TWI607290B - 具有高彈性操作器的投影曝光裝置 - Google Patents

Description

具有高彈性操作器的投影曝光裝置

本發明關於一種用於半導體微影的投影曝光裝置，及一種用於操作此裝置的方法。

現代微影製程使用諸如雙層或多層結構及所謂「間隙(Spacering)」的解析度增加措施進行操作。在該製程中，微細結構係以連續的曝光步驟產生。這些方法僅在若來自該等連續步驟的該等曝光結構以涉及彼此的高精確方式(例如半週期補償)對準時才可行。

對於投影曝光裝置(及尤其投影透鏡)，準確度的需求(尤其關於橫向結構定位)比涉及單一結構更成比例增加，亦即其不僅隨著解析度而線性增加。

同時，在光阻劑(resist)中通常使用0.4及更高之數值的高孔徑。如此，考量數值孔徑(numerical aperture)及光阻劑折射率之商數。在具有193nm(奈米)曝光波長的所謂真空紫外光(VUV)範圍內，光阻劑折射率約為1.7；在13.5nm(奈米)波長或更短(例如7nm(奈米))的所謂極紫外光(EUV)範圍內，其為1.0。在光阻劑中的高波束角(beam angles)，光偏振隨著所謂的向量效應而變得明顯：干擾等級之場組件僅係平行，並僅在切向偏振(tangential polarization)的情況下供應良好對比。在徑向偏振(radial polarization)的情況下，有顯著的相對角度，其具有對比減少效應且甚至導致對比度反轉。

具有高景深度的區域隨著操作波長及孔徑之倒數平方而縮放。在具有數值孔徑高於0.4的EUV波長的情況下，或者在VUV波長及孔徑高於1.1的情況下，景深度減少至小於70nm(奈米)。微影影像之聚焦平面必須以涉及光阻之物理表面的對應準確方式定位。

對於涉及光阻劑的影像平面之確切對準的進一步動機在於遠心度(telecentricity)效應。在系統中的遠心度造成相對於光方向之影像的傾斜程度。改變光方向上的曝光點轉化為橫向影像位置變化，其對於如以上所需求的橫向(lateral)影像位置準確度具有負面效應。

整體而言，對於將聚焦位置與所曝光半導體基板之真實表面相匹配有更大的需求。這通常與光阻有關，其藉由旋轉塗佈而施加，由於應用製程所造成的不均勻度。這導致在掃描期間，在先前測量基板布局後調整焦點的需求，亦即降至十分之一秒範圍。為此，需要快速操作器。而且，應可能在此時間尺度上不僅改變焦點且亦改變尺寸及失真，尤其為了能補償光罩的熱效應。

此時，所謂阿瓦雷茲(Alvarez)操作器提及作為快速操作器的範例；其實質具有兩相互可位移的非球面構成的光學元件，即將操作的光學輻射之波前連續通過這兩光學元件。由於實際增加所涉及光學元件之光學效應，該等光學元件之相對移動之結果在於對所達成波前的修改後的空間解析影響。例如，在PCT專利申請案號WO 2008/064859 A1中描述了此種操作器。然而，影響波前的選項受到操作器所採用光學元件之幾何形狀限制。

因此本發明之目的之一係說明一種用於半導體微影的投影 曝光裝置，及一種藉由其變成可改善焦點或影像像差及尤其更快且更彈性的校正的方法。

本目的可藉由具有獨立申請專利項中所列出特徵的裝置及方法而達成。附屬申請專利項係與本發明之較佳實施例及延伸變化相關。

根據本發明之用於半導體微影的投影曝光裝置具有用於減少影像像差的至少一操作器，其中該操作器具有可相對於彼此定位的至少兩光學元件。在此，該等光學元件之至少一者在其對通過其間的光學波前的效應方面是空間相依性，使得在該光學系統中傳遞的波前之局部相位變化在該等光學元件相對於彼此之相對移動的情況下產生。該至少一光學元件之空間相依性效應能以可逆(亦即時間可變)動態方式設定。在此背景下，可逆意指此空間相依性效應之50%、較佳為80%、更佳為99%(使用例如平均波前「RMS」偏差或「峰谷(peak to valley)」之變化的適合度量所測量)可取消，無需從微影投影曝光裝置移除光學組件或無需整合其他組件而可僅藉由操作相同組件而達成。

