TWI588621B

TWI588621B - 照明光學裝置、曝光設備以及製造物品的方法

Info

Publication number: TWI588621B
Application number: TW104127332A
Authority: TW
Inventors: 須田広美
Original assignee: 佳能股份有限公司
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-06-21
Also published as: CN105446085A; US20160085158A1; KR101999553B1; TW201612653A; KR20160034806A; JP6053737B2; JP2016063185A; CN105446085B; US9733571B2

Description

照明光學裝置、曝光設備以及製造物品的方法

本發明涉及一種照明光學裝置、曝光設備和製造物品的方法。

在包括在製造半導體裝置等的處理中的光刻處理中，將形成於原片(original)(例如，標線片(reticle))中的圖案經由投影光學系統等轉印到基板(例如，在表面上形成光阻層(resist layer)的晶圓)上的曝光設備被使用。曝光設備包括照明光學裝置，其以來自光源的光通量(light flux)照明原片。在此，當照明光學裝置對原片的照明不均勻時，圖案到光阻的轉印不充分，且因此曝光設備可能無法提供高品質的裝置。此外，當照明光學裝置不能以高照度去照明原片時，所有曝光設備的產出量會受到影響。據此，照明光學裝置被要求以大致均勻的照度去照明原片。因此，在相關領域的照明光學裝置中，藉由在光源和照明面之間設置諸如反射型光學積分器(optical integrator)之類的光學構件來提高照度的均勻性。日本專利申請案第7-201730號揭露了，藉由採用光學棒(玻璃棒)作為反射光學積分器並且將光學棒的出射端面設置在與原片的表面共軛的位置處，來提高照明面的照度的均勻性的照明單元。在此照明單元中，入射到光學棒上的光通量的角度藉由驅動設置在光學積分器的前級側的光學系統而改變。

一般而言，為了使在光學棒的出射端面上的照度分佈為均勻的，光學棒的截面形狀要求為多邊形，以使得入射光的內反射的次數為足夠大的。亦即，要求垂直於光學棒的光軸的截面之截面面積為小的，或者要求光學棒在光軸方向上是長的。然而，當光學棒的截面面積為小的時，在入射到光學棒上的光的位置有偏差時，偏離光學棒的入射端面的光的比例增加。這意味著來自光源的光量之損失容易增加，這是不希望的。另一方面，當光學棒的長度為長的時，在光學棒的內部的光量的損失(在玻璃棒的情況下，損失取決於玻璃材料透射率；或者在空心棒的情況下，損失取決於反射表面的反射效率)可能增加，且光學照明光學裝置的尺寸可能增加，這是不希望的。特別是，在日本專利申請案第7-201730號中所揭露的技術中，使用了在光軸方向上具有約500mm的長度的光學棒。因此，當使用這樣的長光學棒時，存在有照明面的照度惡化、或整個照明光學裝置的尺寸增加的顧慮。

本發明提供一種照明光學裝置，其在不需增加尺寸的情況下，有利於照明面的高照度和均勻照明。

根據本發明的一個態樣，提供使用來自光源的光照明待照明面的照明光學裝置。照明光學裝置包括：光學積分器，其配置成藉由使從入射端面入射的光在內側面反射多次來使光學強度分佈在出射端面上是均勻的；以及光通量形成單元，配置成將來自其中聚光鏡以相對於光軸的第一角度會聚來自光源的光的焦點位置的光通量轉換成將以相對於光軸的大於第一角度的第二角度入射到光學積分器的入射端面上的光通量，光軸從光源被導向待照明面。待照明面被以來自光學積分器的光照明。

從例示性實施例的以下描述(參照所附圖式)，本發明的更多特徵將變得清楚明瞭。

1‧‧‧光源

2‧‧‧橢圓鏡

3‧‧‧第一中繼透鏡

4‧‧‧波長濾波器

5‧‧‧第二中繼透鏡

6‧‧‧光學積分器

7‧‧‧第一聚光透鏡

8‧‧‧第二聚光透鏡

12‧‧‧聚光透鏡

13‧‧‧擴散構件

100‧‧‧曝光設備

101‧‧‧照明光學裝置

102‧‧‧標線片台

103‧‧‧投影光學系統

104‧‧‧晶圓台

201‧‧‧照明光學裝置

301‧‧‧照明光學裝置

F1‧‧‧第一焦點位置

F2‧‧‧第二焦點位置

θ 1‧‧‧第一角度

θ 2‧‧‧第二角度

R‧‧‧標線片

W‧‧‧晶圓

圖1是示出根據本發明的第一實施例的照明光學裝置的配置的圖。

圖2是示出波長濾波器(wavelength filter)的透射特性的圖。

圖3是示出根據本發明的第二實施例的照明光學裝置的配置的圖。

圖4是示出根據本發明的第三實施例的照明光學裝置的配置的圖。

以下將參照所附圖式來說明本發明的實施例。

(第一實施例)

