TWI581071B - 微影投射曝光裝置中照射系統之運作方法 - Google Patents

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Description

微影投射曝光裝置中照射系統之運作方法
本發明係關於微影投影曝光裝置，例如用於產生大型積體電路及其他微結構組件。本發明尤其是關於一種此類微影投影曝光裝置之照射系統之運作方法。
積體電路及其他微結構組件習知藉由應用複數個結構層到適當的基板(例如可為矽晶圓)上來製造。為了建構這些層，首先覆蓋對特定波長範圍的光(例如在深紫外光(DUV)光譜範圍之光)有敏感性的光阻。然後於投影曝光裝置曝光以此方式塗佈的晶圓。在投影物鏡的協助下，藉此將配置於光罩上之繞射結構圖案造影到光阻。由於造影規模(imaging scale)通常小於1，所以此類投影物鏡亦通常表示為縮減物鏡。
顯影光阻後，晶圓歷經蝕刻製程，以根據光罩上之圖案建構此層。然後自層的其他部份移除剩餘的光阻。重覆此程序直到所有的層都應用到晶圓上。
所用投影曝光裝置之性能不僅由投影物鏡之造影性質 決定，還由照射光罩之照射系統決定。為此，照射系統含有光源(例如脈衝模式操作之雷射)，以及複數個光學元件，其由光源產生的光產生收斂(converge)於光罩場點之光束。個別的光束必須具有一般適於投影物鏡之特定性質。
這些性質中尤其包含分別收歛於光罩平面之點之光束的照射角分布。照射角分布一詞描述光束在不同方向分布之整體強度，其中光束的個別光線照射光罩平面相關的點。若照射角分布特別適於光罩所含的圖案，則可以高造影品質將光罩造影到覆蓋有光阻之晶圓。
照射角分布通常不直接描述在欲投影光罩所放置之光罩平面，而是於與光罩平面具有傅立葉關係之廣義瞳(generalized pupil)或實際瞳面(real pupil)之強度分布。廣義瞳對應位於無限遠之出射瞳，而實際瞳面區別在於光束之光線與主光學軸在其相交。在強度分布(位置空間)的協助下對照射角分布(角空間)的描述，使得相對於光線通過場平面之光學軸，可於傅立葉轉換瞳面指派給各角度自光學軸量測之徑向距離。類似的考量亦應用於廣義瞳。為簡化之故，除非有另外明確的表示，不然以下照射角分布之說明將表示為於實際瞳面之強度分布。
照射角分布，或於瞳面或理想化出射瞳與其等同的強度分布，有時亦稱為「照射設定(illumination setting)」。視強度分布的基本形狀，區分所謂習知與非習知照射設定。
於習知照射設定中，於瞳面之強度分布具有與光學軸同 心的圓盤形狀。因此光線在入射角為0°與圓盤半徑所決定之最大角度間，照射光罩平面之各點。於非習知的照射設定中，尤其是包含環形場照射及多極(multi-pole)照射，於瞳面照射之區域具有與光學軸同心的環形狀，或多個與光學軸相距一段距離之個別區域(極)。因此，利用這些設定，僅傾斜地照射欲投影之光罩。於雙極照射之案例中，舉例而言，兩個極配置在半徑上，且與光學軸相距相等的徑向距離。四極照射之強度分布為兩極照射彼此旋轉90°重疊而得到。
投影曝光裝置的作業員一般建立目標照射角分布，其被認為尤其適合在投影物鏡的協助下，最佳化造影特定光罩到光阻或其他感光層。然後，調整照射系統，使目標照射分布在光罩平面達到最大可能的精確性。為此目的，照射系統通常包含複數個可調光學元件，其對照射角分布之光學效應可修正為控制命令的函數。這些光學元件可例如為可更換的繞射光學元件、變焦物鏡、及/或錐透鏡(axicon)元件對。再者，通常提供額外的措施，藉此可微調或校正照射角分布。就此而論，舉例而言，US 6,535,274 B2提出可調透射濾光片，其配置在瞳面或緊臨瞳面的附近。
對照射角分布之光學效應可修正為控制命令的函數之光學元件，當光學元件的數目越多，越難決定控制命令，而使照射角分布實際建立成儘可能對應目標照射角分布。當欲建立新型照射角分布時，上述全部會碰到問題，因為對可達到新型照射角分布之控制命令尚未有任何的經驗。
現今，意圖在相對簡單的模型協助下，描述各種照射設 定之照射角分布。已界定各種量，在特定光學元件的協助下(例如配置於靠近瞳之濾光元件)，其可刻意地受到影響。舉例而言，於習知環形或四極照射設定之案例中，量常表示為瞳橢圓率。簡單地說，瞳橢圓率對應在曝光期間光自正交方向照射光罩上場點之量的比例。瞳橢圓越偏離1，照射角分布越不對稱。
現今用以描述照射角分布之另一量為遠心度(telecentricity)。照射表示當光束之高能中央光線(其通常亦表示為形心光線)垂直通過光罩平面時為高能遠心的。類似的考量應用於幾何遠心度，對其而言雖非高能但考量光束之幾何中央光線(即主光線)。
於高能非遠心照射的案例中，整個光束某程度地傾斜照射光罩。就照射角分布而言，此意味著來自相對方向之光量的尺寸不同。一般而言，由於投影物鏡通常也遠心在物件側，因此希望遠心照射。
然而，此類量有時不能方便用於所有照射設定。尤其是，這些量不容許精確地描述瞳面的強度分布(而為光罩平面之照射角分布)，進而可基於這些量重建強度分布。