在此，此空間相依性效應尤其可憑藉該等光學元件之至少一者具有可以非球面方式具體實施的至少一表面的事實而達成，該表面之幾何形狀可設定。

換言之，根據本發明，現有的阿瓦雷茲操作器之使用光譜憑藉涉及操作器效應的該等表面之至少一者或能調整的該等光學元件之至少一者而延伸。除了由於該等兩光學元件相對於彼此可迅速執行之機械位移而能迅速設定操作器效應之外，亦有從能選擇空間相依性光學效應而出現的明顯彈性，例如藉由調整所涉及該等光學元件之至少一者之表面幾何形狀。整體而言，所得到係快速且鑑於預可選擇(pre-selectable)校正性能係高彈性的操作器。

在此，該等光學元件之至少一者既能以可逆動態可設定空間相依性方式在該光學系統中波前傳遞效應，亦能設計成可相對於預設狀態 位置移動。

在此，一光學元件之局部相位效應可在少於1小時、尤其少於10分鐘、更佳為少於20秒的時段內進行修改，使得在該等兩光學元件涉及彼此之補償的情況下的操作器之所需特性可在此具有高程度彈性的時段期間設定。

在這情況下，若為了設定整個操作器之所需相位效應而涉及彼此定位該等光學元件時，可達成10%、較佳為5%、更佳為2%之準確度是有利的。該等光學元件涉及彼此之補償例如至少10微米、或旋轉至少20弧秒可在少於1秒之時段內達成。

該等光學元件之相對移動尤其可藉由使用壓力波紋管(pressure bellows)、勞侖茲操作器(Lorentz manupulator)及/或壓電元件而達成。

而且，根據本發明的操作器在設定所需特性時，可保持在所使用波束路徑(beam path)中；亦即，免除場中的校正非球面之複雜交換。

尤其，至少一光學元件之空間相依性效應可藉由可以局部解析方式選擇的溫度輪廓(profile)而設定。

在此，可以局部解析方式選擇的溫度輪廓首先可造成表面變形，並因此造成相關光學元件之表面之所需非球面化。此外，或者如其的替代例，溫度輪廓亦可導致折射率的局部變化，因為對所需效應的進一步影響。

此外，或者如其的替代例，該等所涉及光學元件之至少一者同樣可為了對於所通過電磁波造成所需幾何形狀並因此造成所需相位影響而機械變形。為此，尤其可使用壓電致動器。

在本發明之較佳實施例中，可為了設定溫度輪廓而設置有加熱的電阻。

在PCT專利申請案號WO2009/026970A1中揭示此種電阻加 熱的範例，其整個內容併入本發明所描述之揭示內容中。

還有，所需溫度分布憑藉具有設置於光學元件之表面上的電阻配線的個別可致動加熱區而在光學元件之表面上方設定。在此情況下的電阻配線之厚度及間隔，以配線實質不會減弱上級(superordinate)光學系統(在所提及情況下用於半導體微影的投影曝光裝置)之整體功能的方式選擇。在此，電阻加熱為了表面之空間解析加熱而構成可良好控制/調節的簡單變量。

依該等光學元件之加熱及冷卻功率、及尺寸而定，在此所描述的解決方案允許溫度輪廓能設定在少於1小時之時段內，或甚至降低到少於20秒之時段。

用於產生溫度分布的進一步選項包括在所討論物件上局部吹入的暖或冷流體、來自邊緣的加熱(尤其藉由體積中所吸收輻射而來自光學元件之邊緣的斷層(tomographic)加熱)及在所討論物件上的輻射(該輻射吸收於表面層及/或體積中)之傾斜或垂直輻射。

再者，可有為了設定溫度輪廓而用於產生流經該等光學元件之至少一者的流體流的裝置。

在本發明實施例中，流體流持續散逸電阻加熱所引起的熱，因此改良控制/調節該設置之能力。

可有用於該等光學元件相對於彼此之該等表面之相對移動的至少一勞侖茲致動器、一壓力波紋管及/或一壓電元件。

尤其，該等兩光學元件之該等表面之幾何形狀能以可逆動態方式設定，因為顯現進一步校正自由度。

該等光學元件之一者可假設為平面平行板之形式的方式而設定。

尤其，使用皆具有平面平行基本形式且於其中可局部發生所需相位效應的兩光學元件亦可實行。在此，該等平面平行板可以彼此相隔 小於25mm(毫米)、尤其小於10mm(毫米)之距離設置。