首先，將說明根據本發明的第一實施例的照明光學裝置和包括照明光學裝置的曝光設備。圖1是示出根據本實施例之曝光設備100以及被包含在曝光設備100中的照明光學裝置101的配置的示意圖。曝光設備100為，例如，投影型曝光設備，其被用於製造半導體裝置的處理中的光刻處理，且以掃描曝光方案將形成在標線片R中的圖案的像曝光(轉印)到晶圓W(基板)。在圖1之後的每張圖中，Z軸被定向為晶圓W的法線方向，且X軸和Y軸被定向為垂直於與晶圓W的表面平行的面的方向。曝光設備100包括照明光學裝置101、標線片台102、投影光學系統103、以及晶圓台104。

照明光學裝置101照明標線片R，標線片R是藉由調節來自光源1的光(光通量)的照明面(待照明面)。作為光源1，例如，可以採用供給諸如i射束(beam)(波長為365nm)的光的超高壓汞燈。然而，光源1不限於此。例如，可以採用供給具有248nm的波長的光的KrF準分子雷射器(excimer laser)、供給具有193nm的波長的光的ArF準分子雷射器、或供給具有 157nm的波長的光的F2雷射器。當照明光學裝置101和投影光學系統103被配置成包括反射折射系統或反射系統時，也可以採用諸如X射束或電子射束之類的帶電粒子射束。以下將描述照明光學裝置101的細節。標線片R是由，例如，石英玻璃所形成的並且其中形成有待轉印到晶圓W的圖案(例如，電路圖案)的原片。標線片台102保持標線片R且在X軸方向和Y軸方向中的每個方向上為可移動的。投影光學系統103以預定的倍率(例如，1/2)將通過標線片R的光投影到晶圓W。晶圓W是由單晶矽所形成且光阻(感光材料)於其中被施加到表面的基板。例如，晶圓台104藉由晶圓卡盤(未示出)保持晶圓W且在X軸、Y軸和Z軸(包括ω x、ω y和ω z，其在某些情況下為旋轉方向)中的每個軸向方向上為可移動的。

接下來，將具體地說明照明光學裝置101的配置。照明光學裝置101從光源1到照明面依序包括橢圓鏡2、第一中繼透鏡3、波長濾波器4、第二中繼透鏡5、光學積分器6、第一聚光透鏡7和第二聚光透鏡8。橢圓鏡(聚光鏡)2將從光源1輻射的光(光通量)會聚到第二焦點位置F2上。另一方面，光源1被設置在橢圓鏡2的第一焦點位置F1。第一中繼透鏡3和第二中繼透鏡5為成像光學系統，其作為根據本實施例的光通量形成單元。在前級側的預定面上的第二焦點位置F2和在後級側上的光學積分器6的入射端面具有共軛關係。波長濾波器4阻擋在特定波長區域中的光，且可以當採用曝光設備 100時調控(選擇)曝光波長。

光學積分器6為內反射型光學構件，其係藉由使從入射端面入射的光通量在內側面中反射多次而使出射端面上的光學強度分佈均勻。在本實施例中，光學積分器6被假設為光學棒，其整體形狀是方柱形且截面形狀是正方形。光學積分器6不限於光學棒。例如，可以使用其內部部分形成反射面的空心棒，只要空心棒執行相同操作即可。光學積分器6的入射端面和出射端面(二者均為XY平面)的形狀不限於正方形，且可使用其他的多邊形。當光入射到光學積分器6上時，出射端面經由內反射的操作而被均勻地照明。

第一聚光透鏡(主照明透鏡前組)7和第二聚光透鏡(主照明透鏡後組)8傳遞從光學積分器6的出射端面發射的光以照明標線片R。第一聚光透鏡7和第二聚光透鏡8是成像光學系統，且將來自光學積分器的光形成為照明面上的像。光學積分器6的出射端面被設置在第一聚光透鏡7的前側焦點位置處。出射端面被與標線片R光學地共軛。更確切地說，共軛位置被稍微移動以防止光學積分器6的出射端面上的異物被轉印。在此，照明標線片R的照明區域的形狀是矩形，但是也可以使用其他形狀。此後，從標線片R發射的光(亦即，圖案的像)經由投影光學系統103被轉印到晶圓W。