T.Heil等人於2004年3月在光學微影(Optical Microlithography)XVII B.W.,Smith,ed.,Proc SPIE 5377,344-356頁，SPIE發表的文章，標題為「用於低k1應用之先進照射瞳之預測模型(Predictive modeling of advanced illumination pupils used as imaging enhancements for low-k1 applications)」，揭露參數瞳模型，其可準確地描述環形照射設定。在相對有限數量的瞳參數協助下，可精確地描述於 瞳面之環形強度分布，而可僅基於照射參數就重建強度分布。然而，此文獻並未針對可調光學元件說明如何決定控制命令的問題，而於光罩平面達到希望的目標照射角分布。
本發明之目的在於提供一種微影投影曝光裝置之照射系統之運作方法，其可決定光學元件之控制命令，而使收斂於欲由照射系統照射之光罩之點之光束，儘可能地具有目標照射角分布所指定的性質。
根據本發明，可藉由包含以下步驟之方法達成此目的：a)決定一組照射參數，說明收斂於欲被照射系統照射之光罩上之點之光束之性質，其中光束之性質包含光束具有相關於該點之出射瞳之強度分布，強度分布被描述為理想強度分布之擾動；b)決定光學元件，其對照射參數之光學效應可修正為控制命令之函數；c)為各光學元件決定照射參數對調整之靈敏度，其中調整乃控制命令所引起；d)指定一組目標照射參數；e)決定控制命令，其中該控制命令乃步驟c)決定靈敏度時所考量，使得照射參數與目標照射參數之偏差滿足預定最低標準；f)應用步驟e)所決定之控制命令到光學元件；以及g)照射光罩。
本發明之又一目的在於提供一種於微影投影曝光裝置 中，評估收斂於欲被照射系統照射之光罩上之點之光束之性質之方法。
根據本發明，可藉由包含以下步驟之方法達成此目的：a)量測照射系統之出射瞳指派給該點之強度分布；b)至少大概描述步驟a)量測的強度分布為理想強度分布之擾動，該擾動描述為強度調變與失真之組合；且其中：i)強度調變藉由第一完整、較佳為正交函數系統之函數之線性重疊描述；以及ii)失真藉由完整、較佳為正交第二函數系統之向量模式之線性重疊描述；c)基於線性重疊之標量重疊係數，評估光束之性質。
此類評估亦有助於產生照射系統。根據本發明，產生的方法包含以下步驟：編譯照射系統之設計；根據上述的評估方法，評估光束之性質；決定品質函數，其中決定於步驟b)之重疊係數之至少其一有貢獻；以及編譯修正設計，以改善品質函數。
在產生之後且在傳輸之前，藉由額外的調整步驟可進一步改善照射系統之光束之性質，光束收斂於欲由微影投影曝光裝置之照射系統照射之光罩上之點。為此目的，可提供以下步驟：根據上述之評估方法，評估光束之性質；以及修正性質，以改善評估。
本發明又一目的在於提供一種微影投影曝光裝置，其可決定照射系統之光學元件之控制命令，使得收斂於欲由照射系統照射 之光罩之點之光束，儘可能具有目標照射角分布所指定的性質。
此目的可藉由具有以下元件之投影曝光裝置達成：照射系統，含有複數個光學元件，光學元件對照射參數之光學效應可修正為控制命令之函數；量測儀器，用以量測指派給位於照射平面之點的出射瞳之強度分布，其中可配置欲被照射之光罩，且光束於其收斂；電腦，用以：i)為各光學元件決定描述光束之性質之照射參數對控制命令引起個別光學元件之調整之靈敏度，其中光束之性質包含光束具有相關於該點之出射瞳的強度分布，強度分布描述為理想強度分布之擾動，且其中電腦更用以：ii)考慮先前決定的靈敏度，決定控制命令，使得照射參數與目標照射參數之偏差滿足預定最低標準；資料傳輸路徑，電腦決定之控制命令可經由資料傳輸路徑應用於光學元件。
本發明更關於一種組態光罩之方法，光罩欲由微影投影曝光裝置之照射系統照射且由投影物鏡造影到感光層。根據本發明，此類方法包含以下步驟：a)根據上述之評估方法，評估光束之性質，光束收斂於欲由微影投影曝光裝置之照射系統照射之光罩上之點；以及b)考慮重疊係數來決定光罩上所含之結構，以降低至少一非零重疊係數對光罩之造影所造成的不良影響。
10‧‧‧投影曝光裝置
12‧‧‧照射系統
14‧‧‧光罩
16‧‧‧窄照射場
16’‧‧‧區域
18‧‧‧結構
20‧‧‧投影物鏡
22‧‧‧感光層
24‧‧‧晶圓
26‧‧‧光源
28‧‧‧光束擴張器
30‧‧‧交換支托器
36‧‧‧繞射光學元件
38‧‧‧變焦錐透鏡模組
42‧‧‧瞳面
44‧‧‧變焦物鏡
46‧‧‧錐透鏡組
48‧‧‧光學整合器
50‧‧‧聚光器
52‧‧‧中間場平面
54‧‧‧場光闌
56‧‧‧場光闌物鏡
58‧‧‧光罩平面
60‧‧‧第二瞳面
64‧‧‧孔徑光闌
68a-68d‧‧‧極
70a-70d‧‧‧次光束
72‧‧‧場點
74‧‧‧瞳濾光片
76‧‧‧中間濾光片
78‧‧‧控制單元
80‧‧‧電腦
本發明之其他特徵及優點可參考所附圖式及例示實施 例之說明得知，其中：圖1顯示微影投影曝光裝置之高度簡化透視示意圖；圖2為根據第一實施例顯示圖1之投影曝光裝置之照射系統之剖面示意圖；圖3顯示從瞳面射出之複數個光束之透視示意圖；圖4顯示說明根據本發明方法之流程圖；圖5為根據第一例示實施例顯示呈現圖4之流程圖所示方法之重要量圖式；圖6為根據第二例示實施例顯示對應圖5之圖式；圖7為根據第三例示實施例顯示對應圖5之圖式；圖8為說明出射瞳與影像平面間之幾何關係之示意圖；圖9a至圖9h顯示級數1到8之向量任尼克多項式之圖式；以及圖10a至圖10h顯示級數-1到-8之向量任尼克多項式之圖式。
1.投影曝光裝置之結構