操作器可設置與即將成像的光罩相隔小於100mm(毫米)距離，較佳為小於50mm之距離。由於場之接近，因此元件之空間解析相位效應在影像位置上方轉換為波前之變化。利用此點，最好可藉由光罩上的快速空間變化而補償尺度像差及加熱效應。在即將曝光的半導體基板上具有高空間頻率的不均勻性最好可在此位置進行補償。在最低階位之每種情況下，在此尤其最好只有長波波前像差在個別影像點進行校正，諸如(例如)波前傾斜、偏離的波前曲度(失焦)及散光。

再者，操作器可位於近光瞳位置。波前之空間解析操作將會具有最慢場變化的相對場恆定效應。因此，較高波波前像差是確實的，兩者處於徑向及方位階位中。這些像差包括彗差(coma)、球面像差及高階散光，以及三波、四波及較高波的波前變形。

在此，所謂的近軸子孔徑比(paraxial subaperture ratio)可在系統中用於操作器之位置的測量。

近軸子孔徑比由下列函式給定

其中r是近軸邊際光線高度、h是近軸主光線高度且符號函式符號x表示x之符號，其中慣用上sgn0=1。近軸邊際光線或近軸主光線之定義係在美國華盛頓州貝靈厄姆市(Bellingham)SPIE出版社Michael J.Kidger的《基礎光學設計(Fundamental Optical Design)》中給定，其在此併入本文供參考。

近軸子孔徑比係帶正負號的變量，其係波束路徑中的平面之近場或近光瞳位置之測量。按照定義，子孔徑比值係標準化(normalized)為介於-1與1之間的數值，其中近軸子孔徑比值之0對應於每個場平面，且其中每個光瞳平面皆對應於在從-1至+1或從+1至-1的近軸子孔徑比值中具有跳點(jump)的不連續點。因此，0之近軸子孔徑比值表示用於本申請案的場平面，而1之近軸子孔徑比值之絕對值決定光瞳平面。近場平面因此具有接近 0的近軸子孔徑比值，而近光瞳平面在絕對值方面具有接近1的近軸子孔徑比值。近軸子孔徑比值之符號表示在參考平面前面或後面的平面位置。對於該定義，可使用例如在相關平面上的慧差光線之交叉點之符號。

若在波束路徑中的兩平面具有類似、尤其相同的近軸子孔徑比值，則將其視為共軛。在此情況下，類似意指近軸子孔徑比值之相對差小於20%、較佳為小於5%、更佳為小於1%。光瞳平面彼此共軛，場平面亦如此。

在此，操作器可設置於系統中近軸子孔徑比值在絕對值方面大於0.8、較佳為大於0.9的點。此種定位在本發明所描述內容之意義下應視為近光瞳。

該等兩光學元件可有利地在投影曝光裝置之掃描程序期間定位。

換言之，考慮到在後續掃描程序中即將曝光的半導體基板之布局時，能以在隨著掃描程序的該等光學元件之同步移動期間在各自掃描時間所需求理想校正效應發生於所採用輻射之波前中的方式，設定該等光學元件之該等表面之至少一者。由於可能有相對於彼此或彼此一起旋轉或位移該等光學元件之選項，因此可能實現進一步校正自由度。原則上，所涉及該等光學元件之多種多樣可能移動可實行，諸如在光方向上或在涉及光方向的某角度、尤其與其垂直的共同位移。在這情況，平面平行板可以尤其有利方式用作光學元件。

該等光學元件之至少一者尤其可以在預設狀態下致動，使得通過該等至少兩光學元件的光波之所產生局部相位變化小於當前述光波通過該等兩光學元件其中之一時所發生相位變化之20%，尤其是小於10%。

因此，在此情況下，所涉及該等兩光學元件之相位效應在該等兩光學元件之初始狀態下彼此大幅補償。然而，若該等兩光學元件之一者從因此所實現的零位置偏移，則操作器之顯著相位效應可非常迅速達 成。藉由在此情況下該等兩光學元件相對彼此位置變化而達成的相位變化特別依個別光學元件之相位效應之空間梯度而定。在此，相位效應可線性依該等兩光學元件之補償而定，但此並非強制性。

