TWI567502B - 微影投影曝光設備之照明系統 - Google Patents

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Description

微影投影曝光設備之照明系統
本發明一般係關於在微影投影曝光設備中照射光罩的照明系統，尤其是關於此類包含反射鏡或其他偏光元件之陣列以在瞳平面定義輻照分布的系統。本發明亦關於操作此類照明系統的方法。
微影(亦稱為光學微影或簡稱為微影)為一種製造積體電路、液晶顯示器及其他微結構裝置的技術。微影製程配合蝕刻製程用於圖案化形成在基板(例如矽晶圓)上之薄膜堆疊。製造每一層時，晶圓首先塗佈有輻射(例如深紫外光(DUV))敏感材料的光阻。接著，頂部具有光阻的晶圓在投影曝光設備中暴露於投射光。此設備將含有圖案的光罩投影到光阻上，而使光阻僅在由光罩圖案所決定的位置受到曝光。曝光後，顯影光阻以產生對應於光罩圖案的影像。然後，蝕刻製程將圖案轉移到晶圓上的薄膜堆疊。最後，移除光阻。以不同的光罩重複此程序，造成多層式微結構組件。
投影曝光設備通常包含用於照射光罩的照明系統、用於對準光罩的光罩台、投影物鏡以及用於對準塗有光阻之晶圓的晶圓台。照明系統照射光罩上的場，其可能具有例如矩形或曲形狹縫形狀。
在當前的投影曝光設備中，可區分出兩種不同類型的 設備。於一類型中，藉由一次將整個光罩圖案曝光到目標部分而達到輻照晶圓上的各目標部分。此類設備通稱晶圓步進機。於另一類型的設備(通稱為步進及掃描設備或掃描機)中，在投射光束下沿著掃描方向逐步掃描光罩圖案，並同時在此方向平行或或逆平行移動基板，而達到輻照各目標部分。晶圓速度及光罩速度的比率等於投影物鏡的放大率，通常小於1，例如1：4。
應了解「光罩」(或遮罩)一詞廣義解釋為圖案化裝置。常用的光罩含有透射或反射圖案並可為例如二元、交替相移、衰減相移或各種混合光罩類型。然而，也可為活性光罩，例如實施成可程式化反射鏡陣列的光罩。可程式化LCD陣列也可用做為活性光罩。
隨著製造結構化裝置的技術進步，對於照明系統的需求也日益增加。理想上，照明系統利用具有良好界定之輻照及角分布的投射光，照射光罩上照射場的各點。角分布一詞描述朝光罩平面特定點匯聚之光線束的總光能在構成光線束的各種光線方向中會有怎樣的分布。
投射光照到光罩的角分布通常配合要投射到光阻上的圖案種類。舉例而言，相對大尺寸的特徵需要與小尺寸特徵不同的角分布。投射光最常用的角分布為傳統、環形、雙極及四極照射設定。這些用語係指在照明系統之系統瞳平面中的輻照分布。例如以環形照射設定而言，在系統瞳平面中僅照射環形區域。因此，在投射光的角分布中僅出現小角度範圍，因此所有光線以類似的角度傾斜照到光罩。
本領域已知有不同的手段可修改光罩平面中投射光的角分布，而達到所欲的照射設定。在最簡單的案例中，將包含一或多個孔徑的光闌(光圈)定位在照明系統的瞳平面。由於在瞳平面中的位置轉換成傅立葉相關場平面(例如光罩平面)中的角度，所以系統瞳平面中孔徑的位置、大小以及形狀決定了光罩平面中的角分布。然而，照射設定的任何改變必須更換光闌。如此最終難以調整照射設定，因為會需要非常大量在孔徑的大小、形狀或位置有些微不同的光闌。再者，使用光闌無可避免地造成光損失，而降低設備的產量。
因此，許多常用的照明系統包含可調整的元件，而可至少在某程度上連續改變瞳平面的照射。近來已提出使用反射鏡陣列照射瞳平面。
於EP 1 262 836 A1中，反射鏡陣列實施成包含超過1000個顯微反射鏡的微機電系統(MEMS)。各反射鏡可在彼此垂直的兩個不同平面傾斜。因此，入射到此類反射鏡裝置的輻射可實質上反射到半球體的任何所欲方向。設置在反射鏡陣列與瞳平面間的聚光透鏡將反射鏡所產生的反射角轉換成瞳平面中的位置。此已知的照明系統可以複數圓形光點照射瞳平面，其中各光點與一個特定的顯微反射鏡有關，並可藉由傾斜反射鏡而自由移動過瞳平面。
類似的照明系統可由US 2006/0087634 A1、US 7,061,582 B2及WO 2005/026843 A2得知。
揭露於WO 2010/006687 A1中的照明系統使用反射鏡 陣列不僅決定光罩平面中的角分布還決定空間輻照分布。為達此目的，反射鏡產生的光點小到可在光學積分器的入光琢面上產生不同的光圖案。由於這些入光琢面與光罩平面光學共軛，所以在入光琢面上所產生的特定光圖案會直接被成像到光罩平面。改變照射場幾何形狀的能力可用於免除對照明系統中可調葉片的需求。此類葉片用於掃描機類型的設備中，在各掃描循環開始與結束時沿著掃描方向放大或縮小照射場。亦可描述為在預定狀況，可利用不同光圖案照射不同的入光琢面，以產生具有平滑輪廓的空間輻照分布。
本發明之一目的在於提供一種照明系統，其不僅可改變所照射場的幾何形狀，亦可在光罩平面產生角光分布的不同場相依性。
此目的係藉由本發明之照明系統所達成，此照明系統包含瞳平面、其中可設置要照射之光罩的光罩平面以及光學積分器。光學積分器用於在瞳平面產生複數二次光源。光學積分器具有複數入光琢面，其各關聯於複數二次光源其中之一。照明系統更包含偏光裝置，其包含反射或透明偏光元件之偏光陣列。各偏光元件用於照射在該些入光琢面位置上的光點，該位置可藉由改變偏光元件所產生之偏轉角而改變。該些偏光元件所照射之該些光點具有比該些入光琢面之至少其中之一的最大總面積還要小至少5倍、較佳至少10倍、更佳至少20倍的總面積。根據本發明，提供控制單元，其用於控制該些偏光元件，使得在該些入 光琢面之至少其中之一上由該些光點所組成之光圖案因應在光罩平面中角輻照分布之場相依性應修改之輸入命令而改變。