圖1顯示投影曝光裝置10之示意圖，其適合微影產生微結構組件。投影曝光裝置10含有照射系統12，其照射於光罩14上之窄照射場16，於此實施例呈現為矩形。當然可類似地設想其他的照射場形狀，例如環形片段。
位於光罩14之照射場16內的結構18，利用投影物鏡20 造影到感光層22。例如可為光阻之感光層22塗佈於晶圓24或其他適合的基板上，並位於投影物鏡20之影像平面。由於投影物鏡20一般具有造影規模| β |<1，位於照射場16內的結構18以縮減方式造影成區域16’。
於所示之投影曝光裝置10中，於投影期間光罩14及晶圓24沿Y方向位移。位移速度的比例等於投影物鏡20之造影規模β。若投影物鏡20產生影像之反像(即β<0)，則光罩14與晶圓24之位移移動將為相反方向，如箭頭A1及A2所示。於此方法中，於掃描移動中在光罩14上導引照射場16，使得即使大型的結構區域仍可協調一致地投影到感光層22。
2.照射系統之結構
圖2顯示照射系統12之簡化剖面，其並未依照真實比例繪示。照射系統12包含產生投射光之光源26。於此所述之例示實施例中，光源26為準分子雷射，其可產生在(深)紫外光光譜範圍之光。較佳利用短波投射光，因為藉此可達到高解析度之光學造影。具有雷射介質KrF、ArF、或F2之準分子雷射可分別產生波長248nm、193nm、及157nm之光，此為習知。
用做光源26之準分子雷射所產生之光，為高度準直又僅輕微發散。因此初始在光束擴張器28中擴張。光束擴張器28可為例如可調鏡子配置，其增加約矩形光束截面的尺寸。
然後擴張的光束通過繞射光學元件36，以及變焦錐透鏡 模組38，而照射照射系統之第一瞳面42，其中繞射光學元件36支托在交換支托器30中，而。變焦錐透鏡模組38包含44所示之變焦物鏡以及錐透鏡組46，其含有兩個同心又有彼此互補面之錐透鏡元件。利用錐透鏡組46，可修正徑向光分布，以達成第一瞳面42之環形照射。藉由調整變焦物鏡44，可修正照射於第一瞳面42之區域之直徑。因此，變焦-錐透鏡組38可建立各種習知以及環形照射設定。
為了建立多極照射設定，於所示照射系統中，將繞射光學元件36插入交換支托器30。繞射光學元件36上之結構配置成可於遠場產生所需的多極強度分布。
光學整合器48可為例如微透鏡陣列配置，係配置於第一瞳面42或緊臨第一瞳面42附近。光整合器在影像側之聚焦平面產生第二光源，各發射具有由上述微透鏡幾何所示之角譜之發散光束。藉由聚光器50，第二光源所產生之光束重疊於中間場平面52，使其可非常均勻地照射。聚光器50在第一瞳面42與中間場平面52間建立傅立葉關係。因此，來自第一瞳面42相同角度的所有光線，到達中間場平面52的同一點，而來自第一瞳面42之特定點的所有光線於相同角度通過中間場平面52。
於所示之例示實施例中，場光闌(field diaphragm)54可包含例如複數個可調片及/或多個窄指狀光闌元件，其可彼此獨立地插入光路徑，場光闌54配置於中間場平面52。利用場光闌物鏡56，場平面52與配置光罩14之光罩平面58光學地共軛。光罩平面58為場光闌物鏡56之影像平面與後續投影物鏡20之物件平面。
場光闌物鏡56含有照射系統12之第二瞳面60，其中可配置孔徑光闌64，以(額外地)限制照射系統12於影像側之數值孔徑。
3.照射角分布
照射系統12以高精確性建立光束的性質，光束分別收斂於欲被照射系統12照射之光罩14之點。這些性質一方面為光束照射光罩14之總強度。個別光束總強度中未受控制的變化，可導致晶圓24上產生的結構在寬度上不良的變異。
然而，總強度並不是以下的重點，而是光束的性質，其為照射角分布。「照射角分布」一詞描述光束之總強度在不同方向間之分布，其中光束之個別光線沿不同方向照射光罩上之點。以下參考圖3將解釋此為何意。
圖3以透視示意圖顯示場光闌物鏡56之瞳面60，以及光罩平面58之細節。於此示意圖中，假設利用照射系統12產生四極照射。如上所述，為此，繞射光學元件36使得在第一瞳面42有四極照射。由於配置在第一瞳面42及第二瞳面60間之光學元件，不改變照射角分布的基本形狀，在場光闌物鏡56之瞳面60亦照射四個極，於圖3表示為68a、68b、68c、及68d。照射極68a至68d之次光束分別表示為70a、70b、70c、及70d，其收斂於光罩平面58之場點72。因此所有的次光束70a至70d對場點72之強度有貢獻。
於四極照射中，通常希望所有的次光束70a至70d對場點72之強度有相同方式的貢獻。僅如此可確保光罩14中具有等寬但 不同方位(垂直或水平)之條狀結構，造影到感光層22有具有相等寬度。若次光束70a及70c的貢獻大於或小於次光束70b及70d的貢獻，則可發生例如投影到感光層22之水平方位結構具有比垂直方位結構還大的寬度，即使兩個案例中光罩14之結構皆具有相等寬度。
為了能描述四極68a至68d之強度分布，尤其是四極照射之案例，瞳面60(或更精確地為指派給個別光罩點之出射瞳，細節如下)分成扇形V1、V2與H1、H2，其中分別配置一極68a至68d。然後彼此相對的扇形V1、V2與H1、H2含有一對極，其光僅導致造影具有特定結構方向之結構。藉由指定通過扇形V1、V2與H1、H2之光強度，因而可得到導致造影結構彼此正交延伸之光分率是否相等的結論。此比例稱為瞳橢圓率E，且其可用作為描述照射角分布性質的參數。然而，於四極照射案例中，一般需要使用其他照射參數來描述照射角分布。