在以下文本中，將會依據附圖更詳細解釋本發明。

1‧‧‧投影曝光裝置

2‧‧‧晶圓

3‧‧‧照明裝置；照明系統

4‧‧‧裝置

5‧‧‧光罩

6‧‧‧裝置

7‧‧‧投影透鏡

8‧‧‧光學元件

9‧‧‧固定架

10‧‧‧操作器

11‧‧‧投影波束；光線

40‧‧‧透鏡殼體

101、102‧‧‧光學元件；平面平行板

101'、102'、101"‧‧‧光學元件

111、112‧‧‧致動器

200、200'‧‧‧光源

250‧‧‧光波導管

300‧‧‧光闌

400‧‧‧箭頭；流體流

400'‧‧‧流體流

600‧‧‧光線；光線

1011-1016、1021-1026‧‧‧溫度區域

1030、1040‧‧‧箭頭

1011、1021、1014、1024‧‧‧波束方向

A、B‧‧‧箭頭

C-C‧‧‧剖面

圖1顯示根據本發明的投影曝光裝置之示意例示圖；圖2同樣示意性顯示所採用光學元件之詳細例示圖；圖3顯示本發明之進一步具體實施例的變化例；圖4顯示使用圖3中所顯示變化例的本發明之具體實施例；及圖5顯示圖3及圖4的替代性具體實施例。

圖1描繪根據本發明的投影曝光裝置1。該投影曝光裝置用來在使用感光材料塗佈的基板上曝光結構，該基板通常主要是由矽組成，且稱為晶圓2，其目的為產生半導體元件，諸如(例如)電腦晶片。

在此，投影曝光裝置1實質是由下列組成：一照明裝置3；一裝置4，用於維持及確切定位一具有結構的光罩；一所謂的光罩5，藉由其決定晶圓2上的後續結構；一裝置6，用於維持、移動及確切精確定位晶圓2；及一成像裝置，亦即一投影透鏡7，具有複數個光學元件8，其藉由固定架9而托住於投影透鏡7之透鏡殼體40中。

在此，對即將成像於晶圓2上而引入光罩5的結構提供基本操作原理；該成像通常係以縮小方式執行。

照明裝置3提供將光罩5成像於晶圓2上所需電磁輻射形式的投影波束11。雷射、電漿源或此類可用作此輻射的來源。在照明裝置3中，輻射以投影波束11入射光罩5時具有關於直徑、偏振、波前形式及此類的所 需特性的方式藉由光學元件形成。

如以上已解釋，光罩5之影像藉由光線11而產生，並藉由投影透鏡7而以對應縮減方式轉移至晶圓2上。在此，光罩5及晶圓2可以同步方式位移，使得在所謂的掃描程序期間，光罩5之區域幾乎連續地成像於晶圓2之對應區域上。投影透鏡7具有多重多樣單獨的折射、繞射及/或反射光學元件8，諸如(例如)透鏡元件、反射鏡、稜鏡、端板及此類。

在圖1中，操作器10很容易識別出：在所顯示的範例中，其具有作為光學元件可藉由致動器111及112相對於彼此移動的兩平面平行板101及102。在此，操作器10不強制設置於圖1中所顯示投影透鏡7中的位置；操作器10之近場或近光瞳位置或者在照明系統3中使用操作器10亦可實行。在投影曝光裝置1中使用複數個操作器同樣可實行。

圖2顯示操作器10之兩平面平行板101及102之詳細例示圖，其具有以適當陰影指示的溫度分布。在此，該等兩平面平行板分別細分成溫度區域1011至1016及1021至1026，例如，可憑藉從現有技術文獻WO2009/026970A1得知的相應所致動光學元件之加熱區而產生。可能從圖2識別出，在波束方向(諸如1011及1021或1014及1024)上的連續溫度區域之溫度分布係構成彼此互補。由於此結果，相互對應的溫度區域之相位效應將大幅彼此補償，且操作器之整體效應將幾乎為零。然而，如箭頭1030及1040所示，若兩光學元件101及102彼此之橫向補償即將設定，則緊接著將會在通過對應操作器的電磁輻射中有空間解析相位變化。由於此補償可相對迅速地發生，因此操作器之所需校正效應亦可迅速地達成。尤其，多重不同校正效應可完全藉由引導及偏轉或相對移動之類型(平移、傾斜、旋轉或其組合)而在很短的時間尺度上達成。在此，能在即使約10秒至約10分鐘的時間尺度上設定溫度分布，使得可能在可接受的時間量內達成額外的所需相位效應。箭頭400示意性指示流體流，其進一步改善根據本發明之配置的熱控制或調節之能力。