在本實施例中，如上所述，照明光學裝置101包括中繼透鏡3和5，其調節被引導到光學積分器6的入射端面的光通量的形狀(具體地，光通量的入射角度)。因此，當在不減小光學積分器6的入射端面(XY平面)的截面面積的情況下維持光學積分器6在光軸方向(Z軸方向)上的長度時，在光學積分器6中的內反射的次數可以增加。下文中，將描述此原理。

假設光學積分器6的折射率為n，假設在具有正方形截面表面之相面對的反射面之間的距離為d(mm)，且假射光學積分器6的長度為L(mm)。假設會聚在第二焦點位置F2處的光通量的角度(第一角度)為θ1(度)，且假設會聚在光學積分器6的入射端面上的光通量的角度(第二角度)為θ2(度)。假設來自第二焦點位置F2和光學積分器6的入射端面的成像倍率為β。此時，執行N次入射到光學積分器6的光通量的內反射所需的長度L藉由運算式(1)被表達出來。第一角度θ 1和第二角度θ 2滿足運算式(2)中表達的關係。

在此，距離d是基於諸如對在光學積分器6的入射端面上的光量的損失的敏感度之類的設計條件而確定的。長度L是基於諸如光學積分器6內的光量的損失的限制、或照明光學裝置101的空間上的限制之類的設計條件而確定的。因此，為了在防止照明面的照度惡化的同時增加光學積分器6中的內反射的次數，藉由中繼透鏡3和5將成像倍率β設置為小於1且滿足sinθ2>sinθ1的關係是有效的。sinθ2>sinθ1的關係是第二角度θ2大於第一角度θ1的關係。

以下，數值將具體地被應用於說明。為了在光學積分器6的出射端面上獲得目標照度均勻性，內反射的次數N=3或更大是必要的。當使用n=1.5、d=30mm且L=300mm的光學積分器6時，根據運算式(1)和運算式(2)，β可以設置為等於或小於約0.8。作為參考，例如，當第一中繼透鏡3的成像倍率等於第二中繼透鏡5的成像倍率時，滿足β=1。因此，L=379.7mm的棒是必要的。在此情況下，當形成光學積分器6的玻璃材料的內部透射率設置為99.5%/cm時，相較於L=300mm的情況，光量的損失增加約4%。當光量的損失增加時，使用照明光學裝置的曝光設備的產出量惡化。

成像倍率β的減少意味著光藉由此減少而被集中在特定區域上。因此，在光學積分器6的入射端面上的光功率可增加，且因此有可能影響到光學積分器6的耐久性。據此，在本實施例中，藉由以使用波長濾波器4來縮窄從光源1發射的光的波長帶來限制光功率。以下，將說明此原理。

一般而言，波長濾波器是在平行板中形成電介質多層(dielectric multilayer)的濾波器，且透射波長藉由光的入射角度而改變。圖2是示出當透射波長被確定時帶通濾波器(bandpass filter)的透射率特性的圖。圖2示出作為中心波長λ₀的峰值透射率之波長，且示出垂直入射到電介質多層上的光和傾斜入射到電介質多層上的光的入射角度與透射波長之間的關係。如從圖2所理解的，傾斜入射光的最大透射率比垂直入射光的最大透射率低。當改變光的入射角時，電介質多層中的光路徑長度的差減少，且因此中心波長偏移到短波長側。此外，角度分佈並未擴張的光應當入射到波長濾波器上。例如，由圖2中的Λ指示的波長區域(具體而言，也包括透射率分佈的下部)透過並成為包括除希望波長以外的許多波長的分佈。因此，將波長濾波器分配在如在光學積分器6的入射端面中的光角度分佈擴張的位置(地方)是不實際的。光角度分佈並未擴張的位置意味著位置分佈從赫姆霍茲-拉格朗日(Helmholtz-Lagrange)不變量擴張的地方。也就是說，射束有效直徑大於光學積分器6的入射端面的位置較佳地作為設置波長濾波器的位置。據此，在本實施例中，波長濾波器4被設置在靠近光瞳面(pupil plane)處，在光瞳面中，位置分佈在包括第一中繼透鏡3和第二中繼透鏡5的成像光學系統中擴張。因此，能夠抑制由於包括第一中繼透鏡3和第二中繼透鏡5的成像光學系統的倍率的減少所造成的對光學積分器6的耐久性的影響。

以此方式，在照明光學裝置101中，當在不減少光學積分器6的入射端面的截面面積的情況下維持光學積分器6在光軸方向上的長度時，在光學積分器6中的內反射的次數可以被增加。因此，在不增加照明光學裝置101的整體配置的情況下，照明面的照度的惡化被抑制且照度的均勻性可以被提高。