就照射系統12瞳面之強度分布的其他基本形狀而言，例如習知的、環形、或雙極照射設定，同樣需要找到容許對強度分布既簡單但又最完整描述之照射參數。T.Heil等人於上述介紹的文獻中指出了適合環形照射設定的一組照射參數。利用參數式瞳面模型描述強度分布，其中一些參數描述理想環形強度分布，以及其他參數關於擾動，即與理想強度分布之偏差。以下於6.2節中，亦將解釋新的瞳模型，不管瞳面之強度分布的特定基本形狀，而容許非常精確描述照射角分布。
4.影響照射角分布
為了能調整照射角分布，照射系統12包含複數個可調光學元件，其對照射角分布的光學效應，進而對用以描述之照射參數的效應，可修正為控制命令之函數。一般而言，由於相關光學元件的位置改變、例如位移、轉動、或傾斜，在操縱器的協助下會引致修正的效應。除了位置改變，藉由施加電壓(光電效應)，亦會利用材料性質，例如折射率。照射系統12可調整照射角分布的光學元件，於下將依光路徑順序簡短說明。
利用第一操縱器M1，如小箭頭所示，光源26可垂直於光學軸OA位移及/或繞垂直光學軸OA延伸之傾斜軸傾斜。傾斜改變照射繞射光學元件36之光線的方向。由於此不同的照射，繞射光學元件36所產生的角分布亦改變。總之，垂直光學軸OA位移光源26，會改變瞳面42及60之強度分布。
再者，在第二操縱器M2的協助下，同樣如小箭頭所示，繞射光學元件36之交換支托器30可繞垂直光學軸OA延伸之傾斜軸傾斜。藉此對照射角分布的效應，不同於藉由傾斜光源26所產生的。
可藉由修正變焦物鏡44之焦距改變第一瞳面42之強度分布之變焦物鏡44，對調整照射角分布尤其重要。為此目的，變焦物鏡44包含兩個一起作用的第三操縱器M3，藉此可修正變焦物鏡44之至少兩個透鏡的軸向位置。
在錐透鏡組46的協助下，可於第一瞳面42產生不同的環形強度分布，如上述第2點已說明的。錐透鏡組46的兩個錐透鏡元 件可藉由第四操縱器M4修正，且對環形強度分布之環直徑與環寬度有影響。
於第一瞳面42或緊臨第一瞳面42附近，配置瞳濾光片74，其含有兩個可相對彼此轉動(參見箭頭)的濾光元件。兩個濾光元件相對轉動的設定，可利用第五操縱器M5修正。關於瞳濾光片74的細節可參考上述的US 6,535,274 B2。瞳濾光片74的濾光元件設計成透射濾光片，於一些例示實施例中，其包含圓形片段形式之灰濾光區域。利用這樣的濾光片，照射角分布可場獨立地校正，即在一定限度內整個光罩14具有相同效應。
於照射系統12中，為了調整照射角分布，再提供第六操縱器M6，藉此可於軸向方向位移聚光器50內之一或更多的透鏡。藉由此類位移，可刻意地引致與正弦條件之偏差，而可一方面修正在第一瞳面42之位置間的關係，以及另一方面修正在之後中間場平面52之角度。
在中間場平面52之後，配置中間濾光片76，其同樣設計為透射濾光片，雖然在其軸向位置既不是配置在瞳面也不是在場平面。由於這樣的配置，中間濾光片76場相依地影響照射角分布，即光罩14上不同點的照射角分布有不同影響。光罩14上照射角分布的不利影響可藉由額外的手段補償。關於中間濾光片76的細節可參考WO 2008/092653 A申請案。此亦描述多個部分的中間濾光片76，其中中間濾光片76的個別部分在第七操縱器M7的協助下可位移，而可在一定限度下場相依地修正對照射角分布的影響。第七操縱器M7亦可設計 成可完全自光束路徑提取中間濾光片76。
操縱器M1至M7經由訊號線(由虛線表示)連接到控制單元78，而可以控制方式驅動個別的操縱器M1至M7。為此目的，控制單元78包含電腦80，其根據以下說明之方法，探知必須應用於操縱器M1至M7之控制命令，而使照射系統12於光罩平面58產生所需的目標照射角分布。
5.決定控制命令之方法
參考圖4所示之流程圖及圖5所示之圖式，以下將描述方法之第一實施例，藉由適當地驅動操縱器M1至M7，可於光罩平面58產生所需的照射角分布。本方法係基於調整演算法，其中光束之性質(尤其是照射角分布)可利用照射角參數描述。在最低標準的協助下，決定操縱器M1至M7的控制命令，而使實際的照射參數近似預設的照射參數。首先詳細說明主要的方法步驟，此類方法的其他例示實施例將於以下第6節說明。
(a)決定照射參數
於第一步驟S1中，決定一組照射參數，其描述光束之性質，其中光束收斂於欲由照射系統12照射之光罩14之點。如已於第4點所述，為此目的，可利用不同的瞳模型，而可參數式地描述在瞳面之照射角分布。
照射參數不僅必須適用於描述照射角分布之性質，還要能經由量測而獲得(至少要間接可取得的)。習知藉由導入角解析感測器 來實行照射角分布的量測，其量測於光罩平面58、進入光罩平面58、或投影物鏡之影像平面中所選點之照射角分布。為此目的，感測器可含有聚光器，將所選點之角分布轉換成平面之位置分布，其中配置位置解析2D感測器。
理想上照射參數應該決定成可為模擬程式的輸入量，而可計算光罩14上所含結構18之影像尺寸。瞳橢圓率E為此類的量，利用對此量的認知以及邊界條件(投影物鏡之造影性質、感光層22之照射臨限等)，可計算相同類型但互相正交延伸之結構的尺寸與瞳橢圓率E≠1時的差異會有多大。
於下將假設決定了照射參數p 1,...,p m ，其表示結合該組照射參數之向量之分量。
(b)決定可調光學元件
於第二步驟S2中，決定那些光學元件其對照射參數之光學效應可修正為控制命令之函數。於照射系統12中，此項選擇是由操縱器M1至M7建立。