此種輸入命令一般係由整體系統控制器所發出，若要投射含有不同特徵圖案的新光罩，或者若要藉由進行角輻照分布之場相依性的微調而試圖利用既有光罩來改變成像品質，則整體系統控制器協調整個投影曝光設備的操作。
本發明係基於以下構想：在入光琢面上產生不同光圖案的能力不僅可用於產生不同幾何形狀的照射場，亦可產生角輻照分布的不同場相依性。本發明提出選擇性設置不同照射的入光琢面，而使以相同方式照射的那些入光琢面設置成對應於所欲照射設定的組態，而不是在空間上「混合」產生不同光圖案的入光琢面而可忽略對角輻照分布的影響，如前述WO 2010/006687 A1中所述。舉例而言，此組態可為使得照射相同部分的入光琢面設置成環形、數個極或相對於光學軸集中的碟狀形式。然後，可以不同的角輻照分布在光罩上照射數個部分。
舉例而言，控制單元可組態成用於控制該些偏光元件，而在由照明系統於光罩平面中所照射之照射場之第一部分產生第一角輻照分布，以及在照射場之第二部分產生與第一角輻照分布不同之第二角輻照分布。
第一部分可為第一角輻照分布為均勻的二維區域，且第二部分亦可為第二角輻照分布為均勻的二維區域。
此種角輻照分布的場相依性可用於產生需要不同照射設定的不同結構部分的晶粒，例如中央部分及周邊部分，若這些部分應利用最佳成像品質成像到感光表面上。
第一部分與第二部分可不重疊，而使兩個不同角輻照分布間的過渡區為不連續的(即階梯式)。然而，藉助於本發明的照明系統，亦可輕易在不同輻照分布間達到(準)連續的過渡區。
照射場沿著X方向可具有長維度，且在垂直於X方向並平行於投影曝光設備之掃描方向的Y方向具有短維度。然後，第一部分可具有至少一Y座標，而沒有與第二部分相同的X座標。換言之，這些部分沿著垂直於掃描方向的X方向彼此相鄰設置。
第一角輻照分布與第二角輻照分布可與選自於以下所組成之群組的照射設定相關聯：傳統照射設定、環形照射設定、雙極照射設定、n極照射設定，其中n≧3。
在一實施例中，照明系統包含空間光調變器，其設置在偏光裝置與光學積分器間之光傳播路徑中，且用於以空間解析方式透射或反射照射光。此種光調變器可用於更清晰地定義入光琢面的光圖案，而在光罩層級的不同角輻照分布間得到非常陡峭的過渡區。
為達此目的，空間光調變器可包含反射或透明偏光元件之另一偏光陣列。另一偏光陣列之各偏光元件可能處於將照射光導向光學積分器之「開」狀態以及將照射光導向 他處之「關」狀態。此種具有數位切換性質的偏光陣列可實施為數位反射鏡裝置(DMD)且可含有數百或數千或甚至幾百萬個的個別微鏡。
若使用包含偏光陣列的空間光調變器，則照明系統可包含物鏡，其將偏光陣列成像到光學積分器之該些入光琢面。然後，藉由物鏡將偏光元件的清楚邊緣清晰地成像到光學積分器的入光琢面上。
控制單元可組態成用於控制該些偏光元件，使得在至少一入光琢面上產生包含具有不同非零輻照度之至少兩個區域的光圖案。若應同時產生兩個或更多個不同照射設定，且不同照射設定在瞳平面中所照射的區域重疊但具有不同的總尺寸時，必然產生此種具有階梯式輻照輪廓的光圖案。
在某些實施例中，光學積分器包含反射或繞射微元件的陣列。各微元件關聯於一個入光琢面。微元件可實施成例如微透鏡或繞射式光學元件。
偏光裝置的偏光元件可組態成反射鏡，其可繞其間具有角度的兩個傾斜軸傾斜。在另一實施例中，偏光元件為光電元件或聲光元件。
上述目的亦可藉由包含具有複數入光琢面之光學積分器以及反射或透明偏光元件之偏光陣列的照明系統所達成。各偏光元件用於在光學積分器位置上照射光點，該位置可藉由改變偏光元件所產生之偏轉角而改變。控制單元 組態成用於控制該些偏光元件，使得在該些入光琢面之至少其中之一上由該些光點所組成之光圖案因應在光罩平面中角輻照分布之場相依性應修改之輸入命令而改變。
根據本發明第二觀點，藉由根據本發明之照明系統達到上述目的，此照明系統包含瞳平面、其中可設置要照射之光罩的光罩平面以及光學積分器。光學積分器組態成用於在瞳平面產生複數二次光源。光學積分器具有複數入光琢面，該複數入光琢面各關聯於複數二次光源其中之一。照明系統更包含偏光裝置，其包含反射或透明偏光元件之偏光陣列。各偏光元件用於在該些入光琢面位置上照射光點，該位置可藉由改變偏光元件所產生之偏轉角而改變。該些偏光元件所照射之該些光點具有比該些入光琢面之至少其中之一的最大總面積還要小至少5倍、較佳至少10倍、更佳至少20倍的總面積。根據本發明，提供控制單元，其組態成用於控制該些偏光元件，使得在至少一入光琢面產生包含具有不同非零輻照度的至少兩個區域的光圖案。
本發明之一目的亦在於提供一種操作微影投影曝光設備之照明系統的方法，而使作業員不僅可改變所照射場的幾何形狀，亦可在光罩平面產生角光分布的不同場相依性。
根據本發明，藉由包含以下步驟的方法達成此目的：a)提供微影投影曝光設備之照明系統，其中照明系統包含具有複數入光琢面之光學積分器；b)產生光圖案，其係由光學積分器之該些入光琢面上的個別光點所組合而成； c)決定在光罩平面中角輻照分布之場相依性應改變；d)藉由重新配置及/或移除及/或添加光點，改變在該些入光琢面上的該些光圖案。
上述關於本發明照明系統的評論在適當修正下也適用於本方法。
在步驟d)中可改變該些光圖案，而在由照明系統於光罩平面中所照射之照射場之第一部分產生第一角輻照分布。在照射場之第二部分產生與第一角輻照分布不同之第二角輻照分布。
第一部分可為第一角輻照分布為均勻的二維區域。第二部分亦可為第二角輻照分布為均勻的二維區域。