圖3顯示本發明之變化例，其中局部解析可選擇的溫度輪廓可藉由操作器而造成，不會干擾所使用光之傳遞。在此，所提及的圖示以俯視圖顯示尤其可構成為平面平行板的光學元件101'。設置於光學元件101'之周邊上係光源200，其在所顯示的範例中將光線600傳輸過光學元件101'之側面且憑藉光闌(stop)300而傳輸過後者。換言之，在所顯示的範例中，所引導光輻射從側面入射光學元件101'。尤其，光輻射可在約1450nm(奈米)之區域或約2200nm(奈米)之區域中紅外線輻射。如範例所示，此紅外線輻射可藉由發光二極體(LED)或雷射二極體發射。尤其，光線600所形成波束之對準可憑藉具有多重可調適開口的光闌300而達成，其藉由適當的開啟、關閉或引導而在光學元件101'中產生所需光分布。尤其，所需光分布亦可藉由LED或雷射二極體之陣列、微鏡陣列或對應地設置的光纖束而達成。整體而言，可藉由穿越光學元件101'的所引導輻射而達成的效應在於，可設定的光強度輪廓出現在該光學元件中，因為光源200之間的交互作用。由於光源200所發射光之光學元件101'中的吸收，整體而言，此導致可設定的溫度輪廓，類似於如圖2所描述的情況。然而，對照於圖2中所顯示情況，不必然將例如加熱配線或此類引用在上級投影曝光裝置之光學使用輻射之路徑中，故因此相關投影曝光裝置之成像品質不會受到在不透明導體軌跡(即使其非常狹窄)上發生例如雜散光而劣化。

代替以上所提及的範例，或者亦可使用適當地配置的折射光學系統，亦即尤其可運用透鏡元件、微透鏡或微透鏡陣列。

圖4顯示從圖3所得知沿著剖面C-C的光學元件101'之剖面示意圖，其中具有進一步光源200及光闌300的進一步光學元件102'同時設置於光學元件101'下方。在圖4中所顯示的設置中，很容易識別出用於冷卻故因此整體而言用於設定可調節溫度輪廓的流體流400'係導引穿越兩光學元件101'與102'之間的間隙。在圖4中同樣很容易識別出藉由箭頭A及B所指示的兩光學元件101'及102'彼此之相對移動性；在此，選擇性搭配適當驅動器的 壓電致動器系統可用於光學元件101'及102'彼此之所需偏轉，該偏轉通常介於200μm(微米)與1mm(微米)之間的範圍內。

圖5顯示光源200之替代性具體實施例。在此情況下，光源200'係連接光波導管250，尤其光纖，其將用於光學元件101"之溫度控制的輻射引導至分段所描繪的光學元件101"之邊緣區域。如此，亦可能使用單一中心光源，其亦可選擇性使用在與系統的其餘部分隔開距離。所需光分布隨後僅藉由進入對應光纖光波導管250之耦合強度之適合選擇而達成。在此設置中，此優勢在於，由於光源200'與裝置之光學部分之間的空間距離，光源200'自身之冷卻被視為較不關鍵，因為可能從其發出的熱對於上級(superordinate)系統之成像特性不具有負面效應。

原則上，為了設定在光學元件101'或102'中的波束輪廓，分別在PCT專利申請案號WO 2013/044936 A1(Zellner等入)、以及台灣專利公開號2 01329645 A1中有已揭示的選項，其中前述文獻之所揭示內容係完全併入本申請案供參考。

1‧‧‧投影曝光裝置

2‧‧‧晶圓

3‧‧‧照明裝置；照明系統

4‧‧‧裝置

5‧‧‧光罩

6‧‧‧裝置

7‧‧‧投影透鏡

8‧‧‧光學元件

9‧‧‧固定架

10‧‧‧操作器

11‧‧‧投影波束；光線

40‧‧‧透鏡殼體

101、102‧‧‧光學元件；平面平行板

111、112‧‧‧致動器

Claims (15)