指派給個別操縱器並分別導致相關操縱器之特定調整之控制命令，將表示為x 1,...,x n ，其中n小於或等於操縱器之總數。控制命令組x 1,...,x n 將結合形成向量。
(c)決定靈敏度
為了決定控制命令，假設控制命令x 1,...,x n 根據方程式 (1)或於矩陣向量符號大概線性地作用於照射參數p 1,...,p m 。
矩陣含有靈敏度sij，其描述控制命令如何影響各種照射參數p 1,...,p m 。現於步驟S3藉由模擬或量測來決定靈敏度矩陣。
舉例而言，模擬所實行的決定，可僅利用變化指派給特定操縱器之控制命令，以及藉模擬探知改變對各種照射參數p 1,...,p m 的影響。就量測所實行的決定而言，可採用類似的程序，即以不同的控制命令驅動操縱器，而分別藉由量測技術獲得一個場點或多個場點之照射角分布。然後，根據所用之瞳模型，從量測的照射角分布衍生照射參數p 1,...,p m 。
(d)指定目標照射參數
於步驟S4中，指定目標照射參數，其描述欲建立在光罩平面58之目標照射參數。該組目標照射參數於下將表示為。
(e)決定控制命令
於另一步驟S5中，決定一組控制命令，此組控制命令為步驟S3所決定之靈敏度所考量，使該組與目標照射參數組之偏差滿足預定最低標準。於最簡單的案例中，最小化以下表示式：
其中∥．∥表示習知歐幾里德2-模值(Euclidean 2-norm)。線性代數提供一些用以解出最小問題的解題方法。一個習知方法為利用奇異值分解決定偽逆(pseudo-inverses)。考慮靈敏度矩陣，若選擇控制命令，而導致光罩平面58之照射角分布是由目標參數所描述，則根據方程式(2)之表示式等於0。
權重
根據瞳面之強度分布之基本形狀(例如圓盤形、環形、或多極配置)，可權宜地考慮與上述最小化不同的某些照射參數。若照射參數之一例如為上述圖3所述之瞳橢圓率，則此量對雙極照射而言幾乎沒什麼意義。因此，在雙極照射中，可降低此照射參數的權重，或甚至使用權重因子0而全部忽略。
若照射參數p 1,...,p m 以權重因子w 1,...,w m 權衡，則欲最小化的表示式變成：
其中向量具有權重因子W 1,...,W m 作為分量。再者，關於基本照射狀之權重因子w 1,...,w m 相依性的細節，可於以下6.3節發現。
再者，藉由權重因子W 1,...,W m ，亦考慮欲照射之光罩14的性質。在光罩僅含有沿一個結構方向延伸之結構的案例中，某些照射參數(例如瞳橢圓率)可能與感光層22上最終所得的影像無關。因 此，可容忍此類照射參數更嚴重的降級，而以改善其他照射參數作為回應。
光罩上權重因子w 1,...,w m 的相依性可於此案例中加以限定，使不同組的權重因子W 1,...,W m 指派給特定的光罩類型。為了造影待造影光罩，投影曝光裝置10之作業員將選擇最相似待造影光罩之光罩類型，以及選擇指派給此光罩類型之該組的權重因子W 1,...,W m 。因此，對不同的光罩類型刻意使用權重因子，不一定僅僅導致根據方程式(2)使實際照射參數與目標參數有整體「較佳」的近似，還導致偏差的一種「重分布」，而可更佳地容忍。
然而，投影曝光裝置10之作業員可因個別狀況，對欲造影的光罩特別地實行適合的權重因子。於此案例中，光罩不僅指派特定光罩類型，還直接為欲造影光罩訂做的方式決定權重因子。因此，藉由指定控制命令，作業員不直接影響操縱器M1至M7，而僅是影響個別照射參數w 1,...,w m 之權重因子。由此，控制單元78之電腦80計算操縱器M1至M7的控制命令，而對造影光罩可有最佳的貢獻。
亦可考慮造影光罩14之投影物鏡20之造影性質，來決定權重因子。舉例而言，某些投影物鏡可能對遠心錯誤反應特別地敏感，因此原由，直接或間接與遠心錯誤有關的照射參數應對應地有更高的權重。
更一般而言，投影曝光裝置10之作業員，至少在某些限度下，較佳具有能自由決定照射系統12之控制單元78中之權重因子的機會。然後亦可考慮整個造影程序中其他除了上述的量及影響。
迭代再調整之改善
在方程式(1)之控制命令與照射參數間所假設的線性關性，僅大概滿足實際的照射系統12。當決定敏感度矩陣時，由於量測錯誤等因素，可能不精確。
為了降低這些錯誤來源，利用最小化方程式(3)所得之控制命令，可利用量測計述於後續檢查。為此目的，利用控制命令驅動操縱器M1至M7。若自量測的照射角分布所取得的照射參數與目標照射參數有無法容忍的偏差時，將再次調整操縱器M1至M7。程序一直重複，直到控制命令實際上不再改變，即滿足臨界值標準或符號改變標準。此類迭代方法確保控制命令修正到量測展現出照射參數在方程式(2)或(3)所示的最低標準下儘可能近似目標照射參數。
(f)應用控制參數
於步驟S6中，將步驟S5所決定的控制參數應用到光學元件或應用到調整光學元件之操縱器M1至M7。根據步驟S5所用的調整演算法，驅動操縱器M1至M7，而使實際達到的照射角分布儘可能類似目標照射參數所得之照射角分布。
(g)照射光罩
最後利用以此方式建立的照射角分布，於步驟S7照射 光罩14，並造影到感光層22。
應了解如上所述步驟S1至S7的次序並非絕對的。尤其是步驟S1至S4可以任何希望的方式互換。
6.方法的變化型
以下將描述調整演算法進一歩例示實施例，作為上述圖4及圖5所示之方法的變化型。
6.1場相依性