照射場沿著X方向可具有長維度，且在垂直於X方向並平行於投影曝光設備之掃描方向的Y方向具有短維度。然後，第一部分可具有至少一Y座標，而沒有與第二部分相同的X座標。
在步驟a)中所提供的照明系統可包含偏光裝置，其包含反射或透明偏光元件的偏光陣列。然後，可藉由改變偏光元件所產生的偏轉角來改變光圖案。
該些光點可具有比任一入光琢面的最大總面積還要小至少5倍、較佳至少10倍、更佳至少20倍的總面積。
在步驟d)中可改變光圖案，而在至少一入光琢面上產 生包含具有不同非零輻照度之至少兩個區域的光圖案。
定義
本文中所用之「光」一詞係表示任何電磁輻射，尤其是可見光、UV、DUV、VUV以及EUV光與X射線。
本文中所用之「光線」一詞係表示傳播路徑可以線描述的光。
本文中所用之「光線束」一詞係表示在場平面中具有同源的複數光線。
本文中所用之「光束」一詞係表示通過特定透鏡或另一光學元件的光。
本文中所用之「位置」一詞係表示在三維空間中物體之參考點的位置。該位置通常由三個笛卡兒座標組所表示。因此，方位及位置完整描述物體在三維空間中的設置。
本文中所用之「表面」一詞係表示在三維空間中的任何平面或曲面。表面可為物體的一部分或可與物體完全分開，其通常例如為場或瞳平面的狀況。
本文中所用之「場平面」一詞係表示與光罩平面光學共軛的平面。
本文中所用之「瞳平面」一詞係表示通過光罩平面中 不同點的邊緣光線相交的平面。在本領域中，若事實上在數學上不是平面而是些微彎曲則通常也使用「瞳平面」一詞，但嚴格說來，其應稱為瞳表面。
本文中所用之「均勻」一詞係表示不取決於位置的性質。
本文中所用之「光學光柵元件」一詞係表示例如透鏡、稜鏡或繞射光學元件的任何光學元件，其與其他相同或類似的光學光柵元件一同設置而使各光學光柵元件關聯於複數相鄰光學通道其中之一。
本文中所用之「光學積分器」一詞係表示使NA．a的乘積增加的光學系統，其中NA為數值孔徑，而a為照射場面積。
本文中所用之「聚光器」一詞係表示在兩個平面間(例如場平面與瞳平面)建立(至少近似)傅立葉關係的光學元件或光學系統。
本文中所用之「共軛平面」一詞係表示在平面間有成像關係的平面。關於共軛平面的更多資訊描述於E.Delano的文章中，名稱為「First-order Design and the y,y Diagram」(Applied Optics,1963,vol.2,no.12,p1251-1256)。
本文中所用之「場相依性」一詞係表示在場平面中物理量與位置的任何功能上的相依性。
本文中所用之「空間輻照分布」一詞係表示在光照到的實際或虛擬表面上總輻照度是如何變化。空間輻照分布通常可以函數I s (x,y)描述，其中x,y為在表面中之點的空間座標。若應用到場平面，則空間輻照分布必須合併複數光線束所產生的輻照度。
本文中所用之「角輻照分布」一詞係表示光線束的輻照度依據構成光線束的光線角度如何變化。角輻照分布通常可以函數I a (α,β)描述，其中α,β為描述光線方向的角座標。若角輻照分布具有場相依性，則I a 亦可為場座標的函數，即I a =I a (α,β,x,y)。
I.投影曝光設備之一般性架構
圖1為根據本發明之投影曝光設備10之極簡化透視圖。投影曝光設備10包含產生投射光束之照明系統12。照明系統12照射含有由複數小特徵19(如圖1示意顯示為細線)所形成之圖案18之光罩16上的場14。於此實施例，照射場14具有環片段形狀。然而，亦考量其他形狀的照射場14，例如矩形。
投影物鏡20將照射場14內的圖案18成像到由基板24所支撐的感光層22(例如光阻)。基板24可由矽晶圓形成，並設置於晶圓台(未顯示)上，使得感光層22的頂表面精確地位於投影物鏡20之影像平面中。光罩16利用光罩 台(未顯示)定位於投影物鏡20的物件平面中。由於投影物鏡20具有放大率β，且|β|<1，所以將照射場14內圖案18的縮小影像18'投射到感光層22。
於投射期間，光罩16及基板24沿著掃描方向移動，掃描方向對應於圖1所示之Y方向。然後，照射場14掃描過光罩16，而可連續地成像比照射場14還大的圖案化區域。基板24與光罩16間的速度比等於投影物鏡20的放大率β。若投影物鏡20反轉影像(β<0)，則光罩16與基板24移動於相反方向，如圖1之箭頭A1及A2所示。然而，本發明亦可用於步進器工具，其中在光罩投射的期間，光罩16與基板24不移動。
II.多個照射設定
圖2為光罩16的放大透視圖。此光罩上的圖案18包含四個相同的圖案區域18a、18b、18c及18d，其沿著Y方向接續設置。於此實施例，各圖案區域18a、18b、18c及18d包含第一部分181、第二部分182及第三部分183。這些部分181、182、183沿著X方向彼此接連設置而不重疊。此意味著這些部分181、182、183沒有相同的X座標。
為了簡化說明，假設第一部分181及第三部分183各含有沿著X方向延伸的特徵19及沿著Y方向延伸的特徵19。第二部分僅含有沿著Y方向延伸的特徵19。
圖2所示之光罩16可用於在單一掃描循環期間接續曝 光四個相同晶粒的製造步驟。這些晶粒對應於四個圖案區域18a、18b、18c及18d。在各晶粒上可產生對應於第二部分182的中央結構及對應於第一部分181與第三部分183的周邊結構。當掃描循環完成使圖案區域18a、18b、18c及18d已微影轉移到四個晶粒時，在無任何照射情況使掃描方向反向，或光罩16回到原始位置。然後對另一組晶粒進行另一掃描循環。
