110之楔形部分112、114的效應，可看到離開光學通道的光將被楔形部分112、114偏轉等於空間輻照分布之寬度w的距離，因為楔形角是第二透鏡84之邊緣角的兩倍。因此，促成光學串擾及在位置D撞擊在第二透鏡84上的繞射光增加位置D'之向上移位距離w的輻照。
對於促成光學串擾的繞射光，後焦面90中的空間輻 照分布並非與撞擊在均質化光學積分器70上之投影光的入射角無關，如上文已參考習用配置的圖8來解說。從圖10及11中的圖解可以看到，第一光柵板74的傾斜照明變更繞射級106的方向，及因此變更通過相鄰通道92、94之光的數量。促成光學串擾的繞射級106接著仍促成寬度w的輻照分布109，其由與光學通道之邊緣82相關聯的點B'決定。然而，此輻照分布現在將取決於入射角而改變。 因此，例如，雷射指向將具有後焦面90中的空間輻照分布亦改變的效應。這最終影響照明系統12之光瞳平面56中的空間輻照分布，及因此影響遮罩平面66中的輻照角分布。
以第一光柵板74的散焦配置補償與促成光學串擾之 繞射級106相關聯的移位。圖12圖解可因雷射指向造成之第一光柵板74的傾斜照明。較大透鏡108的焦面當然與個別第二透鏡84的前焦面96重合。因此，其並非第一光柵板74的空間輻照分布，而是在前焦面96由第二光柵板76及聚光器72在聚光器72的焦面90上成像的空間輻照分布。在第一光柵板74之傾斜照明的情形中，每個第一透鏡78產生的空間輻照分布已經移位，如圖12所顯示。由於透鏡108的反轉效應，以相反方向中的同等移位補償空間輻照分布116之此移位。
V. 範例
圖13是圖解間距p及第二焦距f2之各種組合的曲線圖，其比值d/f2應該用以獲得上述補償。此處，假設波長λ等於193 nm，及均質化光學積分器係對稱的，即f1=f2。曲線的波紋反映繞射級的週期性特性。
圖14顯示其中取決於方程式(1)定義之數目k指示比值d/f2的計算結果。可以看到，參數k越小，第一光柵板74的散焦d/f2就必須較大。
表1含有根據本發明之光學積分器的數值實例。
將透鏡高度h定義為第二透鏡84之彎曲表面的高度。由於較長的焦距f2，高度h與距離d相比為極小。
圖15是顯示非對稱均質化光學積分器之比值d/f2的 曲線圖，其中第一及第二透鏡78、84的焦距不同(f1≠f2)。位在曲線上的所有點均為可能的解決方案。可以看到，對於給定的第二焦距f2，存在第一焦距f1無法下降的最小值。
74‧‧‧第一光柵板
77‧‧‧光軸
78‧‧‧第一透鏡
76‧‧‧第二光柵板
84‧‧‧第二透鏡
95‧‧‧焦面
96‧‧‧前焦面
d‧‧‧距離
f1‧‧‧焦距
f2‧‧‧焦距
p‧‧‧間距

Claims (10)

  1. 一種一微影投影曝光設備的照明系統，包含一光學積分器(70)，其中該光學積分器包含：a)一第一光柵板(74)，其包含沿著一參考方向(X)具有一第一焦距f1之第一透鏡(78)的一陣列；b)一第二光柵板(76)，其包含沿著該參考方向(X)具有一第二焦距f2之第二透鏡(84)的一陣列；以及一光源(30)，其經組態以產生具有一波長λ的投影光；其中該第一透鏡的頂點及該第二透鏡的頂點隔開大於該第二焦距f2的一距離d，其中d>1.01．f2；其中該第二透鏡(84)沿著該參考方向(X)具有一間距p，及其中p2/(λ．f2)<k，其中k=40。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中d>1.02．f2。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之照明系統，其中d>1.05．f2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中k=20。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之照明系統，其中k=10。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該光學積分器(70)配置在該光源(30)及一空間光調變器(38)之間，該空間光調變器(38)經組態以改變該照明系統(12)之一光瞳表面(56)中的一空間輻照分布。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之照明系統，其中該空間光調變器包含反射或透明光束偏轉元件(42)的一光束偏轉陣列(40)，其中各光束偏轉元件(42)經組態以按一偏轉角來偏轉一光束，該偏轉角可回應於施加於該光束偏轉元件(42)的一控制信號而改變。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之照明系統，其中該光束偏轉元件(42)係可傾斜反射鏡。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中f1≠f2。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，包含一聚光器(72)，其具有其中配置該第二光柵板(76)的一前焦面(88)。
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