圖6顯示自圖5衍生之調整演算法之重要量的圖式，其係根據假設在光罩14上被照射之照射場16內之照射參數並非固定，而是區域性變化之變化型。可考慮此類變化型，其亦稱為場相依性，使個別照射參數相依於場座標，即光罩14上之位置，亦即，其中(x,y)為光罩平面58之場點的座標。舉例而言，照射參數與場座標之函數相依性可為多項式。然後，較佳可實行執行於步驟S5之表示式(2)或(3)之最小化，而一般得到所有場座標對目標照射參數相當好的近似。就某些光罩而言，例如光罩上的某些區域對目標照射參數之偏差較不靈敏，光罩上的個別區域以可以額外的權重因子權衡。
6.2設定靈敏度相依性
利用描述照射角分布的某些模型，可權宜地分別決定瞳面之強度分布之不同基本形狀之靈敏度矩陣。舉例而言，可區分 圓盤形、環形、以及多及基本形狀，以及決定這些基本形狀的個別靈敏度矩陣。
6.3設定權重因子相依性
當改變基本照射形狀時，若可調整操縱器M1至M7，則在圖6所示之例示實施例協助下，不僅可適用於基本形狀之靈敏度矩陣，亦可適用於將類似地特別為基本照射形狀決定之權重向量，用於表示式(3)的最小化。藉此就各基本照射形狀而言，達到操縱器M1至M7之最佳驅動。
適用靈敏度矩陣及適用權重因子而可預先決定之基本照射形狀的數目為有限的。明確而言，因此新類型的目標照射角分布偶爾在目標照射角分布不對應任何已找到適用靈敏度矩陣及適用權重因子之基本照射形狀時，需要決定靈敏度與權重因子。
此狀況下最簡單的解決方案包含選擇最接近對應目標照射角分布之基本照射形狀。選替地，可內插基本形狀以及所找到的靈敏度矩陣及適用權重因子。於案例中，最接近對應所需目標照射角分布之對應內插基本形狀之靈敏度矩陣及權重因子，將用於調整演算法。
6.4向量任尼克瞳模型
下將呈現特別的瞳模型，尤其高度適合描述出射瞳指派 給個別場點之光束之強度分布。如圖7所示，於此瞳模型中之靈敏度矩陣可獨立於所選基本照射形狀。目前這是非常重要的優點，因為決定不同基本照射形狀之靈敏度在模擬中是非常仰賴電腦運算的，且在量測案例中是非常耗費時間的。當使用此瞳模型時，基本照射形狀僅影響權重因子。
為了說明以下稱為向量任尼克模型之瞳模型，首先參考圖8。顯示稱為廣義瞳EP之表面與光罩平面58間之幾何關係。廣義瞳概念尤其用於當光學系統之出射瞳位於無限遠處，如遠心場光闌物鏡56之案例。為了避免處理位於無限遠之量，出射瞳之物理條件描述於廣義瞳。此為一種取代瞳(substitute pupil)，其幾何類似出射瞳，但具有無限半徑並位於影像空間。由於廣義瞳產生的角度與出射瞳的一致，就僅發生的角度為重點之問題而言，出射瞳之物理條件可能以廣義瞳描述就相當好。廣義瞳概念在美國光學協會期刊(Journal of the Optical Society of America)，卷54(1964)，240-244頁之C.W.McCutchen 的文章中有更詳細說明，其標題為「廣義孔徑與三維繞射影像(Generalized aperture and the three-dimensional diffraction image)」。
微影投影曝光裝置之照射系統之場光闌物鏡高精確性地滿足正弦條件。因此，特定影像點之廣義瞳EP具有球面形狀，而照射場16中有關的場點位於其中心。雖然以下為簡化仍稱為出射瞳，但是實際在數學描述上是指廣義瞳。
出射瞳之電磁場將視為大約為純粹橫向，而使電場向量垂直於光束方向。然而，一般而言，足以使電場強度向量僅僅 視為二維量，其具有以下形式：
其中及表示電場強度之複合向量。位置於出射瞳之無量綱瞳座標表示為p、q：
瞳座標p、q在影像空間有關之傳播角度如下：
填充影像空間且緊鄰在光罩平面58前之介質的折射率於此表示為n。
利用k 0 =2π/λ0，於瞳點之平面波之傳播向量為：
其中
於出射瞳之瞳位置之目標強度分布之理想強度P 0為。於此所述之瞳模型中，照射角分布之擾動特徵在於兩個函數及。函數表示座標轉換，其可直覺地視為失真，而函數描述出射瞳之額外強度調變。然後，於出射瞳之實際的(擾動的)強度分布可表示為： ，或者若標量正常化結合於函數，則更簡化為：
現在向量函數及標量函數皆近似基礎函數之完整、較佳正交系統之函數的重疊。舉例而言，函數可由以下形式之任尼克多項式之總和近似：
其中為習知任尼克多項式。
座標轉換可由以下向量任尼克分解來參數化：
向量任尼克多項式由以下給定：
其中為k th 次方任尼克多項式之徑向分量，由以下給定：
以及次方數K透過下表連結n，m及ε，等等。
具有次方數1到8與-1到-8之向量任尼克多項式之圖式分別顯示於圖9a至圖9h以及圖10a至圖10h。「1」及「-1」對應幾何x或y遠心度，而「2」及「-2」表示幾何HV或ST橢圓形。「3」對應瞳的放大，而「-3」對應瞳的轉動等等。
由於根據方程式(10)及(11)之兩個分解所基於的這些基本函數形成完整的函數系統，藉由限定(任意的)理想強度分布與重疊係數α k 及β k ，可描述於出射瞳指派給特定場點之任何所需的實際強度分布，重疊係數α k 及β k 描述相對於理想強度分布之擾動。在此案例中，實際強度分布是由其他參數模型來描述或由足夠大量的量測值來描述，是不重要的。於兩者案例中，重疊係數α k 及β k 表示可根據第5節所述之方法，用以決定操縱器M1至M7之控制命令之照射參數，而使在出射瞳實際獲得之強度分布儘可能接近所需的目標強度分布。