一般而言，若需要最大影像品質，則在光罩層級不同圖案需要不同的角輻照分布。於此實施例中，假設配置在第二部分182並延伸於Y方向的特徵19最佳利用X雙極照射設定成像在感光層22上。於圖2，以圓圈繪示與朝位在其中一個第二部分182之場點匯聚的光束有關的瞳262。在瞳262中，沿X方向分開的兩極27代表光朝場點傳播的方向。由於特徵19假設為均勻分布於第二部分182，此X雙極照射設定應產生在第二部分182中的各場點。
與晶粒周邊結構有關的第一部分181及第三部分183含有延伸於X方向的特徵19以及延伸於Y方向的特徵19。以特徵19而言，假設環形照射設定得到最佳影像品質。圖2顯示在與光線束相關的瞳261、263照射的兩個環形物28，光線束分別朝第一部分181及第三部分183中的場點匯聚。因此，應在第一部分181及第三部分183中的各場點產生環形照射設定。
此意味著照明系統12必須能同時產生兩種不同的照射設定且在照射場14內並排。
更一般而言，照明系統12在光罩層級應能產生所欲的角光分布場相依性。此包含從一個場相依性改變成另一個場相依性的能力。場相依性P描述角光分布是如何取決於在照射場14中的位置。舉例而言，若在照射場14中笛卡兒座標x,y之角光分布由函數I a (α,β,x,y)表示，其中α、β表示入射角，則場相依性可由在x,y中的泰勒展開式的展開係數組a ij 描述(或使用任何其他合適的展開式)。
於圖2所示的案例中，展開係數會描述在延伸於Y方向並將第一部分181與第三部分183分開的分隔線上突然變化的分布。
III.照明系統之一般性架構
圖3為圖1之照明系統12的橫切面圖。為清晰之故，圖3的圖式極簡化且未依比例繪示。尤其是指僅由一個或非常少的光學元件代表不同的光學單元。實際上，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包含殼體29及光源30，亦即於此實施例中，光源30實施成準分子雷射。光源30發射具有波長約193nm的投射光。也考量其他類型的光源30及其他的波長(例如248nm或157nm)。
於所示實施例中，光源30所發射的投射光進入光束擴張單元32，其輸出經擴張且幾乎準直的光束34。為達此目的，光束擴張單元32可包含例如數個透鏡或可實施成反射 鏡配置。
然後投射光束34進入瞳定義單元36，其用於在後續平面產生可變的空間輻照分布。為達此目的，瞳定義單元36包含非常小的反射鏡40的第一反射鏡陣列38，反射鏡40藉助於致動器可個別地繞兩個正交軸傾斜。圖4為第一反射鏡陣列38的透視圖，顯示依據光束42、44照到的反射鏡40的傾斜角，兩道平行光束42、44如何被反射到不同方向。於圖3及圖4中，第一反射鏡陣列38僅包含6x6個反射鏡。實際上，第一反射鏡陣列38可包含數百個或甚至數千個反射鏡40。
瞳定義單元36更包含稜鏡46，其具有第一平面表面48a及第二平面表面48b，其皆相對於照明系統12的光學軸傾斜。在這些傾斜表面48a、48b，照射光以全內反射方式進行反射。第一表面48a將照射光反射到第一反射鏡陣列38的反射鏡40，而第二表面48b將反射鏡40所反射的光導向稜鏡46的出射面49。因此，可藉由個別傾斜第一反射鏡陣列38的反射鏡40，而改變從出射面49射出之光的角輻照分布。可從US 2009/0116093 A1探知關於瞳定義單元36的更多細節。
瞳定義單元36所產生的角輻照分布藉助第一聚光器50轉變成空間輻照分布。聚光器50在其他實施例中可省略。聚光器50將照射光導向數位空間光調變器52，數位空間光調變器52以空間解析方式反射照射光。為達此目的，數位空間光調變器52包含微鏡56的第二反射鏡陣列54，可於放大擷取圖C中清楚看見微鏡56。然而，相對於第一反射 鏡陣列38的反射鏡40，第二反射鏡陣列54的各微鏡56僅具有兩個操作狀態，亦即將照射光經由第一物鏡58導向光學積分器60的「開」狀態，以及將照射光導向吸光表面62的「關」狀態。
第二反射鏡陣列54可實施成數位反射鏡裝置(DMD)，例如視訊器所常用者。此種裝置可包含高達數百萬微鏡，其中微鏡每秒可在兩個操作狀態間切換幾千次。
類似於瞳定義單元36，空間光調變器52更包含入射面65設置成垂直於光學軸OA的稜鏡64以及第一平面表面66a與第二平面表面66b，兩表面皆相對於照明系統12的光學軸OA傾斜。在這些傾斜表面66a、66b，照射光以全內反射方式進行反射。第一表面66a將照射光反射到第二反射鏡陣列54的微鏡56，而第二表面66b將微鏡56所反射的光導向稜鏡64的出射面68。
若第二反射鏡陣列54的微鏡56全部在「開」狀態，則第二反射鏡陣列54實質具有平面光束摺疊鏡的效果。然而，若一或多個微鏡56是切換到「關」狀態，則修改從出射面68射出之光的空間輻照分布。此可用於修剪在光學積分器60上所產生的空間輻照分布，所進行方式的細節可參考圖11及圖12。
如上所述，從稜鏡64之出射面68射出的光通過第一物鏡58並照到光學積分器60。由於通過第一物鏡58的光幾乎為準直的，所以第一物鏡58可具有非常小的數值孔徑(例如0.01或甚至更小)，因此可實施為少許的小球面透鏡。第 一物鏡58將第二反射鏡陣列54成像到光學積分器60。
於此實施例，光學積分器60包含光學光柵元件74的第一陣列70及第二陣列72。圖5為兩個陣列的70及72透視圖。各陣列70、72在支撐板的各側包含分別延伸於X及Y方向的圓柱透鏡組。兩個圓柱透鏡相交的容積部分形成光學光柵元件74。因此，各光學光柵元件74可視為具有圓柱曲形表面的微透鏡。在光學光柵元件74沿著X及Y方向的折射力應不同的狀況，使用圓柱透鏡尤其有利。