在本實施例中，如上所述，能夠在不增加其尺寸的情況下提供一種照明光學裝置，其在照明面的高照度和均勻照明方面為有利的。在包括照明光學裝置的曝光設備中，能夠在有利於確保內部空間的同時以更高的精度實現圖案轉印。

(第二實施例)

接下來，將描述根據本發明的第二實施例的照明光學裝置。圖3是示出根據本實施例的照明光學裝置201的配置的示意圖。給予與根據第一實施例的照明光學裝置101的構成元件相同的構成元件相同的標號，並將省略其說明。照明光學裝置201的特徵在於，取代在第一實施例中所採用的第一中繼透鏡3和第二中繼透鏡5，聚光透鏡12在波長濾波器4(未示出)的後端側被設置來作為根據本實施例的光通量形成單元。在此情況下，會聚在第二焦點位置F2處的光依序透射通過波長濾波器4和聚光透鏡12，且接著入射到光學積分器6上。聚光透鏡12是用作聚焦光學系統的傅立葉變換透鏡。在預定面上的第二焦點位置F2和光學積分器6的入射端面具有傅立葉變換的關係。當假設第二焦點位置F2的光通量直徑為D且假設聚光透鏡12的焦距為f時，建立起運算式(3)。

在此，光通量直徑D是基於光源1和橢圓鏡2的設計條件而決定的。因此，為了增加在光學積分器6中的內反射的次數，根據運算式(1)和運算式(3)減少聚光透鏡12的焦距f且滿足sinθ2>sinθ1的關係是有效的。即使在具有這種配置的照明光學裝置201中，也可以得到如第一實施例中那樣的相同益處。

(第三實施例)

接下來，將描述根據本發明的第三實施例的照明光學裝置。圖4是示出根據本實施例的照明光學裝置301的配置的示意圖。給予與根據第一實施例的照明光學裝置101的構成元件相同的構成元件相同的標號，並將省略其說明。照明光學裝置301的特徵在於，取代在第一實施例中所採用的第一中繼透鏡3和第二中繼透鏡5，擴散構件13在波長濾波器4(未示出)的後端側被設置來作為根據本實施例的光通量形成單元。在此情況下，會聚在第二焦點位置F2處的光依序透射通過波長濾波器4和擴散構件13，並接著入射到光學積分器6上。擴散構件13是以預定發散角θ₂發散入射光(入射光通量)的擴散板或透射型繞射光學元件。當使用擴散構件13時，為了增加在光學積分器6中的內反射的次數，藉由擴散構件13增加擴散角θ₂並滿足sinθ2>sinθ1的關係是有效的。即使在具有這樣的配置的照明光學裝置301中，也可以得到如在第一實施例中那樣的相同益處。對於光學積分器6的擴散角分佈是照明光學裝置301的照明相干性(illumination coherency)σ(σ值=照明光學裝置301出射側上的數值孔徑/投影光學系統103的入射側的數值孔徑)。因此，在擴散構件13的遠場區域(far-field region)中，在XY平面中的分佈較佳為大致圓形的圖案。在照明光學裝置301中，不僅是擴散構件13，且列舉在前述第一和第二實施例中的成像光學系統或傅立葉變換透鏡亦可被組合及設置，以在第二焦點位置F2和光學積分器6之間被使用。

在前述的每一個實施例中，只要滿足上述的各種條件，構成元件(諸如中繼透鏡、聚光透鏡、以及擴散構件)的數量及其設置位置僅為例子，而不限於列舉在每一個實施例中的數量和位置。

(物品製造方法)

根據本發明實施例的製造物品的方法適於製造諸如微型裝置(例如，半導體裝置)或具有微結構的元件之類的物品。此製造方法可以包括藉由使用上述繪製設備在施加有感光劑的基板上的感光劑上形成潛像圖案的步驟(在基板上的繪製步驟)、以及顯影潛像圖案被形成於其上的基板的步驟。此外，此製造方法包括其他習知的步驟(例如，氧化、沉積、氣相沉積、摻雜、平坦化、蝕刻、光阻去除、切割、接合、封裝等)。根據本實施例的製造物品的方法在性能、品質、生產率和物品的生產成本中的至少一個方面優於傳統方法。

雖然已經參照例示性實施例對本發明進行了說明，應當理解的是，本發明並不限於所揭露的例示性實施例。以下申請專利範圍的範疇應被賦予最寬廣的解釋，以使其涵蓋所有這樣的變型以及相等的結構和功能。

本申請案主張2014年9月22日提交的日本專利申請案第2014-192436號的優先權，且其全部內容在此藉由引用被併入。