由於任何在出射瞳所需的強度分布可藉由向量任尼克瞳模型以自由選擇的精確性來描述，其實際僅一次就足以決定指派給重疊係數α k 及β k 之基本函數之靈敏度矩陣。類似於上述5(c)所述，為此目的，例如可量測操縱器對光學元件產生的調整如何影響各種基本函數。然後，以此方式得到的靈敏度矩陣可用於任何所需基 本照射形狀。如此減輕為不同基本照射形狀決定靈敏度矩陣之努力。
利用向量任尼克瞳模型之其他優點在於，於出射瞳之強度分布描述為理想強度分布之擾動，可賦予個別重疊係數α k 及β k 意義，其在許多案例中為立即直觀的。因此，重疊係數α k 及β k 不僅可配合操縱器M1至M7的驅動使用，還可非常普遍用於評估照射角分布。舉例而言，若特定照射系統12與繞射光學元件36之計算，展現出在雙極照射中之重疊係數α -3 顯著不同於零，則可直觀解釋為兩極繞著光學軸轉動。
此類評估亦可優勢地用以產生照射系統。舉例而言，可建立量函數，其中重疊係數至少其一有所貢獻。起始於照射系統之原始設計，然後可修正設計直到改善量函數或直到不再發生進一步的改善。
在生產後及傳輸前，藉由額外的調整步驟，可進一步改善照射系統可建立之照射角分布。為此目的，初始可以所示步驟評估照射角分布。藉由調整步驟，例如些微平移位移或傾斜特定光學元件，然後可修正照射角分布，而改善評估。
於完成的照射系統中，重疊係數α k 及β k 可用於例如在模擬範疇中預測新基本照射形狀。然後，許多重疊係數α k 及β k 具有直觀意義之事實，顯著地促進實行模擬之研發者的工作。
由於可指定個別照射參數之權重因子(即重疊係數α k 及β k )，於此可利用在大量不同基本照射形狀與光罩類型間之「妥協」形式，再次整體最佳化照射系統12。選替地，可指定不同的權重因子 為基本照射形狀之函數。再者，若有需要，權重因子亦可於此決定為欲造影之光罩14之函數。
除了方程式(10)及(11)所限定的分解，亦可基於基本函數之其他完整較佳正交系統，實行分解。舉例而言，就函數而言，可考量根據以下例式分解之向量模式：
於此例中，向量模式給定為：
其中為正j之向量模式，為負j之向量模式，而再次為習知j th 次方任尼克項式。
以下描述可利用量測技術決定重疊係數α k 及β k 之方法。
6.4.1配試(fitting)
於此方法中，於照射系統12建立不同的基本照射形狀，其理想強度分布為已知。為各基本照射形狀，量測於出射瞳之實際強度分布。現在為各基本照射形狀，可利用配試來決定重疊係數α k 及β k 。應注意，代入方程式(9)之理想強度分布總是維持相同，且可對應例如基本照射設形狀其中之一，雖然並非必要。
需要為不同基本照射形狀重複量測與配試步驟，因為某 些重疊係數僅發生於所選基本照射形狀。例如圖10c所示由重疊係數β -3 描述之旋轉，在旋轉對稱基本照射形狀中不可量測，雖然某些操縱器M1至M7可能產生此類旋轉。僅當建立非轉對稱基本照射狀時，可決定重疊係數β -3 。
由於可量測之基本照射形狀之數目為有限的，原則上實際可決定僅重疊係數α k 及β k 之次組。尤其對顯著與量測基本照射形狀不同之新型基本照射形狀而言，因此僅限於可能得到可由操縱器M1至M7在光罩平面58建立之實際照射角分布之結論。
6.4.2使用格柵(grating)
於此方法中，利用繞射格柵取代繞射光學元件36，其建構尤其簡單，但由於簡單所以可以非常精確地製造。例如，於製造期間，可在微影方法的協助下建構氣相沉積在支撐材料上之鉻層。利用模擬可非常精確地預測格柵於出射瞳之繞射級的位置以及個別繞射級之相關強度。
若現在量測一或更多場點於出射瞳之強度分布，則相較於理論預期值，可自繞射級之實際位置決定重疊係數β k ，而繞射級之相關強度則給定重疊係數α k 。
此方法可類似地用於利用配置於瞳面之光闌調整照射角分布之照射系統。然後，僅通過光闌之繞射級部分出現在出射瞳。
相對於6.4.1所述之方法，原則上在此類格柵的協助下， 可決定所有的重疊係數α k 及β k 。因此可更佳地預測照射系統12對全新的控制命令組合會如何反應，包含對應當組態照射系統12時得知之全新類型基本照射形狀之控制命令組合。
6.5光罩之適用
在某些情況下，雖然操縱器M1至M7有最佳化調整，但是可能無法達到所需的照射角分布。會這樣的原因尤其可能是重疊係數α k 及β k 不希望的相依性，其一般不可能校正。
然而，利用量任尼克模型描述出射瞳之強度分布，當組態光罩14時，容許將與理想照射角分布之不可校正的偏差納入考慮。於場相依的照射角分布案例中，例如可藉由光罩上同類型之結構設計成不同的位置相依性來完成，以某程度補償這些位置之不同照射角分布。
12‧‧‧照射系統
14‧‧‧光罩
26‧‧‧光源
28‧‧‧光束擴張器
30‧‧‧交換支托器
36‧‧‧繞射光學元件
38‧‧‧變焦錐透鏡模組
42‧‧‧瞳面
44‧‧‧變焦物鏡
46‧‧‧錐透鏡組
48‧‧‧光學整合器
50‧‧‧聚光器
52‧‧‧中間場平面
54‧‧‧場光闌
56‧‧‧場光闌物鏡
58‧‧‧光罩平面
60‧‧‧第二瞳面
64‧‧‧孔徑光闌
74‧‧‧瞳濾光片
76‧‧‧中間濾光片
78‧‧‧控制單元
80‧‧‧電腦

Claims (21)