圖6及圖7分別顯示根據選替實施例之光學光柵元件74'的第一陣列70’之上視圖以及沿VII-VII線之截面圖。於此，光學光柵元件74'係由具有矩形輪廓的平凸透鏡所形成。第二陣列與第一陣列70’的不同僅在於光學光柵元件74'的凸面曲率。
再次參考圖3，第一陣列70及第二陣列72的光學光柵元件74分別一個接一個配置，而使第一陣列70的一個光學光柵元件74與第二陣列72的光學光柵元件74以一對一的對應關係相關聯。彼此相關聯的兩個光學光柵元件74沿共同軸對準並定義光學通道。在光學積分器60內，在一個光學通道中傳播的光束不會與在另一個光學通道中傳播的光束相交或疊加。換言之，與光學光柵元件74相關的光學通道彼此光學地隔離。
於此實施例中，照明系統12的瞳平面76位在第二陣列72的後面，然而，亦可設置在第二陣列72的前面。第二聚光器78在瞳平面76與設置可調式場光闌82的場光闌平面 80間建立傅立葉關係。
場光闌平面80與位在光學積分器60之第一陣列70內或緊鄰的光柵場平面84為光學共軛的。此意味著在光學通道內之場光闌平面80中的各區域藉由第二陣列72相關的光學光柵元件74與第二聚光器78成像到整個場光闌平面80。在光學通道內之照射區域的影像在場光闌平面80疊加，造成非常均勻的照射。通常藉由以通常照射場光闌平面80的二次光源辨識光學通道中的照射區域來描述此程序。
藉由第二物鏡86將場光闌平面80成像到光罩平面88，其中光罩16藉助於光罩台(未顯示)設置在光罩平面88。可調式場光闌82亦成像到光罩平面88，並至少定義照射場14延伸於掃瞄方向Y的短側邊。
瞳定義單元36及空間光調變器52連接到控制單元90，而控制單元90連接到整體系統控制器92，其顯示為個人電腦。控制單元90用於控制瞳定義單元36的反射鏡40及空間光調變器52的微鏡56，以在光罩平面88得到所欲的角輻照分布之場相依性。
於下文中將參考圖8至圖13描述如何達成。
IV.照明系統的功能與控制 1.光點的形成
圖8為圖3之擷取示意圖，顯示第一反射鏡陣列38、 第一聚光器50以及光學積分器60之第一陣列70的光學光柵元件74。於此實施例中，光學光柵元件74顯示為具有矩形邊界的旋轉對稱雙凸透鏡。
第一反射鏡陣列38的各反射鏡40產生光束，其在其中一個光學光柵元件74的入光琢面100照射直徑D的小光點。光點98的位置可藉由傾斜反射鏡40改變。光點98的幾何形狀尤其取決於第一反射鏡陣列38之反射鏡40的光學性質。若在光束擴張單元32間具有額外的微透鏡陣列避免投射光在反射鏡40間之間隙中被吸收，則此種微透鏡陣列也會影響光點98的幾何形狀。在某些實施例中，光點98的幾何形狀為圓形。在其他實施例中，其幾何形狀可大約為矩形，且尤其是方形。
由圖8可知，光點98的直徑D小於被照射的光學光柵元件74的入光琢面100的直徑。一般而言，在光學光柵元件74之入光琢面100上照射的各光點98的總面積應比個別入光琢面100的面積明顯還要小例如至少5倍，較佳至少10倍，更佳至少20倍。若入光琢面100具有不同的面積且各光點98可產生在這些琢面的任一個上，則可以入光琢面100的最大面積做為參考。
若相較於光學光柵元件74的入光琢面100而言光點98夠小的話，則可在入光琢面100上產生不同的光圖案。可藉助控制單元90適當地控制反射鏡元件40而輕易地變化光圖案。
2.變化光圖案的效應
由於入光琢面100位於光柵場平面84中，經由第二陣列72的光學光柵元件74及第二聚光器78將圖案成像到中間場平面80。
現將參考圖9說明，圖9為圖3的放大擷取圖並未依比例繪示，其顯示部分的光學積分器60、第二聚光器78及中間場平面80。為簡明之故，於圖9中僅顯示光學積分器60的兩對光學光柵元件74。與單一光學通道相關的兩對光學光柵元件74於下文中表示為第一微透鏡101及第二微透鏡102。如上所述，微透鏡101、102有時亦表示為場及瞳蜂巢透鏡，且可組態成具有旋轉對稱折射表面與矩形界線的個別微透鏡或組態為相交的圓柱微透鏡，如圖5所示。僅需要微透鏡101、102至少在垂直照明系統12的光學軸OA的方向上具有非零的光學功率。
與特定光通道相關的各對微透鏡101、102在瞳平面76中產生二次光源106。在圖9的上半部中，假設分別以實線、虛線、及斷線表示的匯聚光束L1a、L2a及L3a照到第一微透鏡101之入光琢面100的不同部分。在通過這兩個微透鏡101、102及聚光器78後，各光束L1a、L2a及L3a分別匯聚到焦點F1、F2及F3。因此，由圖9的上半部清楚可知，光線在入光琢面100上照到的位置以及光線通過中間場平面80(或任何其他共軛場平面)的位置為光學共軛的。
圖9的下半部顯示當準直光束L1b、L2b及L3b照到第一微透鏡101之入光琢面100的不同區域上的案例。此乃更為實際的案例，因為照到光學積分器60的光通常實際實質為準直的。光束L1b、L2b及L3b聚焦在第二微透鏡102中 的共同焦點F，然後再次準直通過中間場平面80。再次可知，因為光學共軛，所以光束L1b、L2b及L3b照到入光琢面100的區域對應於中間場平面80中所照射的區域。
因此，可藉由改變在第一微透鏡101之入光琢面100上所照射的區域，來改變中間場平面80中所照射的場(因而為光罩平面88中所照射的場14)的尺寸。此區域的尺寸與幾何形狀可藉助於瞳定義單元36的第一反射鏡陣列38重組光點98而非常有效率地改變，如參考圖8所說明的。