1. 一種用於半導體微影的投影曝光裝置(1)，包括至少一操作器(10)，其中該操作器(10)具有可相對於彼此定位的至少兩光學元件(101,102)，其中該等光學元件(101,102)之至少一者在其通過該等光學元件(101,102)的一光學波前的效應方面是空間相依性，使得在該光學系統中傳遞的一波前之一局部相位變化在該等光學元件(101,102)相對於彼此之相對移動的情況下產生，其中該至少一光學元件(101,102)之空間相依性效應能以一可逆動態方式且以一局部解析方式選擇的一溫度輪廓(profile)而設定，其中，該等光學元件(101,102)之至少一者可以在一預設狀態下致動，使得通過該等至少兩光學元件(101,102)的一光波之所產生的局部相位變化小於當該光波通過該等兩光學元件(101,102)其中之一者時所發生的相位變化之20%。
2. 如申請專利範圍第1項之投影曝光裝置(1)，其中，設置有為了設定該溫度輪廓的電阻加熱。
3. 如申請專利範圍第1或2項之投影曝光裝置(1)，其中，設置有用於產生為了設定該溫度輪廓而流經該等光學元件(101,102)之至少一者的一流體流(400)的一裝置。
4. 如前述申請專利範圍第1或2項之投影曝光裝置(1)，其中， 設置有用於該等光學元件(101,102)之該等表面相對於彼此之相對移動的至少一勞侖茲(Lorentz)致動器、一壓力波紋管及/或一壓電元件。
5. 如前述申請專利範圍第1或2項之投影曝光裝置(1)，其中，該等兩光學元件(101,102)之該等表面之幾何形狀能以一可逆動態方式設定。
6. 如前述申請專利範圍第1或2項之投影曝光裝置(1)，其中，該等光學元件(101,102)之至少一者可假設為一平面平行板之形式的一方式設定。
7. 如前述申請專利範圍中第1或2項之投影曝光裝置(1)，其中，該操作器(10)設置於離光罩(5)小於100mm(毫米)的距離。
8. 如前述申請專利範圍中第1或2項之投影曝光裝置(1)，其中，該操作器(10)位於一近光瞳位置。
9. 如前述申請專利範圍第1或2項之投影曝光裝置(1)，其中，該等光學元件(101,102)之至少一者既能以該可逆動態方式設定，亦能設計成可相對於一預設狀態位置移動。
10. 一種用於運作用於半導體微影的投影曝光裝置(1)的方法，其中一操作器(10)之至少兩光學元件(101,102)相對於彼此定位，其中該等光學元件(101,102)之至少一者在其通過該等光學元件(101,102)的一光學波前的效應方面是空間相依性，使得在該光學系統中傳遞的一波前之一局部相位變化在該等光學元件(101,102)相對於彼此之一相對移動的情況下產生，其中該至少一光學元件(101,102)之空間相依性效應以一可逆動態方式設定，其中，通過該等光學元件(101,102)之一者的該波前的該效應係藉由可在該等光學元件(101,102)中以一局部解析方式選擇的一溫度輪廓而設定，其中，該等光學元件(101,102)之至少一者可以在一預設狀態下致動，使得通過該等至少兩光學元件(101,102)的一光波之所產生的局部相位變化小於當該光波通過該等兩光學元件(101,102)之一者時所發生的相位變化之20%。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，該等兩光學元件(101,102)在該投影曝光裝置(1)之一掃描程序期間定位。
12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，電阻加熱係用於設定該溫度輪廓。
13. 如前述申請專利範圍第10至12項中之任一項之方法， 其中，流經該等光學元件(101,102)之至少一者的一流體流(400)係用於設定該溫度輪廓。
14. 如前述申請專利範圍第10至12項中之任一項之方法，其中，該等光學元件(101,102)之該等表面之相對於彼此相對移動係藉由至少一勞侖茲致動器、一壓力波紋管及/或一壓電元件而造成。
15. 如申請專利範圍第10至12項中之任一項之方法，其中，該等光學元件(101,102)之至少一者既以該可逆動態方式設定，且相對於一預設狀態位置而移動。