  1. 一種運作微影投影曝光裝置的照射系統的方法，包含：決定在一微影投影曝光裝置的一照射系統的一出射瞳中的一強度分布，其中該出射瞳被指定為該照射系統照射於一光罩上的一點；描述所決定的該強度分布為一理想強度分布的一擾動，其中該擾動被描述為一強度調變與一失真之一組合；且其中該強度調變係藉由一第一完整函數系統中函數的線性重疊所描述；以及該失真係藉由一第二完整函數系統中向量模式的線性重疊所描述；基於該線性重疊的複數個標量重疊係數，評估所決定的該強度分布；基於多個控制命令修正該照射系統的一光學元件的一光學效應；以及以通過該照射系統的該光學元件的光線照射該光罩。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所決定的該強度分布的一基本形狀被指定於一組照射參數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該基本形狀選自以下所組成之群組：圓盤形、環形、複數個極的配置。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該照射參數係乘上複數個權重因子來權衡。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該等權重因子係取決於一通用光罩類型，或者該等權重因子係取決於所欲照射之該光罩。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中考慮造影於該光罩之的一投影物鏡的造影性質，來決定該等權重因子。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中將所決定的該強度分布描述成 瞳座標(pupil coordinate)的一函數，其由 所給定，其中表示該強度調變，表示為該失真，且表示為該理想強度分布。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該強度調變係由所給定，其中為任尼克(Zernike)多項式，且α k 為任尼克係數。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等向量模式之分量為任尼克多項式。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中各向量僅一個分量不為零。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該失真係由 所給定，其中為向量任尼克多項式，且βk為向量任尼克係數。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該向量任尼克多項式 係由所給定，其中為k th 次方任尼克多項式之徑向分量，且由以下給定： 且次方數k透過下表連結n，m及ε，
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中為了決定該等任尼克係數α k 及該等向量任尼克係數βk，將該出射瞳中所決定的該強度分布與該理想強度分布比較，以及其中藉由將所決定的該強度分布與該理想強度分布配試(fitting)，來決定該等任尼克係數α k 及該等向量任尼克係數βk。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所決定的該強度分布係藉由量測所致。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中在量測所決定的該強度分布時，將一光闌(diaphragm)配置於該照射系統之一瞳面。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中在量測所決定的該強度分布 時，藉由一格柵於該照射系統之一瞳面產生一繞射圖案。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等標量重疊係數為一模擬程式之輸入量，藉此可計算一特定光罩關於結構之配置與尺寸之量，其係將於一支座上的該光罩造影而產生。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：在評估所決定的該強度分布之後，決定一品質函數，其由該等重疊係數之至少其一所貢獻；以及提供該照射系統的一修正設計，以改善該品質函數。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：在評估所決定的該強度分布之後，修正在該微影投影曝光裝置的該照射系統的該出射瞳中的一強度分布，以改善一光束之性質，該光束收斂於欲由該照射系統照射之該光罩上之一點。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：在評估所決定的該強度分布之後，透過考慮該等重疊係數決定該光罩上所含之結構，以降低至少一非零重疊係數對該光罩之造影所造成的不良影響。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中所考慮的是該重疊係數的一場相依性。
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