當然這些考量分別適用於X及Y方向。因此，可藉由分別針對X及Y方向改變入光琢面100的照射，而分別針對X及Y方向來改變照射場14的幾何形狀。換言之，若適當地決定第一微透鏡101之入光琢面100上所照射的區域，則在中間場平面80中所照射的場幾乎可得到任何的幾何形狀。
舉例而言，若以圖9下半部所示的光束L1b照射一個第一微透鏡101，且以光束L2b照射另一個第一微透鏡101，則與這兩個不同的第一微透鏡101相關的二次光源會照射中間場平面80中的不同部分。然而，關於此點的關鍵點在於，兩個不同的第一微透鏡101可位於不同位置，結果相關的二次光源會從不同方向照射中間場平面80。換言之，會以不同的角光分布照射中間場平面80中的不同部分。
圖10為光學積分器60之複數第一微透鏡101的入光琢面100的例示上視圖。藉助於瞳定義單元36，以第一光圖案108照射某些的入光琢面100。各光圖案108包含兩個側 向條紋110，其延伸於Y方向並藉由未被照射的區域112彼此分開。以第一光圖案108所照射的入光琢面100設置在光學積分器60的入光面而大約形成環形。
以第二光圖案114照射其他的入光琢面100，第二光圖案114僅包含延伸於Y方向的照射中央條紋116。在第二光圖案114之中央條紋116的輻照度為第一光圖案108之側向條紋110的輻照度的三倍。以第二光圖案114照射的入光琢面100設置成形成在X方向上彼此分開的兩個約圓形的極P1、P2。
以第三光圖案118照射少許入光琢面100，第三光圖案118為第一光圖案108及第二光圖案114的疊加。因此，這些入光琢面100是僅被完全照射的入光琢面100，但是具有階梯式輻照分布。入光琢面100被第一光圖案108或第三光圖案118照射的那些第一微透鏡101在中間場平面80中，因而在光罩平面88中，共同照射具有像第一光圖案108之側向條紋110的主要幾何形狀的兩個部分。由於這些入光琢面100以環形設置在光學積分器60的入光側，所以與這些入光琢面100相關的二次光源傾斜地照射這些部分(僅這些部分)，如環形照射設定的特徵。結果，以環形角光分布照射光罩16上的第一部分181及第三部分183，如圖2所示。
入光琢面100被第二光圖案114或第三光圖案118照射的那些第一微透鏡101在照射場14中產生中央條紋的照射。此條紋具有與圖2所示之圖案區域18a、18b、18c及18d之第二部分182相同的寬度。由於這些入光琢面100以形成兩個極P1、P2的方式設置在光學積分器60的入光側，所以 照射場14中的中央條紋係以X雙極照射設定來照射，如圖2所示。
因此，在照射場14的不同部分可同時產生兩種不同的照射設定。
由於第二光圖案114之中央條紋116的輻照度為第一光圖案108之側向條紋110的輻照度的三倍，所以第一部分181及第三部分183是以與第二部分182相同的輻照度照射。此乃基於以下事實：所有側向條紋110所涵蓋的總面積是中央條紋116所涵蓋的總面積的三倍。
藉助於控制單元90，適當地重新配置在光學積分器60之入光琢面100上的光點98，因而可在光罩平面88中產生幾乎任意的角光分布之場相依性。
3.空間光調變器的功能
於下文中參考圖11及圖12說明空間光調變器52的功能。
若圖2所示之圖案區域18a、18b、18c及18d的部分181、182、183不重疊但彼此以清楚的分界線鄰接，為了避免在分界線的鄰近區域損害成像品質，則可能需要在非常短的距離上突然改變角光分布。此意味著在光學積分器60之入光琢面100上所產生的第一光圖案108、第二光圖案114及第三光圖案118具有非常清晰的內界線及外界線。以數學上而言，定義光圖案108、114及118的輻照分布則應非常 接近地對應階梯函數。否則在光罩16上以兩個或更多不同角輻照分布的混合照射的部分會有寬的過渡區。
如上參考圖8所述，藉助於瞳定義單元36從小光點98組合成光圖案108、114及118。若光點98的直徑D非常小，例如在25μm及100μm範圍中，則光圖案108、114、118可得到清晰的內界線及外界線。達到此結果的一種方法為在瞳定義單元36中使用極小的反射鏡40。然而，目前有某些技術上的限制，而很難製造及可靠地操作包含此種小反射鏡40的第一反射鏡陣列38。以顯著較大的反射鏡40而言，針對第一聚光器50的焦距與反射鏡40的尺寸的一般值，繞射造成到光點98的直徑D在幾百微米範圍。此直徑範圍可能太大而不同產生光圖案108、114、118所欲的清晰內界線及外界線。
選擇性的空間光調變器52可解決這個問題。瞳定義單元36與第一聚光器50不是直接在光學積分器60的入光側而是在空間光調變器52的第二反射鏡陣列44上產生輻照分布。如上所述，第二反射鏡陣列54的微鏡56數目顯著多於第一反射鏡陣列38的反射鏡40數目。再者，微鏡56僅能在「開」狀態及「關」狀態之間切換，如圖3的擷取圖C所示。因此，可輕易地切換那些在「關」狀態不欲光照到的微鏡56使因繞射而具有模糊界線的光圖案變得「清晰」或修剪。
此顯示於圖11，圖11為部分第二反射鏡陣列54的上視圖。白圈98表示瞳定義單元36所產生且與其個別反射鏡40相關的光點。較密集的斜線所示的光點98'係由兩個光點 98彼此上下疊加所得，最密集的斜線所示的光點98"係由五個光點彼此上下疊加所得。
由圖11可知，由於光點98、98'、98"明顯的尺寸，照射的區域及未照射的區域間的界線形成凸緣。由於第二反射鏡陣列54的微鏡56係藉由物鏡58成像到其中設置有光學積分器60之入光琢面100的光柵場平面84，所以若所有的微鏡56處在「開」狀態，則在入光琢面100上會觀察到此種凸緣式輻照分布。為說明目的，圖11中虛線100'表示四個連續區域，其將會由第一物鏡58成像到圖10之光學積分器60標示為120的四個連續入光琢面。
圖12為若位在不欲凸緣所照射之部分的微鏡56切換到「關」狀態時，光學積分器60的四個入光琢面100。由虛線56'標示圖12中所有微鏡56(也包含未照射的)的影像。由於第二反射鏡陣列54的微鏡56具有清晰的邊緣，所以將光學積分器60的輻照分布修剪成移除不要的凸緣。
位在圖12左上角的入光琢面100上，藉助於第一反射鏡陣列38及第二反射鏡陣列54產生第一光圖案108。在圖12的右手邊的兩個入光琢面100上產生第二光圖案114。於此實施例中，可知在中央條紋116中的輻照分布為不均勻的。此乃因為此中央條紋中的總輻照度必須是第一光圖案108的側向條紋110中的輻照度的三倍。然而，嚴格說，此僅針對掃描整合輻照度(有時稱總光劑量)才成立。因此，除了在中央條紋116中上下疊加三個光點98，兩個疊加的光點98'及五個疊加的光點98"的組合在掃描整合後會產生所欲的整合輻照度。
對位在左下角的入光琢面100也採用類似的方案。於此，應產生第三光圖案118。中央條紋116係由用於產生第二光圖案114的中央條紋116相同的光點配置所構成。然而，側向條紋110係由與第一光圖案108不同的方式所構成的。更具體而言，各側向條紋110包含未照射部分，其係由相對中央條紋116的清晰界線所界定。此「損失的」輻照度加到其餘的部分。如此在掃描整合後確保中央條紋116的總輻照度是側向條紋110的輻照度的三倍，但是在中央條紋116與兩個側向條紋110之間有清晰的輻照階梯。
V.重要的方法步驟
現在參考圖13所示的流程圖概述本發明的重要方法步驟。
在第一步驟S1中，提供照明系統12。
在第二步驟S2中，藉助於瞳定義單元36，在光學積分器60的入光琢面100上產生光圖案。舉例而言，若在不同的入光琢面100上產生不同的光圖案，則在照射場中的角輻照分布會不均勻。換言之，在光罩平面中，角輻照分布有場相依性。
在第三步驟S3中，決定在光罩平面中角輻照分布的新場相依性。若含有不同圖案18的新光罩16要投射在感光表面22上，則通常實施此步驟S3。改變場相依性的另一個原因可能為試圖改善投影物鏡20的成像品質。
在第四步驟S4中，改變光學積分器60之入光琢面100上的光圖案，而在光罩平面中得到步驟S3所決定的角輻照分布的新場相依性。
10‧‧‧投影曝光設備
12‧‧‧照明系統
14‧‧‧場
16‧‧‧光罩
18‧‧‧圖案
18'‧‧‧縮小影像
18a-18d‧‧‧圖案區域
19‧‧‧特徵
20‧‧‧投影物鏡
22‧‧‧感光層
24‧‧‧基板
27‧‧‧極
28‧‧‧環形物
29‧‧‧殼體
30‧‧‧光源
32‧‧‧光束擴張單元
34‧‧‧光束
36‧‧‧瞳定義單元
38‧‧‧第一反射鏡陣列
40‧‧‧反射鏡
42、44‧‧‧光束
46‧‧‧稜鏡
48a‧‧‧第一平面表面
48b‧‧‧第二平面表面
49‧‧‧出射面
50‧‧‧第一聚光器
52‧‧‧數位空間光調變器
54‧‧‧第二反射鏡陣列
56、56'‧‧‧微鏡
58‧‧‧第一物鏡
60‧‧‧光學積分器
62‧‧‧吸光表面
64‧‧‧稜鏡
66a‧‧‧第一平面表面
66b‧‧‧第二平面表面
68‧‧‧出射面
70、70’‧‧‧第一陣列
72‧‧‧第二陣列
74、74'‧‧‧光學光柵元件
76‧‧‧瞳平面
78‧‧‧第二聚光器
80‧‧‧場光闌平面
82‧‧‧可調式場光闌
84‧‧‧光柵場平面
86‧‧‧第二物鏡
88‧‧‧光罩平面
90‧‧‧控制單元
92‧‧‧整體系統控制器
98、98'、98"‧‧‧光點
100‧‧‧入光琢面
100'‧‧‧連續區域
101‧‧‧第一微透鏡
102‧‧‧第二微透鏡
106‧‧‧二次光源
108‧‧‧第一光圖案
110‧‧‧側向條紋
112‧‧‧未被照射的區域
114‧‧‧第二光圖案
116‧‧‧中央條紋
118‧‧‧第三光圖案
120‧‧‧連續入光琢面
181‧‧‧第一部分
182‧‧‧第二部分
183‧‧‧第三部分
261、262、263‧‧‧瞳
A1‧‧‧方向
A2‧‧‧方向
C‧‧‧放大擷取圖
F‧‧‧共同焦點
F1、F2、F3‧‧‧焦點
L1a、L2a、L3a‧‧‧匯聚光束
L1b、L2b、L3b‧‧‧光束
OA‧‧‧光學軸
P1、P2‧‧‧極
參考詳細說明並配合伴隨圖式可更輕易了解本發明的各種特徵及優點，其中：圖1為根據一實施例之投影曝光設備的示意透視圖；圖2為圖1所示之投影曝光設備要投射之光罩的放大透視圖；圖3為圖1所示之部分設備之照明系統的橫切面圖；圖4為圖3所示之照明系統中所含之反射鏡陣列的透視圖；圖5為圖3所示之照明系統中所含之兩個光學光柵元件陣列的透視圖；圖6為圖3所示之照明系統中可選替所含之光學光柵元件陣列的上視圖；圖7為圖6所示之陣列沿VII-VII線之截面圖；圖8為部分照明系統之示意橫切面圖，其中僅顯示反射鏡陣列、聚光器及光學光柵元件陣列；圖9為圖3之放大擷取部分，顯示聚光透鏡與光學光柵元件的第一微透鏡及第二微透鏡；圖10為在光學積分器之入光琢面上空間輻照分布的上視圖；圖11為在空間光調變器之反射鏡陣列上所產生之輻照分布的上視圖； 圖12為圖11所示並在光學積分器之四個連續入光琢面上所產生之輻照分布的影像；以及圖13為顯示重要方法步驟的流程圖。
12‧‧‧照明系統
14‧‧‧場
16‧‧‧光罩
29‧‧‧殼體
30‧‧‧光源
32‧‧‧光束擴張單元
34‧‧‧光束
36‧‧‧瞳定義單元
38‧‧‧第一反射鏡陣列
40‧‧‧反射鏡
46‧‧‧稜鏡
48a‧‧‧第一平面表面
48b‧‧‧第二平面表面
49‧‧‧出射面
50‧‧‧第一聚光器
52‧‧‧數位空間光調變器
54‧‧‧第二反射鏡陣列
56‧‧‧微鏡
58‧‧‧第一物鏡
60‧‧‧光學積分器
62‧‧‧吸光表面
64‧‧‧稜鏡
66a‧‧‧第一平面表面
66b‧‧‧第二平面表面
68‧‧‧出射面
70‧‧‧第一陣列
72‧‧‧第二陣列
74‧‧‧光學光柵元件
76‧‧‧瞳平面
78‧‧‧第二聚光器
80‧‧‧場光闌平面
72‧‧‧可調式場光闌
84‧‧‧光柵場平面
86‧‧‧第二物鏡
88‧‧‧光罩平面
90‧‧‧控制單元
92‧‧‧整體系統控制器
C‧‧‧放大擷取圖
OA‧‧‧光學軸

Claims (14)

  1. 一種微影投影曝光設備之照明系統，包含：a)一瞳平面；b)一光罩平面，其中可設置要照射之一光罩；c)一光學積分器，用於在該瞳平面產生複數二次光源，其中該光學積分器具有複數入光琢面，該複數入光琢面各關聯於該複數二次光源其中之一；d)一偏光裝置，包含反射或透明偏光元件之一偏光陣列，其中各偏光元件用於在該些入光琢面一位置上照射一光點，該位置可藉由改變該偏光元件所產生之一偏轉角而改變，其中該些偏光元件所照射之該些光點具有比該些入光琢面之至少其中之一的一最大總面積還要小至少5倍、較佳至少10倍、更佳至少20倍的一總面積；以及e)一控制單元，用於控制該些偏光元件，使得在該些入光琢面之至少其中之一上由該些光點所組成之一光圖案因應在該光罩平面中角輻照分布之一場相依性應修改之一輸入命令而改變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該控制單元用於控制該些偏光元件，而在由該照明系統於該光罩平面中所照射之一照射場之一第一部分產生一第一角輻照分布，以及在該照射場之一第二部分產生與該第一角輻照分布不同之一第二角輻照分布。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之照明系統，其中該第一部分為該第一角輻照分布為均勻的二維區域，且其中該第二部 分為該第二角輻照分布為均勻的二維區域。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之照明系統，其中該第一部分與該第二部分不重疊。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，包含一空間光調變器，設置在該偏光裝置與該光學積分器間之一光傳播路徑中，且用於以一空間解析方式透射或反射照射光。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之照明系統，其中該空間光調變器包含反射或透明偏光元件之另一偏光陣列，其中另一偏光陣列之各偏光元件能處於將照射光導向該光學積分器之一「開」狀態以及將照射光導向他處之一「關」狀態。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之照明系統，包含一物鏡，係將該空間光調變器之該偏光陣列成像到該光學積分器之該些入光琢面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該控制單元用於控制該些偏光元件，使得在至少一入光琢面上產生包含具有不同非零輻照度之至少兩個區域的一光圖案。
  9. 一種一微影投影曝光設備之照明系統，包含：a)一光學積分器，具有複數入光琢面；b)反射或透明偏光元件之一偏光陣列，其中各偏光元件用於在該光學積分器一位置上照射一光點，該位置可藉由改變該偏光元件所產生之一偏轉角而改變；以及 c)一控制單元，用於控制該些偏光元件，使得在該些入光琢面之至少其中之一上由該些光點所組成之一光圖案因應在該光罩平面中角輻照分布之一場相依性應修改之一輸入命令而改變。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之照明系統，包含如申請專利範圍第2至8項任一項所述之特徵。
  11. 一種操作一微影投影曝光設備之一照明系統的方法，包含以下步驟：a)提供一微影投影曝光設備之一照明系統，其中該照明系統包含具有複數入光琢面之一光學積分器；b)產生光圖案，係由該光學積分器之該些入光琢面上的個別光點所組合而成；c)決定在一光罩平面中角輻照分布之一場相依性應改變；d)藉由重新配置及/或移除及/或添加光點，改變在該些入光琢面上的該些光圖案。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中在步驟d)中改變該些光圖案，而在由該照明系統於該光罩平面中所照射之一照射場之一第一部分產生一第一角輻照分布，以及在該照射場之一第二部分產生與該第一角輻照分布不同之一第二角輻照分布。
  13. 如申請專利範圍第11或12項所述之方法，其中該第一 部分為該第一角輻照分布為均勻的二維區域，且其中該第二部分為該第二角輻照分布為均勻的二維區域。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中在步驟d)中改變該光圖案，而在至少一入光琢面上產生包含具有不同非零輻照度之至少兩個區域的一光圖案。
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